CN114063170B - 基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法 - Google Patents

基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法 Download PDF

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CN114063170B CN202111419463.8A CN202111419463A CN114063170B CN 114063170 B CN114063170 B CN 114063170B CN 202111419463 A CN202111419463 A CN 202111419463A CN 114063170 B CN114063170 B CN 114063170B
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Abstract

一种基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法，包括以下步骤：(1)设置单一井眼或跨井眼的勘探监测系统，发射脉冲或扫频信号，进行电磁测量，获取水合物储层电磁响应；(2)接受脉冲或扫频信号，对获取的宽频电磁响应进行滤波降噪，反演得到被测储层视介电常数；(3)基于复折射率CRIM模型或MWBH模型，建立视介电常数与各组分体积分数的关联，实现水合物储层饱和度的原位定量评价。本发明利用介电特征频散来表征水合物储层原位饱和度，向地层发射脉冲或扫频信号，带宽覆盖水合物介电特征频散的主要频率范围，利用视介电常数反演、结合介电混合模型，实现了储层水合物含量的定量评价，实现水合物储层原位饱和度的定量计算。

Description

基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法
技术领域
本发明涉及一种利用宽频介电特征频散对水合物原位识别、饱和度定量计算的方法，属于水合物勘探技术领域。
背景技术
天然气水合物作为一种新型非常规油气资源，因其具有储量丰富、分布范围广、能量密度高且燃烧生成物清洁无污染等优点，被广泛认为是21世纪最有潜力的新型能源，受到了世界各国政府与科学界的密切关注。
天然气水合物储层与油气储层差异甚大，广泛存在于大陆架边沿的海底沉积物中。水合物储层周围通常充满了泥浆聚集体、有机质或絮状物等，并与浊积岩砂层、水、空气等共存，其所处地层环境、开采阶段、孔隙水矿化度、盐度以及自身复杂的存在形式等诸多因素共同影响储层微波特性；同时水合物储层开采过程与传统油气开发不同，例如CO2置换法开采，直接在固相水合物中进行，CO2置换CH4的过程未引发相变，针对传统油气储层的勘探、评估手段无法直接分辨CO2水合物与CH4水合物。因此，传统手段对天然气水合物的勘探、开采监测有很大局限性。
水合物介电特性不同于冰、砂泥、空气等其他组份，具有非常明显的介电特征频散，且其特征峰所在频段、特征等，与液态水、固态冰等差异显著，同时介电特征峰随客体分子、温度、压力等因素改变。当某一种物质的介电特征频散异于其他物质时，可作为直接指标用于该物质的定性识别及定量计算。在微波频段，水合物具有独特的介电特征频散，通过开展对应频段基于介电特征频散的勘探、监测，能够实现对水合物饱和度、开采过程的原位准确定量计算。
因此，在水合物储层的地球物理测井和含水合物多孔介质模拟实验测试领域，开发出能够利用水合物介电特征频散来实现水合物储层原位饱和度的定量计算方法尤为重要。
近年来，以微波测量技术为代表的等效电参数测量测试方法被逐渐应用于水合物的地球物理勘探、监测，但在基于水合物介电特征频散的相关方法的应用研究还不够深入，且未有相关技术报道。
发明内容
本发明针对现有水合物储层勘探、监测技术存在的问题，基于复介电特征频散，提供一种简便准确的利用脉冲或扫频实现水合物储层饱和度原位定量评价方法。
本发明的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法，包括以下步骤：
(1)设置单一井眼或跨井眼的勘探监测系统(发射天线及接收天线)，发射脉冲或扫频信号，进行电磁测量，获取水合物储层电磁响应；
(2)接受脉冲或扫频信号，对获取的宽频电磁响应进行滤波降噪，反演得到被测储层视介电常数；
(3)基于复折射率CRIM(Complex Refractive Index Model)模型或MWBH(Maxwell-Wagner-Bruggeman-Hanai)模型(两种模型均为现有技术)，建立视介电常数与各组分体积分数的关联，实现水合物储层饱和度的原位定量评价。
具体过程如下所述。
所述步骤(1)中设置单一井眼或跨井眼勘探和监测系统，是指在开采钻杆上安装发射天线和接收天线，同时将压力变送器与温度变送器安装于开采钻杆；对于单一井眼勘探，发射天线和接收天线均安装于同一钻杆；对于跨井眼勘探，发射天线和接收天线分别安装于开采井两侧的监测钻杆；发射天线用于将电磁波发射进入地层，接收天线用于接受穿过地层后的电磁信号(脉冲或扫频信号)，压力变送器与温度变送器用于记录地层实测压力值与温度值。
