（地球探测与信息技术专业论文）圈定油气藏边界的井地电法研究.pdf

摘要 井地电法是指在井中供电、在地面接收电磁场的类电法，在金属矿床、水 文、工程等领域早有应用。本文主要研究应用于油气勘探开发的井地电法，利用 该方法可以圈定已知油气藏边界、预测周边的含油气有利区块以及监测油气田开 发中油水动态等，这是目前油气勘探开发中一类重要而又急需的方法技术。本文 对该方法物理机理、工作方法、数据处理及资料解释等多个方面进行了全面的研 究。主要在以下几个方面取得了理论和应用上的突破和创新。 本文探讨了目前井地电法现状，进行了归类，特别是针对俄罗斯井地电法 的不足：仅测量水平电场分量，只研究某频率的激发极化相位差和电阻率异常来 检测含油气，本文提出了新型井地电法井地时频电磁测深法，给出了相应的 施工方法和在时间域和频率域同时研究目标体的电阻率和极化率异常以提高精度 的方案，使该方法得到了进一步的完善( 见第二章) 。 作者在总结前人研究基础之上，提出油气勘探的激发极化机理主要是由于 油、气、水与围岩之间双电层产生的充放电效应；同时，提出了油气藏形成的异 常( 包括电阻率和极化率) 具有“环状三层楼”式的电性异常模式，因此，强调研 究油气藏从浅到深的异常变化，从异常的整体特征来评价含油气性，对于准确检 测油气藏极为重要而且具有重要意义( 见第一章) 。 开展了针对钢套管影响的物理和数值模拟研究，明确了钢套管的影响，指 出井中激发时钢套管对激发电场的影响比较明显，虽然改变了点源场的特征，但 与钢套管直接供电激发有明显差别，对于实际工作具有指导意义( 见第三章) 。 通过直流电三维物理模拟和三维数值模拟，研究了井地直流电异常规律， 指出在上下两套油水层之问放置激发点是提高储层预测精度的重要措施，分析和 讨论了有关异常规律，对于指导实际工作具有明确的作用( 见第四章) 。 开展了井地电磁测深法三维数值模拟研究，计算并分析了不同模型的异常， 总结了不同参数对各个场分量的影响规律，为井地电磁测深法实际工作提供了理 论指导；同时探索了该方法的三维反演方法取得了一定进展( 见第五章) 。 引入小波多尺度分析方法对实测井地电磁法时间域信号进行研究，为实测 信号频谱分析提出了新的思路，引入小非线性小波阈值去噪方法对实测信号去噪 取得了明显的效果，引入二维离散小波对电阻率断面进行去噪与静态位移校正表 明该方法对于电磁法提高精度具有重要意义( 见第六章) 。 展示了我国东西部三个典型油气田储层研究实例。该方法在我国七个油用， 卜余口探井丌展了井地电法圈定油气藏边界和预测相邻断块的含油气情况的试验 和生产，都取得了好的效果，多数井区事后钻探验证成功率达到8 5 以上，提高 了油田滚动勘探开发效益( 见第七章) 。 关键词：井地电法，异常模式，油气边界，三维模拟，小波分析 r e s e a r c ht ob o r e h o l e - - s u r f a c ee l e c t r o m a g n e t i ct e c h n i q u e - a n e ww a yo fm a p p i n gr e s e r v o i rb o u n d a r y a u t h o ri n t r o d u c t i o n ：h ez h a n x i a n g ，m a l e ，b o r no no c t 4 ，1 9 6 2 u n d e rt h eg u i d eo f p r o f h ez h e n h u a ，h eg r a d u a t e da n dw a sa w a r d e d d o c d e g r e eo fe n g i n e e r i n go n g e o p h y s i c sa tc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yo nd e c 2 0 0 5 a b s t r a c t b o r e h o l e s u r f a c et e c h n i q u ei sak i n do fe l e c t r i ct e c h n i q u et h a tt h ep o w e rs o u r c ei s l o c a t e da tb o r e h o l ea n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa r eo b s e r v e do ng r o u n d i ti sm a i n l yu s e d t od e l i m i tak n o w nh y d r o c a r b o nr e s e r v o i ra n dd e t e c tp o s s i b l eh y d r o c a r b o n b e a r i n g b l o c k sa d j a c e n tt ot h ek n o w nr e s e r v o i r t h et e c h n i q u eo r i g i n a t e df r o mr u s s i a na n di s r e g