CN101438176B - 电磁数据的时滞分析 - Google Patents

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Abstract

用于从海洋电磁勘测测量确定大地垂直和水平电阻率和流体饱和度的随时间改变[73]的方法。该方法需要在线和离线数据，其应包括至少主要对垂直电阻率影响敏感的至少一个电磁场分量和至少主要对水平电阻率影响敏感的另一个分量[62]。对于使用水平电偶极子辐射源，在线Ez和离线Hz测量是优选的。对于水平磁偶极子辐射源，在线H2和离线E2数据是优选的。大地电磁数据可以替换至少主要对水平电阻率敏感的受控源数据。使用各向同性[64，66]或各向异性[65，67]的地下电阻率模型，通过正演模拟[64，65]或反转[66，67]可以解Maxwell方程。使用经验关系式或演示物理模型[70]从垂直和水平电阻率确定流体饱和度。

Description

电磁数据的时滞分析
【0001】本发明要求2006年5月4日提交的编号为60/797,560的美国临时专利申请的权益。
技术领域
【0002】本发明一般涉及地球物理探矿领域，更具体地涉及通常在海洋环境中的受控源电磁勘测，其中受控电磁发送器被拖拽于海底上的电磁接收器之上或在所述接收器之间，以用于烃探测、钻探以及生产的目的。明确地，本发明是用于确定在最初时间地下储层的电阻率和在一个或多于一个后续时间的地下储层电阻率之间差值的方法，并涉及在中间时段期间从所述储层烃的生产的不同。
背景技术
【0003】本发明着眼于确定在一段时间内地下储层内烃流体三维(3D)分布的问题，所述地下储层通常位于水体下，如海下，所述一段时间指从所述储层烃生产的时间段。震波方法对于这个问题的应用被称为时滞或4D方法。从储层经济地生产烃(天然气、天然气冷凝物和石油)的关键问题是正确了解包含储层的渗水岩石中烃饱和度的分布。因为烃从储层中产出，在储层内烃饱和度以不一致的方式降低和水饱和度以不一致的方式升高。虽然震波方法已经为4D应用研发以监视储层流体，这种方法昂贵；并且由响应烃流体变化中的相对低的震波响应的灵敏度，所述方法常无效。这种低灵敏度独特地处在于石油储层，因为很多石油储层的声学特性的变化与储层地层水的变化相似，因此石油饱和度的改变不在震波响应中反映。
【0004】被技术中已知有用于估计储层流体特性的其他方法。在井孔的几米内通过井眼(井下或测井)方法在储层衰竭期间可以得到烃电阻率和饱和度数据。然而测井方法在烃场内相距成百到上千米的油井之间无效，这是由于从井下测井设备到储层的探测信号受限的穿透距离。此外，生产油井通常由导电套管封闭，其严格地限制了使用电方法来监视储层流体的电阻率，这是因为套管屏蔽了储层与电探测信号(非常低的频率除外)。
【0005】通过使用震波或电磁能，储层流体电阻率和饱和度数据也可以在储层衰竭期间通过跨越井眼(井间)方法获得(c.f.Rector，W.J.(ed.)，“Crosswell Methods：Special Issue”，Geophysics60，no.3(1995))。然而，井间方法需要为测定同步使用至少两个井，这是昂贵的因为两个井的生产必须停止并且生产管必须从井中移出。此外，井间数据主要提供连接两个井的共有垂直面的二维勘测。海下储层中更多的井从垂直面导出，这限制了井对之间公用垂直面的量。同样，在许多井场内通常相距成百到上千米的油井之间井间方法是无效的，这是由于来自井下源的探测信号的受限穿透距离。并且与单测井情况相似，在生产油井中导电套管的存在严格地限制了使用井间电方法来检测储层流体电阻率。
【0006】常规地用于估计井间流体饱和度的另一种方法是储层流体流动的数学仿真。然而，为了使数学仿真在甚至在大型计算机上可行，储层仿真必要地合并井间岩石性质的简化和假设。储层仿真也需要对模型中数字参数的连续调节以与井内测得数据一致，所谓“历史匹配”途径，且这些参数可能不具有和测得岩石和流体性质的简单联系。
【0007】从海洋受控源电磁(CSEM)勘测得到的结果，如使用授权给Srnka的编号为4,617,518的美国专利和先前引用的编号为60/797,560的美国专利，以及编号为2003/0050759的美国专利所公开的方法收集的结果，显示可以远距离确定烃储层内流体的体电阻率。为了良好的首次估计，使用水平点偶极子(HED)源获得的海洋CSEM数据主要敏感于地下储层的网垂直电阻(体电阻率成倍于网垂直厚度)(Kaufman and Keller，Frequency and Transient soundings，300-313，Elsevier(1983))。西非海洋观测(Eidesmo，et al.，First Break，20，144-152(2002)；Ellingsrud et al.，The leading Edge，972-982(2002))证实由烃的存在引起的地下电阻率可以被检测。
【0008】已知大地的电阻率可是各向异性的。可见，例如Keller和Frischnecht，Electrical Methods in Geophysical Prospecting，33-39，Pergamon(1966)；Kaufmann和Keller，Frequency and TransientSoundings，257-284，Elsevier，纽约(1983)；Negi等，Anisotropy inGeoelectromagnetism，Elsevier，纽约(1989)；以及Zhdanov和Keller，The Geoelectrical Methods in Geophysical Exploration，199-124，Elsevier，纽约(1994)。几个公开物讲授了如何计算(模型)多个受控源各向异性大地电响应。可见，例如，Chlamtac和Abramovici，Geophysics46，904-915(1981)；Yin和Weidelt，Geophysics64，426-434(1999)；Yin和Maurer，Geophysics66，1405-1416(2001)。同样，几个作者讨论方位角电各向异性的解释(例如，Watson和Barker，Geophysics64，739-745(1999)；以及Linde和Peterson，Geophysics69，909-916(2004))。其他人依照使用多个可控电磁源获得的数据讨论各向异性的解释(Jupp和Vozoff，Geophys.Prospecting25，460-470(1977)；Edwards等Geophysics49，566-576(1984)；以及Christensen，Geophys.Prospecting48，1-9(2000))。
