聲電轉換信號的井下觀測與初步分析

段文星，鞠曉東，盧俊強，門百永，車小花，喬文孝

中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249

聲電轉換信號的井下觀測與初步分析

段文星，鞠曉東，盧俊強，門百永，車小花，喬文孝*

中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249

聲電測井是一種基于地層巖石的聲電耦合效應探測的、特殊的井孔地球物理測井方法。自行研發的聲電效應測井儀(AELT)在中國北部某油井進行了實際下井測試，通過使用聲波信號和電信號同步采集的方式得到了該井聲波發射時的聲電同步接收信號，在井下觀測到了聲電效應測井理論所預期的伴隨模式聲電轉換電信號和界面模式聲電轉換電信號。初步對比結果表明，伴隨模式聲電轉換信號的波形組成成分以及頻率特征與聲波發射—聲波接收信號的特征相似；在整個測量井段，縱橫波信號能量與由此產生的聲電信號能量相對較弱；而斯通利波信號能量與由此產生的聲電信號能量相對較強，且二者隨深度的變化趨勢具有很高的相關性。界面模式聲電轉換信號到時幾乎不會隨源距和地層深度的變化而改變，其能量與常規測井數據之間具有很高的相關性。結合由聲波信號轉換出的電信號的相關特征，有可能為裸眼井地層參數評價提供新的參考依據。

聲電效應；井下實測；測井；滲透率

0 引言

1939年，前蘇聯科學家Ivanov發現了巖石的震電效應，Ivanov在不加電的情況下測量到了由地震波產生的電場，指出這可能與雙電層聲電效應有關[1]。Frenkel建立了固相運動與孔隙流體運動相耦合的孔隙介質波動理論以解釋此現象[2]。之后的50年由于震電效應理論研究缺乏，電子技術的限制，相關報道很少[3-7]。隨著電子技術的發展，1993年，Exxon Mobil公司進行了野外震電實驗[8]，測得了流體飽和沉積巖中的電磁場。隨后，多位地球物理學家針對不同的地質環境進行了現場震電效應實驗，一定程度上證明了震電效應的真實性和震電轉換信號的可檢測性[9-13]。同時，震電效應相關理論也有了一定的發展：在Frenkel和Biot的基礎上，推導了宏觀聲電耦合的控制方程組，表明孔隙介質中存在兩種類型的電磁場擾動[14]。但是在現場試驗中，只能觀測到來自地下300 m以上地層分界面的震電轉換信號[15-17]。鑒于此，提出利用井中垂直震電剖面(VESP)來觀測震電轉換信號的設想[18]，但是VESP震源距離勘探目的層位依然很遠，地震波在遇到多個分界面時會發生多次反射和折射，使得接收到的波形較為復雜，不易辨別。

聲電效應測井是一種井下聲電探測技術，其優點在于輻射源和接收器都在井內，可以使下井儀距離勘探目的層位很近，能同時獲得地層的聲學參數和電學參數，有可能提高對不同性質地層的探測分辨率。前人已經在聲電效應測井的實驗模擬方面進行了大量工作：Zhu在小型模型井的實驗中觀測到了聲電測井信號、電聲測井信號，考察了不同類型地層中波的特征以及地層裂縫對波場的影響[19]；Mikhailov通過在低頻情況下測量井中伴隨斯通利波的電場，指出了伴隨電場與孔隙度和滲透率都有關[20]；Zhu和Toks?z通過考察井外存在水平和豎直裂隙情況下井內單極聲源和偶極聲源激發的震電、震磁轉換信號，檢測到了伴隨井孔模式波的磁場[21]。Wang通過建立縮尺模型井，進行了聲電效應測井的物理模擬實驗[22-23]。前人也進行了大量的理論推導及數值模擬工作，Hu分析了震電全波與孔隙介質的孔隙度、滲透率等參數的關系[24]；Mikhailov通過采用簡化算法，在準靜態電磁場條件下，采用低頻井孔斯通利波近似公式[25]，模擬計算了低頻斯通利波的伴隨電磁場[20]。Guan通過數值模擬方法，研究了充液井孔中的聲電轉換場[26]、隨鉆條件下的聲電轉換場[27]，同時還分析了聲電轉換場中斯通利波信號特征與地層參數之間的關系[28]。這些數值模擬結果有利于建立聲電效應相關特征與巖石力學電學等參數的關系。但目前的數值模擬尚停留在簡單介質的模擬層面，實驗研究仍停留在縮尺模擬階段，難以模擬不同孔滲特性的巖石，特別是不同性質巖石之間的聲學電學耦合情況。已有的實驗結果雖然對實際聲電效應的解釋及研究具有指導意義，但是對于井下復雜地質情況下的聲電效應實驗模擬和實際測井解釋的指導作用仍有局限。

