CN1168997C - 远程储层电阻率映像 - Google Patents

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CN1168997C CNB008141975A CN00814197A CN1168997C CN 1168997 C CN1168997 C CN 1168997C CN B008141975 A CNB008141975 A CN B008141975A CN 00814197 A CN00814197 A CN 00814197A CN 1168997 C CN1168997 C CN 1168997C
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    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves

Abstract

一种用于储层性质的表面估计的方法，其中使用在储层(3)附近数据首先确定储层(3)的位置和其以上、以下、及水平相邻的平均地电阻率。然后确定用于电磁源(4、5)的尺寸和探测频率，以便基本上使传输的垂直和水平电流在储层(3)处最大。其次，在近似对中在储层(3)上方启动源(4、5)，并且用一个接收器阵列(10)测量电磁响应的多个分量。使用数据确定几何和电气参数约束条件。最后，使用几何和电气约束条件处理电磁响应，以产生转换的垂直和水平电阻率深度图像。

Description

远程储层电阻率映像
本申请要求提出于1999年9月15日的美国临时申请号60/154,114的权益。
发明领域
本发明一般涉及地球物理勘探的领域。更具体地说，本发明涉及地下地质构造电阻率的表面测量。明确地说，本发明是一种把地震和电磁数据相组合以勘探包含烃类的地下构造的方法。
发明背景
由在深处储藏烃类的地面的远程映像和分析仍然是一项困难的技术任务。这还是这样，尽管有在3D地震成像、地震直接烃类指示器(DHI)和随偏移的振幅变化(AVO)分析、及地震属性映像和解释方面的最近进步。地震探测困难部分产生于这样的事实，对其地震探针响应的储层的力学性质，在油气替代地层水时常常仅稍微变化，特别是在油的情况下。变化可能仅具有百分之几十的量级。微妙的力学影响涉及地震波传播，并且反射能掩盖DHI和AVO特性，甚至产生误导特性。例如，在含水沙层中低气体饱和能产生虚假的地震DHI。由于这样的影响，钻井成功率太低，并且勘探成本在多数盆地中太高。另外，发现的未开发油气田的快速和低成本估计需要在离见油井较远距离处的储层性质的良好知识。获得这种知识仅使用地震数据是有问题的。急需远程测量和映像对烃类敏感的其它储层构造性质，并且把这些其它性质的解释与地震数据和其映像属性的解释相结合。一种特别重要的构造性质是电阻率，这与孔隙流体类型和饱和强烈地相关。
储层的体积电阻率在烃类存在时，常常显著地增大。该增大能具有百分之几百至几千的量级。然而，增大的构造电阻率不可能单独唯一地指示烃类。例如，碳酸盐、火山岩、及煤炭也能是高电阻的。尽管如此，高构造电阻率与由地震数据成像的潜在油阱、或与在储层深度处的地震DHI或AVO影响的空间相关，提供油或气存在的有力证据和关于其浓度的有价值信息。例如，包围在页岩中的低气体饱和高孔隙率沙岩储层能产生有力的地震DHI和指示气体的AVO曲线。然而，它也会具有低电阻率，并因此会是一种高风险钻井勘探。
大多数烃类储层嵌夹有页岩脉理或其它不可透过间隔，并因此在宏观比例下是各向异性的。因而，重要的是，测量储层间隔的垂直(横向)和水平(纵向)电阻率。储层间隔的垂直和水平电阻率的远程测量，与不可透过层面的电阻率的估计的结合，提供关于储层的流体含量的量化界限，如烃类孔隙体积。然而，没有在烃类勘探和生产中要求的垂直分辨率下用来从地面或海底远程测量储层构造的现有技术。基于已知储层的厚度和预测的未来需要，这种要求分辨率等于或小于离地球表面或海底的深度的百分之二。例如，这分辨在典型10,000英尺储层深度的200英尺净储层厚度(在储层间隔内的烃类承载岩石厚度的垂直和)或更小。
电磁成像技术的综述由M.N.Nabighian(ed.)，ElectromagneticMethods in Appllied Geophysics，Vols.1&2，SEG Investigations inGeophysics No.3，1988；A.G.Nekut和B.R.S pies，Proceedings IEEE，v.77，338-362，1989；及由M.S.Zhdanov和G.V.Keller，TheGeoelectrical Methods in Geophysical Exploration，Elsevier，1994给出。诸如矿体之类的导电物体的成像已经是用于电磁方法的主要用途。在用于烃类勘探的用途中，开发了技术的大部分以成像在区域中的大地质结构，其中地震数据质量较低或不存在，并且几乎没有其它地质或地球物理信息可得到。
自从19世纪30年代就偿试使用基于表面的电磁成像对烃类直接勘探，但几乎没有商业成功。这种缺乏成功归因于当以独立和空间下抽样方式应用于地质成像问题时的低空间分辨率和当前电磁方法的模糊解释结果。低表面分辨率是要求透过大地到储层深度的低频电磁波，即低于1kHz，的扩散特性的一种结果。这种电磁波的垂直分辨率对带宽较不敏感，不像地震情形，但对相位和振幅测量的准确度和精度及对于来自其它数据限制的包括较敏感。就是说，未限制地球物理电磁数据反问题在数学上不良地提出，有多种可能地质结构同样好地拟合电磁数据。结果，未限制电磁成像的垂直分辨率典型地不好于深度的百分之10。这给出在典型10,000英尺储层深度处只有1000英尺净储层厚度的分辨率。然而，在一个给定分辨层内，常规电阻率测量准确度能在二的因子内，这对于油气勘探是适当的。
