摘要：基于孔隙介质动电效应的测量方法在油气勘探领域有着巨大的潜在应用价值.本文针对理论预测的随钻动电测井可削弱钻铤波对地层声波干扰的问题，设计了室内随钻动电测井实验装置和测量系统，并在小尺寸砂岩模型井中开展了随钻动电测井实验研究.为了突出随钻动电测井技术的特点，本文先在砂岩模型井中进行了电缆声波测井和电缆动电测井实验测量，获得了地层声波的传播速度.然后又在同一模型井中进行了随钻声波测井和随钻动电测井实验，记录了这两种情况下的测井全波波形，比较了电缆声波／动电测井和随钻声波／动电测井的差异性，并进一步分析了钻铤波和井中动电转换信号的传播特性.本文还通过随钻动电测井的时域波形提取到被测地层的纵横波速度，从实验角度验证了随钻动电测井技术测量地层波速的可行性.此外，本文实验结果对随钻动电测井的仪器设计及现场测量也有参考意义.
关键词：动电效应；随钻测井；随钻动电测井；地层波速
1 引言
随钻测井（Logging While Drilling，LWD）是目前油气勘探主要采用的测量技术，包括随钻声波测井、随钻电阻率测井和随钻放射性测井等.其中随钻声波测井的主要目的在于测量地层的纵横波速度，从而对被测地层的关键参数进行有效评估.不过人们发现：随钻声波测井数据中不仅包含地层声波信号，还叠加了沿钻杆传播、但不反映地层信息的钻铤波，这严重影响了地层波速的准确测量.相关专家尝试了多种方法来消除钻铤波的影响，如分析钻铤波的传播规律（Zhu et al.，2008；王华等，2009；王瑞甲等，2012；Wang et al.，2014；杨玉峰等，2016；王军等，2016a）；研究钻铤波的频散特性（唐晓明和郑传汉，2004；崔志文，2004；Sinha et al.，2009）；模拟钻杆结构对隔声处理的影响（苏远大等，2011），分析高阶模式声源激发钻铤波特点等（Chi et al.，2005；Tang et al.，2006）.
近年来一种基于孔隙介质动电效应的测井方法受到学者们的关注，人们期望这种新技术能够解决随钻情况下地层波速的准确测量问题（Zhu et al.，2012；郑晓波等，2014）.孔隙介质动电效应最早由Ivanov（1939）实验发现.为了解释这一现象，Frenkel（1944）建立了流体饱和孔隙介质的基本运动方程，并借助Helmholtz-Smoluchowski方程研究了孔隙渗流与电磁场的关系.Pride（1994）进一步根据液体和固体各自服从的基本物理原理，提出了用于描述动电现象的弹性-电磁耦合方程组，为动电效应的发展奠定了理论基础.胡恒山和王克协（1999，2000）利用Pride理论最先研究了动电测井的波场响应，模拟了井壁激发的动电场和伴随井孔导波的动电场.Zhu等（1999）最早在井孔中测量到了伴随斯通利波的电场.Cui等（2007）研究了多极源和偏心声源在井中激发动电波场的特性.关威等（2011）分析了动电测井中斯通利波电声比的相位对渗透率的敏感性.王军等（2010，2011，2015a，2016，2016b）从实验角度分析了低频岩样的动电耦合特性，并进一步通过模型井中动电测量，说明伴随动电场和界面动电场的传播特性，并首次给出井中动电转换信号的幅值量级（2015，2015b，2016c）.
