激發極化電位測井儀研制

劉磊,王霞,葛承河,陳波

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

0 引 言

1919年,法國地球物理學家K.斯倫貝爾[1]發現了激發極化效應。在石油工業方面,基于該現象發展出的激發極化電位測井方法及激發極化譜分析是研究儲層孔隙結構和地層水性質的重要方法。激發極化測井方法最重要的應用就是利用其所測得地層激發數據和衰減數據,通過擬合之后得到地層激發極化弛豫時間譜,該譜可以計算地層孔隙結構,建立與地層滲透率、孔隙度等之間的關系[2-3]。此外,該測井方法與自然電位測井相結合可以計算地層水電阻率和陽離子交換量,從而在求得含水飽和度的同時消除黏土對飽和度的影響,進而用于油田水淹層剩余油飽和度的評價[4]。激發極化電位測井所取得的激發電位和二次場衰減電位,經過擬合后可以得到巖石激發極化弛豫時間譜,該譜與核磁共振測井的T2譜非常相似[5]。

針對巖石激發極化效應,該方法在金屬礦藏勘探方面取得了長足發展,但未充分用于石油地球物理測井方面[6]。本文基于巖石激發極化電位產生的機理,在激發極化電位測井實驗基礎上,研制了激發極化電位測井儀樣機,經測試表明,該樣機可同時取得連續地層的激發電位和二次場衰減電位。

1 激發極化電位測量原理

1.1 激發極化產生原理

地層激發極化效應是巖石所含水溶液受外加電場激發所產生的一種電化學現象,會以電壓響應形式被觀測到。當向含水巖石兩端供電時,能觀測到不隨時間發生變化的電位差U1,該電位差只與地層介質有關[7]。隨著供電時間的延長,經過一段時間t后,電壓趨于穩定U。在斷電后,地層通過本身和周圍溶液開始放電,此時電壓從U2開始隨著時間延長而下降,通過一段時間t后趨于零值(見圖1)。

圖1 含水巖石的激發極化效應原理圖

理論上,充電達到飽和的二次場電位差U2(t)和斷電瞬間的二次場電位差U2(t)相等。用于表征巖石激發極化性質的參數一般用飽和極化率或者瞬時極化率η[8]

(1)

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

該現象產生機理存在很多假說和爭論,但總的來說普遍認為含水巖石的激發極化效應與巖石骨架顆粒和周圍溶液分界面上的雙電層的存在有關[9]。對于含水巖石激發極化現象的研究應用最多、具有代表性的雙電層理論模型是STERN模型[10]。在含水巖石介質的兩端加一穩定的外部直流電場后,由于窄孔隙中離子的薄膜效應,會使巖石顆粒間孔隙中的離子濃度發生變化,形成一系列的濃度梯度,濃度梯度的存在會產生離子擴散流,形成薄膜極化電位;同時,離子濃度的變化使得巖石顆粒表面的雙電層結構發生變化,形成雙電層形變電位。兩者最終的結果是阻礙離子的運動,直至溶液中的離子分布達到新的動態平衡為止,形成激發電場;斷電之后,激發電場消失,在離子擴散作用下形成擴散電動勢,即二次場衰減電位,這就是含水巖石的激發極化效應。

1.2 巖石激發極化電位測量理論依據

理論分析表明,巖石中單個孔隙的激發極化二次場電位的衰減滿足單指數衰減規律[11],即

η(t)=η(0+)×exp(-t/τ)

(2)

式中,η(t)為測量得到的t時刻的極化率,滿足單指數衰減規律;τ為衰減系數,描述極化率衰減的快慢。

實驗表明,式(2)基本符合巖石極化率的時間衰減特性,能夠用衰減系數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,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單指數關系式來表示,否則擬合的關系式的誤差將會很大。當分選系數不好時,由于巖石內部由一系列大小不等的孔隙群體組成,巖石的極化率η(t)是一系列單個孔隙極化率的疊加,即

(3)

