地球物理测井仪器原理

1、 第三章 电磁波传播测井 在前面曾提到地层介质的电磁特性时，可用一些物理参数来表述： 。普通电阻率测量和测向测井都是测的电阻率 ；感应测井测量的是电导率 ；对于沉咱们岩来说，除作含有较多的铁磁性矿物，否则油导磁率就和真空导磁率没有什么差别。因此，在以沉积岩的主要目的层的油、气勘探中，导磁率 这参数没什么作用。因此，不予考虑。那么介电常数 就只有电磁传播测井来完成测量了。， 电磁波传播测井又称为介电测井。它是用来测量井下地层的介电常数。由于地层水（淡水）的介电常数为78081，原油的介电常数为22.4，天然气介电为1，岩石骨架介电常数为49，当储层的孔隙度达到一定数值时，含油、气层的介电常数与水

2、层的介电常数有明显的差别，据此可以划分油、气、水层。 那么为什么要用电磁波传播测井呢？因为普通电阻率测井，测向测井和感应测井都是利用地层孔隙流体的导电性质来区分含油、气和含水地层。当地层水是淡水（或水矿化度极低）时，上述测井方法就无法对地层孔隙中的油、气、水含 量作出正确的判断，这是因为地层水的导电性已不再和油气、岩石骨架的导电性存在明显的差别。因此，在此情况下就要用电磁波传播测井了。介电常数 的真空介电常数， 的介质的相对介电常数）是反映介质电学性质的别一个重要物理量。实际EPT测量的是无损耗传播时间TPO是反映地层介质介电常数变化的物理量。 OOT，（T第一节 电磁波传播测井的物理基础 在

3、定态条件下，电磁波在耗散介质中传播的电场强度 满足该姆霍兹方程，即E0)(22E（3-1） 其中， 22wk（3-2） i式中， 为电磁波角频率； 为介质磁导率； 为介质介电常数； 为介质电导率； 称为耗散介质的复介电常数。 令 ，则复介电常数可表示为： / ， i（3-3） 复介电常数实部 表征介质的介电特性，虚部 表征介质的耗散特性。k为电磁波传播的波数。对耗散介质情况，k也是复数，不妨写为： ik（3-4） 方程（3-1）沿方向的平面波解为:)()(EwtiEOkEwtiOeeEeEE（3-5） 式中， 为E=0处的电场强度。于是，在真空中，因OE21)(0ow平面电磁波将以相速度：21

4、)(oV（约3107m/s）沿E方向作无衰减传播。在介电常数 的绝缘介质中 or21)(0orw随介质相对介电常数的增加而降低。因此，对绝缘介质来说，介质的相对介电常数可以通过测量电磁波在介质中传播的相速度而得到。在实际测量中，更多的是用测量传播时间来代替对相速度的测量。用 代表传播时间，它表示1PT平面电磁波通过一来介质所需的时间。 VTP11对于具有复介电常数 的导电介质，)( ii )21cos(.)()21(.)(1212212122tgtgsim 这时， 为负实数，这意味着平面电磁波在沿E方向的传播过程将按指数规律衰减。由于复介电常数的虚部与角频率 ，电导率都有关，因此电磁波传播的相

5、速度具有频散性，且受介质电导率的影响。这说明，介质和导电性不仅会损耗介质中传播的电磁波能量，同时也在一定程度上改变了电磁波传播的相速度。对于某一固定频率的电磁波，它在耗散介质（此处指导电介质）中的传播时间TP1不只是介质介电常数的单一函数，而应是和的函数。左图 为单频平面电磁波在真空和耗散介质中的传播对比图。 一般来说，测井所遇到的地层都应被认为是耗散介质，我们当然就不能忽视因地层电导率的变化给传播时间 带来的影响。为此对式（3-2）、（3-3）和（3-4）进行简单的代数运算，并考虑到 ，可得关系式： 1PTwTP/12221wTP（3-6） wTP12 （3-7） 式（3-6）中的传播时间