【0009】授权给Strack的编号为6,739,165的美国专利公开了通过测定大地表面的电磁场数据中改变来监视储层电阻率变化的方法，由于受控流电和电感源和自然大地电磁源产生的激励，所述方法必须包括测定穿过储层的至少一个井眼中电阻率的改变。Strack没有公开成像或反转的使用以映射整体储层电阻率ρrρr或烃饱和度Shc的分布，并且没有讨论电各向异性。
【0010】Johnstad等，在编号为WO2004/086090的专利中公开了与Strack相似的用于储层电阻率监视的方法，但其包括由通过沿油井的到点套管从海底到储层传输电能构造的井下电磁源。作者没有公开3D成像或3D翻转的使用以确定ρr或Shc，并且没有公开如何包括电各向异性的效应。
【0011】Constable，在编号为WO2004/053528(2004)，A1的专利中讨论了用于烃储层实时监视的方法，他提出使用多个垂直和水平电偶极子辐射源和自然电磁(如大地电磁)源，单独或结合地与分布在包含烃储层的区域上的多个阵列中的包含电感应器和磁感应器的海底天线。海底天线可以永久地固定在海底或可在被独立地安放几次。Constable的用于监视储层整体电阻率ρr的时间变化的方法，所述方法含有使用响应来自发送器能量的接收器信号的两个直交的水平和垂直电场分量在每个源—接收器结合勘测大地电阻抗，并映射这些阻抗到储层区域。大地电磁数据可以被可选地用于帮助确定电背景(大地的非储层量)。对于任何维度，没有接收器信号的数学反演或成像，并且没有公开包括各向异性影响的方法。
【0012】Loke(“Constrained Time-Lapse Resistivity ImagingInversion”，paper EEM-7，Proceedings of the SAGEEP Symposium，Denver，March3-7，2001)描述了2D约束的像反转的使用从而为环境应用测定地下电阻率的改变。Loke公开了作为用于在随后时间执行的电阻率反转的开始模型的在最初勘测时间获得的电阻率反转结果的使用，从而降低通过如采集系统变化的地下电阻率外的其他影响导入的结果中的人工分量。本公开限制了对DC电阻率勘测的讨论，并且使用从岸上Wenner-Schlumberger阵列获得的速率示例，其是本领域人员熟知的勘测方法。Loke没有讨论各向异性影响或海洋数据，数据多分量的使用或烃应用。
【0013】Gasperikova等(A Feasibility Study of GeophysicalMethods for Monitoring Geologic CO2Sequestration″，Extended AbstractRC3.8，SEG Annual Meeting，Denver，Colorado，October2004)讨论了接地的HED源对与激励相关的岸上电场测定的使用，从而基于3D正演模型勘测作为CO2注入结果的阿拉斯加北坡上的Schrader Bluff油田中水饱和度(或1-She)的改变。通过在适当的时间区分正演模型运算模拟随时间的改变。该论文没有描述电场中的哪个分量为这个测定优化，也没有任何各向异性影响的讨论。
【0014】Hoversten等(“Direct Reservoir Parameter Estimationusing JointInversion of Seismic AVO and marine CSEM Data”，ExtendedAbstract RC2.1，SEG Annual Meeting，Denver，Colorado，October2004)讨论了用于震波映像和海洋CSEM海底数据(HED源)的1D(平面分层大地)同步反转的方法。CSEM数据受限于线上在线电场数据(即图1中源线上的Ex)。Hoversten等(2004)没有给出用于储层监视的时滞方法，他们也没有给出如何在反转中包括大地电各向异性。
【0015】因此，需要一种方法来通过遥测和成像对饱和度高度敏感的地下物理数据直接估计3D意义上的储层内的烃饱和度，并能够重复所述测定/成像并分析储层流体产生的数据。这种方法必须考虑电阻率的各向异性。本发明满足这种需要。
发明内容
【0016】在一个实施例中，本发明是依照从含有储层的地下区域获得的受控源电磁勘测数据确定地下储层的烃含量的随时间的改变的方法，所述方法包括：
(a)从所述地下区域的最初勘测获得记录在(相对于勘测源线的)多个在线和离线接收器位置处的电磁场数据，并从充分相同的条件下导出的、相同区域的至少一个稍后勘测获得相应的测量结果，所述数据包含至少主要对垂直电阻率敏感的场分量和至少主要对水平电阻率敏感的场分量；
(b)对于每个勘测，使用勘测获取参数和测定的电磁场数据为所述地下储层中的多个(x，y，z)位置处的水平电阻率和垂直电阻率求解Maxwell电磁场方程；以及
(c)比较所述勘测之间计算的电阻率结果。
通过使用Archie定律(Archie’s law)或其他关系，烃流体饱和度的值可以从水平和垂直电阻率计算得到，并且由于储层的烃随时间生产，分时间勘测中的的此参数成像结果的比较提供了分析变化的基础。
附图说明
【0017】通过参考下文详细描述和附图将更好地了解本发明及其优势，其中：
【0018】图1说明了适用于本发明实施例的勘测几何图，其中水平电源和水平磁源被使用，并结合在线和离线的多个多分量电磁接收器；
