CN104685378A - 利用数据加权电磁源对储集层开采或者水压致裂进行时间推移监测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于岩石地层内目标特征的时间推移监测的系统和方法。该系统包括被配置为在岩石地层附近或在其表面生成电磁场的数据加权电磁源；以及被配置为测量由源生成的电磁场的分量的电磁接收器。数据加权电磁源包括多个电磁源，并且来自每个电磁源的电磁场贡献被加权以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

Description

利用数据加权电磁源对储集层开采或者水压致裂进行时间推移监测的系统及方法

技术领域

本发明涉及利用合成孔径受控电磁源对储集层开采或注入或水压致裂进行时间推移监测的系统及方法。

背景技术

由于信号对水饱和的直接敏感性，可控源电磁(CSEM)技术已经被看作是潜在的储集层监测工具。但是，来自正在经历开采的油或气储集层的时间推移变化的响应可以很小。此外，在水压致裂的情况下，大地的经历水压致裂的部分的电磁响应的变化也可以很小。

发明内容

本发明的一方面提供用于岩石地层内目标特征的时间推移监测的系统。该系统包括：被配置为在岩石地层附近或在其表面生成电磁场的数据加权电磁源，以及被配置为测量由源生成的电磁场的分量的电磁接收器。数据加权电磁源包括多个电磁源并且来自每个电磁源的电磁场贡献被加权，以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

本发明的另一方面提供用于岩石地层内目标特征的时间推移监测的方法。该方法包括：利用数据加权电磁源在岩石地层附近或在其表面生成电磁场，其中数据加权电磁源包括多个电磁源；利用电磁接收器测量由源生成的电磁场的分量；以及加权来自每个电磁源的电磁场贡献，以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

虽然根据本发明一种实施例的方法的各个步骤在以上段落中被描述为按某个次序发生，但是本发明不受各个步骤所发生的次序的限定。实际上，在备选实施例中，各个步骤可以按与以上或本文另外描述的次序不同的次序执行。

当参考附图考虑以下描述和所附权利要求时，本发明的这些与其它目标、特征和特性，以及操作方法和相关结构元件的功能及部件的组合和制造的经济性，都将变得更加显然，其中附图、以下描述和权利要求都构成本说明书的一部分，其中相同的标号在各个图中都指示对应的部分。但是，应当明确地理解，附图仅仅是为了说明和描述的目的而不是要作为本发明限制的定义。如在说明书和权利要求中所使用的，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”也包括复数的所指对象。

附图说明

在附图中：

图1根据本发明的实施例示意性地说明了包括源和接收器的测量系统，源的信号可以被组合以构成数据加权的源(例如，合成孔径源)，用于特征化岩石地层内的地下区域(目标)；

图2是根据本发明实施例的模拟电磁场振幅响应与测量数据的若干组合的偏移量的关系图；

图3根据本发明的实施例示出了在四种类型的响应(即，当仅使用一个电磁源时、当使用多个电磁源16时、当只应用相位控制时、以及当既应用相位控制又应用振幅加权时)中，非储集层(在注入或压裂之前)和储集层(在注入或压裂之后)之间的百分比变化的图；及

图4是根据本发明的实施例的、利用合成孔径受控电磁源对储集层开采、注入或水压致裂进行时间推移监测的方法的流程图。

具体实施方式

在一种实施例中，数据加权电磁源被用来增强来自正在经历开采或注入的储集层(例如，油储集层、气储集层)的时间推移信号，其中数据加权电磁源诸如但不限于合成孔径受控电磁源。合成孔径受控电磁源还可被用来增强来自感兴趣的岩石地层中水压致裂断口的信号。在以下段落中，数据加权电磁源被称为合成孔径受控电磁源。但是，数据加权电磁源不仅限于合成孔径受控电磁源，而是可以涵盖任何其它类型的数据加权或参数加权的源。在一种实施例中，合成孔径组合来自多个电磁源的信号，同时给来自每个源的贡献加权，以便增强从储集层开采、注入或水压致裂接收的信号。任何类型的受控电磁源，诸如用于生成电场的接地电偶极子或者用于生成磁场的电流回路，都可被用来生成电磁辐射，以照射其中可能存在储集层或断口的地下岩石地层。