1 聲電效應測井儀測井實例分析

1.1 AELT儀器的測量方式

筆者所在的團隊研發了聲電效應測井儀(Acoustoelectric Well Logging Tool, AELT)原型機。圖1為AELT結構示意圖，其中A、B為供電電極；Vn(n=1,2,3,4)為測量電極，用以測量不同位置處的電位值；Rn(n=1,2,3)為聲接收換能器；T為由多個單極子發射換能器組成的相控線陣聲波輻射器。當AELT工作時，由聲波輻射器T向地層發出脈沖聲波信號，聲接收換能器Rn和測量電極Vn同時開始采集信號，同時儀器內部的差分電路將Vn中每相鄰的兩個測量電極所測量得到的電位數值相減，得到3組差分電位信號Dn(n=1,2,3)，Dn=Vn-Vn+1；這樣就得到了3種源距下的三組聲波發射—聲電同步接收信號(聲波信號Wn和電位差分信號Dn，n=1,2,3)。該儀器使用聲波發射換能器在井孔中激發聲波信號，并用不同源距的3個聲波接收器接收聲波信號、同時用4個電極接收電位信號，實現同一地層深度下的聲發射—聲接收信號和聲發射—電接收信號同步采集，這樣設計可以保證在相同的深度點同步記錄聲波信號以及由聲電效應產生的電信號，有利于分析聲波信號和聲電轉換信號之間的關系以及與地層聲學電學參數之間的關系[29-30]。

圖1 AELT結構示意圖Fig. 1 The construction of AELT

1.2 AELT實測信號展示

近期，我們在中國北部勝利油田某砂泥巖油井進行了AELT下井測試，獲得了實際地質條件下的聲電測井信號。圖2表示了在深度x750～x880 m井段聲波接收器R1接收到的聲波波形信號W1和由電極V1和V2接收到的電位差分信號D1，激勵信號的主頻16 kHz。從圖2中可以看出，聲波波形W1中模式波信號的到時隨著地層深度的變化而變化，波形特征與常規聲波測井信號相似，信噪比較高。電位差分接收信號D1在整個測量井段中均有信號響應，信噪比良好。根據波形的整體特征可以將接收信號D1中的信號分為兩類，第一類模式的到時很早(約10μs)，其到時基本不隨地層深度而改變，可以視為電磁波速度傳播的“界面模式”聲電轉換信號，以下簡稱為界面模式；第二類模式的波形形態與到時等特征與聲波信號W1非常相似，可以視為聲波信號的“伴隨模式”聲電轉換信號，以下簡稱稱為伴隨模式。這兩種模式聲電轉換信號到時和波形形態特征與前人的實驗及數值模擬結果之間有一定的相關性。