【0019】图2说明了用于模型计算以提供本发明方法的测试示例的勘测几何图和地下电阻率模型；
【0020】图3A显示带有图2中模型的电阻层的HED源的在线Ex幅值，而图3B显示不带有图2中模型的电阻层的EVTI的变化值的Ex相位。
【0021】图4说明了模型地下烃储层的垂直电阻率的仿真的深度模型，所述模型地下烃储层是通过在线Ex和离线Hz海底电磁数据的3D反转获得的，被平均储层厚度的模型，所述电磁数据是在图2中所示勘测几何图的初始时间获得的。
【0022】图5说明了模型地下烃储层的垂直电阻率的仿真的深度模型，所述模型地下烃储层是通过在线Ex和离线Hz海底电磁数据的3D反转获得的，被平均储层厚度的模型，所述电磁数据是在图2中所示勘测几何图的后续时间获得的，其中需要如在第一时间使用相同的源线在相同位置的海底测定；以及
【0023】图6是显示本发明方法的一个实施例的基本步骤的流程图。
【0024】本发明将联系其优选实施例被描述，然而，就下文的详细描述对本发明的具体实施例和具体使用来说，下文描述仅是说明性的，并且不试图作为对本发明的限制。相反，其试图包括可以包括如所附权利要求限定的在本发明精神和范围之内的全部替代、修改和等价实施例。
具体实施方式
【0025】本发明是用于确定如烃储层的海洋地下区域内垂直和水平电阻率中随时间改变的方法，所述随时间改变是由于储层特性的改变，如岩石小孔流体饱和度。这种改变的一个原因是在烃生产中执行的有意的流体抽出或注入。本发明要求在初始时间和在一个或多于一个随后的时间测定的受控源电磁(CSEM)勘测数据，对于至少一个在线电磁场分量和至少一个离线分量，特定分量的选择取决于源的类型。本发明利用一个现实，即确定的电磁场分量对垂直电阻率或水平电阻率中的一个而不是两个的主要敏感或排他性的敏感，然而其它场分量对两个电阻率都敏感。本发明也利用烃储层流体饱和度的改变将改变储层的垂直和水平电阻率的现实，这是因为储层主要包含内层和其它结构并因此通常表现出电垂直横向各向同性(EVTI)。因为储层厚度通常小于储层所埋深度，本发明实现了储层间隔内EVTI的垂直分辨率将充分地小于储层厚度。这个储层内更低的空间分辨率是由于已知的电磁透入深度影响，通常小于1赫兹的低电磁源频率必须被用于穿透储层深度这一事实的推论。由此得出较薄层内的高空间分辨率需要的频率通常不存在于遥测的储层响应数据，这是因为更高的频率仅穿透远小于储层厚度的厚度。
【0026】海洋受控源电磁(CSEM)勘测最新的发展提供了远距离确定地下储层电阻率的方法，所述方法使用迭代正向模拟或数学反转(Srnka“Remote Reservoir Resistivity Mapping”，Society ofExploration Geophysicists 75th Annual Meeting Extended Abstracts，Houston，November2005，paper SS3.3)。Srnka等(“Remote ReservoirResistivity Mapping-Breakthrough Geophysics for the Upstream”Abstract17284，Offshore Technology Conference，Houston，Texas，May2005)进一步显示了当考虑储层内电阻性烃的存在时，来自不同西非海洋烃储层的预期的CSEM响应接近地匹配从大地电结构的现实的三维计算机模型预测的响应。
【0027】海洋受控源勘测，如那些收集的使用授权给Srnka的编号为6,603,313的美国专利和2003年3月13日(Srnka等)公开的编号为2003/0050759的美国专利申请公开的方法，显示大地的电阻率可以严重地取决于用于完成这些测定的电流流动的方向。特别是，垂直电阻率ρv可以比水平电阻率ρH大得多(二或更多倍)，特别是如页岩的较好分层的岩石中，并且一个位置到另一个位置的垂直电阻率的量级可以是变化的。这个现象被称为电各向异性，或特定的被本领域技术人员称为电垂直横向各向同性(“EVTI”)。大地电阻率也可以方位地变化(即以罗盘方向)，但在烃勘探的沉积盆地中，这种各向异性影响似乎通常没有EVTI重要(即更小的量级)。
【0028】EVTI的存在失真了使用海洋CSEM勘测的电磁接收器在海底接收的信号，所述勘测需要水平电偶极子(HED)和水平电偶极子(HMD)受控源，所述接收的信号相对于没有EVTI时接收的信号受到了失真。见图1，图1是适用于本发明的勘测几何图的说明。附图显示勘测船1拖拽在海底4上的HED2和HMD3，在海底4上在线接收器6和离线接收器7安排成关于拖拽线5的固定的阵列。这种失真影响了与如8的储藏烃的存在相关的海洋CSEM电阻率异常的解释。这种失真效应出现在测定海底场的幅值和相位，并依照频率而改变。这种失真可以掩盖烃的存在(假阴性)或不正确的建议它们存在(假阳性)。这种失真以在多个CSEM勘测中被观测到。例如，Tompkin等，(“Effectof Vertical Anisotropy on Marine Active Source Electromagnetic Data andInversions”EAGE65th Annual Convention，Paris，France，abstract E025(2004))描述了在仅使用(海底)电场测定时，EVTI对用于烃应用的海洋CSEM数据的几个影响。这些影响包括低估如烃储层的地下底层的真实深度，以及如果忽视EVTI，会低估1其整体电阻率。
【0029】Srnka(PCT专利公开号WO2006/135510)提出如何在海洋CSEM勘测中测定并分析EVTI。公开的分析步骤包括：(1)适当的在线和离线海底电场和磁场数据的测定，其精确地结合取决于采用的受控电磁源(HED或HMD)的类型；以及(2)在计算机上使用数字运算，为包括EVTI影响的地下电阻率结构数学地反转海底数据。