所述步骤(1)中发射脉冲或扫频信号的频率范围为10kHz-40MHz；若选用电磁脉冲方式，则发射一个频率范围为10kHz-40MHz的时域窄脉冲；若选用步进扫频方式，则在10kHz-40MHz频率范围内，以对数频率间隔或线性频率间隔取n(n≥100)个工作点，进行逐个频点的谐波发射。
所述步骤(1)电磁测量过程中，电磁波发射进入地层，电磁波信号穿过地层后由接收天线接收电磁信号(脉冲或扫频信号)；同时将对应井眼地层处的实测压力值与温度值，与接收的电磁信号一起传回地面；完成整个时域段脉冲信号发射与接收。
所述步骤(2)对获取的宽频电磁响应进行滤波降噪，采用现有公知技术。
所述步骤(2)反演得到被测储层视介电常数，是根据均匀平面波传播方程，建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系，或者是建立视介电常数与正向传输系数S21的关系，确定储层各组分介电常数；
①建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系的具体过程如下所述：
电磁波经发射天线进入地层，以传播常数γ＝α+jβ向外传播，其中α称为衰减系数，表示电磁波每传播一个单位距离其振幅的衰减量，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s，在距离发射天线为z0的接收天线处电场强度为：
Figure BDA0003376322740000021
其中j称为虚数单位，j2＝-1；ω称为角频率，单位为rad/s，/>
Figure BDA0003376322740000022
称为E(z0，t)的辐角，单位以弧度rad表示；
由于天线增益Gain的存在，使得收发天线指示的电场强度E接受与收发天线所在位置的实际电场强度E实际并不相同；通过获取天线在空气中的指示信号进行提前定标，确定天线增益Gain*＝10lg(P实际天线/P理想天线)的影响，其中P实际天线和P理想天线分别表示在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度；设定参数X*＝E实际/E接收，作为联系实际电场强度E实际和接收电场强度E接受的比例系数(它是频率相关的参数谱，Gain*的影响也包含其中)；通过地面实验，确定X*参数谱；其中E实际＝X*×E接收，利用已标定的X*和接收天线获得的电场强度E接收得到；
以电磁脉冲方式工作时，对接收到的电磁脉冲信号做傅里叶变换得到信号的频谱展开，利用地面实验确定的X*参数谱，将接收天线接收的电场强度换算成天线所在位置z0处的实际电场强度，E实际＝X*×E接收，实际电场强度公式表述为：
Figure BDA0003376322740000031
其中α称为衰减系数，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s；以扫频信号方式工作时，实际电场强度表达式在测量频率f＝2π/ω时，表述为：/>
Figure BDA0003376322740000032
接收天线与发射天线处补偿后的实际地层电场强度比值为：
Figure BDA0003376322740000033
其中Δz为收发天线的间距，由此得到传播信号的幅度衰减AT和相位差PS(单位分别为：V/m、rad)，表述为：/>
Figure BDA0003376322740000034
当工作频率和天线间距条件确定时，建立视介电常数与幅度衰减和相位差的联系，将/>
Figure BDA0003376322740000035
带入
Figure BDA0003376322740000036
整理得到/>
Figure BDA0003376322740000037
式中/>
Figure BDA0003376322740000038
分别为视介电常数和视电导率；ω为角频率，单位为rad/s；μ为储层磁导率，单位为H/m；ε0为真空介电常数，单位为F/m；
②建立视介电常数与正向传输系数S21的关系的具体过程是：
在二端口网络模型中包含四个S参数：输入回波损耗S11＝b1/a1；输出回波损耗S22＝b2/a2；正向传输系数S21＝b2/a1；反向传输系数S12＝b1/a2；其中a1为正向入射电压，a2为反向入射电压，b1为正向反射电压与反向传输电压之和，b2为正向传输电压与反向反射电压之和；通过考察正向传输系数S21表征天线接收电压与发射电压之比，即接收的电场强度与发射的电场强度之比；
通过地面实验获得由天线增益引起的X*参数谱，结合正向传输系数S21，求解天线所在位置实际扫频谐波信号；
③确定储层各组分介电常数：
其中：空气理论介电常数为1，石英砂理论介电常数为4，孔隙水及水合物的理论复介电常数用Cole-Cole模型表述；
孔隙水和水合物的理论复介电常数受温度、压力影响显著，表述为Cole-Cole模型形式：
Figure BDA0003376322740000041
ε*是整体复介电常数，εs和ε∞分别表示静频介电常数和光频介电常数，ω是角频率，α是一个小于1的指数参数，τ是以秒为单位的弛豫时间，σ是电导率；