杨玉峰等（2016）对钻铤波传播特性的模拟分析表明：钻铤波是一种导波，它由两部分构成，一是沿钻铤传播的直达钻铤波，二是通过钻铤辐射到地层中，且在地层中以直达钻铤波速度传播的地层钻铤波.考虑到动电效应是孔隙介质特有的性质，钻铤波沿钻杆（其材料为非孔隙介质）传播时不会产生动电转换信号，进而可消除直达钻铤波对地层波速的影响.基于这一观点，Zhu等（2012）进行了模型井中的随钻动电测井实验测量.随钻动电测井是在随钻声波测井情况下，记录井中声波激发动电转换信号的一种测量方法.郑晓波等（2014）针对典型砂岩地层进行了随钻动电测井理论模拟，其结果表明：与随钻声波测井相比，随钻动电测井全波中钻铤波的相对幅度明显降低.鉴于随钻动电测井是一个崭新且具有重大应用价值的勘探技术，需要对其进行深入地分析和探索，但国际上关于此方向的研究极少，目前也未在国内发现相关的实验报道.因此，本文在小尺寸模型井中开展了随钻动电测井实验研究，对比分析了电缆声波／动电测井和随钻声波／动电测井波场的差异性，并通过随钻动电测井的时域波形提取到被测地层的纵横波速度，验证了随钻动电测井技术的可行性.
2 动电测量实验系统
2.1 实验模型井及测井探头
实验选用天然砂岩制作小模型井，其内径为26 mm，外径200 mm，长度350 mm，物理参数分别为：纵波速度3900 m·s-1，横波速度2200 m·s-1，孔隙度14.6，渗透率15 mD.实验设计测井探头如图1所示，其主体材料为不锈钢，由声源、接收器和连接杆3部分组成，分别用于声波测井（图1a）和动电测井实验（图1b），两者的差别仅限于信号接收部分，前者为压电片，后者为电极，分别用于记录声波信号和动电转换信号.声源由4块相同的圆盘状压电片制作，间隔90°均匀分布在同一圆周上，并通过外部电路调节压电片的激励电压，使之形成单极源激发模式.声波接收器为6组压电片，其材料与声源相同，每组2片，嵌于不锈钢管凹槽内，表面用环氧树脂封装.动电接收器为6组镀银点电极，电极突出钢管外壳2 mm，且与外壳绝缘.连接杆是随钻测井仪器的重要部分，实验将声源和接收器用连接杆固定在一起，可模拟随钻测井过程，若将连接杆去掉，则为电缆测井模型.因此，图1测井探头可完成电缆声波测井（Acoustic Wireline Logging，A-WL）、电缆动电测井（Seismoelectric Wireline Logging，SWL）、随钻声波测井（Acoustic Logging While Drilling，A-LWD）和随钻动电测井（Seismoelectric Logging While Drilling，S-LWD）实验测量.
图1 声波测井探头（a）和动电测井探头（b）
Fig.1 Acoustic logging detector（a）and seismoelectric logging detector（b）
2.2 动电测井实验系统
实验采用图2测量系统记录声波信号和动电信号，只是仪器参数选择不同.由于声波信号的幅度较强，测量相对简单，这里主要介绍动电信号的实验测量.实验系统如图2所示，包括：脉冲源（5077PR），前置放大器（5660C），滤波器（NF3628），NI数据采集卡（5922），函数信号发生器（AFG3022B）.由于实验用模型井为实际井孔的小尺寸缩小模型，按照几何相似关系，本文实验频率应高于现场测井频率，因此，本文选用90 k Hz作为声源的中心频率，而且该频率下斯通利波幅度达到最大（分析不同频率激励下的实验结果获得）.实验测量过程中，高压脉冲源给声源换能器供电，使其激发声波信号.由于动电效应的作用，当声波在井孔中传播时能够产生电信号，此信号为声波在地层中传播引起的动电转换信号.由电极接收该信号，并经过放大、滤波、多次叠加等过程，以减弱噪声，提高信号的幅度和信噪比，之后由采集卡将数据记录并存储，以便做进一步的数据分析.
图2 动电测井实验测量流程图
Fig.2 Flow chart showing measurement of seismoelectric experiment
3 动电实验测量
3.1 界面动电效应实验
目前关于井中声波信号的测量技术已经非常成熟，无论是电缆声波测井还是随钻声波测井，均可记录到清晰的测井全波波形.但由于动电效应的转换效率非常低，通常为10-9量级（Wang et al.，2015b），能否记录到有效的动电信号是动电效应在油气勘探中得以应用的关键.因此，在进行动电测井实验之前，我们先在井外进行了界面动电效应的实验测量，用于验证实验系统对动电信号测量的有效性.
