黨峰, 陳濤, 侯學(xué)理, 彭其堯, 徐永發(fā), 朱京平

(中國石油集團(tuán)測井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

井間電磁測井是當(dāng)代地球物理應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的重要前沿[1]。該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理,將低頻發(fā)射源置于井下,在一口或多口鄰近的測試于井中,以較高的精度和分辨率測量得到井間地層電學(xué)特性。與電法測井相比,井間電磁測井具有更深和更大的探測范圍;與大地電磁及井-地電磁法相比,具有更高的精度和更深的探測范圍。裸眼井距最大可達(dá)1 km,套管井距最大可達(dá)300 m[2-3]。

目前,全球只有斯倫貝謝公司擁有井間電磁成像系統(tǒng)的試驗樣機(jī),最新型的是2004年投入現(xiàn)場試驗的X2C-GM系統(tǒng)。中國對井間電磁研究起步較晚,且主要集中在測井方法上[4],而模擬測試是獲取地質(zhì)模型電磁響應(yīng)的重要技術(shù)。2008年中國石油大學(xué)(北京)公開了二維介質(zhì)中井間電磁測量的層析成像反演算法,利用源與接收器場的互易原理實現(xiàn)了井間電磁數(shù)據(jù)的正則化約束反演。

本文擬在層狀介質(zhì)條件下開展多頻、多距狀態(tài)下的井間電磁接收器數(shù)據(jù)測試與分析,目的是識別電阻率變化,指示層界面,驗證正演算法,進(jìn)而為下一步儀器的研發(fā)提供技術(shù)支持。

1 井間電磁測井測試系統(tǒng)傳感器研究

井間電磁測井系統(tǒng)是將發(fā)射器和接收器分別置于2口井中,接收由發(fā)射器發(fā)射并經(jīng)地層傳播的電磁波,反演后獲得有關(guān)井間地層電阻率的分布信息,實現(xiàn)井間電阻率的直接測量,測量原理見圖1。

圖1 井間電磁測量原理示意圖

1.1 井間電磁測井發(fā)射器設(shè)計

井間電磁測井發(fā)射器用于產(chǎn)生電磁場,理論上發(fā)射磁矩MT越大,進(jìn)行井間電磁測量的井間范圍越大、測量精度越高。發(fā)射磁矩MT表達(dá)式為

MT=πa2μappNTIT

(1)

式中,μapp為發(fā)射線圈所纏繞的磁芯有效磁導(dǎo)率;a為發(fā)射線圈半徑;NT、IT分別為發(fā)射線圈的匝數(shù)、電流強(qiáng)度。

為達(dá)到測試所需3 000 A·m2發(fā)射磁偶極矩強(qiáng)度,根據(jù)井下電纜指標(biāo)參數(shù),發(fā)射器電流最大3 A,發(fā)射線圈長度在繞線線徑在滿足上述最大電流通過的基礎(chǔ)上設(shè)計為1 200 mm、線圈匝數(shù)560匝,發(fā)射線圈半徑滿足常見井眼要求設(shè)計直徑為90 mm。在上述參數(shù)固定的情況下,選擇并設(shè)計磁芯。磁芯有效磁導(dǎo)率

(2)

式中,μr為磁芯相對磁導(dǎo)率。

消磁因子常數(shù)

(3)

式中,l、d分別為磁芯的長度和直徑?？梢姶判镜拈L徑比和相對磁導(dǎo)率共同決定有效磁導(dǎo)率的大小。圖2為不同初始磁導(dǎo)率和長徑比情況下,磁芯有效磁導(dǎo)率的大小。

圖2 有效磁導(dǎo)率與初始磁導(dǎo)率和磁芯長徑比關(guān)系

由圖2見,對應(yīng)不同的長徑比,隨著μr不斷增大,μapp趨于穩(wěn)定,即當(dāng)μr變化時,選擇不同的磁芯尺寸,則有效磁導(dǎo)率幾乎不變。

根據(jù)中國的實際情況選擇初始磁導(dǎo)率很高、矯頑力較小的坡莫合金作為發(fā)射器磁芯材料,其電阻率較低,一般在1～7 Ω·m。為了降低渦流損耗,需要厚度極薄[7],磁芯纏繞過程中薄片表面需要涂絕緣層,致使填充系數(shù)大大降低,最終薄片設(shè)計厚度30 μm,長度300 mm,共計8組,組成長度為2 400 mm的磁芯,通過計算,此時發(fā)射磁矩可達(dá)3 700 A·m2。

1.2 井間電磁測井接收器設(shè)計

井間電磁測井接收器由纏繞在坡莫合金磁芯上的數(shù)千匝線圈構(gòu)成,其信號精度受其等效磁噪聲的限制。歸一化磁噪聲與重量分配系數(shù)、形狀系數(shù)的關(guān)系為[8]

(4)

得到最優(yōu)化的線圈重量與磁芯重量,就可以求出磁芯尺寸。根據(jù)以下公式求出其他參量。

繞線的直徑

(5)

線圈匝數(shù)

(6)

(7)

測試過程中,發(fā)射器發(fā)射單頻正弦波,可以得到頻率歸一化的電壓靈敏度[9]

(8)

當(dāng)長徑比在20～100時,這個公式與實際測得的靈敏度吻合的非常好[9]。設(shè)計井間電磁接收器磁芯長度1 200 mm,直徑40 mm,靈敏度100 mV/nT。滿足井間電磁測井發(fā)射頻率范圍要求,10 Hz～8 kHz范圍內(nèi)幅頻特性平坦,保證了被測信號的相位穩(wěn)定精度(見圖3)。

