臧德福，郭紅旗，晁永勝，葛承河，柏強(qiáng)，王樹松

（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營257096）

0 引 言

井間電磁成像測井是地球物理應(yīng)用研究的新課題，該技術(shù)克服電磁波在鋼套管等高導(dǎo)電、高導(dǎo)磁介質(zhì)中的發(fā)射與接收問題，實(shí)現(xiàn)了從單井測井向井間油藏探測的跨越。井間電磁成像測井基于電磁感應(yīng)測井技術(shù)，其探測深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的單井電法測井，分辨率大大高于地震測量，是對(duì)油藏探測技術(shù)的有效補(bǔ)充，更是測井技術(shù)橫向發(fā)展的重大突破。20世紀(jì)受制于電磁技術(shù)的發(fā)展，無法有效解決電磁波在鋼套管與低電阻率地層中的發(fā)射與接收難題。直到近期斯倫貝謝公司推出Deeplook－EM［1］測井方案，才開始加大對(duì)井間電磁測井技術(shù)的應(yīng)用研究與探討。

本文通過分析井間電磁測量影響因素與現(xiàn)有2種井間電磁成像測井系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行井間發(fā)射、接收以及微弱電磁感應(yīng)信號(hào)采集處理技術(shù)研究，給出了提高井間電磁發(fā)射效能與提高信噪比的理論基礎(chǔ)。

1 井間電磁測量原理

1.1 測量原理

井間電磁成像測井系統(tǒng)包括井下電磁發(fā)射裝置（簡稱發(fā)射天線）、井下電磁接收裝置（簡稱接收天線）和地面測井控制系統(tǒng)。測量時(shí)把發(fā)射天線、接收天線分別置于2口井中，在地面測井系統(tǒng)的控制下發(fā)射天線發(fā)射設(shè)定頻率的電磁波，接收天線接收、采集來自發(fā)射天線的電磁感應(yīng)信號(hào)（見圖1）。

圖1 井間電磁測量原理

根據(jù)電磁場理論［2］，接收的電磁感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過不同地層或介質(zhì)的作用其幅度與相位發(fā)生變化，通過測量這些變化后的幅度與相位，反演運(yùn)算得到地層電阻率的分布信息，利用成像技術(shù)得到井間電阻率的二維或三維分布圖像［3］。

1.2 磁場強(qiáng)度與相位的正演

在井間電磁測量中，當(dāng)r＞5d，則發(fā)射磁場相當(dāng)于一個(gè)偶極子場，稱為偶極場。在低頻狀態(tài)下，利用電磁場散射理論推導(dǎo)出均勻介質(zhì)中的接收天線r處的電場強(qiáng)度E（r）與磁場強(qiáng)度H（r）為［4］

由式（1）、式（2）得到z方向電磁感應(yīng)信號(hào)幅度Bz與相位Φ

式中，r為發(fā)射天線與接收天線的直線距離；z為發(fā)射天線與接收天線z方向上的距離；d為發(fā)射天線直徑；P為傳播系數(shù)；ω＝2πf為圓頻率；M為發(fā)射器磁偶極矩；r0為發(fā)射源點(diǎn)；V為積分區(qū)域；b為背景；G為張量格林函數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)。

為描述電磁波傳播過程中的幅度衰減和相位滯移，引入復(fù)波數(shù)γ

式中，α為幅度衰減系數(shù)，表示電磁波旅行單位長度振幅減少到原幅度的1／eα；β為相位滯移系數(shù)，表示電磁波旅行單位長度后相位滯后的弧度數(shù)。

高頻電磁感應(yīng)信號(hào)在地層中衰減過快［5］，為提高探測深度，井間電磁發(fā)射應(yīng)以發(fā)射低頻電磁波為主，在0.1～1MHz之間，其頻率接近音頻，因此也稱為音頻井間電磁感應(yīng)測井。地層電導(dǎo)率σ取0.1～0.01S／m，介電常數(shù)ε?。?～11）×10－9，即σ／（ωε）遠(yuǎn)大于1，測量時(shí)可忽略介電常數(shù)的影響，只考慮地層電導(dǎo)率，從而得到