6、是在耗散介质中的实际测量值，它反映了介质介电常数 的变化，也包含介质电导率变化的影响。如果引入无损耗传播时间 ，并定义1PT0PToTp2（3-8） 合并式（3-6）、（3-8）两式，得 22212 TpoTp（3-9） 式（3-9）是对传播时间 的修正公式。 是 1PT0PT 经过对耗散影响修正后的传播时间。由式（3-8）知道， 与介质电导率无关，它的取值仅反映地层介质介电常数的变化。从而可用 来代替地层介质的介电常数，并用于评价地层的含水孔隙度，这就是电磁波传播测井解释中普通使用的 法。 对于含水地层，根据单矿物崩架岩石的体积模型，用于损耗传播时间计算岩石孔隙度的响应方程为： 1PT0PT

7、0PT0PTpmaEPTpowEPTPTTT)1 (0（3-10） 式中， 为地层的无损耗传播时间； 为0PTEPT视EPT孔隙度； 为地层水的无损耗传播时间； 为岩石骨架传播时间。 电磁波传播测井工作于微波频段，其径向探测深度很小。对于渗透性地层，它的作用范围仅限于冲洗带。于是用 来指示残余油的存在，计算冲洗带的含水饱和度 使成为电磁波传播测井的一个重要用途，其响应方程为： powTpmaT0PTxoSpmaTphTxopowTxopoTTSTST)1 ()1 (（3-11） 式中， 为油、气的传播时间， 为地层总孔隙度，可由密度中子交会图求出。phTT第二节 电磁波传播测井的测量原理 由上

8、一节分析知道，求取地层无损耗传播时间 的前提是，测量地层的传播时间 和衰减系数 ，本节就对这些物理量的测量原理和计算方法进行讨论。 按照实际测井的习惯，定义： 0PT1PT)/()/(1mdBEATTmnsTP能量衰减传播时间 电磁波测井仪通过微波发射天线向地层辐射 1.1GHz的单频微波能量，两个不同厚距的接收天线（即近接收天线和远接收天线）接收经地层沿井轴方向传来的微波信号。设两个接收天线间的距离为E，则通过对两个接收信号的功率电平分析，可得到衰减EATT；通过对两个接收信号的相位分析，可得到两个接收信号间的相位差 （度），进而求得传播时间： ETp36021（3-12） 下页左上图是测量

9、原理示意图，图中给出了对远、近接收信号R2和R1进行传播时间TP1和衰减EATT测量的示意图。实际的电磁波传播测井仪上设有两个发射天线和两个接收天线，是按井眼补偿方式工作的双发射接收天线系统。左下图是EPT仪器的示意图。测井时、上、下两个天线交替发射，仪器将分别测出发射和下发射时微波信号的衰减和传播时间，并取这两次发射测得结果的平均值 作为井眼补偿的EATT和 的测量值。井眼补偿工作方式可以在一定程度消除泥饼厚度的变化、极板倾斜和仪器不稳定给测量值带来的影响。可减少井内泥浆的影响，EPT测井仪的天线系统被安装在一块推靠极板上，测井时极板张开保持紧贴井壁。3.2.1.衰减测量 因 式中， 为电磁

10、波的振幅衰减系数。若假设近接收天线厚距为 ，远接收天线厚距为 ，1PTEATT1E2E电场强度的幅度分别为： 222111EOEOEOEOeEeEEeEeEE经简单运算得：)/( ,log20log2021mdBEEEEATT（3-13） 在微波信号的强度分析中，经常使用功率电平的概念，若微波信号功率为P（mW），则其功率电平 的定义为： ).(dBmW则 ，由式（3-5）得近远接收天线处12EEE)(log10)(mWPdBmp（3-14） 根据式（3-14）的定义，功率为1mw的微波信号的功率电平为0dBm，信号功率每增加（或减小）十倍，其功率电平值将增加（或减小）10dBm。用功率电平表

11、示微波信号的强度，把微波信号的振幅与幅度增益（或衰减）有机地结合起来了。例如功率电平P1的信号通过某个系统后，其输出信号的功率电平为P2，那么，P2-P的值就是该传递系统的增益，单位为dB。 对于EPT仪器，若设近接收信号的功率电平为 ，远接收信号的功率电平为 ，P2的某个固定信号的功率电平，则NP1FP1)/()()(212111mdBEFVNVEPPPPEPPEATTFNFN（3-15） 式中，NV和FV分别为将近接收信号和远接收信号降至功率电平为P2，信号的衰减量。 在实际仪器中，系统可提供相当于地层衰减EATT等于某个记得度值 的近、远天线的参考接收信号，其功率电平分别为 和 。令 1

