CN117436301A - 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法 - Google Patents

基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117436301A
CN117436301A CN202311225131.5A CN202311225131A CN117436301A CN 117436301 A CN117436301 A CN 117436301A CN 202311225131 A CN202311225131 A CN 202311225131A CN 117436301 A CN117436301 A CN 117436301A
Authority
CN
China
Prior art keywords
time
finite element
response
excitation effect
simulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311225131.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117436301B (zh
Inventor
曹晓月
代博帅
严良俊
谢兴兵
毛玉蓉
周磊
黄鑫
陈章倩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yangtze University
Original Assignee
Yangtze University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yangtze University filed Critical Yangtze University
Priority to CN202311225131.5A priority Critical patent/CN117436301B/zh
Publication of CN117436301A publication Critical patent/CN117436301A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117436301B publication Critical patent/CN117436301B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/18—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
    • G01V3/26—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with magnetic or electric fields produced or modified either by the surrounding earth formation or by the detecting device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/38—Processing data, e.g. for analysis, for interpretation, for correction
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明属于油气开采技术领域，公开了一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，该方法包括构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；分析每个驱替时移阶段的响应特征。本发明能更加灵活的剖分区域，用更少的内存和更快的计算速度去实时模拟不同驱替段的时移过程。本发明通过视电阻率差值曲线和等值线图来实时的观察压裂大小和位置信息，分析出不同的油气压裂程度，指导油气开采方向，能有效降低油气开采率的成本。

Description

基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，尤其涉及一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法。
背景技术
提高剩余油气和矿产资源的开采率成为我们重点发展的方向之一。剩余油田开采难度大，其中的一个主要原因是对地下储层与流体的电性结构认识不足(刘文岭等，2022)。不能对高含水富极化的油藏储层形态和位置进行有效识别，导致油气开发的成本提高。
为适应探测深、富激电的油气地质环境，检测和提高油气采收率。探测深度大、效率高和经济成本低的大地电磁(Magnetotelluric，MT)法成为满足非常规油气田探查的首选。传统的MT利用天然场源对地下产生的电磁感应去勘探地下电性异常，国内外许多学者的研究事实证明了MT可以分辨地下电性构造异常，从而定性判断油气的位置(Wirianto等,2010；谢兴兵等，2016；严良俊等，2018)。但是传统的大地电磁测深法是不考虑激电效应影响的，即在低频大地电磁波探测地下介质时，认为得到的是实数视电阻率。但是许多资料显示，真实的地下构造中不仅会有电磁感应现象发生，还存在岩、矿石及其水溶液在电流作用下发生的复杂电化学过程，即激发极化效应(Induced Polarization，IP)，简称激电。此时的地下介质的电阻率是一个复电阻率(Tong等,2020)，考虑激电效应的大地电磁响应更加接近真实的地下介质情况，忽略激电效应，会导致用电法勘探地下介质时出现解释错误。其中目前采用最多的激电模型是1978年Pelton提出的Cole-Cole复电阻率模型，用极化率m，时间常数τ，频率相关系数c来表征复电阻率(Pelton,1978)。通过改变极化率、时间常数和频率相关系数的参数去表征研究区域的激电效应强弱，以此来研究激电参数改变对研究区域响应特征的影响，为油气开采提供数据支持。
