井间电磁成像测井系统分析与研究

臧德福，郭红旗，晁永胜，葛承河，柏强，王树松

（中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营257096）

0 引 言

井间电磁成像测井是地球物理应用研究的新课题，该技术克服电磁波在钢套管等高导电、高导磁介质中的发射与接收问题，实现了从单井测井向井间油藏探测的跨越。井间电磁成像测井基于电磁感应测井技术，其探测深度远远大于传统的单井电法测井，分辨率大大高于地震测量，是对油藏探测技术的有效补充，更是测井技术横向发展的重大突破。20世纪受制于电磁技术的发展，无法有效解决电磁波在钢套管与低电阻率地层中的发射与接收难题。直到近期斯伦贝谢公司推出Deeplook－EM［1］测井方案，才开始加大对井间电磁测井技术的应用研究与探讨。

本文通过分析井间电磁测量影响因素与现有2种井间电磁成像测井系统的优缺点，进行井间发射、接收以及微弱电磁感应信号采集处理技术研究，给出了提高井间电磁发射效能与提高信噪比的理论基础。

1 井间电磁测量原理

1.1 测量原理

井间电磁成像测井系统包括井下电磁发射装置（简称发射天线）、井下电磁接收装置（简称接收天线）和地面测井控制系统。测量时把发射天线、接收天线分别置于2口井中，在地面测井系统的控制下发射天线发射设定频率的电磁波，接收天线接收、采集来自发射天线的电磁感应信号（见图1）。

图1 井间电磁测量原理

根据电磁场理论［2］，接收的电磁感应信号经过不同地层或介质的作用其幅度与相位发生变化，通过测量这些变化后的幅度与相位，反演运算得到地层电阻率的分布信息，利用成像技术得到井间电阻率的二维或三维分布图像［3］。

1.2 磁场强度与相位的正演

在井间电磁测量中，当r＞5d，则发射磁场相当于一个偶极子场，称为偶极场。在低频状态下，利用电磁场散射理论推导出均匀介质中的接收天线r处的电场强度E（r）与磁场强度H（r）为［4］

由式（1）、式（2）得到z方向电磁感应信号幅度Bz与相位Φ

式中，r为发射天线与接收天线的直线距离；z为发射天线与接收天线z方向上的距离；d为发射天线直径；P为传播系数；ω＝2πf为圆频率；M为发射器磁偶极矩；r0为发射源点；V为积分区域；b为背景；G为张量格林函数；μ为磁导率；ε为介电常数。

为描述电磁波传播过程中的幅度衰减和相位滞移，引入复波数γ

式中，α为幅度衰减系数，表示电磁波旅行单位长度振幅减少到原幅度的1／eα；β为相位滞移系数，表示电磁波旅行单位长度后相位滞后的弧度数。

高频电磁感应信号在地层中衰减过快［5］，为提高探测深度，井间电磁发射应以发射低频电磁波为主，在0.1～1MHz之间，其频率接近音频，因此也称为音频井间电磁感应测井。地层电导率σ取0.1～0.01S／m，介电常数ε取（4～11）×10－9，即σ／（ωε）远大于1，测量时可忽略介电常数的影响，只考虑地层电导率，从而得到

式中，δ为趋肤深度。已知ω、z和σ、ε、M参数求感应磁场强度与相位称之为井间电磁感应测井的正演运算。

1.3 井间电磁测量的电导率反演

由式（3）可知Bz随频率f和距离r而衰减，相位近似为r／δ，通过测量Bz的幅度与相位，得到地层电阻率或电导率，这就是井间电磁测井的反演。

由式（3）可得到电导率迭代公式。

（1）幅度迭代公式

幅度初始值取

（2）相位迭代公式

相位初始值取

由式（8）可得

（3）迭代停止条件

2 现有井间电磁成像测井系统分析

2.1 XBH－2000井间电磁成像测井系统

XBH－2000井间电磁成像系统［6］由美国 EMI公司研制，采用模块化设计，能够实现井距300m的玻璃钢套管或裸眼井、井距150m单层钢套管的井间电磁测井，是一种针对较大井间距而设计的低频大功率井间电磁测井系统。

XBH－2000系统由地面控制系统、发射天线与接收天线3个部分组成，其中地面控制系统负责发射、接收之间的同步控制与数据的采集与监测，采用非调制的串行脉冲信号进行同步控制；发射天线放弃最常用的电偶极子线圈，采用效率更高的磁偶极子线圈作为电磁波的发射源，包括发射线路与发射线圈2个部分，发射磁偶极矩为1 000～4 000A·m2，功耗约300W，长度7m，发射频率为1～2 000Hz共10个频率。接收天线采用三分量测量线圈，即x、y、z3个正交方向的线圈，由接收线路与接收线圈组成，接收灵敏度达10－4nT（地磁场为104nT），噪声水平为10－9nT，功耗约30W，长度为7m。XBH－2000系统采用Born［7］逼近迭代法进行非线性电阻率成像反演。