12、RNRP1FRP12121PP，FVRPPNVRFRNR，有m）（dBEFVRNVRREATT/1（3-16） 联合式（3-15）、（3-16）得FVRNVRFVNVREATT1（3-17） 为EATT的刻度值。式（3-17）是仪器按单发射双接收方式工作时的衰减计算公式。对于井眼补偿测量方式，EATT应取上、下发射时测得的衰减的平均值。因此1RNFRNVRFVDFVUNVDNVUREATT221（3-18） 式中，NVU、NVD分别是上、下发射时近接收信号的功率电平降至 的衰减量；FVU、FVD分别为上、下发射时远接收信号的功率电平降至 的衰减量。 由式（3-17）、（3-18），对地层衰减测

13、量的关键在于如何把一个功率电平为 的射频信号衰减为功率电平等于 的信号，并测出其衰减量NV（或FV、NVR、FVR）。这个测量过2P2P1P2P程可以由下图所示的自动增益控制电路来完成。 电路由衰减器、线性放大器和衰减控制器组成。线性放大器的阈值功率电平为 ，并使 的取值保持恒定，且小于输入信号的功率电平2P1P2P 。在衰减控制器的作用下，衰减器的衰减量（即对输入信号衰减的分贝数）与放大器的输出电平成正比。电路工作时，功率电平为 的输入信号经衰减器衰减后与功率电平 的阀值信号进行比较，比较差值经放大器放大并通过衰减控制器对衰减器的减量进行调节，这个调节过程将在极短时间内自动完成，调节结果使衰

14、减器输出信号的功率电平值逼近 ，此时，调节过程结束，电路达到平衡。电路平衡意味着衰减器衰减量恰好等于使功率电平为 的信号衰减，到功率电平为 的衰减量，而这时放大器的输出电平就是该衰减量的指示电平。 目前，EPT测井仪衰减测量的绝对误差可以 2P1P1P2P2P做到小于12dB。3.2.2.传播时间的测量 如果EPT测井仪的设计能够保证远、近接收天线上接收信号的相移不超过360 ，则可通过检测这两个接收射频信号的相位差来求取传播时间。对单发双收天线系统，若两接收天线间的距离为E，接收信号的相位差为PS（单位为度），则传播时间 为： 1PT)/(.21mnsPSKTP（3-19） 式中， ；f为射

15、频信号频率。 对双发双收天线系统，传播时间取上、下两次发射测量的传播时间的平均值，即：fEK3601092)/(221mnsPSDPSUKTP（3-20） 式中，PSD为下发射时测得的相对差；PSU为上发射时测得的相位差。 在EPT测井仪中、远、近接收信号的相位差PS是通过对两接收信号同相位点之间的时间差的测量间接得到的。可是，对于1.1GHz的射频信号，当相位差为360时所对应的时间差还不 到1ns，因此直接对1.1GHz的射频接收信号进行相位差测量是很难保证测量精度的。对射频信号进行外差降频，然后在低频情况下进行相位差测量是提高测量精度的有效方法。 降频测量相位差的原理是：对于两个相位差为

16、 ，频率都为 的高频信号： 1f)2cos()()2cos()(11tfBtbtfAta让它们分别与频率 ( )的信号进行外差，所得差频信号分别为：2f2f1f)(2cos2)()(2cos2)(1212tffBCtbtffACta 如果 比较接近 ，则外差的结果使高频信号 变换成了相应的低频信号2f1f)(ta和 并且 之间的相位差 与原高频信号 间的相应差保持不变。 EPT仪器在进行相位差测量时，把1.1GHz信号通过外差方法降至4KHz的低频信号，这样360相位差所对应的等相位时间差为 )(tb)()(tbta和)()(tbta和)()(tbta和ns41025，与1.1GHz射频信号相比，相当于把相位差所对应的时间差放大了数十万倍，保证了相位测量的精确度。3.2.3.无损耗传播时间的计算 根据式（3-9），平面电磁波在耗散介质中的无损耗传播时间的计算公式为：222124fEATTTTPPO（3-21） 但是EPT测井仪的发射天线不可能以平面波的形式向地层辐射微波，这种非平面波在介质中传播时其能量会随传播距离的增加而发生几何扩散，因此实际测量到的电磁波衰减EATT是由几何扩散衰减和介质损耗衰减共同作用的结果。在使用式