聲電效應(yīng)對(duì)自然電位測(cè)井曲線的影響

王 瑩 楊 帆 馬文中

（大慶油田測(cè)井公司 黑龍江 大慶）

0 引言

自然電位測(cè)井是最早實(shí)現(xiàn)的測(cè)井項(xiàng)目之一，直到現(xiàn)在，自然電位測(cè)井曲線在油氣勘探中仍然起著重要的作用。自然電位由以下幾個(gè)部分組成：擴(kuò)散電位、吸附電位和流動(dòng)電勢(shì)。以上三種電位中，擴(kuò)散電位和吸附電位都與濃度差有關(guān)，有時(shí)稱這兩種電位之和為電化學(xué)電位或擴(kuò)散吸附電位。流動(dòng)電勢(shì)與界面兩端的壓差有關(guān)。吸附電位和流動(dòng)電勢(shì)都與地層的雙電層結(jié)構(gòu)有關(guān)。1994年美國(guó)麻省理工學(xué)院連續(xù)發(fā)表了關(guān)于聲電轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和論文。2000年胡恒山與王克協(xié)進(jìn)行了聲電效應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)值模擬[1、2]。聲波可能引起井中自然電位幅度增大，靜電場(chǎng)也可能影響電聲轉(zhuǎn)換[3]。關(guān)于聲電轉(zhuǎn)換的理論和實(shí)驗(yàn)研究一直是油氣勘探的關(guān)注焦點(diǎn)。在測(cè)井過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)時(shí)，自然電位曲線有分辨率升高的現(xiàn)象。實(shí)踐表明，自然電位測(cè)井曲線分辨率升高是由于聲波激發(fā)和側(cè)向發(fā)射共同作用的結(jié)果。

1 基礎(chǔ)理論

自然電位原理[4]：井內(nèi)自然電位產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的。自然電位主要是由以下幾個(gè)部分組成：擴(kuò)散電位、吸附電位和流動(dòng)電勢(shì)。擴(kuò)散電位是由于地層水含鹽濃度與鉆井液含鹽濃度不同引起離子的擴(kuò)散作用而形成的。吸附電位則是巖石顆粒對(duì)離子的吸附作用形成，擴(kuò)散電位和吸附電位都與濃度差有關(guān)，有時(shí)稱這兩種電位之和為電化學(xué)電位或擴(kuò)散吸附電位。地層壓力與鉆井液壓力不同時(shí)，在地層孔隙中產(chǎn)生的過濾作用形成流動(dòng)電勢(shì)。而通常在分析自然電位測(cè)井曲線時(shí)忽略流動(dòng)電勢(shì)，油井的自然電位主要由擴(kuò)散吸附作用產(chǎn)生。流動(dòng)電勢(shì)強(qiáng)度與壓差有關(guān)。擴(kuò)散吸附電位和流動(dòng)電勢(shì)都是與地層的雙電層結(jié)構(gòu)有關(guān)的現(xiàn)象。

聲電效應(yīng)的基礎(chǔ)是雙電層理論，雙電層結(jié)構(gòu)微觀示意圖如圖1所示。在緊靠礦物表面的區(qū)域，離子不僅受到靜電力作用，還受到表面的化學(xué)吸附作用，這一區(qū)域稱為吸附層或Helmholtz層，這一層的離子被緊緊地束縛于固體表面。Helmholtz面之外是擴(kuò)散層。在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，離子受靜電力作用，同時(shí)，由于存在濃度梯度，離子由濃度高向濃度低的地方擴(kuò)散，離子動(dòng)態(tài)平衡。通常把擴(kuò)散區(qū)和直至固相表面的電荷分布區(qū)域稱為雙電層。理論分析表明，聲波能夠影響地層中的雙電層，從而影響到沙泥巖交界處的擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)以及擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)的大小，進(jìn)而影響到自然電位曲線的幅度。

圖1 雙電層結(jié)構(gòu)微觀示意圖

自然電位與聲-電轉(zhuǎn)換之間的相互影響，以及聲場(chǎng)對(duì)自然電位的影響，都是值得研究的聲電現(xiàn)象。

2 聲波自然電位實(shí)驗(yàn)

聲波自然電位實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制想法起源于烏克蘭地球物理研究所和西烏克蘭地球物理試驗(yàn)大隊(duì)的一篇文獻(xiàn)中的上井?dāng)?shù)據(jù)圖[5]，如圖2所示。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在超聲波作用下觀測(cè)的自然電位曲線幅度增大，分辨率增加。早期大慶測(cè)井公司在與物探公司合作時(shí)也曾發(fā)現(xiàn)過自然電位幅度增大，分辨率增加的現(xiàn)象。所以我們?cè)囍屏寺暡ㄗ匀浑娢粯訖C(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是我們根據(jù)現(xiàn)有的儀器改造而成，用普通的自然電位測(cè)量裝置連接聲波儀器經(jīng)過改造后可以在聲波激發(fā)的情況下測(cè)量自然電位曲線。我們?cè)囼?yàn)的結(jié)果如圖3所示。