式中，δ為趨膚深度。已知ω、z和σ、ε、M參數(shù)求感應(yīng)磁場強(qiáng)度與相位稱之為井間電磁感應(yīng)測井的正演運(yùn)算。

1.3 井間電磁測量的電導(dǎo)率反演

由式（3）可知Bz隨頻率f和距離r而衰減，相位近似為r／δ，通過測量Bz的幅度與相位，得到地層電阻率或電導(dǎo)率，這就是井間電磁測井的反演。

由式（3）可得到電導(dǎo)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）迭代停止條件

2 現(xiàn)有井間電磁成像測井系統(tǒng)分析

2.1 XBH－2000井間電磁成像測井系統(tǒng)

XBH－2000井間電磁成像系統(tǒng)［6］由美國 EMI公司研制，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)井距300m的玻璃鋼套管或裸眼井、井距150m單層鋼套管的井間電磁測井，是一種針對(duì)較大井間距而設(shè)計(jì)的低頻大功率井間電磁測井系統(tǒng)。

XBH－2000系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)、發(fā)射天線與接收天線3個(gè)部分組成，其中地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)射、接收之間的同步控制與數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，采用非調(diào)制的串行脈沖信號(hào)進(jìn)行同步控制；發(fā)射天線放棄最常用的電偶極子線圈，采用效率更高的磁偶極子線圈作為電磁波的發(fā)射源，包括發(fā)射線路與發(fā)射線圈2個(gè)部分，發(fā)射磁偶極矩為1 000～4 000A·m2，功耗約300W，長度7m，發(fā)射頻率為1～2 000Hz共10個(gè)頻率。接收天線采用三分量測量線圈，即x、y、z3個(gè)正交方向的線圈，由接收線路與接收線圈組成，接收靈敏度達(dá)10－4nT（地磁場為104nT），噪聲水平為10－9nT，功耗約30W，長度為7m。XBH－2000系統(tǒng)采用Born［7］逼近迭代法進(jìn)行非線性電阻率成像反演。

2.2 XBH－2000的缺點(diǎn)

通過分析已有文獻(xiàn)及實(shí)際測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，XBH－2000系統(tǒng)基本可以完成井間電磁測井任務(wù)，但存在許多問題與不足，距實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)一段距離，包括5個(gè)方面。

（1）地面測井系統(tǒng)與井下發(fā)射、接收之間采用差分串行通訊方式，速率只有幾kbit，而且誤碼率高，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)通訊故障，難以傳輸大量數(shù)據(jù)。

（2）發(fā)射天線與接收天線之間同步由地面測井系統(tǒng)發(fā)送串行同步脈沖完成。同步信號(hào)到達(dá)井下干擾大，失真嚴(yán)重，造成相位測量誤差大、電阻率計(jì)算失真。

（3）發(fā)射與接收地面控制通過RS232串行方式通訊，速率低，誤碼率高，難以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

（4）發(fā)射、接收、供電、同步分別占用不同纜芯，電纜利用效率低。

（5）沒有較好地考慮現(xiàn)場和井下高溫高壓的特殊環(huán)境，儀器常出現(xiàn)溫度上升過快造成死機(jī)和其他一些不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以保證野外現(xiàn)場的正常使用。

2.3 Deeplook－EM井間電磁成像測井系統(tǒng)

斯倫貝謝公司收購EMI公司后，對(duì)XBH－2000系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，推出了Deeplook－EM井間電磁成像測井系統(tǒng)。通過搜集現(xiàn)有的一些文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，Deeplook－EM系統(tǒng)的改進(jìn)主要有7個(gè)方面。