2.2 XBH－2000的缺点

通过分析已有文献及实际测量结果发现，XBH－2000系统基本可以完成井间电磁测井任务，但存在许多问题与不足，距实际应用还有相当一段距离，包括5个方面。

（1）地面测井系统与井下发射、接收之间采用差分串行通讯方式，速率只有几kbit，而且误码率高，实际应用中经常出现通讯故障，难以传输大量数据。

（2）发射天线与接收天线之间同步由地面测井系统发送串行同步脉冲完成。同步信号到达井下干扰大，失真严重，造成相位测量误差大、电阻率计算失真。

（3）发射与接收地面控制通过RS232串行方式通讯，速率低，误码率高，难以保证数据的准确传输。

（4）发射、接收、供电、同步分别占用不同缆芯，电缆利用效率低。

（5）没有较好地考虑现场和井下高温高压的特殊环境，仪器常出现温度上升过快造成死机和其他一些不稳定现象，难以保证野外现场的正常使用。

2.3 Deeplook－EM井间电磁成像测井系统

斯伦贝谢公司收购EMI公司后，对XBH－2000系统进行了改造升级，推出了Deeplook－EM井间电磁成像测井系统。通过搜集现有的一些文献发现，Deeplook－EM系统的改进主要有7个方面。

（1）发射天线：由原来的7m增加到9.88m，发射能量比XBH－2000系统有所增加。

（2）接收天线：长度由原来的7m增加到22m，由三分量接收升级为阵列接收，灵敏度提升了2个数量级，达到10－6nT。

（3）采用无线方式代替了以前笨重的发射、接收之间的串行通讯，传输速度与传输质量大大提高。

（4）在电阻率反演算法上采用最小二乘法［8］进行逐次逼近。

（5）发射频率扩展到1～100kHz，扩大了该系统的使用范围，提高了仪器的分辨率。

（6）增加了详细的施工设计与预演软件。

（7）采用 GPS授时［9］同步，相位测量精度与XBH－2000系统相比有一定提升。

缺点概括为4点。①Deeplook－EM系统的功耗要大于XBH－2000系统，给仪器供电和测井电缆提出了更高的要求；②施工前要进行复杂的施工设计和地质预演，在使用上对操作人员的要求较高，可使用性有所降低；③GPS同步受天气影响，非全天候同步机制；④使用中仍然以5～1 000Hz为主要测量频率，高频信号在地层中衰减过快，使用中有较大局限。

3 井间电磁成像测井系统研制

3.1 研究难点

井间电磁成像测井系统研制中存在3个方面的矛盾，这也正是需要解决的技术难点。①大功率高效发射天线与7芯测井电缆有限承载能力之间的矛盾。在电磁探测中，常用的发射技术一般采用超大功率发射天线提高发射功率，其发射功率可达几百千瓦，发射电流可达上百安培，而常规测井电缆的最大功率在600W左右，因此需控制发射天线的功率。②低电阻率地层和钢套管对电磁感应信号严重的屏蔽、衰减［10］与高质量电磁感应信号接收之间的矛盾。电磁感应信号经过钢套管之后基本被衰减掉［11］，从表1中清晰可见发射频率越高，信号经过钢套管衰减越大。③高效电阻率反演成像算法与井间电磁分辨率之间的矛盾。该矛盾主要通过地面处理软件的算法优化与改进解决，对于该内容本文不作研究，可参考魏宝君［12］、张庚骥［13］及 A.Abubaker［14］等人的二维与三维井间电磁成像算法。

表1 钢套管对电磁信号的衰减系数

3.2 高性能、大功率发射天线

解决大功率高效发射天线与7芯测井电缆有限承载能力之间矛盾的关键是研制高性能、高品质发射天线。发射磁场强度由磁偶极矩M确定，其中

式中，Nt为发射天线的匝数；St为发射天线的面积；I为流经发射天线的电流；θ为磁矩与磁感线的夹角。

发射天线设计时要考虑以下因素。

（1）满足θ＝π／2，以使M达到最大值INtSt。

（2）天线设计中采用电偶极子和磁偶极子2种天线。电偶极子常用于高频电磁波的发射，占用空间过大，不易实现井间电磁的多频发射，难以放入井下仪器中。这里选用尺寸较小的磁偶极子发射天线［15］，绕于高导电芯棒上增强芯棒外磁场强度，减少芯棒内磁场强度以降低功耗。

