声电测井仪研究

鞠晓东，赵宏林，卢俊强，门百永，李丰波，段文星

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京102249）

0 引 言

在油气勘探领域，由弹性波激发产生的电磁波以及波场间相互耦合转换的效应被称为震电效应（Seismoelectric Effect）。Blau等［1］最早发现了震电效应，Biot建立了流体饱和多孔介质条件下的弹性波动方程，在奠定多孔介质声学理论基础的同时也促进了震电理论的发展。Pride S R等［2］针对多孔介质理论和固液两相界面的双电层模型，用体积平均法导出了基于Maxwell和Biot方程的宏观震电耦合方程组。Zhu Z和Toksoz M N等在室内物理模型中进行了震电实验研究，取得了系列实验成果［3］。在测井领域，可把该方法称为动电测井（Electrokinetic Logging）［4］或声电测井（Acoustoelectric Logging）［5］。胡恒山等［6－7］基 Pride宏观震电耦合方程组导出了井眼中激发的声场及电磁场的计算公式，建立了声电效应测井的理论模型。

声电（文中与动电、震电术语同义）测井方法的主要特点是能够直接或间接探测与地层孔隙和流体有关的多种性质，如渗透率、电导率、孔隙度、井液离子浓度等，其中渗透率的探测最为重要。目前，只有少数测井方法如核磁共振测井和声波全波斯通利波测井能够用于间接评价渗透率。

多年来，国内外虽然围绕着声电测井方法开展了大量的机理性研究，但对其具体的探测方法和实现途径的研究相对匮乏，所做的实验也局限在较实际地层环境相差较大的室内岩石和液体的简单条件下进行。已经开展的对声电测井方法的物理模拟验证无一例外地采用了简单的缩小模型（单一介质，单一矿化度流体，或多层介质但不满足实际地层间的声电耦合和传播条件）。实际上，对于声电效应这种特殊的测井方法，典型的物理模拟环境：① 井条件下的水平分层结构；② 井液与孔隙地层间不同离子浓度的流体通过井壁处于动平衡状态（在渗透层形成所谓的冲洗带和侵入带）；③ 井壁与地层及地层间各界面同时满足声波和电磁波的耦合及传播特性。满足这些条件的物理模拟环境（无论是实体还是缩小的）在可以预见的未来难以实现（这是与单独的声波或电法测井探测研究环境的显著区别）。因此，声电测井探测器研究必须越过传统的模型机（非高温高压井下环境的方法验证装置）阶段而直接开展具有声电测井功能的探测器（仪器）研究，这对于验证动电测井理论方法和开展渗透率测井应用研究，进而为储层产能预测提供关键参数具有非常重要的意义［8］。

国内外关于声电测井应用研究的唯一公开报道是英国Groundflow公司与日本OYO公司研制的EKL仪［4］。EKL仪工作时分别发射2种频率的声波脉冲，2个电极接收声电转换波，分别采用3、33cm的极短源距。仪器既没有采用阵列式接收、也不能同时接收声电信号（无法求取声电测井方法中关键参数动电耦合系数），更没有考虑逆效应（电声转换波）的测量。该仪器在设计上并非针对石油测井，仅用于在几百米的浅层进行以水资源开发和环境监测为目的的应用探索，对适用于石油工业的声电测井仪器研究不具参考价值。

本文提出了一种具有声电复合探测器的声电测井仪（AcoustoElectric Logging Tool，AELT），其特点是能分别在声或电激励的情况下同时进行声、电信号的本征波（与激励源同类型的波）和转换波的探测；所采集的阵列化本征波和转换波具有相同的深度记录点。同时，要求仪器具有很高的探测灵敏度，适应井下高温高压作业环境，并能够与当今主流成像测井系统（如EILog－06）地面平台相挂接。

1 探测器设计

传统声波测井和电测井探测器（sonde，探头）在实现上有各自的特点，声波换能器必须置放于直接感受井筒压力的绝缘油中，并形成良好的声耦合条件；电测井探测器通常采用电极系和线圈系2种形式，并形成探测元件之间以及与外界绝缘安装；声、电两者之间具有明显的区别和不相容性。因此，实现动电测井方法的关键是设计一种能够在声、电不同激励时实现对声场和电磁场的同时测量，这种类型测井仪的探头可称之为声电复合探测器。

1．1 声电复合探测器设计

常规声波测井的工作主频在20kHz以下，而线圈式电磁波感应测井的优势频率在几十kHz或更高，且线圈式探测器内部对导电和导磁物质敏感使得与声波探测器相容设计更加困难。研究中采用了电极式电磁波探测方式，这也为进一步扩展时间域电测功能提供了可能。