为满足实时监测富极化油气开采的需要，传统的一维大地电磁算法虽然在数据处理方面有速度快的优势，但是不能满足复杂极化地形和精细化反演要求。研究激电参数变化对富激电效应的地质问题意义深远，对了解和研究含激电油藏储层的地下电性结构有帮助作用。监测并数值模拟驱替油藏层的时移变化过程，有助于油气开采施工和驱替方向的把握。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术不能对高含水富极化的油藏储层形态和位置进行有效识别，不能满足复杂极化地形和精细化反演要求，导致油气开发的成本提高。
传统的理论多基于低频大地电磁波对地下介质的电磁感应原理，但实际上，低频大地电磁波在地下传播中，会同时存在电磁感应和激电效应的双重影响，在岩、矿石及其水溶液地区的激电效应现象尤其明显，忽略激电效应导致对地下电性构造分布解释错误。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法。
本发明是这样实现的，基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的具体步骤包括：
步骤一，构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
步骤二，分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；
步骤三，采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；
步骤四，采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；
步骤五，分析每个驱替时移阶段的响应特征。
进一步，所述步骤一通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，采用非结构化网格剖分区域。
进一步，所述步骤二设置模型参数，并将驱替过程分为四个压裂阶段。
进一步，所述步骤四基于控制方程的非结构有限元法为：
(1)控制方程
针对三维MT正演，假设时谐因子为e-iωt,并忽略位移电流，则电场满足的矢量亥姆霍兹方程为：
式中：E为电场强度；ω为角频率；μ为磁导率；
其中，代表包含激电的复数电导率，本发明采用Cole-Cole模型定义复电阻率/>
其中，ρ为真电阻率；ρ0为零频电阻率；m为极化率；τ为时间常数；c为频率相关系数；
(2)非结构有限元法
方程式(1)利用伽辽金法获得有限元法弱形式为：
其中，Ω为离散区域，Φ为非结构四面体矢量基函数；
采用四面体网格和对应的矢量基函数进行离散，将离散区域Ω剖分为有限个不重叠的四面体单元；
将有限维函数代入上式(3)可得：
其中Eh为有限元法的近似解，Ei为单元棱边上的电场值，M为计算域Ω内棱边的个数；
再强加狄利克雷边界条件后，可获得大型复线性方程组：
KE＝Sb (5)
其中，K为有限元单位总体矩阵，Sb为与边界条件相关的右端项。
进一步，所述步骤三时移大地电磁响应函数为
通过求解方程组(5)，可以得到任意单元棱边上的电场值，则区域内的任意电场值可通过上述有限维函数插值得到；对应磁场H通过法拉第定理获得：
MT的响应函数视电阻率、相位及其对应的时移响应可通过以下方程获得：
其中，i和j分别为x和y方向，Zij为阻抗，()t0和()t1分别为原始阶段和t1阶段；
式(7)的阻抗分量可以通过求解两个极化方向的电磁场得到：
其中，1和2表示不同的极化方向。
进一步，所述步骤五通过视电阻率差值曲线和等值线图，实时观察压裂大小和位置信息来分析每个驱替时移阶段的响应特征。
进一步，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演系统，该系统包括：
区域构造模块，用于构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
模型分析和建立模块，用于分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；
模型动态监测模拟模块，用于采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；
视电阻率响应计算模块，用于采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；
响应特征分析模块，用于分析每个驱替时移阶段的响应特征。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，本发明提出一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演算法去探查地下复杂地形。通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，建立对应的数学模型，相比其他规则化网格剖分，用非结构有限元能更加灵活的去剖分研究区域，用更少的内存和更快的计算速度去实时模拟不同驱替段的时移过程。分析不同时移阶段的响应特征，通过视电阻率差值曲线和等值线图来实时的观察压裂大小和位置信息，分析出不同的油气压裂程度，指导油气开采方向，能有效降低油气开采率的成本。