【0030】为了利用这些特性，CSEM源需要产生垂直和水平电流。两种CSEM源完成这点，水平电偶极子(HED)和水平磁偶极子(HMD)。如公开号为WO2006/135510的PCT专利所提出，本发明优选的实施例利用两个源类型中的每个所需的特定的电磁场测定数据。本发明的图1，2和3A-B全部是这一现有申请的重复。
【0031】在一些情况下，被包括地下储层的勘测覆盖的地下区域的电阻率各向异性可以非常小(即EVTI接近于一致)。如果储层是非常均匀的砂岩堆积并且储层外的地下区域不含有大体积的各向异性页岩堆积的条件下，这种情况可能发生。在这些少数情况下，CSEM响应将接近于各向同性，其可以简单地用过现有技术提出的勘测数据的分析来确定。在这种情况下，数据的数学反转可以通过使用更少的勘测数据分量来执行，所述数据分量对储层电阻率(如仅在线EX)敏感并且可以通过使用各向同性反转运算来执行从而更加有效地经济地成像地下区域。
【0032】图1说明了用于一般的各向异性大地电阻率情况(如EVTI>1)的可能的数据采集(勘测)。船1在海面或海面下沿源线5接近海底4拖拽HED源2和/或HMD源3，并传输在CSEM勘测中通常得到(一般通过HED源)的具体电流波形。可代替的，当产生源波形传输时，HED和/或HMD源可以用固定的方法置于接近或接触沿线5的每对独立的在线海底电磁接收器6之间的海底。使用连续拖拽和/或固定源的选择取决于操作勘测条件的变化，但主要取决于电磁噪声环境。源产生的噪声和自然噪声岁水深的减小而增加，在浅水(一般150米或更少)里适合固定源的使用，因此可以使用非常长的数据求和(堆栈)时间，而不带有数据的横向拖尾效应，从而抑制随机噪声。源波形传输可以包含适当持续时间的多种波形，如专利号为WO2005/117326的PCT专利或前文参考的公开物所描述的。离线接收器7记录由源激励产生的大地电磁响应，与在线接收器6勘测的所述响应同步。源线，在线接收器和离线接收器被置于海底上并邻近已经被鉴定为潜在烃或其他资源储层的大地内的地下地质地层8。如从预先海底响应或预测模型或将被本领域技术人员理解的可操作约束所确定，通过使用统一或不统一的内接收器间隔(或两个接收器间隔)，海底接收器被放置在距离HED和HMD源的多个距离。通常接收器的线内或跨线间隔从500到5000米。
【0033】通过上文描述的在第一勘测时间所需的电磁数据，通过使用一个或多于一个数据分析和解释方法，现有的编号为WO2006/135510的PCT专利允许在一个区域内确定包括EVTI的大地电阻率值，所述区域被所述勘测的每个在线和离线接收器结合所包围。通过在任何可用勘测频率的线内或离线场响应的分析确定任何存在的EVTI的量、深度和横向分布；在最浅深度确定EVTI的最高频率(在海底开始并向下延伸直到接近EM渗透深度)，并且从最浅深度到有效渗透的最深深度提供完整EVTI影响的最低频率(接近扩散EM波长的0.5倍，或л倍的电磁透入深度)。这种确定允许EVTI影响被移除或被考虑进海底CSEM数据，从而执行储层电阻率(即掩埋的目标储层地层的电阻率)的正确预期。
【0034】当为了确定地下电阻率随时间改变的目的，在一个或多于一个后续时间需要图1描述的勘测，所述勘测优选地充分相似于在第一勘测时间的勘测，因此所勘测数据表现同样地下区域大地的电磁响应。在实践中，通过海洋CSEM勘测的经验显示了在随后时间的用于勘测的接收器位置必须位于第一次勘测时间使用的位置的几十米范围之内。在第一和后续重复的接器的位置之间允许的准确距离取决于地下电参数和用于探测大地结构的源频率。通常，对于1.0欧姆的大地背景水平电阻率和EVTI＝2.0的海底下1500米的储层，和0.25赫兹的探测频率，允许的距离小于100米。
【0035】本发明方法中用于第一勘测时间和一个或多于一个后续勘测时间的线内和离线电场和磁场数据的独立数据处理步骤是被海洋CSEM勘测的技术人员使用的标准程序，并在包括本文引用的公开物的现有技术中描述。几个额外的步骤可以被引入以准备被数学反转在第一和后续勘测时间所需的测定数据，这取决于数据的质量、空间覆盖率和其他方面(图6流程图的步骤62)。这些额外的步骤可以包括：在源——接收器偏移域内使用消音器或滤波器的噪声抑制，相位调节以解决有定时误差造成的整体位移，幅值调节以解决分量和数据求和之间的矛盾从而产生更大的有效孔径(参见，例如公开号为2003/0050759A1的美国专利)。
【0036】在前面参考的2005SEG论文中，Srnka公开了使用输入到在计算机上运算的三维(3D)反转运算的CSEM数据可以成像海下储层的电阻率，其中推理的限制可以被采用并且地下电阻率的绝对值是确定的。Thompson等(“Sensitivity to hydrocarbon targets usingmarine active source EM sounding：Diffusive EM imaging methods”，EAGE Annual Meeting，Paris，June2004)显示了使用二维(2D)计算机算法的海洋CSEM数据的适当成像的示例，其中所述计算机运算仅估计大地电结构之间的相关电阻率对照，而不是确定如使用非线性反转得到的绝对电阻率值。Carazzone等(“Three dimensional imaging of marineCSEM data”，Extended Abstract，EM3.3，SEG Annual Meeting，Houston，Texas，November2005)显示了3D海洋CSEM非线性数据反转的几个示例，其适当地匹配通过在储层内感应测井测得的储层电阻率值。然而在这些反转示例中，没有一个讨论结果中EVTI的合并，也没有讨论储层电阻率中随时间改变的成像。
【0037】用于每个勘测时间需要的数据的本发明的反转方法，包括但不限制于在编号为WO2006/135510的PCT专利中公开的四个补充步骤，其在下文中被总结。在图6的流程图的步骤63中，反转方法被选择。