式中,η(t)為測量得到的t時刻的極化率;τt為預先指定的弛豫時間布點序列;ηi(0+)為t=0時刻的極化率,它表示第i類孔隙在激發極化有效孔隙度中所占份額。

因此,可以從時刻t=0開始等時間間隔測量巖石激發和衰減時地層隨時間變化的電位值,然后通過數學方法求解出巖石單孔隙的激發極化場電位曲線,進而求解出巖石的極化率等一系列參數。

2 電極系設計

激發極化電位儀器由電子線路短節、絕緣短節、陣列電極系短節組成,供電回路電極在“無窮遠”處的電纜上,測量參考電極在地面上。該儀器的測量電極系采用陣列式組合結構,由主控板對地層分時供電和測量,能夠連續采集地層的激發極化數據。

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2.1 電極系材料確定

對多種電極材料開展了巖樣激發極化電位衰減特性測量,測量結果見圖2。從圖2可以看出,AgCl電極的測量結果比較符合巖樣的激發極化電位實際衰減特性。鑒于此,該電極系的所有測量電極材料均采用Ag電極[12],這樣可以減少電極鈍化現象,并提高二次場電位的測量準確性。

圖2 不同電極材料巖樣的激發極化電位實際衰減特性

2.2 電極系結構

激發極化電位測井儀能夠實現工程上連續測量,其核心部分是電極系結構。該電極排列采用陣列式結構[13](見圖3)。電極系陣列設計為A、B、C、D共4組電極,每組電極的長度相同均為L。為保證供電的均勻性,采用大電流低壓直流電源為發射電極供電。其中A組電極,均為發射電極,每個電極之間為玻璃鋼絕緣材料,保證每個電極之間的絕緣性能;而B、C這2組電極為發射電極和測量電極間隔排列;D組電極均由測量電極組成。

圖3 激發極化電位電極系結構圖

電極系陣列化設計的主要目的是為了實現連續測量。結合電子線路中發射和測量的時序控制,最終實現連續測量從而提高測井速度。理論上,陣列電極系設計得越長,可以獲得的測井速度越快,但是從實際工程施工和儀器可靠性方面權衡利弊,目前電極有效長度為4.8 m,完全滿足現場測井應用,同時也方便野外施工。

2.3 連續測量原理

為確保陣列電極系不漏測,該測井儀工作時采用分時供電、分時測井,即供電電極發射和測量電極接收分時工作。儀器在工作時,電極系向地層供電時間為t,斷電后測量時間為t。測井時,儀器電子線路產生的時序信號先控制電源給發射電極供電,發射持續一個單位時間t,并且保證在時間t里電極系移動的深度與一組電極的長度L相等,即測井速度為L/t,然后將發射電極斷電,停止發射,通過接收電極進行測量,持續測量單位時間t,這樣用2t的時間內儀器移動的距離為2L,第1個時間t內完成了2L長度井段的極化,而第2個時間t里完成了對這個2L長度井段地層的測量。這樣儀器在井眼里不間斷地連續移動,不斷重復這個過程,就實現了對地層的連續測量(見圖4)。

圖4 儀器工作示意圖

3 激發極化測井儀電子線路設計

3.1 電子線路組成

圖5 電子線路部分的功能框圖

該儀器由陣列電極系、電子線路2部分組成,陣列電極系上布置的發射電極和測量電極作為發射和測量傳感器;電子線路部分完成發射信號的產生、控制以及接收信號的放大、處理、控制、A/D轉換和數據傳輸工作。電子線路部分的功能框圖見圖5,主要包括儲能模塊、+5 V電源模塊、±15 V模塊、發射電源模塊、發射繼電器、繼電器驅動模塊、發射器模塊、數據采集模塊、通訊模塊、前置放大器模塊。其中儲能模塊輸入來自遙測短節的200 VDC主電源,為+5 V電源模塊、±15 V模塊的輸入端進行儲能和濾波;+5 V電源模塊、±15 V模塊為發射器模塊之外的電路提供電源;發射器電源模塊為發射器提供工作電源;前置放大器接收并調理來自地層的電位信號;數據采集模塊對模擬信號進行A/D轉換,并輸出A/D轉換和繼電器控制信號;繼電器驅動模塊接收來自數據采集模塊的控制信號驅動繼電器完成儀器激發和衰減的狀態轉換;通訊模塊實現儀器與遙測短節之間的數據傳輸和通訊。