利用实时获取的压力和温度值，对被监测区域孔隙水以及水合物的介电常数进行补偿；孔隙水和水合物的介电Cole-Cole模型中的弛豫时间τ和静频介电常数εs等参数为温度T和压力P的函数；构建弛豫时间τ、静频介电常数与光频介电常数差εs-ε∞和压力、温度的关系式为：
Figure BDA0003376322740000042
其中参数A、B、C、D、E、F、G、H由模拟实验获得。
所述步骤(3)基于复折射率CRIM模型或MWBH模型，建立视介电常数与各组分体积分数的关联(视介电常数与组分体积分数的关系式)；具体过程是：
①选择CRIM模型，对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和，建立从单个频率视介电常数反演组分体积分数的关系式；
CRIM模型通过对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和，来计算水合物储层的整体复介电常数；CRIM模型表达式为：
Figure BDA0003376322740000043
其中：/>
Figure BDA0003376322740000044
和/>
Figure BDA0003376322740000045
分别为水合物储层、石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的复介电常数，参数I、J、K和L分别为石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的体积分数，I+J+K+L＝1。
②选择CRIM模型：
MWBH模型通过微分有效介质，使水合物储层达到最终体积分数与介电常数；针对于球体颗粒，将水合物储层视为微观的三相混合物，MWBH模型表述为：
Figure BDA0003376322740000046
其中/>
Figure BDA0003376322740000047
和/>
Figure BDA0003376322740000048
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物和孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；通过在分散相球体颗粒与外部介质间建立第三相共焦壳，将整体视为内核，将MWBH模型扩展到三相混合物中，球体颗粒内核与外壳(共焦壳)的复介电常数分别定义为/>
Figure BDA0003376322740000051
和/>
Figure BDA0003376322740000052
半径与厚度分别定义为R和d，则球体颗粒的复介电常数/>
Figure BDA0003376322740000053
表示为：/>
Figure BDA0003376322740000054
其中：/>
Figure BDA0003376322740000055
表示分散相球体颗粒内核的体积分数，通过球体体积公式得到：/>
Figure BDA0003376322740000056
将/>
Figure BDA0003376322740000057
和/>
Figure BDA0003376322740000058
分别带入球体颗粒的MWBH模型，得到三相混合物的MWBH模型：
Figure BDA0003376322740000059
其中：
Figure BDA00033763227400000510
和/>
Figure BDA00033763227400000511
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物和孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；/>
Figure BDA00033763227400000512
和/>
Figure BDA00033763227400000513
分别表示分散相内核和外壳的复介电常数；/>
Figure BDA00033763227400000514
和/>
Figure BDA00033763227400000515
分别为分散相、分散相内核的体积分数；
基于CRIM或MWBH介电混合模型，调整体积分数，考虑压力和温度对参数的影响，针对压力和温度对水合物、地层水介电常数进行修正，建立体积分数、水合物分布和赋存状态与整体视介电常数的定量关系，从而建立基于介电特征频散的水合物储层原位定量评价方法。
本发明的方法利用介电特征频散来表征水合物储层原位饱和度，采用单一井眼或跨井眼的方式，向地层发射脉冲或扫频信号，带宽覆盖水合物介电特征频散的主要频率范围，利用视介电常数反演、结合介电混合模型，实现了储层水合物含量的定量评价，实现水合物储层原位饱和度的定量计算。
附图说明
图1是本发明基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法的流程图。
图2是水合物储层的单井监测示意图。
图3是水合物储层的跨井监测示意图。
图4是原始信号的时域特性与频域特性示意图；(a)是时域特性，(b)是频域特性。