a r d e da sa l li m p o r t a n ta n du r g e n tt e c h n i q u ef o rh y d r o c a r b o ne x p l o r a t i o n t h ep a p e r p r e s e n t st h er e s e a r c hp r o d u c t i o no np h y s i c a lm e c h a n i s m ，a c q u i s i t i o nm e t h o d ，d a t a p r o c e s s i n g a n di n t e r p r e t a t i o n ，e t c a b o u tt h et e c h n i q u e t h em a i nt h e o r e t i c a la n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no b t a i n e dd u r i n gt h er e s e a r c hi sd e s c r i b e da s f o l l o w s ： 1 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t a t u sq u oo fb o r e h o l e s u r f a c et e c h n i q u ea n di t s c l a s s i f i c a t i o n f o rs o l v ei t sd e f i c i e n c i e si nr u s s i a nt h a tt h em e t h o dr e c o r d so n l y h o r i z o n t a le l e c t r i cc o m p o n e n ta n ds t u d i e si pp h a s ed i f f e r e n c ea n d r e s i s t i v i t ya n o m a l yo f o n l yad e f i n i t ef r e q u e n c yt od e c i d ei t sh y d r o c a r b o n - b e a r i n gn a t u r e ，t h ea u t h o rb r i n g s f o r w a r dan e wb o r e h o l e s u r f a c ee l e c t r i cm e t h o d ，i e b o r e h o l e s u r f a c et i m e f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cs o u n d i n gm e t h o d ，a n dp r e s e n t si t sf i e l dl a y o u t a n di nt h ep a p e r ， a u t h o rp r e s e n t sat h i n k i n go fi m p r o v i n gp r e c i s i o n ，i e aw a yt os t u d yr e s i s t i v i t ya n d p o l a r i z a b i l i t ya n o m a l i e so fo b j e c t i v eb o t hi nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n s i m u l t a n e o u s l y i tp e r f e c t st h et e c h n i q u e 2 b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c hf r u i t ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h ev i e w p o i n tt h a t t h em e c h a n i s mo fi n d u c e dp o l a r i z a t i o nd e t e c t i o ni se l e c t r i c a lc h a r g ea n dr e l e a s ee f f e c t o fd o u b l ee l e c t r i ci n t e r f a c e sb e t w e e no i lo rw a t e ra n dh o s t a n da n o t h e rv i e w p o i n tt h a t a n o m a l i e s ( i n c l u d i n gr e s i s t i v i t ya n dp o l a r i z a b i l i t y ) d u et or e s e r v o i rc a nb ed e s c r i b e db