AELT采用一种独创的混合式声电探测器结构，可用于实现石油测井环境下的声电测量方法（见图1）。

1．1．1 AELT探测器包括声、电2个功能部分

（1）声波部分。采用单发三收结构，T和R1～R3等形成一个最小的长源距阵列声系，基本源距2．5m，间距0．3m，在普通地层能够接收到单极全波信号（纵波、横波和斯通利波）；为提高发射功率和效率，采用6个高性能拼镶式单极发射换能器并分成2组（TU和TD），实现相控线阵方式激励；3个高灵敏度单极接收探头（每个由4个径向极化的换能器串联）组成能够实现STC算法的声波接收阵列。

图1 AELT探测器结构示意图

（2）电测部分。设计为六电极结构，可称之为阵列式电位电极系。A、B为供电电极，E1～E4为测量电极，4个测量电极可以进行电位测量和差分测量，所形成的3个差分对E12、E23、E34与R1、R2、R3有相同的深度记录点，这对于分析伴随转换波信号的到时和相关特性有利。

探测器机械结构分为2段，其中声波发射段采用常用的金属外壳（见图1中右半部分），而声波接收和电测部分采用玻璃钢外壳为电极系提供绝缘条件，同时具有声波接收的透声结构（见图1中左半部分），2部分在内部相通并充油密封。电极系的引线不能采用大的电脉冲功率，否则可能直接激发出机械波（极端的例子是电火花震源）。

可知，AELT的声电复合探测器具有完善的激励和信号的探测能力，通过对本征波和转换波信号的分析处理，不但能够得到声波和电测方法各自的基本数据（声波时差、视电阻率、差分自然电位等），还能用于求取动电耦合系数，进而评价地层渗透率。因此，这是一种基于声电方法的全功能、多参数测井探测器。

1．2 电极系特性分析

通过隐埋连线和承压密封接头进入探测器内部。

1．1．2 AELT具有2种工作模式

（1）声激励模式。发射器T向井外地层发射大功率声波，声波信号传播过程中在含流体多孔介质地层的分界面和地质体中引发声电效应，产生诱导电磁场（转换波）。声波信号在被接收换能器阵列接收的同时，转换波信号也被测量电极阵列检测。这是仪器的主要工作模式。

（2）电激励模式。主供电电极A向地层发射交变电流并通过B电极形成回路，其频率与单极声波接收换能器阵列的主频相同，测量电极阵列还可得到地层视电阻率；对于在含流体多孔介质地层这一人工电场可引起电渗现象和固相骨架运动从而形成弹性波（声电效应的逆效应），并通过声波接收器阵列进行检测。电激励为仪器的辅助工作模式，这是由于电声耦合系数低，转换波信号极其微弱。而且，

AELT的阵列式电位电极系的中间测量电极E2、E3可形成对称的视电阻率测量，其中点为电测系统的深度记录点。电极系结构设计尺寸可表示为

即：供电电极A、B的宽度为0．1m，测量电极E1～E4的宽度均为0．02m，各电极中心距均为0．3m，电极半径为0．092m。视电阻率表达式

式中，Ra为视电阻率；K为电极系系数；UE23为电极E2、E3间电位差；I为供电电极A、B间的电流。

设计中采用了ANSYS软件的Multiphysics模块对电极系响应作有限元数值模拟，对于均匀无限大地层模型时可得到K值近似为12．02m，借助电阻分压网络对电极系特性进行了验证。由于AELT电测功能的非聚焦特性，因此所计算出的视电阻率曲线仅作为分层和流体性质的参考。

图2 AELT声发射特性实测图

1．3 声激励性能测试

对如图1所示的AELT声系发射性能在水池内进行了实体物理模拟测试，得到声波波场频谱和垂直指向性如图2所示。测试表明，2组发射器的转换效率和发射能量相近，主频均在12．5kHz左右；相控延迟在0～25μs以5μs步进变化时，声场的偏转角在0°～13°之间变化，在距离发射器1．5m处的平均声压峰峰值约为68．2kPa，可满足声电测井的要求。

2 电子系统设计

2．1 系统总体方案

为实现声电测井功能，设计了AELT的电子系统方案（见图3）。

图3 AELT电子系统组成框图

仪器电子系统采用模块化结构，由主控模块、信号放大数据采集模块、电激励模块和声波激励模块等组成，前三者集成在仪器上方的电子短节内，后者位于仪器探测器下方的发射短节。

各个功能模块间采用专用的串行总线（TMB［9］）完成互联，其中系统主控模块为主节点，其余为从节点，数据通讯只在主节点和某一从节点之间进行。TMB贯通整个仪器的所有短节，传输速率为10Mbit／s，数据包由帧同步、地址场、命令／状态场、数据场和校验场等组成，节点间的应答机制能够保证互联的可靠性和正确性。