图5是接收天线直接获取的脉冲信号时域特性与频域特性示意图；(a)是时域特性，(b)是频域特性。
图6是降噪处理后的脉冲信号时域特性与频域特性示意图；(a)是时域特性，(b)是频域特性。
图7是二端口网络模型示意图。
图8是三相系统示意图。
图9是液态水、水合物、石英砂、空气的介电特征频散对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更为明确，下面结合附图，通过典型实施例对本发明的方法做进一步说明。显然，所描述的实施例是本方法的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本方法中的实施例，本领域普通技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度原位定量评价方法，利用介电特征频散来表征水合物储层原位饱和度，主要包括以下过程：(1)设置单一井眼或跨井眼的勘探监测平台(硬件系统)，发射脉冲或扫频信号，进行电磁测量，获取水合物储层电磁响应；(2)接受脉冲或扫频信号，对获取的宽频电磁响应进行滤波降噪，反演得到被测储层视介电常数；(3)基于复折射率CRIM(Complex Refractive Index Model)模型或MWBH(Maxwell-Wagner-Bruggeman-Hanai)模型(两种模型均为现有技术)，建立视介电常数与各组分体积分数的关联，实现水合物储层饱和度的原位定量评价。
本发明方法的流程如图1所示，包括以下详细步骤。
步骤101：设置单一井眼或跨井眼勘探、监测硬件平台
对于单一井眼勘探，发射天线和接收电极安装于同一开采钻杆。具体地，如图2给出的水合物储层的单井监测系统，在开采钻杆201上安装发射天线及接收天线，所使用天线均为工作带宽覆盖信号带宽的宽带天线。在开采钻杆201上安装有压力变送器205(PT)和温度变送器206(TT)，在开采钻杆201的底部设置主电极(发射电极)202(T)，在开采钻杆201的上部设置两个接收电极，分别是接收电极203(R)和接收电极204(R)。发射天线202(T)和两个接收天线203(R)、204(R)安装于同一开采钻杆201上。
对于跨井眼勘探，发射天线和接收天线分别安装于开采井两侧监测井内的监测钻杆上，同时将压力变送器与温度变送器安装于开采钻杆。具体地，如图3所示，在中间开采井的开采钻杆207上安装有压力变送器210(PT)和温度变送器和211(TT)；在一侧的监测钻杆208上设置发射天线212(T)、接收天线214(R)；在另一侧的监测钻杆209上设置发射天线213(T)、接收天线215(R)。
步骤102：选择信号模式，从电磁脉冲式和步进扫频式两种信号模式中选择其一作为工作模式
若选用脉冲方式，参见图1中步骤103和步骤104，发射天线(主电极202)发射一个如图4(a)所示的时域窄脉冲，对应频谱能量如图4(b)所示，集中在10kHz-40MHz频率范围内。电磁波信号穿过地层，到达接收天线(接收电极203和接收电极204)，接收天线接收到电磁脉冲信号。同时，将电磁测量过程中，对应井眼地层处的压力变送器205和温度变送器206记录地层实测压力值与温度值，与接收的电磁脉冲信号一起通过电缆传回地面。
若通过点频步进式“扫频”方式测量，则在10kHz-40MHz频率范围内，以对数频率间隔或线性频率间隔取n(n≥100)个工作点，发射天线(主电极212和主电极213)进行逐个频点的谐波发射。电磁波信号穿过地层，到达接收天线，接收天线(接收电极214和接收电极215)接收到扫频谐波信号。同时，将电磁测量过程中，对应井眼地层处的压力变送器210和温度变送器211记录地层实测压力值与温度值，与接收的扫频谐波信号一起通过电缆传回地面。
步骤105：判断是否完成整个时域段脉冲信号发射与接收，若是，进入步骤106；若否，返回步骤103。
步骤106：对接收天线获取的地层电磁响应进行滤波降噪处理与增益补偿
直接接收的信号往往包含很多干扰噪声，如周围地层反射噪声、仪器内部噪声、其他设备噪声等，接收天线直接获取的带噪信号时域特性与频域特性如图5所示。在反演视介电常数前，需要对接收天线获取的地层电磁响应进行滤波降噪处理，降噪后信号时域特性与频域特性如图6所示。信号的滤波降噪为本领域公知常识，属于现有技术。
步骤107：根据均匀平面波传播方程，建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系，或与正向传输系数S21的关系
电磁波经发射天线进入地层，以传播常数γ＝α+jβ向外传播，其中α称为衰减系数，表示电磁波每传播一个单位距离，其振幅的衰减量，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s，在距离发射天线为z0的接收天线处电场强度为：
Figure BDA0003376322740000071
其中j称为虚数单位，j2＝-1；ω称为角频率，单位为rad/s，/>
Figure BDA0003376322740000072
称为E(z0，t)的辐角，单位以弧度rad表示；以上描述了电磁波在地层中的传播特性。