y at h r e e l a y e rg e o - e l e c t r i ca n o m a l yp a r e mi sb r i n g sf o r w a r d ，s oa u t h o rf o c u s e so n r e s e r v o i ra n o m a l yv a r i a t i o nf r o ms h a l l o wt od e e pa n dt ov a l u et h eh y d r o c a r b o n - b e a r i n g n a t u r eb a s e do ni t sw h o l ea n o m a l yd i s t r i b u t i o nf e a t u r e ，w h i c hi si m p o r t a n tf o re x a c t i i d e t e c t i o no f h y d r o c a r b o nr e s e r v o i r ( s e ec h a p t e r1 ) 3 p h y s i c a la n dn u m e r i c a la n a l o gc o m p u t a t i o no ni n f l u e n c eo fs t e e lc a s i n gd e f i n e s t h ei n f l u e n c ea n di n d i c a t e st h a t s t e e l c a s i n gc a ni n f l u e n c ei n d u c e de l e c t r i c a lf i e l d m a r k e d l yw h e np o w e ri sl o c a t e da tb o r e h o l e e v e np o i n ts o u r c ec h a r a c t e ri sc h a n g e d ，i t s f i e l df e a t u r ei sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h ef e a t u r ew h e ns t e e lc a s i n gi sp o w e r e dd i r e c t l y t h ec o n c l u s i o ni sa l li m p o r t a n tg u i d ef o r p r a c t i c a lw o r k ( s e ec h a p t e r3 ) 4 3 dp h y s i c a la n dn u m e r i c a la n a l o go nd cb o r e h o l e - s u r f a c em o d e ls h o w si t s a n o m a l yd i s t r i b u t i o nr u l e s t h es t u d ys h o w st h a tt ol o c a t ep o w e rs o u r c eb e t w e e nt h e u p p e ro i l w a t e rl a y e ra n dt h en e t h e ro n ei sa ni m p o r t a n ta n de f f e c t i v ew a yt oi m p r o v e d e t e c t i o np r e c i s i o no fr e s e r v o i rb e d s t h er e l a t e da n o m a l yd i s t r i b u t i o nr u l e sa r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h ep a p e r a l la b o v es t u d yi si m p o r t a n tf o rp r a c t i c a lw o r k ( s e ec h a p t e r4 ) 5 t h ep a p e rp r e s e n t s3 db o r e h o l es u r f a c ee ms o u n d i n gn u m e r i c a la n a l o g b a s e d o nt h ea n o m a l i e sc a l c u l a t i o nf o rd i f f e r e n tk i n d so fm o d e l s ，i n f l u e n c eo fa r r a yf a c t o r st o d i f f e r e n tf i e l dc o m p o n e n t si ss t u d i e da n dc o n c l u d e d ，w h i c hi sat h e o r e t i c a lg u i d ef o r p r a c t i c a lb o r e h o l es u