新型動(dòng)電測(cè)井儀復(fù)合式電極系分析和測(cè)試

李豐波,鞠曉東,喬文孝,盧俊強(qiáng),門(mén)百永

(1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

新型動(dòng)電測(cè)井儀復(fù)合式電極系分析和測(cè)試

李豐波1,2,鞠曉東1,2,喬文孝1,2,盧俊強(qiáng)1,2,門(mén)百永1,2

(1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

對(duì)實(shí)際探測(cè)器復(fù)合式電極系進(jìn)行研究,重點(diǎn)研究動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器復(fù)合式電極系結(jié)構(gòu)、工作原理及電子系統(tǒng)原理及測(cè)試等。使用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬,分析電場(chǎng)響應(yīng)結(jié)果并求解出電極系系數(shù)數(shù)值解。其次,分析復(fù)合電極系電路系統(tǒng)原理并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)射和采集系統(tǒng)電路進(jìn)行上電測(cè)試和高溫實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:這種探測(cè)器成功地將不同結(jié)構(gòu)和材料要求的聲、電探測(cè)器融合在一起,且能實(shí)現(xiàn)聲、電信號(hào)記錄點(diǎn)深度對(duì)齊;電路系統(tǒng)在高溫下工作正常,可以進(jìn)行下井實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果為動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器的研究、實(shí)現(xiàn)以及井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供理論支持。

動(dòng)電測(cè)井;震電效應(yīng);動(dòng)電效應(yīng);電極系

彈性波在含流體多孔介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)激發(fā)產(chǎn)生電磁波信號(hào),稱(chēng)為震電效應(yīng)或者聲電效應(yīng)。其主要機(jī)制是固體與液體交界面上的雙電層動(dòng)電現(xiàn)象[1-2],也稱(chēng)為動(dòng)電效應(yīng)(electrokinetic effect)。聲信號(hào)和電信號(hào)在孔隙地層中相互耦合相互轉(zhuǎn)換的特性與地層孔隙流體的性質(zhì)緊密相關(guān)。因此,基于動(dòng)電效應(yīng)可以發(fā)展一種新的動(dòng)電測(cè)井方法,也稱(chēng)為震電測(cè)井或聲電效應(yīng)測(cè)井等,以期能獲得反映地層滲流特性等地質(zhì)參數(shù)的測(cè)井信號(hào),為復(fù)雜油氣勘探和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)服務(wù)。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明,動(dòng)電測(cè)井可以應(yīng)用于探測(cè)與孔隙流體有關(guān)的地層性質(zhì),如滲透率、電導(dǎo)率、孔隙度、黏度、離子濃度等,尤其是對(duì)滲透率的測(cè)量成為可能[3-4]。同時(shí),在油水界面和裂縫中更容易產(chǎn)生動(dòng)電效應(yīng),利用動(dòng)電測(cè)井可以識(shí)別裂縫儲(chǔ)層,還可以有效區(qū)分油水界面,這對(duì)尋找剩余油分布區(qū)具有重要實(shí)用價(jià)值[5]。但是,國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)電測(cè)井的研究目前多集中于理論數(shù)值模擬研究和巖石物理實(shí)驗(yàn)研究[6-15],尚未見(jiàn)到能進(jìn)行井下測(cè)量的動(dòng)電測(cè)井儀器,從而也就無(wú)法獲得井下地層真實(shí)的動(dòng)電測(cè)井信號(hào),極大地阻礙了動(dòng)電測(cè)井技術(shù)的發(fā)展。由此可見(jiàn),致力于研發(fā)一種能進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器[16],獲得井下地層真實(shí)的動(dòng)電效應(yīng)信號(hào),具有很大的科研價(jià)值和創(chuàng)新意義。在實(shí)驗(yàn)室研究探測(cè)器樣機(jī)的過(guò)程中,鑒于實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件的限制,無(wú)法制備適合的含流體多孔介質(zhì)模型井,暫時(shí)不具備進(jìn)行動(dòng)電效應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)的條件,故分別對(duì)聲探測(cè)器部分及電探測(cè)器部分進(jìn)行了測(cè)試,其中對(duì)實(shí)際探測(cè)器的電極系及其電路系統(tǒng)進(jìn)行分析和測(cè)試是一項(xiàng)重要工作。筆者主要針對(duì)實(shí)際探測(cè)器復(fù)合式電極系進(jìn)行研究,重點(diǎn)研究動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器復(fù)合式電極系結(jié)構(gòu)、工作原理及電子系統(tǒng)原理及測(cè)試等,通過(guò)電發(fā)射(A、B電極發(fā)射電流)——電接收(測(cè)量電極接收)模式對(duì)探測(cè)器進(jìn)行分析和測(cè)試,并基于ANSYS分析其電場(chǎng)響應(yīng)。