界面测量模型如图3所示，将声源和接收器置于水池中，且两者中心处于同一水平面上.实验测量时，先记录没有岩样情况下的声波信号（图3a）.此时，保持声波接收换能器固定不动，将声源等间距地远离接收换能器，观测不同位置处的声波信号.实验结果如图4a所示，由于水池中只有声源和接收器，因此，接收换能器记录的时域波形中只有一个直达波（a-a波群），而且通过6条曲线中直达波的到时（a-a直线的斜率），可计算其传播速度约为1500 m·s-1，为声波在水中的传播速度.之后，我们将接收换能器改为电极，并将平板岩样置于电极右侧（图3b），重复上述测量，利用电极记录岩样表面激发的界面动电转换信号.图4b显示了不同源距情况下，电极记录到的动电信号，从中可以看到一个随源距增大，到时逐渐增加的b-b波群.通过该波群的到时可确定其传播速度约为1500 m·s-1，与水中直达声波的速度相同.因此，结合实验模型及上述测量结果，我们确定b-b波群为岩样表面激发的界面动电转换信号，从而验证了本文测量系统对动电信号检测的有效性.
此外，图4b记录6条曲线中0时刻同时出现，且幅度很大的一个波群是激励声源的电磁辐射干扰（王军等，2016c）.该波群无法消除，但考虑到该波群幅度很大，可能对后面到达的动电信号产生干扰，因此，应尽量缩短它的响应时间，以避免对动电信号的影响.
3.2 电缆声波／动电测井实验
图3 界面动电效应实验模型（a）声波测量；（b）动电测量.
Fig.3 Model for experimental measurements in interface（a）Acoustic measurement；（b）Seismoelectric measurement.
图4 界面动电效应实验结果（a）声波测量；（b）动电测量.
Fig.4 Results of experimental measurements on interface（a）Acoustic measurement；（b）Seismoelectric measurement.
图5 是砂岩模型井中单极源电缆声波测井（AWL）和电缆动电测井（S-WL）的实验结果.图5a给出了归一化的电缆声波测井全波波形，其中有3个到时不同的波群出现在时域波形中，通过分析它们的到时可知，这3个波群按照传播速度快慢分别对应地层的纵波（P波，3900 m·s-1）、横波（S波，2200 m·s-1）和斯通利波（ST波，1500 m·s-1），该结果与模型井参数吻合.图5b动电测井全波中除了0时刻的声源干扰之外也有3个波群存在，它们的传播特性与图5a中的P波、S波和ST波相似.借鉴动电测井的理论分析结果（胡恒山和王克协，2000），图5b中3个明显波群依次为伴随地层纵波、横波和斯通利波的动电转换信号，而且通过它们到时获得的视速度也与地层声波速度相同.这说明利用动电效应可在井中测量地层的纵横波速度.
由于电缆测井属于传统的测井方法，早已被随钻测井技术取代，因此，本文没有对这两种测井实验进行过多分析，主要用于说明利用动电测井技术可获得地层的纵横波速度.此外，我们不能从图6b中看出在井壁处激发且早于纵波到达的界面动电信号（胡恒山和王克协，2000），那是因为该信号的到时很早（约为0.001 ms），被0时刻的干扰掩盖掉了.因此，对接收电极进行有效屏蔽，在时域上减弱声源干扰的影响是非常重要的.
图5 砂岩模型井中归一化实验结果（a）电缆声波测井实验；（b）电缆动电测井实验.
Fig.5 Normalized experiment results of well loggings on sandstone model（a）Acoustic wireline logging；（b）Seismoelectric wireline logging.