适用于直接储层成像的电磁技术使用电气接地受控源，以在储层深度处的地下中产生垂直和水平电流流动。在电磁成像界熟知的这种技术的五个实施例是：(1)由K.M.Strack的Exploration with DeepTransient Electromagnetics，Elsevier，1992描述的LOTEM方法；(2)由Buselli在美国专利4,247,821中描述的SIROTEM方法；(3)在美国专利4,535,5293中描述的CGG的TRANSIEL系统；(4)由Tasci等在美国专利5,563,513中描述的EMI方法；及(5)由B.W.Smith和J.Dzwinel在WEGA-D SYSTEM，WEGA-D Geophysical Research Ltd.，1984中描述的WEGA-D方法。名称为PowerProbe的一种较新样式的WEGA-D已经由加拿大公司Enertec，WEGA-D GeophysicalResearch的继承者开发。所有五种方法都有上述的近似深度10％的垂直分辨率限制的缺点，这使得他们除异常厚储层之外不适用于直接储层成像。这种分辨率限制产生于在每种方法中的如下缺陷的一个或多个：(1)缺乏把电磁输入能量聚焦在目标储层处的手段；(2)表面电磁响应场的空间下抽样；(3)在每个接收器处包括全张量电磁响应的多分量电磁表面场的只有少数几个分量(通常一个)的测量(除WEGA-D/PowerProbe之外)；(4)使用1-D、2-D、或图案识别算法而不是全3-D成像方法的数据处理；及(5)并入限制转换结果的数据处理的清晰深度信息和电阻率参数值的缺乏或贫乏。
在这五种方法中的另一种严重限制是其具有大于1欧姆总串联电阻的高阻抗接触电极和连接导线的使用，以把源电流传输到地下中。这种输出阻抗主要是接触地(接地)的电极的小表面面积的结果。高输出阻抗严重限制在储层深度处的电流，这又减小对于给定源功率对于地下储层的表面电磁响应的强度。由于高阻抗源的电流限制也导致勘探的减小深度，特别是在导电沉积盆地中。电磁勘探的有效深度增大，作为对于接地电偶极子源在M1/5与M1/3之间的源强度的部分功率，其中M是偶极子矩，即电流乘以偶极子长度。指数取决于测量哪个表面场分量，但一般地短偏移(或“近场”)电磁接收器响应具有对于深目标的最好灵敏度，如在B.R.Spies，Geophysics v.54，872-888，1989中表示的那样。
V.S.Mogilatov和B.Balashov，J.Appl.Geophys.，v.36，31-41，1996；和Mogilatov的俄罗斯专利2,084,929-C1描述了表面电同心环形偶极子和径向电大极距偶极子的使用。A.G.Tarkov，Bull.Acad.Sci.U.S.S.R.，Geophys.Ser.，no.8，11，1957，R.N.Gupta和P.K.Bhattacharya，Geophysics v.28，608-616，1963、及由A.Dey等，Geophysics v.40，630-640，1975描述了相反极性共线表面电大极距偶极子(“各向等射天线”)的使用。然而，由Mogilatov和Balashov描述的环形电极不包含对于使垂直电场或电流密度在目标(储层)深度处最大需要的最佳电极尺寸的少得多的计算的讨论。由Tarkov、Gupta、Bhattacharya、及Dey等描述的各向等射天线方法，不包括关于使垂直电场或电流密度在目标深度处最大，对于改变源频率的影响、或使用有限长度各向等射天线(第二电极不在有限距离处)的讨论或计算。
S.K.Verma和S.P.Sharma，Geophysics v.60，381-389，1995、及H.Maurer和D.E.Boemer，Geophysics，J.Int.，v.132，458-468，1998讨论了表面电磁源阵列配置的最优化，以便最好地把能量聚焦到地下目标上。然而，Verma和Sharma把其讨论限制到地下传导层，并且在其计算中不包括各向等射天线或同心环形大极距偶极子阵列。Maurer和Boemer讨论了用来成像地下目标的表面电磁勘探的优化的更一般问题，但没有讨论各向等射天线、多重径向大极距偶极子、或同心环形大极距偶极子源。
常规地球物理电磁数据处理求出最小地球结构，即最简单的电阻率模型，该模型在试验误差界限内与测量数据一致，但没有即定信息的清晰包括。把硬限制并入到数据处理中显著改进空间分辨率和电阻率精度，这些不像在地震情形中那样，简单地与信号波长或带宽相关。钻井记录和其它数据的检查表明，在大多数情况下，主地震边界也是主电阻率边界。另外，地震、重力、及磁性数据的插值提供在钻井前的预期区域中存在的主岩性学的良好知识。把限制应用于大量(几十至几百)层和其它主地质边界(例如，缺陷)，对于烃类储层的电磁成像是新颖的。
两种以前的方法已经描述了地震约束条件的并入，以改进在低频电磁地球物理样式中的空间分辨率。尽管没有应用于烃类储层成像，但一种方法由G.M.Hoversten等的Geophysics v.63，826-840，1998a；和SEG Annual Meeting Expanded Abstracts，v.1，425-428，1998b开发，以改进在离岸墨西哥湾中的盐结构的基层的2-D自然源电磁(地球磁场)成像。当至盐项部的深度由3-D地震数据限制时并且当盐电阻率固定时，盐基层的垂直分辨率改进2至3的因数。诸如Hoversten等的自然源方法缺乏对于电阻烃类储层的直接成像要求的垂直分辨率，因为他们测量对于水平地下电流流动的地球响应，这些电流对于增大电阻率的区域是不敏感的。D.L Alumbaugh和G.A.Newman，Geophys.J.Int.，v.128，355-363，1997；和SEG Annual Meeting Expanded Abstracts，v.1，448-451，1998，以与Hoversten等对表面地球磁场数据的类似方式，已经描述了地震约束条件的使用，以改进在烃类储层中的横井电磁成像的分辨率。然而，横井方法要求透过储层的至少两个井的存在。