所接收或测量的电磁信号(可以包括电场、磁场或者这二者都包括)可以利用空中的、岩石地层的地表面上的或者岩石地层内的(例如，钻孔内的)电磁接收器来检测。测量的电磁信号可以利用处理器来处理并且在时间域或频率域内建模。

用于构建数据加权电磁源(例如，合成孔径受控电磁源)信号S_A的通用公式可以由以下等式(1)表示。

其中ω是由每个电磁源n(n＝1…N)生成的信号s的角频率，r是合成源的位置，r_n是每个电磁源1…N的位置，A_n是由每个电磁源n生成的电磁信号的加权振幅，是由每个电磁源n生成的电磁信号的相位。A_n和被分别称为振幅控制项和相位控制项。振幅A_n和相位可以被改变，以控制数据加权电磁场的实部的贡献。类似地，同相或异相或者这二者可以被改变以控制数据加权电磁场的虚部的贡献。

虽然等式(1)可以被用来构建合成孔径，但是如可以认识到的，合成孔径的构建不限于等式(1)，而是可以包括任何将产生电磁信号的加权和的变体或表达式、技术或方法，其中电磁信号的加权和将最大化或增强来自储集层开采、注入或来自岩石地层内水压致裂的累积响应。

在一种实施例中，这可以例如通过作为反演问题来处理最大化或增强时间推移响应、并且对最大化时间推移响应的一组振幅权重和相位偏移求解非线性最优化来实现。因此，术语“合成孔径”在本文中被用来涵盖任何基于最优化的组合电磁信号的生成。

图1根据本发明的实施例示意性地说明了用于特征化岩石地层14内的地下区域(目标)12的包括合成孔径的测量系统10。在一种实施例中，目标(例如，储集层)12可以由于例如电阻性二氧化碳(CO₂)注入到岩石地层14而呈现变化。在另一种实施例中，目标(例如，储集层)12可以由于从目标(例如，储集层)12提取油或气(即，开采)而呈现变化。在还有另一种实施例中，目标12可以是岩石地层14内利用水压致裂技术产生的断口区域，利用电材料和注入流体(例如，水)混合物，或者其它电阻性材料和注入流体(例如，水)混合物来测量岩石地层内的断口区域在水压致裂前的状态和水压致裂后的状态之间的变化。

测量系统10包括多个电磁源(例如，水平电偶极子源)16。在一种实施例中，电磁源16是空间隔开的。测量系统10还包括多个电磁接收器(例如，电场接收器)18。在一种实施例中，电磁接收器18是空间隔开的。在一种实施例中，电磁源16和电磁接收器18放在岩石地层14的大地表面20上。在一种实施例中，目标(例如，储集层或注入区域或断口区域)是大约5km宽、大约100m厚。在一种实施例中，目标位于大地表面20之下大约2km的深度处。在其它实施例中，目标12可以具有任何尺寸或形状并且可以在任何深度。在一种实施例中，合成孔径电磁源包括多个电磁源16，并且来自每个电磁源16的电磁场贡献被加权以便增强由电磁接收器18测量的电磁场的分量。

系统10还包括处理器22，该处理器22配置为计算由一个或多个接收器18在第一时间点测量的电磁场的分量与由接收器18在第一时间点之后的第二时间点测量的电磁场的分量之差，以确定岩石地层内目标特征(例如，油或气储集层或断口)的特性变化。

目标特征的特性变化包括油或气储集层中从开采前或注入前状态到开采后或注入后状态的流体容积变化、或者断口由于水压致裂从水压致裂前状态到水压致裂后状态的变化。

一个或多个电磁接收器18配置为测量开采前或者在储集层中注入前或者在岩石地层水压致裂前电磁场的分量，以获得第一电磁响应，并且测量开采后或者在储集层中注入后或者在岩石地层水压致裂后电磁场的分量，以获得第二电磁响应。

水压致裂岩石地层包括把导电流体注入岩石地层，以便通过替换在岩石地层内的孔隙、裂缝和断口中天然存在的导电性较差的流体来增加岩石地层的电导率。处理器22配置为从第一和第二电磁响应计算百分比变化。