（1）發(fā)射天線：由原來的7m增加到9.88m，發(fā)射能量比XBH－2000系統(tǒng)有所增加。

（2）接收天線：長度由原來的7m增加到22m，由三分量接收升級(jí)為陣列接收，靈敏度提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10－6nT。

（3）采用無線方式代替了以前笨重的發(fā)射、接收之間的串行通訊，傳輸速度與傳輸質(zhì)量大大提高。

（4）在電阻率反演算法上采用最小二乘法［8］進(jìn)行逐次逼近。

（5）發(fā)射頻率擴(kuò)展到1～100kHz，擴(kuò)大了該系統(tǒng)的使用范圍，提高了儀器的分辨率。

（6）增加了詳細(xì)的施工設(shè)計(jì)與預(yù)演軟件。

（7）采用 GPS授時(shí)［9］同步，相位測量精度與XBH－2000系統(tǒng)相比有一定提升。

缺點(diǎn)概括為4點(diǎn)。①Deeplook－EM系統(tǒng)的功耗要大于XBH－2000系統(tǒng)，給儀器供電和測井電纜提出了更高的要求；②施工前要進(jìn)行復(fù)雜的施工設(shè)計(jì)和地質(zhì)預(yù)演，在使用上對(duì)操作人員的要求較高，可使用性有所降低；③GPS同步受天氣影響，非全天候同步機(jī)制；④使用中仍然以5～1 000Hz為主要測量頻率，高頻信號(hào)在地層中衰減過快，使用中有較大局限。

3 井間電磁成像測井系統(tǒng)研制

3.1 研究難點(diǎn)

井間電磁成像測井系統(tǒng)研制中存在3個(gè)方面的矛盾，這也正是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。①大功率高效發(fā)射天線與7芯測井電纜有限承載能力之間的矛盾。在電磁探測中，常用的發(fā)射技術(shù)一般采用超大功率發(fā)射天線提高發(fā)射功率，其發(fā)射功率可達(dá)幾百千瓦，發(fā)射電流可達(dá)上百安培，而常規(guī)測井電纜的最大功率在600W左右，因此需控制發(fā)射天線的功率。②低電阻率地層和鋼套管對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)嚴(yán)重的屏蔽、衰減［10］與高質(zhì)量電磁感應(yīng)信號(hào)接收之間的矛盾。電磁感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過鋼套管之后基本被衰減掉［11］，從表1中清晰可見發(fā)射頻率越高，信號(hào)經(jīng)過鋼套管衰減越大。③高效電阻率反演成像算法與井間電磁分辨率之間的矛盾。該矛盾主要通過地面處理軟件的算法優(yōu)化與改進(jìn)解決，對(duì)于該內(nèi)容本文不作研究，可參考魏寶君［12］、張庚驥［13］及 A.Abubaker［14］等人的二維與三維井間電磁成像算法。

表1 鋼套管對(duì)電磁信號(hào)的衰減系數(shù)

3.2 高性能、大功率發(fā)射天線

解決大功率高效發(fā)射天線與7芯測井電纜有限承載能力之間矛盾的關(guān)鍵是研制高性能、高品質(zhì)發(fā)射天線。發(fā)射磁場強(qiáng)度由磁偶極矩M確定，其中

式中，Nt為發(fā)射天線的匝數(shù)；St為發(fā)射天線的面積；I為流經(jīng)發(fā)射天線的電流；θ為磁矩與磁感線的夾角。

發(fā)射天線設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下因素。

（1）滿足θ＝π／2，以使M達(dá)到最大值INtSt。

（2）天線設(shè)計(jì)中采用電偶極子和磁偶極子2種天線。電偶極子常用于高頻電磁波的發(fā)射，占用空間過大，不易實(shí)現(xiàn)井間電磁的多頻發(fā)射，難以放入井下儀器中。這里選用尺寸較小的磁偶極子發(fā)射天線［15］，繞于高導(dǎo)電芯棒上增強(qiáng)芯棒外磁場強(qiáng)度，減少芯棒內(nèi)磁場強(qiáng)度以降低功耗。

