蔡家鐵，吳錫令

（中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249）

0 引 言

為了增強油氣勘探能力和提高油田開發(fā)效益，油田生產(chǎn)越來越多地采用大斜度井和水平井，其井內(nèi)混合流體分布和流動特性比直井更加復雜，傳統(tǒng)的生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測技術已經(jīng)不能滿足勘探需求，因此迫切需要先進適用的新技術［1－2］。電磁波流動成像測井針對油氣井內(nèi)多相流體的流動屬于非均勻介質(zhì)動態(tài)問題，采用了非線性測量方法進行研究。

油井內(nèi)流動的流體一般是非均勻混合的石油、天然氣和地層水。電磁波流動成像測井的實質(zhì)是在井內(nèi)激發(fā)一定形式的電磁場，利用流動截面上油、氣和水的導電特性和介電特性差異進行測量并顯示各相流體流動的實時圖像。工作頻率作為電磁波傳播的重要參數(shù)，不僅對電磁波的自身傳播特性和混合流體的電性質(zhì)有影響，而且對最終的測量值也有很大影響［3－5］。王曉星［6］等通過理論研究和數(shù)值模擬，對頻率選取進行分析及計算得出，測量頻率選擇在10kHz～10MHz時，油氣水混合流體的各相電性參數(shù)保持穩(wěn)定且差別大，同時各電極模擬測量值基本保持穩(wěn)定且差別也大。本文在此基礎上通過實際測量分析選出陣列電磁傳感器最優(yōu)的工作頻率。

1 測量物理模型

陣列電磁傳感器采用電磁波對油井內(nèi)的流體流動截面進行掃描測量。設電磁波測量的敏感場區(qū)域為D，在D內(nèi)，介質(zhì)電磁特性分布函數(shù)為μ（x，y，z）。對于A點發(fā)射、B點接收的情況，D內(nèi)各點對信號貢獻量的分布函數(shù)為Cij［x，y，z，μ（x，y，z）］，則測量信號可以表示為［7］

式中，dij為測量數(shù)據(jù)；eij為測量誤差；dV為體積元。

流體介質(zhì)電磁特性分布函數(shù)μ（x，y，z）和流場對測量信號的貢獻Cij［x，y，z，μ（x，y，z）］，都與流體的電磁性質(zhì)有密切關系。而油井套管內(nèi)的流體介質(zhì)對電磁波有損耗，其介電常數(shù)為復數(shù)，即

式中，ε′與介質(zhì)無損耗時的ε相同；ε″代表介質(zhì)原子結(jié)構(gòu)中的阻尼效應；σ′＝σ＋ωε″為介質(zhì)的等效電導率。上述分析表明，油井內(nèi)混合流體是頻散介質(zhì)，其電磁特性都與交變電磁場頻率有關。因此，電磁傳感器測量結(jié)果與交流信號的工作頻率密切相關。

多相流動陣列電磁傳感器是一個具有立體結(jié)構(gòu)的復合電極陣列。電極陣列具有5層環(huán)狀電極，第2、4層為2個主電極層，第1、3、5層為屏蔽電極層，每層在圓周上等角排列16個電極（見圖1）。測量時對主電極和屏蔽電極饋以相同相位和幅度的電磁波信號。依次選擇中間層某一電極作為發(fā)射電極，其上下電極作為屏蔽電極，左右電極作為聚焦電極；再依次選擇其余電極作為測量電極。每1個測量周期共有16×（16－5）＝176種測量組合。

圖1 陣列電極結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬流動實驗

流動成像測量的目的是對流動流體進行測量并獲得實時圖像，但由于電磁波傳播速度非?？?，在某一瞬間可以認為流體相對測量傳感器靜止，在實驗室內(nèi)可用流體靜態(tài)模型實驗模擬實際流動［8－9］。

2.1 模擬實驗裝置

模擬實驗采用自主研發(fā)的陣列電磁傳感器，連接網(wǎng)絡分析儀構(gòu)成測量系統(tǒng)，在流動模擬管路上進行實驗測量。

電磁波流動成像測井實驗傳感器每層的16個電極等間距環(huán)狀排列置于推靠臂前端。推靠臂由收張螺桿控制，下井時收攏，測量時張開，使推靠臂緊貼井壁，此時電極陣列均勻分布于井壁周圍，不影響井內(nèi)流體流動，不改變流體流型，測量流體流動原始狀態(tài)。實驗用美國安捷倫公司生產(chǎn)的Hp3577A網(wǎng)絡分析儀激勵電磁波和接收測量信號。

流動模擬管路采用有機玻璃質(zhì)流管，流管長度850mm，內(nèi)徑120mm，外徑140mm。將有機玻璃管底部一側(cè)封閉，內(nèi)部嵌入一段不銹鋼套管，套管長度30mm，厚度4mm，可以模擬儀器在套管井中的測量。有機玻璃管上部透明，便于觀察液面高度和電極位置以及電極工作狀態(tài)。管道頂部采用螺紋不銹鋼密封帽，保證實驗過程中液體無漏失、液面高度無變化。

2.2 實驗方案

實驗介質(zhì)采用空氣和鹽水，分別模擬天然氣和地層水。其中鹽水電阻率為1Ω·m，鹽水由自來水和食鹽制備而成，采用幅值為1V的正弦電壓激勵信號，功率為10dBm。另外，為了達到測量數(shù)據(jù)的實時性目的，必須保證在流體流過測量電極的時間段內(nèi)完成對流體的測量。因此，根據(jù)電極的長度以及控制電路的要求。實驗中，1個周期的測量時間為4s。

選取頻率分別為60、300、600kHz、1、3、6MHz和10MHz的信號分別在全空氣和全鹽水中測量，并記錄電壓幅度值，用于考察測量信號的強弱以及穩(wěn)定性。

