CN101382070B - 一种油藏注采动态监测的电磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明是地球物理探测和油田开发技术中的油藏注采动态监测的电磁方法。具体步骤为：在工区进行第一次瞬变电磁测量，记录并处理电场的水平分量E_x和E_y和磁场垂直分量B_z随时间变化的数据；根据视电阻率值反演获得测区的电阻率随深度的分布；进行第二次地面瞬变电磁测量；将两次不同时间观测得到的资料做差值计算，得到储层的场值或电阻率差值的平面分布图；根据工区水驱和蒸汽驱时储层的相带特点，由电阻率和差值的平面分布图反映工区储层的孔隙度、渗透率分布，确定注剂在储层中的扩散状况及剩余油的位置。本发明提高电磁探测在强干扰环境下观测资料的信噪比，增强弱信号提取的能力，提高反演的精度和分辨率，可实现对开发油藏的动态监测。

Description

一种油藏注采动态监测的电磁方法

技术领域

本发明涉及地球物理探测和油田开发技术，具体是采用地面瞬变电磁测量反演得到油气储层水驱或蒸汽驱开发区块电阻率变化情况的一种油藏注采动态监测的电磁方法。

背景技术

在采用注水或注蒸汽开采的油藏中，由于储层的孔隙度、泥质含量、裂缝、断层等的分布差异，注入体在储层中并不是以注入井为中心均匀扩散或流动，含油储层经注剂驱替后，储层的地震波速度参数和电性参数都将发生改变。所以，探明注入体的优势通道，圈定残余油的位置，对于制定开发调整方案，有效地实现资源挖潜非常重要。

在石油勘探中反射地震法被广泛用来探测地下地质构造，能以较高的精度和分辨率确定有油气前景的圈闭位置。但由于地震波速度参数随储层中流体性质的变化并不十分明显，反射地震法不能很好地确定储层中流体的成分或性质。电磁探测的场源可以是天然源和人工可控源。采用天然场源的方法以大地电磁测深法为代表，具有频带范围宽、勘探深度大、装置轻便等优点。但对于在开发油区应用，天然源方法的分辨能力很难达到进行储层描述的精度，且由于油田的工业干扰大，天然源方法也很难获得高信噪比的测量。

电磁探测的场源可以采用人工供电的可控源电磁方法，通过不同的供电方式和加大供电功率来获得在强干扰区的较高信噪比测量。可控源电磁方法又可分为频率域方法和时间域方法。频率域方法通常以固定频率或混合频率的连续电流波形作为发射源，其主要的局限是发射装置与接收器的强耦合。由于发射电流波形连续，任意时刻接收到的信号是源场(一次场)和地中介质异常响应(二次场)在接收器处的合成。一般情况下，二次场的幅度要远小于一次场，要将淹没在总场信号中的微弱二次场信号精确地提取出来比较困难，限制了频率域方法的分辨能力和应用效果。

时间域方法的激励波形一般为脉冲或半占空的方波，根据需要可以选择不同的方波脉冲宽度。根据电磁感应原理，供电脉冲在关断的瞬间将在供电电极附近的地层中产生一个很强的感应场，并随时间推移逐渐向外扩散并衰减，该瞬变场的扩散与衰减特征就反映了地层电性参数的空间分布信息。测量一般在供电电流关断的瞬间开始进行，这样测得的信号仅为地中的衰变场(二次场)而没有一次场的影响。实践表明，除了具有穿透高阻层能力强及人工源方法能压制随机干扰等优点外，与频率域电磁探测方法相比，时间域电磁法还具有：①断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强电性分辨能力；②可用加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而增加勘探深度；③通过多次脉冲激发和场的重复测量叠加，提高信噪比和观测精度；④瞬变电磁响应对电性层敏感、易于提取多种解释参数等特点。

80年代初，前苏联提出了瞬变电磁法，用电磁波拟地震波的偏移方法，可进行一维、二维和三维复杂地电模型瞬变电磁响应的数值模拟计算和一维和二维模型的反演，有正则偏移和解析延拓偏移两种方法。目前在油气勘探中得到应用的瞬变电磁方法有两种形式，一种方法是中心回线方式的瞬变电磁测深法(CLTEM)，它利用不接地回线向地下发送脉冲方波，在发射回线的中心用一个接收线圈测量感生电动势的垂直分量。CLTEM法的特点是收发装置的中心在同一点，实现了零偏移距测量，观测信号受旁侧构造的影响小，因而横向分辨率高。但该方法勘探深度小，只适用于浅层地质结构调查。

瞬变电磁方法的另一种观测方式是长偏移距瞬变电磁测深(LOTEM)法，前苏联又称为建场法，它的理论提出最早源于前苏联Vanyan(1967)等人。该方法采用两端接地的长导线作为发射源，向地中供以方波电流，在距发射源一定偏移距处测量瞬变场的电场和磁感应强度分量，一般要求收发距大于或等于勘探深度，故称之为长偏移距瞬变电磁测深法。近十多年来，对于深部构造勘探、灰岩山区和沙漠地区利用LOTEM方法进行以油气勘探构造详查和局部异常体(火成岩体)的勘探均取得了一定的效果。

