刘磊,王霞,葛承河,陈波

(1.中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营257096;2.中石化胜利油田东辛采油厂,山东东营257096)

0 引 言

1919年,法国地球物理学家K.斯伦贝尔[1]发现了激发极化效应。在石油工业方面,基于该现象发展出的激发极化电位测井方法及激发极化谱分析是研究储层孔隙结构和地层水性质的重要方法。激发极化测井方法最重要的应用就是利用其所测得地层激发数据和衰减数据,通过拟合之后得到地层激发极化弛豫时间谱,该谱可以计算地层孔隙结构,建立与地层渗透率、孔隙度等之间的关系[2-3]。此外,该测井方法与自然电位测井相结合可以计算地层水电阻率和阳离子交换量,从而在求得含水饱和度的同时消除黏土对饱和度的影响,进而用于油田水淹层剩余油饱和度的评价[4]。激发极化电位测井所取得的激发电位和二次场衰减电位,经过拟合后可以得到岩石激发极化弛豫时间谱,该谱与核磁共振测井的T2谱非常相似[5]。

针对岩石激发极化效应,该方法在金属矿藏勘探方面取得了长足发展,但未充分用于石油地球物理测井方面[6]。本文基于岩石激发极化电位产生的机理,在激发极化电位测井实验基础上,研制了激发极化电位测井仪样机,经测试表明,该样机可同时取得连续地层的激发电位和二次场衰减电位。

1 激发极化电位测量原理

1.1 激发极化产生原理

地层激发极化效应是岩石所含水溶液受外加电场激发所产生的一种电化学现象,会以电压响应形式被观测到。当向含水岩石两端供电时,能观测到不随时间发生变化的电位差U1,该电位差只与地层介质有关[7]。随着供电时间的延长,经过一段时间t后,电压趋于稳定U。在断电后,地层通过本身和周围溶液开始放电,此时电压从U2开始随着时间延长而下降,通过一段时间t后趋于零值(见图1)。

图1 含水岩石的激发极化效应原理图

理论上,充电达到饱和的二次场电位差U2(t)和断电瞬间的二次场电位差U2(t)相等。用于表征岩石激发极化性质的参数一般用饱和极化率或者瞬时极化率η[8]

(1)

式中,η是饱和极化率或者瞬时极化率;U是饱和电压;U1是不随时间变化的电位差;U2是二次场电位差。

该现象产生机理存在很多假说和争论,但总的来说普遍认为含水岩石的激发极化效应与岩石骨架颗粒和周围溶液分界面上的双电层的存在有关[9]。对于含水岩石激发极化现象的研究应用最多、具有代表性的双电层理论模型是STERN模型[10]。在含水岩石介质的两端加一稳定的外部直流电场后,由于窄孔隙中离子的薄膜效应,会使岩石颗粒间孔隙中的离子浓度发生变化,形成一系列的浓度梯度,浓度梯度的存在会产生离子扩散流,形成薄膜极化电位;同时,离子浓度的变化使得岩石颗粒表面的双电层结构发生变化,形成双电层形变电位。两者最终的结果是阻碍离子的运动,直至溶液中的离子分布达到新的动态平衡为止,形成激发电场;断电之后,激发电场消失,在离子扩散作用下形成扩散电动势,即二次场衰减电位,这就是含水岩石的激发极化效应。

1.2 岩石激发极化电位测量理论依据

理论分析表明,岩石中单个孔隙的激发极化二次场电位的衰减满足单指数衰减规律[11],即

η(t)=η(0+)×exp(-t/τ)

(2)

式中,η(t)为测量得到的t时刻的极化率,满足单指数衰减规律;τ为衰减系数,描述极化率衰减的快慢。

实验表明,式(2)基本符合岩石极化率的时间衰减特性,能够用衰减系数τ描述极化率衰减的快慢。但这只是在岩样均匀的前提下才有较好的描述效果。在分选不好时,颗粒大小不均匀,有各种大小不同的衰减速度,因此,综合效果不能用一个单指数关系式来表示,否则拟合的关系式的误差将会很大。当分选系数不好时,由于岩石内部由一系列大小不等的孔隙群体组成,岩石的极化率η(t)是一系列单个孔隙极化率的叠加,即