（3）為提高發(fā)射效能，使用多匝數(shù)、粗導(dǎo)線進(jìn)行大尺寸（面積）線圈纏繞。為降低纏繞難度，一般采用螺旋柱狀線圈。但線圈匝數(shù)越多，天線尺寸越大，發(fā)射電流越小。為解決上述問題，這里采用一種高壓供電低壓儲(chǔ)能發(fā)射技術(shù)提高發(fā)射效能（見圖2）。與XBH－2000系統(tǒng)相比通過該技術(shù)可以把發(fā)射功率提高2倍以上。

圖2 高壓供電低壓儲(chǔ)能發(fā)射原理

（4）發(fā)射時(shí)針對(duì)不同的發(fā)射頻率，由軟件控制選擇不同的近諧振發(fā)射［16］電路，提高發(fā)射天線的效率。

（5）為提升發(fā)射效能，采用多個(gè)等同發(fā)射線圈，以相同頻率共振方式發(fā)射電磁波，使發(fā)射的電磁波得到定向增強(qiáng)［17］，提升天線發(fā)射效能，提高信噪比。

（6）為了平衡測井電纜負(fù)載，采用一種AC、DC幻相供電電路［18］，把井下儀器的供電平衡到各個(gè)纜芯，提升纜芯的電流強(qiáng)度，其中AC用于電子線路工作，DC用于天線發(fā)射。這項(xiàng)技術(shù)將明顯改善發(fā)射天線的效能和穩(wěn)定性。

（7）發(fā)射頻率向下擴(kuò)展到1Hz以下，提高電磁波在低電阻率地層和鋼套管中的傳播與接收效率，提升儀器探測范圍。

3.3 微弱信號(hào)采集與處理

解決低電阻率地層和鋼套管對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)嚴(yán)重的屏蔽、衰減與高質(zhì)量電磁感應(yīng)信號(hào)接收之間矛盾的關(guān)鍵是進(jìn)行接收天線的微弱信號(hào)的采集與處理。

（1）信號(hào)接收一般有2類接收天線：電偶極子天線與磁力計(jì)。這里采用高精度磁力計(jì)，檢測來自發(fā)射天線經(jīng)地層衰減和相移后的微弱電磁感應(yīng)信號(hào)，提高接收精度。

圖3 微弱信號(hào)處理流程

（2）在信號(hào)采集方面針對(duì)來自接收天線的微弱信號(hào)，采用鎖相放大、濾波、陷波、取樣積分等技術(shù)，提高信噪比，其處理流程見圖3。其中，高共模抑制前放電路主要用于壓制干擾信號(hào)；程控帶通濾波電路［19］根據(jù)發(fā)射頻率選擇濾波頻率，去除無用信號(hào)。

圖4 共模抑制與帶通濾波

由圖4可見經(jīng)高共模抑制后，有效信號(hào)得到明顯增強(qiáng)，噪聲得到明顯壓制；經(jīng)過程控帶通濾波后無用信號(hào)得到有效濾除，有用信號(hào)沒有發(fā)生明顯變化。

鎖相放大電路具有通頻帶窄、中心頻率（發(fā)射）穩(wěn)定、品質(zhì)因素高的優(yōu)點(diǎn)［20］。鎖相放大根據(jù)互相關(guān)檢測原理使輸入待測的發(fā)射信號(hào)與參考同步信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)噪聲抑制，檢測微弱單周期信號(hào)，對(duì)信號(hào)有極高的靈敏度，可達(dá)pV級(jí)。

在實(shí)際測量中電源噪聲對(duì)有用信號(hào)也有干擾，設(shè)計(jì)上加入50Hz和60Hz電源陷波器或帶阻濾波器［21］用于濾除50Hz和60Hz的電源干擾。經(jīng)過陷波后，來自電源的固定頻率干擾得到壓制，有利于后期處理。

