层状介质下井间电磁测试与分析

党峰, 陈涛, 侯学理, 彭其尧, 徐永发, 朱京平

(中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

井间电磁测井是当代地球物理应用技术发展的重要前沿[1]。该技术利用电磁感应原理,将低频发射源置于井下,在一口或多口邻近的测试于井中,以较高的精度和分辨率测量得到井间地层电学特性。与电法测井相比,井间电磁测井具有更深和更大的探测范围;与大地电磁及井-地电磁法相比,具有更高的精度和更深的探测范围。裸眼井距最大可达1 km,套管井距最大可达300 m[2-3]。

目前,全球只有斯伦贝谢公司拥有井间电磁成像系统的试验样机,最新型的是2004年投入现场试验的X2C-GM系统。中国对井间电磁研究起步较晚,且主要集中在测井方法上[4],而模拟测试是获取地质模型电磁响应的重要技术。2008年中国石油大学(北京)公开了二维介质中井间电磁测量的层析成像反演算法,利用源与接收器场的互易原理实现了井间电磁数据的正则化约束反演。

本文拟在层状介质条件下开展多频、多距状态下的井间电磁接收器数据测试与分析,目的是识别电阻率变化,指示层界面,验证正演算法,进而为下一步仪器的研发提供技术支持。

1 井间电磁测井测试系统传感器研究

井间电磁测井系统是将发射器和接收器分别置于2口井中,接收由发射器发射并经地层传播的电磁波,反演后获得有关井间地层电阻率的分布信息,实现井间电阻率的直接测量,测量原理见图1。

图1 井间电磁测量原理示意图

1.1 井间电磁测井发射器设计

井间电磁测井发射器用于产生电磁场,理论上发射磁矩MT越大,进行井间电磁测量的井间范围越大、测量精度越高。发射磁矩MT表达式为

MT=πa2μappNTIT

(1)

式中,μapp为发射线圈所缠绕的磁芯有效磁导率;a为发射线圈半径;NT、IT分别为发射线圈的匝数、电流强度。

为达到测试所需3 000 A·m2发射磁偶极矩强度,根据井下电缆指标参数,发射器电流最大3 A,发射线圈长度在绕线线径在满足上述最大电流通过的基础上设计为1 200 mm、线圈匝数560匝,发射线圈半径满足常见井眼要求设计直径为90 mm。在上述参数固定的情况下,选择并设计磁芯。磁芯有效磁导率

(2)

式中,μr为磁芯相对磁导率。

消磁因子常数

(3)

式中,l、d分别为磁芯的长度和直径。可见磁芯的长径比和相对磁导率共同决定有效磁导率的大小。图2为不同初始磁导率和长径比情况下,磁芯有效磁导率的大小。

图2 有效磁导率与初始磁导率和磁芯长径比关系

由图2见,对应不同的长径比,随着μr不断增大,μapp趋于稳定,即当μr变化时,选择不同的磁芯尺寸,则有效磁导率几乎不变。

根据中国的实际情况选择初始磁导率很高、矫顽力较小的坡莫合金作为发射器磁芯材料,其电阻率较低,一般在1～7 Ω·m。为了降低涡流损耗,需要厚度极薄[7],磁芯缠绕过程中薄片表面需要涂绝缘层,致使填充系数大大降低,最终薄片设计厚度30 μm,长度300 mm,共计8组,组成长度为2 400 mm的磁芯,通过计算,此时发射磁矩可达3 700 A·m2。

1.2 井间电磁测井接收器设计

井间电磁测井接收器由缠绕在坡莫合金磁芯上的数千匝线圈构成,其信号精度受其等效磁噪声的限制。归一化磁噪声与重量分配系数、形状系数的关系为[8]

(4)

得到最优化的线圈重量与磁芯重量,就可以求出磁芯尺寸。根据以下公式求出其他参量。

绕线的直径

(5)

线圈匝数

(6)

(7)

测试过程中,发射器发射单频正弦波,可以得到频率归一化的电压灵敏度[9]

(8)

当长径比在20～100时,这个公式与实际测得的灵敏度吻合的非常好[9]。设计井间电磁接收器磁芯长度1 200 mm,直径40 mm,灵敏度100 mV/nT。满足井间电磁测井发射频率范围要求,10 Hz～8 kHz范围内幅频特性平坦,保证了被测信号的相位稳定精度(见图3)。

图3 井间电磁接收天线频率特性图

2 井间电磁测井测试实验

2.1 井间电磁实验平台研制

实验平台由发射系统和接收系统组成。发射系统包括信号源、功率放大器、匹配网络、阻抗分析仪、信号衰减器等;接收系统包括前置放大器、程控滤波器、数据采集设备、锁相放大器、示波器等组成。系统组成见图4。

测试时计算机通过以太网控制信号源产生需要的波形,通过控制器控制数据采集设备对调理后信号进行采集、记录和分析;通过以太网、RS232等接口与功率放大器、信号调理电路、程控滤波器等通信,对其进行设置和读取参数。