(3)

式中,η(t)为测量得到的t时刻的极化率;τt为预先指定的弛豫时间布点序列;ηi(0+)为t=0时刻的极化率,它表示第i类孔隙在激发极化有效孔隙度中所占份额。

因此,可以从时刻t=0开始等时间间隔测量岩石激发和衰减时地层随时间变化的电位值,然后通过数学方法求解出岩石单孔隙的激发极化场电位曲线,进而求解出岩石的极化率等一系列参数。

2 电极系设计

激发极化电位仪器由电子线路短节、绝缘短节、阵列电极系短节组成,供电回路电极在“无穷远”处的电缆上,测量参考电极在地面上。该仪器的测量电极系采用阵列式组合结构,由主控板对地层分时供电和测量,能够连续采集地层的激发极化数据。

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2.1 电极系材料确定

对多种电极材料开展了岩样激发极化电位衰减特性测量,测量结果见图2。从图2可以看出,AgCl电极的测量结果比较符合岩样的激发极化电位实际衰减特性。鉴于此,该电极系的所有测量电极材料均采用Ag电极[12],这样可以减少电极钝化现象,并提高二次场电位的测量准确性。

图2 不同电极材料岩样的激发极化电位实际衰减特性

2.2 电极系结构

激发极化电位测井仪能够实现工程上连续测量,其核心部分是电极系结构。该电极排列采用阵列式结构[13](见图3)。电极系阵列设计为A、B、C、D共4组电极,每组电极的长度相同均为L。为保证供电的均匀性,采用大电流低压直流电源为发射电极供电。其中A组电极,均为发射电极,每个电极之间为玻璃钢绝缘材料,保证每个电极之间的绝缘性能;而B、C这2组电极为发射电极和测量电极间隔排列;D组电极均由测量电极组成。

图3 激发极化电位电极系结构图

电极系阵列化设计的主要目的是为了实现连续测量。结合电子线路中发射和测量的时序控制,最终实现连续测量从而提高测井速度。理论上,阵列电极系设计得越长,可以获得的测井速度越快,但是从实际工程施工和仪器可靠性方面权衡利弊,目前电极有效长度为4.8 m,完全满足现场测井应用,同时也方便野外施工。

2.3 连续测量原理

为确保阵列电极系不漏测,该测井仪工作时采用分时供电、分时测井,即供电电极发射和测量电极接收分时工作。仪器在工作时,电极系向地层供电时间为t,断电后测量时间为t。测井时,仪器电子线路产生的时序信号先控制电源给发射电极供电,发射持续一个单位时间t,并且保证在时间t里电极系移动的深度与一组电极的长度L相等,即测井速度为L/t,然后将发射电极断电,停止发射,通过接收电极进行测量,持续测量单位时间t,这样用2t的时间内仪器移动的距离为2L,第1个时间t内完成了2L长度井段的极化,而第2个时间t里完成了对这个2L长度井段地层的测量。这样仪器在井眼里不间断地连续移动,不断重复这个过程,就实现了对地层的连续测量(见图4)。

图4 仪器工作示意图

3 激发极化测井仪电子线路设计

3.1 电子线路组成

图5 电子线路部分的功能框图

该仪器由阵列电极系、电子线路2部分组成,阵列电极系上布置的发射电极和测量电极作为发射和测量传感器;电子线路部分完成发射信号的产生、控制以及接收信号的放大、处理、控制、A/D转换和数据传输工作。电子线路部分的功能框图见图5,主要包括储能模块、+5 V电源模块、±15 V模块、发射电源模块、发射继电器、继电器驱动模块、发射器模块、数据采集模块、通讯模块、前置放大器模块。其中储能模块输入来自遥测短节的200 VDC主电源,为+5 V电源模块、±15 V模块的输入端进行储能和滤波;+5 V电源模块、±15 V模块为发射器模块之外的电路提供电源;发射器电源模块为发射器提供工作电源;前置放大器接收并调理来自地层的电位信号;数据采集模块对模拟信号进行A/D转换,并输出A/D转换和继电器控制信号;继电器驱动模块接收来自数据采集模块的控制信号驱动继电器完成仪器激发和衰减的状态转换;通讯模块实现仪器与遥测短节之间的数据传输和通讯。