采用1號電極發(fā)射，8號電極接收的測量方式，測量了頻率分別為15、20、25、30、35MHz和50MHz的信號，用于考察測量信號隨頻率變化的趨勢。

采用含率各為50%的空氣－鹽水介質(zhì)，測量了頻率為1、3MHz和6MHz的信號，用于考察不同頻率下不同介質(zhì)的測量信號差異。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 測量信號強弱和穩(wěn)定性考察

通過在實驗臺上進行模擬實驗測量，獲得不同頻率下的全空氣和全鹽水測量數(shù)據(jù)（見表1和圖2）。穩(wěn)定性是指在測量記錄數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)的波動性。

表1 信號強弱和穩(wěn)定性對比

圖2 測量信號值隨頻率變化的趨勢圖

結(jié)合表1、圖2以及實驗狀態(tài)可以看出：①在全空氣和全鹽水中，測量信號先隨著頻率增大而增大，當頻率達到10MHz左右時，測量信號值最大，之后測量信號隨著頻率增大而減小，且通過實驗觀察到當頻率超過10MHz時，測量信號很不穩(wěn)定，波動較大；②在全空氣和全鹽水中，頻率低于1MHz時，測量信號相對較弱，且穩(wěn)定性差；頻率處于1～10MHz時，測量信號相對較強，且穩(wěn)定性好；超過10MHz時，測量信號穩(wěn)定性差。

實驗流體介質(zhì)是頻散介質(zhì)，實驗測量結(jié)果從物理機理分析，在變化的電磁場中，流體介質(zhì)的介電特性取決于極化程度，而各種極化形式的充分建立都需要一定的時間。在施加電磁場頻率較低時，極化能跟得上交變電場周期性變化，其強弱隨頻率的增大而增大；如果當施加電磁場頻率過高時，其極化跟不上交變電場周期性變化，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，隨著頻率的升高，其介電系數(shù)降低。另外，測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性主要受測量頻率的影響，頻率較高時，由于電子線路損耗增大以及干擾增強，對測量數(shù)據(jù)影響較大。

3.2 測量響應特征考察

通過全空氣、全鹽水以及空氣－鹽水分層分布的實驗測量，獲得在不同頻率下不同介質(zhì)的測量數(shù)據(jù)，對比分析測量數(shù)據(jù)曲線（見圖3、圖4、圖5），得出電磁波流動成像測量的響應特征。測量序列是指在1個周期內(nèi)的循環(huán)測量次數(shù)，1個測量周期內(nèi)共176次。

結(jié)合圖3、圖4、圖5和實驗狀態(tài)可以看出：①3種工作頻率都能得出電磁波流動成像測井的基本響應特征，即全空氣測量數(shù)據(jù)值最小，全鹽水最大，50%空氣－鹽水居中，在每組11個測量數(shù)據(jù)中有波動，整個16組176個測量數(shù)據(jù)變化不大；②頻率3MHz下的全空氣和全鹽水測量信號差異最大，其次為1MHz，6MHz最小；③在對50%空氣－鹽水的測量中，頻率3MHz下的測量響應特征明顯，高電位和低電位交替出現(xiàn)，而1MHz與6MHz下的測量響應特征不明顯，測量數(shù)據(jù)曲線凌亂。

4 結(jié) 論

（1）從測量信號強弱和穩(wěn)定性考慮，頻率在1～10MHz范圍內(nèi)，測量信號相對較強，呈逐漸增強的趨勢，且穩(wěn)定性較好；當頻率超過10MHz左右的時候，測量信號逐漸減弱，且穩(wěn)定性差。

（2）從測量響應信噪比考慮，頻率3MHz下的全空氣和全鹽水測量信號差異最大，更利于數(shù)據(jù)處理和圖像重建，且在對50%空氣－鹽水的測量中，測量響應特征明顯，規(guī)律性最好。

（3）從測量信號強弱、穩(wěn)定性以及測量響應信噪比考慮，電磁流動成像測井的工作頻率如果選擇在1～10MHz內(nèi)，實驗測量信號強，基本保持穩(wěn)定，且不同介質(zhì)測量信號差異明顯；再從不同介質(zhì)測量信號差異大小和層流響應特征出發(fā)，頻率為3MHz的時候，傳感器可以獲得最高的靈敏度。

［1］ 李海青，黃志堯.特種檢測技術及應用［M］.杭州：浙江大學出版社，2000：1－9.

［2］ ?；⒘?，吳錫令.電磁波流動成像測井數(shù)據(jù)處理方法［J］.石油勘探與開發(fā)，2007，34（3）：359－363.

［3］ 吳錫令，趙亮，劉迪軍.多相流動電磁波成像測井基礎研究［J］.石油勘探與開發(fā)，2000，27（2）：79－82.

［4］ 吳錫令，趙亮.油井中混合流體的電特性模型［J］.測井技術，1998，22（5）：318－320.

［5］ 趙彥偉，吳錫令，王曉星.油井多相流電磁成像測量敏感場仿真［J］.地球物理學報，2007，50（3）：946－950.

［6］ 王曉星，吳錫令.電磁流動成像測井頻率特性分析［J］.西南石油大學學報，2009，31（4）：38－41.

［7］ 趙彥偉.流動成像電磁測量敏感場和圖像重建研究［D］.北京：中國石油大學，2007.

［8］ 劉再斌，吳錫令.陣列電磁傳感器測量氣水層狀流持水率實驗研究［J］.測井技術，2011，35（4）：303－307.

［9］ 劉再斌，吳錫令.陣列電磁傳感器測量響應特征研究［J］.科學技術與工程，2011，11（30）：7364－7369.