CN102171587B - 增强地下电磁敏感度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量增强的电磁场响应的方法，尤其是在海底环境，目的是地下数据采集和处理。以两个或更多不同频率向地下地层施加电磁场，探测每个频率的响应，且分解不同频率的响应。分析这些响应的相位和/或振幅的差，确定该地层的性质。可通过使用钻孔，采用同样的方法确定储层的油气含量。

Description

增强地下电磁敏感度的方法

技术领域

本发明涉及地下电磁数据采集和处理。特别地，本发明涉及一种测量增强的电磁场响应的方法，尤其是在海底环境。

背景技术

有许多运用在海底环境的电磁场的申请。海上电磁操作是定位海上油气储层或确定之前定位的储层含量的重要手段。当已经钻了井筒且正在抽取油时，也可用于监测油气生产以进行油藏管理。如在本申请人的WO01/57555中所述，一已知工序包含使用电磁源和一个或多个的接收器。由所述源产生的电磁能量在各个方向传播，向下传播的电磁能量与地下层相互作用，且信号返回到海底，接收器在海底探测到该信号。在偏移距(offset)短时，信号主要是直达波和反射波，在偏移距长时，信号可以主要是部分导波。

典型的CSEM数据装置以传播信号的大衰减为特征。该衰减由信号已传播的距离支配。因此，在偏移距大或目标埋藏得较深的情况，接收到的信号大小可能较小，可能难以解释结果从而确定感兴趣的储层是否存在。类似地，当监测现有的储层以确定油对水的相对含量时，信号的大小可能较小，且结果的解释又很困难。

发明内容

因此本发明的目的是提供采集和处理具有增强敏感度的EM场的方法。

根据本发明，确定海床之下的地层的性质的方法包括：以两个或更多不同频率向地层施加电磁场，在每个频率上探测电磁场响应，通过分解不同频率的场响应对场进行处理，通过将不同频率的响应相减产生差，且在相位和/或振幅上分析这些差，从而得出该地层的性质。

在一实施例中，以频率差为Δω的两个不同频率f₁和f₂施加电磁场。测量在每个频率上的响应，并加以分解，且对在不同频率上测得的响应的差进行分析，以得出地层性质。在另一实施例中，应用多个频率f₁，f₂，f₃，…，f_n，可挑选在任意两频率上的一对或多对结果，进行处理和分析以获得该方法敏感度的最大增强。

通过位于海床或其附近的发射器可施加EM场，且可通过一或多个位于海床或其附近的接收器探测场响应。或者，可通过位于钻孔中的发射器施加EM场，且通过一个或多个位于海床或其附近，或位于钻孔中的接收器探测场响应。

发射器和/或接收器可为偶极天线，例如水平偶极天线，但也可使用其他形式的发射器和接收器。在每个标称发射位置，EM场可施加3秒至60分钟的时间。

可以在0.01-50Hz，或0.02-20Hz，或0.03-10Hz，或0.05-1Hz之间的两个或更多频率上发射EM场。可基本同时或紧密相继地以两个或更多频率发射该场，或可在分离的时间发射该场。频率之间的差可在0.005-5Hz，或0.01-1Hz，或0.01-0.1Hz范围内。

该方法可同样地用于磁场和电场测量，磁场测量可使用已知的磁场接收器。更进一步地，该方法可用于集成测量仪器同时记录的电和磁测量，该集成测量仪器既记录磁场也记录电场，例如使用大地电磁仪器。

虽然本说明书中的说明提及海和海床，但要理解的是这些术语意为包括内陆水系统，例如湖泊、河流三角洲等。

本发明扩展至通过钻孔而监测储层的方法的使用，该方法包括：以两个或更多不同频率向所述储层施加电磁场，探测每个频率的电磁场响应，通过在所述不同频率上分解所述场响应对所述场进行处理，通过将不同频率的响应相减产生差，且在相位和/或振幅上分析这些差从而得出所述储层的油气含量。

在这种情况，在钻孔中可放置一个或多个接收器，或可将发射天线放置于钻孔中且接收器位于海床或其附近，或接收器和发射天线可在钻孔内(在同一井或不同井中)。此方法可用于确定储层的含量，以及尤其可适用于使用日久的井，其中油被移除，储层中的油被水代替。通过使用本发明，因油含量减少、每个接收器探测到的较小的信号被增强。