由表面地球物理测量估计储层流体类型、饱和、及页岩性因数以前仅使用地震数据，特别是地震间隔属性(振幅宽度、比率、相位等)，已经进行。这里，页岩性因数是净含烃区厚度(富矿)与粗储层厚的比值。在工业中众所周知，垂直分层地球的电磁响应取决于电阻率测量的方向。见，例如，M.S.Zhdanov和G.V.Keller(1994，op.cit.)。然而，没有用来测量在深处储层间隔的分离垂直和水平电阻率的现有远程(基于表面的)电磁方法。对于储层的方向性电阻率测量只限于现场法，如钻井记录。
用于在深处储藏烃类的间接电磁探测的专用技术也已经开发，但这些取决于由从储层向上的烃类的名义缓慢泄漏引起的在储层上的电气变化区(“竖井”)的探测。变化竖井对于储藏烃类的存储和关系还没有清楚地证明。电阻率的变化(增大和减小)及极化性(或感应极化)由竖井探测的专业人员声称发生在这种竖井内各种位置处。定位竖井的电磁方法由Sternberg等开发，如在其美国专利4,446,434中描述的那样，和由Tasci等开发，如在其美国专利5,563,513中描述的那样。TRANSIEL和WEGA-D/PowerProbe系统也能用来探测烃类竖井。这些方法因为在前一段中叙述的原因，具有以上所列的相同深度分辨率限制的缺点。
本发明概述
本发明是一种用于地下地质构造的储层性质的表面估计的方法。首先，使用在地下地质构造附近的地质和地球物理数据，确定地下地质构造的位置和其以上、以下及水平相邻的平均地电阻率。第二，使用位置和平均地电阻率，确定用于电磁源的尺寸和探测频率，基本上使传输垂直和水平电流在地下地质构造处最大。其次，在近似对中在地下地质构造以上的表面或其附近启动电磁源，并且借助于一个接收器阵列测量电磁响应的多个分量。其次，使用地质和地球物理数据，确定几何和电气参数约束条件。最后，使用几何和电气参数约束条件处理电磁响应，以产生转换的垂直和水平电阻率深度图像。
在一个可选择实施例中，转换电阻率深度图像可以进一步与地质和地球物理数据相结合，以估计储层流体和页岩性性质。
在另外一个可选择实施例中，使用借助于接收器阵列测量的电磁响应的多个分量，确认在地下地质构造以上、以下和与其水平相邻的平均地电阻率。
附图的简短描述
参照如下详细描述和附图可以更容易地理解本发明及其优点，其中：
图1是在用于储层电阻率的远程估计的本发明中使用的源和接收器设备布局的一个最佳实施例的立体图；
图2是在用于储层电阻率的远程估计的本发明中使用的源和接收器设备布局的一个可选择最佳实施例的立体图；
图3是对于内电极半径与电磁表皮深度的比值a/δ的各种值，作为内电极半径对深度的比值a/d的函数的轴向垂直电场复数值[Ez]的曲线图；
图4a是轴向垂直电场复数值[Ez]相对于内电极半径与深度的比值a/d的曲线图；
图4b是轴向垂直电场复数值[Ez]相对于内电极半径与电磁表皮深度的比值a/δ的曲线图；
图5a是轴向垂直电场复数值[Ez]相对于外电极半径与内电极半径的比值b/a的曲线图；
图5b是总电极电流相对于外电极半径与内电极半径的比值b/a的曲线图；
图6是立体图，表示在用于储层电阻率远程估计的本发明中使用的源和接收器设备布局的一个可选择实施例，如在例子中使用的那样；
图7表明由用在本发明的方法中的电磁功率源输出的双极方形电流波形；
图8是来自例子的表面电场响应的计算径向分量Er的实数部分；及
图9是流程图，表示用于储层性质的表面估计的本发明的方法的
实施例的处理步骤。
尽管本发明联系其最佳实施例描述，但要理解，本发明不限于此。相反，打算覆盖可以包括在由附属权利要求书定义的本发明的精神和范围内的所有可选择例、修改及等效物。
本发明的详细描述
本发明是一种由此使用由地震深度成像和其它关于地下的先验信息限制的低频电磁波、从陆地表面和海底远程映像烃类储层的平均垂直和水平构造电阻率的方法。本发明通过目标在于映像以前定位或预期储层的电阻率的数据获得和处理步骤的组合，克服电磁低垂直分辨率问题。
用在本发明中的设备布局的一个实施例表示在图1中。一般地，本发明使用在其组合中是叠加的如下四个特征：(1)一个大电流多模式优化电磁源，(2)一个多分量接收器阵列，(3)3-D波动方程数据处理，及(4)储层性质估计和映像。这四种特征将依次描述。
在本发明的该实施例中，每个包括一个或多个未绝缘导电体的两个连续接地电极4、5，分别埋在在半径a和b的同心圆中的大地或海底1的近表面处或其内。最好，电极以顶部零至三米埋入。要不然，对于离岸用途，电极可以悬在或拖在海底上面的海水中，如由L.J.Srnka在美国专利No.4,617,518中描述的那样。这种电极配置为基本上使至在大地2内在深度d处的储层目标3的传输垂直电流最大而提供。在一个可选择实施例中，包括一个或多个电绝缘导体的一个选择绝缘圆形环6，布置在与两个连续接地电极4、5同心的半径c的圆中的大地表面或海底1处，用来在储层3处感应水平电流。尽管绝缘圆形环6在图1中表示成定位在两个连续接地电极4、5之间，但绝缘圆形环6能定位在内接地电极4内或外接地电极5外。该绝缘环形源6用来增大在大地中自然背景电和磁场变化，以在储层深度处提供另外的感应水平电流。两个接地电极4、5和可选择绝缘环形源6借助于最好径向定位的连接电缆8、9连接到一个或多个变频(最好10-4-104Hz)大电流(最好102-106安培)电源和控制器7上。在多组电源和控制器7的情况下，连接电缆8、9最好绕接地电极4、5的圆周等同地定位。电源和控制器7可以布置在陆地表面或海底1处。要不然，在离岸勘探的情况下，电源和控制器7可以布置在海面处，或者在海的主体内。电源和控制器7为接地电极4、5的选择性激励和绝缘导线环6而提供，按要求修改频率以使地下响应最大。