由于天线增益Gain的存在，使得收发天线指示的电场强度与收发天线所在位置的实际电场强度并不相同。通过获取天线在空气中的指示信号进行提前定标，可确定天线增益Gain*＝10lg(P实际天线/P理想天线)的影响,其中P实际天线和P理想天线分别表示在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度；设定参数X*＝E实际/E接收，作为联系实际场强和天线接收场强的比例系数，它是频率相关的参数谱，Gain*的影响也包含其中；通过地面实验，确定X*参数谱；其中E实际＝X*×E接收利用已标定的X*和接收天线获得的电场强度E接收得到。
以脉冲方式工作时，对接收天线接收到的电磁脉冲信号做傅里叶变换得到信号的频谱展开，利用地面实验确定的X*参数谱，将接收天线接收场强换算成天线所在位置z0处的实际场强，E实际＝X*×E接收，实际场强公式表述为：
Figure BDA0003376322740000081
其中α称为衰减系数，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s。以扫频信号方式工作时，实际电场强度表达式在测量频率f＝2π/ω时，表述为：/>
Figure BDA0003376322740000082
接收天线与发射天线处补偿后的实际地层电场强度比值为：
Figure BDA0003376322740000083
其中Δz为收发天线的间距，由此得到传播信号的幅度衰减AT和相位差PS(单位分别为：V/m、rad)表述为：/>
Figure BDA0003376322740000084
当工作频率、天线间距等条件确定时，建立视介电常数与幅度衰减和相位差的联系，将/>
Figure BDA0003376322740000085
带入
Figure BDA0003376322740000086
整理可得到/>
Figure BDA0003376322740000087
式中/>
Figure BDA0003376322740000088
分别为视介电常数、视电导率；ω为角频率，单位为rad/s；μ为储层磁导率，单位为H/m；ε0为真空介电常数，单位为F/m。
也可用通过S参数来反演视介电常数，如图7所示，在典型的二端口网络模型中包含四个S参数：输入回波损耗S11＝b1/a1；输出回波损耗S22＝b2/a2；正向传输系数S21＝b2/a1；反向传输系数S12＝b1/a2；其中a1为正向入射电压，a2为反向入射电压，b1为正向反射电压与反向传输电压之和，b2为正向传输电压与反向反射电压之和。通过考察正向传输系数S21，可表征天线接收电压与发射电压之比，即收发电场强度之比。通过地面实验获得由天线增益引起的X*参数谱，结合正向传输系数S21，求解天线所在位置实际扫频谐波信号。
步骤108：确定储层各组分介电常数
其中：空气理论介电常数为1，石英砂理论介电常数为4，孔隙水及水合物的理论复介电常数都可用Cole-Cole模型表述。
空气、砂泥的介电常数几乎不受温度、压力的影响，在10kHz-40MHz频率范围内可近似为非色散；孔隙水和水合物的理论复介电常数受温度、压力影响显著，可表述为Cole-Cole模型形式：
Figure BDA0003376322740000091
ε*是整体复介电常数，εs和ε∞分别表示静频介电常数和光频介电常数，ω是角频率，α是一个小于1的指数参数，τ是以秒为单位的弛豫时间，σ是电导率。
步骤109：利用实时获取的压力和温度值，对被监测区域孔隙水以及水合物的介电常数进行补偿
孔隙水、水合物的介电常数Cole-Cole模型中的弛豫时间τ、静频介电常数εs等参数为温度、压力的函数；构建弛豫时间τ、静频介电常数与光频介电常数差εs-ε∞和压力T、温度P的关系式为：
Figure BDA0003376322740000092
其中参数A、B、C、D、E、F、G、H由实验室内模拟实验获得。
步骤110：选择模型，建立从单个频率视介电常数反演组分体积分数的关系式，完成从视介电常数到组分体积分数的反演。
步骤111：选择现有的CRIM模型或MWBH模型
本发明采用的CRIM模型表达式为：
Figure BDA0003376322740000093
其中：/>
Figure BDA0003376322740000094
和/>
Figure BDA0003376322740000095
分别为水合物储层、石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的复介电常数。参数I、J、K和L分别为石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的体积分数，I+J+K+L＝1。
CRIM模型通过对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和(步骤112)，来计算水合物储层的整体复介电常数。
MWBH模型通过微分有效介质的思想，使水合物储层达到最终体积分数与介电常数。针对于球体颗粒，将水合物储层视为微观的三相混合物(与下文中的“三相混合物”对应)，MWBH模型表述为：
Figure BDA0003376322740000096
其中/>
Figure BDA0003376322740000097
