隨鉆電磁波在礦產識別中的應用分析

李富凱 陳健 姬勇力 楊志強 范業活

（1. 西安電子科技大學, 西安 710071；2. 中國電波傳播研究所, 新鄉 453003；3. 電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島 266107）

引 言

石油、天然氣和煤層氣等不可再生礦產資源是一個國家的戰略資源，影響到國計民生，更是關系到國家的能源安全. 如何提高鉆井技術和鉆井過程中的礦產鉆遇率是國內行業技術人員不斷追求的目標.由于隨鉆電磁波傳輸技術不依賴液體泥漿作為信息傳輸介質，因此該傳輸方式特別適合欠平衡泡沫鉆井等新工藝鉆井方式. 但該傳輸方式的傳輸深度受地層電阻率影響，地層電阻率太低或太高都不利于地面電磁波信號的接收[1-2]. 并且國內外的研究機構在電磁波傳輸深度這方面還沒取得突破性進展，目前該技術較適用于中淺井礦產資源的勘探[3]. 進一步推廣使用隨鉆電磁波測井技術的關鍵在于電磁波傳輸深度的突破. 山西煤礦和煤層氣資源通常在垂深1 500 m 范圍內，因而在該領域的勘探中常使用電磁波傳輸方式進行現場作業. 此外，電波傳播技術專家熊皓等老一輩研究學者曾指出發射機激勵端輸出變量高度依賴于激勵器所在深度上的電阻率值，信道中的輸出功率與電流狀態都有著耦合的變化. 這種敏感性可能使隨鉆信息傳輸系統同時兼作一種有效的實時測井系統[4-5]. 山西晉城沁水區塊煤礦目的層相較上下層的泥巖層具有明顯的電阻率特性差異，根據電偶極子的近場輻射特性和電磁波在地層中的傳輸特性，激勵端所在地層電阻率可以根據地面接收信號大小來間接反映. 從這個角度看，可將地面接收電磁波信號幅值的瞬時大小或突變狀況作為鉆頭是否進煤礦目的層的判別依據.

1 理論分析

1.1 電偶極子輻射近場理論

1.2 地層電磁特性及地層中電磁波傳播規律

地層的主要電磁參數為介電常數ε， 磁導率 μ和電導率 σ. 除鐵磁性物質外，其他媒質的磁導率 μ和真空中的差別很小，接近 4π ×10?7H/m. ε和 σ可以統一用復介電常數或復電導率表示[8-9]，即

可以看出，電磁波在均勻有耗煤質中傳播時，導電媒質可以影響電磁波的幅度和相位.

通常情況下，地層結構較為復雜，且分布不均勻.為了研究電磁波在地層中的傳播規律，將地層分成若干平面分層結構，厚度不均但每層的電磁參數相同. 根據隨鉆電磁波在地層中傳輸的適用條件，將其發射頻率固定在3～20 Hz，該輻射場具有顯著的近區場特征. 電磁波在有損介質中的近區場有顯著的電路特點，在不同的有損介質中衰減因子也不同. 將隨鉆電磁波在不同媒質地層中的傳輸特性等效為電路模型進行分析，然后根據地面接收信號的幅值大小進行地質判斷.

1.3 信號幅值包絡提取算法

在信號處理中常涉及時間域或頻域的幅值包絡信號提取，以便做進一步分析和處理[10-11]. 比較常用的方法有相干檢波法、包絡檢波法和希爾伯特變換法. 本文終端接收信號采用差分脈沖脈位調制(differential pulse position modulation, DPPM)[12]. 該編碼方式采用常規方法進行包絡提取的效果不理想，故本文采用分段求極大值再內插的方法來提取信號幅值包絡線[10-11].

終端采集的信號通常是按一定采樣率進行采集的，因此終端信號數據是離散的，在某個時間段內求的峰值并不一定是真峰值，需要在相鄰兩個樣點之間通過內插計算得出真正的局部峰值[13].

如圖2 所示，設信號F在樣點m處達到極大值F(m)， 為方便計算，把坐標軸的零點移到m處，即局部峰值樣點m處為零，且間隔為 Δm( 對應于時域的 Δt)，即相鄰的三個樣點分別為 -Δm， 0， +Δm， 對應的F函數值分別為F(m-1)，F(m)，F(m+1).F對三點的二次曲線擬合表示式為F=aλ2+bλ+c.