1 電極系結(jié)構(gòu)及工作原理

動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器電極系是一種特殊設(shè)計(jì)的能進(jìn)行陣列式測(cè)量的復(fù)合式電極系,是動(dòng)電測(cè)井儀重要組成部分,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)電測(cè)井儀電極系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of electrokinetic logging tool electrode array

在圖1中,A、B為供電電極,E1、E2、E3、E4均為測(cè)量電極,組合成電信號(hào)測(cè)量電極陣列。3個(gè)聲波接收器陣列R1、R2、R3布置于測(cè)量電極中間,并與相鄰的兩個(gè)測(cè)量電極等間距。電極系分布于儀器外殼表面,聲波換能器位于儀器內(nèi)部并在外殼表面開(kāi)有透聲窗。電極系短節(jié)的設(shè)計(jì)首先要考慮電極的絕緣問(wèn)題,因此傳統(tǒng)的聲波測(cè)井儀器的鋼制外殼不再適用。所選材料必須具有良好的電絕緣性,其次還要具有較高機(jī)械強(qiáng)度和易加工性,同時(shí)還要適應(yīng)井下惡劣的高溫、高壓、腐蝕性的工作環(huán)境。玻璃鋼是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料,一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂基體,機(jī)械強(qiáng)度高,質(zhì)輕而硬,且不導(dǎo)電,非常符合動(dòng)電復(fù)合電極系的技術(shù)要求,故電極系分布在一個(gè)玻璃鋼材質(zhì)的儀器外殼上,儀器其他部分如電子倉(cāng)短節(jié)、聲波發(fā)射短節(jié)仍采用通常的鈦鋼合金。根據(jù)聲波探測(cè)器接收陣列的間距要求,動(dòng)電探測(cè)器電極系尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:供電電極A、B的長(zhǎng)度為0.1 m,測(cè)量電極的長(zhǎng)度均為0.02 m,各電極的中心間距均為0.3 m,半徑r0為0.052 m。

在含流體多孔介質(zhì)地層中,孔隙中的流體通常含有帶電離子,在固體與液體交界面上容易形成雙電層。當(dāng)在井下進(jìn)行動(dòng)電測(cè)井時(shí),通過(guò)動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器的聲波發(fā)射換能器在井中發(fā)射聲波信號(hào)的方式產(chǎn)生彈性波震源,彈性波在傳播過(guò)程中造成的局部擾動(dòng)會(huì)引起固相波動(dòng)(包括固體骨架的運(yùn)動(dòng)和變形),從而引起滲流現(xiàn)象,激發(fā)產(chǎn)生動(dòng)電效應(yīng)。伴隨著流體的運(yùn)移,孔隙流體中的凈剩電荷也會(huì)隨之運(yùn)移,凈剩電荷的積聚和運(yùn)移就會(huì)形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)。聲電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生誘導(dǎo)電磁波場(chǎng),從而獲得井旁多孔介質(zhì)地層中的動(dòng)電測(cè)井信號(hào)。測(cè)量電極陣列E1、E2、E3、E4的首要功能是測(cè)量傳播到井筒內(nèi)極微弱的動(dòng)電信號(hào),同時(shí)將E1、E2、E3、E44個(gè)電極間的相鄰兩路信號(hào)通過(guò)差分放大器接收,采集3道電差分信號(hào),即E1E2、E2E3、E3E43對(duì)測(cè)量電極的差分信號(hào),可以消除共模信號(hào)的干擾,提高信噪比。