r f a c ee ms o u n d i n gw o r k a tt h es a m et i m e ，r e l a t e d3 di n v e r s i o n m e t h o di sd i s c u s s e da n dg e t ss o m ed e v e l o p m e n t ( s e ec h a p t e r5 ) 6 w a v e l e t s m u l t i s c a l ea n a l y s i sm e t h o di si n t r o d u c e dt os t u d yo b s e r v e dt i m e d o m a i ns i g n a l ，w h i c hp r o v i d ean e wt h i n k i n gf o rs p e c t r a la n a l y s i so fo b s e r v e ds i g n a l n o n l i n e a rw a v e l e tt h r e s h o l dv a l u en o i s er e m o v i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt oo b s e r v e d s i g n a la n dt h ee f f e c ti sv e r yd i s t i n c t a n d2 dd i s c r e t ew a v e l e ti si n t r o d u c e dt od on o i s e a t t e n u a t i o na n ds t a t i cd i s p l a c e m e n tc o r r e c t i o nf o rr e s i s t i v i t ys e c t i o n s t h e s em e a s u r e s c a i e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ee f f e c to f e me x p l o r a t i o n ( s e ec h a p t e r6 ) d a t aa c q u i r e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o nm e t h o d so nw e l lh u l 3 2w e r e s t u d i e da n dt h ec a s es h o w st h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u e b o r e h o l e s u r f a c et e c h n i q u ei ss u c c e s s f u l l ya p p l i e do nf i v eo i l f i e l d sa n de i g h tw e l l st od e l i m i t r e s e r v o i ra n dp r e d i c tt h eh y d r o c a r b o n - b e a r i n gn a t u r eo fa d j a c e n tb l o c k s t h es u c c e s s r a t eo fd r i l l e dw e l l si su pt o8 5 a n dt h et e c h n i q u ei m p r o v e so i l f i e l de x p l o r a t i o nb e n e f i t ( s e ec h a p t e r7 ) k e yw o r d s ：b o r e h o l e - s u r f a c eg e o e l e c t r i ct e c h n i q u e ，r e s i s t i v i t y ，p o l a r i z a b i l i t y a n o m a l yp a t t e m ，m a p p i n gr e s e r v o i rb o u n d a r y ，3 da n a l o g ，w a v e l e ta n a l y s i s i i i 引言 我国东部油田的开采大都进入中晚期，人多数油田丌始转入以岩性油气藏勘 探开发为主，而我国中西部油田随着滚动勘探开发的不断深入，丌发目标越来越 隐蔽、复杂，针对这些目标的勘探开发难度相应地也越来越大【1 1 1 2 1 1 3 1 。总体上，我 国油气勘探开发突出表现在对已知目标区的含油范围与边界及与相邻区块的关系 很难确定，特别是剩余油气很难完全发现和采出，采出比低，油田经济效益难以 提高。因此，准确研究目标区( 如岩性储层) 的含油气性、确定已知油藏的分布 范围和边界，监测注水水驱分布及动态，特别是剩余油气的分布，是滚动勘探开 发中急需解决的问题之- - 4 l 【5 】【6 】。