在一种实施例中，在一个或多个接收器18处来自源(16)的测量电磁场经以上等式(1)组合，以产生数据加权的电磁信号(例如，合成孔径电磁信号)，该信号增强由注入、开采或压裂(例如，水压致裂)造成的变化。

在常规的CSEM测量中，电磁场是利用多个接收器测量的。然后，测量的数据在反演方案中被用来产生地下或岩石地层的电阻率模型，期望描绘出目标。但是，在这些常规的测量系统中，为了让任何数据反演产生图像，必须在数据中存在高于测量噪声级别的显著信号。与背景的信号相比，目标的信号越大，任何反演方案将能够越好地解析目标。

在测量系统10中，合成孔径被用来建设性地组合来自源16的电磁场，以增强来自正在经历开采或注入的储集层(例如，油储集层、气储集层)的时间推移信号，或者增强来自感兴趣的岩石地层中的水压致裂断口的信号。构建模拟模型，其中大地或岩石地层14具有例如大约1欧姆米的电阻率，并且目标(例如，储集层)具有更高的电阻率，例如100欧姆米。虽然以上电阻率值在模拟电磁场响应中被使用，但是任何其它电阻率值都可以使用。

图2是根据本发明实施例的、模拟电磁场(例如，电场)振幅响应与测量数据的若干组合的偏移量的关系图。绘出的电磁场对应于时间推移，即，注入之后的数据减去注入之前的数据。来自单个电偶极子源16的电磁场响应被示为曲线25。每个电磁源16生成形状与曲线25相似的电磁场(例如，电场)，如图2中所示。

储集层响应(在开采之后、或者在注入之后或者在水压致裂之后)示为虚线曲线，而非储集层(在开采之前、或者在注入之前或者在水压致裂之前)响应示为实线曲线。使用一个源16的非储集层(在开采之前、或者在注入之前或者在水压致裂之前)响应对应于曲线25。使用一个源16的储集层响应(在开采之后、或者在注入之后或者在水压致裂之后)示为虚线曲线27。在该实施例中，在模拟中使用十个电磁源。但是，可以模拟或使用任意数量的源16。在曲线25的任一侧按大约250m偏移的九个其它源16的响应也示为曲线26。曲线29A对应于所有个别偶极子响应25和26之和，即，注入前或压裂前。曲线29B对应于所有个别偶极子响应25和26之和，即，注入后或压裂后。曲线30A对应于当只有“相位控制”应用到源16阵列的响应时的非储集层(在注入之前、或者在开采之前或者在水压致裂之前)响应。曲线30B对应于当只有“相位控制”应用到源16阵列的响应时的储集层(在注入之后、或者在开采之后或者在水压致裂之后)响应。曲线32A对应于当“相位控制”和“振幅加权”都应用到源16阵列的响应时的非储集层(在开采之前、注入之前或者水压致裂之前)响应。曲线32B对应于当“相位控制”和“振幅加权”都应用到源16阵列的响应时的储集层(在注入之后、开采之后或者水压致裂之后)响应。

图3根据本发明实施例示出了在以上四种类型的响应(即，当仅使用一个电磁源16时、当使用多个(例如，十个)电磁源16时、当只应用相位控制时、以及当既应用相位控制又应用振幅加权时)中非储集层(在开采之前、注入之前或者压裂之前)和储集层(在注入之后、开采之后或者压裂之后)之间的百分比变化的图。曲线35对应于当使用一个电磁源16时非储集层与储集层之间响应的百分比变化。垂直轴对应于百分比差或百分比变化。水平轴对应于偏移量。百分比响应变化C可以由以下等式(2)表示。

$C=\frac{(E_I-E_0)}{E_0}\×100\%---\left(2\right)$

其中E_I对应于在储集层条件(在注入之后或压裂之后)的电磁响应，E₀对应于在非储集层条件(在注入之前、开采之前或压裂之前)的电磁响应。

曲线36对应于当使用多个(例如，10个)电磁源16时非储集层与储集层之间响应的百分比变化。曲线38对应于当只应用相位控制时非储集层与储集层之间响应的百分比变化。曲线39对应于当相位控制和振幅加权都应用时非储集层与储集层之间响应的百分比变化。