系统主控模块的核心是数字信号处理器DSP，具有32位定点和浮点处理能力，1MB随机存储器RAM作为系统缓存，百万门级的FPGA在DSP控制下完成TMB主节点、井下仪器系统互联（基于CAN 2．0）等逻辑功能。

2．2 声波激励模块

声波激励模块有2个独立的大功率脉冲通道，分别为2组大功率声波换能器提供激励（见图4）。通过合理的组间延迟能够形成相控线阵激励模式，有利于提高转换波的信噪比。

采用1片2万门规模的CPLD器件实现与TMB主控节点的接口，完成对声波激励时间、脉冲宽度和相控延迟量的控制，时间控制精度和步进量为0．1μs。

图4 AELT声激励模块框图

2．3 电激励模块

电激励模块在功能上是一个高精度任意模拟波形发生器，电路组成见图5。

模块的控制芯片FPGA通过TMB实现与主控模块的数据接口，在主控命令参数选择下通过将内部波形数据表的扫描输出至DAC产生所需的模拟波形信号，经过低通滤波LPF去除高次谐波后进行功率放大，通过隔离变压器输出到供电电极A和B实现电激励。

电激励信号采用突发模式，主频与声波接收换能器相同。激励信号的强度被实时采样和监测，在正式电激励前可通过数次试激励以调节功率适应不同地层达到最佳不失真电激励，实际激励参数（电压、电流）被记录后作为视电阻率和电声转换波的计算依据。

图5 AELT电激励模块框图

2．4 信号放大和采集模块

声电转换波信号十分微弱（理论分析和实验测试表明，声电转换波通常在μV／Pa量级），必须为AELT设计多通道并行的高信噪比、大动态范围的模拟信号处理和数据采集电路。

通过对功能、效率和复杂度诸因素的优化设计，仪器采用主、辅采集模式分时完成一次动电测量功能。2次（声或电）激励的时间间隔不大于50ms，常规测速（动电测井仪为减少井下碰撞干扰，测速一般不大于720m／h）时仪器移动小于0．01m，这对于0．3m的间距和深度采样间隔时的影响可以忽略不计（即认为主、辅采集间仪器接近静止）。信号放大和采集模块由前置、通用通道和数据采集、存储及控制等部分组成（见图6）。

图6 AELT信号放大和采集模块框图

仪器的主采集模式为3个声波接收（R1～R3）和3个电差分（E12、E23、E34）接收共6路，全部为差分输入，由低噪声仪器放大器（IA）实现40dB的固定增益，以获得微弱信号时的高信噪比。辅助采集模式为E1～E4的4路电位测量，采用单端输入，10dB低增益前置放大。

主、辅采集模式信号由模拟多路开关MUX选择后进入放大滤波通道。6路并行的放大滤波通道是仪器通用模拟信号调理通道，每个通道由2级程控增益放大PGA和带通滤波器BPF组成，第1级PGA为0～48dB两档增益，第2级PGA为0～42dB八档增益，6dB步进，两者配合可以在0～90dB内实现连续的6dB步进调节（每6dB相当于ADC的1位），以适应声电转换波信号的大动态范围。通过BPF把信号频带限制在合理范围以保证信噪比，BPF的二阶高通性能由各级间的耦合电路实现，六阶低通有源滤波电路分为3级分别插入在2级PGA端点和连接处（见图6），通带范围10～20kHz。

ADC实现6路并行同步数据采集，分辨率16 bit（主模式下折算到传感器端的信号极限分辨率小于0．1nV），最短采样间隔2μs。

FPGA作为信号放大和采集模块的主控逻辑器件，实现模式选择、各通道增益控制、采样间隔和采样深度、数据缓存以及与主控电路通讯的TMB从节点等功能。在实际应用中，利用过采样（2或4倍）方式进一步提高信噪比，对各波形序列的数字滤波和抽取也由FPGA内的硬逻辑完成。

信号放大和采集模块的工作参数由主控模块DSP处理和通过TMB设定，一个典型的声激励模式数据帧包括10通道数据（6个主通道，4个辅通道），采样间隔8μs，采样深度512字／通道，能够有效地获取声电测井的声、电全波列信号。在数据采集参数设计上与传统声波测井最大的不同是不仅没有延迟门的延迟，还要将多通道同步采集的起始时间取在激励起始点之前（如取100μs），且各路声电信号通道在采样点时间序列上完全同步，以利于后续的分析处理。

3 现场试验及数据分析处理

3．1 现场试验和波形分析

AELT系统完成组装和联机调试后进行了多次现场试验，均取得成功。所有数据均基于声激励－声电接收模式（AELT的主模式）并以2．5m源距（信号前缀为AF．S）为例。相对于本征波（声波），转换波（电磁波）以2种模式出现（见图7）。