3.3 随钻声波／动电测井实验
为了更准确地分析随钻声波测井实验结果，我们先从理论上研究了单极源随钻声波测井导波的频散曲线（见图6，详细计算参数见杨玉峰等（2016））.图中给出了声源中心频率0～25 k Hz范围内，不同导波的频散情况.虽然本文实验频率高于上述频率范围，但考虑到几何相似关系，可将图6频率范围按比例延拓到200 k Hz，图中各导波的频散特性仍然有效（本文中井孔大小约为现场测井情况的1／8）.这为下文实验波形分析提供了参考依据.
图7为随钻声波测井（A-LWD）实验记录到的时域波形及其频谱图，可以看出：图7a的时域波场比较复杂，只有首波（a-a波群）的一致性较好，利用6条曲线首波的到时计算其传播速度约为4800 m·s-1，该波速高于地层的纵波速度.依据图6频散曲线可知，该波群为单极源在井中激发的一阶钻铤波.除此之外，很难直接从图7a中看到与地层纵横波相对应的波群，如图7a第一条曲线中，箭头标注了地层波在相应源距情况下的到达时间，但我们无法从时域波形中直接分辨出它们.
为了分析图7a波场中究竟有哪些分波成分，我们针对裸探头（无限大流体模型）进行随钻声波测量，希望通过井孔模型（图7）和无限大流体模型（图8）测量结果的对比，获得地层的纵横波速度.因此，我们将探头从井孔中移出，放置到另一个水池里面，并在相同声源频率下（90 k Hz）记录声波信号.由于水池里没有任何其他物品，因此，该实验可等效为无限大流体模型中的随钻声波实验，换能器记录到的信号只可能是沿钻杆传播的钻铤波（忽略内斯通利波的影响），不会有地层声波出现在时域波形中，实验结果见图8，图中首波非常清晰，其传播速度约为4800 m·s-1，为一阶钻铤波.但比较图5a、图7和图8结果发现：我们无法将地层的纵横波从图7a中提取出来，因为图7和图8测量结果非常相近，见图7和图8中时域波形和频谱.而且图9给出的时间-速度图中也只有钻铤波波群（见图中椭圆形图标位置），没有看到地层纵横波的存在（图9a）.造成上述结果的原因在于：本文测井探头的连接杆没有进行刻槽处理，这样钻铤波沿钻杆传播时的衰减极小，使得换能器接收到的钻铤波信号能量很强.通过上述结果可知，钻铤波的能量远大于地层波能量，导致地层纵横波在测井全波中的相对幅度非常低，进而被钻铤波掩盖掉.这样便得到图7中测量结果.
图6 单极源随钻声波测井导波的频散曲线
Fig.6 Guide wave dispersion curves of the acoustic LWD excited by a monopole source
图7 随钻声波测井时域波形及频谱图
Fig.7 Waveforms and frequency spectrum on a borehole model
图6 井孔导波的频散特性表明：不同频率下井孔导波的响应不同.王军等（2016a）曾在小模型井中开展了多极源随钻声波测井实验研究，其结果表明：随着声源频率的提高，一阶钻铤波的相对幅度降低，地层声波在测井全波中逐渐凸显出来，并可在较高频率（200 k Hz）激发下获得地层的纵横波速度.为了验证上述结论的实用性，本文也在不同频率下（50 k Hz，150 k Hz，250 k Hz，350 k Hz）进行了随钻声波测井实验，测量的时域波形如图10所示，图中波形按照同一量值进行归一化处理.从图中可以看出，随着声源频率提高，实验记录到时域波形的幅度先增大后减小，在150 k Hz时，波形的幅度最大.但在高频（250 k Hz，350 k Hz）情况下，测井全波中的一阶钻铤波依然很强，而且也没有在测井全波中看到明显的地层纵横波波群，该结果与王军等（2016a）实验结果不同.不过随着声源频率提高，我们从时间-速度图中（图11）发现一个传播速度约为2000 m·s-1的波群，如图11d中圆圈所示，由井孔导波的频散曲线可知，该波群为井孔伪瑞利波波群，进而可得到地层横波速度.这说明王军等（2016a）给出的在高频情况下，可从随钻声波测井全波中提取地层波速的结论是正确的.