用于给定储层深度和平均地电阻率的尺寸和探测频率、加上接地电极4、5的对应电阻抗通过数值解决未绝缘埋入低频电磁天线问题计算。最好，该问题使用R.W.P.King和G.S.Smith的Antennas inMatter，MIT Press，Cambridge，1981解决。最好，解借助于3-D频域计算机程序实现解决，其中通过使用在每个深度间隔处的2-D复数傅里叶变换解Maxwell方程求出表面电位、电流密度、及电场。用来解决问题的边界条件用来加强这样的条件：在每个频率下，离开内环4的总电流等于由外环5捕捉的总电流，并且在环4、5之间的电压差是守恒的。最好，半径a和b的值通过基本上使在同心环4、5的对称轴处(半径r＝0)的垂直和水平电场在储层中心的深度处最大而确定。图3、4a、4b、5a、及5b表示来自对于样本输入值的这种计算的结果。样本输入值响应电场和电流的绝对值，但不影响用来优化源电极的无量纲比例参数。因而，在图3、4a及4b中，曲线的形状对于外电极半径与内电极半径的相同比值b/a＝8保持相同，而曲线的绝对数值对于平均地电阻率和源激励电压的不同值变化。类似地，在图5a和5b中，曲线的形状对于深度与内电极半径比值d/a＝2/3的相同比值保持相同，而曲线的绝对数值对于平均地电阻率和源激励电压的不同值变化。这些比值和值仅为说明目的而选择，并且不应该当作本发明方法的限制。
图3给出在接地电极环4、5之间的源激励的每单位电压(1伏特)、对于比值a/δ的各种值作为a/d的函数的轴向(半径r＝0)垂直电场复数值[Ez](以毫伏/米为单位)，其中δ＝503×(ρ/f)1/2是米为单位的电磁表皮深度。这里，ρ是平均地电阻率，而f是源激励频率。
图4a和图4b是轴向垂直电场复数值[Ez]分别相对于内电极半径与深度的比值a/d、和内电极半径与电磁表皮深度的比值a/δ的曲线图。图3和4a表示当a/d≈3/2且a/δ≈2/3时使轴向[Ez]最大。因而，当d/δ≈(a/δ)/(a/d)≈9/4时使[Ez]最大。
图5a和5b表示每单位源电压轴向[Ez]和总电极电流对外电极半径与内电极半径的比值b/a的依赖性。b/a≥9的一个值使在储层处的[Ez]最大。
最好，绝缘环形源6(垂直磁偶极子)的半径c是c≤a，基于对于垂直磁偶极子源的近场区中的电磁感应发声来自B.R.Spies(1989，op.cit)的结果。
接地电极的一个可选择实施例表示在图2中。相应半径a和b的两个同心环形电极4、5由等长度L＝b-a的六个或多个线性接地电极11代替。最好，这些电极11沿其整个各长度L连续地接地到大地。要不然，电极11可以仅部分接地，即，仅在分别从半径a和b测量的某距离γ≤L/2内连续地接地，如图6中所示。最好，电极11沿由不大于60°的等角分离的半径放置，其向内半径投影在电极阵列的中心处交叉。最好，每个线性电极11在其端部(r＝a和r＝b)的每一个处连接到基本上与连接的径向电极11正交(最好90°±10°)的一个连续接地线性终端电极12上。最好，每个终端电极12的长度不大于L/10。最好，一个或多个电源和控制器7连接到靠近电极11的中点L/2在±L/10的距离内的径向线性电极11上。如果同时使用多于一个电源7，则多电源7以同步化方式操作，以把电流供给到每个电极11。最好，电源同步是这样的，从而六个或多个源电流的总相位振动不超过0.1度，并且源电流的总振幅振动不超过百分之0.1。在采用接地电极11的该可选择实施例中，也可以使用选择性绝缘圆形导线环路6，如以上描述和表示在图6中的那样。电源7以独立频率(“频域”)或可变顺序交变波(“时域”)瞬态方式操作。在两种情况下，源电流的极性都周期地颠倒(最好，10-4-104秒)，如在对于熟悉本专业的技术人员熟知的标准工业实践中那样，以便使电极极化效应最小。
电磁响应由定位在地球表面处或在海底1处的多分量接收器10的一个阵列收集，如图1和6中所示。最好，当接收器10的阵列定位在陆地上时，测量两个正交水平电场、两个正交水平磁场、及一个垂直磁场。最好，正交水平方向对于所有接收器10是相同的。最好，当接收器10的阵列定位在海底1处时，也测量一个辅助垂直电场分量。最好，接收器信号振幅和相位相对于源场，使用具有标准高灵敏度的工业适用宽带(最好10-4-104Hz)电和磁传感器、和一个由24位或更多的容量给出的接收器系统动态范围，以大于或等于0.1％的精度测量。最好，磁场传感器具有大于或等于超过用于勘探的频率范围的0.1度的相位精度。在本发明方法的最佳实施例中，当接地和非接地源7切断时，也记录在每个接收器10处的这些多分量响应，以测量对于自然背景电和磁波动的地球电磁响应，并且也测量电磁噪声环境。
最好，在具有接收器空隙间隔x和y≤0.5d的栅格上方的每个接收器地点处，测量电磁响应，其中d是从陆地表面或海底1至储层3的垂直距离(深度)，如图1、2、和6中所示。x和y间隔可以不同。要不然，也可以使用线性接收器阵列(接收器10的一个或多个平行线)。线性阵列也可以以割幅几何形状布置，在这种情况下，在横线方向上可以求和接收器数据。最好，接收器10如以上描述的那样，以栅格图案定位在从源阵列的中心到径向距离r＝b的整个面积上。表示在图1和6中的少数几个接收器10表明接收器间的空隙尺寸而没有表示最佳覆盖范围，并因而不应该当作本发明的限制。这种定位使对于储层3和在靠近储层3的地球2内的其它电气结构的数据灵敏度最大，并且为一个给定电或磁偶极子源矩M提供透过的最大深度(“近场”响应)。
测量源电极11、和在阵列中的接收器10在地球表面或海底1处的空间位置和取向。最好，使用在工业中和对于熟悉本技术的专业人员熟知的短程线法标准完成定位和取向。这些短程线法可以包括微分和运动学GPS(全球定位卫星)、和在离岸用途中的声学换能器。最好，最大允许位置不确定性在垂直和两个水平方向上是±0.001d。最好，最大允许取向不确定性在垂直和在两个水平取向上是±0.10度。
最好，使用全波方程方法处理多分量电磁接收器数据。这种3-D处理包括，但不限于，数据噪声抑制、源消卷积、及模型引导转换。使用频域和时域方法，这依赖于用于数据获得的方法。要不然，可以使用电磁波方程迁移，如由M.Zhdanov等的Exploration Geophysics，v26，186-194，1995；M.Zhdanov和O.Portniaguine，Geophys.J.Int.，v131，293-309，1997；及M.Zhdanov等的SEG Annual MeetingExpanded Abstracts，v.1，461-468，1998描述的。