圖2 烏格爾氣田自然電位曲線對(duì)比圖

圖3 自然電位樣機(jī)測(cè)量曲線對(duì)比圖

結(jié)果表明，在聲波激發(fā)測(cè)量得到的自然電位和普通方法測(cè)量的自然電位曲線沒有明顯的差異，這可能是由于聲源能量較低造成的，也可能是頻率較高的原因（烏克蘭的試驗(yàn)聲源為超聲探頭）。在聲電轉(zhuǎn)換過程中能量的轉(zhuǎn)換效率是很低的。在實(shí)驗(yàn)室中考慮測(cè)量介質(zhì)的孔隙度、滲透率以及系統(tǒng)的非線性，粗略估計(jì)得到的聲-電信號(hào)最大有效幅度大概是聲-聲信號(hào)的千分之一。而我們?cè)谝巴庾鳂I(yè)情況考慮到外界因素影響，實(shí)際能夠測(cè)得的聲-電信號(hào)要低于實(shí)驗(yàn)室中的估測(cè)值。也就是得到的聲波對(duì)自然電位的影響值大概在納伏至微伏量級(jí)，這要比自然電位的測(cè)量值毫伏量級(jí)要低很多。所以野外實(shí)驗(yàn)沒有得到預(yù)期的結(jié)果。

在某次測(cè)井作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)在聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)時(shí)自然電位曲線有明顯的分辨率升高的現(xiàn)象，如圖4所示。圖5是單獨(dú)測(cè)量自然電位曲線和聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)電位曲線的對(duì)比圖。

圖4 自然電位分辨率增高曲線

圖5 兩種方法測(cè)得的自然電位曲線對(duì)比

哈里伯頓的LOGIQ系列儀器，側(cè)向和自然電位曲線一直是并測(cè)的。但在測(cè)井過程中并沒有出現(xiàn)有自然電位曲線分辨率增加的現(xiàn)象。由此證明單一的側(cè)向和自然電位并測(cè)不會(huì)使自然電位曲線分辨率增加。而在聲波自然電位樣機(jī)測(cè)井過程中同樣也沒有發(fā)現(xiàn)測(cè)井曲線明顯的變化。說明普通的聲波和自然電位并測(cè)情況也不會(huì)發(fā)生自然電位分辨率增高的現(xiàn)象。所以說在聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)時(shí)自然電位曲線有明顯的分辨率升高的現(xiàn)象是聲波和側(cè)向兩種儀器共同作用的結(jié)果。根據(jù)側(cè)向測(cè)井原理，測(cè)量地層的電阻率要向地層中發(fā)射交流電流。這樣使得地層中原有的束縛電荷得到活化，同時(shí)在聲波作用下，使得震電效應(yīng)影響相對(duì)明顯，得到自然電位分辨率增加的結(jié)果。

同時(shí)，用自然電位、聲波和側(cè)向儀器并測(cè)的方法測(cè)量自然電位，在大慶地區(qū)幾個(gè)區(qū)塊的多口井的數(shù)據(jù)中均有自然電位曲線分辨率增加的現(xiàn)象。證明這一結(jié)果并非偶然的現(xiàn)象。綜上所述，得到的自然電位分辨率增加的現(xiàn)象是聲波儀器和側(cè)向儀器共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)的情況下產(chǎn)生了分辨率升高的自然電位曲線。這個(gè)自然電位曲線與傳統(tǒng)方法測(cè)量的自然電位曲線測(cè)量方式不同，甚至不能稱為自然電位曲線。這一現(xiàn)象需要從機(jī)理上進(jìn)行分析，給出理論根據(jù)。這對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量自然電位方法是一個(gè)測(cè)井方法上的革新。

（2）研究其產(chǎn)生機(jī)制與地層的雙電層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過聲波、側(cè)向?qū)ψ匀浑娢划a(chǎn)生的微擾的測(cè)量，得到微擾前后的自然電位曲線差異，這個(gè)差異信息可能與地層孔隙結(jié)構(gòu)信息有關(guān)，能夠提供一種新的求取地層的滲透率的方法。

（3）用聲波、側(cè)向、自然電位并測(cè)的方式得到的新的自然電位曲線在大慶地區(qū)幾個(gè)區(qū)塊的多口井都有測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果要比正常的自然電位曲線分辨率高，有很好的穩(wěn)定性。具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（4）測(cè)量?jī)煞N自然電位曲線，或許可以用來評(píng)價(jià)地層的孔隙度、滲透率等地層參數(shù)。這對(duì)于完善的評(píng)價(jià)地層結(jié)構(gòu)有著重要的意義。

（5）對(duì)于整個(gè)儀器結(jié)構(gòu)還有著很大的改進(jìn)空間，增加側(cè)向的工作功率、交流信號(hào)的頻率；聲波探頭的聲功率、頻率的改變；聲波探頭、側(cè)向的主發(fā)射電極A0距離自然電位測(cè)量環(huán)的遠(yuǎn)近等，以上或許均是可以嘗試改進(jìn)的方式。

自然電位屬于常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目中的一項(xiàng)，每一口井都要測(cè)量自然電位曲線。此種測(cè)井方式在薄層劃分、厚層細(xì)分、滲透層位置的判斷、地層滲透率和孔隙度的計(jì)算等方面均有著重要的意義，如果對(duì)于常規(guī)測(cè)井所獲得的曲線上有所突破，其意義也是不可忽略的。

[1]胡恒山，王克協(xié).井孔周圍軸對(duì)稱聲電耦合波：（Ⅰ）理論[J].測(cè)井技術(shù)，1999，23（6）

[2]胡恒山，王克協(xié).井孔周圍軸對(duì)稱聲電耦合波：（Ⅱ）聲電效應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)值模擬[J].測(cè)井技術(shù)，2000，24（1）

[3]胡恒山，李長(zhǎng)文，王克協(xié)，等.聲電效應(yīng)測(cè)井模型實(shí)驗(yàn)研究[J].測(cè)井技術(shù).2001，25（2）

[4]丁次乾.礦場(chǎng)地球物理[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2008

[5]裘慰庭.震電效應(yīng)在油氣勘探中的應(yīng)用前景[J].石油儀器，1996，10（2）