这也是中石油集团公司连续两个五年勘探科研攻 关主要目标，其目的就是寄希望在油气f 日勘探开发领域出现创新技术，以提高油 田开发效益。本文的选题就是基于这一科研背景。 众所周知，电法、电磁方法在测井技术中占有重要地位【7 】【8 l 愀1 0 l 1 1 ，如直流电 测井、自然电位测井、微电阻率测井、介电测井、感应测井、电阻率成像测井技 术等，这些方法对油田开发起到的作用不言而喻。但是这些测井技术只是研究井 孔周围较小范围岩性和油气水特征，当井网密度太稀时，难以完成滚动勘探开发 中对整个油田研究的任务，而油田勘探开发要研究的是井孔以外整个油气田空间 展布，油藏的构造形态，油气富集区及井问流体分布等1 1 2 1 ，从而达到调整滚动勘 探程序、指导部署开发井网、提高油田勘探开发效益的目的。因此需要探测范围 大针对性强的一些方法技术，特别是在油田开发的前期。 在油气田勘探开发中，地震方法，如三维v s p 、跨孔地震等1 1 3 】【1 4 l 【1 5 】，将是滚 动勘探开发的主要手段，用于确定油气藏结构和空间展布、指出油气富集空间位 置；四维地震还可以用于监测油气田开采动态、寻找剩余油气。但是，由于地震 波阻抗对油气储层的孔隙度、渗透率和饱和度等参数不太灵敏，因此，地震储层 描述的效果还并不如人意。 已有的研究表明，地层的电性较之p 波速度受孔隙度、渗透率、饱和度及温 度的变化要大得多【”。正是由于电阻率对油气储层的饱和度以及孔隙度、渗透率 等参数反应更为灵敏，因此，电磁法在油田勘探开发应用中具有自身独特的优势， 1 而且方法种类多、变化多，适应性强，经济快速等等。近年来，随着电磁测深技 术的快速发展以及油气田高效益、低成本的商业开发需求加剧，电磁测深技术开 始在一些特殊勘探领域发挥作用，其中，最重要的发展就是渗透到油田勘探开发 领域，进行油田开发注水监测以及圈定油气阳边界【1 8 1 【1 9 】 2 0 1 2 ”。 电磁测深方法种类繁多，其中，地面电法在油气勘探中的研究和应用最多， 特别是在油气勘探前期，作为复杂区有利构造带的侦探手段，已经而且正在发挥 重要的作用【2 2 】，但是由于精度和分辨率的原因难以应用于油气田勘探开发。上世 纪九十年代以来，井地、井中、井间电磁法研究与应用逐渐增多【2 4 】【2 5 】【2 6 1 ，展 现出在油气田勘探、注水开采监测以及寻找剩余油气等方面的广阔应用前景。这 些方法应用于发现油气后，配合地震进行油水的识别和油气田边界的圈定，评价 地震所落实的构造之含油气性；在后期的油田开发中配合地震或其他方法进行油 气开采动态监测以及老井的重新评价和剩余油气分布的确定等。实践表明这是降 低成本、减少钻探风险和合理部署开发井网的有效手段，具有重要的实际意义。 在这些电磁勘探技术中，井地电磁测深方法具有独特性。我们知道地面电磁 测深在地面激发，地面接收，施工方便，但由于激发油气藏目标的能量被部分吸 收、衰减，必需采用特别强大的激发场源才能取得好的效果；而井中电磁技术一 一电磁测井，对储层的识别能力强、分辨率高，但是测量装置局限在井筒内、激 发能量小、探测的范围有限，单井难以很好地完成油气藏的描述；而井间电磁技 术需要不少于两口探井，激发和接收均须置于井中，由于存在两层钢套管的吸收， 加之成本高、处理解释技术不成熟，目前还难以应用于生产f 2 5 l z 6 ：而井地电磁测 深方法或以井作为激发场源、或将场源置于井中储层附近，近距离地激发油气储 层，在地面布设接收装置，旆工方便效率高，研究范围比传统测井要大，分辨率 比常规地面电法要高，因此，井地电磁测深方法是目前油气藏滚动勘探开发现实 而又有效的方法之一。 井地电法一般是指直流电传导类电法( g c o e l e c t r i cm e t h o d ) ，井地电磁法是指 交流感应类电法( g e o e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ) ，为了叙述方便如未加说明本文所称 井地电法是指所有井下激发地面接收的电法方法( 包括直流电法和交流电法) 。国 际国内学者对井地电法研究和应用并不是近几年的事，最早的井地电法要数寻找 2 金属矿床的充电法【2 7 1 【2 8 l ，即在矿点钻井见矿，在井下见矿点供电，由于矿床导电 性好，输入的电流沿着矿床( 或矿脉) 流动，测量地面电位即可追踪圈定矿床范 围；在地下水的勘探中也采用充电法，利用见水井作为充电点，测量地面电位追 踪水流方位走向；在工程勘察中也采用浅井或坑道充电，测量地面电位寻找地下 管线或地下埋藏体。在油气勘探中，根据这一方法原理，上世纪就将井地充电法 应用于油田开发注水监测中，日本九州大学工程地球物理实验室发展了一项用于 对压裂裂缝成像的地电监测技术，它就是以油井金属套管为供电电极，向地下发 射脉冲信号，地面连续观测，达到对裂缝动态成像【。在国内井地充电法也早就 进行了研究和应用。近几年，该方法在我国东部油田已经多次应用【2 ，表明用于 油田注水监测能够很有效地确定水驱走向方位和距离p 川，由于采用套管供电，流 入目标地层的电流被套管分散，加之，一般只测量地面径向电位梯度分量，没有 很好的采集质量控制措施，现有方法还难以有效区分深浅不同异常场源( 浅层干 扰源和深层油气藏) 。