CN109001823A - 一种电磁大地透镜探测方法和探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁大地透镜探测方法及探测装置，用于井下电性异常体的探测，包括：电磁激励源，采用井中套管施加低频交流电作为激励源，用于激发电性异常体二次感应电磁场；电磁数据采集探头，在地面布置一定数目阵列式电磁测量探头，获取三分量电场和磁场数据，用于井下电性异常体识别和精细化描述；电性异常体透镜成像装置及方法，利用地球物理反演方法对采集得到的电磁响应数据进行反演成像处理，反演得到井下电性异常体的电导率参数和几何参数。本发明提出的电磁大地透镜探测方法和装置，基于电磁理论，可实现井下电性异常体的有效识别和精细化透镜成像。

Description

一种电磁大地透镜探测方法和探测装置

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种电磁大地透镜探测方法和探测装置。

背景技术

2017年，我国石油对外依存度达到67.4％。为提高油气资源保障能力，近年我国在油气勘探开发领域实施了两大战略措施：一是老油田稳产增产，二是大力开拓非常规油气。老油田稳产增产，注水驱油仍是主要手段；低孔低渗、致密砂岩和页岩等非常规油气藏，水力压裂已成为其有效开发的主打技术。水驱和压裂效果监测与评价，对提高油气产量和采收率，实现油气藏高效勘探开发，具有十分重要的意义。现有的注水监测手段主要采用示踪剂测井技术，由于该方法探测深度浅，而不能有效确定注水流动空间位置和波及范围；现有的水力压裂监测主要采用微地震、测斜仪等技术方法，存在着使用环境条件苛刻、不能完全监测有效裂缝等问题。针对现有注水监测和压裂监测手段的不足，为了满足我国油田勘探开发的迫切技术需要和巨大市场需求，亟需研发新型经济有效的监测和评价技术。

电磁探测是一种理论上比较成熟的地球物理探测方法，在陆地和海底勘探等领域已有许多成功应用，它也为解决油田注水监测和水力压裂监测提供了技术可行性。近年来，国际上一些著名的油公司和大学开展了相关研究，并取得一定进展，而我国尚未开展此领域的研究。无论是油田注水开发，还是水力压裂监测施工中，井下都会形成导电异常区域，可称为导电异常体。通过测量井下电磁场数据，可研究地下注入水或水力压裂裂缝形成的导电异常体的特征，从而实现对注水或水力压裂进行监测和评价的目的。

电磁探测本身具有探测范围大、空间信息丰富、能够重复测量等技术优势，能够对井下电性异常体进行远场可视化探测，在注水或水力压裂监测应用中需要解决的关键技术问题有以下四个方面：①井下电性异常体电磁响应特性分析；②电流激励模式选择；③获取高精度、完备的电磁观测数据；④井下电性异常体透镜成像方法。

井下电性异常体精细描述对油田注水开发以及压裂的效果评价极为重要，准确提取电性异常体电性参数和几何结构信息是其中的关键，构建电磁大地透镜方法，是地球物理探测技术由“近场到远场”、由“粗略表征到精细化描述”发展的重要方向。

因此，开展井下电性异常体透镜成像方法研究，形成注水或水力压裂监测与评价的技术方法，既是一项挑战性难题，也是实现我国油气资源经济高效勘探开发的必然要求和迫切需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种电磁大地透镜方法，实现井下电性异常体的精细描述。本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

一种电磁大地透镜探测方法，用于井下电性异常体的探测，包括如下步骤：

S1、在井下电性异常体存在前后，通过电磁激励源施加相同的低频交流电分别激发井下地层和电性异常体的二次感应电磁场；

S2、分别采集所述电磁激励源激发的井下地层和电性异常体的二次感应电磁场信号，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据；

S3、对前后两次采集的电磁响应数据进行差分处理，消除背景电磁场的影响；

S4、通过地球物理反演方法对差分处理后的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数；

S5、基于所述电导率参数进行透镜成像，获取电性异常体的三维成像图，并进一步提取电性异常体的几何结构参数。

进一步的，S4具体包括：

S41、采用三维有限元素法离散化测量研究区域，得到有限个子单元；

S42、对每个子单元，构建三维电导率初始数据模型并进行正演，获取各子单元的电场和磁场响应数据的数值模拟值；

S43、基于所述数值模拟值和经差分处理后得到的电磁数据测量值，进行反演最优化处理，得到模型参数修正量，并将修正后的模型参数代入S42中再次进行正演，直至电磁数据模拟值和测量值的残差满足收敛条件，得到真实的模型参数；