第二，本发明采用非结构化网格去剖分研究区域，能更加灵活的构造地形和地下异常体的形状，同时用非结构有限元法可以节约内存，提高计算速率。
本发明分析激电效应各参数的影响，有助于分析非常规油藏层在不同的激电参数下的特征响应，为富激化油气地区开采提供参考价值。
本发明了考虑激电效应和电磁感应的双重影响；本发明编写考虑激电效应和电磁感应的非结构有限元三维时移算法，相比一、二维算法，能更加满足复杂极化地形和精细化反演要求。
本发明可以通过分析不同激电参数的响应特征和驱替前后的视电阻率差值，来获取异常体的位置和大小信息。对含激电效应的地质环境进行数学建模，得到地下的三维电性构造信息。从而判断油气驱替的方向性和的位置信息，指导油气开采，监测油气的实时变化方向。
第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：驱替液注入地下开采后，传统的开采不能实时把握驱替区的位置和方向，观测驱替液在油藏储层的分布，如果注入压力过大导致岩石破裂，会使油气开采方向偏移计划的驱替方向，严重时会导致土地和水污染。本专利采用天然场源的大地电磁法，相比地震法监测驱替液的强激电效应分布区域，因采用激电地区特有的电物性差异天然优势。能有效观察到压裂液在油藏层的分布，同时电法勘探设备成本更低，人工效率更高，实时监测富激电效应的油气储藏层，可以更加精确的指导开采方向，避免水土资源污染，精确传统开采打井，钻井数量，减少数千万元的人力物力消耗和开发成本，提高油气采收效率和精确度，有广阔的市场需求与应用。
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明填补了油气勘探领域，富激电效应的地区实时监测油气开采方向和位置的正演技术空白，填补三维非结构有限元法考虑激电效应的理论和案例分析空白，填补模拟富激电效应的油气开采过程的监测空白，也为实时反演地下电性结构做铺垫。
第四，本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
1、解决实时准确的判断富激化地区油藏储层开采的走向和位置的技术难题。
2、三维非结构有限元法考虑激电效应正演的理论难题、计算速度难题和复杂地下解释难题。
本发明的技术方案是否克服了技术偏见：传统结构化网格的三维地下介质剖分需要大量时间计算的难题。考虑激电后复杂的地下结构解释。
第五，在这种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法中，每个步骤都取得了显著的技术进步：
步骤一：构造受影响区域
传统的地电磁模型通常忽略流体动力学和电磁场之间的相互作用，特别是激电效应。这个步骤通过综合地质、地物理和流体动力学数据，构建了一个能够同时考虑电磁感应和激电效应的模型。这大大提高了模型的准确性和适用范围。
步骤二：建立模型
通过集成多源数据(地震、电磁、岩心分析等)，这个三维模型不仅包括了电磁特性，还模拟了油气驱替的动态过程。这为后续的动态监测和分析提供了更全面的基础。
步骤三：动态模拟
这一步使用了考虑激电效应的三维时移大地电磁法。这一进步使得模型能够捕捉到由于油气驱替而引起的微小但重要的电磁场变化，这在传统方法中是难以实现的。
步骤四：视电阻率计算
使用非结构有限元法进行数值模拟，能更精确地处理复杂的地质结构和界面，与传统的有限元或有限差分方法相比，这大大提高了视电阻率估计的准确性。
步骤五：响应特征分析
这一步对每个时移阶段的电磁响应进行细致分析，与单一的静态分析相比，这能更准确地反映油气储量和流动性的变化，从而有助于更精确的油气储量估计和生产优化。
综合这些步骤，该方法不仅提供了一个全面和准确的方式来进行油气勘探和生产的电磁监测，还通过引入激电效应和非结构有限元法等先进技术，大大提高了模型和结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法流程图。
图2是本发明实施例提供的四面体单元节点和棱边示意图。
图3是本发明实施例提供的涪陵页岩气田区焦页30井模型剖面图。
图4是本发明实施例提供的压裂阶段时移视电阻率响应曲线图，(a)
曲线图，b)/>曲线图。
图5是本发明实施例提供的压裂阶段等值线图，(a)压裂25％(b)压裂50％，(c)压裂75％，(d)压裂100％。
图6是本发明实施例提供的压裂阶段等值线图，(a)压裂25％，(b)压裂50％，(c)压裂75％，(d)压裂100％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法。
如图1所示，本发明实施例提供的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的具体步骤包括：
S101，构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
S102，分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；在步骤二中，建立全面的三维模型包括多个关键环节。具体实现方法如下：
数据集成
1)数据融合:利用数据融合技术整合地震、电磁、岩心分析等多个数据源的信息。
2)质量控制:对整合后的数据进行质量检查和标准化。
静态模型构建
1)地层参数化:基于地震数据和岩心分析，参数化地下地层的电磁性质。
