CN113447990A - 井场电性异常体观测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种井场电性异常体观测方法，其包含：通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号；统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息；基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和地面接收器的布置方式。本发明实现井下电性异常体地面电磁信号的远场探测，通过电磁五分量信号观测，为井下电性异常体的有效识别和分析提供了丰富的数据基础，实现激励源模式和接收器布置方式的优化。

Description

井场电性异常体观测方法及装置

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，具体地说，涉及一种井场电性异常体观测方法及装置。

背景技术

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和评价，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，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，其具有探测范围大、空间信息丰富、能够重复测量等技术优势，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，可称为电性异常体。通过测量井场地面电磁数据，可研究地下注入水或水力压裂裂缝形成的电性异常体的特征，从而实现对注水或水力压裂进行监测和评价的目的。

井下电性异常体的有效识别和精细描述对注水开发和水力压裂的效果评价极为重要，其中的关键是采集高精度和完备的井场地面电磁数据，为后续电性异常体有效识别和描述提供丰富的基础数据。

因此，本发明提供了一种井场电性异常体观测方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种井场电性异常体观测方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一：通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号；

步骤二：统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息；

步骤三：基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和所述地面接收器的布置方式。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一具体包含以下步骤：稳压恒流直流电源与金属钢套管或者油管连接，将电流施加在金属钢套管或者油管上，高导电的金属钢套管或者油管等效为线源激励信号源。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一具体包含以下步骤：所述地面接收器采用多分量电磁接收器，通过所述多分量电磁接收器采集电磁五分量信号，所述电磁五分量信号包含：电场Ex、Ey分量以及磁场Hx、Hy、Hz分量。

根据本发明的一个实施例，所述地面接收器的布置方式用于规定所述地面接收器的数量、相互位置关系以及密度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二具体包含以下步骤：统计在注水前后、压裂前后观测得到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三具体包含以下步骤：

对待研究区域进行离散化，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；

对所述电磁场有限元方程组进行求解，获得空间各离散节点电位值。

根据本发明的一个实施例，对待研究区域进行离散化的原则包括：网格不能跨越两种不同的介质、网格相互不能有重叠、网格应完全覆盖整个待研究区域、网格趋向于正四面体并避免尖或扁的四面体、网格的疏密程度与电磁场变化激烈程度相关。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式得到空间各离散节点电位值：

其中，

表示微分算子；σ表示电导率；u表示所述空间各离散节点电位值；

表示电流密度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三还包含以下步骤：在获得空间各离散节点电位值的基础上，进一步求解理论电场分量以及理论磁场分量。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种井场电性异常体观测装置，所述装置包含：

第一模块，其用于通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号；

第二模块，其用于统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息；

第三模块，其用于基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和所述地面接收器的布置方式。

本发明提供的井场电性异常体观测方法及装置实现井下电性异常体地面电磁信号的远场探测，通过电磁五分量信号观测，为井下电性异常体的有效识别和分析提供了丰富的数据基础；并且能够对井下电性异常体的敏感性进行分析，实现激励源模式和接收器布置方式的优化。本发明可实现井场电性异常体地面电磁信号同时采集与分析，用于有效识别和描述井下异常体特征。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测方法流程图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的多分量电磁接收器布置方式示意图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的计算得到空间各离散节点电位值流程图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的非规则形态井下电性异常体网格剖分方法示意图；

