劉磊,王霞,葛承河,陳波

(1.中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司,山東東營(yíng)257096;2.中石化勝利油田東辛采油廠(chǎng),山東東營(yíng)257096)

0 引 言

1919年,法國(guó)地球物理學(xué)家K.斯倫貝爾[1]發(fā)現(xiàn)了激發(fā)極化效應(yīng)。在石油工業(yè)方面,基于該現(xiàn)象發(fā)展出的激發(fā)極化電位測(cè)井方法及激發(fā)極化譜分析是研究?jī)?chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和地層水性質(zhì)的重要方法。激發(fā)極化測(cè)井方法最重要的應(yīng)用就是利用其所測(cè)得地層激發(fā)數(shù)據(jù)和衰減數(shù)據(jù),通過(guò)擬合之后得到地層激發(fā)極化弛豫時(shí)間譜,該譜可以計(jì)算地層孔隙結(jié)構(gòu),建立與地層滲透率、孔隙度等之間的關(guān)系[2-3]。此外,該測(cè)井方法與自然電位測(cè)井相結(jié)合可以計(jì)算地層水電阻率和陽(yáng)離子交換量,從而在求得含水飽和度的同時(shí)消除黏土對(duì)飽和度的影響,進(jìn)而用于油田水淹層剩余油飽和度的評(píng)價(jià)[4]。激發(fā)極化電位測(cè)井所取得的激發(fā)電位和二次場(chǎng)衰減電位,經(jīng)過(guò)擬合后可以得到巖石激發(fā)極化弛豫時(shí)間譜,該譜與核磁共振測(cè)井的T2譜非常相似[5]。

針對(duì)巖石激發(fā)極化效應(yīng),該方法在金屬礦藏勘探方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展,但未充分用于石油地球物理測(cè)井方面[6]。本文基于巖石激發(fā)極化電位產(chǎn)生的機(jī)理,在激發(fā)極化電位測(cè)井實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,研制了激發(fā)極化電位測(cè)井儀樣機(jī),經(jīng)測(cè)試表明,該樣機(jī)可同時(shí)取得連續(xù)地層的激發(fā)電位和二次場(chǎng)衰減電位。

1 激發(fā)極化電位測(cè)量原理

1.1 激發(fā)極化產(chǎn)生原理

地層激發(fā)極化效應(yīng)是巖石所含水溶液受外加電場(chǎng)激發(fā)所產(chǎn)生的一種電化學(xué)現(xiàn)象,會(huì)以電壓響應(yīng)形式被觀測(cè)到。當(dāng)向含水巖石兩端供電時(shí),能觀測(cè)到不隨時(shí)間發(fā)生變化的電位差U1,該電位差只與地層介質(zhì)有關(guān)[7]。隨著供電時(shí)間的延長(zhǎng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t后,電壓趨于穩(wěn)定U。在斷電后,地層通過(guò)本身和周?chē)芤洪_(kāi)始放電,此時(shí)電壓從U2開(kāi)始隨著時(shí)間延長(zhǎng)而下降,通過(guò)一段時(shí)間t后趨于零值(見(jiàn)圖1)。

圖1 含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)原理圖

理論上,充電達(dá)到飽和的二次場(chǎng)電位差U2(t)和斷電瞬間的二次場(chǎng)電位差U2(t)相等。用于表征巖石激發(fā)極化性質(zhì)的參數(shù)一般用飽和極化率或者瞬時(shí)極化率η[8]

(1)

式中,η是飽和極化率或者瞬時(shí)極化率;U是飽和電壓;U1是不隨時(shí)間變化的電位差;U2是二次場(chǎng)電位差。

該現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理存在很多假說(shuō)和爭(zhēng)論,但總的來(lái)說(shuō)普遍認(rèn)為含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)與巖石骨架顆粒和周?chē)芤悍纸缑嫔系碾p電層的存在有關(guān)[9]。對(duì)于含水巖石激發(fā)極化現(xiàn)象的研究應(yīng)用最多、具有代表性的雙電層理論模型是STERN模型[10]。在含水巖石介質(zhì)的兩端加一穩(wěn)定的外部直流電場(chǎng)后,由于窄孔隙中離子的薄膜效應(yīng),會(huì)使巖石顆粒間孔隙中的離子濃度發(fā)生變化,形成一系列的濃度梯度,濃度梯度的存在會(huì)產(chǎn)生離子擴(kuò)散流,形成薄膜極化電位;同時(shí),離子濃度的變化使得巖石顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成雙電層形變電位。兩者最終的結(jié)果是阻礙離子的運(yùn)動(dòng),直至溶液中的離子分布達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡為止,形成激發(fā)電場(chǎng);斷電之后,激發(fā)電場(chǎng)消失,在離子擴(kuò)散作用下形成擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì),即二次場(chǎng)衰減電位,這就是含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)。