圖2 二次曲線內插示意圖Fig. 2 Diagram of conic interpolation

極大值的位置為

2 等效電路分析

典型的隨鉆電磁波傳輸模型如圖3 所示，該模型包含井下測量系統、鉆井系統和地面接收系統三部分，其中井下測量系統包含絕緣天線、發射機、電池和測量短節等；鉆井系統包含鉆井平臺、套管、鉆柱、鉆頭和鉆井泥漿等；地面接收系統包含地面接收機、金屬地錨、通信線纜和計算機等.

圖3 隨鉆電磁波在地層中傳輸的模型圖Fig. 3 Model diagram of electromagnetic wave propagation while drilling through the formation

該系統將測量到的信息傳輸至發射機，再經絕緣天線產生激勵信號經地層傳輸至地面接收系統.絕緣天線兩端可以看作無限多的電流元組成的非對稱偶極子. 由于隨鉆電磁波工作頻率較低(幾Hz 到十幾Hz 之間)，具有明顯的近場電路特性，因此將該傳輸系統等效為電路模型，如圖4 所示. 該等效電路中電源Em為發射機激勵的電磁波信號輸出電壓(電源內部電阻暫不考慮)，R上為絕緣天線上端到井口之間的鉆桿電阻，R下為絕緣天線下端到鉆頭之間的損耗電阻(該部分包含測量短節、螺桿鉆具和鉆頭等)，RZn為 地層Zn的 損耗電阻，RZr為 地層Zr的損耗電阻，RZr?1為 地 層Zr?1的 損耗 電 阻，RZ2為地 層Z2的 損 耗電 阻，RZ1為 地層Z1的 損耗電阻，R接為接收機內部系統的損耗電阻(該值相對其他電阻較小). 以上電阻除R接和R下以外，其余隨鉆井深度變化而變化，在地層特性不變和鉆進速度不快的情況下，相對變化率較小，短時間內可以近似為固定值.

圖4 隨鉆電磁波在地層中傳輸等效電路模型圖Fig. 4 Equivalent circuit model diagram of electromagnetic wave propagation through the formation

典型的煤礦(煤層氣)隨鉆鉆井狀態1 如圖5 所示，為便于描述，圖5 相對圖3 省去了井下測量電氣單元等描述環節. 在該鉆井狀態中，絕緣天線、螺桿和鉆頭均處于煤層中，因此相較圖4 需增加煤層的損耗電阻R煤， 碳質泥巖損耗電阻用R泥表 示，可將R泥看作圖4 中的RZn，其等效電路圖如圖5(b)所示. 由于煤層相較碳質泥巖有很高的電阻率，因此在此鉆井狀態下通常地面接收的信號強度非常小.

圖5 煤礦(煤層氣)隨鉆鉆井狀態1Fig. 5 Coal mine (or coalbed methane) drilling while drilling state 1

鉆進過程中如出現剛出層情況，如圖6(a)所示，鉆頭剛好出目的層(煤層)，而絕緣天線尚處于煤層，這時的等效電路如圖6(b)所示，該電路不包含煤層損耗電阻，這是因為絕緣天線下端到鉆頭的電阻R下通 過和碳質泥巖的損耗電阻R泥的 串聯將R煤直接短路. 由于不存在R煤的影響，地面接收機接收到的電磁波信號要好于鉆井狀態1，呈現快速增大的趨勢. 根據這一現象，現場工程師可以調整工程指令，使鉆頭調整鉆進軌跡，提高目的層鉆遇率.

圖6 煤礦(煤層氣)隨鉆鉆井狀態2Fig. 6 Coal mine (or coalbed methane) drilling while drilling state 2

當在鉆進的過程中如果出現鉆頭剛入層，而絕緣天線尚處于碳質泥巖層的情況，具體如圖7 所示，由于絕緣天線發射端還沒入煤層，在此狀態下的等效電路同圖6(b)，地面接收的電磁波信號幅度大小無明顯變化. 只能繼續鉆進或借助于其他工程參數(氣測值、地層伽馬值等)進行判斷是否入煤層. 如果將絕緣天線向鉆頭方向盡量前移，地面接收電磁波信號才能盡快反映出鉆頭是否入煤層. 當隨著鉆進距離的推進，絕緣天線又重新入層，這時的等效電路同圖5(b)，信號幅度又重新迅速變小.