圖3為兩種不同深度下的電差分接收信號在零時刻附近的波形，用以觀察界面模式聲電轉換信號的到時特征，其中紅色、藍色和黑色曲線分別表示短源距接收信號D3、中源距接收信號D2和長源距接收信號D1。從圖3可以看出：第一，同一深度位置測量的不同源距的界面模式信號的到時不會隨著源距的變化而改變。第二，結合圖2可知，圖3所展示的這兩個深度點上伴隨模式信號的到時存在明顯差異，而界面模式信號的到時則沒有改變，我們統計了整個測量井段界面模式信號的到達時間均約為9.8μs，且幾乎不會隨地層性質的變化而改變。產生這種現象的原因可以解釋為：當聲波發射換能器發出的聲波能量傳播到井壁上時，部分聲波能量立即激發起地層中骨架和孔隙流體的相對位移，從而產生一個很強的電信號，然后該信號以電磁波的速度傳播并被測量電極所接收到，因此界面模式信號的到時T由兩部分組成T=T1+T2，一是聲波能量由聲波發射換能器輻射面到達井壁所用的時間T1，二是界面模式信號產生以后從井壁介質以電磁波的速度傳播到測量電極所用的時間T2。由于電磁波傳播速度遠大于聲波傳播速度，因此T1>>T2，所以T≈T1。因此可以認為聲波發射換能器輻射面與井壁之間的距離決定了T的大小，取泥漿聲速為1 500 m/s，則T所對應的距離約為1.47 cm，這與實際測井儀器的幾何尺寸比較吻合。

圖2 聲電效應測井實測信號Fig. 2 Received signals

圖3 不同深度下的“界面模式”聲電轉換信號Fig. 3 The interface-mode acoustoelectric signals at two different depths

圖4表示了深度為1 760 m處的R1接收器接收到的聲波信號W1和R1附近的電位差分接收信號D1的波形對比曲線，用以對比兩種信號之間的特征差異。伴隨模式聲電轉換信號產生于聲波波及的地層中，由于地層中存在離子雙電層，當彈性波在這種流體飽和孔隙介質中傳播時，會引起流體相對于骨架的流動，這種攜帶凈剩電荷運移的滲流運動可引起地層電位的變化并被測量電極接收到，形成了伴隨模式聲電轉換信號，該信號伴隨著聲波信號的傳播而產生，只有當聲波能量傳播到目標地層時才能探測到來自該層位的電位變化，體現在圖2中，表現為該模式的到時隨著地層性質的變化而改變，變化趨勢與聲波發射—聲波接收信號有相似性。從圖4所示的時域波形中可以清楚地觀察到伴隨模式聲電轉換信號，并且伴隨模式聲電轉換信號與同位置接收到的聲發射聲接收信號波形特征相似，伴隨模式聲電轉換信號的整體到達時間要略早于W1中相應的聲波信號(約20μs)，這是由于當聲波信號的擾動改變了地層內電荷的分布后，電位的擾動會立即被電位電極接收到，而聲波信號則由在地層中滑行的聲能量以臨界折射角向井內輻射能量，然后以井液中縱波的傳播速度傳播并被聲接收換能器接收到。伴隨模式聲電轉換信號雖然伴隨聲波信號產生，但是由于測量方式的差異，導致接收到信號的時間有所差異。我們計算了D1信號中的伴隨模式聲電轉換信號部分(0.8～3 ms)的頻譜，并將其與聲波信號W1的頻譜進行了對比，結果如圖5所示。由圖5可以看出，在聲波測井的頻段，都可以激發起聲電轉換信號，而且聲電轉換信號和聲聲信號的頻譜非常相似。這些現象與現有的實驗和理論研究結果之間有一定的相似性。

圖4 深度為1 760 m處的聲電測井信號對比Fig.4 Received signals from depth 1 760 m

圖5 深度為1 760 m處的聲電測井信號頻譜對比Fig. 5 Spectrum of received signals from depth 1 760 m

1.3 實測聲電信號的進一步分析

由聲電效應產生的伴隨模式聲電轉換信號的強弱取決于多個方面，如滑行聲波的能量、孔隙流體電學性質、地層孔隙的連通性質，特別是巖石的滲透率等因素。在使用聲電測井儀器評價實際地層參數時，由于許多參數往往是未知的或者測不準的，這就給利用聲電轉換信號特征評價地層參數帶來了一定的困難。因此，在進行聲電效應進行地層參數評價的研究時，為了從定性的角度觀察伴隨模式聲電轉換信號幅度和聲發射—聲接收信號幅度之間的關系，我們按照式(1)計算聲波接收信號Wn的能量(EA)以及電位差分接收信號Dn中伴隨模式電信號的能量(EE)。在計算能量時，首先計算出聲波信號首波到時，以該到時為起點并選擇適當的窗長對聲聲信號按式(1)進行積分，就得到了EA；然后將該窗內的Wn信號作為基準，利用求相關系數的方法找出Dn信號中與Wn信號相關性最高的波形區間，并對該窗內的聲電信號按式(1)積分得到EE，式中t1和t1′分別為Wn信號和Dn信號的開窗起始時刻，L為積分所開窗的窗長，Δt為信號的時間采樣間隔。

