井間電磁成像測井系統(tǒng)分析與研究

臧德福，郭紅旗，晁永勝，葛承河，柏強，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用研究的新課題，該技術克服電磁波在鋼套管等高導電、高導磁介質中的發(fā)射與接收問題，實現(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測井技術，其探測深度遠遠大于傳統(tǒng)的單井電法測井，分辨率大大高于地震測量，是對油藏探測技術的有效補充，更是測井技術橫向發(fā)展的重大突破。20世紀受制于電磁技術的發(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，才開始加大對井間電磁測井技術的應用研究與探討。

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，進行井間發(fā)射、接收以及微弱電磁感應信號采集處理技術研究，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。

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)射天線的電磁感應信號（見圖1）。

圖1 井間電磁測量原理

根據(jù)電磁場理論［2］，接收的電磁感應信號經過不同地層或介質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，反演運算得到地層電阻率的分布信息，利用成像技術得到井間電阻率的二維或三維分布圖像［3］。

1.2 磁場強度與相位的正演

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

由式（1）、式（2）得到z方向電磁感應信號幅度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；V為積分區(qū)域；b為背景；G為張量格林函數(shù)；μ為磁導率；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)。

高頻電磁感應信號在地層中衰減過快［5］，為提高探測深度，井間電磁發(fā)射應以發(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測井。地層電導率σ取0.1～0.01S／m，介電常數(shù)ε?。?～11）×10－9，即σ／（ωε）遠大于1，測量時可忽略介電常數(shù)的影響，只考慮地層電導率，從而得到

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

1.3 井間電磁測量的電導率反演

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率，這就是井間電磁測井的反演。

由式（3）可得到電導率迭代公式。

（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，采用模塊化設計，能夠實現(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，是一種針對較大井間距而設計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個部分組成，其中地面控制系統(tǒng)負責發(fā)射、接收之間的同步控制與數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，采用非調制的串行脈沖信號進行同步控制；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個頻率。接收天線采用三分量測量線圈，即x、y、z3個正交方向的線圈，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］逼近迭代法進行非線性電阻率成像反演。

2.2 XBH－2000的缺點

通過分析已有文獻及實際測量結果發(fā)現(xiàn)，XBH－2000系統(tǒng)基本可以完成井間電磁測井任務，但存在許多問題與不足，距實際應用還有相當一段距離，包括5個方面。

（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，實際應用中經常出現(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。同步信號到達井下干擾大，失真嚴重，造成相位測量誤差大、電阻率計算失真。

（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XBH－2000系統(tǒng)進行了改造升級，推出了Deeplook－EM井間電磁成像測井系統(tǒng)。通過搜集現(xiàn)有的一些文獻發(fā)現(xiàn)，Deeplook－EM系統(tǒng)的改進主要有7個方面。

（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，由三分量接收升級為陣列接收，靈敏度提升了2個數(shù)量級，達到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，傳輸速度與傳輸質量大大提高。

（4）在電阻率反演算法上采用最小二乘法［8］進行逐次逼近。

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

（6）增加了詳細的施工設計與預演軟件。

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

缺點概括為4點。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施工前要進行復雜的施工設計和地質預演，在使用上對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，非全天候同步機制；④使用中仍然以5～1 000Hz為主要測量頻率，高頻信號在地層中衰減過快，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

井間電磁成像測井系統(tǒng)研制中存在3個方面的矛盾，這也正是需要解決的技術難點。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)射功率可達幾百千瓦，發(fā)射電流可達上百安培，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電磁感應信號嚴重的屏蔽、衰減［10］與高質量電磁感應信號接收之間的矛盾。電磁感應信號經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，信號經過鋼套管衰減越大。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)化與改進解決，對于該內容本文不作研究，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 鋼套管對電磁信號的衰減系數(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鍵是研制高性能、高品質發(fā)射天線。發(fā)射磁場強度由磁偶極矩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)射天線設計時要考慮以下因素。

（1）滿足θ＝π／2，以使M達到最大值INtSt。

（2）天線設計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］，繞于高導電芯棒上增強芯棒外磁場強度，減少芯棒內磁場強度以降低功耗。

（3）為提高發(fā)射效能，使用多匝數(shù)、粗導線進行大尺寸（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能發(fā)射技術提高發(fā)射效能（見圖2）。與XBH－2000系統(tǒng)相比通過該技術可以把發(fā)射功率提高2倍以上。

圖2 高壓供電低壓儲能發(fā)射原理

（4）發(fā)射時針對不同的發(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［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纜芯，提升纜芯的電流強度，其中AC用于電子線路工作，DC用于天線發(fā)射。這項技術將明顯改善發(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 微弱信號采集與處理

解決低電阻率地層和鋼套管對電磁感應信號嚴重的屏蔽、衰減與高質量電磁感應信號接收之間矛盾的關鍵是進行接收天線的微弱信號的采集與處理。

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

圖3 微弱信號處理流程

（2）在信號采集方面針對來自接收天線的微弱信號，采用鎖相放大、濾波、陷波、取樣積分等技術，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；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。

圖4 共模抑制與帶通濾波

由圖4可見經高共模抑制后，有效信號得到明顯增強，噪聲得到明顯壓制；經過程控帶通濾波后無用信號得到有效濾除，有用信號沒有發(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、品質因素高的優(yōu)點［20］。鎖相放大根據(jù)互相關檢測原理使輸入待測的發(fā)射信號與參考同步信號進行互相關噪聲抑制，檢測微弱單周期信號，對信號有極高的靈敏度，可達pV級。

在實際測量中電源噪聲對有用信號也有干擾，設計上加入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。

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

圖5 取樣積分濾波前后波形

由圖5可見經取樣積分濾波后，干擾得到較大消除，取樣積分濾波對隨機干擾、周期性干擾和熱噪聲干擾信號有較好的抑制作用。

（3）可利用以下方法減少外部信號對處理線路的干擾。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接收線圈的干擾；③測量中移動高靈敏度的接收天線不可避免產生新的干擾源，采用固定接收天線、移動發(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)于定點發(fā)射測量與同步掃描測量。

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

圖6 同步產生電路

（5）采用高精度天線刻度技術去除環(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］機制平衡發(fā)射、接收和金屬套管、地層之間的關系確定最佳發(fā)射頻率和發(fā)射方式，減少人工干預。

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

（8）采用陣列接收天線，以反饋補償增強方式接收電磁感應信號。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，測井時效越高。

4 結 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，對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信號處理展開研究。

（2）在發(fā)射上采用低壓儲能、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提高發(fā)射效率，平衡電纜負載。

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

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