S44、计算并输出反演电导率参数值。

进一步的，S43具体包括，建立反演目标方程如下：

φ＝(Δd-JΔm)^T(Δd-JΔm)+λΔm^T

其中，Δm为模型修正值向量，Δd＝d-d₀为电磁数据测量值向量d和数值模拟得到的电磁数据模拟值向量d₀之间的残差向量，J为雅可比矩阵或灵敏度矩阵，表示响应对每个模型参数的偏导数，其中F_i(m)为第i个测点处的响应；m_j为模型参数向量的第j个元素，λ表示阻尼因子；最小化该目标函数φ，得到：

进而可得线性方程组：

(J^TJ+λI)Δm＝G^TΔd；

求解该线性方程组得到Δm，将Δm加上上一次正演时的参数向量后代入S42中进行再次正演，直至电磁数据模拟值和测量值的残差满足收敛条件，得到真实的模型参数。

本发明的另一方面还提供了一种电磁大地透镜探测装置，用于井下电性异常体的探测，包括：

电磁激励源，用于通过施加低频交流电激发井下地层或电性异常体的二次感应电磁场；

电磁测量探头，用于采集所述电磁激励源激发的二次感应电磁场信号，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据；

数据处理装置，用于接收所述电磁测量探头采集的电磁响应数据，通过差分方法消除背景电磁场的影响，并通过地球物理反演方法对采集得到的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数和几何参数。

进一步的，所述电磁激励源包括电流注入装置和金属套管，所述电流注入装置用于生成并向金属套管注入激励电流，所述金属套管一端连接电流注入装置以接收激励电流，另一端位于井下地层内且指向所述电性异常体。

可选的，所述激励电流的频率为DC～1Hz，大小为10-20A，波形为方波形。

进一步的，所述电磁测量探头包括阵列式布置的一定数量的电场和磁场测量探头。

本发明提出的电磁大地透镜探测方法和装置，利用井下金属套管，施加一定频率和波形的交流电源，激发出电磁场，该电磁场在电性异常体处发生散射，形成二次感应电磁场，通过地面布置阵列式的电场和磁场测量探头接收电磁响应信号，获取电磁测量数据，利用地球物理反演方法，结合电磁响应数值模拟方法，计算得到井下电性异常体电导率，并生成电导率图像，进一步由异常体图像提取几何结构参数，实现异常体透镜成像和精细化描述，能够直观显示井下电性异常体的几何信息和电性参数，实现油田注水开发和水力压裂监测的精细化描述和有效评价。

附图说明

图1为本发明的电磁大地透镜探测装置实施例示意图。

图2为本发明的电磁大地透镜探测方法中数值模拟方法示意图。

图3为地面电磁接收探头布置方式示意图。

图4为电性异常体电磁差分信号示意图。

图5为本发明的电磁大地透镜探测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示为本发明的电磁大地透镜探测装置实施例的示意图，包括：

电磁激励源，用于通过施加低频交流电激发井下地层或电性异常体的二次感应电磁场。具体包括电流注入装置1和金属套管2，电流注入装置1用于生成并向金属套管2注入激励电流，金属套管2一端连接电流注入装置1以接收激励电流，另一端作为激励源3，位于井下地层11内且指向电性异常体10。

还包括电磁测量探头4，用于采集电磁激励源激发的二次感应电磁场信号12，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据。

优选的，如图3所示为地面电磁测量探头布置方式示意图，以井口为中心，一定区域范围内，按照某一线性阵列方式布置一定数量的电场和磁场测量探头，10条电缆，每条电缆上安装8个测量探头，一共80个探头在地面采集电场和磁场数据，用于后续电性异常体透镜成像和精细描述。

还包括数据处理装置5，用于接收电磁测量探头4采集的电磁响应数据，通过差分方法消除背景电磁场的影响，并通过地球物理反演方法对采集得到的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数和几何参数。

井下电性异常体作为电磁探测目标，其电导率值与背景地层电导率存在几个数量级以上的差异。由于井下电性异常体通常埋深在2000米以下，会造成地面电磁接收信号过小，因此，需要选择具有一定频率、波形以及电流值较大的激励源。