图7 AELT声发射模式时典型信号波形对比

（1）发射探头附近由于声压最强，在井液与地层界面（井壁）激发出较强的电磁波并以光速传播到接收电极阵列，可称之为界面转换波。图7（a）中标记为AF．S．WF．Edif．W（意为声发射模式短源距电差分波形，AELT仪器信号的命名由5个域组成，分别是发射域、源距域、处理域、接收域和模式域，具体参数略）。虚线波形的起始部分，表现为大大超前于声波，幅度在mV至亚mV量级。

（2）在时间和形态上与本征声波具有高度相关性的后续电磁波，可称之为伴随转换波（见图7（b））。由于传播扩撒和声电能量交换中的不断衰减，伴随转换波的幅度要远小于界面转换波（幅度在μV量级，图7中（b）将（a）的AF．S．WF．Edif．W信号刻度放大了2个量级）。图8中对本征波（AF．S．WF．A．C）与伴随转换波（AF．S．WF．Edif．C）在时域和频域的相关性由一系列不同深度点的信号做出对比。

AELT测量数据所具有的声电测井信号典型特征对声电测井方法实际验证具有重要意义。

图8 不同深度点本征波与伴随转换波时域和频域对比

3．2 关键参数提取

为获取动电耦合系数提供依据，提出了求取转换波能量或能量比的算法步骤。

（1）对波列以特定窗宽（若干连续采样点的集合）寻找本征波与伴随转换波相关性最高的区域，求取本征波与转换波的能量（区域数值积分）比曲线（对于声激励，即声波与伴随电磁波的能量比），作归一化处理后使得这条随深度连续变化的曲线取值在0～1之间。

图9 界面转换波能量及伴随转换波能量比与常规曲线对比图

（2）对界面转换波的特定区间求取能量曲线，并在全井段内做与步骤（1）相似的归一化处理（由于发射探头附近界面的声压基本恒定，可以假想1个本征波常数作为基准，界面转换波能量也可看成能量比）。

用上述方法对泉7×－×井1740～1880m井段处理后得到结果见图9。图9中的界面转换波能量AF．S．W．Edif．S和伴随转换波能量比AF．S．R．EdifA．C曲线间具有很好的相关性（由于AF．S．W．Edif．S实际是在第1个接收探头2．5m下方产生，故该曲线上移2．5m即深度对齐后能与AF．S．R．EdifA．C在形态上重合）。图9中AF．S．WF．A．W为本征波变密度图，2条红线之间是与转换波高相关度并被作为能量比计算的区域。通过2条归一化的转换波能量比曲线与自然伽马、声波时差和视电阻率等曲线对比可以看出，在自然伽马低、声波时差低（孔隙度高）、视电阻率高的砂岩储集层段（图9中标出的几处阴影条带），其转换波能量或能量比呈现明显的高值，而在各泥质围岩井段呈现明显的低值，各曲线间具有很好的相关性，这是非常有意义的结果。

3．3 进一步研究的思路

通过上述处理和分析，所得到归一化的转换波能量或能量比参数与动电耦合系数乃至地层渗透率必定有着高相关性和内在的联系。下一步研究将围绕渗透率反演计算和测井评价进行。

（1）根据转换波能量和能量比计算结果联立求取动电耦合系数曲线，利用正演数值模拟理论成果和岩石物理实验数据为这一计算提供必要的参数。

（2）根据动电耦合系数曲线结合其他测井数据（如自然伽马、核孔隙度、元素测井等的岩性分析数据和电测井的流体分析数据）对地层渗透率做出综合评价。

（3）研究中提出的转换波能量比与地层渗透率之间具有高度的相关性，通过岩心刻度（如井壁取心及相关岩石物理实验）建立转换波能量比与地层渗透率之间的实验关系后，在一定区域内有可能借助于声电测井信息直接求取地层渗透率。

4 结束语

（1）AELT声电测井仪在高温高压环境下（实验井深超过4000m）的实际储层中证明了2种形式（界面的和伴随的）声电转换波的存在，具有重要意义。随着孔隙度和渗透性的增加，与动电耦合系数高度相关的转换波能量比有明显的增强，为后续地层渗透率反演和测井评价研究打下了坚实的基础。

（2）AELT声电测井仪实际上是一个具有多参数探测能力的复合探测器，为进一步开展综合性研究提供了可能。

（3）通过电弛豫效应（以时域激发极化测量为主，改进电激励为直接输出、电信号通道为低增益直接耦合方式）获得双电层界面的极化率，为声电转换波的渗透率反演提供约束性条件。

（4）利用AELT能够直接获得的斯通利波和声电转换波进行基于不同物理机理的联合反演，对地层渗透率进行综合评价。

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