1.2 巖石激發(fā)極化電位測(cè)量理論依據(jù)

理論分析表明,巖石中單個(gè)孔隙的激發(fā)極化二次場(chǎng)電位的衰減滿(mǎn)足單指數(shù)衰減規(guī)律[11],即

η(t)=η(0+)×exp(-t/τ)

(2)

式中,η(t)為測(cè)量得到的t時(shí)刻的極化率,滿(mǎn)足單指數(shù)衰減規(guī)律;τ為衰減系數(shù),描述極化率衰減的快慢。

實(shí)驗(yàn)表明,式(2)基本符合巖石極化率的時(shí)間衰減特性,能夠用衰減系數(shù)τ描述極化率衰減的快慢。但這只是在巖樣均勻的前提下才有較好的描述效果。在分選不好時(shí),顆粒大小不均勻,有各種大小不同的衰減速度,因此,綜合效果不能用一個(gè)單指數(shù)關(guān)系式來(lái)表示,否則擬合的關(guān)系式的誤差將會(huì)很大。當(dāng)分選系數(shù)不好時(shí),由于巖石內(nèi)部由一系列大小不等的孔隙群體組成,巖石的極化率η(t)是一系列單個(gè)孔隙極化率的疊加,即

(3)

式中,η(t)為測(cè)量得到的t時(shí)刻的極化率;τt為預(yù)先指定的弛豫時(shí)間布點(diǎn)序列;ηi(0+)為t=0時(shí)刻的極化率,它表示第i類(lèi)孔隙在激發(fā)極化有效孔隙度中所占份額。

因此,可以從時(shí)刻t=0開(kāi)始等時(shí)間間隔測(cè)量巖石激發(fā)和衰減時(shí)地層隨時(shí)間變化的電位值,然后通過(guò)數(shù)學(xué)方法求解出巖石單孔隙的激發(fā)極化場(chǎng)電位曲線(xiàn),進(jìn)而求解出巖石的極化率等一系列參數(shù)。

2 電極系設(shè)計(jì)

激發(fā)極化電位儀器由電子線(xiàn)路短節(jié)、絕緣短節(jié)、陣列電極系短節(jié)組成,供電回路電極在“無(wú)窮遠(yuǎn)”處的電纜上,測(cè)量參考電極在地面上。該儀器的測(cè)量電極系采用陣列式組合結(jié)構(gòu),由主控板對(duì)地層分時(shí)供電和測(cè)量,能夠連續(xù)采集地層的激發(fā)極化數(shù)據(jù)。

圖書(shū)館界的資源共享起源于印刷型文獻(xiàn)的館際互借，隨著電子文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，逐步向電子文獻(xiàn)傳遞、聯(lián)機(jī)聯(lián)合編目、數(shù)字資源聯(lián)合采購(gòu)等方面發(fā)展，形成相對(duì)比較系統(tǒng)和完善的全國(guó)性、國(guó)際性的資源共享網(wǎng)絡(luò)。譬如國(guó)外的聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)圖書(shū)館中心(簡(jiǎn)稱(chēng)OCLC)是國(guó)際信息資源共享的領(lǐng)頭軍。再如國(guó)內(nèi)的高等教育文獻(xiàn)保障系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CALIS)是全國(guó)的信息資源共享典范，但是CALIS目前的聯(lián)合采購(gòu)對(duì)象大都是數(shù)字資源，而且由各成員館共建的聯(lián)合目錄新書(shū)更新率趕不上采訪(fǎng)速度，無(wú)法完全作為圖書(shū)館紙質(zhì)圖書(shū)采訪(fǎng)依據(jù)。

2.1 電極系材料確定

對(duì)多種電極材料開(kāi)展了巖樣激發(fā)極化電位衰減特性測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,AgCl電極的測(cè)量結(jié)果比較符合巖樣的激發(fā)極化電位實(shí)際衰減特性。鑒于此,該電極系的所有測(cè)量電極材料均采用Ag電極[12],這樣可以減少電極鈍化現(xiàn)象,并提高二次場(chǎng)電位的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖2 不同電極材料巖樣的激發(fā)極化電位實(shí)際衰減特性

2.2 電極系結(jié)構(gòu)

激發(fā)極化電位測(cè)井儀能夠?qū)崿F(xiàn)工程上連續(xù)測(cè)量,其核心部分是電極系結(jié)構(gòu)。該電極排列采用陣列式結(jié)構(gòu)[13](見(jiàn)圖3)。電極系陣列設(shè)計(jì)為A、B、C、D共4組電極,每組電極的長(zhǎng)度相同均為L(zhǎng)。為保證供電的均勻性,采用大電流低壓直流電源為發(fā)射電極供電。其中A組電極,均為發(fā)射電極,每個(gè)電極之間為玻璃鋼絕緣材料,保證每個(gè)電極之間的絕緣性能;而B(niǎo)、C這2組電極為發(fā)射電極和測(cè)量電極間隔排列;D組電極均由測(cè)量電極組成。