作为优选实施方案，激励电流的频率为DC～1Hz，大小为10-20A，波形为方波形。实际操作时可加大供电电流，提高激励信号的强度，进而提升电性异常体电磁响应信号强度。

本发明的另一种实施例提供了电磁大地透镜探测方法，用于上述的井下电性异常体的探测，包括如下步骤：

S1、在井下电性异常体存在前后，通过电磁激励源施加相同的低频交流电分别激发井下地层和电性异常体的二次感应电磁场；

S2、分别采集所述电磁激励源激发的井下地层和电性异常体的二次感应电磁场信号，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据；

S3、对前后两次采集的电磁响应数据进行差分处理，消除背景电磁场的影响；

S4、通过地球物理反演方法对差分处理后的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数；

S5、基于所述电导率参数进行透镜成像，获取电性异常体的三维成像图，并进一步提取电性异常体的几何结构参数。

其中，S4具体包括：

S41、采用三维有限元素法离散化测量研究区域，得到有限个子单元；

S42、对每个子单元，构建三维电导率初始数据模型并进行正演，获取各子单元的电场和磁场响应数据的数值模拟值；

S43、基于所述数值模拟值和经差分处理后得到的电磁数据测量值，进行反演最优化处理，得到模型参数修正量，并将修正后的模型参数代入S42中再次进行正演，直至电磁数据模拟值和测量值的残差满足收敛条件，得到真实的模型参数；

S44、计算并输出反演电导率参数值。

下面进行进一步的详细说明。

如图2所示为S41-S42中所述的正演数值模拟方法示意图，基于电磁理论，在研究区域构建井下电性异常体数学物理响应方程，采用三维有限元素法，离散化该研究区域，得到有限个子单元，在每个子单元中构造子域基函数，建立有限个单元节点的电磁场有限元方程组，求解该方程组，获取空间各离散节点的电场和磁场响应数据。

具体的，电磁测量系统满足的麦克斯韦方程和本构关系如下：

b(x,t)＝μ(x)h(x,t) 公式3

d(x,t)＝ε(x)e(x,t) 公式4

其中：b(x,t)和d(x,t)分别表示磁感应强度和电位移密度；介质参数ε(x)、μ(x)、σ(x)与空间位置有关；e(x,t)和h(x,t)分别表示电场和磁场，与空间位置和时间有关；j^source(x,t)表示电流激励源。

如图4所示为电性异常体电磁差分信号示意图，为了提取电性异常体电磁响应信号，采用差分方法，即在油田注水过程中，分别测量注水前后的电磁响应，或者水力压裂施工中，测量压裂前后的电磁响应数据，利用第二次测量数据减去第一次测量数据，消除背景电磁场的影响，从而获得电性异常体的响应信号。

如图5所示为本发明的电磁大地透镜探测方法实施例的整体流程示意图，利用地球物理反演方法，结合电磁测量数值正演模拟方法，构建出电磁大地透镜成像方法。具体来说，针对井下电性异常体的电磁监测数据反演成像，属于非线性反演问题。求解电磁反演问题的流程，可以归纳为以下几个步骤：

1)对求解区域离散化，得到网格剖分单元；

2)给定初始模型，并进行正演模拟；

3)利用正演仿真建立初始模型响应与实际测量数据误差最小目标函数；

4)计算灵敏度矩阵(即雅可比矩阵)；

5)求取最优化问题得到模型的修正量，并更新模型参数得到一个新的模型。

以上步骤反复迭代进行，直至获得一个合理的模型为止。

下面结合具体计算公式进一步说明。

地球物理反演问题一般可以表示为：

Δd＝J·Δm 公式4

其中：Δd＝d-d₀是实测电磁数据向量d和模型向量数值模拟得到的电磁数据向量d₀之间的残差向量；Δm是对应的模型修正值向量；J为雅可比矩阵或灵敏度矩阵，表示响应对每个模型参数的偏导数，其中F_i(m)为第i个测点处的响应；m_j为模型参数向量的第j个元素。