自適應(yīng)取樣積分濾波［20］由軟件實(shí)現(xiàn)，把多次采集的信號(hào)由DSP芯片進(jìn)行相加平均，去除隨機(jī)干擾信號(hào)。在使用中對(duì)于低頻電磁發(fā)射采用小基數(shù)積分，高頻發(fā)射采用大基數(shù)積分進(jìn)行微弱電磁信號(hào)的處理。圖5是采用基數(shù)為256的取樣積分前后的比對(duì)效果。

圖5 取樣積分濾波前后波形

由圖5可見經(jīng)取樣積分濾波后，干擾得到較大消除，取樣積分濾波對(duì)隨機(jī)干擾、周期性干擾和熱噪聲干擾信號(hào)有較好的抑制作用。

（3）可利用以下方法減少外部信號(hào)對(duì)處理線路的干擾。①把前放電路置于金屬屏蔽倉中靠近接收天線的位置，盡可能去除處理過程中引入的干擾和噪聲；②接收電子線路供交流電，接收線圈由整流、濾波、穩(wěn)壓后的低壓直流電源供電，盡可能減少交流電對(duì)接收線圈的干擾；③測量中移動(dòng)高靈敏度的接收天線不可避免產(chǎn)生新的干擾源，采用固定接收天線、移動(dòng)發(fā)射天線的工作方式來盡可能減少干擾因素的影響，該方式效果優(yōu)于定點(diǎn)發(fā)射測量與同步掃描測量。

（4）采用高精度同步機(jī)制——GPS＋石英時(shí)鐘＋發(fā)射參考綜合同步產(chǎn)生電路（見圖6）共同完成微弱信號(hào)的同步測量，尤其是相位的測量，嚴(yán)格區(qū)分一次場與二次場，該同步機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)全天候同步發(fā)射、接收與檢測。

圖6 同步產(chǎn)生電路

（5）采用高精度天線刻度技術(shù)去除環(huán)境噪聲，消除系統(tǒng)誤差?？潭戎惺紫葴y量環(huán)境（地磁影響等）、溫度漂移和電子線路基值，在實(shí)際測量中將此基值去除?？潭瓤梢跃_確定發(fā)射與接收之間的線圈系數(shù)k值。

（6）采用掃頻［22］機(jī)制平衡發(fā)射、接收和金屬套管、地層之間的關(guān)系確定最佳發(fā)射頻率和發(fā)射方式，減少人工干預(yù)。

（7）接收天線內(nèi)設(shè)偏置發(fā)射線圈，確定不同接收增益的噪音水平，用以補(bǔ)償和校正微弱的井間電磁感應(yīng)信號(hào)。

（8）采用陣列接收天線，以反饋補(bǔ)償增強(qiáng)方式接收電磁感應(yīng)信號(hào)。一定條件下［23］，接收天線越多、越長，接收靈敏度就越高，采集速度越快，測井時(shí)效越高。

4 結(jié) 論

（1）通過分析現(xiàn)有井間電磁成像測井系統(tǒng)——EMI公司XBH－2000與斯倫貝謝公司Deeplook－EM的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)井間電磁成像測井系統(tǒng)中發(fā)射天線、接收天線和井間電磁感應(yīng)信號(hào)處理展開研究。

（2）在發(fā)射上采用低壓儲(chǔ)能、近諧振發(fā)射、磁偶極子定向發(fā)射、幻相電纜平衡供電等技術(shù)提高發(fā)射效率，平衡電纜負(fù)載。

（3）在接收上采用GPS綜合同步產(chǎn)生與相位檢測、參考鎖相放大、自適應(yīng)取樣積分、共模抑制、溫度補(bǔ)償校正和天線刻度等信號(hào)檢測與處理技術(shù)，提高信噪比，提高電磁感應(yīng)幅度和相位的精度與準(zhǔn)確度，為井間電磁成像測井系統(tǒng)研究與制造提供理論基礎(chǔ)。

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