图6显示了根据本发明的一个实施例的电场Ex、Ey分量信号计算方法示意图；

图7显示了根据本发明的一个实施例的磁场Hx、Hy、Hz分量信号计算方法示意图；

图8a-8b显示了根据本发明的一个实施例的正东方向测线上电场Ex和Ey分量响应随电性异常体电导率变化规律示意图；

图9a-9c显示了根据本发明的一个实施例的正东方向测线上磁场Hx、Hy和Hz分量响应随电性异常体电导率变化规律示意图；以及

图10显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测方法流程图。

如图1，在步骤S101中，通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号。

具体来说，稳压恒流直流电源与金属钢套管或者油管连接，将电流施加在金属钢套管或者油管上，高导电的金属钢套管或者油管等效为线源激励信号源。

具体来说，地面接收器采用多分量电磁接收器，通过多分量电磁接收器采集电磁五分量信号，电磁五分量信号包含：电场Ex、Ey分量以及磁场Hx、Hy、Hz分量。

一般来说，地面接收器的布置方式用于规定地面接收器的数量、相互位置关系以及密度。

如图1，在步骤S102中，统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息。

在一个实施例中，统计在注水前后、压裂前后观测得到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息。

如图1，在步骤S103中，基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和地面接收器的布置方式。

在一个实施例中，可以设计不同激励模式、地面接收器布置方式和地层模型参数，对不同电磁分量进行敏感性分析，实现优化的激励模式和地面电磁接收器布置方式。

具体来说，步骤S103中包含以下步骤：

对待研究区域进行离散化，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；

对电磁场有限元方程组进行求解，获得空间各离散节点电位值。

一般来说，对待研究区域进行离散化的原则包括：网格不能跨越两种不同的介质、网格相互不能有重叠、网格应完全覆盖整个待研究区域、网格趋向于正四面体并避免尖或扁的四面体、网格的疏密程度与电磁场变化激烈程度相关。

在一个实施例中，通过以下公式得到空间各离散节点电位值：

其中，

表示微分算子；σ表示电导率；u表示空间各离散节点电位值；

表示电流密度。

在一个实施例中，步骤S103还包含以下步骤：在获得空间各离散节点电位值的基础上，进一步求解理论电场分量以及理论磁场分量。

图2显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测示意图。在观测时，需要稳压恒流直流电源、电性异常体、井场地面多分量电磁接收器。

由于井下电性异常体埋深通常在2～3千米，甚至更深，因此，需要选取具有一定强度的激励电流，确保地面电磁信号强度可被接收器检测，稳压恒流直流电源与井下金属钢套管或者油管连接，作为电磁信号激励源，用于激发超低频电磁场。

在一个实施例中，可通过加大稳压恒流直流电源电流大小，提高信号激励源强度，能够增强地面电磁接收信号强度。

电性异常体为井下电性异常区域，由注水或者水力压裂形成，电性异常体作为探测目标体，具有高电导率特征；电性异常体，其高电导率特征与目标地层、背景地层存在显著差异，这种电性差异的存在有利于采集并提取到电性异常体电磁响应差异信息。

在一个实施例中，可通过增大电性异常体电导率，提高电性异常体与背景地层的电性差异，从而增强电磁信号差异信息。

实际观测中，多分量电磁接收器通常布置在电性异常体正上方附近，布置在地面一定数目的多分量电磁测量接收器可以同时采集电场分量Ex、Ey和磁场分量Hx、Hy、Hz。

多分量电磁接收器总体原则是在电性异常体上方附近布点密集一些，同时尽量将电磁接收器空间位置保持在同一个水平面上，消除地形起伏带来的测量影响，在注水前后、压裂前后或者不同时刻观测得到的地面电磁五分量信号，利用五分量信号差异提取井下电性异常体信息，前后两次或者不同时刻电磁信号的差分信息是为了尽可能消除背景干扰信号的影响。

图3显示了根据本发明的一个实施例的多分量电磁接收器布置方式示意图，在距离井口一定距离的某个区域范围内，按照某种阵列方式布置一定数量的多分量电磁接收器，原则上需要在探测目标体上方附近布点密集一些，布置在地面上的多分量电磁接收器观测电场和磁场五分量数据，用于电性异常体有效识别和描述。

图4显示了根据本发明的一个实施例的计算得到空间各离散节点电位值流程图。

如图4，在步骤S401-S405中，基于似稳态电磁场理论，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型及似稳态电磁场特征方程，采用有限元数值仿真方法，可以模拟复杂地层模型条件地面电磁各分量信号响应。

井下电性异常体探测所用激励源为稳压恒流直流电源(工作频率为0.01-100Hz)，可实现电磁远场探测。通过井下金属钢套管或者油管注入电流，向地层发射电磁信号，该电磁信号经由电性异常体和背景地层传至地面，传播过程满足近稳态电磁场方程，所需求解的微分方程为：

其中：

表示微分算子；σ为电导率；u为电位；

为电流密度。

电磁场有限元求解的主要步骤：

a.区域离散或子区域划分

b.插值函数的选择

c.单元矩阵建立和整体方程组合

d.整体方程组求解和后处理

具体求解步骤为：离散化研究区域，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，获得空间各离散节点电位值。