最好，标准电磁工业数据处理技术，如由M.N.Nabighian(1988，op.cit)；K.-M.Strack(1992，op.cit)；G.Buselli和M.Cameron，Geophysics，v.61，1633-1646，1996；及G.D.Egbert Geophys.J.int.，v.130，475-496，1997描述的那些，用于自然背景和人产生电磁噪声的抑制。最好，来自多接收器多分量响应和来自多源重复的数据冗余，与局部噪声测量和信号互相关技术相结合，用在这些标准方法内以实现噪声抑制。最好，这种技术用于数据，以便对于用在多分量数据转换内的每个电磁分量产生大于或等于1的信噪比和大于或等于1.0％的信号精度。
电磁源特征(源产生噪声)由接地电极(在图1中的4和5、在图2中的11和12)自动抑制，如由Mogilatov和Balashov(1996，op.cit)描述的那样。通过使用熟悉本技术的专业人员熟知的、如在M.Zhdanov和G.Keller，(1994，op.cit.)或K.M.Strack(1992，op.cit.)描述的标准工业技术对背景地球响应正交化接收器数据，完成源影响的另外抑制(消卷积)。要不然，这种抑制可以通过使用对于分层地球的视在电阻率函数正交化(相互对照)数据而完成，如在T.G.Caldwell和H.M.Bibby，Geophys.J.Int.，v.135，817-834，1998中描述的那样。
最好，通过包括几何和电气参数约束条件的迭代3-D模型引导非线性电磁转换方法的应用，把来自接收器10的阵列的数据，从时域或频域电磁响应转换(“变换”)成地球的3-D电阻率深度图像，如下面将描述的那样。可以使用有限差分和有限元3D模型。在本发明中使用的变换方法包括标准技术，如准线性正侧化方法，如在M.S.Zhdanov和S.Fang，Radio Sci.，v.31，741-754，1993描述的；和完全非线性共轭梯度或高斯-牛顿方法，如在G.A.Newman和D.L.Alumbaugh，Report SAND96-0582，Sandia National Laboratories，1996、和Geophys.J.Int.，v.128，345-354，1997；Alumbaugh和Newman op.cit.，1997和SEG Annual Meeting Expanded Abstracts，v.1，456-459，1998中描述。最好，在陆地表面的表面处或其内和在海底1处、其上方、或其内施加的所有源电流的位置和强度，借助于熟悉本专业的技术人员熟知的格林函数或其它标准数学技术，清楚地包括在转换中。最好，对于使用接地电极源(在图1中的4和5、在图2中的11和12)收集的接收器数据和对于当其它源切断时使用绝缘环路源6和地球的自然背景大地电磁源收集的接收器数据，进行分离转换。最好，也进行使用接地源(在图1中的4和5、在图2中的11和12)、绝缘源6、及大地电磁源收集的接收器数据的联合转换。
最好，由表面，如在密集2-D中或在3-D深度转换叠加地震反射数据中解释的地平线或缺陷，得到几何约束条件的空间位置。最好，标准工业地震解释包，如Geoquest IESX、Paradigm GeoDepth、或Jason Workbench，用来产生解释的地震表面，以把地震深度数据系到钻井记录、重力、磁性、及其它地球科学数据上，并且把这些深度表面传递到3-D电磁转换开始模型。对于初始电磁深度模型对于由解释地震表面约束的地质单元的电阻率值，由熟悉本技术的专业人员熟知的多种标准工业方法的任一种产生。这些方法包括对测井记录的束缚；从区域数据基础的外推；使用地震间隔、井声速、或声学阻抗的经验电阻率变换的应用；及从收集的电磁接收器数据导出的初始分层地球(1-D)电阻率变换。最好，约束条件在转换期间使用标准工业技术加强，如在M.A.Meju，Geophysical Data Analysis：UnderstandingInverse Problems and Theory，Society of Exploration Geophysicists，1994中描述。这些标准技术包括Tikhanov规则化、Bayesian方法、锐边界逼近(G.Hoversten等，1998，op.cit.)、等效整体电导和电阻方法、及最小梯度支持技术(O.Portriaguine和M.Zhdanov，1998，op.cit.)。
在本发明的一个可选择例中，转换电阻率深度立方体的解释(“转换”)包括3-D电阻率深度值与解释3-D地震特征的比较和从地震数据导出的所有映像属性(预重叠和后重叠)。最好，比较由接地电极源和从绝缘环路源和大地电磁源产生的分离和数学联合电磁转换，并且彼此和与地震反射特征和地震属性相结合，以估计流体类型、烃类孔隙体积、饱和、及在其映像范围上的储层内的页岩性因数(净富矿对粗储层厚度比率)。储层可以用地震方法由映像地震属性的地层或结构壳或极限的组合定义。
估计流体类型、烃类孔隙体积、饱和及页岩性因数的本发明该可选择实施例的最佳方法如下。在储层深度处由使用接地电极源收集的电磁接收器数据产生的电阻率转换，用来测量在储层3内的垂直平均电阻率ρvert。在储层深度处由使用绝缘源或大地电磁源收集的电磁接收器数据产生的电阻率转换，用来测量在储层内的水平平均电阻率ρhoriz。储层的一个相模型从地震解释、地质概念、及适用的相图数据(如钻进记录和数据库)导出。这种相模型与ρvert和ρhoriz转换测量相结合，以估计可透过床电阻率ρss、除以总储层间隔厚度的求和可透过床厚度ntg(“净与粗的比”)、及不可透过床电阻率ρsh的乘积和比值。对于一个储层相模型，包括对于可透过床的均匀值ρss、和对于不可透过床的一个不同而均匀的值ρsh，然后，如在工业中已知的那样。
            ρvert＝ρss×ntg+ρsh×(1-ntg)