（3）为提高发射效能，使用多匝数、粗导线进行大尺寸（面积）线圈缠绕。为降低缠绕难度，一般采用螺旋柱状线圈。但线圈匝数越多，天线尺寸越大，发射电流越小。为解决上述问题，这里采用一种高压供电低压储能发射技术提高发射效能（见图2）。与XBH－2000系统相比通过该技术可以把发射功率提高2倍以上。

图2 高压供电低压储能发射原理

（4）发射时针对不同的发射频率，由软件控制选择不同的近谐振发射［16］电路，提高发射天线的效率。

（5）为提升发射效能，采用多个等同发射线圈，以相同频率共振方式发射电磁波，使发射的电磁波得到定向增强［17］，提升天线发射效能，提高信噪比。

（6）为了平衡测井电缆负载，采用一种AC、DC幻相供电电路［18］，把井下仪器的供电平衡到各个缆芯，提升缆芯的电流强度，其中AC用于电子线路工作，DC用于天线发射。这项技术将明显改善发射天线的效能和稳定性。

（7）发射频率向下扩展到1Hz以下，提高电磁波在低电阻率地层和钢套管中的传播与接收效率，提升仪器探测范围。

3.3 微弱信号采集与处理

解决低电阻率地层和钢套管对电磁感应信号严重的屏蔽、衰减与高质量电磁感应信号接收之间矛盾的关键是进行接收天线的微弱信号的采集与处理。

（1）信号接收一般有2类接收天线：电偶极子天线与磁力计。这里采用高精度磁力计，检测来自发射天线经地层衰减和相移后的微弱电磁感应信号，提高接收精度。

图3 微弱信号处理流程

（2）在信号采集方面针对来自接收天线的微弱信号，采用锁相放大、滤波、陷波、取样积分等技术，提高信噪比，其处理流程见图3。其中，高共模抑制前放电路主要用于压制干扰信号；程控带通滤波电路［19］根据发射频率选择滤波频率，去除无用信号。

图4 共模抑制与带通滤波

由图4可见经高共模抑制后，有效信号得到明显增强，噪声得到明显压制；经过程控带通滤波后无用信号得到有效滤除，有用信号没有发生明显变化。

锁相放大电路具有通频带窄、中心频率（发射）稳定、品质因素高的优点［20］。锁相放大根据互相关检测原理使输入待测的发射信号与参考同步信号进行互相关噪声抑制，检测微弱单周期信号，对信号有极高的灵敏度，可达pV级。

在实际测量中电源噪声对有用信号也有干扰，设计上加入50Hz和60Hz电源陷波器或带阻滤波器［21］用于滤除50Hz和60Hz的电源干扰。经过陷波后，来自电源的固定频率干扰得到压制，有利于后期处理。

自适应取样积分滤波［20］由软件实现，把多次采集的信号由DSP芯片进行相加平均，去除随机干扰信号。在使用中对于低频电磁发射采用小基数积分，高频发射采用大基数积分进行微弱电磁信号的处理。图5是采用基数为256的取样积分前后的比对效果。

图5 取样积分滤波前后波形

由图5可见经取样积分滤波后，干扰得到较大消除，取样积分滤波对随机干扰、周期性干扰和热噪声干扰信号有较好的抑制作用。

（3）可利用以下方法减少外部信号对处理线路的干扰。①把前放电路置于金属屏蔽仓中靠近接收天线的位置，尽可能去除处理过程中引入的干扰和噪声；②接收电子线路供交流电，接收线圈由整流、滤波、稳压后的低压直流电源供电，尽可能减少交流电对接收线圈的干扰；③测量中移动高灵敏度的接收天线不可避免产生新的干扰源，采用固定接收天线、移动发射天线的工作方式来尽可能减少干扰因素的影响，该方式效果优于定点发射测量与同步扫描测量。

（4）采用高精度同步机制——GPS＋石英时钟＋发射参考综合同步产生电路（见图6）共同完成微弱信号的同步测量，尤其是相位的测量，严格区分一次场与二次场，该同步机制可以实现全天候同步发射、接收与检测。

图6 同步产生电路

（5）采用高精度天线刻度技术去除环境噪声，消除系统误差。刻度中首先测量环境（地磁影响等）、温度漂移和电子线路基值，在实际测量中将此基值去除。刻度可以精确确定发射与接收之间的线圈系数k值。