图5显示了根据本发明的一个实施例的非规则形态井下电性异常体网格剖分方法示意图。三维有限元素法采用四面体单元离散研究区域，能够实现复杂地层模型条件下的电磁响应数值模拟，对于非规则形态下的电性异常体地面电磁信号仿真模拟同样具有很好的适用性。

根据建立的电性异常区域空间位置及几何尺寸参数，给定目标区域相应的电导率参数，模拟存在非规则形态井下电性异常体时的电磁响应信号，在井下电性异常体区域以及激励源附近网格适当加密一些，在远离这些区域时，可以采用粗化的网格单元进行剖分。

所谓离散就是将一个较大的求解区域分解为一个个相互不重叠的子区域之和，一般来说，区域划分原则有如下几条：

a.网格不能跨越两种不同的介质；

b.相互不能有重叠；

c.网格应完全覆盖整个求解空间；

d.所划分出来的网格与正四面体越接近越好，应该避免很尖或很扁的四面体出现；

e.电磁场变化越激烈的地方网格应该越密，电磁场变化较平缓的地方网格可以适当稀疏些；

f.网格划分疏密并不是越密越好。

图6显示了根据本发明的一个实施例的电场Ex、Ey分量信号计算方法示意图；图7显示了根据本发明的一个实施例的磁场Hx、Hy、Hz分量信号计算方法示意图。

在通过图4中的方法获得空间各离散节点电位值的基础上，进一步求取电场分量Ex，Ey，Ez和磁场分量Hx，Hy，Hz。图7中，P点表示场点，P’表示各剖分元素中心点。

电磁信号表述为：

空间各点电场等于电位的负梯度，即

其中：U为空间各点电位，

为电场强度。

空间各点磁感应强度方程为：

其中：

为元素i的电流密度，ΔV_i为元素i的体积，

为场点矢径，

为元素i中心源点矢径，μ₀为真空磁导率，

为磁感应强度，

为磁场强度，

为元素i的电场强度。

运用公式a至公式g可以计算得到地面电磁各分量理论响应信号，实现井下电性异常体地面电磁各分量响应信号计算，区别于实际井场电磁观测最多得到五分量信息，在仿真计算中最多可以得到七个电磁分量，包括测点电位U、电场Ex、电场Ey、电场Ez、磁场Hx、磁场Hy和磁场Hz。

图8a-8b显示了根据本发明的一个实施例的正东方向测线上电场Ex和Ey分量响应随电性异常体电导率变化规律示意图。图9a-9c显示了根据本发明的一个实施例的正东方向测线上磁场Hx、Hy和Hz分量响应随电性异常体电导率变化规律示意图。

具体来说，地层模型参数：背景地层电导率0.1S/m，目的层电导率0.05S/m，埋深2000m，激励电流大小10A，异常体尺寸200(X)×100(Y)×50(Z)m，异常体电导率分别为1.0、10.0、100.0、200.0、500、1000.0、2000.0S/m，异常体中心距直井段距离为400m。

从结果可以看出，地面观测到的电场分量Ex和Ey强度随着电导率的增大而减小，且电导率在10.0S/m以上时，随着电导率增大，差异并不会显著变化。

图9a中，磁场分量Hx强度随着电导率的增大而减小，电导率1.0S/m与电导率10.0S/m的曲线趋于一条线，为图9a顶部的线条，之后往下依次为电导率100.0S/m、电导率200.0S/m、电导率500.0S/m、电导率1000.0S/m、电导率2000.0S/m的曲线。

图9b中，磁场分量Hy强度随着电导率的增大而增加，电导率1.0S/m与电导率10.0S/m的曲线趋于一条线，为图9b底部的线条，之后往上依次为电导率100.0S/m、电导率200.0S/m、电导率500.0S/m、电导率1000.0S/m、电导率2000.0S/m的曲线。

图9c中，磁场分量在电性异常体左右两侧(正东y方向测线200m处)，电导率在500S/m以上时，呈现正负相反现象。电导率1.0S/m与电导率10.0S/m的曲线趋于一条线，在正东y方向测线0-200m内，从上往下依次为电导率1.0S/m与电导率10.0S/m、电导率100.0S/m、电导率200.0S/m、电导率500.0S/m、电导率1000.0S/m、电导率2000.0S/m的曲线。