和/>
Figure BDA0003376322740000098
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物和孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；通过在分散相球体颗粒与外部介质间建立第三相共焦壳，将整体视为内核，可将MWBH模型扩展到三相系统中(见图7)，球体颗粒内核与外壳(共焦壳)的复介电常数分别定义为/>
Figure BDA0003376322740000099
和/>
Figure BDA00033763227400000910
半径与厚度分别定义为R和d，则球体颗粒的复介电常数/>
Figure BDA00033763227400000911
可以表示为：/>
Figure BDA00033763227400000912
其中：/>
Figure BDA00033763227400000913
表示分散相球体颗粒内核的体积分数，其可通过球体体积公式得到：/>
Figure BDA00033763227400000914
将
Figure BDA00033763227400000915
和/>
Figure BDA00033763227400000916
分别带入球体颗粒的MWBH模型可得到三相系统的MWBH模型：/>
Figure BDA0003376322740000101
其中：
Figure BDA0003376322740000102
和/>
Figure BDA0003376322740000103
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物、孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；/>
Figure BDA0003376322740000104
和/>
Figure BDA0003376322740000105
分别表示分散相内核和外壳的复介电常数；/>
Figure BDA0003376322740000106
和/>
Figure BDA0003376322740000107
分别为分散相、分散相内核的体积分数。
步骤113：建立视介电常数与组分体积分数的关系式，从而建立基于介电特征频散的水合物储层原位定量评价方法
基于CRIM或MWBH介电混合模型，调整体积分数，考虑压力、温度对参数的影响，针对压力、温度对水合物、地层水介电常数进行修正，建立体积分数、水合物分布、赋存状态等与整体视介电常数的定量关系，从而建立基于介电特征频散的水合物储层原位定量评价方法。
具体实施例，完成一个测量计算周期的步骤如下。
步骤101：设置单一井眼勘探、监测平台；
步骤102-103：选择脉冲工作模式，发射天线前端电路产生如图4(a)所示的时域激励脉冲，被投影到频域则如图4(b)所示，对应频谱能量集中在10kHz-40MHz频率范围内；
步骤104：接收天线接收到电磁脉冲信号，直接获取的脉冲信号时域特性与频域特性如图4所示；同时压力变送器与温度变送器将实测压力值与温度值传回地面；
步骤105：判断是否完成整个时域段脉冲信号发射与接收。若是，进入步骤106；若否，返回步骤103；
步骤106：对接收天线获取的地层电磁响应进行滤波降噪处理与增益补偿，如图5所示为降噪后信号时域特性与频域特性图；
步骤107：根据均匀平面波传播方程，建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系；
步骤108：确定储层各组分介电常数。其中：空气理论介电常数为1，石英砂理论介电常数为4，孔隙水及水合物的理论复介电常数都可用Cole-Cole模型表述；
步骤109：利用实时获取的压力、温度值，对水合物的介电常数进行补偿，基于实验测试数据建立适用于纯CH4水合物的弛豫时间τ与绝对温度T之间的关系式为：εs-ε∞＝14900/T，log10(τ)＝-11.9+1265.7/T，同理，压力对水合物的介电常数的补偿也可由实验数据获得；
步骤110-113：选择现有的CRIM模型，对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和，建立视介电常数与组分体积分数的关系式，从而建立基于介电特征频散的水合物储层原位定量评价方法。

Claims (6)

1.一种基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)设置单一井眼或跨井眼的勘探监测系统，发射脉冲或扫频信号，进行电磁测量，获取水合物储层电磁响应；
(2)接受脉冲或扫频信号，对获取的宽频电磁响应进行滤波降噪，反演得到被测储层视介电常数；
(3)基于复折射率CRIM模型或MWBH模型，建立视介电常数与各组分体积分数的关联，实现水合物储层饱和度的原位定量评价；
所述步骤(2)反演得到被测储层视介电常数，是根据均匀平面波传播方程，建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系，或者是建立视介电常数与正向传输系数S21的关系，确定储层各组分介电常数；