图8 探头在流体中测量的时域波形及频谱图
Fig.8 Waveforms and frequency spectrum in a liquid model
图9 探头在井孔和流体模型中测量波形的时间-速度图
Fig.9 Time-velocity diagram of detectors in borehole and liquid models
不过，与王军等（2016a）相比本文测量效果差一些，图11中除了伪瑞利波之外，没有看到地层纵波波群.两种实验结果不同的主要原因可能是由于两者探头结构不同引起.本文中探头采用实际测井探头的全尺寸缩小模型，声源、钻杆和接收器的外径相同，压电片内嵌在钻杆的钢管内.而王军等（2016a）中声源的外径大于钻铤和接收器部分，这种结构会让钻杆偏离声源发射角中心位置的程度更大，进而使得更多的能量辐射到地层中，而不沿钻杆传播，变相地减弱了钻铤波的幅度.因此，王军等（2016a）中测井探头结构或许更有利于随钻情况下地层声波的测量，这一推断有待进一步的实验论证.
图10 不同频率下随钻声波测井时域波形
Fig.10 Waveforms of A-LWD with different frequencies
图11 不同频率下随钻声波测井曲线的时间-速度图
Fig.11 Time-velocity diagrams of A-LWD with different frequencies
前文进行了电缆声波／动电测井和随钻声波测井实验研究，分析了3种测井全波中各分波的传播特性.图12给出了声源频率90 k Hz情况下，随钻动电测井实验记录到的时域波形.与电缆动电测井结果（图5b）相比，图12波形的一致性略差；但还是有3个明显的波群（a-a，b-b，c-c）出现在测井全波中，依据虚线a-a，b-b和c-c的斜率可计算出这3个波群的传播速度约为3900 m·s-1，2200 m·s-1和1500 m·s-1，分别对应地层的纵波、横波和斯通利波速度.最重要的是：与随钻声波测井结果中（图7a），只看到钻铤波波群，且无法从中提取地层波速的情况相比，随钻动电测井数据的有效性大幅提高，我们可以从图12中准确获得地层的纵横波速度.这说明随钻动电测井技术可极大地削弱钻铤波对地层声波的干扰，进而确保在随钻情况下测量地层的纵横波速度.另外，值得说明的是：本文随钻动电测井曲线是在钻铤不刻槽情况下测量的，若对钻铤进行适度的刻槽处理，测量结果将得到进一步改善.
图12 随钻动电测井时域波形
Fig.12 Waveforms measured with seismoelectric logging while drilling
4 结论
针对地层波速的随钻测量问题，本文在小尺寸模型井中开展了单极源电缆声波／动电测井和钻铤不刻槽情况下的随钻声波／动电测井实验研究，记录到四种测井方法的全波波形，比较了实验结果的差异性，并着重分析了随钻声波／动电测井的波场特性.结果表明：随钻声波测井实验中，在钻铤不刻槽情况下，测井全波中一阶单极源钻铤波非常强，导致无法从全波中看到地层纵横波波群以及获取它们的传播速度.但随着声源频率的提高，钻铤波在全波中的相对幅度降低，而且在声源频率较高情况下，从时间-速度图中看到了伪瑞利波波群.这说明提高激励声源的频率有利于地层声波的测量，而且通过与前人实验结果的比较得出，钻铤波随频率提高而降低的程度受声源结构影响较大.
与随钻声波测井中钻铤波将地层声波完全掩盖的结果不同，相同频率下随钻动电测井中的钻铤波非常微弱，钻铤波对地层声波测量的影响极小.而且从随钻动电测井全波中可以看到清晰的地层纵横波及斯通利波波群，并准确地获得了它们的传播速度.本文结果从实验角度验证了随钻动电测井技术的可行性，同时也体现了该技术在地层声波测量方面的优势，对随钻动电测井技术的应用及测井仪器设计有重要参考价值.
