地井垂直电磁Walkaway剖面法油藏开发三维模型电场响应特征.docx

1、非地震文章编号：1000-7210(2012)04-0653-12地井垂直电磁Walkaway剖面法油藏开发三维模型电场响应特征李静和何展翔(中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北武汉430074：桂林理工大学地球科学学院.广西桂林541004,东方地球物理公司，河北涿州072751)李静和，何展翔.地井垂直电磁Walkaway剖面法油藏开发三维模型电场响应特征.石油地球物理勘探，2012,47(4)：653664摘要地面激发、井中接收是有可能在油田开发中了解剩余油气分布的一类地井电磁勘探技术。本文提出地井垂直电磁Walkaway面法，采用积分方程三维模拟软件，对地面变井源距施工方式

2、中的目标体电阻率、尺寸、埋深以及高井距离的模拟，反映了该方法在油气藏开发动态变化的异常响座规律；通过模拟和分析均匀介质背景与层状介质背景两种情况下三维油藏目标动态模型的异常特征，表明该方法探测范围大，信喉比高.可有效监测油气动态变化，为该方法在油田开发中的庄用提供了一条新途径.关键词地井垂直电磁剖面三维积分方程模拟Walkaway异常响应规律中图分类号:P631文献标识妈：A1引言井筒电磁勘探方法已广泛应用于油气勘探领域，但金属套管井限制了井间电磁法横向探测范围，目前最大探测距离不超过lkm。若无上述限制，井地电磁法能达到约4km半径的勘探范围，但也只能识别油水平面展布，却难以精细分辨储层纵向

3、变化儿3。地井电磁法是另一种具有潜力的油水识别方法。在20世纪90年代初，Brian等。用地井电磁法监测热流前沿提高油气回收动态变化过程，取得了良好效果。Augustin等成、Wilt等曾对地井电磁法圈定油气藏进行了数值模拟研究；魏宝君等进行了地井电磁系统成像研究，均取得了一定效果。但是，传统地井电磁法横向分辨率低，受近地表强电磁场耦合干扰严重，使此法的应用受到限制。对此,Wilt等幻提出将接收数据分为近地表数据和深部地层数据，以此消除干扰，但此法的应用也局限于特定情况；张荣锋等提出固定井源距垂直电磁剖面地井电磁成像方案，但其分辨率和勘探范围依然有限，不能满足实际生产需要。为了便于下文描述，我

4、们把地面激发、接收装置固定在井孔中，得到以接收点垂直位置为纵坐标，以不同频率点或者趋伏范围为横坐标的测深剖面，称为地井垂直电磁剖面;把场源逐步远离接收井孔激发获得的一系列地井垂直剖面的叠加剖面的方法,称之为地井垂直电磁Walkaway剖面法。本文针对地井垂直电磁Walkaway剖面法，应用积分方程法三维正演软件对其三维模型响应进行模拟研究，考虑均匀半空间和层状介质两种背景模型，对模型的电阻率、规模、埋藏深度、离井距离等情况的电磁场进行模拟汁算.分析讨论了模型参数变化时的电磁响应特征和规律，以此了解地井垂直电磁剖面法的探测能力。限于篇幅，本文只讨论电场的响应特征和规律。2基本方法2.1工作方法如

5、图1所示，在井中(沿z方向)从浅至深一定范围内按一定间距布设电场接收装置，在地面(沿V*广西省桂林市桂林理工大学地球科学学院.541004.Email：lijinghe753本文于2011年6月8日收到，最终修改稿于2012年5月24日收到。本项研究受国家康大专项大型油气田及煤层气开发”中“高精度地球物理勘探技术研究与应用”项H(2011ZX05019-007)资助.662石油地球物理勘探2012年3.4探测油藏横向边界的模拟研究3.4.1均句介质中油藏模型响应特征设计模型与接收井距离分别为0,10.100.1000,2000.3000m.模拟接收器位于模型边缘到远离模型时的电场变化规律.如图