①建立视介电常数与幅度衰减AT和相位差PS的联系的具体过程如下所述：
电磁波经发射天线进入地层，以传播常数γ＝α+jβ向外传播，其中α称为衰减系数，表示电磁波每传播一个单位距离其振幅的衰减量，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s，在距离发射天线为z0的接收天线处电场强度为：
Figure FDA0004181258400000011
其中j称为虚数单位，j2＝-1；ω称为角频率，单位为rad/s，/>
Figure FDA0004181258400000012
称为E(z0，t)的辐角，单位以弧度rad表示；
由于天线增益Gain的存在，使得收发天线指示的电场强度E接受与收发天线所在位置的实际电场强度E实际并不相同；通过获取天线在空气中的指示信号进行提前定标，确定天线增益Gain*＝10lg(P实际天线/P理想天线)的影响，其中P实际天线和P理想天线分别表示在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度；设定参数X*＝E实际/E接收，作为联系实际电场强度E实际和接收电场强度E接受的比例系数；通过地面实验，确定X*参数谱；其中E实际＝X*×E接收，利用已标定的X*和接收天线获得的电场强度E接收得到；
以电磁脉冲方式工作时，对接收到的电磁脉冲信号做傅里叶变换得到信号的频谱展开，利用地面实验确定的X*参数谱，将接收天线接收的电场强度换算成天线所在位置z0处的实际电场强度，E实际＝X*×E接收，实际电场强度公式表述为：
Figure FDA0004181258400000013
其中α称为衰减系数，单位为Np/m；β称为相位系数，单位为rad/s；以扫频信号方式工作时，实际电场强度表达式在测量频率f＝2π/ω时，表述为：/>
Figure FDA0004181258400000021
接收天线与发射天线处补偿后的实际地层电场强度比值为：
Figure FDA0004181258400000022
其中Δz为收发天线的间距，由此得到传播信号的幅度衰减AT和相位差PS，单位分别为V/m和rad，表述为：/>
Figure FDA0004181258400000023
当工作频率和天线间距条件确定时，建立视介电常数与幅度衰减和相位差的联系，将/>
Figure FDA0004181258400000024
带入/>
Figure FDA0004181258400000025
整理得到
Figure FDA0004181258400000026
式中/>
Figure FDA0004181258400000027
分别为视介电常数和视电导率；ω为角频率，单位为rad/s；μ为储层磁导率，单位为H/m；ε0为真空介电常数，单位为F/m；
②建立视介电常数与正向传输系数S21的关系的具体过程是：
在二端口网络模型中包含四个S参数：输入回波损耗S11＝b1/a1；输出回波损耗S22＝b2/a2；正向传输系数S21＝b2/a1；反向传输系数S12＝b1/a2；其中a1为正向入射电压，a2为反向入射电压，b1为正向反射电压与反向传输电压之和，b2为正向传输电压与反向反射电压之和；通过考察正向传输系数S21表征天线接收电压与发射电压之比，即接收的电场强度与发射的电场强度之比；
通过地面实验获得由天线增益引起的X*参数谱，结合正向传输系数S21，求解天线所在位置实际扫频谐波信号；
③确定储层各组分介电常数：
其中：空气理论介电常数为1，石英砂理论介电常数为4，孔隙水及水合物的理论复介电常数用Cole-Cole模型表述；
孔隙水和水合物的理论复介电常数受温度、压力影响显著，表述为Cole-Cole模型形式：
Figure FDA0004181258400000028
ε*是整体复介电常数，εs和ε∞分别表示静频介电常数和光频介电常数，ω是角频率，α是一个小于1的指数参数，τ是以秒为单位的弛豫时间，σ是电导率；
利用实时获取的压力和温度值，对被监测区域孔隙水以及水合物的介电常数进行补偿；孔隙水和水合物的介电Cole-Cole模型中的弛豫时间τ和静频介电常数εs参数为温度T和压力P的函数；构建弛豫时间τ、静频介电常数与光频介电常数差εs-ε∞和压力、温度的关系式为：
Figure FDA0004181258400000031
其中参数A、B、C、D、E、F、G、H由模拟实验获得。
2.根据权利要求1所述的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：所述步骤(1)中设置单一井眼或跨井眼勘探和监测系统，是指在开采钻杆上安装发射天线和接收天线，同时将压力变送器与温度变送器安装于开采钻杆；对于单一井眼勘探，发射天线和接收天线均安装于同一钻杆；对于跨井眼勘探，发射天线和接收天线分别安装于开采井两侧的监测钻杆。
3.根据权利要求1所述的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：所述步骤(1)中发射脉冲或扫频信号的频率范围为10kHz-40MHz；若选用电磁脉冲方式，则发射一个频率范围为10kHz-40MHz的时域窄脉冲；若选用步进扫频方式，则在10kHz-40MHz频率范围内，以对数频率间隔或线性频率间隔取n个工作点，进行逐个频点的谐波发射。