为了提高分辨率采用井下直流点源激发，观测地面电位，西 南石油学院对直流点源工作方式做了很多水槽模拟研究，表明油气藏下直流点源 激发，地面电位异常明显，可以比较好的圈定油气藏边界【3 1 j 1 3 2 】【3 3 】。由于激发点可 以移动，因此，能够选择要研究的目标作最有效的激发，不过，目前直流点源激 发的方式仍然存在激发点和地面采集数据不足的问题。但是根本的问题还是直流 场源本身理论上就存在分辨率较低，抗干扰能力差等不足。对此，俄罗斯提出了 井地电磁法，选择多频方波井下激发、地面测量径向交流电位梯度的方法，可以 根据目标深浅选择激发频段，获得电性断面和激电双频相位或三频相位，主要选 用相当于储层深度的某一频率的激发极化和电阻率异常来评价储层的含油气性 2 3 1 1 2 4 1 。在我国进行的试验表明该方法对于圈定已知含油气边界和预测相邻断块的 含油气情况是有效的。但是俄罗斯的井地电磁法主要是频率域、一般只测量径向 电场分量，资料处理解释以定性解释为主，还未开展三维模拟，对该方法的三维 异常特征研究几乎是空白。 同时，该方法检测油气的机理还不甚清楚，根据国外及俄罗斯有关文献的介 绍与国内激发极化找油的机理的研究3 4 1 1 3 5 】【3 6 】，比较公认的是由于烃类的垂直运移， 烃类会不断地滞留在油气田的上方，从而改变了油气田上方岩层的物理、化学性 3 质和氧化还原环境，并使上覆岩层发生蚀变，在近地表形成黄铁矿化、磁铁矿化 及特殊碳酸盐化等。传统的激电法找油就是探测与油气逸散或渗流有关的、在油 气减上部近地表岩层中形成的次生黄铁矿浸染晕。但是自从上世纪九十年代中叶 以来，国内油气勘探界通过钻井岩心研究对比表明：有些试验研究结果难以解释 深层油气与浅层激电异常的关系，对这一理论已经提出了质疑【3 7 】【3 8 】。后来，地矿 部一物与地质大学合作开展了复电阻率法( c r 法) ( 又称频谱激电法，英文简称 s i p ) 检测油气藏的理论和实践研究，提出了油气藏的激发极化异常是一个从油气 运移、储藏、渗漏直至向上逸散整个过程逐步形成的复杂异常体的激发极化异常 模式【3 9 l ，把复电阻率找油归结为寻找油气藏的复杂异常体，这一总结把对油气藏 激电效应的认识推至一个新的高度，为c r 法找油提供了机理方面的指导，同时也 不难看出这一认识显然使研究对象更全面，也使研究对象复杂化和模糊化，不利 于更精确描述和应用油气藏的激电效应。 针对上述井地电法、电磁法存在的不足，本文对井地充电法作了进一步的研 究，提出了更为完善的方案；对井地直流点源法开展了三维模拟，进一步完善了 相关技术，提出了三维差分( 逆v e p ) 电性探测技术；。特别是对井地电磁法进行 了重点研究，提出了时频电磁法工作方法，并对该方法圈定油水界面，检测含油 气储层进行了三维模拟研究，最后展示了典型应用实例。下面阐述本文的主要研 究内容： 首先，该方法检测油气的机理还不甚清楚。对此，作者在总结前人研究基础 之上提出具有“环状三层楼”的油气藏电性异常模式。油气藏的激发极化机理主 要是由于油气、水与固体界面之间的微观双相介质形成的双电层，这些双电层产 生的充放电效应就形成了油气藏宏观的激电响应；油气藏形成的异常主要包括电 阻率和极化率两类异常，两者都具有“环状三层楼”的油气藏电性异常模式，即 浅部主要为次生黄铁矿化晕形成的低阻、高极化异常( 与前人认识一致) ；而油气 藏本身的电阻率和极化率异常是主要的检测对象、也是最重要的研究目标，一般 来说为高阻高极化；油气藏至地表的中间部位也会产生蚀变，形成与上下相关联 的异常变化带，因此从浅至深具有三个特征差异明显的层状异常带，分层次研究 油气藏从浅到深的异常变化，从异常的整体特征来评价含油气性，对于准确检测 d 油气藏具有重要意义。 在施工方法研究方面，对俄罗斯提出的井地电法进行了研究和分析，目前该 方法只测量个电场分量( e r ) ，不测磁场。为了更进一步完善该方法作者提出了 井地时频电磁测深法，将时间域和频率域电磁法统一在一个系统中，时域和频域 数据一次采集分别处理，对多频激发信号除测量径向电场( e f ) 外，还测量切向磁 场( h + ) 以及垂直磁场( h z ) ，并计算电磁场的阻抗振幅和相位，对电磁场的时间 衰减信号进行时域分析，获得时间域的电阻率和相位。 对于井地电法人们最关心的是井下激发时钢套管对电磁场的屏蔽作用。井间 电磁层析成象方法还难于实际应用就因为钢套管的屏蔽和吸收，首先井中激发源 功率不能过大，其次，对油气目标激发产生的二次电磁场本来就微弱再经过钢套 管吸收后强度进一步减弱，因此，目前井间电磁只能探测约3 0 米远的距离以及成 象方法精度等，限制了该方法在油田开发中的进一步推广应用。而井地电法不存 在二次场被钢套管吸收问题，因此，具有信号较强的优点。那么钢套管对一次电 磁场的影响以及地面电磁场异常规律如何? 为此，作者开展了水槽模拟和数字模 拟研究。 。 对钢套管影响进行的水槽模拟研究初步明确了井中激发钢套管对激发电场的 影响特征，指出井中激发与直接用钢套管激发存在的差别有利于提商研究精度。 对油气藏进行了直流电法水槽模拟和数字模拟研究，结果表明：对于所要研 究的油气藏目标，井地电法能够比较有效的消除上方电性不均匀的影响；对于与 油气藏相邻的其它地质体，井地电法能够分辨出其不同的异常特征；对于上下两 套油水层同时存在的情况，在层与层之间有一定距离时井地电法有可能分别研究 出不同储层的分布范围。