实验平台主要用于1 Hz～10 kHz的微弱信号测量,其测试能力如表1所示。

2.2 层状介质下的数据测试与模拟计算

固定井间电磁发射器参数,恒定发射电流,选择4种每两两相近的发射频率15、17、220、275 Hz,以步进为60 cm移动井间电磁接收器,测试接收器电压信号变化与传感器距离之间的关系。测试环境如图5所示,7个厚20 cm隔墙将测试区域分为6层,隔墙填充高导电的钢架结构,隔墙之间为空气介质。

对上述情况下的测试数据记录并绘制接收器感应电动势与传感器距离之间的关系(见图6)。

图4 实验平台组成示意图

从图6可以看出,随着接收器不断地远离发射器,接收信号总体趋势随着距离的增大不断减小。在相距15 m范围内275 Hz电磁波所产生的信号幅度大于15 Hz电磁波所产生的信号幅度,但是当发射器和接收器相距大于15 m以后,这种现象发生反转。根据电磁波理论可知,这是因为在接收线圈产生的感应电动势不仅与距离L(或井间距)有关,而且与发射频率相关。在某一距离范围内,频率的影响因素占主导地位,因此接收器电压幅度随着距离的增大而增大,但是当达到某一距离以后,电磁波的衰减成为了主导因素,因此产生的感应电动势逐渐下降。从图6还可以看出,由于存在高电导率的隔墙,因此电磁波在穿过隔墙时产生强烈衰减,衰减的最低点位置与实际隔墙位置相一致,相互得到了印证。

图5 井间电磁层状介质测试环境平面图

图6 井间接收器电压信号随距离变化关系图

为了间接验证测试结果的正确性,通过采用水平成层地层Green函数[5]进行层状介质模型的电磁场数值模拟计算。假设模型中的介质是非磁性的,磁导率均取真空中的磁导率值。模型中隔墙厚度、间隔和电导率值与测试环境取值相同,但是水平长度取无限大。图7是模拟的接收器电压信号随距离变化的关系图。

图7 模拟接收器电压信号随距离变化关系图

对比图6和图7,发现实验数据与理论模拟数据所给出的电磁波响应规律基本一致。在接收器经过墙体时电磁信号快速下降,出现了“台阶”现象。这是由于墙体中含有高电导率金属,导致电磁信号迅速衰减。两图的差别主要表现为随着接收器和发射器距离的增大,模拟的接收器电压信号衰减速率比测试结果更快,且高频与低频幅度信号差别逐步变大。经分析原因,这种差别主要是受测试环境条件的限制导致。由于测试环境复杂,包括各种仪器设备、钢制房梁、消防栓、供电电源线等物体和磁性物质,这些因素均对实验结果造成影响。而数值模拟所采用的模型为层状介质模型,无法考虑各种外在影响因素,这种模型与实际测量环境并不完全一致。在下一步实验中,急需建立用于井间电磁波实验的物理模型装置,克服测试环境复杂因素的影响。

3 结 论

(1) 发射频率相近,同样的接收距离,响应特征几乎一致,验证了实验平台的稳定性与测试数据可信性。

(2) 测试数据可实现对空间电阻率变化的识别;测试数据出现“台阶状”,表明不同层状介质中电磁波衰减系数不同,电阻率越低衰减系数越大,电阻率越高衰减系数越小。

(3) 发射频率越高,井间电磁分辨率越高,在L1距离范围内,发射频率220 Hz和275 Hz时,对层间“异物”有响应,而15 Hz和17 Hz情况下,无法识别“异物”存在。

参考文献:

[1] 杨韡. 井间电磁成像的最新进展及发展方向 [J]. 测井技术, 2000, 24(4): 303-306.

[2] 沈金松, 孙文博, 赵文杰, 等. 井间电磁测量数据的模拟与处理解释 [J]. 测井技术, 2007, 31(5): 417-424.

[3] 邵长金, 李相方. 油田开发中后期井间电磁成像技术研究 [J]. 石油学报, 2006, 27(5): 88-91.

[4] 梁秋锦, 魏宝君. 井间电磁成像方法的最新进展 [J]. 油气地质与采收率, 2002, 9(3): 63-66.

[5] 魏宝君, 张庚骥. 二维井间电磁场的正反演计算 [J]. 中国石油大学学报:自然科学版,2002,26(5):28-31.

[6] 魏宝君. 二维井间电磁场的非线性反演方法 [J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2004, 28(5): 39-42.

[7] Séran H C, Fergeau P. An Optimized Low-frequency Three-axis Search Coil Magnetometer for Space Research [J]. Review of Scientific Instruments, 2005, 76(4): 1-10

[8] Dieter G Lukoschus. Optimization Theory for Inductioncoil Magnetometers at Higher Frequency [J]. IEEE Transactions on Geoscience Electronics, 1979, 17(3): 5663.

[9] 巨汉基, 朱万华, 朱光友. 磁芯感应线圈传感器综述 [J]. 地球物理学进展, 2010, 28(5): 1870-1876.