儀器陣列電極系的設計和時序控制是實現連續測井方法的核心,其控制和測量部分則是重要組成部分。

由于該儀器需要測量毫伏級的微弱信號,為確保測量精度,采樣數據量大,儀器內部控制以FPGA可編程邏輯器件、ARM微控制器芯片為核心,FPGA主要完成數據收發、命令解析、控制輸出和采集協處理等功能,所有通道轉換速率為200 kbit/s。通過FPGA和ARM完成對各路信號的采集和處理,同時完成測井命令的解析處理與輸出控制等工作(見圖6)。

圖6 儀器主控板功能示意圖

3.2 激發極化的測量模式

由于外加電場對地層含水巖石激發極化效應的影響主要存在于充放電時間、供電電流強度等因素影響[14-17]。因此,該儀器可以選擇適應地層的測井模式,獲得更理想的測井效果。

(1)自動模式。地面系統給井下儀器發送一個深度脈沖信號,井下儀器對該脈沖信號進行計數,當計數達到相應的數值,儀器已經完成了對2L長度井段地層的極化,此時儀器停止發射后同時開始測量,計數器清零重新計數,當計數達到指定的數值,2L深度的地層測量完成,然后進入下一個循環。這種模式,是以測井速度為主,儀器能夠自動實現極化、測量時間與測井速度相匹配。

(2)固定測量模式。極化和測量時間t為一恒定值,一旦選定這種模式,必須調節測井速度與該模式匹配進行測井。定時模式測井時,不對地面深度系統來的脈沖信號進行計數,井下儀器根據地面系統軟件下達的指令使其工作在定時工作模式,操作工程師可以根據地層的地質特點選擇合適的t,測速為L/t。該模式必須控制測井速度與選擇的極化、測量時間相匹配。

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量時間,可以通過地面系統的指令切換井下儀器至相應的工作模式,滿足不同地質特性的地層測井需要。

3.3 激發極化電位測井儀典型時序

激發極化電位測井儀掛接于勝利測井公司自主研發的SINOLOG900測井系統下。該儀器目的是把地層在外界電場作用下的充、放電過程測量出來,因此時序控制較為簡單,為了精確測量該過程和保證儀器連續在地層中移動,采用多路A/D同時測量,數據量較大,平均上傳速率大約800 kbit/s。圖7為激發極化電位典型時序圖。地面設備通過控制繼電器的開關,完成對地層的激發電位和衰減電位數據采集。

圖7 激發極化電位典型時序圖

4 現場試驗結果

該激發極化電位測井儀在勝利油田進行了現場測井,測量井段2 300～2 100 m(見圖8)。樣機實時輸出該井某個深度地層實時激發電位曲線和衰減電位曲線,圖8中縱坐標是電位幅度,橫坐標是時間(時間0～45 s可調,圖8中曲線最右端對應15 s,紅線是0 mV)。

圖8 儀器實時所測某深度激發曲線和衰減曲線

圖9是儀器在地層中連續移動時,所測得地層激發電位(見圖9中Track2)和衰減電位(見圖9中Track3),說明該儀器能夠實時測量地層激發極化數據等參數。

5 討論與結論

(1)闡述的激發極化電位連續測井儀在井眼里連續移動的過程中對地層的連續極化和連續測量,突破了長期制約激發極化電位測井技術發展的瓶頸,研制出實驗樣機。

(2)該樣機為巖石激發極化效應進一步建立了測井實驗平臺,將所測得的資料進行數據處理,可得到地層電弛豫時間譜,進而在水淹層、剩余油飽和度以及低孔隙度滲透率儲層有效性評價等方面發揮積極作用。

(3)地層激發極化現象影響因素復雜,極化率(包括頻散率)受地層礦化度、井液礦化度、離子類型、巖性、陽離子交換量、孔隙度和孔隙結構等諸多因素的影響,有些甚至呈現非單調特性,因此,測量數據具有很強的多解性。應繼續通過大量實驗,建立衰減率計算方法、衰減率與地層水礦化度的關系、衰減率與陽離子交換量等關系,為油田的水淹層評價提供一條新的途徑。