同時(shí),也可以進(jìn)行基于動(dòng)電效應(yīng)(震電效應(yīng))的逆效應(yīng)——電震效應(yīng)的測(cè)量。在井中通過(guò)主供電電極A向地層發(fā)射一定頻率的電流形成人工電(磁)場(chǎng)。在含流體多孔介質(zhì)地層中,由于人工施加電場(chǎng)的干預(yù),會(huì)影響孔隙中帶電離子的運(yùn)動(dòng),可引起電滲(electric osmosis)現(xiàn)象和固相骨架運(yùn)動(dòng),從而誘導(dǎo)產(chǎn)生彈性波,激發(fā)電震效應(yīng)。當(dāng)電聲轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的彈性波傳播到充液井筒中時(shí),可以通過(guò)布置在測(cè)量電極中間位置的聲波接收器陣列R1、R2、R3來(lái)測(cè)量電震效應(yīng)產(chǎn)生的聲波信號(hào)。當(dāng)供電電極向地層發(fā)射電激勵(lì)信號(hào)時(shí),還可以通過(guò)測(cè)量電極測(cè)量此時(shí)井中的電位實(shí)現(xiàn)類(lèi)似普通電阻率測(cè)井的功能。

由于無(wú)法使聲、電信號(hào)的接收器布置在探測(cè)器的同一位置,聲電信號(hào)記錄點(diǎn)必然存在一個(gè)深度差。將聲波接收換能器布置于電極中間,一個(gè)重要目的是使E1E2、E2E3、E3E43對(duì)相鄰測(cè)量電極的差分信號(hào)深度記錄點(diǎn)與聲波接收器陣列R1、R2、R3的記錄點(diǎn)在深度上對(duì)齊,獲得相同深度記錄點(diǎn)的聲信號(hào)和電信號(hào),為動(dòng)電效應(yīng)(震電效應(yīng))與電震效應(yīng)理論的進(jìn)一步研究以及數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)。

2 電極系電場(chǎng)分布函數(shù)

測(cè)量電極陣列可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量,E1、E2、E3、E4電極測(cè)量時(shí)除了記錄各自單端信號(hào),更重要的是通過(guò)相鄰電極差分方式(E1E2、E2E3及E3E4)接收動(dòng)電信號(hào),可實(shí)現(xiàn)不同電極距的連續(xù)差分式電位梯度的測(cè)量。儀器需要記錄的信號(hào)有E1、E2、E3、E4電極的電位值,以及E1E2、E2E3、E3E4電極間的電位差值。各電極測(cè)量原理類(lèi)似,本文中以靠近記錄點(diǎn)O的一對(duì)測(cè)量電極E2、E3為例來(lái)推導(dǎo)電極系電場(chǎng)分布函數(shù)的表達(dá)式。為不失一般性,將其重命名為AMNB電極系,如圖2所示,供電電極A、B的長(zhǎng)度為0.1 m,測(cè)量電極M、N的長(zhǎng)度為0.02 m,它們之間的間距分別為0.6、0.3、0.6 m,點(diǎn)O為電極系的深度記錄點(diǎn)。

圖2 AMNB電極系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of AMNB electrode array

測(cè)量時(shí)通過(guò)供電電極A(正極)、B(負(fù)極)向地層施加一定大小的電流,形成電流回路,在井旁地層中形成人工電場(chǎng)。若電極A的電流為+I,則電極B的電流為-I。然后通過(guò)測(cè)量電極測(cè)量M、N之間電位差ΔUMN。ΔUMN反映了電極系電場(chǎng)分布的特點(diǎn),跟井旁地層性質(zhì)有關(guān)。因電極的尺寸比電極間的間距要小得多,故可將A、M、N、B電極視為點(diǎn)電極。由點(diǎn)電極電場(chǎng)分布理論可知,在均勻各向同性介質(zhì)中點(diǎn)電極所形成的電場(chǎng)的電位U=RI/4πr。設(shè)參考電極在無(wú)窮遠(yuǎn)處,電位為零,測(cè)量電極M、N表面的電位分別為UM、UN,電極M、N之間電位差為ΔUMN。由電位疊加原理可知,UM、UN應(yīng)該分別等于點(diǎn)電極A、B在M、N處電位之和,即