6、9所示c模型边缘接收时，异常响应对模型边界反映R好.尤其是左右边界.随着距离增加.异常响应由明显的边界反映变化为极值圈闭.圈闭频段降低并缩小；同0ig(n/Hz(a)mV/inIX1047X10*E-1500殳-2500IXIO5-IX10*-3500IX10*7X1011X1()'1X10"mV/m-15(X1IX10*7XI0$1X10cixia1500mV/mIX1047X10*11X1091X10*IX|047X|0sIX10IX101g/Hz-I顾|X|O«7X101X101X10*£ig(n/»z(e)MJmV/ininV'm

7、mV/m2500UI、於妻E、%!:1X10,7X10*-25001X10*1X10*-350(11X10*7X10IX|05IX104-3500200()31X)()inV/m片於ITE、«mV/m图9均匀介质中油藏模仪边界陶井距离变化频率域(左)和空间域(右)电场剖面图(b)Jg)100m«(c)Jh)1000mt(d).(i)2000mi(e),(j)3000m样.由于收发距悬殊.距离较大时上述模型等效现象越明显.异常上延伸越严重，空间域模型深度校正bt越大.实际应用时需特别注意。由分析可知.离井距离在2000m以内时.异常响应对模型反映较好。3.1.2层状介质中油藏

8、模型响应特征设汁离井距离变化计算的电场响应如图10所示,层状介质中浅部高阻层屏蔽作用对模型边缘处§«*lg(F)/Hz7X10*2X10»3X10*-5X1047X10*2X10I3X10*-5X1087X10*2X10*3X10*35MJ-5XI0,mV/mz/m(DmV/mmV/m7X1()，2XI053XI04-5X10*IgC/J/Hz7X1042X10«3X10*-5XI0*lg(H/Uz(e)既rinV/mmV/mI(XX)2(XMJ/Jm7X1042X103X10*mV/m接收场值有较大影响，左边界反映不明显；模型离井较近时，模型上下边界清

9、晰，圈闭极值范围对应模型尺寸；模型离井较远处，异常极值频率较低，频段较窄，异常阴影不明显，而对应模型的异常响应反映依然较好。由于模型埋深不变，不同井距离时异常响应对基底顶面反映一致，在相应深度出现平坦界面异常。总体上，当模型离井较近时反而存在较明显的阴影效应，异常极值能够很好地指示目标位置；油藏离井较远时异常极值依然能够指示油藏目标位置。综上所述，无论均匀介质还是层状介质，也无论是模型离井远近，应用地井垂直电磁Walkaway剖面法所获得的异常响应对模型反映均较好。4结束语通过对各种模型的模拟，考虑均匀介质和层状介质背景，指出应用地井垂直电磁Walkaway剖面法所获得的异常响应能较好反映模型

10、的存在，层状介质中异常对应频率更低。分析了不同模型异常规律，对模型电阻率、尺寸、埋深及离井距离等参数变化产生的电场异常进行了研究，指出在模型外接收时，电场分量异常响应可以反映模型电阻率变化，对低阻体模型反映更灵敏；异常响应能够反映尺寸较小、埋深较大以及远离接收井的模型存在，但所需进行的偏差校正量大，实际应用时需引起注意。模拟研究为地井电磁测深法实际工作提供了理论指导，为该方法三维反演奠定了基础。同样，需要指出的是本文只是考虑接收井与模型具有一定距离情况，当接收器位于异常体内时，异常响应有不稳定现象，需要进行进一步深入的研究。感谢东方地球物理公司综合物化探事业部刘雪军副总工程师、曹阳硕士、刘海樱

11、硕士、万海珍女士等给予的带助。掺考文献13物曦，潘和平.井间电磁场数值模拟及成像技术.物探与化探，2009,33(2):140147YangXi,PanHeping.Areviewofthenumericalsimulationandimagingtechnologyforcrossholeelectromagneticwave.GeophysicalandGeochemicalExpZo-.2009.33(2),1401472 何展翔.圈定油，藏边界的井地电法研究博士学位论文.四川成都：成都理工大学，2006王志刚等.井地电法的准解析近似三维反演研究.石油地球物理勘探.2007.42(2)：