(1)(步骤64)使用本领域计算人员熟知的用于各向同性大地计算的运算在数字计算机上迭代1D、2D和/或3D正演模拟，其中实际数据(幅值和/或相位)与模拟响应(幅值和/或相位)相比较，并且模型被充分调节以匹配带有模型响应的实际场数据。在这个各向同性解释方法中，如果HED数据被使用，使用垂直电阻率模拟在线响应，并使用水平电阻率模拟离线响应，并且如果HED数据将被使用则反转。(见下文表1。)通过比较测得的EM场分量数据得到对垂直电阻率模型的迭代调节，对应于水平电阻率模型，所述EM场分量仅仅优选地主要对垂直电阻率的影响敏感。在使用离线数据的情况下，优选地来自接收器的数据准确地位于所述源的侧面(即在图1中x＝0处)。然后在线对于离线模型结果(电阻率相对深度z和位置x，y)的比率提供了作为深度和位置函数的包括EVTI的大地电阻率的近似值。
(2)(步骤65)使用用于各向异性大地计算在数字计算机上迭代1D、2D和/或3D正演模拟，所述各向异性大地运算包括本领域技术人员熟知的EVTI，所述领域包括上文参考的Yin和Maurer的论文，其中实际数据(幅值和/或相位)与模型响应(幅值和/或相位)相比较，并且所述模型被充分调节以匹配带有模型响应的实际场数据。在这个各向异性解释方法中，使用垂直和水平电阻率估计同步模拟在线和离线响应。然后最终模型解决包含作为深度和横向位置的函数的大地电阻率和EVTI值(量)。
(3)(步骤66)使用本领域技术人员熟知的(见，例如，Newman等，Three Dimensional Electromagnetics(Oristaglio and Spies，eds.)Soc.Expl.Geophysicists，Tulsa，299-321(1999))各向同性电阻率运算在数字计算机上自动执行1D、2D和/或3D算数迭代(成像)。在各向同性反转方法的一个实施例中，HED源的在线Ex和在线Ez(或HMD源的在线Hx和在线Hy)以及HED源的离线Hz(或HMD源的离线Hz)被分别输入到反转程序，所述反转程序将使用数字最优化运算来分别的解决水平和垂直电阻率的量、深度以及横向分布，所述水平电阻率的电磁响应最佳地满足观测的海底数据。然后通过在每个深度和位置随后形成反转的垂直对水平电阻率的比值找到EVTI。通过各向同性正演模拟，关键是一个反转解使用对垂直电阻率更敏感的电磁场数据，而另一个反转解使用对水平电阻率更敏感的数据。
(4)(步骤67)使用个向异性1D电阻率运算(见，例如前文参考的Tompkin等的论文)在数字计算机上自动执行数学反转(成像)程序，而2D和3D的频域和时域有限差运算的各向异性扩展由本领域计算人员在先前发展出(见，例如，Weiss等。Geophysics67，1104-1114(2002)；以及Weiss等，Geophysics68，922-930(2003))。在这个各向异性迭代方法中，在线和离线响应被联合输入到反转程序，然后所述程序使用数字最优化运算来解决水平和垂直电阻率的量、深度和横向分布，所述水平和垂直电阻率的电磁响应最佳地满足观测的海底数据。
【0038】各向同性方法要求两个独立的计算机运行迭代正演建模或反转程序。一个运行包括至少一个电磁场分量的数据，所述电磁场分量主要对水平电阻率的影响敏感，并且输出是水平电阻率数据的量。另一个运行包括是找一个EM场的分量的数据，所述EM场分量优选的仅对垂直电阻率的影响敏感，或至少主要对垂直电阻率的影响敏感，并且输出是垂直电阻率数据的量。各相异性方法输入全部数据到单个运行。数据可以是同时对垂直和水平电阻率敏感的场分量；然而，如果该数据包括仅对垂直电阻率敏感的分量和另一个仅对水平电阻率敏感的分量，那么该方法产生更多的数学稳健的结果。因此，用于一个方法的优选的电磁数据组将是对所有方法优选的组(对于给定的源类型)。表1列出了对于在线或离线接收器位置的HED和HMD源类型的对垂直电阻率ρv和水平电阻率ρH或两者的敏感性。(优选的离线数据来自位于源侧面的位置。)本发明感兴趣的表1中的条目是数据至少主要地依靠ρv或ρH影响的条目。可以从表1和前文描述的方法看出本发明全部优选实施例需要至少一个EM场分量的在线测定以及至少一个EM场分量的离线测定。额外的数据提供了预期的数据冗余的好处。在表1中对ρH或ρH标有“仅”的敏感性假设平坦分成的大地模型，并且必须了解在实际情况下这种敏感性不会完全纯净，并且应该了解表1用于海洋环境，对于陆地上的应用表将将被适当的改变。
表1
【0039】技术人员可以简单看出以上的全部方法，无论各向同性还是各向异性，正演模拟或导致，都包括通过计算机辅助数字方法执行的Maxwell的电场方程。通过公知的源采集数据，以及背景电阻率(盐水等)，还有测定的至少两个EM场分量的数据，只有目标电阻率是未知的并且其可以被解出。
【0040】迭代正演模拟方法通常通过计算机实施，但通常需要人工指导。数据操作员通常输入已知或估计的电阻率参数到开始深度模型。这种模型可能包括在其他参数中的海水深度，水电阻率及其垂直梯度，空气电阻率以及基于现有指示的大地电阻率的第一猜测(如在相同的区域测井)，相关的数据(如通过统计关系转换到电阻率的震波速率)，以及所述技术中的一般经验。通常选择统一的背景电阻率值。初始电阻率模型的主要影响是加速或延迟收敛。然后通过使用运算在计算机上运行模型，所述运算为所选的输入数据解决Maxwell方程，并且为真实数据相应的勘测配置获得作为结果的合成数据。然后操作员在几个位置比较合成数据与真实数据，并基于预期响应的可用的知识修改模型的电阻率从而使合成数据更接近真实数据。所述处理通常被重复多次，直到达到操作员设定的标准，即最终电阻率——深度模型的合成数据在一些接受的限制内匹配真实数据。如果处理没有收敛，这通常意味着地理结构是复杂的并要求更多的频率、源到接收器距离以及需要被检测的E或H分量或由于其他原因勘测的数据被损坏。
【0041】如上文描述的正演模拟方法，在反转方法中，数据操作员使用已知值(海水，空气等)和通过经验、近似值确定的通常取统一或区域代表性的大地电阻率的开始猜测建立开始电阻率深度模型。然后真实数据和开始电阻率模型一起被输入计算机运算，并且所述运算生成通过Maxwell的方程解出的合成数据，所述Maxwell方程通常通过本领域已知的数字迭代方案的求解。在本发明的优选实施例中，运算使用数学技术，如在真实和合成数据之间的不同中导出的梯度，从而超出模型中的变化，所述变化将导致在下一次处理迭代中真实和合成数据之间不相称的最小化。计算机运算能够解决比人类操作员可解决的更加复杂的数据和模型，并且允许连续的操作其内部迭代处理知道真实数和合成数之间的不相称达到一些预设的小值。在这点上，数学答案被称为收敛到最优化的解，其与最终电阻率——深度模型相应，所述模型代表包括任何存在的烃的真实大地电阻率结构。