其中K為儀器刻度系數(shù),m。它只與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān),通常也稱(chēng)之為電極系系數(shù)。在均勻各向同性介質(zhì)中,可依據(jù)K=RI/ΔUMN通過(guò)數(shù)值模擬方法求出電極系系數(shù)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)學(xué)模型分析

井下地層介質(zhì)大都具有對(duì)稱(chēng)性,當(dāng)井眼垂直穿過(guò)水平地層時(shí),井旁介質(zhì)以井軸為對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。如采用柱坐標(biāo)系(r,φ,z),則3維電場(chǎng)分布問(wèn)題可簡(jiǎn)化為2維子午面(r,z)上的電場(chǎng)分布問(wèn)題進(jìn)行處理。動(dòng)電探測(cè)器電極系也具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性,故3維電場(chǎng)問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為2維問(wèn)題進(jìn)行求解。本文中以AMNB電極系中點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),在徑向上考慮井眼的影響,在軸向考慮上、下圍巖的影響,建立包含動(dòng)電探測(cè)器電極系的非均質(zhì)地層電場(chǎng)響應(yīng)模型,如圖3所示。其中,井眼半徑為dh/2,電極系半徑為r0,目的地層的層厚為h,井眼中鉆井液的電阻率為Rm,目的地層電阻率為Rt,上下圍巖的電阻率為Rs。

在圖3所示的地層模型示意圖中,將井眼中的電極系去除后的整個(gè)區(qū)域便是動(dòng)電探測(cè)器電極系電場(chǎng)響應(yīng)的求解域Ω,設(shè)其邊界為Γ。由于恒定電(流)場(chǎng)的電流密度矢量的散度為零,即▽·0,故在電阻率R為常數(shù)的每個(gè)區(qū)域內(nèi),電位函數(shù)U滿(mǎn)足拉普拉斯方程

在柱坐標(biāo)系中,其表達(dá)式為在2維子午面(r,z)內(nèi)退化為

在2維電(流)場(chǎng)問(wèn)題中,動(dòng)電探測(cè)器電極系測(cè)井響應(yīng)的定解問(wèn)題是求出一個(gè)連續(xù)且適當(dāng)光滑的電位函數(shù)U,使其滿(mǎn)足相應(yīng)的邊界條件。

圖3 電場(chǎng)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型示意圖Fig.3 Mathematical model of electric field response

3.2 有限元法求解及分析

采用ANSYS大型有限元分析平臺(tái)輔助完成數(shù)值模擬部分的計(jì)算求解工作。ANSYS具有很好的二次開(kāi)發(fā)功能,為了滿(mǎn)足不同層次的應(yīng)用需求, ANSYS提供了4種二次開(kāi)發(fā)工具,即參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言(UIDL)、用戶(hù)程序特性(UPFs)、ANSYS數(shù)據(jù)接口。用戶(hù)可以根據(jù)自身需要基于標(biāo)準(zhǔn)ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),生成具有行業(yè)分析特點(diǎn)的ANSYS程序。選擇ANSYS Multiphysics模塊進(jìn)行電極系電場(chǎng)問(wèn)題分析,通過(guò)模擬分析可以評(píng)估本文的設(shè)計(jì)在真實(shí)的物理場(chǎng)作用下的工作狀況。基于APDL語(yǔ)言,編寫(xiě)了整個(gè)算例的代碼,實(shí)現(xiàn)了從有限元模型的建立、網(wǎng)格剖分以及求解的整個(gè)功能。

依據(jù)圖3所示的模型示意圖,并以此建立電場(chǎng)響應(yīng)問(wèn)題的有限元分析模型。以寬35 m、高70 m的模型模擬徑向無(wú)限遠(yuǎn)和軸向無(wú)限厚的無(wú)限大介質(zhì)地層。選擇2維實(shí)體單元PLANE67作為仿真計(jì)算單元,然后定義材料屬性。有限元單元網(wǎng)格剖分采用三角形單元,并根據(jù)電場(chǎng)分布的特點(diǎn),將電極系周?chē)挠邢拊獑卧史值妹芤恍17],遠(yuǎn)離點(diǎn)電極的單元相對(duì)稀疏一些,建立有限元模型(圖4)。