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18、)i=1,2，N(8)叠加异常场定义如下(9)方向)于研究目标上方自井由近而远布设一系列激发场源.激发频率(0.01100Hz)从高频至低频扫描.以位于不同深度的井中测点为纵轴刻度,以频率或者趋伏深度为横轴.每一个激发场源均可获得一张垂在电傲剖面将所有场源激发获得的垂直电磁剖而登加.可以增强异常目标成像效果。由于在地面多个位置激发.增加了覆盈次数.提高了采集质量且信息虽丰富;采用长导线源，发射设备要求简便易实现.并能激励较大强度的信号.有利于提高电磁剖面的信噪比。接收器只需固定于一口井中.对野外实际情况要求低，考虑实际应用情况，本文仅研究接收点位于异常体外的电场响应特征。2.2三维积分方程数值

19、模拟及叠加异常的求取积分方程法是一种常用的、比较成熟的方法。在三维电磁正演数伉模拟中，总电场E和异常磁场H叫以如下积分方程式购表达E(rz)=皿Ge(/Ir)<7(r)Ea(r)dv-|-E*(rz)=GeM。)/?")+£*(/)(1)H(r)=|G”(/|r)Aer(r)Eu(r)dv4-=G/,A<7(r)E*(r)+Efc(r)(2)式中：GE(/|r),GH(rz|r)是被定义在电导率为久无边界的导电介质中的电场和磁场格林张ht；Ge和G”为其对应的线形格林算子；分别是异常电场、背景电场;r为场源至接收点的距离。在计算机上进行数值模拟时需要将式(1)、

20、式(2)变成离散化的形式对异常体用标准的离散方法”离散成、个小的六面体.将异常体的电场(式(】)写成离散形式.再将异常体离散成网格单元后.基于式(1)的电磁场正演模拟变成了关于求解未知总场外的线性方程组问题.即私=4(3)其中AA=IG)tr(4)式中M，由是异常体剖分网格中心的上，、和z方向的总场和背景场矢量；7为单位矩阵；为含电场格林函数积分的3NX3N阶矩阵；。为含异常电导率的3NX3N阶矩阵。Hursan,3将式(3)作一系列的变换.最后得到如下知阵f=Ijn(5)式中：L=m=M；,e0.其中Mi=diag(ys*.»ys*y?»y?*,*JJn»y/&

21、lt;N)=diag(o，。2'，'血'，a，a?,)(7)式中：#是背景电导率.，'从1到N；a,由下面的公式计算2#+¥Q,=20采用双共扼梯度法求解式(5).就可计算出异常体剖分单元网格上的总场.代入式(3)就可以求出异常体在地面上产生的异常场，上述计算已由Zhdanov等*将】实现.并可进彳r不同类型场源和不同收发位置装置.的三维积分方程模拟。本文主要是将以r.:维积分方程模拟方法和软件引入到地井垂直电磁Walkaway剖面三维模型响应模拟计算.并将多个源激发的数据按源到接收井距离与最大井源距比值为加权因子进行登加后分析异常场特征。其中：为源的

22、个数；d,为第i个源到接收井距离；dm为最大井源距；为第i个源计算的电磁场异常场;C为系数，定义为c=1+2+3+（一2）+（一1）+（10）将相应频率域异常由趋伏深度公式转换得到空间域异常特征。由多次实例模拟试验分析可知.完全依靠趋伏深度确定异常体的横向位置误差较大，需要进行相应校正。深度转换校正公式为A=kX356（11）其中:从为第i个频点转换的校正趋伏深度，由于对应横向范围，简称为趋伏范围；少为围岩电阻率.层状介质背景时用层厚度加权求取；为第i个频率；k为校正系数.用于对低阻异常体和高阻异常体以及所在层是高阻或低阻时进行调擀一般高阻或高阻层k为大于1,低阻时小于1。据试验分析可知，k的

23、取值范围通常为0.91.1。2.3模拟参数及基本模型设计观测系统:导线源长为2000m.垂宜于剖面方向移动,步长为500m.激发17次，激发频率范闱为0.01100Hz,共17个频点；接收点距为200m。图2为设计的基本油藏模型.其参数为：模型电阻率为500flm；模型尺寸为1000mX1000mX1000m.深度为1500m；均匀半空间（围岩）电阻率为25Qm.层状介质电阻率佝、仲分别为50.10,1000。m.厚度分别为500m和3000m；网格剖分间距为100m.部分为50m.通过此模型主要研究模型电阻率、尺寸、埋深、离井距离变化产生的电场异常规律。地血漱及施理一地面一激发弛拇9Q0Om

24、图2计算基本模塑示意图（a）均勾介质背景：（b）层状介质背景3油田开发三维模型响应特征研究3.1油藏开发三维模型电阻率变化模拟3.I.1均匀介质时油藏模型响应特征在油气藏从发现初期到开采殆尽的整个过程中.异常区域含油饱和度逐渐降低.电阻率不断变化.即从几乎不导电商阻体过渡到完全导电低阻体。由此.设计研究模型电阻率为100,20,0.2,0.1,0.01Qm.而均匀介质（围岩）电阻率为1Q-m0图3为y方向过模型中心剖面的计算响应，模型电阻率P与围岩电阻率伽比值分别为0.01,0.1,0.2.20,100,从上至下依次为低阻模型异常到高阻模型异常的变化;左为频率域右为空间域中电场响应剖面图,其中

25、纵坐标为相对埋藏深度，频率域横坐标为频率的对数.空间域横坐标为趋伏范围。从图中可见模型响应出现典型的圈闭极值特征.由于埋深相对激发源距离较小.圈闭极值上方出现异常上延伸，异常出现频段在0.15Hz.频率更高时儿乎无异常.计算值:均在0附近（图中浅蓝色）.频率较低时存在较低异常延伸趋势.且响应稳定，推断为异常阴影.即只要越过反映异常体的频段.频率再低也不会得到更多的信息；这种现象在空间域也有所表现.弄常响应随着异常体的距离增大而减小,在卷近接收井处出现极小值,而在异常体的背后出现异常阴影一整体上，模型电阻率与围岩电阻率差异越大异常越明显.差异越小异常越弱异常体与国岩的电阻率具有相同倍数时.异常响

26、应对低阻体反映比对高阻体强烈.这对注水胆油气动态过程的探测彬常有利。此外低阻体所形成的异常上延伸和异常阴影比高阻体明显，电阻率变化对圈闭极伉范囤也有影响.表现为电阻率越低，极值范围对应频段也越宽。3.1.2层状介质时油藏模型响应特征实际应用中地层结构复杂,有必要模拟层状介质背景下模型响应特征（图4）。模型上方存在一高阻层.需要电磁场有更低频率才能将其穿透向下传5X10*3X10*1X10*-1500-25000I2lg(n/HzmV/m2X10(a)5X10*3X10*1X102X105X10*3X10*1X10*-2X10-2-10lg(A*)/Hz5X10*3X10*1X10*-2X100

27、ig(n/Hz<c)-150()-250<)2tg(n/Hz(d)E、«®-500-1500231K>-35002X|0TmV/m15X10*3XIO<1X10*2X10：lg(D/Hz(e)图3均匀介质中模型电PH率变化频率域(左)和空间域(右)电场制面图(a)何0.011(b).(g)p/何=0.18(c)=0.2i(d)w(i)p/|DD*20i(。).(j)*伊=100播.因而异常圈闭极值频率低.异常频段缩小.为o.11Hz；此时异常阴影和向上延伸现象仍然存在.并随模型与围岩电阻率差异增大而加剧。总体上.异常强弱随若模型与围岩电阻率差异增大而

28、增强.低阻体比高阻体异常响应强烈，产生的异常阴影和向匕延伸现象更明显,需要参致校正置更大，由于地表水平源特性.使得电磁场对高阻基底比浅部高阻层反映强烈.异常响应在相应高阻基底顶面处Esssrmv/m13X10°12X10"IIX|0"3X1042X10*IX10®-2X10'-2XiOmv/m3X10«2X1041X10*150(2XI041X10435<KJ-2X10TmV/m3X10*mV/m!3X10*2X10*1X10*-2X|0TmV/m3X10*2X10*lix10-2XI0"a(M)2500,500：5(M

29、)1X10*3500-2X10TmV/m3X104500150025003500湖<)150025003500Z/m(0I2XIO4mV/m3XUP2X10*1X10*-2X10'(j)uy«emv/m13X10"|2X10,lixio«1-2X10：mV/mI3X10。|2X|0«IIX|0b*-2X10'E'KtE'as:-15002500：)500mV/m3X10*2X10*IX10«-2X10：图4层状介质中模型电阻率变化频率域(左)和空间域(右)电场剖面图(a)«(g)A/po0.001

30、1(b)»(h)p/ft>=0.02；(c),(i)p/o>=0.1«(d),(j)p/flnbb2i(c)t(k)o/a>10i(f)100(3500m)出现-致的平坦边界特征。E述异常响应特征在油气监测中具有重要意义.在油气开采期其地层结构不会发生明显变化，但其电阻率却会有显著变化.据E述模拟表明，模型电阻率动态变化的每一个进程都有其独特的异常响应特征.据此响应特征就可以确定油藏开发动态变化.进行地井垂直Walkaway剖面测盘会获得油气、水交替取代的全部细节信息.此外，还可以看出.均匀介质与层状介质两舌引起的响应特征差异并不大。3.2油藏开发三维模型

31、尺寸变化模拟3.2.1均勾介质中油戴模型响应特征设计模型尺寸由大变小进行模拟研究.据此探究地井电磁法对油气HI开采监测和探测能力。当接收井位于异常体外时.考虑y和冬方向大小分别为2000mX2000m、1000mX1000m、500mX500m、250mX250m的模型.模型电阻率p与图岩电阻率伊相比为20倍。如图5所示，当模型规模变化时.频率域没有出现明显异常频段变化.圈闭极值对应频率-致.且很好反映r模型的深度位置异常响应强、弱随看尺寸变小而减弱；空间域弁常极值与相应模型大小对应，可反映模型的边界"I在油藏模型尺寸较小(250mX250m)时异常仍较明显，精度高。3.2.2层状介

32、质时油藏模型响应特征如图6所示，不同模型尺寸的异常响应均出现异常极值圈闭.而且随模型尺寸减小,异常响应强度mV/m11X10®6X10*2X10*-5X10lg(n/Hz(a)1X10*mV/mlix)06X|0*2X10*-5X10,£诿尝2mV/inIix|(>0lg(/0/Hz(c)1X10*6X10*2XI0«-5X106X10*2X10*-5X106XIO<2X10*-5X10'mV/m1X10*£、««6X10*2X10*-5X10-2-1012500150025003500lg(F)/Hz加(h)图5

33、均匀介质中模型规模变化频率域(左)和空间域(右)电场削面图(a).(e)2000mX2000ml(b),(0lOOOmXlOOOnu(c).(g)500mX500m.(d).<h)250mX250m659inV/mIX10*KXIO"3X10*-5X10TmV/mIX103X10*5X10：mV/m5(MJ1X10*KX10*3X10*-5X102500£«££、«:Ig(/O/lIz1500(c)-500-|5(X)-2500z/mIX"HXIO43XI04-5X10T25<X)3500z/m(h)第47卷第I

34、期乍祚和等：地并垂直电磁Walkaway剖面法油戴开发三维模型电场响应特征图6层状介质中模型焜模变化频率域(左)和空间域(右)电场制面图(a).(e)2000mX2000ms(b)Jf)1000mX1000ms(c)Jg)500mX500ni;(d)Jh)250mX250m也减弱。由图6可知油藏圈闭极值对应频率一致，旦很好反映J"模型的深度位置，异常响应强、弱随着尺寸变小而减弱；空间域异常极值与相应模型尺寸对应.可以反映模型的边界.且在油藏模型尺寸较小(250mX250m)时异常仍较明显.精度高。以上模拟分析表明.地井垂直电磁Walkaway剖而法对不同大地模型和不同尺寸油藏模型具有很好的探测能力.能够反映油藏开发规模的变化动态。3.3探测油藏目标深度的模拟研究3.3.1均匀介质中油藏模型响应特征不同埋深油藏地井剖面异常响应是如何变化的？图7为过油藏模型中心v方向.埋深分别为500,800,1500,3000,5000m的频率域和空间域剖面图。随着油藏埋深增加异常频段不断改变.极值频率向