单个电磁源(例如，电偶极子)产生大约50％的变化。来自多个电磁源(例如，电偶极子)的电磁场总和产生大约25％的变化。相位控制情况产生大约70％的响应变化。相位控制和振幅加权产生大约1000％的响应变化。

图4绘出了根据本发明实施例的利用合成孔径受控电磁源对储集层开采、注入或水压致裂进行时间推移监测的方法的流程图。该方法包括：在S10，在开始时间推移之前从初始或起始数据集生成用于时间推移监测的起始模型。在一种实施例中，起始模型可以通过在时间推移监测过程开始之前利用与将在时间推移监测过程中采用的相同的一般传感器配置收集的电磁数据集(初始数据集)的反演而产生。在另一种实施例中，起始模型可以利用诸如3D地震、重力和磁力数据、电阻率数据或任何电气测井日志和岩心样本之类的其它现有地质和地球物理数据产生以构造电导率模型。

该方法还包括：在S12，利用数值算法计算起始模型的响应(例如，3D数值响应)。在一种实施例中，可以被用来计算起始模型的响应的数值算法的例子包括在一维、二维或三维中的有限差和有限元代码。在一种实施例中，采集系统源16和传感器或接收器阵列18具有与用来采集现场时间推移数据的现场采集相同的几何形状。换句话说，源和接收器配置(例如，信号的位置、朝向、振幅和/或相位)与用来采集现场时间推移数据的现场采集系统的配置相同。

该方法还包括：在S13，产生一个或多个“场景”模型，这些模型假定地下电磁属性将如何随时间变化或者将如何在特定的时间不同。在一种实施例中，场景模型可以利用从流模拟生成的数值数据产生。

该方法还包括：在S14，利用与在计算起始模型的响应时所应用的相同的电磁数值算法计算一个或多个场景模型的响应。在一种实施例中，采集系统(源和接收器)几何形状或配置(例如，信号的位置、朝向、振幅和/或相位)与用来采集时间推移现场数据的现场采集几何形状或配置相同。

该方法还包括：在S15，计算最大化起始模型的响应与一个或多个场景模型的响应之差的合成孔径参数的最优集合。在一种实施例中，参数包括一个或多个测量的电场和/或磁场的振幅、相位或者这二者。

该方法还包括：在S16，通过对实时推移数据集应用计算出的最优合成参数来分析实时推移数据集。该方法还包括：在S17，计算时间推移数据集与起始数据集之差。

应当指出，如果在时间推移数据的收集之前没有可用的初始或起始数据，则所收集的时间推移数据可以对照在S12计算的数值数据或响应来求差值。

虽然本文提供的例子代表电阻性流体到导电宿主中的注入，但是该技术同等地适用于通过任何过程增强电阻率或磁导率的任何地下变化的信号。这个过程可以包括，但不限于，储集层开采、注入和水压致裂。

在一种实施例中，上述一种或多种方法可以实现为可以由计算机执行的一系列指令。如可以认识到的，术语“计算机”在本文中被用来涵盖任何类型的计算系统或设备，包括个人计算机(例如，台式计算机、膝上型计算机、或者任何其它手持式计算设备)、或者大型计算机(例如，IBM大型机)、或者超级计算机(例如，CRAY计算机)、或者分布式计算环境中的多台联网的计算机。

例如，方法可以实现为可以存储在计算机可读介质中的软件程序应用，计算机可读介质诸如是硬盘、CDROM、光盘、DVD、磁光盘、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光卡、闪存卡(例如，USB闪存卡)、PCMCIA存储卡、智能卡、或者其它介质。

或者，软件程序产品的一部分或者其整个可以经诸如因特网、ATM网、广域网(WAN)或局域网的网络从远程计算机或服务器下载。

或者，代替地或者除了把方法实现为体现在计算机中的计算机程序产品(例如，作为软件产品)之外，方法还可以实现为硬件，其中例如专用集成电路(ASIC)可以设计成实现该方法。