【0042】例如，本发明的用户可以选择(图6中步骤63)一个实施例，在其中本文描述的频域内的迭代模拟和反转被使用，但限于各向异性计算机程序和运算，从而提供EVTI结果的交叉检查(步骤68)并同样更好地合并操作员的地理知识。例如，使用HED受控源可以获得所选数据，所述受控源在海底附近被拖拽(优选地在25到50米之间)或位于沿源线连续的一对海底接收器之间海底的固定位置。在这种情况下，只需要有在线Ex和Ez电场响应，其被同步勘测的只有离线Hz响应，在变化的在线和离线范围内，通常对于300,000安培——米的HED强度(偶极矩)，从零(0)到12,000米在线而一(1)到8,000米离线。本领域技术人员将理解这些响应测定的在线和跨线(离线)范围(即源到接收器距离)的选择取决于预期的大地的水平和垂直电阻率和所关心目标的深度。
【0043】仅对水平电阻率敏感的用于场分量测定的表1中选项的替代以被动源电磁测量的形式存在。在没有人为操作源的情况下测定电磁响应是被称为大地电磁(MT)勘测的已知技术。发表的作品公开了如何使用被动源海洋大地电磁(MMT)方法测定在海下的大地电阻率(Constable等，Geophysics63，816-825(1998)；Hoversten等，Geophysics65，1476-1488(2000))。大地电磁的能量源于地球周围的磁场内自然波动，这主要由于电离层波动和闪电。虽然垂直电场(Ez)数据有时对估计地质结构的横向变化是有用的，MMT测定通常被限制于水平电场和磁场(Ex，Ey，Hx，Hy)(Zhdanov和Wen，“Three-dimensionalmarine magnetotellurics for petroleum exploration”，SEG2003AnnualMeeting Expanded Abstracts，537-540(2003))。这些数据的分析得出的信息基本完全地限制与水平电阻率。
【0044】为初始勘测执行反转计算(图6中步骤61)，并用于在随后的时间执行的至少一个勘测(图6中步骤72)。
【0045】海洋CSEM数据的数学反转提供了通过在海面或接近海面处远距离地获得相对低成本的测定来匹配在深处的电阻率的方法。然后通过使用将电阻率联系到饱和度的经验关系，如Archie定律(Archie，Trans.American Inst.Mech.Eng.146，54-62(1942))，这种电阻率匹配可以被用具估计穿越储层岩石的烃饱和度。从震波和井眼数据以及如岩石物理模型的其他方法获得的岩石和盐水特性的估计可以用于校准或改进所述反转。
【0046】本领域技术人员熟知的在多孔渗水的岩石(如地下烃储层)中电阻率对流体成分敏感(Keller和Frischnecht，Electrical Methodsin Geophysical Prospecting，20-33，Pergamon(1966).)。水——湿岩石的整体各向同性电阻率通常通过如Archie定律的经验数学关系式来描述：
ρr＝ρw(1-Shc)-m·Φ-m　　　　　(1)
其中ρr是整体岩石电阻率，ρw是岩石中盐水的电阻率，Shc是烃饱和度，Φ是多孔性，m是经验指数，其同通常具有接近与m＝2的值并且代表岩石矩阵。方程(1)建模了对于给出的岩石多孔性和盐水电阻率的情况下，当烃饱和度下降时整体储层电阻率的迅速下降。由于烃储层在生产，储层多孔性本质上恒定，除非储层岩石在生产过程中无意中被改变，例如通过如粘土生长的成岩处理。储层也可以通过化学或用于刺激生产的压力破裂处理被有意的改变。可以从震波反射数据获得整体岩石密度的信息从而随后估计多孔性的这种改变。在从多个储层生产烃的期间，弄湿小孔表面的储层盐水的电阻率也近似于常数，除非水或一些可溶于水的流体被人工地注入储层以刺激生产。因此，如果孔隙主要包含烃流体和盐水，整体电阻率的本地改变可以是烃饱和度Shc的直接测定。如果ρr0是在最初时间t0的本地整体电阻率并且Shc0是本地烃饱和度，而ρr1是在随后时间t1的本地整体电阻率和Shc1是本地烃饱和度，那么用这些值取代方程(1)中的值，得到：
Shc1＝1-(1-Shc0)·(ρr1/ρr0)-m　　　　　　　(2)
【0047】方程(2)提供了储层初始特性确定的情况下在估计Shc改变的简单方法。如果另一个电阻性流体被注入储层，如二氧化碳(CO2)用于生产刺激或用于碳截存，Shc和ρr之间的直接关系被破坏并且需要更复杂的方法来估计Shc(Hoversten等，“Pressure and fluidsaturation prediction in a multi-component reservoir using combinedseismic and electromagnetic imaging”，Geophysics68，1580-1591(2003))。
示例