可由各种方式实施本发明，为了说明结果敏感度的增强，将通过示例的方式详细说明分解场的方法。

有许多用于在时间域和频率域分析数据的方法。在本申请人的WO03/100467中，可发现处理和分析技术的示例，其中信号被分解为在海底的上行和下行分量。在本发明中，以不同方式处理结果。考虑大小相当而略有不同的两个频率的信号传播。两个接收信号的差由它们在相位和振幅之间的差给出。与单频信号的大小相比，测得响应的差将通常作为从电磁源的传播距离的函数而增加。该差可表示为与下式的绝对值相似的量，

$D(E,\mathrm{\ω},\mathrm{\Δ\ω})=\frac{E(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Δ\ω})-E\left(\mathrm{\ω}\right)}{0.5\left(\right|E(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Δ\ω})|+|E\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right)}---\left(1\right)$

其中D为响应的差，E为电磁场的测得的空间分量(具有相应相位和振幅的复数)，ω为角频率，Δω为角频率差。D的值将随着传播距离逐渐增加到一点，该点处两个不同频率的分量之一占据主导地位。

因此，在离源较远的距离，两个频率分量之间的差与个体的频率分量本身相比，将对地下结构更加敏感。因此，比较附近频率分量的响应差，可揭示比较单个的频率时难以探测的地下结构。

诸如在上式(1)中列出的差，只有被比较的每个频率分量相对于源振幅和相位归一化(即，具有相似的源强度和相位)后才可使用。然后任何响应的差都可直接归因于来自地下的响应，而非施加源的差。

为将以与式(1)中相似的方式定义的值与瞬时脉冲响应相联系，电场对角频率ω的导数近似可由下式(2)给出。

由式(2)可见，频率响应的差，与时间序列脉冲响应(瞬时测量)和时间，t的乘积非常相似，如在下式(3)所示：

${\∂}_{\mathrm{\ω}}E\left(\mathrm{\ω}\right)=-i\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{tE}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由式(3)可见，通过使用例如t的不同次幂，可获得增强的地下敏感度。这对应于对角频率的各阶导数：

${\∂}_{\mathrm{\ω}}^{n}E\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-\mathrm{i\ωt}}{(-\mathrm{it})}^{n}E\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

因此，更高阶频率差也可应用于分析地下情况。在实施中，对于在式(1)中使用的两个不同的频率分量来说，源和一个接收器或多个接收器的位置和方向是类似的是非常重要的，否则可能会由不可抵消的附近环境中的不同条件或采集参量的差，而非来自海底之下已经探测到的物质的测得量引起来自两个频率的响应差。

在第一实施例中，单源同时发射本发明方法中使用的两个或多个频率。在可选实施例中，采用单源在第一频率上发射信号，且进行测量。然后相同的源在同一处按需要次数进行多次重新部署，或相同的源以足够的精确度沿着同样的轨迹，通过在第二或另外的频率上发射信号从而再次实施本发明的方法。重要的是源和接收器构型引发的任何不确定都小于由使用不同频率引起的差。

为测量接收到的信号的敏感度，相对差可定义为：

$R(F,F^0)=\frac{|F-F^0|}{0.5\left(\right|F^0|+|F\left|\right)}---\left(5\right)$

其中F为与参照值F⁰相比，给定方案的测得量或导出量。例如，该参照值可为背景或环境值，或者感兴趣区域计算的综合值。

为了利用当前现象(current phenomenon)，供地下电磁性质的数值反演，可将以估计不确定性加权计量的综合数据(“synth”)和与真实数据(“obs”)之间的失配最小化。例如，可最小化下面式(6)中的ε的值：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{|F^{\mathrm{obs}}-F^{\mathrm{synth}}|}^2}{{\left|\mathrm{\ΔF}\right|}^2}---\left(6\right)$

式中F＝E(ω+Δω)-E(ω)，且|ΔF|为F的估计的不确定性。

F也可为高阶差分。这样的差分可近似为高阶导数，如F＝E(ω+Δω)+E(ω-Δω)-2E(ω)，或它们可为低阶导数的更好近似，如为一阶导数的二阶近似F＝1.125(E(ω+0.5Δω)-E(ω-0.5Δω))-0.04167(E(ω+1.5Δω)-E(ω-1.5Δω))。一般地可将此表示为，