虽然已经为了说明的目的而基于目前被认为最实用和最优选的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当理解，这种细节仅仅是为了那个目的而且本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明是要覆盖属于所附权利要求精神和范围的修改和等效布置。例如，应当理解，就可能的程度而言，本发明预期任何一种实施例的一个或多个特征都可以与任何其它实施例的一个或多个特征组合。

此外，由于众多修改和变化将是本领域技术人员很容易想到的，因此不期望把本发明限定到本文所描述的确切构造和操作。从而，任何合适的修改和等价物都应当被认为属于本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于岩石地层内目标特征的时间推移监测的系统，所述系统包括：

数据加权电磁源，被配置为在岩石地层附近或表面生成电磁场；及

电磁接收器，被配置为测量由数据加权电磁源生成的电磁场的分量，

其中数据加权电磁源包括多个电磁源，并且来自每个电磁源的电磁场贡献被加权以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

2.如权利要求1所述的系统，其中由所述多个电磁源当中的每个电磁源生成的每个电磁场的振幅、相位或者这二者被选择，以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

3.如权利要求1所述的系统，其中由所述多个电磁源当中的每个电磁源生成的每个电磁场的虚部的同相和异相被选择，以便增强由电磁接收器测量的电磁场的分量。

4.如权利要求1所述的系统，还包括处理器，该处理器被配置为计算在第一时间点测量的电磁场的分量与在第一时间点之后的第二时间点测量的电磁场的分量之差，以确定岩石地层内目标特征的特性的变化，其中所述目标特征包括油储集层、气储集层或者断口。

5.如权利要求4所述的系统，其中目标特征的特性的变化包括：从开采前或注入前状态到开采后或注入后状态油储集层或气储集层中的流体容积变化，或者由于水压致裂从水压致裂前状态到水压致裂后状态的断口的变化。

6.如权利要求1所述的系统，还包括处理器，该处理器被配置为对由电磁接收器测量的电磁场的分量执行反演过程，以获得目标特征的增强图像。

7.如权利要求6所述的系统，其中处理器被配置为通过使用基于采样的随机算法或者基于确定性梯度的反演算法来执行反演过程，在基于采样的随机算法中，测量的电磁场的分量在似然函数中使用，而在基于确定性梯度的反演算法中，测量的电磁场的分量在目标函数中使用。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述多个电磁源包括多个电偶极子源和多个磁场源当中的至少一种。

9.如权利要求1所述的系统，其中电磁接收器包括一个或多个电场接收器和一个或多个磁场接收器当中的至少一种。

10.如权利要求1所述的系统，其中电磁接收器被配置为测量开采前、或者在储集层中注入前或者在水压致裂岩石地层前的电磁场的分量，以获得第一电磁响应，并且被配置为测量开采后、或者在储集层中注入后或者在水压致裂岩石地层后的电磁场的分量，以获得第二电磁响应。

11.如权利要求10所述的系统，其中水压致裂岩石地层包括：把导电流体注入岩石地层，以便通过替换在岩石地层中天然存在的导电性较差的流体来增加岩石地层的电导率。

12.如权利要求10所述的系统，其中水压致裂岩石地层包括：把磁性增强流体注入岩石地层，以便通过替换在岩石地层中天然存在的磁化性较差的物质或流体来增加其磁化率。

13.如权利要求10所述的系统，还包括处理器，该处理器被配置为从第一电磁响应和第二电磁响应计算百分比变化。

14.一种用于岩石地层中目标特征的时间推移监测的方法，该方法包括：

在时间推移开始之前，从初始数据生成用于时间推移监测的起始模型；

利用数值算法计算起始模型的响应；

创建假定地下电磁属性将如何随时间变化的一个或多个场景模型；

利用与在计算起始模型的响应时应用的相同数值算法计算所述一个或多个场景模型的响应；

计算最大化起始模型的响应与所述一个或多个场景模型的响应之差的数据加权电磁源参数的最优集合；

通过对实时推移数据集应用计算出的合成参数的最优集合来分析实时推移数据集；及

计算实时推移数据集与初始数据集之差。

15.如权利要求14所述的方法，其中数据加权电磁源参数包括：电磁场的振幅、相位或者这二者，或者电磁场的虚部的同相和异相分量。