將實測數據(W1和D1)按照式(1)進行處理得到EE和EA。為了分析井中不同模式的聲波信號與聲電轉換信號強度之間的關系，分別計算兩個不同時間窗內的能量值：第一個窗口的起始值為t1，如圖6(a)和(b)變密度圖中紅線所示，窗長L1=0.5 ms ，在這個窗內的波形中主要包含滑行縱波和滑行橫波成分；第二個窗口的起始值為t1+L1，窗長L2=0.5 ms，在這個窗內波形中主要為斯通利波部分,不同窗口內波形中信號能量的計算結果如圖5中的(d)和(e)所示。為了使EE和EA能夠較好地對比，圖5中將EE放大了固定的倍數，計算得到的具體能量數值僅表征相對大小規律。綜合圖4和圖6可以看出：(1)在整個測量井段均可以觀察到聲電轉換信號；(2)觀察圖6(a)和(b)，在整個測量井段，聲聲信號的縱橫波部分能量相對較弱，由此產生的聲電轉換信號能量也相對較弱，在部分能量較強的井段，兩種能量值變化趨勢吻合得很好；(3)圖6(g)為使用STC方法處理聲聲信號得到的測量井段首波速度，觀察圖6(g)，在地層聲波速度較低的地層，斯通利波幅度較強，其對應的伴隨模式聲電轉換信號的信號能量也隨之增強，觀察圖6(c)和(d)，在整個測量井段，聲聲信號的斯通利波部分能量相對滑行縱波和滑行橫波部分較強，而與聲波斯通利波所對應的聲電轉換伴隨波信號也很強，在整個測量井段，兩種信號能量值隨地層深度的變化趨勢吻合度很高；(4)結合電阻率曲線(R)和自然伽馬曲線(GR)可以看出，伴隨模式的能量與常規測井資料之間有一定的相關性。

圖6 結果展示(a)W1; (b)D1; (c)滑行縱波和滑行橫波能量(d)斯通利波能量; (e)界面模式能量; (f)電阻率; (g)速度; (h)自然伽馬Fig. 6 Results show(a)W1; (b)D1; (c)Energy of gliding P/S wave; (d) Energy of Stoneley-wave; (e) Energy of interface mode; (f) Resistivity; (g)Velocity; (h)Gamma ray

這里，我們單獨分析界面模式的能量與地層性質之間的關系。由于滑行聲波聲擾動導致井壁縱向范圍內的電位分布不均勻，從而產生伴隨模式聲電轉換信號，所以伴隨模式的能量受滑行聲波能量的影響較強。界面模式產生于聲波發射換能器附近的井壁，由于與伴隨模式的產生機理有所差異，所以界面模式的能量更多地反映了地層的性質。結合兩種模式的產生機理，我們選擇電位差發信號來計算伴隨模式的能量，而使用電位接收信號來計算界面模式的能量。圖6(e)為電位接收器V4所接收到的電位信號中界面模式能量(窗口的起始值t=0，窗長L=0.2 ms)，結合伴隨模式以及常規測井數據可以看出：界面模式聲電轉換信號的能量隨著地層性質的改變而改變，在整個測量井段，界面模式的能量值整體的變化規律與常規測井數據之間有著很高的相關性，但是其變化的程度并不完全一致，也就是說界面模式聲電轉換信號的能量可以作為新的條件引入地層滲透率評價中。

綜上認為，井孔中不同井孔模式波的聲波信號都能夠激發起其對應的伴隨模式聲電轉換信號，且聲電轉換信號的強弱與聲波信號的強弱之間存在相關性，同時，界面模式的能量也與地層常規測井數據之間具有很高的相關性。這在一定程度上說明，伴隨模式和界面模式聲電轉換信號中包含有地層的信息，因此結合聲電信號和聲發射—聲接收信號有可能形成評價孔隙滲透性質的新方法。