2)初始状态建模:根据已有的油气分布和储层参数(如渗透性、孔隙度等)建立初始三维电磁模型。
动态模型构建
1)流体模拟:利用流体动力学模拟技术，模拟油气在储层中的流动和驱替过程。
2)时间序列数据生成:在每个模拟时间步长中，计算储层的电磁性质变化。
模型整合
1)激电效应引入:在模型中加入激电效应的数学表示，通过修正电导率和介电常数来实现。
2)模型验证:使用现场或实验室数据对模型进行验证，确保准确性和可靠性。
通过以上步骤，获得既包括静态电磁特性，也能模拟油气驱替过程的动态变化的全面三维模型。此模型对后续的三维时移大地电磁正演和反演分析极具价值，同时提高了模型预测的准确性。
S103，采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；动态监测模拟
1)场源设置与模拟:根据地下区域和目标，设置合适类型和位置的电磁场源。运用数值模拟算法模拟电磁场在地下的传播和相互作用。
2)激电效应模块整合:在电磁模拟中加入由步骤二生成的激电效应模型。这实现了电磁场与地下介质(包括油气)的更精准相互作用。
时间序列分析
1)分时段模拟:根据油气驱替过程的不同阶段，进行分时段的电磁场模拟。
2)时移数据生成:每个模拟时间段结束后，提取电磁场的关键参数作为时移数据。
数据处理与分析
1)信号处理:对生成的电磁数据进行噪声过滤和增强。
2)特征识别:通过数据分析识别不同时移阶段中的电磁特征变化，与模型进行匹配。
动态预警与反馈
1)阈值检测:对模拟结果进行实时检测，一旦识别出异常或超过预设阈值，即触发预警机制。
2)自适应调整:根据模拟和监测结果，自动调整后续时移模拟的参数或场源设置，以优化模拟效果。
通过以上步骤，实现了考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型的动态监测模拟。这不仅提高了电磁场模拟的准确性，也增强了对油气驱替过程中动态变化的实时监测能力。
S104，采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；非结构有限元法计算视电阻率响应
1)网格生成:依据三维模型构建非结构有限元网格，以适应地下介质和界面的复杂性。
2)电磁场方程求解:在每一个有限元网格内应用电磁场方程，并通过边界条件和初始条件对其进行求解。
3)激电效应融合:在电磁场方程中加入激电效应项，以实现地下物质与电磁场之间更精准的相互作用。
4)时间域解析:对不同时间点的电磁场分布进行求解，生成视电阻率与时间的变化关系。
5)视电阻率计算:利用求解出的电磁场参数计算出各个网格和整个区域的视电阻率。
6)数据后处理与分析:对计算出的视电阻率进行数据平滑、噪声过滤，并与模拟结果进行对比。
7)异常检测与解释:若视电阻率显著偏离模拟结果或出现异常波动，进行进一步的数据分析以确定其成因。
8)结果输出:将视电阻率响应与时间阶段、地理位置等因素相结合，输出为可视化报告。
通过以上各步骤，非结构有限元法成功应用于计算区域视电阻率的响应。这一过程提高了视电阻率计算的精确度，同时提供了对地下介质变化的高分辨率信息，有助于更精确的地下资源评估和环境监测。
S105，分析每个驱替时移阶段的响应特征。分析驱替时移阶段的响应特征
1)时移阶段分类:根据油气驱替过程的不同阶段，将模拟时间划分为多个时移阶段。
2)响应数据提取:在每个时移阶段结束时，从模拟结果中提取区域视电阻率的响应数据。
3)特征参数计算:对于每个时移阶段，计算其视电阻率响应的关键特征参数，如峰值、平均值、方差等。
4)特征映射与对比:将提取出的特征参数与油气驱替效果、地层变化等因素进行映射和对比。
5)动态模式识别:应用数据分析方法，如主成分分析或聚类分析，以识别不同驱替阶段响应特征的动态模式。
6)异常响应分析:若某一时移阶段的响应特征与预测或其他阶段显著不同，进行深入分析以确定其成因。
7)效果评估与优化:基于响应特征的分析结果，评估当前油气驱替策略的效果，并提出的优化方案。
8)结果整合与报告:将所有时移阶段的响应特征分析结果整合成一个完整报告，包括关键发现和建议。
该方法通过综合分析每个驱替时移阶段的视电阻率响应特征，有效地揭示了油气驱替效率与地下电磁特性之间的关联，为进一步优化资源开发和环境保护提供了有力的数据支持。
进一步，所述S101通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，采用非结构化网格剖分区域。
进一步，所述S102设置模型参数，并将驱替过程分为四个压裂阶段。
进一步，所述S104基于控制方程的非结构有限元法为：
(1)控制方程
针对三维MT正演，假设时谐因子为e-iωt,并忽略位移电流，则电场满足的矢量亥姆霍兹方程为：
式中：E为电场强度；ω为角频率；μ为磁导率；
其中，代表包含激电的复数电导率，本发明采用Cole-Cole模型定义复电阻率/>
其中，ρ为真电阻率；ρ0为零频电阻率；m为极化率；τ为时间常数；c为频率相关系数；
(2)非结构有限元法
方程式(1)利用伽辽金法获得有限元法弱形式为：
其中，Ω为离散区域，Φ为非结构四面体矢量基函数；
采用四面体网格和对应的矢量基函数进行离散，将离散区域Ω剖分为有限个不重叠的四面体单元(图2)；
将有限维函数代入上式(3)可得：
其中Eh为有限元法的近似解，Ei为单元棱边上的电场值，M为计算域Ω内棱边的个数；
再强加狄利克雷边界条件后，可获得大型复线性方程组：
KE＝Sb (5)
其中，K为有限元单位总体矩阵，Sb为与边界条件相关的右端项。
进一步，所述S103时移大地电磁响应函数为