仪器阵列电极系的设计和时序控制是实现连续测井方法的核心,其控制和测量部分则是重要组成部分。

由于该仪器需要测量毫伏级的微弱信号,为确保测量精度,采样数据量大,仪器内部控制以FPGA可编程逻辑器件、ARM微控制器芯片为核心,FPGA主要完成数据收发、命令解析、控制输出和采集协处理等功能,所有通道转换速率为200 kbit/s。通过FPGA和ARM完成对各路信号的采集和处理,同时完成测井命令的解析处理与输出控制等工作(见图6)。

图6 仪器主控板功能示意图

3.2 激发极化的测量模式

由于外加电场对地层含水岩石激发极化效应的影响主要存在于充放电时间、供电电流强度等因素影响[14-17]。因此,该仪器可以选择适应地层的测井模式,获得更理想的测井效果。

(1)自动模式。地面系统给井下仪器发送一个深度脉冲信号,井下仪器对该脉冲信号进行计数,当计数达到相应的数值,仪器已经完成了对2L长度井段地层的极化,此时仪器停止发射后同时开始测量,计数器清零重新计数,当计数达到指定的数值,2L深度的地层测量完成,然后进入下一个循环。这种模式,是以测井速度为主,仪器能够自动实现极化、测量时间与测井速度相匹配。

(2)固定测量模式。极化和测量时间t为一恒定值,一旦选定这种模式,必须调节测井速度与该模式匹配进行测井。定时模式测井时,不对地面深度系统来的脉冲信号进行计数,井下仪器根据地面系统软件下达的指令使其工作在定时工作模式,操作工程师可以根据地层的地质特点选择合适的t,测速为L/t。该模式必须控制测井速度与选择的极化、测量时间相匹配。

该仪器还包括多种固定模式,每一种固定模式具有不同的极化和测量时间,可以通过地面系统的指令切换井下仪器至相应的工作模式,满足不同地质特性的地层测井需要。

3.3 激发极化电位测井仪典型时序

激发极化电位测井仪挂接于胜利测井公司自主研发的SINOLOG900测井系统下。该仪器目的是把地层在外界电场作用下的充、放电过程测量出来,因此时序控制较为简单,为了精确测量该过程和保证仪器连续在地层中移动,采用多路A/D同时测量,数据量较大,平均上传速率大约800 kbit/s。图7为激发极化电位典型时序图。地面设备通过控制继电器的开关,完成对地层的激发电位和衰减电位数据采集。

图7 激发极化电位典型时序图

4 现场试验结果

该激发极化电位测井仪在胜利油田进行了现场测井,测量井段2 300～2 100 m(见图8)。样机实时输出该井某个深度地层实时激发电位曲线和衰减电位曲线,图8中纵坐标是电位幅度,横坐标是时间(时间0～45 s可调,图8中曲线最右端对应15 s,红线是0 mV)。

图8 仪器实时所测某深度激发曲线和衰减曲线

图9是仪器在地层中连续移动时,所测得地层激发电位(见图9中Track2)和衰减电位(见图9中Track3),说明该仪器能够实时测量地层激发极化数据等参数。

5 讨论与结论

(1)阐述的激发极化电位连续测井仪在井眼里连续移动的过程中对地层的连续极化和连续测量,突破了长期制约激发极化电位测井技术发展的瓶颈,研制出实验样机。

(2)该样机为岩石激发极化效应进一步建立了测井实验平台,将所测得的资料进行数据处理,可得到地层电弛豫时间谱,进而在水淹层、剩余油饱和度以及低孔隙度渗透率储层有效性评价等方面发挥积极作用。

(3)地层激发极化现象影响因素复杂,极化率(包括频散率)受地层矿化度、井液矿化度、离子类型、岩性、阳离子交换量、孔隙度和孔隙结构等诸多因素的影响,有些甚至呈现非单调特性,因此,测量数据具有很强的多解性。应继续通过大量实验,建立衰减率计算方法、衰减率与地层水矿化度的关系、衰减率与阳离子交换量等关系,为油田的水淹层评价提供一条新的途径。