【0048】为代替本发明中需要的实际CSEM数据的类型和结合，本领域计算人员熟知的采用1D方法的数字计算被用于本文以论证本发明使用的海底电磁响应。图2显示用于CSEM响应数据的这个模型计算的勘测几何图和1D电阻率模型。列出的仪器与图1中的一样(并采用同样的参考编号)，只是使用了HED源。这个示例的模型使用3000米的海水深度和50米厚的仿真烃储层8，其顶部埋在海底下1000米。图3A和3B显示了HED源——规格化的(即一米长度和一安培电流的单位偶极子响应)以伏特/米为单位的在线Ex海底场幅值(图3A)和绝对相位(图3B)中计算的改变，所述改变由变化量级的EVTI(1:1到5:1的EVTI比率pv:ph，其中pv是垂直电阻率而ph是水平电阻率)引起，其与用0.25赫兹的正弦源频率的图2中的勘测几何图和大地参数相应。通常在烃储层上下的大地通常是各向异性的，并且其可以出现在烃层内，例如如果储层是层积的情况。但是除非烃层足够厚以至可以被电磁数据解析，其EVTI影响还不足够大到可以在这些模型数据中看出，因此出于这些仿真的目的假设储层具有各向同性电阻率。HED在x方向上排列(有时被称为XED源)。(通常在海洋CSEM实践中排列HED源，其基本是在拖拽方向上的一条长线，当通过连接到其一端的电缆拖拽时，通常假设该方向是其趋向的方向。)这个计算中的水平电阻率ρh被设定在1.0欧姆。水平轴是沿源线的距离x，其通过从特定的在线接收器到移动源的距离来测定，即位于沿源拖拽线5的一个接收器6(见图1)。本领域技术人员将了解输入参数的其他值可以同样用于本说明。储层层8被假设具有100欧姆的电阻率(电各向同性，EVTI＝1)。六个曲线显示了海底接收器对于储层8存在或不存在的多个情况的响应，以及过载或非过载EVTI的变化值的响应。在图3A-B中，参考编号的第二数字指代EVTI值以及储层层存在(WR)于模型或不存在(NR)于模型中，依照以下说明：1指代EVTI＝ρv/ρh＝1，WR；2指代EVTI＝2，WR；3指代EVTI＝5，WR；4指代EVTI＝1，NR；5指代EVTI＝2，NR；6指代EVTI＝5，NR。可以看出随EVTI影响增加，目标层的存在或不存在产生逐渐减小的差异，这说明需要本发明来确定储层特性的改变。
【0049】图4和图5是水平切开的3D深度图，图6中步骤69指示的可以(通过导致与不同频率相关的数据)被准备的3D深度图。图4显示了在地下烃储层使用图2中勘测几何图的在初始时间搜集的在线和离线数据的仿真的3D各向异性反转。图4或图5都不是通过实际数据反转准备的；它们仅是试图指出电阻率图[69]的类型和随时间的比较[73]的说明，所述随时间的比较可以使用本发明方法来给出。不同于图1和图2所示的简单的统一层模型情况，这里的烃饱和度和产油层厚度在储层内是变化的，这是由于其地理结构和内部特性，因此储层电阻率横向的变化。用于生产烃的仿真井眼9的位置被显示。场强线描述通过从震波和测井数据独立地勘测的平均跨越50米的储层总厚度(以欧姆为单位的数字值有灰度色标参考标记指代)的反转垂直电阻率的值。在这种反转中平均垂直电阻率通常是最稳定的参数。对于好的第一接近，收集的在线和离线数据主要对在储层深度产生的垂直厚度——电阻率敏感。在这个仿真中，高流体渗透性的区域由虚线41指代。其他参考编号具有和图1相同的意义。
【0050】图5显示了再次使用图2勘测几何图的，在晚于图4中显示结果时间的一个时间收集的在线和离线数据的仿真的3D各向异性反转。在这个仿真结果中，随后时间勘测的源和接收器位置与初始时间勘测时的位置相同。在实践中，如果源和接收器位置与初始时间勘测使用的位置相距太远，例如大于100米，那么对于随后的勘测，小的误差可以被引入地下电阻率反转。
【0051】图5中的等势线描述在平均50米厚度的储层上的反转的垂直电阻率的值，其与在随后时间测定的测定海底CSEM数据对应。因为通过电阻性烃的转移会降低平均本地电阻率，因此可以在实际储层中预期到的，在仿真结果中，在高流体渗透性区域附近的模型储层中的平均垂直电阻率充分地降低(即较黑的区域具有尺寸上的收缩)。依靠岩石多孔性、渗透性以及实际储层的初始饱和度和来自两个油井的烃生产率的实际值，第一电阻率成像(图4)和图5中的第二电阻率成像之间的时间一般为3到10年。
【0052】从本发明的描述可以清楚看出，可以在初始时间勘测后的多个时间获得重复的勘测，取决于预期的生产率，为一个或多于一个后续时间适当执行的电阻率反转，然后与初始时间的反转相比较或者所述勘测的一个或多于一个后续时间的电阻率反转相比较。
【0053】本发明的一个实施例进一步包括在初始时间1和至少一个随后时间2使用反转的电阻率值来估计(图6的步骤70)在这两个时间的平均烃饱和度Shc1和Shc2，然后映射(步骤71)并分析(步骤73)储层区域内饱和度中的随时间的改变的ΔShc＝(Shc1-Shc2)。电阻率到饱和度的转化对本领域技术人员来说是已知的，并且可以通过包括经验关系使用的现有技术中的多种方法来执行，所述经验关系包括诸如通过储层多孔性测定和通过测井测定的水饱和度校准的Archie定律Archie定律。
【0054】在本发明方法的实践中，频域和时域技术可以用于数据采集、处理、分析和解释。时域和频域技术之间的选择极大地取决于操作条件的影响(如水深)，本领域技术人员将理解这一点。海洋CSEM勘测领域的技术人员同样了解本发明使用的用于测定海底数据的源、海底仪器、电场和磁场感应器。所述仪器和感应器最初为离岸电磁勘测而研制(Chave等“Electrical Exploration Methods for theSeafloor”，Electromagnetic Methods in Applied Geophysics，2，931-966，.Society of.Exploration Geophysicists，Tulsa(1991))。
【0055】上述应用注重于本发明的具体实施例，并仅以说明为目的。然而本领域技术人员将了解可以对本文公开的实施例进行修改和改变。如所附权利要求限定，全部这种修改和改变均规定为在本发明范围之内。

Claims (25)

1.一种根据从含有储层的地下区域获得的受控源电磁勘测数据确定地下储层的烃含量随时间的改变的方法，所述方法包括：
(a)从所述地下区域的最初勘测获得记录在相对于勘测源线的多个在线和离线接收器位置处的电磁场数据，并从充分相同的条件下实施的相同区域的至少一个稍后勘测获得相应的电磁场数据，所述电磁场数据包含至少主要对垂直电阻率敏感的场分量和至少主要对水平电阻率敏感的场分量；
(b)对于每个勘测，使用勘测获取参数和获得的电磁场数据，为所述地下储层中的多个(x，y，z)位置处的水平电阻率和垂直电阻率求解Maxwell电磁场方程；以及