2 結論

通過在勝利油田某砂泥巖油井的AELT下井實測，在實際測井條件下觀測到了聲電轉換信號。聲電轉換電信號由界面模式和伴隨模式兩部分組成。界面模式電信號在聲源發出的聲波能量傳播到井壁時產生，其到時幾乎不會隨源距和地層聲波速度的變化而改變。而伴隨模式波在井孔中不同模式聲波在傳播時產生、伴隨模式的波形組成成分以及頻率特征與聲波發射—聲接收信號的特征相似，均可看做是由滑行縱波、滑行橫波和斯通利波等井孔模式波組成。

通過對比不同類型的聲發射—聲接收信號能量及其對應的伴隨模式聲電轉換信號能量，發現伴隨模式聲電轉換信號能量與聲發射—聲接收信號能量具有相關性，特別地，井孔聲波斯通利波伴隨的聲電轉換波信號的能量比井孔滑行縱波和滑行橫波伴隨的聲電轉換波信號的能量強得多。同時，界面模式聲電轉換信號的能量與地層常規測井資料有很高的相關性。影響地層聲電轉換現象的因素主要有地層的電學參數、孔隙結構參數，特別是巖石的滲透率，目前得到的實驗結果證明AELT可以檢測到來自不同地層的聲電轉換信號，且初步分析結果表明聲電轉換信號與地層性質之間存在一定聯系，因此研發聲電測井儀器，同步結合聲波信號和電信號的相關特征，有可能為裸眼井測井評價地層參數提供新的參考依據。

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Field test of acoustoelectric logging signals and preliminary analysis

DUAN Wenxing, JU Xiaodong, LU Junqiang, MEN Baiyong, CHE Xiaohua, QIAO Wenxiao
State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China

Acoustoelectric logging is an unconventional well-logging method based on the seismoelectric coupling effect in rocks. The acoustoelectric logging tool (AELT) developed by our team was tested in a well located at Eastern China. We received acoustic-acoustic and acoustic-electric synchronization signals via an acoustic and electric synchronous acquisition system. Theoretically expected accompany- and interface-mode acoustoelectric signals could be observed in the measured signals.Preliminary results show that the waveform composition and frequency characteristic of accompany-mode acoustoelectric and acoustic-acoustic signals are similar. Over the entire measured well section, the energy values of acoustic P/S-waves and the accompany-mode acoustoelectric signals emitted by this wave are relatively weak, whereas the energy values of the acoustic Stoneley wave and the accompany-mode acoustoelectric signals emitted by this wave are relatively strong. A high correlation exists between the energy of the acoustic-acoustic and acoustoelectric signals in the entire measured well section. The arrival time of interface-mode acoustoelectric signals is not changed by the variation in offset and formation acoustic velocity. The energy of interface-mode is related to conventional well-logging data. Certain features of the seismoelectric transition effect are related to the permeability and porosity of a formation, and thus, AELT can potentially provide a new solution for estimating formation parameters.

acoustoelectric effect; measured underground; logging; permeability

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.003

(編輯 付娟娟)

*通信作者, qiaowx@cup.edu.cn

2016-10-12

國家自然科學基金項目(11204380,11374371,11134011,61102102); 國家油氣重大科技專項項目(2011ZX05020-009); 中國石油科技創新基金項目(2014D-5006-0307); 中國石油天然氣集團公司項目(2014B-4011,2014D-4105,2014A-3912); 中國石油大學(北京)科研基金項目(2462015YQ0516)資助

段文星, 鞠曉東, 盧俊強, 門百永, 車小花, 喬文孝. 聲電轉換信號的井下觀測與初步分析. 石油科學通報, 2017, 01: 24-31

DUAN Wenxing, JU Xiaodong, LU Junqiang, MEN Baiyong, CHE Xiaohua, QIAO Wenxiao. Field test of acoustoelectric logging signals and preliminary analysis. Petroleum Science Bulletin, 2017, 01: 24-31. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.003