耦合各個(gè)電極表面的節(jié)點(diǎn)電壓自由度,對(duì)供電電極A、B施加電流載荷,分別為+I、-I。然后添加邊界約束條件(電壓自由度約束),使其滿(mǎn)足動(dòng)電電極系求解域Ω及其邊界條件Γ,然后計(jì)算求解。

設(shè)I=1 A,在地層電阻率R=1 Ω·m的均質(zhì)地層條件下,計(jì)算了動(dòng)電探測(cè)器電極系的電場(chǎng)響應(yīng)。其電場(chǎng)電位云圖和電流密度矢量圖見(jiàn)圖5。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite element analytical model

圖5 動(dòng)電探測(cè)器電極系電場(chǎng)響應(yīng)圖Fig.5 Electric field response diagram of electrokinetic logging tool electrode array

由圖5(a)可見(jiàn),在電極A表面電位取極大值,在電極B表面電位取極小值。在圖5(b)中,電流從供電電極A出發(fā),經(jīng)過(guò)井旁附近地層介質(zhì)傳導(dǎo),然后回到B電極,形成電流回路。在A、B電極周?chē)?電流密度取極大值。在整個(gè)井下地層空間內(nèi),形成了一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)電流的電場(chǎng)分布。根據(jù)均勻各向同性介質(zhì)中電極系系數(shù)表達(dá)式K=RI/ΔUMN,可求解出坐標(biāo)原點(diǎn)處動(dòng)電探測(cè)器AMNB電極系的電極系系數(shù)KAMNB為12.0181(小數(shù)點(diǎn)后保留4位有效數(shù)字)。根據(jù)均勻各向同性介質(zhì)條件下,把A、M、N、B電極看成是點(diǎn)電極時(shí)推導(dǎo)出的動(dòng)電探測(cè)器AMNB電極系系數(shù)K的解析表達(dá)式,可求出其近視解析解為11.3097。

可知電極系系數(shù)K數(shù)值解與近視解析解的絕對(duì)誤差ΔK為

則相對(duì)誤差δK為

為了減小由于有限元模型網(wǎng)格剖分產(chǎn)生的計(jì)算誤差,模擬儀器在井中的上提測(cè)井操作,步長(zhǎng)為0.1 m,重新編寫(xiě)APDL程序,并通過(guò)其二次開(kāi)發(fā)工具UIDL編寫(xiě)了模擬測(cè)井時(shí)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的人機(jī)交互界面,如圖6所示。它可以設(shè)置開(kāi)始和結(jié)束測(cè)井的深度位置,還有深度記錄點(diǎn)的步長(zhǎng)、目的層層厚等工作參數(shù)。

圖6 模擬測(cè)井參數(shù)設(shè)置人機(jī)交互界面Fig.6 Man-machine interface of simulated logging parameter setting

計(jì)算-2～2 m深度范圍內(nèi)不同深度位置的電極系系數(shù)K,其結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知,在坐標(biāo)原點(diǎn)處計(jì)算的AMNB電極系系數(shù)即為12.018 1。采取統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法,對(duì)電極系系數(shù)K做算術(shù)平均運(yùn)算,即

式中,depth表示深度值,取-2,-1.9,…,1.9,2;n為樣本容量,取41。由式(8)可計(jì)算出電極系系數(shù)K的算術(shù)平均值≈11.859 6。則此時(shí)ΔK′≈0.5499,δ′K≈4.862%。相對(duì)誤差提高了1.403%,一定程度上減少了有限元計(jì)算誤差。