从上述结果可以看出，磁信号对于井下电性异常体的电性变化比电信号更为敏感，因此，电磁分量信息的完备性观测，为井下电性异常体的有效识别和准确描述提供了丰富的数据支撑。

总结来说，本发明将稳压恒流直流电源施加于井下高导电的金属钢套管或者油管，将金属钢套管或者油管作为激励线源发射近稳态电磁信号，该电磁信号经过电性异常体和背景地层传播至地面，在井场地面通过一定排列方式的多分量电磁接收器观测电磁五分量信号，利用注水前后、压裂前后或者不同时刻观测得到的电磁测量信号差异提取井下电性异常体信息，进一步结合地面电磁各分量信号仿真计算方法，计算井场地面电磁各分量理论响应信号，用于模拟实际井下电性异常体地面电磁各分量信号响应，用于优化激励源模式和地面测点布置方式。

本发明中的多分量电磁接收器可以实现井场地面测点五分量电信号和磁信号的完备性测量，包含电场Ex和Ey分量，磁场Hx、Hy和Hz分量，其超低频供电电流源可以实现井下电性异常体地面电磁信号的远场探测，通过电磁五分量信号观测，为井下电性异常体的有效识别和分析提供了丰富的数据基础。

地面电磁各分量信号仿真计算方法是利用似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值模拟方法，计算地面测点电磁各分量信号响应，用于电磁信号对井下电性异常体的敏感性分析，实现激励源模式和接收器布置方式的优化。

图10显示了根据本发明的一个实施例的井场电性异常体观测装置结构框图。如图10所示，观测装置1000包含第一模块1001、第二模块1002以及第三模块1003。

第一模块1001用于通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号。

第二模块1002用于统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息。

第三模块1003用于基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和地面接收器的布置方式。

综上，本发明提供的井场电性异常体观测方法及装置实现井下电性异常体地面电磁信号的远场探测，通过电磁五分量信号观测，为井下电性异常体的有效识别和分析提供了丰富的数据基础；并且能够对井下电性异常体的敏感性进行分析，实现激励源模式和接收器布置方式的优化。本发明可实现井场电性异常体地面电磁信号同时采集与分析，用于有效识别和描述井下异常体特征。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种井场电性异常体观测方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一：通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号；

步骤二：统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息；

步骤三：基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和所述地面接收器的布置方式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体包含以下步骤：稳压恒流直流电源与金属钢套管或者油管连接，将电流施加在金属钢套管或者油管上，高导电的金属钢套管或者油管等效为线源激励信号源。

3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体包含以下步骤：所述地面接收器采用多分量电磁接收器，通过所述多分量电磁接收器采集电磁五分量信号，所述电磁五分量信号包含：电场Ex、Ey分量以及磁场Hx、Hy、Hz分量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述地面接收器的布置方式用于规定所述地面接收器的数量、相互位置关系以及密度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体包含以下步骤：统计在注水前后、压裂前后观测得到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三具体包含以下步骤：

对待研究区域进行离散化，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；

对所述电磁场有限元方程组进行求解，获得空间各离散节点电位值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对待研究区域进行离散化的原则包括：网格不能跨越两种不同的介质、网格相互不能有重叠、网格应完全覆盖整个待研究区域、网格趋向于正四面体并避免尖或扁的四面体、网格的疏密程度与电磁场变化激烈程度相关。

8.如权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下公式得到空间各离散节点电位值：

其中，▽表示微分算子；σ表示电导率；u表示所述空间各离散节点电位值；

表示电流密度。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤三还包含以下步骤：在获得空间各离散节点电位值的基础上，进一步求解理论电场分量以及理论磁场分量。

10.一种井场电性异常体观测装置，其特征在于，所述装置包含：

第一模块，其用于通过线源激励信号源向井下目标地层发射近稳态电磁信号，并通过设置在地面的地面接收器采集电磁响应信号；

第二模块，其用于统计在不同时刻采集到的电磁响应信号，根据不同电磁响应信号的差异提取井下电性异常体信息；

第三模块，其用于基于似稳态电磁场特征响应方程和有限元数值仿真技术，构建井下有源、地层条件下电性异常体模型，计算得到地面电磁理论响应信号，用于不同电磁分量对井下电性异常体的敏感性分析，并优化激励方式和所述地面接收器的布置方式。

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