圖3 激發(fā)極化電位電極系結(jié)構(gòu)圖

電極系陣列化設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。結(jié)合電子線(xiàn)路中發(fā)射和測(cè)量的時(shí)序控制,最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量從而提高測(cè)井速度。理論上,陣列電極系設(shè)計(jì)得越長(zhǎng),可以獲得的測(cè)井速度越快,但是從實(shí)際工程施工和儀器可靠性方面權(quán)衡利弊,目前電極有效長(zhǎng)度為4.8 m,完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井應(yīng)用,同時(shí)也方便野外施工。

2.3 連續(xù)測(cè)量原理

為確保陣列電極系不漏測(cè),該測(cè)井儀工作時(shí)采用分時(shí)供電、分時(shí)測(cè)井,即供電電極發(fā)射和測(cè)量電極接收分時(shí)工作。儀器在工作時(shí),電極系向地層供電時(shí)間為t,斷電后測(cè)量時(shí)間為t。測(cè)井時(shí),儀器電子線(xiàn)路產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)先控制電源給發(fā)射電極供電,發(fā)射持續(xù)一個(gè)單位時(shí)間t,并且保證在時(shí)間t里電極系移動(dòng)的深度與一組電極的長(zhǎng)度L相等,即測(cè)井速度為L(zhǎng)/t,然后將發(fā)射電極斷電,停止發(fā)射,通過(guò)接收電極進(jìn)行測(cè)量,持續(xù)測(cè)量單位時(shí)間t,這樣用2t的時(shí)間內(nèi)儀器移動(dòng)的距離為2L,第1個(gè)時(shí)間t內(nèi)完成了2L長(zhǎng)度井段的極化,而第2個(gè)時(shí)間t里完成了對(duì)這個(gè)2L長(zhǎng)度井段地層的測(cè)量。這樣儀器在井眼里不間斷地連續(xù)移動(dòng),不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程,就實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層的連續(xù)測(cè)量(見(jiàn)圖4)。

圖4 儀器工作示意圖

3 激發(fā)極化測(cè)井儀電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)

3.1 電子線(xiàn)路組成

圖5 電子線(xiàn)路部分的功能框圖

該儀器由陣列電極系、電子線(xiàn)路2部分組成,陣列電極系上布置的發(fā)射電極和測(cè)量電極作為發(fā)射和測(cè)量傳感器;電子線(xiàn)路部分完成發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生、控制以及接收信號(hào)的放大、處理、控制、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸工作。電子線(xiàn)路部分的功能框圖見(jiàn)圖5,主要包括儲(chǔ)能模塊、+5 V電源模塊、±15 V模塊、發(fā)射電源模塊、發(fā)射繼電器、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)射器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、前置放大器模塊。其中儲(chǔ)能模塊輸入來(lái)自遙測(cè)短節(jié)的200 VDC主電源,為+5 V電源模塊、±15 V模塊的輸入端進(jìn)行儲(chǔ)能和濾波;+5 V電源模塊、±15 V模塊為發(fā)射器模塊之外的電路提供電源;發(fā)射器電源模塊為發(fā)射器提供工作電源;前置放大器接收并調(diào)理來(lái)自地層的電位信號(hào);數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并輸出A/D轉(zhuǎn)換和繼電器控制信號(hào);繼電器驅(qū)動(dòng)模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器完成儀器激發(fā)和衰減的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;通訊模塊實(shí)現(xiàn)儀器與遙測(cè)短節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸和通訊。

儀器陣列電極系的設(shè)計(jì)和時(shí)序控制是實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)井方法的核心,其控制和測(cè)量部分則是重要組成部分。

由于該儀器需要測(cè)量毫伏級(jí)的微弱信號(hào),為確保測(cè)量精度,采樣數(shù)據(jù)量大,儀器內(nèi)部控制以FPGA可編程邏輯器件、ARM微控制器芯片為核心,FPGA主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、命令解析、控制輸出和采集協(xié)處理等功能,所有通道轉(zhuǎn)換速率為200 kbit/s。通過(guò)FPGA和ARM完成對(duì)各路信號(hào)的采集和處理,同時(shí)完成測(cè)井命令的解析處理與輸出控制等工作(見(jiàn)圖6)。

圖6 儀器主控板功能示意圖

3.2 激發(fā)極化的測(cè)量模式

由于外加電場(chǎng)對(duì)地層含水巖石激發(fā)極化效應(yīng)的影響主要存在于充放電時(shí)間、供電電流強(qiáng)度等因素影響[14-17]。因此,該儀器可以選擇適應(yīng)地層的測(cè)井模式,獲得更理想的測(cè)井效果。