(1)
            1/ρhoriz＝(1/ρss)×ntg+(1/ρsh)×(1-ntg)
(2)
公式(1)和(2)包含三个未知平均储层参数：ρss、ρsh、及ntg。独立从相图模型或适用相图数据导出的在储层间隔内的ρsh的估计，其次用来导出和映像在储层空间范围上的两个剩余未知值ρss和ntg。储层流体类型、烃类孔隙体积或水饱和然后从在地震定义储层面积内的映像ρss值导出。包括Monte Carlo转换的统计方法也可以用来从ρvert和ρhoriz转换测量导出烃类空隙体积、净与粗比、水饱和、及其它参数。导出使用与用于在孔隙空间中包含流体的多孔岩石的电阻率的Archie公式相结合的岩石性质分布的相模型，相对于在储层外的相同地质单元内的ρss值。
上述的本发明设计成提供在地下垂直电磁分辨率方法优于电流技术的一个数量级的改进。
图9是流程图，表明用于地下地质构造的储层性质的表面估计的本发明方法的一个最佳实施例，如刚描述的那样。首先，在步骤900，使用在地下地质构造附近的地质和地球物理数据，确定地下地质构造的位置。其次，在步骤902，使用在地下地质构造附近的地质和地球物理数据，确定地下地质构造上方、下面、及与其水平相邻的平均地电阻率。其次，在步骤904，使用位置和平均地电阻率，确定用于大电流多模式电磁源的尺寸，以便基本上使传输垂直和水平电流在地下地质构造处最大。最好，尺寸通过数值解未绝缘埋入低频电磁天线问题而计算，如以前描述的那样。其次，在步骤906，使用位置和平均地电阻率，确定用于大电流多模型电磁源的探测频率，以便基本上使传输垂直和水平电流在地下地质构造处最大。同样，探测频率最好通过数值解未绝缘埋入低频电磁天线问题而计算，如以前描述的那样。要不然，地下地质构造的电磁响应的迭代3-D模型计算可以用来确认在步骤904和906中的大电流多模型电磁源的尺寸和探测频率。其次，在步骤908，在近似对中在地下地质构造的上方的表面处或在其附近，致动电磁源。其次，在步骤910，借助于一个接收器阵列测量电磁响应的多个分量。最好，当接收器10的阵列定位在陆地上时，测量两个正交水平电场、两个正交水平磁场、及一个垂直磁场。要不然，当离岸定位接收器10的阵列时，测量一个另外的垂直电场。其次，在步骤912，使用地质和地球物理数据，确定几何和电气参数约束条件。其次在步骤914，使用几何和电气参数约束条件处理电磁响应以产生转换垂直和水平电阻率深度图像。最好，使用全3-D波动方程方法处理电磁响应的分量，如以前描述的那样。电磁响应的1-D转换用来确认在地下地质构造的上方、下面、及水平相邻的平均地电阻率，如在步骤902中确定的那样。最后在步骤916，把转换电阻率深度图像与地质和地球物理数据相组合，以估计储层性质。转换最佳方法的细节以后结合如下例子描述。
如下例子表明本发明对于岸上(陆地)烃类储层电阻率映像的应用。在勘探区域中的3-D地震数据获得、解释及转换到深度域之后，辨别预期储层(深度d和范围l)。在0.10×d的间隔上平均的、从地球表面至三倍储层深度(3×d)和五倍储层范围(5×l)、用于勘探区域的地电阻率的知识，使用存在的电磁勘探数据和钻井记录收集，或者使用地质盆地模拟估计。接地电极的直径使用储层深度和垂直平均分层地电阻率作为输入，如上述那样通过数值解未绝缘埋入低频电磁天线问题、或者通过迭代3-D模型而计算。选择绝缘环路电极的直径使用在已有技术中已知的标准方法确定。
图6表示对于在d＝1000米深度至储层顶部、具有平均侧向范围(半径)l/2＝1250米处地震识别的目标储层3的陆地源和接收器配置。八(8)个部分接地径向电极11和连接终端电极12，也如在图2中描述的那样，在联系绝缘环路源6的径向阵列中采用。接地电极阵列几何中心(其8条径向线的交叉点)和绝缘环路的中心定位在储层目标中心垂直上方的地球1的表面处。接地电极对称地绕源阵列的圆周定位，每个分离如从源阵列的中心测量的离相邻电极45±1度的角度。源尺寸是a＝1500米、b＝6000米、γ＝90米、及c＝1000米。使用数值解未绝缘埋入低频电磁天线问题的上述方法，由来自长度L的连续接地偶极子天线的垂直电流泄漏的计算确定值γ。这表示，大部分电流把接地导线离开在天线每端处距离≤L/5内的接地导线。接地终端电极12每个具有30米的长度。接地阵列和绝缘环路在勘探期间不运动。要不然，如果限制电源/控制器7的数量，或者如果勘探逻辑学或地域困难同时利用八个径向接地电极位置不实际或太昂贵，则按一个或多个位置组、按任何序列顺序依次占据八个径向部分接地电极位置。
一个最佳过程是基本上得到最优参数值，以便基本上使电场在储层深度处最大。然而，作为一个可选择过程，次优纵横比b/a能用来减小电极成本、安装努力、及勘探允许。例如，能使用纵横比b/a＝4。对于b/a的该值的使用导致垂直电场在储层目标处的24.5％减小，如在图5a中表示的那样；和在接收器阵列10的表面处所测量的储层对接地电极激励的电磁响应的对应减小。
假定地球垂直平均电阻率值ρe＝10欧姆-米。然后从d/δ＝9/4和d＝2250米、或f＝0.050Hz导出接地电极阵列的中心操作频率。接地电极源的输出带宽是0.005≤f≤5.0Hz。使用B.R.Spies(1998，op.cit.)的分析，绝缘环路源的中心操作频率由d/δ＝1、或f＝0.253Hz设置。绝缘环路源的输出带宽是0.025≤f≤25Hz。
九个电源/控制器7放置在地球1的表面处。每个源/控制器通过连接到一个公用电力网上供电，如果适用，或者由在现场勘探区域中的一个或多个发电机供电。每个源/控制器名义额定在300kVA下，具有120VAC和2500A(rms)的输出。一个源/控制器位于在沿绝缘环路源6的圆周的任何位置处，并且由在地球表面处的一根同轴大功率电缆9连接到绝缘环路源上。剩余八个电源/控制器7放置在部分接地电极的中点的L/10的距离内，如图2中所示。这八个电源/控制器借助于同轴或单导体大功率电缆8连接到接地电极上。卫星全球定位系统(GPS)信号用来监视和同步所有源的相位。要不然，如果限制电源/控制器7的数量，或者如果勘探逻辑学或地域困难同时利用八个径向接地电极位置不实际或太昂贵，则一个或多个电源/控制器可以用来以任何顺序分别激励八个部分接地和绝缘环路源。
部分接地电极11和终端电极12每个包括三个未绝缘尺寸4/0多股铜导线。包括每个部分接地电极元件11的接地部分的接地导线，借助于人工挖掘或标准机械电缆铺设设备平行地埋入在地球表面顶部1.0米内。径向部分接地电极11的每一个的未接地部分包括连接到包括接地部分的未绝缘埋入电极导线上的三个未绝缘尺寸4/0多股铜导线。每个径向电极的未接地部分位于地球的表面上。接地径向电极和终端电极的电气接触借助于地球通过定期用水湿润埋入电极区域保持，如根据局部大地湿度条件所要求的那样。环路源6包括一个单导体多股绝缘尺寸4/0铜导线。大功率连接电缆8和9根据美国NEMA(全国电气制造协会)代码和标准电气额定，以便传输分别输送到接地电极11、12和绝缘环路6的电流。
电磁接收器10，如Electromagnetic Instruments，Inc.(EMI)型号MT-24/NSTM或等效物，定位在地球1的表面上在离阵列中心的径向距离r＝(x2+y2)1/2＝5000米内，但不在任何接地电极11、12或绝缘环路6的25米内，以便使源产生的噪声和接收器信号的饱和最小。接收器定位在图6中所示的均匀栅格上，具有x＝y＝100米的侧向空隙，在离阵列中心2000米的半径内，并且在具有x＝y＝300米的侧向空隙离阵列中心从2500米半径至5000米半径的均匀栅格上。每个五通道接收器测量水平电场的两个分量(x和y方向)、水平磁场的两个分量(x和y方向)、及垂直磁场的一个分量(z方向)。接收器由包括反馈稳定的标准工业方法修改，从而磁场感应传感器(EMI型BF-4TM或等效物)的相位精度在勘探的全频率范围中(0.005≤f≤25Hz)大于或等于0.10度。
五个分量接收器同时采用在勘探区域的大组(16或更多)中，采用尽可能多的接收器组并且对于勘探的局部条件实用(例如地域困难、逻辑支持)。对于每个接收器组由一个中央处理单元(EMI型FAM/CSUTM或等效物)收集。差分GPS测地方法用来把所有接收器的位置(x，y，z)测量到0.1米的精度内。GPS信号也用于所有接收器数据的相位同步(计时)。
接收器数据以三种方式收集。首先，接收器数据收集为时间记录使所有源7断开，以记录零激励电流。这些数据在足以记录在频率范围0.0025≤f≤25Hz上具有小于或等于5％的三σ误差的粗重叠大地电磁数据的时间长度上收集。典型地，该数据的收集将花1-10天，取决于局部条件和接收器采用的逻辑学。该第一组接收器数据是大地电磁数据。第二，使用来自其附加电源/控制器7的标准电磁工业双极方波电流激励绝缘环路源，如图7中所示。在本发明方法的该最佳实施例中，电流脉冲通时间T1等于电流波形断时间T2，即T1＝T2，但这不是该方法的限制。其它源电流波形也可以用于绝缘环路源电流，包括熟悉本技术的专业人员熟知的正弦波形组合和伪随机序列，条件是绝缘环路源频率范围是所述的。在图7中的电流波形断时间T2期间使用要求的时域测量收集接收器响应。图7中的电流脉冲通时间T1的持续(并因此也有断时间T2)设置在三个值，0.01、1.0、和10.0秒。在每个通时间值下进行环路源电流的足够重复(典型地50至1000)，从而粗重叠数据时间序列数据在频率范围0.025≤f≤25Hz上具有小于或等于1％的三σ误差。该第二组接收器数据是垂直磁性偶极子数据。第三，切断绝缘环源(零电流)，并且同相地同时激励八个部分接地电极11、12。要不然，如果限制电源/控制器的数量，则以任何顺序在一个或多个组中分别激励部分接地电极。八个电源/控制器7的每一个产生一种标准电磁工业双极方波电流脉冲，如图7中所示，使图7中的电流脉冲通时间T1的持续时间(并因此T2)设置在三个值下，0.05、5.0、和50.0秒。其它源电流波形也可以用于接地源电流，包括熟悉本技术的专业人员熟知的正弦波形组合和伪随机序列，条件是接地电极源频率范围是所述的。在每个通时间值下进行接地电极源电流的足够重复(典型地50至1000)，从而粗重叠数据时间序列数据在频率范围0.005≤f≤25Hz上具有小于或等于1％的三σ误差。该第三组接收器数据是接地径向电极数据。
三组接收器数据以如下方式处理。在使用上述标准工业方法的噪声抑制之后，使用标准工业2-D傅里叶和Radon变换技术，把第二组垂直磁性偶极子数据和第三组接地径向电极测量转换到复数频率-波数域。对于数据的每个电磁张量分量，把第一组大地电磁数据和第二组垂直磁性偶极子数据一起并入频率-波数域中。转换合并大地电磁和垂直磁性偶极子数据组，并且分别转换接地径向电极数据组。然后联合转换合并大地电磁和垂直磁性偶极子数据及接地径向电极数据，如在D.Jupp和K.Vozoff，Geophys.Prospecting，v.25，460-470，1977中讨论的那样。也分别转换大地电磁数据、垂直磁性偶极子数据、及接地径向电极数据。所有数据转换使用G..A.Newman和D.L.Alumbaugh(1996，1997，op.cit.)的3-D频域有限差分全非线性方法，修改成供接地径向电极和绝缘环路源电流阵列的几何形状之用。使用锐边界方法(G.Hoversten等，1998，op.cit.)和在包含储层目标的非线性转换3-D网格的更新区域内的整体电阻电导约束，与最小梯度支持技术(O.Portniaguine和M.Zhdanov，1998，op.cit)相结合，在转换期间加强深度和参数值约束条件。非线性转换更新区域集中在目标储层上，并且在储层上方和下面延伸100米而从每个储层边缘横向延伸200米。
用于大地电磁和垂直磁性偶极子数据及接地径向电极数据转换的开始模型是一个解释地震深度模型，其中机械性质(主要是间隔声学阻抗)用电阻率估计代替。电阻率估计可以来自如上所述的电磁勘探数据、钻井记录、与地震参数的经验关系、或地质盆地模拟。转换借助于大规模并行处理器(MPP)型的数字电子计算机、或可选择地使用模仿MPP计算机的电子数字计算机网络进行。在完成分离的大地电磁、垂直磁性偶极子、及接地径向电极数据转换之后，联合转换大地电磁-垂直磁性偶极子和接地径向电极数据。比较转换电阻率的五个相应3-D深度方块(大地电磁、垂直磁性偶极子、接地径向电极、合并大地电磁-垂直磁性偶极子、及合并大地电磁-垂直磁性偶极子-接地径向电极)，并且其电阻率值的比使用3D目测方法形成在每个深度位置处。最后，对于储层间隔使用上述方法导出ρss、ρh、及ntg的值，并且映像。这些映像值联系3-D地震数据和其属性解释。
图8表示由于通过接地电极阵列的激励来自上述示范目标储层的表面电场响应的计算径向分量Er＝(Ex 2+Ey 2)1/2的复数数值。示范储层假定具有20米的垂直厚度和100欧姆米的垂直平均电阻率。电磁响应使用在the University of Utah’s Consortium for ElectromagneticModeling and Inversion开发的SYSEM 3-D积分方程计算机代码计算。该电场分量响应正侧化成均匀地球(半空间)响应，并且表示在图8上，作为沿x＝0(或y＝0)轴的、离开阵列中心的径向距离和源频率的函数。正侧化Er响应的大部分包含在r≤1300米内，并且在r＝0处和在最低勘探频率(f＝0.005Hz)下具有近似33％的最大值。在r＝1500米处的较大正侧化Er值是内部径向电极的局部影响。
由本发明提供好处包括至少如下两个。第一好处在于烃类勘探、开发、及生产活动的成本和循环时间减少，包括减小勘探钻井风险、改进发现未开发储层描绘和估计、及改进储层监视和消耗。第二个好处在于，通过提供唯一、专有储层性质估计技术改进新勘探投机和现场商业化的生意捕获。
应该理解，本发明不是不适当地限于为说明目的已经叙述的上文。各种修改和选择例对于熟悉本专业的技术人员是显然的，而不脱离如在如下权利要求书中定义的本发明的真正范围。

Claims (21)

1.一种用于地下地质构造的储层性质的表面估计的方法，包括步骤：
使用在地下地质构造附近的地质和地球物理数据，确定地下地质构造的位置和其以上、以下及水平相邻的平均地电阻率；
使用位置和平均地电阻率，确定用于电磁源的尺寸和探测频率，基本上使传输垂直和水平电流在地下地质构造处最大；
在近似对中在地下地质构造上方的表面处或其附近启动电磁源；
借助于一个接收器阵列测量电磁响应的多个分量；
使用地质和地球物理数据，确定几何和电气参数约束条件；及
使用几何和电气参数约束条件处理电磁响应，以产生转换的垂直和水平电阻率深度图像。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：
把转换电阻率深度图像与地质和地球物理数据相结合，以估计储层性质。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定尺寸和探测频率的步骤通过对在地下地质构造处的垂直电流数值求解未绝缘埋入低频电磁天线问题完成。
4.根据权利要求2所述的方法，其中电磁源包括：
两个连续接地圆形电极，以同心圆定位在近表面处或其内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中每个圆形电极包括一个或多个电气未绝缘导体。
6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
一个第三圆形电极，定位在近表面处或其内并且与两个圆形电极同心。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第三圆形电极包括一个或多个电气绝缘导体。
8.根据权利要求2所述的方法，其中电磁源包括：
等长度的六个或多个接地线性径向电极，沿以等角度分离的半径放置，其径向投影在一个公共中心点处交叉；和
连续接地线性终端电极，垂直地连接在接地电极的每一端处。
9.根据权利要求8所述的方法，其中终端电极的长度小于或等于径向电极长度的十分之一。
10.根据权利要求8所述的方法，其中径向电极沿其整个长度连续接地。
11.根据权利要求8所述的方法，其中径向电极仅在离每端小于径向电极长度一半的距离内连续接地。
12.根据权利要求2所述的方法，其中地下地质构造位于岸上，并且其中电磁响应的多个分量包括：
两个正交水平电场；
两个正交水平磁场；及
一个垂直磁场。
13.根据权利要求2所述的方法，其中地下地质构造位于离岸，并且其中电磁响应的多个分量包括：
两个正交水平电场；
两个正交水平磁场；
一个垂直磁场；及
一个垂直电场。
14.根据权利要求2所述的方法，其中接收器阵列定位在一个栅格上。
15.根据权利要求2所述的方法，其中接收器阵列定位成一个线性阵列。
16.根据权利要求2所述的方法，其中接收器阵列定位成一个割幅阵列。
17.根据权利要求1所述的方法，其中处理电磁响应的步骤进一步包括步骤：
使用用接收器阵列测量的电磁响应的多个分量，确认地下地质构造的上方、下面与其水平相邻的平均地电阻率。
18.根据权利要求2所述的方法，其中处理电磁响应的步骤进一步包括步骤：
把3-D波动方程数据处理应用于电磁响应。
19.根据权利要求2所述的方法，其中数据处理包括数据噪声抑制、源消卷积、及模型引导转换。
20.根据权利要求7所述的方法，其中启动电磁源和测量电磁响应的步骤进一步包括步骤：
测量一个第一电磁响应，而不启动电磁源；
测量一个第二电磁响应，同时仅启动第三圆形绝缘电极；及
测量一个第三电磁响应，同时仅启动接地未绝缘电极。
21.根据权利要求20所述的方法，其中应用数据处理的步骤进一步包括步骤：
合并第一和第二电磁响应，以产生一个第四电磁响应；
转换第一电磁响应；
转换第二电磁响应；
转换第三电磁响应；
转换第四电磁响应；及
联合转换第三和第四电磁响应。
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