圖7 煤礦(煤層氣)隨鉆鉆井狀態3 示意圖Fig. 7 Coal mine (or coalbed methane) drilling while drilling state 3

3 現場數據驗證分析

基于上述理論分析，將該等效電路模型用于山西沁水煤層氣工程探測分析，并進行地面接收電磁波數據分析來驗證所提方法的有效性. 該工程現場位于山西晉城市沁水縣東南約5 km 處，所在地區為沁水盆地，該盆地含有豐富的煤礦資源和煤層氣資源，主要煤層有3 號煤和15 號煤. 該類型煤層通常夾雜在碳質泥巖當中，跟前述地層分析相一致. 圖8 為隨鉆電磁波施工現場平面圖，信號一端通過靠近井口的埋地電極經通信傳輸線 A2引入，另一端埋地電極設置在遠離井口方向100 m 左右，方位在井眼設計軌跡正上方為佳.

圖8 隨鉆電磁波施工現場平面圖Fig. 8 Site plan for electromagnetic ware while drilling

圖9 為現場采集的電磁波數據采用本文所提算法進行幅值包絡大小分析的結果. 從信號幅值包絡可以得出，該段信號數據可分為四個階段. 階段一：鉆井軌跡正常在目的層(煤層)中鉆進，隨著鉆進距離增大，信號呈逐漸減小的趨勢，該階段可看作圖5的鉆井狀態1；階段二：信號先變大后又變小，該階段鉆頭先出目的層后又調整軌跡重新入層，可看作圖6的鉆井狀態2 到圖7 的鉆井狀態3 的過渡過程；階段三：該階段信號幅值處于較大值區間，中間有部分幅值數據為零，這是因為井下發射機處于待機狀態無工作(其他階段數據有此現象也是如此)，總體來說該階段信號可看作鉆井狀態2，即鉆頭出目的層；階段四：該段信號迅速變小，說明鉆頭和絕緣天線已進目的層，等同于狀態3 迅速過渡到狀態1 的過程.

在該區塊地質條件下的實際鉆井過程中，鉆頭出目的層(煤層)到碳質泥巖的過程中對應著：伽馬值(GR)增大，地面接收電磁波信號幅值增大，錄井氣測值減??；而鉆頭進目的層時則情況正好相反. 從實測的現場伽馬值可以看出，圖10和圖9 的數據正好對應著上述描述，兩者數據相互印證，為地質判斷提供數據依據. 另外由于伽馬測量值相對電磁波信號包絡值出現較大波動，這是由于伽馬測量值固有的計算方式決定的. 伽馬測量值是根據工具面的上下閾值范圍來計算單位時間內的放射性API 數值(自然伽馬儀器在高放層和低放層讀數差值的1/200 被定義為一個自然伽馬API 單位，該值作為一種地層判斷參考值，并不是絕對的)，而工具面的準確性依賴于加速度計傳感器的數據處理是否及時準確，因此，伽馬測量值相比電磁波信號存在一定的波動誤差. 此外，需要進一步說明的是伽馬測量點距離鉆頭有10 m 左右的距離，在出目的層時無電磁波信號幅度反映快，而在進目的層時伽馬測量點同發射機絕緣天線位置較近，地層特性反映時間相對同步.

圖9 現場地面接收電磁波信號幅值包絡圖Fig. 9 Electromagnetic ware signal amplitude envelope diagram received on the ground

圖10 現場軌跡伽馬測量值分布圖Fig. 10 Field track gamma measurement distribution diagram

4 結束語

隨鉆地質測量鉆井中，判斷地層屬性問題時常借助的手段有地層放射性伽馬測量值、氣測值、補償中子、地層電阻率測量值、自然電位測量值和含水飽和度等. 本文創新性地從隨鉆電磁波傳輸的近場理論、地層電磁特性及地層電磁波傳播規律的角度出發，提出隨鉆電磁波傳輸的等效電路法，將地面接收電磁波信號幅值的瞬時大小作為煤礦目的層判別的依據之一. 通過理論分析和現場伽馬數據驗證本方法提出的有效性，實踐證明通過該特性進行隨鉆測量能快速調整工程鉆井軌跡，提高礦產鉆遇率.

致 謝感謝中國電波傳播研究所第七研究部提供的現場實采信號數據，工程現場提供的地層放射性伽馬數據.