在建立數(shù)學(xué)模型過(guò)程中由于要將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題通過(guò)數(shù)學(xué)方法抽象、歸結(jié)為數(shù)學(xué)問(wèn)題,通常對(duì)問(wèn)題做了一些理想化的簡(jiǎn)化假設(shè),所以數(shù)學(xué)模型和實(shí)際問(wèn)題往往存在著一定的誤差。同時(shí)在建立有限元單元模型時(shí),由于單元網(wǎng)格剖分問(wèn)題,還有算法的選擇等,也會(huì)引入計(jì)算誤差。而且,有限元法的思想就是不斷逼近真實(shí)解的一種數(shù)值解法[18],理論上也必然存在著一定的誤差。在推導(dǎo)電極系系數(shù)K的解析表達(dá)式時(shí),將實(shí)際電極系近視為點(diǎn)電極,那么推導(dǎo)求出的解析解也只是反應(yīng)電極為點(diǎn)電極下的特例,這些因素相對(duì)于真實(shí)值都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

表1 不同深度處計(jì)算的K值Table 1 CalculatedKvalue for different depth

4 電路系統(tǒng)原理分析及測(cè)試

4.1 激勵(lì)系統(tǒng)分析

電發(fā)射激勵(lì)源為突發(fā)式信號(hào)源,脈沖持續(xù)時(shí)間決定了電發(fā)射激勵(lì)源的工作重復(fù)頻率,并且要求頻率、幅度、脈沖個(gè)數(shù)等參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案可調(diào),且根據(jù)采集到的信號(hào)的強(qiáng)弱還可自動(dòng)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的幅度以獲得最佳采集信號(hào)。A、B電極發(fā)射激勵(lì)電路原理如圖7所示。

在圖7中,FPGA為A、B電極激勵(lì)電路的邏輯控制器,接收儀器內(nèi)部總線下發(fā)的工作命令及激勵(lì)脈沖的頻率、幅度、脈沖個(gè)數(shù)等工作參數(shù),譯碼后產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)。同時(shí)作為電極激勵(lì)脈沖的波形發(fā)生器,經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、功率放大后,可供給A、B電極相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)。B電極的激勵(lì)脈沖與A電極反相,作為負(fù)供電電極,也可以將B電極接地,直接作為回流電極。通過(guò)電流檢測(cè)電路和放大采集電路,可以實(shí)時(shí)采集A、B當(dāng)前的工作電流,從而監(jiān)控A、B電極的實(shí)時(shí)功率。

圖7 電極激勵(lì)電路原理框圖Fig.7 Electrode exciting circuit block diagram

4.2 采集系統(tǒng)分析

測(cè)量電極陣列的電信號(hào)采集電路原理圖如圖8所示。

圖8 電信號(hào)采集電路原理框圖Fig.8 Electric signal acquisition circuit block diagram

在圖8中,電信號(hào)采集電路不僅采集測(cè)量電極陣列E1、E2、E3、E4的4路單端信號(hào),還采集相鄰電極的3路差分信號(hào),可以設(shè)計(jì)至少3通道數(shù)據(jù)采集電路,然后通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)分時(shí)采集。采集通道的增益動(dòng)態(tài)范圍為90 dB,步進(jìn)為6 dB,模數(shù)轉(zhuǎn)換器每秒采樣5×105次。在微弱電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)噪聲的抑制和屏蔽須優(yōu)先考慮。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)的有效檢測(cè),將采集電路模塊放置于探測(cè)器內(nèi)部經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的承壓密封采集電子倉(cāng)內(nèi),然后通過(guò)分布在兩端的承壓盤(pán)上的引線實(shí)現(xiàn)電氣連接,承壓盤(pán)內(nèi)側(cè)設(shè)有密封橡膠O型圈。從測(cè)量電極到密封采集電子倉(cāng)一端的輸入插頭部分,采用單芯屏蔽線來(lái)傳輸待測(cè)信號(hào)。FPGA主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制器、儀器通訊控制器、FIFO數(shù)據(jù)采集接口等功能。采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多通道高速高精度同步微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集功能。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí),探測(cè)器是處于空氣中的,在E1、E2、E3、E4以及A、B電極間根據(jù)供電實(shí)際測(cè)試情況,連接合適的電阻以模擬電極間的地層介質(zhì)的電阻值,其測(cè)試示意圖如圖9所示,測(cè)試時(shí)A電極供正電,B電極接地作為回流電極。