(1)自動(dòng)模式。地面系統(tǒng)給井下儀器發(fā)送一個(gè)深度脈沖信號(hào),井下儀器對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值,儀器已經(jīng)完成了對(duì)2L長(zhǎng)度井段地層的極化,此時(shí)儀器停止發(fā)射后同時(shí)開(kāi)始測(cè)量,計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到指定的數(shù)值,2L深度的地層測(cè)量完成,然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這種模式,是以測(cè)井速度為主,儀器能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)極化、測(cè)量時(shí)間與測(cè)井速度相匹配。

(2)固定測(cè)量模式。極化和測(cè)量時(shí)間t為一恒定值,一旦選定這種模式,必須調(diào)節(jié)測(cè)井速度與該模式匹配進(jìn)行測(cè)井。定時(shí)模式測(cè)井時(shí),不對(duì)地面深度系統(tǒng)來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),井下儀器根據(jù)地面系統(tǒng)軟件下達(dá)的指令使其工作在定時(shí)工作模式,操作工程師可以根據(jù)地層的地質(zhì)特點(diǎn)選擇合適的t,測(cè)速為L(zhǎng)/t。該模式必須控制測(cè)井速度與選擇的極化、測(cè)量時(shí)間相匹配。

該儀器還包括多種固定模式,每一種固定模式具有不同的極化和測(cè)量時(shí)間,可以通過(guò)地面系統(tǒng)的指令切換井下儀器至相應(yīng)的工作模式,滿(mǎn)足不同地質(zhì)特性的地層測(cè)井需要。

3.3 激發(fā)極化電位測(cè)井儀典型時(shí)序

激發(fā)極化電位測(cè)井儀掛接于勝利測(cè)井公司自主研發(fā)的SINOLOG900測(cè)井系統(tǒng)下。該儀器目的是把地層在外界電場(chǎng)作用下的充、放電過(guò)程測(cè)量出來(lái),因此時(shí)序控制較為簡(jiǎn)單,為了精確測(cè)量該過(guò)程和保證儀器連續(xù)在地層中移動(dòng),采用多路A/D同時(shí)測(cè)量,數(shù)據(jù)量較大,平均上傳速率大約800 kbit/s。圖7為激發(fā)極化電位典型時(shí)序圖。地面設(shè)備通過(guò)控制繼電器的開(kāi)關(guān),完成對(duì)地層的激發(fā)電位和衰減電位數(shù)據(jù)采集。

圖7 激發(fā)極化電位典型時(shí)序圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

該激發(fā)極化電位測(cè)井儀在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井,測(cè)量井段2 300～2 100 m(見(jiàn)圖8)。樣機(jī)實(shí)時(shí)輸出該井某個(gè)深度地層實(shí)時(shí)激發(fā)電位曲線(xiàn)和衰減電位曲線(xiàn),圖8中縱坐標(biāo)是電位幅度,橫坐標(biāo)是時(shí)間(時(shí)間0～45 s可調(diào),圖8中曲線(xiàn)最右端對(duì)應(yīng)15 s,紅線(xiàn)是0 mV)。

圖8 儀器實(shí)時(shí)所測(cè)某深度激發(fā)曲線(xiàn)和衰減曲線(xiàn)

圖9是儀器在地層中連續(xù)移動(dòng)時(shí),所測(cè)得地層激發(fā)電位(見(jiàn)圖9中Track2)和衰減電位(見(jiàn)圖9中Track3),說(shuō)明該儀器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量地層激發(fā)極化數(shù)據(jù)等參數(shù)。

5 討論與結(jié)論

(1)闡述的激發(fā)極化電位連續(xù)測(cè)井儀在井眼里連續(xù)移動(dòng)的過(guò)程中對(duì)地層的連續(xù)極化和連續(xù)測(cè)量,突破了長(zhǎng)期制約激發(fā)極化電位測(cè)井技術(shù)發(fā)展的瓶頸,研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

(2)該樣機(jī)為巖石激發(fā)極化效應(yīng)進(jìn)一步建立了測(cè)井實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將所測(cè)得的資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可得到地層電弛豫時(shí)間譜,進(jìn)而在水淹層、剩余油飽和度以及低孔隙度滲透率儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)等方面發(fā)揮積極作用。

(3)地層激發(fā)極化現(xiàn)象影響因素復(fù)雜,極化率(包括頻散率)受地層礦化度、井液礦化度、離子類(lèi)型、巖性、陽(yáng)離子交換量、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響,有些甚至呈現(xiàn)非單調(diào)特性,因此,測(cè)量數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的多解性。應(yīng)繼續(xù)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn),建立衰減率計(jì)算方法、衰減率與地層水礦化度的關(guān)系、衰減率與陽(yáng)離子交換量等關(guān)系,為油田的水淹層評(píng)價(jià)提供一條新的途徑。