为了求解上述反演问题，建立反演目标方程如下：

φ＝(Δd-JΔm)^T(Δd-JΔm)+λΔm^T 公式5

其中：λ表示阻尼因子，最小化该目标函数φ，得到：

可得线性方程组：

(J^TJ+λI)Δm＝G^TΔd 公式7

给定初始模型m₀，基于实际测量的电磁数据向量和模型向量数值模拟得到的电磁数据向量之间的残差向量Δm，建立上述线性方程组，求解该方程组，得到模型修正值向量Δm，对初始模型修改后进行迭代，直到满足收敛准则为止，并结合电测井资料等模型约束条件，获取最优的模型参数，即电导率参数。

最后，基于上述地球物理反演方法得到的电导率参数进行透镜成像，可以构建包含井下电性异常体的三维电导率成像图，根据成像图中井下电性异常体的空间位置、空间展布情况以及边界特征，可以进一步提取井下电性异常体的几何结构参数和位置参数，实现井下电性异常体透镜成像和精细化描述。

以上具体实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电磁大地透镜探测方法，用于井下电性异常体的探测，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在井下电性异常体存在前后，通过电磁激励源施加相同的低频交流电分别激发井下地层和电性异常体的二次感应电磁场；

S2、分别采集所述电磁激励源激发的井下地层和电性异常体的二次感应电磁场信号，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据；

S3、对前后两次采集的电磁响应数据进行差分处理，消除背景电磁场的影响；

S4、通过地球物理反演方法对差分处理后的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数；

S5、基于所述电导率参数进行透镜成像，获取电性异常体的三维成像图，并进一步提取电性异常体的几何结构参数。

2.如权利要求1所述的电磁大地透镜探测方法，其特征在于，S4具体包括：

S41、采用三维有限元素法离散化测量研究区域，得到有限个子单元；

S42、对每个子单元，构建三维电导率初始数据模型并进行正演，获取各子单元的电场和磁场响应数据的数值模拟值；

S43、基于所述数值模拟值和经差分处理后得到的电磁数据测量值，进行反演最优化处理，得到模型参数修正量，并将修正后的模型参数代入S42中再次进行正演，直至电磁数据模拟值和测量值的残差满足收敛条件，得到真实的模型参数；

S44、计算并输出反演电导率参数值。

3.如权利要求2所述的电磁大地透镜探测方法，其特征在于，S43具体包括：

建立反演目标方程如下：

φ＝(Δd-JΔm)^T(Δd-JΔm)+λΔm^T

其中，Δm为模型修正值向量，Δd＝d-d₀为电磁数据测量值向量d和数值模拟得到的电磁数据模拟值向量d₀之间的残差向量，J为雅可比矩阵或灵敏度矩阵，表示响应对每个模型参数的偏导数，其中F_i(m)为第i个测点处的响应；m_j为模型参数向量的第j个元素，λ表示阻尼因子；最小化该目标函数φ，得到：

进而可得线性方程组：

(J^TJ+λI)Δm＝G^TΔd；

求解该线性方程组得到Δm，将Δm加上上一次正演时的参数向量后代入S42中进行再次正演，直至电磁数据模拟值和测量值的残差满足收敛条件，得到真实的模型参数。

4.一种电磁大地透镜探测装置，用于井下电性异常体的探测，其特征在于，包括：

电磁激励源，用于通过施加低频交流电激发井下地层或电性异常体的二次感应电磁场；

电磁测量探头，用于采集所述电磁激励源激发的二次感应电磁场信号，获取包括三分量电场和磁场数据的电磁响应数据；

数据处理装置，用于接收所述电磁测量探头采集的电磁响应数据，通过差分方法消除背景电磁场的影响，并通过地球物理反演方法对采集得到的电磁响应数据进行反演成像处理，得到井下电性异常体的电导率参数和几何参数。

5.如权利要求4所述的电磁大地透镜探测装置，其特征在于，所述电磁激励源包括电流注入装置和金属套管，所述电流注入装置用于生成并向金属套管注入激励电流，所述金属套管一端连接电流注入装置以接收激励电流，另一端位于井下地层内且指向所述电性异常体。

6.如权利要求5所述的电磁大地透镜探测装置，其特征在于，所述激励电流的频率为DC～1Hz，大小为10-20A，波形为方波形。

7.如权利要求4所述的电磁大地透镜探测装置，其特征在于，所述电磁测量探头包括阵列式布置的一定数量的电场和磁场测量探头。