通过求解方程组(5)，可以得到任意单元棱边上的电场值，则区域内的任意电场值可通过上述有限维函数插值得到；对应磁场H通过法拉第定理获得：
MT的响应函数视电阻率、相位及其对应的时移响应可通过以下方程获得：
其中，i和j分别为x和y方向，Zij为阻抗，()t0和()t1分别为原始阶段和t1阶段；
式(7)的阻抗分量可以通过求解两个极化方向的电磁场得到：
其中，1和2表示不同的极化方向。
进一步，所述S105通过视电阻率差值曲线和等值线实时的观察压裂大小和位置信息来分析每个驱替时移阶段的响应特征。
进一步，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演系统，该系统包括：
区域构造模块，用于构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
模型分析和建立模块，用于分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；
模型动态监测模拟模块，用于采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；
电阻率响应计算模块，用于采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；
响应特征分析模块，用于分析每个驱替时移阶段的响应特征。
本发明参考涪陵页岩气田区焦页30井的测井资料，设计了如图3所示的该地区页岩气储层模型。本发明基于Liu等(2020)建立的模型，采用考虑激电效应的非结构有限元三维时移大地电磁法，对该地区的页岩气压裂模型的动态监测模拟进行分析。为研究压裂液在页岩气储层压裂过程中的时移响应，本专利设置的岩气储层激电模型规模为2300m×840m×300m，将驱替过程分为四个压裂阶段(图3中的条纹区)。埋深为地下2000m处，在页岩气储层压裂前油藏的真电阻率为42Ω·m，其激电参数为m＝0.2、τ＝0.1s和c＝0.1，压裂后真电阻率为5Ω·m，激电参数为m＝0.6、τ＝150s和c＝0.6。本专利设置的正演计算频率为0.001Hz。地表处测点覆盖范围为8km×8km，点线均间隔320m采样，共676个测点。
图4作为曲线图视角，反映驱替的中心位置走向，清晰的反映压裂液在油藏区不同百分段驱替的过程响应。图4为压裂阶段时移视电阻率响应曲线图。
图4(a)的曲线图表明，随着压裂阶段的增进，压裂前与压裂后各阶段的时移电阻率差值不断增大，从第一段的7.10Ω·m增大到第四段的22.63Ω·m。同时随着压裂的推进，/>异常在x方向上沿着不断推进。而且/>曲线的四个峰值位置恰好和压裂四个阶段的中心位置比较吻合。图4(b)的曲线图表明，随着压裂的推进，/>也不断增大，从第一段的6.71Ω·m增大到第四段的18.55Ω·m，同时也沿着x方向不断地推进。/>的四个峰值位置也和压裂四个阶段的中心位置比较吻合。图4说明随着在实际的页岩气储层压裂动态监测过程中，压裂区的中心位置和走向可以由/>和/>异常的峰值位置和推进趋势来确定。图4(a)和图4(b)不同点在压裂改造区上方的/>除了峰值位置都小于/>改造区域外的四个阶段，/>都小于/> 和/>的响应分别对x和y方向的识别界面最敏感，而压裂的第一个阶段压裂区y方向大(800m>25％×2300)，而后三个压裂阶段压裂区x方向大(800m<50％×2300)。图3曲线图表明，通过分析4种压裂阶段的/>和/>在实际的涪陵页岩气田大地电磁时移监测中，时移响应异常明显，能够用于实际的压裂施工。
由图5和图6的压裂阶段时移等值线图可以看出。图5反映的是的响应，由于对x方向电阻率敏感，y方向会产生偏大于实际大小的异常响应，可以通过x方向的梯级带，判断实时压裂区x方向的边界。同理在图6中，可根据/>的响应y方向的梯级带，判断实时压裂区y方向的边界。图5和图6，都表明随着压裂过程的不断推进，压裂区时移异常逐渐变大。这是由于压裂区储层的视电阻率，不断被富极化且低阻的压裂液灌进，压裂区的相对于围岩的激化电性差异不断变大。图5和图6的结果，进一步证明了时移视电阻率响应可以用于实际储层条件下时实监测压裂施工。
用于模拟和解析地下油气驱替过程中电磁和激电效应的复合影响。通过使用非结构有限元法和时移电磁法，这个方法能更准确地描述和预测地下资源的动态变化。
具体实施例1
1.构建区域：在一个已知有丰富油气储量的区域中，构造一个地下考虑激电效应和电磁感应双重影响的模型。
2.三维模型创建：使用地质和地球物理数据来建立一个含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型。
3.动态监测模拟：运用三维时移大地电磁法，在不同的时间点对模型进行动态监测模拟。
4.视电阻率计算：利用非结构有限元法计算模型在不同阶段的视电阻率。
5.分析：根据计算结果，分析油气驱替过程在各个时移阶段的响应特征。
具体实施例2
1.构建区域：在一个未经开采的新油田中，构建一个地下考虑激电效应和电磁感应的模型。
2.三维模型创建：使用探测器和传感器收集的初步数据，建立一个基础的三维模型。
3.动态监测模拟：应用三维时移大地电磁法，在钻井前和钻井后的多个时间点进行模拟。
4.视电阻率计算：使用非结构有限元法来计算地下资源如何在各种工程干预下改变其视电阻率。
5.分析：综合所有数据，分析响应特征，用以优化未来的钻井和开采计划。
对于数据收集和处理，可以使用高性能计算机来加速模拟过程。
为了提高准确性，可以将这种模拟与实地的钻井数据或地质样本进行对比。
使用实时数据监控系统，可以对模型进行实时或近实时的更新。