4.根据权利要求3所述的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：所述n≥100。
5.根据权利要求1所述的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：所述步骤(1)电磁测量过程中，电磁波发射进入地层，电磁波信号穿过地层后由接收天线接收电磁信号；同时将对应井眼地层处的实测压力值与温度值，与接收的电磁信号一起传回地面；完成整个时域段脉冲信号发射与接收。
6.根据权利要求1所述的基于复介电特征频散的水合物储层饱和度定量评价方法，其特征是：所述步骤(3)基于复折射率CRIM模型或MWBH模型，建立视介电常数与各组分体积分数的关联；具体过程是：
①选择CRIM模型，对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和，建立从单个频率视介电常数反演组分体积分数的关系式；
CRIM模型通过对各组分的复介电常数平方根进行线性加权求和，来计算水合物储层的整体复介电常数；CRIM模型表达式为：
Figure FDA0004181258400000032
其中：/>
Figure FDA0004181258400000033
和/>
Figure FDA0004181258400000034
分别为水合物储层、石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的复介电常数，参数I、J、K和L分别为石英砂、CH4水合物、CO2水合物和空气的体积分数，I+J+K+L＝1；
②选择CRIM模型：
MWBH模型通过微分有效介质，使水合物储层达到最终体积分数与介电常数；针对于球体颗粒，将水合物储层视为微观的三相混合物，MWBH模型表述为：
Figure FDA0004181258400000041
其中/>
Figure FDA0004181258400000042
和/>
Figure FDA0004181258400000043
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物和孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；通过在分散相球体颗粒与外部介质间建立第三相共焦壳，将整体视为内核，将MWBH模型扩展到三相混合物中，球体颗粒内核与外壳的复介电常数分别定义为/>
Figure FDA0004181258400000044
和/>
Figure FDA0004181258400000045
半径与厚度分别定义为R和d，则球体颗粒的复介电常数/>
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表示为：
Figure FDA0004181258400000047
其中：/>
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表示分散相球体颗粒内核的体积分数，通过球体体积公式得到：/>
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将/>
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Figure FDA00041812584000000411
分别带入球体颗粒的MWBH模型，得到三相混合物的MWBH模型：/>
Figure FDA00041812584000000412
其中：
Figure FDA00041812584000000413
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Figure FDA00041812584000000414
分别为三相混合物、连续相和分散相的复介电常数，三相混合物包括沙子颗粒、水合物和孔隙水，连续相为孔隙水，分散相为沙子颗粒外包裹着水合物形成的共焦壳球体；/>
Figure FDA00041812584000000415
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分别表示分散相内核和外壳的复介电常数；/>
Figure FDA00041812584000000417
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Figure FDA00041812584000000418
分别为分散相、分散相内核的体积分数；
基于CRIM或MWBH介电混合模型，调整体积分数，考虑压力和温度对参数的影响，针对压力和温度对水合物、地层水介电常数进行修正，建立体积分数、水合物分布和赋存状态与整体视介电常数的定量关系，从而建立基于介电特征频散的水合物储层原位定量评价方法。
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