經(jīng)過(guò)調(diào)試,電極系激勵(lì)及采集系統(tǒng)電路工作正常,較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)計(jì)的功能。電路元器件均采用工業(yè)級(jí)耐高溫器件,并在測(cè)井儀器專(zhuān)業(yè)烘箱中對(duì)電子系統(tǒng)短節(jié)進(jìn)行過(guò)155℃下2 h高溫性能測(cè)試,能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)井下高溫環(huán)境測(cè)試的要求。

圖9 電極系實(shí)驗(yàn)室測(cè)試示意圖Fig.9 Schematic diagram of electrode array laboratory test

5 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)外尚未研發(fā)出成熟的動(dòng)電測(cè)井儀的背景下,針對(duì)一種實(shí)際動(dòng)電測(cè)井儀的設(shè)計(jì)開(kāi)展研究,闡述了這種新型動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器的原理并著重分析了可實(shí)現(xiàn)連續(xù)差分式電位梯度測(cè)量的陣列式電極系結(jié)構(gòu)及性能。動(dòng)電測(cè)井涉及到聲信號(hào)探測(cè)和電信號(hào)探測(cè),所討論的動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器將不同結(jié)構(gòu)和材料要求的聲波探測(cè)器和電法探測(cè)器相結(jié)合。相鄰電極通過(guò)差分方式接收電信號(hào),不僅可消除共模信號(hào)的干擾提高信噪比,還可以實(shí)現(xiàn)與聲波接收換能器陣列深度對(duì)齊,獲得相同深度記錄點(diǎn)的聲、電信號(hào)。

采用有限元法對(duì)動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器電極系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了電極系的電場(chǎng)響應(yīng)并求解出了電極系系數(shù)K的數(shù)值解為11.8596,在累積誤差允許的范圍內(nèi),計(jì)算結(jié)果較為可靠并具有一定的參考意義。對(duì)實(shí)際電極系電路系統(tǒng)的分析及在實(shí)驗(yàn)室的上電測(cè)試和高溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電極系的電路系統(tǒng)部分完全可以下井工作。下一步將結(jié)合聲波探測(cè)器性能開(kāi)展聲電轉(zhuǎn)換綜合研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。動(dòng)電測(cè)井探測(cè)器的研究設(shè)計(jì)對(duì)探測(cè)器的進(jìn)一步研發(fā)及動(dòng)電測(cè)井技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用都具有參考價(jià)值。

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(編輯 修榮榮)

Analysis and testing of a new electrokinetic logging tool composite electrode array

LI Fengbo1,2,JU Xiaodong1,2,QIAO Wenxiao1,2,LU Junqiang1,2,MEN Baiyong1,2
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Key Laboratory of Earth Prospecting and Information Technology in China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The composite electrode array in electrokinetic logging detectors was studied,with focuses on its structure,working principle,electronic system principle and testing.A numerical modelling study with the electrode array was carried out using finite element method,then the results in the electric field response were analyzed to solve for the numerical solution of the electrode array coefficient.Next,the electronic circuit principle of the composite electrode array was also analyzed,and power-on test and high temperature experiment with the exciting circuit and data acquisition circuit system were also conducted.The results show that this detector successfully merges acoustic logging and electric logging detectors with different structure and material together,and can align the acoustic and electrical signals in the depth of the record point;the electronic circuit system functions well in high temperature and then can be experiment in downhole.The results also suggest the technique has great feasibility for downwhole field tests and analyzing electrokinetic logging tool.

electrokinetic logging;seismoelectric effect;electrokinetic effect;electrode array

P 631

A

1673-5005(2014)04-0074-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.010

2014-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61102102,11134011,11204380,11374371);國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05020-009);中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司項(xiàng)目(2011A-3903,2011B-4001);中國(guó)石油大學(xué)(北京)基本科研基金(KYJJ2012-05-07);中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金(2013D-5006-0304)

李豐波(1985-),男,博士研究生,主要從事地球物理測(cè)井及儀器裝備研究。E-mail:lfbphd@163.com。

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LI Fengbo,JU Xiaodong,QIAO Wenxiao,et al.Analysis and testing of a new electrokinetic logging tool composite electrode array[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):74-80.