这两个实施例和实现方案都能为油气勘探和开采提供更准确、更高效的方法，特别是在复杂的地质环境中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，包括：
步骤一，构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
步骤二，分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；
步骤三，采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；
步骤四，采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；
步骤五，分析每个驱替时移阶段的响应特征。
2.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤一通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，采用非结构化网格剖分区域。
3.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤二设置模型参数，并将驱替过程分为四个压裂阶段；具体实现方法如下：
利用数据融合技术整合地震、电磁、岩心分析等多个数据源的信息；
对整合后的数据进行质量检查和标准化；
基于地震数据和岩心分析，参数化地下地层的电磁性质；
根据已有的油气分布和储层参数建立初始三维电磁模型；
利用流体动力学模拟技术，模拟油气在储层中的流动和驱替过程；
在每个模拟时间步长中，计算储层的电磁性质变化；
在模型中加入激电效应的数学表示，通过修正电导率和介电常数来实现；
使用现场或实验室数据对模型进行验证，确保准确性和可靠性。
4.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤三的实现方法为：
根据地下区域和目标，设置合适类型和位置的电磁场源；运用数值模拟算法模拟电磁场在地下的传播和相互作用；
在电磁模拟中加入由步骤二生成的激电效应模型；实现电磁场与地下介质的更精准相互作用；
根据油气驱替过程的不同阶段，进行分时段的电磁场模拟；
每个模拟时间段结束后，提取电磁场的关键参数作为时移数据；
对生成的电磁数据进行噪声过滤和增强；
通过数据分析识别不同时移阶段中的电磁特征变化，与模型进行匹配；
对模拟结果进行实时检测，一旦识别出异常或超过预设阈值，即触发预警机制；
根据模拟和监测结果，自动调整后续时移模拟的参数或场源设置，以优化模拟效果。
5.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤四的实现方法为：
1)网格生成:依据三维模型构建非结构有限元网格，以适应地下介质和界面的复杂性；
2)电磁场方程求解:在每一个有限元网格内应用电磁场方程，并通过边界条件和初始条件对其进行求解；
3)激电效应融合:在电磁场方程中加入激电效应项，以实现地下物质与电磁场之间更精准的相互作用；
4)时间域解析:对不同时间点的电磁场分布进行求解，生成视电阻率与时间的变化关系；
5)视电阻率计算:利用求解出的电磁场参数计算出各个网格和整个区域的视电阻率；
6)数据后处理与分析:对计算出的视电阻率进行数据平滑、噪声过滤，并与模拟结果进行对比；
7)异常检测与解释:若视电阻率显著偏离模拟结果或出现异常波动，进行进一步的数据分析以确定其成因；
8)结果输出:将视电阻率响应与时间阶段、地理位置等因素相结合，输出为可视化报告。
6.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤三时移大地电磁响应函数为：
对应磁场H通过法拉第定理获得：
MT的响应函数视电阻率、相位及其对应的时移响应可通过以下方程获得：
其中，i和j分别为x和y方向，Zij为阻抗，()t0和()t1分别为原始阶段和t1阶段；
式(7)的阻抗分量可以通过求解两个极化方向的电磁场得到：
其中，1和2表示不同的极化方向。
7.如权利要求1所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，所述步骤五通过视电阻率差值曲线和等值线实时的观察压裂大小和位置信息来分析每个驱替时移阶段的响应特征。
8.如权利要求7所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，其特征在于，该步骤具体包括：根据油气驱替过程的不同阶段，将模拟时间划分为多个时移阶段；
在每个时移阶段结束时，从模拟结果中提取区域视电阻率的响应数据；
对于每个时移阶段，计算其视电阻率响应的关键特征参数；
将提取出的特征参数与油气驱替效果、地层变化等因素进行映射和对比；
应用数据分析方法，以识别不同驱替阶段响应特征的动态模式；
若某一时移阶段的响应特征与预测或其他阶段显著不同，进行深入分析以确定其成因；
基于响应特征的分析结果，评估当前油气驱替策略的效果，并提出的优化方案；
将所有时移阶段的响应特征分析结果整合成一个完整报告，包括关键发现和建议。
9.如权利要求1～8任一项所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演系统，该系统包括：
区域构造模块，用于构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；
模型分析和建立模块，用于分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；