然后，采用三维数值模拟方法验证了上述结论的正确性， 进一步完善了井地直流电法的方法理论。 发展了垂直双极源三维数值模拟体积分方程法，对多种模型进行了三维数值 模拟研究，分析了不同模型的异常规律，不同频率的激发信号反映一定深度的异 常体，不同场分量的异常特征存在明显差别，因此，对于不同地质问题应该根据 地电条件进行正演模拟，选择合适的激发频带，同时，选择最有效的电磁场分量 作为研究对象指导野外工作和数据采集。特别是对模型电阻率、极化率等物性参 5 数变化产生的电磁场异常进行了研究，总结了不同参数对各个场分量的影响规律： 进行了共轭梯度非线性理论模型反演，能够比较精确的得到模型边界，但对套管 影响模型中央精度。这些正反演模拟研究为井地电磁测深法实际工作提供了理论 指导，同时开展了三维反演方法探索，并取得了初步进展。同时，在三维模拟中 引入c o l e c o l e 模型，对激发极化效应进行了较全面的模型模拟研究，明确了激电 效应的异常规律。 在井地时频电磁法资料预处理中，引入小波多尺度分析方法，对原始信号进 行频谱分析对于了解信号质量和信号成分具有实际意义；引入非线性小波闽值去 噪技术，取得了好的效果。同时开展了二维小波分析应用于电磁剖面去噪与静态 位移校正。 最后，本文重点介绍了应用井地电法进行注水监测和对我国东西部地区不同 地表地下条件、不同类型油气藏的三个油气田油气储层预测的应用研究。第一个 是黄土高原c h 油田c h 3 2 井，采用井地电法对地表复杂的c h 3 2 井砂岩油气藏边 界和相邻断块含油气性的研究，划分出了已知油气藏范围，另外，发现四个有利 区。尔后油田公司在其中两个有利区钻探的c h l 4 0 井和c h l 4 1 井均获得油气突破。 第二个是在我国东部某潜山油田g h l 9 井区开展了井地电磁法试验，通过求取综合 参数异常，确定出三个最有利断块，解释结果与油公司实际掌握的情况一致，推 断解释结果得到油田方面的肯定。据此部署了九口开发井，其中八口获得工业油 流一口有显示。第三个是西部山前带q 1 井区裂缝性油气藏预测，通过工作圈定了 两个最有利区，其中一个是已知出油区( q 1 井区) ，井地电法给定了含油边界， 特别有意义的是在q 1 井断块以北发现了另一具有相同异常特征有利区，这两个异 常区都有多条测线控制，因此异常是比较可靠的。该成果得到油田部门的重视和 肯定，并按此部署开发井。 近几年，井地电法在我国七个油田，十余口探井开展了井地电法圈定油气藏 边界和预测相邻断块的含油气情况的试验和生产，都取得了好的效果，多数井区 事后钻探得到验证，成功率达到8 5 以上，提高了油田滚动勘探开发效益。 本文在前人研究成果基础上，对应用于油气田勘探开发的井地电法从多个角 度较全面的进行了创新性的研究，把井地电法的研究推向了一个新的高度。特别 6 是这里提出的井地时频电磁测深技术是一种可以直接进行油气储层检测和评价的 新型电磁测深方法，弥补了国内对该方法研究和应用的空白，对于我国电磁测深 方法的发展具有重要意义；同时，由于该方法对油气藏含油气检测的独特优势， 有可能成为我国油气勘探开发中一种比较廉价而又有效的方法。 7 第1 章井地电法油气检测机理与异常模式 1 1 前言 研究井地电磁法主要目的是开展油气检测，那么首先要搞清井地电磁法油气 检测的机理。 常规地震勘探方法在油气勘探、开发中已经和一直发挥着重要作用，但为什 么我们又要提出井地电磁法油气检测技术呢? 原因有三：、随着地表、地下地 质条件的复杂和勘探开发目标的变化，常规地震资料的品质难以满足油气勘探开 发的需要，造成勘探开发成本和地质风险较高；、油气成藏后会引起储集层周 围及上方介质物理、化学和其它响应的异常，特别是电的、电化学的异常，这是 电磁勘探的基础理论，也就是说，电磁法直接或间接找油找气方法具有坚实的理 论基础，井地电磁法具有其它电法所不具有的优势；、随着计算机技术的飞速 发展，用于电磁勘探的仪器观测精度成几倍、几十甚至几百倍的提高，观测方式 多样化，资料处理方法的多维化和科学化等使得电磁勘探精度大幅度提高，使定 量、半定量的识别油气藏异常边界和深度成为可能。井地电磁法正是现代高新技 术发展的产物，井地电磁法是电磁方法中具有特殊优势的油气检测技术。 为什么这么说? 我们还是从整个非地震油气检测技术来讨论。众所周知，非 地震油气检测技术种类繁多【3 “，可以分为地球物理的和地球化学的两大类。地球 物理方法中主要分为电法和电磁法、重力和磁力、遥感和地温等。地球化学方法 中有烃类检测和非烃类检测，一般把与油气藏直接相关联的烃类或其物性检测方 法归为直接找油方法，而其它探测油气藏的次生效应，并通过次生的物理或化学 异常来推断含油气情况的方法属于间接找油方法。 笔者认为，非地震勘探方法中，电磁勘探和地球化学勘探属于“直接探测” 法。但两者有质的差别，地球化学勘探是检测油气藏渗漏到地表的烃类分子，因 此可以说是“直接检测”到了烃类，并没有检测到油气藏本身；电磁测深勘探不 是检测油气藏中的烃类成分，但是直接探测到了油气藏本身【3 5 1 ，它探测的是油气 藏的电的和电化学的异常，既可以获得从浅到深与油气藏相关的信息，又能通过 8 - 研究油气藏本身及周围的物理特性来确定含油气状况。