(c)比较所述勘测之间求解的水平电阻率结果，以及比较所述勘测之间求解的垂直电阻率结果。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含，在(b)中求解水平电阻率和垂直电阻率后：
根据所求解的水平电阻率和垂直电阻率计算流体饱和度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述流体饱和度值的计算使用Archie定律。
4.根据权利要求1所述的方法，其中从一个勘测到另一个勘测的勘测几何图的重复程度取决于地下电学参数和所述受控源的频谱。
5.根据权利要求4所述的方法，其中从一个勘测到另一个勘测的接收器位置的变化不超过100米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁场数据来自使用水平电偶极子电磁源的勘测。
7.根据权利要求6所述的方法，其中至少主要对垂直电阻率敏感的所述场分量是在线Ez，而至少主要对水平电阻率敏感的所述场分量是离线Hz。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁场数据来自使用水平磁偶极子电磁源的勘测。
9.根据权利要求8所述的方法，其中至少主要对垂直电阻率敏感的所述场分量是离线Ez，而至少主要对水平电阻率敏感的所述场分量是在线Hz。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁场数据包含Hz数据，其中z代表垂直方向。
11.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用所述地下区域和其上部空间的假设电阻率模型和所述获得的电磁场数据来求解电磁场数据的值，然后比较求解的值和所述获得的电磁场数据，接着调节所述模型的电阻率值以使求解的值更接近所述获得的电磁场数据，并重复该过程直到符合预定的标准，来求解所述电磁场方程。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述模型是各向同性的，即电阻率独立于电流方向，并且所述模型在每次迭代运行两次，一次假设只有水平电阻率即垂直电阻率＝0，而一次假设只有垂直电阻率即水平电阻率＝0。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述受控源是水平电偶极子，并且仅假设垂直电阻率的所述模型使用在线Ez数据运行，而仅假设水平电阻率的所述模型使用离线Hz数据运行。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述受控源是水平磁偶极子，并且仅假设垂直电阻率的所述模型使用离线Ez数据运行，而仅假设水平电阻率的所述模型使用在线Hz数据运行。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述模型是各向异性的即电阻率取决于电流方向，并且所述模型在每次迭代运行一次。
16.根据权利要求1所述的方法，其中使用获得的电磁场数据作为已知量并通过迭代数值方法反转所述电磁场方程从而收敛于所述地下区域的电阻率模型来求解所述电磁场方程。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述电阻率模型假设为各向同性的。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述电阻率模型假设为各向异性的。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述受控源是水平电偶极子，且所述电磁场数据包含在线Ez和离线Hz数据。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述受控源是水平磁偶极子，且所述电磁场数据包含离线Ez和在线Hz数据。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是通过计算机实现的，并且进一步包含逐个位置计算来自两个勘测的水平电阻率结果之间的电阻率差值或比率，或者逐个位置计算来自两个勘测的垂直电阻率结果之间的电阻率差值或比率，并输出所述电阻率差值或比率或在计算机存储器内储存所述电阻率差值或比率。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是通过计算机实现的，并且比较步骤包含输出或显示每个勘测的电阻率值的二维或三维图表，然后确定从最初勘测到稍后勘测在一部分所述储层的尺寸的任何增大或减小，这种增大或减小通过使电阻率值大于或小于预选值或者落入电阻率值的预选范围内来限定。
23.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含确定在最初勘测时间和至少一个稍后勘测时间之间发生在所述地下区域的烃流体运动，所述确定基于根据不同勘测所计算的流体饱和度值。
24.根据权利要求1所述的方法，其中使用单个电磁勘测源生成针对每个勘测的全部电磁场数据，所述电磁勘测源产生垂直电流和水平电流。
25.一种用于从地下区域的储层中生产烃的方法，包含：
(a)从所述地下区域的最初勘测获得记录在相对于勘测源线的多个在线和离线接收器位置处的电磁场数据，并从充分相同的条件下实施的、相同区域的至少一个稍后勘测获得相应的电磁场数据，所述电磁场数据包含至少主要对垂直电阻率敏感的场分量和至少主要对水平电阻率敏感的场分量；
(b)对于每个勘测，使用勘测获取参数和所获得的电磁场数据为所述储层中的多个(x，y，z)位置处的水平电阻率和垂直电阻率求解Maxwell电磁场方程；
(c)获得所述勘测之间求解的水平电阻率结果的比较或者获得所述勘测之间求解的垂直电阻率结果的比较；以及
(d)使用勘测之间的所述比较从所述储层生产烃，从而进行储层管理和开发决定。
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