模型动态监测模拟模块，用于采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；
电阻率响应计算模块，用于采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；
响应特征分析模块，用于分析每个驱替时移阶段的响应特征。
CN202311225131.5A 2023-09-21 2023-09-21 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法 Active CN117436301B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311225131.5A CN117436301B (zh) 2023-09-21 2023-09-21 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311225131.5A CN117436301B (zh) 2023-09-21 2023-09-21 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117436301A true CN117436301A (zh) 2024-01-23
CN117436301B CN117436301B (zh) 2024-04-16

Family

ID=89557375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311225131.5A Active CN117436301B (zh) 2023-09-21 2023-09-21 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117436301B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113221393A (zh) * 2021-01-29 2021-08-06 吉林大学 一种基于非结构有限元法的三维大地电磁各向异性反演方法
US20210341638A1 (en) * 2019-09-05 2021-11-04 Institute Of Geology And Geophysics Chinese Academy Of Sciences (Iggcas) Method for Extracting IP Information from Grounded-wire Transient Electromagnetic Response
CN114970290A (zh) * 2022-07-27 2022-08-30 中国地质大学（武汉） 一种地面瞬变电磁法并行反演方法及系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210341638A1 (en) * 2019-09-05 2021-11-04 Institute Of Geology And Geophysics Chinese Academy Of Sciences (Iggcas) Method for Extracting IP Information from Grounded-wire Transient Electromagnetic Response
CN113221393A (zh) * 2021-01-29 2021-08-06 吉林大学 一种基于非结构有限元法的三维大地电磁各向异性反演方法
CN114970290A (zh) * 2022-07-27 2022-08-30 中国地质大学（武汉） 一种地面瞬变电磁法并行反演方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱占升;谭捍东;: "考虑激电效应的二维大地电磁正演", 工程地球物理学报, no. 04, 30 August 2011 (2011-08-30) *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117436301B (zh) 2024-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA3140364C (en) Systems and methods for electromagnetic waterfront surveillance in a vicinity of an oil well
Zha et al. What does hydraulic tomography tell us about fractured geological media? A field study and synthetic experiments
Karaoulis et al. 4D active time constrained resistivity inversion
Klepikova et al. Transient hydraulic tomography approach to characterize main flowpaths and their connectivity in fractured media