因此，从这方面来说电磁 测深方法具有其它非震方法所不可比拟的优势。而井地电磁法与其它地面电磁测 深方法相比较，两者检测油气的机理完全相同，其明显的特征在于井地电磁法激 发场源位于井中，形成对油气藏更有效的激发，加之激发点可以根据油气藏特点 灵活放置。因此，井地电磁法是油气检测技术中最为重要和最有潜力的方法。 1 2 油气藏的岩石物性特征 不论是何种油气圈闭类型，二次运移理论认为，油气组分进入储集层后，在 地层水的携带下向圈闭处运移并在圈闭中形成聚集，从而成为油气藏。油气在圈 闭中的聚集实际上是油气组分排驱圈闭储层孔隙水的过程，最终形成油气水的分 层，而水则在平面上形成了一个围绕油气藏的水环。 对于油气水系统来说是一个多相平衡系统，其油相、油水过渡相和水相三者 处于动力学平衡状态。从物理化学作用的角度来说，油水过渡( 区) 是该系统中 物理化学反应最活跃的区域，油、水的相互排替、各种水解作用、化合物的相互 作用等均在此区域内完成，最终处于动念平衡。 油气藏周围油田水中各种组分浓度沿侧向向外的变化，从纯油相到油水过渡 区到纯水相，有机化合物的浓度逐渐降低，而无机组分则在油相区含量很低，在 油水过度区及其稍外侧形成最大浓度分布区，到纯水相以外，无机组分的浓度也 比较低。 无论是构造油气藏还是其它隐蔽油气藏上述油气水相态变化规律是一致的。 用地球物理的方法研究油气藏这种物理相态，确定其物性特征就可以对油气藏是 否含油做出预测。由于油水电性差异明显，所以电磁法对油水界面具有较强的识 别能力。 由上可知，油气藏最明显的特征就是油气和水的环状建造，因此，油气藏的 物性也就是油气和水的物性，搞清了油、气、水的物性也就搞清了油气藏的物性。 我们可以看一下油、气、水的物性特征f 6 9 1 ，见表1 ：油、气、水都无磁性；油和水 的密度和速度差异都比较小，在常温下油、水的密度几乎没有差异，常温下油、 水的速度差异最大可达1 5 ，与水的矿化度和油的组分有关；天然气与水的密度 和速度在常压下有明显的差异，而地下深处高压下的天然气一般也为流态，因此， 9 随着天然气储藏加深这种差异会减小；油、气、水的电性差异非常明显，油、气 和水的相对介电常数达到近4 0 倍，而电阻率的差异更大，因为，自然界地下水大 都有一定矿化度，其电阻率一般小于1 0 0 f 2 m ，比如水含n a c l0 0 1 时电阻率为 8 9 4 t i m ，随着矿化度增加电阻率迅速降低，含n a c i1 时电阻率为9 3 4 q m ，因此， 地下水是导电的，而油、气则为绝缘体。因此，油气储藏的电性特征是最引人注 目的。这也正是电测井成为测井解释技术中主要方法的原因。 表1 ：油、气、水的物性特征 d k g m 3 】k m 3 k g 】 v p m s 】 r p q m 】 d i s t i l l1 0 00 9 x 1 0 - 5t 4 9 28 12 8 x 1 0 5 w a t e r 1 0 n a c l1 0 7 31 6 0 57 9 71 0 3 1 0 0 1 0 01 0 4 x 1 0 41 2 8 02 2 1 0 9 o i l 7 0 00 7 01 2 6 1 2 2 1 0 00 0 0 0 7 7 31 0 x 1 0 8 4 3 0 ( c h 4 ) 1 0 1 1 g a s 9 3 0 0 2 5 2 2 1 3 油气藏激发极化异常微观机理 前面述及油气藏及其周围存在一个多相动态平衡的油气水系统，其油相、油 水过渡相和水相以及固液交互相、固相形成一个自内往外的多相系统。油气藏就 是在固相介质之中的多相平衡系统( 本节有关内容请参考文献 3 6 1 4 0 】) 。 在油气藏内部的液相由溶液分子和溶质离子组成，并且它们可在空间内任意 运动。在液相中没有自由电子，液相中的电流是由离子的定向运动产生的。液相 中电流的流动与溶液中游离分子的宏观运动有关，这可能导致溶液浓度的局部变 化以及非电性相互作用力的出现，其中包括渗透压。在这种情况下分子和离子都 试图从高浓度区流向低浓度区，换句话说，在溶液中可能形成扩散离子流，其运 动方向与电荷正负无关。当带有不同电荷的离子流的运动速度出现差异时，扩散 的离子流就可能形成电流。这里我们有必要把液相分为油气和水两个不同的对象 有机液相和无机液相。在油气藏含油气的主体，主要是有机分子，即有机液 1 0 相，它们没有水那样活泼的性质，其中有机分子和溶质离子也比较稀少，因此导 电性不好，极化性也不强；在油气藏外围存在一个由水形成的围绕油气藏的水环， 主要是水，即无机液相，由于水的溶解力强，因此存在与无机液相相关两个过渡 相带，与油交界处形成油水过渡相，如图1 1 中的处；与围岩交界处形成固液交 互相，如图1 - 1 中的处；油气直接与围岩接触也能形成另一种固液交互相，如图 1 - 1 中的处。 图1 - 1 油气藏双向介质模式 油气与水之间形成的油水过渡相中，会发生油水的相互排替、有机物的水解 以及化合物的相互作用等，一定条件下处于动态平衡，它们的交界处形成双电层 油水双电层。 水与围岩之间形成( 水、岩石) 固液交互相，会产生很强的化学作用水与 围岩间分子、离子的分解、溶解以及结晶等，并最终达到动态平衡。 在油气与围岩之