圖3 井間電磁接收天線頻率特性圖

2 井間電磁測井測試實驗

2.1 井間電磁實驗平臺研制

實驗平臺由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)包括信號源、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)、阻抗分析儀、信號衰減器等;接收系統(tǒng)包括前置放大器、程控濾波器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、鎖相放大器、示波器等組成。系統(tǒng)組成見圖4。

測試時計算機(jī)通過以太網(wǎng)控制信號源產(chǎn)生需要的波形,通過控制器控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備對調(diào)理后信號進(jìn)行采集、記錄和分析;通過以太網(wǎng)、RS232等接口與功率放大器、信號調(diào)理電路、程控濾波器等通信,對其進(jìn)行設(shè)置和讀取參數(shù)。

實驗平臺主要用于1 Hz～10 kHz的微弱信號測量,其測試能力如表1所示。

2.2 層狀介質(zhì)下的數(shù)據(jù)測試與模擬計算

固定井間電磁發(fā)射器參數(shù),恒定發(fā)射電流,選擇4種每兩兩相近的發(fā)射頻率15、17、220、275 Hz,以步進(jìn)為60 cm移動井間電磁接收器,測試接收器電壓信號變化與傳感器距離之間的關(guān)系。測試環(huán)境如圖5所示,7個厚20 cm隔墻將測試區(qū)域分為6層,隔墻填充高導(dǎo)電的鋼架結(jié)構(gòu),隔墻之間為空氣介質(zhì)。

對上述情況下的測試數(shù)據(jù)記錄并繪制接收器感應(yīng)電動勢與傳感器距離之間的關(guān)系(見圖6)。

圖4 實驗平臺組成示意圖

從圖6可以看出,隨著接收器不斷地遠(yuǎn)離發(fā)射器,接收信號總體趨勢隨著距離的增大不斷減小。在相距15 m范圍內(nèi)275 Hz電磁波所產(chǎn)生的信號幅度大于15 Hz電磁波所產(chǎn)生的信號幅度,但是當(dāng)發(fā)射器和接收器相距大于15 m以后,這種現(xiàn)象發(fā)生反轉(zhuǎn)。根據(jù)電磁波理論可知,這是因為在接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不僅與距離L(或井間距)有關(guān),而且與發(fā)射頻率相關(guān)。在某一距離范圍內(nèi),頻率的影響因素占主導(dǎo)地位,因此接收器電壓幅度隨著距離的增大而增大,但是當(dāng)達(dá)到某一距離以后,電磁波的衰減成為了主導(dǎo)因素,因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢逐漸下降。從圖6還可以看出,由于存在高電導(dǎo)率的隔墻,因此電磁波在穿過隔墻時產(chǎn)生強(qiáng)烈衰減,衰減的最低點(diǎn)位置與實際隔墻位置相一致,相互得到了印證。

圖5 井間電磁層狀介質(zhì)測試環(huán)境平面圖

圖6 井間接收器電壓信號隨距離變化關(guān)系圖

為了間接驗證測試結(jié)果的正確性,通過采用水平成層地層Green函數(shù)[5]進(jìn)行層狀介質(zhì)模型的電磁場數(shù)值模擬計算。假設(shè)模型中的介質(zhì)是非磁性的,磁導(dǎo)率均取真空中的磁導(dǎo)率值。模型中隔墻厚度、間隔和電導(dǎo)率值與測試環(huán)境取值相同,但是水平長度取無限大。圖7是模擬的接收器電壓信號隨距離變化的關(guān)系圖。

圖7 模擬接收器電壓信號隨距離變化關(guān)系圖

對比圖6和圖7,發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與理論模擬數(shù)據(jù)所給出的電磁波響應(yīng)規(guī)律基本一致。在接收器經(jīng)過墻體時電磁信號快速下降,出現(xiàn)了“臺階”現(xiàn)象。這是由于墻體中含有高電導(dǎo)率金屬,導(dǎo)致電磁信號迅速衰減。兩圖的差別主要表現(xiàn)為隨著接收器和發(fā)射器距離的增大,模擬的接收器電壓信號衰減速率比測試結(jié)果更快,且高頻與低頻幅度信號差別逐步變大。經(jīng)分析原因,這種差別主要是受測試環(huán)境條件的限制導(dǎo)致。由于測試環(huán)境復(fù)雜,包括各種儀器設(shè)備、鋼制房梁、消防栓、供電電源線等物體和磁性物質(zhì),這些因素均對實驗結(jié)果造成影響。而數(shù)值模擬所采用的模型為層狀介質(zhì)模型,無法考慮各種外在影響因素,這種模型與實際測量環(huán)境并不完全一致。在下一步實驗中,急需建立用于井間電磁波實驗的物理模型裝置,克服測試環(huán)境復(fù)雜因素的影響。

3 結(jié) 論

(1) 發(fā)射頻率相近,同樣的接收距離,響應(yīng)特征幾乎一致,驗證了實驗平臺的穩(wěn)定性與測試數(shù)據(jù)可信性。

(2) 測試數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對空間電阻率變化的識別;測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)“臺階狀”,表明不同層狀介質(zhì)中電磁波衰減系數(shù)不同,電阻率越低衰減系數(shù)越大,電阻率越高衰減系數(shù)越小。

(3) 發(fā)射頻率越高,井間電磁分辨率越高,在L1距離范圍內(nèi),發(fā)射頻率220 Hz和275 Hz時,對層間“異物”有響應(yīng),而15 Hz和17 Hz情況下,無法識別“異物”存在。

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