（6）采用扫频［22］机制平衡发射、接收和金属套管、地层之间的关系确定最佳发射频率和发射方式，减少人工干预。

（7）接收天线内设偏置发射线圈，确定不同接收增益的噪音水平，用以补偿和校正微弱的井间电磁感应信号。

（8）采用阵列接收天线，以反馈补偿增强方式接收电磁感应信号。一定条件下［23］，接收天线越多、越长，接收灵敏度就越高，采集速度越快，测井时效越高。

4 结 论

（1）通过分析现有井间电磁成像测井系统——EMI公司XBH－2000与斯伦贝谢公司Deeplook－EM的优缺点，对井间电磁成像测井系统中发射天线、接收天线和井间电磁感应信号处理展开研究。

（2）在发射上采用低压储能、近谐振发射、磁偶极子定向发射、幻相电缆平衡供电等技术提高发射效率，平衡电缆负载。

（3）在接收上采用GPS综合同步产生与相位检测、参考锁相放大、自适应取样积分、共模抑制、温度补偿校正和天线刻度等信号检测与处理技术，提高信噪比，提高电磁感应幅度和相位的精度与准确度，为井间电磁成像测井系统研究与制造提供理论基础。

［1］ Schlumberger.Looking Deep into the Reservoir［J］.Oilfield Review，2009，21（2）：411－419.

［2］ 林为干，符果行，邬琳若，等.电磁场理论 ［M］.北京：人民邮电出版社，1996：526－568.

［3］ De Pavia L，Zhang P，Alumbaugh D，et al.Next－generation Cross－well EM Imaging Tool［C］∥ SPE 116344，Denver，September 21－24，2008.

［4］ Spies B R，Habashy T M.Sensitivity of Cross－well E－lectromagnetics［J］.Geophysics，1995，60（3）：834－845.

［5］ Wilt M，Lee Kiha，Dalumbaugh.Crosshole Electromagnetic tomography：A New Technique for Oil Field Characterization［J］.The Leading Edge，1999，14（3）：173－177.

［6］ 曾文冲，赵文杰，臧德福.井间电磁成像系统应用研究［J］.地球物理学报，2001，44（3）：411－419.

［7］ Alumbaugh D L，Morrison H F.Theoretical and Prac－tical Considerations for Cross－well Electromagnetic Tomography Assuming a Cylindrical Geometry［J］.Geophysics，1995，60（3）：846－870.

［8］ Gao G，Alumbaugh D，Zhang P，et al.Practical Implications of Nonlinear Inversion for Cross－well Electromagnetic Data Collected in Cased－wells［J］.SEG Expanded Abstracts，2008，27：299－303.

［9］ 李棒，王彪.基于GPS授时的异地同步数据采集系统［J］.测控技术，2006，25（3）：40－42.

［10］ Kim H J，Lee K H.Electromagnetic Fields in a Non－Uniform Steel－Cased Borehole［J］.Geophysical Prospecting，2006，54（4）：433－439.

［11］ Wu T，Habashy T.Influence of Steel Casings on Electromagnetic Signal［J］.Geophysics，1998，60（3）：871－885.

［12］ 魏宝君，张庚骥.用改进的逐次逼近解决计算二维井间电磁场［J］.测井技术，2001，25（3）：179－183.

［13］ 魏宝君，张庚骥，胡波.用改进的局域非线性迭代方法计算三维井间电磁场 ［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2002，26（3）：124－127.

［14］ Abubakar A，Lin J，Habashy T，et al.A Three－dimensional Multiplicative－regularized Non－linear Inversion Algorithm for Cross－well Electromagnetic Applications［C］∥SEG Las Vegas 2008Annual Meeting，2008：584－588.

［15］ John D Kraus，Daniel A Fleisch.Electromagnetics with Applications［M］.Beijing：Tsinghua University Press and McGraw－Hill Companies，2001.

［16］ 李英.电磁介质谐振器理论及应用［M］.北京：电子工业出版社，1988.

［17］ 王安玲，刘福平，刘传虎，等.阵列偶极源辐射场在导电地层中传播的方向特性［J］.地球物理学进展，2005，20（4）：1160－1163.

［18］ 测井学编写组.测井学［M］.北京：石油工业出版社，2004.

［19］ Arthur B，Williams Fred J.数字滤波器设计［M］.北京：科学出版社，2008.

［20］ 高晋占.微弱信号检测［M］.北京：清华大学出版社，2010：154－233.

［21］ 宋寿鹏.数字滤波器设计与工程应用［M］.江苏：江苏大学出版社，2011.

［22］ 郭燕昌.相控阵和频率扫描天线原理［M］.北京：国防工业出版社，1978.

［23］ 宋汐瑾，党瑞荣，郭宝龙，等.一种时域电磁法剩余油探测装置参数研究［J］.仪器仪表学报，2011，30（3）：481－488.