F＝a(E(f₁)-E(f₂))+b(E(f₃)-E(f₄))+...+n(E(f_m)-E(f_m+1))    (7)式中a，b，…，n为常数，且f₁，f₂，f₃，f₄，…，f_m和f_m+1为频率，相邻频率间的差可相同也可不同。此处需注意如果在相同条件下(即位于相同位置和具有相同传感器)获取不确定性的成分，估计的不确定性与导出量成正比。

附图说明

本发明参考下图进一步举例说明以下实施例，其中

图1示出与无电阻层的模型相比较，具有电阻层的第一模型的测量信号和不同频率的偏移距之间的关系；

图2示出与图1中运用的相同的两个模型的、按照WO03/100467中列出的方法处理的测量信号与不同频率的偏移距之间的关系；

图3示出在图1和2中使用的相同的两个模型的、根据本发明处理的测量信号与不同频率的偏移距之间的关系；

图4和5示出在图1-3中使用的模型的、如式(6)中定义的失配函数(misfitfunction)的平方根；

图6-8与图1-3相应，对于第二模型再次与无电阻层的模型相比。

具体实施方式

由1D建模的示例举例说明本发明。建立一个模型，构成如下：具有0.3Ωm电阻率的50m的水，接着一个100m的电阻率1Ωm的层，一个2.0km的电阻率3.0Ωm的层，一个1.5km的电阻率2.0Ωm的层，一个50m的电阻率30Ωm的层，最后一个2.5Ωm的半空间。将具有电阻层的此模型与30Ωm层被2.0Ωm层取代的模型相比较。如图中的图例所示，该模型具有在1Am和从0.02至0.75Hz的频率范围的点源。

图1示出当没有任何处理而记录电场，即式(5)中的F＝E(ω)时，电场的相对差。频率在0.10至0.70Hz之间变化，且测量的响应最远为10km。如将从图1中看到的，在任何运行频率，较高电阻的储层都难以探测。

图2示出按照WO03/100467的方法处理，将场分解为上行和下行分量之后的响应。下行分量表示来自海面的反射，因此为了研究地下结构可将其忽略。上行分量表示来自地下地层的反射和折射，为图2中所绘的曲线。响应有些区别，但是仍然难以解释这些以确定高电阻率层的存在与否。

图3示出按照本发明处理之后的响应，例如在上式(5)中的F＝E(ω+Δω)-E(ω)。已经将10^-15V/m的本底噪声加至差数据。如从图3中可见，数据差大于记录仪器和自然环境的总本底噪声，且因此可有把握地对其进行分析。随着偏移距增加，数据差达到本底噪声水平且响应突然降低。使用同时发射两个频率的单源得到此示例的数据，两个频率具有0.05Hz的频率差。第二频率比表中引用的频率值高0.05Hz，但同样地也可位于表中引用的频率值之下。从图3中可清楚地看见，绘制两个频率的响应差得到对高电阻层具有高得多的敏感度的曲线，且可更确切地解释数据以确定地下是否有高电阻层。

图4和5对于上述相同的模型，示出如在式(6)中定义的失配函数的平方根。此处，采用了二阶差分，即F＝E(ω+Δω)+E(ω-Δω)-2E(ω)。在图4中，用来建立二阶差分的三个频率具有0.05Hz的间距。在图5中，此间距增加到0.1Hz。图中示出通过增加频率差，可获得更大的差，从而增加信号噪声比。

差在其为对频率导数的数值近似时，最清晰。这意味只要以频率间隔的反函数度量它们之间的差，就可得到两个频率分量之间的“任何”间隔。一示例可为：f₁＝0.1，f₂＝0.15和f₃＝0.25，及二阶差分可为F＝E(f₁)-E(f₂)-0.5(E(f₂)-E(f₃))。

图6至8，示出与图1至3对应的同样的三个图，但是使用具有3.0km水而非50m水的模型。这表明此方法对深水以及浅水环境的适用性。可观测到类似的趋势，但与浅水情况相比，在更低频率(～0.03Hz)，并且响应更弱。然而，按照本发明处理的响应图(图8)仍比自然绘制的(图6)或分成向上和向下分量时(图7)的单频结果的响应强很多。在本实施例中，在图8绘制的结果中的最低频率的频率间差(Δω)为0.01Hz。一般地，频率差(Δω)依正在被研究的频率的比例来度量，即为了得到差，在应用频率较小时，(Δω)也较小。