Zha et al. Usefulness of flux measurements during hydraulic tomographic survey for mapping hydraulic conductivity distribution in a fractured medium
CN109001823B (zh) 一种电磁大地透镜探测方法和探测装置
Torrese Investigating karst aquifers: Using pseudo 3-D electrical resistivity tomography to identify major karst features
Umar et al. An outlook into recent advances on estimation of effective stimulated reservoir volume
Djuraev et al. A review on conceptual and practical oil and gas reservoir monitoring methods
Fokker et al. Estimating reservoir heterogeneities from pulse testing
Yang et al. 3D DC resistivity modeling of steel casing for reservoir monitoring using equivalent resistor network
Orfanos et al. 2D‐3D resistivity and microgravity measurements for the detection of an ancient tunnel in the Lavrion area, Greece
Mito et al. Multidimensional scaling and inverse distance weighting transform for image processing of hydrogeological structure in rock mass
Zhou et al. Data driven modeling and prediction for reservoir characterization using seismic attribute analyses and big data analytics
Wang et al. Potential of hydraulic tomography in exploring the preferential flowpaths of water inrush in coal mine areas
Zhang et al. 3D modeling and inversion of the electrical resistivity tomography using steel cased boreholes as long electrodes
JP7495769B1 (ja) 高温地熱田の貯留層構造孔隙度の定量的特徴付けの方法及びシステム
RU2595327C1 (ru) Устройство сейсморазведки 2d или 3d, электроразведки и гис для повышения надежности картирования кровли соли и для прогноза нефтегазоносности подсолевых отложений в районах с развитой солянокупольной тектоникой
Poduri et al. On the performance of pilot‐point based hydraulic tomography with a geophysical a priori model
CN117436301B (zh) 基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法
RU2700836C1 (ru) Способ прогноза насыщения коллекторов на основе комплексного анализа данных СРР, 3СБ, ГИС
Magnusdottir et al. Inversion of time-lapse electric potential data to estimate fracture connectivity in geothermal reservoirs
Ringel et al. Recent developments, challenges, and future research directions in tomographic characterization of fractured aquifers
Magnúsdóttir Fracture Characterization in Geothermal Reservoirs Using Time-lapse Electric Potential Data
Yang* et al. Monitoring directional fluid flow in shale gas hydraulic fracturing through electrically energized steel well casings

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant