1、非地震文章編號：1000-7210(2012)04-0653-12地井垂直電磁Walkaway剖面法油藏開發三維模型電場響應特征李靜和何展翔(中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院，湖北武漢430074：桂林理工大學地球科學學院.廣西桂林541004,東方地球物理公司，河北涿州072751)李靜和，何展翔.地井垂直電磁Walkaway剖面法油藏開發三維模型電場響應特征.石油地球物理勘探，2012,47(4)：653664摘要地面激發、井中接收是有可能在油田開發中了解剩余油氣分布的一類地井電磁勘探技術。本文提出地井垂直電磁Walkaway面法，采用積分方程三維模擬軟件，對地面變井源距施工方式

2、中的目標體電阻率、尺寸、埋深以及高井距離的模擬，反映了該方法在油氣藏開發動態變化的異常響座規律；通過模擬和分析均勻介質背景與層狀介質背景兩種情況下三維油藏目標動態模型的異常特征，表明該方法探測范圍大，信喉比高.可有效監測油氣動態變化，為該方法在油田開發中的莊用提供了一條新途徑.關鍵詞地井垂直電磁剖面三維積分方程模擬Walkaway異常響應規律中圖分類號:P631文獻標識媽：A1引言井筒電磁勘探方法已廣泛應用于油氣勘探領域，但金屬套管井限制了井間電磁法橫向探測范圍，目前最大探測距離不超過lkm。若無上述限制，井地電磁法能達到約4km半徑的勘探范圍，但也只能識別油水平面展布，卻難以精細分辨儲層縱向

3、變化兒3。地井電磁法是另一種具有潛力的油水識別方法。在20世紀90年代初，Brian等。用地井電磁法監測熱流前沿提高油氣回收動態變化過程，取得了良好效果。Augustin等成、Wilt等曾對地井電磁法圈定油氣藏進行了數值模擬研究；魏寶君等進行了地井電磁系統成像研究，均取得了一定效果。但是，傳統地井電磁法橫向分辨率低，受近地表強電磁場耦合干擾嚴重，使此法的應用受到限制。對此,Wilt等幻提出將接收數據分為近地表數據和深部地層數據，以此消除干擾，但此法的應用也局限于特定情況；張榮鋒等提出固定井源距垂直電磁剖面地井電磁成像方案，但其分辨率和勘探范圍依然有限，不能滿足實際生產需要。為了便于下文描述，我

4、們把地面激發、接收裝置固定在井孔中，得到以接收點垂直位置為縱坐標，以不同頻率點或者趨伏范圍為橫坐標的測深剖面，稱為地井垂直電磁剖面;把場源逐步遠離接收井孔激發獲得的一系列地井垂直剖面的疊加剖面的方法,稱之為地井垂直電磁Walkaway剖面法。本文針對地井垂直電磁Walkaway剖面法，應用積分方程法三維正演軟件對其三維模型響應進行模擬研究，考慮均勻半空間和層狀介質兩種背景模型，對模型的電阻率、規模、埋藏深度、離井距離等情況的電磁場進行模擬汁算.分析討論了模型參數變化時的電磁響應特征和規律，以此了解地井垂直電磁剖面法的探測能力。限于篇幅，本文只討論電場的響應特征和規律。2基本方法2.1工作方法如

5、圖1所示，在井中(沿z方向)從淺至深一定范圍內按一定間距布設電場接收裝置，在地面(沿V*廣西省桂林市桂林理工大學地球科學學院.541004.Email：lijinghe753本文于2011年6月8日收到，最終修改稿于2012年5月24日收到。本項研究受國家康大專項大型油氣田及煤層氣開發”中“高精度地球物理勘探技術研究與應用”項H(2011ZX05019-007)資助.662石油地球物理勘探2012年3.4探測油藏橫向邊界的模擬研究3.4.1均句介質中油藏模型響應特征設計模型與接收井距離分別為0,10.100.1000,2000.3000m.模擬接收器位于模型邊緣到遠離模型時的電場變化規律.如圖

6、9所示c模型邊緣接收時，異常響應對模型邊界反映R好.尤其是左右邊界.隨著距離增加.異常響應由明顯的邊界反映變化為極值圈閉.圈閉頻段降低并縮小；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顧|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圖9均勻介質中油藏模儀邊界陶井距離變化頻率域(左)和空間域(右)電場剖面圖(b)Jg)100m«(c)Jh)1000mt(d).(i)2000mi(e),(j)3000m樣.由于收發距懸殊.距離較大時上述模型等效現象越明顯.異常上延伸越嚴重，空間域模型深度校正bt越大.實際應用時需特別注意。由分析可知.離井距離在2000m以內時.異常響應對模型反映較好。3.1.2層狀介質中油藏

8、模型響應特征設汁離井距離變化計算的電場響應如圖10所示,層狀介質中淺部高阻層屏蔽作用對模型邊緣處§«*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接收場值有較大影響，左邊界反映不明顯；模型離井較近時，模型上下邊界清

9、晰，圈閉極值范圍對應模型尺寸；模型離井較遠處，異常極值頻率較低，頻段較窄，異常陰影不明顯，而對應模型的異常響應反映依然較好。由于模型埋深不變，不同井距離時異常響應對基底頂面反映一致，在相應深度出現平坦界面異常。總體上，當模型離井較近時反而存在較明顯的陰影效應，異常極值能夠很好地指示目標位置；油藏離井較遠時異常極值依然能夠指示油藏目標位置。綜上所述，無論均勻介質還是層狀介質，也無論是模型離井遠近，應用地井垂直電磁Walkaway剖面法所獲得的異常響應對模型反映均較好。4結束語通過對各種模型的模擬，考慮均勻介質和層狀介質背景，指出應用地井垂直電磁Walkaway剖面法所獲得的異常響應能較好反映模型

10、的存在，層狀介質中異常對應頻率更低。分析了不同模型異常規律，對模型電阻率、尺寸、埋深及離井距離等參數變化產生的電場異常進行了研究，指出在模型外接收時，電場分量異常響應可以反映模型電阻率變化，對低阻體模型反映更靈敏；異常響應能夠反映尺寸較小、埋深較大以及遠離接收井的模型存在，但所需進行的偏差校正量大，實際應用時需引起注意。模擬研究為地井電磁測深法實際工作提供了理論指導，為該方法三維反演奠定了基礎。同樣，需要指出的是本文只是考慮接收井與模型具有一定距離情況，當接收器位于異常體內時，異常響應有不穩定現象，需要進行進一步深入的研究。感謝東方地球物理公司綜合物化探事業部劉雪軍副總工程師、曹陽碩士、劉海櫻

11、碩士、萬海珍女士等給予的帶助。摻考文獻13物曦，潘和平.井間電磁場數值模擬及成像技術.物探與化探，2009,33(2):140147YangXi,PanHeping.Areviewofthenumericalsimulationandimagingtechnologyforcrossholeelectromagneticwave.GeophysicalandGeochemicalExpZo-.2009.33(2),1401472 何展翔.圈定油，藏邊界的井地電法研究博士學位論文.四川成都：成都理工大學，2006王志剛等.井地電法的準解析近似三維反演研究.石油地球物理勘探.2007.42(2)：

12、220225WangZhigangetal.3-Dguasi-anelyticapproximateinversionofborehole-to-sarfaceelectricdata.OGP,2007,42(2):2202254BrianRS,RobertJG.Numericalmodelingofsurface-to-boreholeelectromagneticsurveysformonitoringthermalenhancedoilrecovery.Geoexploration1991,28(1)：2933115AugustinAM,KennedyWD.MorrisonHFetal.

13、AtheoreticalstudyofsurfacetoboreholeelectromagneticLoggingincasedholes.Geophysics,1989,54(l)：90996WiltMJ,AlumbaughDL,MorrisonHFetal.Crosswellelectromagnetictomography：Systemdesignconsiderationsandfieldresults.Geophysics,1995,60(3):8718857魏寶君，張庚驥.地面-井孔電磁系統成像方法研究.石油大學學報(自然科學版)，1999,23(6):2429WeiBaojun

14、,ZhangGengji.Imagingmethodinsurface-to-boreholeelectromagneticsystem.JournaloftheUniversityofPetroleum(NaturalScienceEdition),1999.23(6),24298WiltM,KramerG.Removingeffectsofnearsurfacegeologyfromsurface-to-boreholeelectromagneticdata.PatentApplicationPublication,2009«2(1)：159ZhangRongfeng,HeJis

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16、lsevier,2002,62712 HursanG»ZhdanovMS.Contractionintegralequationmethodinthree-dimensionalelectromagneticmodeling.RadioSci,2002.37(6):108914：ZhdanovMS,LeeSK.Integralequationmethodfor3DmodelingofEMfieldincomplexstructureswithinhomogeneousbackgroundconductivityinmarineCSEMapplications.SEGTechnical

17、ProgramExpandedAbstracts2005,24：51051315 ZhdanovMS,LeWan.RapidseabedimagingbyfrequencydomainEMmigration.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts,2005,24：518522ZhdanovMS,YoshiokaK.3DiterativeinversionofthemarineCSEMdata.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts,2005*24:526529(本文編輯；馮杏芝)圖1計算裝置示意圖(a)立體圖，(b)M示圖(6

18、)i=1,2，N(8)疊加異常場定義如下(9)方向)于研究目標上方自井由近而遠布設一系列激發場源.激發頻率(0.01100Hz)從高頻至低頻掃描.以位于不同深度的井中測點為縱軸刻度,以頻率或者趨伏深度為橫軸.每一個激發場源均可獲得一張垂在電傲剖面將所有場源激發獲得的垂直電磁剖而登加.可以增強異常目標成像效果。由于在地面多個位置激發.增加了覆盈次數.提高了采集質量且信息雖豐富;采用長導線源，發射設備要求簡便易實現.并能激勵較大強度的信號.有利于提高電磁剖面的信噪比。接收器只需固定于一口井中.對野外實際情況要求低，考慮實際應用情況，本文僅研究接收點位于異常體外的電場響應特征。2.2三維積分方程數值

19、模擬及疊加異常的求取積分方程法是一種常用的、比較成熟的方法。在三維電磁正演數伉模擬中，總電場E和異常磁場H叫以如下積分方程式購表達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)是被定義在電導率為久無邊界的導電介質中的電場和磁場格林張ht；Ge和G”為其對應的線形格林算子；分別是異常電場、背景電場;r為場源至接收點的距離。在計算機上進行數值模擬時需要將式(1)、

20、式(2)變成離散化的形式對異常體用標準的離散方法”離散成、個小的六面體.將異常體的電場(式(】)寫成離散形式.再將異常體離散成網格單元后.基于式(1)的電磁場正演模擬變成了關于求解未知總場外的線性方程組問題.即私=4(3)其中AA=IG)tr(4)式中M，由是異常體剖分網格中心的上，、和z方向的總場和背景場矢量；7為單位矩陣；為含電場格林函數積分的3NX3N階矩陣；。為含異常電導率的3NX3N階矩陣。Hursan,3將式(3)作一系列的變換.最后得到如下知陣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：#是背景電導率.，'從1到N；a,由下面的公式計算2#+¥Q,=20采用雙共扼梯度法求解式(5).就可計算出異常體剖分單元網格上的總場.代入式(3)就可以求出異常體在地面上產生的異常場，上述計算已由Zhdanov等*將】實現.并可進彳r不同類型場源和不同收發位置裝置.的三維積分方程模擬。本文主要是將以r.:維積分方程模擬方法和軟件引入到地井垂直電磁Walkaway剖面三維模型響應模擬計算.并將多個源激發的數據按源到接收井距離與最大井源距比值為加權因子進行登加后分析異常場特征。其中：為源的

22、個數；d,為第i個源到接收井距離；dm為最大井源距；為第i個源計算的電磁場異常場;C為系數，定義為c=1+2+3+（一2）+（一1）+（10）將相應頻率域異常由趨伏深度公式轉換得到空間域異常特征。由多次實例模擬試驗分析可知.完全依靠趨伏深度確定異常體的橫向位置誤差較大，需要進行相應校正。深度轉換校正公式為A=kX356（11）其中:從為第i個頻點轉換的校正趨伏深度，由于對應橫向范圍，簡稱為趨伏范圍；少為圍巖電阻率.層狀介質背景時用層厚度加權求取；為第i個頻率；k為校正系數.用于對低阻異常體和高阻異常體以及所在層是高阻或低阻時進行調搟一般高阻或高阻層k為大于1,低阻時小于1。據試驗分析可知，k的

23、取值范圍通常為0.91.1。2.3模擬參數及基本模型設計觀測系統:導線源長為2000m.垂宜于剖面方向移動,步長為500m.激發17次，激發頻率范闈為0.01100Hz,共17個頻點；接收點距為200m。圖2為設計的基本油藏模型.其參數為：模型電阻率為500flm；模型尺寸為1000mX1000mX1000m.深度為1500m；均勻半空間（圍巖）電阻率為25Qm.層狀介質電阻率佝、仲分別為50.10,1000。m.厚度分別為500m和3000m；網格剖分間距為100m.部分為50m.通過此模型主要研究模型電阻率、尺寸、埋深、離井距離變化產生的電場異常規律。地血漱及施理一地面一激發弛拇9Q0Om

24、圖2計算基本模塑示意圖（a）均勾介質背景：（b）層狀介質背景3油田開發三維模型響應特征研究3.1油藏開發三維模型電阻率變化模擬3.I.1均勻介質時油藏模型響應特征在油氣藏從發現初期到開采殆盡的整個過程中.異常區域含油飽和度逐漸降低.電阻率不斷變化.即從幾乎不導電商阻體過渡到完全導電低阻體。由此.設計研究模型電阻率為100,20,0.2,0.1,0.01Qm.而均勻介質（圍巖）電阻率為1Q-m0圖3為y方向過模型中心剖面的計算響應，模型電阻率P與圍巖電阻率伽比值分別為0.01,0.1,0.2.20,100,從上至下依次為低阻模型異常到高阻模型異常的變化;左為頻率域右為空間域中電場響應剖面圖,其中

25、縱坐標為相對埋藏深度，頻率域橫坐標為頻率的對數.空間域橫坐標為趨伏范圍。從圖中可見模型響應出現典型的圈閉極值特征.由于埋深相對激發源距離較小.圈閉極值上方出現異常上延伸，異常出現頻段在0.15Hz.頻率更高時兒乎無異常.計算值:均在0附近（圖中淺藍色）.頻率較低時存在較低異常延伸趨勢.且響應穩定，推斷為異常陰影.即只要越過反映異常體的頻段.頻率再低也不會得到更多的信息；這種現象在空間域也有所表現.弄常響應隨著異常體的距離增大而減小,在卷近接收井處出現極小值,而在異常體的背后出現異常陰影一整體上，模型電阻率與圍巖電阻率差異越大異常越明顯.差異越小異常越弱異常體與國巖的電阻率具有相同倍數時.異常響

26、應對低阻體反映比對高阻體強烈.這對注水膽油氣動態過程的探測彬常有利。此外低阻體所形成的異常上延伸和異常陰影比高阻體明顯，電阻率變化對圈閉極伉范囤也有影響.表現為電阻率越低，極值范圍對應頻段也越寬。3.1.2層狀介質時油藏模型響應特征實際應用中地層結構復雜,有必要模擬層狀介質背景下模型響應特征（圖4）。模型上方存在一高阻層.需要電磁場有更低頻率才能將其穿透向下傳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)圖3均勻介質中模型電PH率變化頻率域(左)和空間域(右)電場制面圖(a)何0.011(b).(g)p/何=0.18(c)=0.2i(d)w(i)p/|DD*20i(。).(j)*伊=100播.因而異常圈閉極值頻率低.異常頻段縮小.為o.11Hz；此時異常陰影和向上延伸現象仍然存在.并隨模型與圍巖電阻率差異增大而加劇。總體上.異常強弱隨若模型與圍巖電阻率差異增大而

28、增強.低阻體比高阻體異常響應強烈，產生的異常陰影和向匕延伸現象更明顯,需要參致校正置更大，由于地表水平源特性.使得電磁場對高阻基底比淺部高阻層反映強烈.異常響應在相應高阻基底頂面處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：圖4層狀介質中模型電阻率變化頻率域(左)和空間域(右)電場剖面圖(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)出現-致的平坦邊界特征。E述異常響應特征在油氣監測中具有重要意義.在油氣開采期其地層結構不會發生明顯變化，但其電阻率卻會有顯著變化.據E述模擬表明，模型電阻率動態變化的每一個進程都有其獨特的異常響應特征.據此響應特征就可以確定油藏開發動態變化.進行地井垂直Walkaway剖面測盤會獲得油氣、水交替取代的全部細節信息.此外，還可以看出.均勻介質與層狀介質兩舌引起的響應特征差異并不大。3.2油藏開發三維模型

31、尺寸變化模擬3.2.1均勾介質中油戴模型響應特征設計模型尺寸由大變小進行模擬研究.據此探究地井電磁法對油氣HI開采監測和探測能力。當接收井位于異常體外時.考慮y和冬方向大小分別為2000mX2000m、1000mX1000m、500mX500m、250mX250m的模型.模型電阻率p與圖巖電阻率伊相比為20倍。如圖5所示，當模型規模變化時.頻率域沒有出現明顯異常頻段變化.圈閉極值對應頻率-致.且很好反映r模型的深度位置異常響應強、弱隨看尺寸變小而減弱；空間域弁常極值與相應模型大小對應，可反映模型的邊界"I在油藏模型尺寸較小(250mX250m)時異常仍較明顯，精度高。3.2.2層狀介

32、質時油藏模型響應特征如圖6所示，不同模型尺寸的異常響應均出現異常極值圈閉.而且隨模型尺寸減小,異常響應強度mV/m11X10®6X10*2X10*-5X10lg(n/Hz(a)1X10*mV/mlix)06X|0*2X10*-5X10,£諉嘗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)圖5

33、均勻介質中模型規模變化頻率域(左)和空間域(右)電場削面圖(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：地并垂直電磁Walkaway剖面法油戴開發三維模型電場響應特征圖6層狀介質中模型焜模變化頻率域(左)和空間域(右)電場制面圖(a).(e)2000mX2000ms(b)Jf)1000mX1000ms(c)Jg)500mX500ni;(d)Jh)250mX250m也減弱。由圖6可知油藏圈閉極值對應頻率一致，旦很好反映J"模型的深度位置，異常響應強、弱隨著尺寸變小而減弱；空間域異常極值與相應模型尺寸對應.可以反映模型的邊界.且在油藏模型尺寸較小(250mX250m)時異常仍較明顯.精度高。以上模擬分析表明.地井垂直電磁Walkaway剖而法對不同大地模型和不同尺寸油藏模型具有很好的探測能力.能夠反映油藏開發規模的變化動態。3.3探測油藏目標深度的模擬研究3.3.1均勻介質中油藏模型響應特征不同埋深油藏地井剖面異常響應是如何變化的？圖7為過油藏模型中心v方向.埋深分別為500,800,1500,3000,5000m的頻率域和空間域剖面圖。隨著油藏埋深增加異常頻段不斷改變.極值頻率向