除数据的敏感度被增强之外，与WO03/100467方法(已经是相对未经处理数据结果的一个改进)相比的又一益处，是本发明的方法不依赖于对电场和磁场二者的使用，而是可以靠单独一个运行。对于非常浅的水，看起来是单独的电场给出了最好的敏感度，而在中等水深度，单独的磁场看似更好。在深水中，如图4和5中所示应用二阶或高阶差分时，看起来电场较好。

Claims (27)

1.一种确定在海床下的地层的性质的方法，包括：

以两个或更多不同频率向所述地层施加电磁场，探测在每个频率上的电磁场响应，通过分解在所述不同频率上的所述电磁场响应，从而对所述场进行处理，通过将在不同频率上的响应相减产生差，其中所述两个或更多频率中的各个之间的差在0.005至5Hz的范围中，以及在这些差的相位和/或振幅上分析这些差，从而得出所述地层的性质，其中所述方法可用于磁场也可用于电场测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中按照一阶差分处理在所述两个或更多频率上的所述响应。

3.根据权利要求1所述的方法，其中按照二阶或更高阶响应处理在所述两个或更多频率上的所述响应。

4.根据权利要求3所述的方法，其中按照下述公式处理所述响应：

F＝a(E(f₁)-E(f₂))+b(E(f₃)-E(f₄))+...+n(E(f_m)-E(f_m+1))

其中F为给定方案的测得量或导出量，E为测得的所述的电磁场的空间分量，a，b，…，n为常数，f₁，f₂，f₃，f₄，…，f_m和f_m+1为频率。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中以在0.01至50Hz之间的频率发射所述电磁场。

6.根据权利要求5所述的方法，其中以在0.02至20Hz之间的频率发射所述电磁场。

7.根据权利要求6所述的方法，其中以在0.05至1Hz之间的频率发射所述电磁场。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中同时发射所述两个或更多频率。

9.根据权利要求1至7中的任一所述的方法，其中相继发射所述两个或更多频率。

10.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述两个或更多频率中的各个之间的差在0.01至1Hz的范围中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述两个或更多频率中的各个之间的差在0.01至0.1Hz的范围中。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中通过位于所述海床的或位于所述海床附近的发射器施加所述电磁场。

13.根据权利要求1至11中任一所述的方法，其中通过位于钻孔中的发射器施加所述电磁场。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述发射器为偶极天线。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述发射器为水平偶极天线。

16.根据前述任一权利要求所述的方法，其中通过一个或多个位于所述海床的或位于所述海床附近的接收器探测所述场响应。

17.根据前述任一权利要求所述的方法，其中采用遍及所述海床的一个区域安排的多个接收器探测所述场。

18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述接收器安排在一条直线上。

19.根据权利要求17或18中所述的方法，其中采用来自接收器阵列的数据以分解所述场。

20.根据权利要求17或18中所述的方法，其中独立采用来自每个接收器的数据以分解所述场。

21.根据权利要求1至15中任一所述的方法，其中通过位于钻孔中的一个或多个接收器探测所述场响应。

22.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述接收器为偶极天线。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述偶极天线为水平偶极天线。

24.一种通过钻孔监测储层的方法，包括：

以两个或更多不同频率向所述储层施加的电磁场，探测在每个频率上的电磁场响应，通过分解在所述不同频率上所述电磁场响应，从而对所述场进行处理，通过将在不同频率上的响应相减产生差，其中所述两个或更多频率中的各个之间的差在0.005至5Hz的范围中，以及在这些差的相位和/或振幅上分析这些差，从而判断所述储层的油气含量，其中所述方法可以用于磁场也可用于电场测量。

25.根据前述任一权利要求所述的方法，其中在每个频率仅测量了磁场响应，且仅处理了所述磁场。

26.根据权利要求1至24中任一所述的方法，其中在每个频率仅测量了电场响应，且仅处理了所述电场。

27.根据权利要求1至24中任一所述的方法，其中测量且处理了电场和磁场两者。