但是，由于开发油区工业用电和地面井网、管网、电网的强干扰环境，使得上述电磁方法难以在开发油区获得高信噪比的观测资料，所以更难于用于油藏注采动态监测。

发明内容

本发明目的在于提出一种利用在不同时间内进行地面大功率瞬变电磁测量得到地层电阻率的变化，进而确定地层中注剂的优势通道，实现油藏注采动态监测的电磁方法。

本发明的具体步骤为：

1)在工区各测站进行第一次地面大功率瞬变电磁测量，记录电场的水平分量E_x和E_y和磁场垂直分量B_z随时间变化的数据；

所述的地面大功率瞬变电磁测量包括：

由接地导线向地中供大功率的双极型归零方波。

所述的归零方波为30-100个。

所述的方波周期为8-32秒。

采用发射功率40-200kw。

采用源极距1-5km。

所述的记录包括：

采用GPS发射装置和接收装置的远距离精确时间同步；

对发射波形和接收信号同时进行全时段数字记录。

所述的地面大功率瞬变电磁测量和记录包括：

在远离工区处20-50km处布设一个远参考观测站，采用相同的方法测量和记录数据。

所述的远参考观测站与测区在同一纬度范围内。

2)采用以下步骤对数据进行处理：

将测区内各测站观测的电场数据减去同一时刻参考站观测的数据，以消除大地电场漂移的影响；

叠加计算每个周期观测数据的平均值，得到直流分量；

每个周期的观测数据减去直流分量，实现静态偏移校正；

对含多个周期的观测数据时间序列进行叠加，抑制周期性噪声的干扰；

计算得到电场分量的阶跃响应E⁺(t)＝E⁺(∞)-E_x    (1)

上式中：E_x ⁺(∞)为供电电源瞬断前记录的观测场值，是阶跃响应的晚时值，E_x为观测的瞬断响应；

利用阶跃响应计算视电阻率：

上式中：

为测点至源中心连线与源偶极方向的夹角；

3)根据得到的视电阻率值进行反演与成像，获得测区的电阻率随深度的分布，通过深度切片获取目的层的电阻率平面图；

4)采用步骤1-3相同的方法进行第二次地面瞬变电磁测量；

所述的第二次地面瞬变电磁测量与第一次地面瞬变电磁测量间隔时间为8天或更长。

所述的间隔时间根据已知工区内储层特点和注采油水扩散流动变化为5-200天。

5)将两次不同时间观测得到的资料用以下公式做差值计算，得到储层的场值或电阻率差值的平面分布图，差值用正负比例表示，负值为变小，正值为变大；

$\mathrm{\ΔF}=2\frac{F_2-F_1}{F_2+F_1}\×100\%---\left(3\right)$

上式中F₁和F₂分别为第一次和第二次观测的场量或反演得到的电阻率值；

6)根据工区已知水驱和蒸汽驱时储层的相带特点，结合常规测井方法中常用的孔隙度、渗透率和含水饱和度与地层电阻率的关系，由储层电阻率分布和差值的平面分布图反映工区储层的孔隙度、渗透率分布，确定注剂在储层中的扩散特征和分布状况以及剩余油的位置。

本发明在现有的瞬变电磁探测方法的基础上，改进电磁信号采集技术，提高在强干扰环境下观测资料的信噪比，增强弱信号提取的能力，提高反演的精度和分辨率，可实现对开发油藏的动态监测。

本发明图5为蒸汽驱油藏的实测结果，由储层电阻率变化的平面分布得到的蒸汽驱前缘分布和汽窜通道与油藏的地质情况和油藏开采资料吻合。

附图说明

图1、本发明设计的多分量阵列瞬变电磁观测布设示意图；

图2、本发明瞬变电场阶跃响应示意图；

图3、本发明油藏注水驱电阻率变化模型实例；

图4、本发明油藏蒸汽驱电阻率变化分区模型实例；

图5、本发明确定油藏蒸汽驱前缘的实施例。

具体实施方式

野外数据采集采用多分量阵列瞬变电磁测深方法，观测方案如图1所示。由发电机1通过发射控制装置2向接地长导线4向地下供电，发射装置通过GPS3实现全***的精确同步。为了适应开发油区的强干扰工作环境，要求发射功率足够大(40-200kw)，源极距在满足偶极源的前提下尽可能长(1-5km)。源的布设考虑应该尽可能与待测工区在同一地质构造单元内，且能将工区覆盖在有效的范围内而又不至于信号太弱。

单元5为多分量瞬变电磁数据采集站，设计采集两个电道Ex(7a-7b)和Ey(8a-8b)，以及一个磁道Bz6。采集站与源中心的距离为偏移距r，r的选择要考虑如下因素：其一，r要大于待测目的层的深度，并尽量避免让目的层的响应落在计算视电阻率的过渡区内；其二，r要远大于源极距的长度，这样才能满足接地导线为偶极源的条件，便于资料处理和解释；其三，r不能太远，否则观测资料的信噪比太低。应采用尽可能多的采集站进行阵列观测，这样可以提高效率，也保证在野外测量过程中地层中的流体没有发生明显的变化。***中各单元的同步均由GPS3控制实现。

本发明的观测方案设计了电道远参考观测站，如图2中单元9所示。设置远参考的目的是要实时记录大地电场的变化，以便在对瞬变电磁资料进行处理时能用来消除大地电流的漂移影响。参考站的布设要尽可能与待测工区在同一个大的地质环境内，但远离待测工区和源以使得记录的参考道数据受可控源***的影响尽可能小。为了保证大地电流环境的一致性，参考站应尽可能与测区在同一纬度范围内。

在资料处理中，先用傅氏谱分析方法确定噪声的频率，然后在时间域内对观测数据进行滤波处理，这样有利于对每个周期的时间序列进行滤波后再进行其它处理和叠加。在叠加之前，对每个周期的时间序列进行消除直流偏移影响的处理，利用精确同步的远参考大地电场观测数据对瞬变电磁测量的电道数据进行消除大地电流漂移影响的处理。

利用电场的瞬断响应获得阶跃响应的方法，如图2所示。由于发射装置和接收装置均采用全时段记录并严格同步，除瞬断响应10外，还能利用供电电源瞬断前的电流值和场值得到阶跃响应的晚时值11，这样就可计算出脉宽时间内的上阶跃响应12，然后利用阶跃响应可得到易于解释的视电阻率参数。

两次观测的资料经处理后，利用由瞬变电磁响应获得的多分量电阻率参数进行三维复杂地电模型的反演。在反演中引入已知的地质构造信息、地层信息和油藏信息，对模型的构造和电阻率参数进行约束，以提高反演成像的分辨率和可靠性。将两次观测的结果分别进行反演获得地电剖面后，可以利用两次观测的数据按以下公式求取观测场量和电阻率参数的差值：

$\mathrm{\ΔF}=2\frac{F_2-F_1}{F_2+F_1}\×100\%$

式中F₁为第一次、F₂为第二次观测的场量或由观测资料求取的电阻率值。

根据电阻率参数的平面分布，结合储层岩心分析资料和测井资料，利用测井中常用的Archie公式，可以计算求得目标地层的孔隙度和含水饱和度分布。利用储层电阻率的差值分布，结合开发油藏和注入井的相关信息，可以建立水驱和蒸汽驱的相带分布与电阻率变化关系的模型，确定注入井周围注剂在储层中的扩散范围和优势通道，绘制剩余油分布平面图，为制定最佳开发调整方案提供依据。

图3所示为油藏施行注水采油时，注水井周围地层中的注水前含油饱和度(S_o)13、注水一段时间后地层的含油饱和度14及对应的电阻率差值(Δρ)15变化关系模型的一个实例。一般有注入水的电阻率高于原生地层水的电阻率而低于地层中的原油电阻率，故在注水过程中，注入水驱替地层中的油，会导致地层电阻率降低，故地层电阻率差值为负值。

图4所示为油藏实施蒸汽驱时，注汽井周围地层中温度(T)16、注汽前含油饱和度17、注汽后含油饱和度18及地层电阻率变化19的变化关系模型的一个实例。蒸汽注入一段时间后，井口周围的地层可分为A-蒸汽带、B-凝析带、C-热水带和D-冷水带。蒸汽带汽饱和度高，含油饱和度低，地层电阻率升高，故地层电阻率变化值为较高的正值。凝析带内含液烃、凝析热水和油层内原生水。由于高阻凝析热水替代了地层中的原生水，地层的电阻率的变化仍为正值，但变化量要小于蒸汽带。热水带包括液烃和不饱和热水。此带的含油饱和度比井口周围要高，但由于热水的侵入，地层水矿化度降低，故整体而言，在注汽后一段时间后，此带电阻率仍有所升高。冷水带的含油饱和度相对而言较低，温度接近油层初始温度，驱油机理接近常规水驱，电阻率下降，故电阻率差值为负值。对于蒸汽驱，电阻率差值较大却为正值的异常带可以确定为汽窜通道。

Claims (9)

1.一种油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是具体步骤为：

1)在工区各测站进行第一次地面大功率瞬变电磁测量，记录电场的水平分量E_x和E_y和磁场垂直分量B_z随时间变化的数据；

2)采用以下步骤对数据进行处理：

将测区内各测站观测的电场数据减去同一时刻参考站观测的数据，以消除大地电场漂移的影响；

计算每个周期观测数据的平均值，得到直流分量；

每个周期的观测数据减去直流分量，实现静态偏移校正；

对含多个周期的观测数据时间序列进行叠加，抑制周期性噪声的干扰；

计算得到电场分量的阶跃响应E⁺(t)＝E⁺(∞)-E_x  (1)

上式中：E_x ⁺(∞)为供电电源瞬断前记录的观测场值，是阶跃响应的晚时值，E_x为观测的瞬断响应；

利用阶跃响应计算视电阻率：

上式中：

为测点至源中心连线与源偶极方向的夹角；

3)根据得到的视电阻率值进行反演与成像，获得测区的电阻率随深度的分布，通过深度切片获取目的层的电阻率平面图；

4)采用步骤1)-3)相同的方法进行第二次地面瞬变电磁测量；

5)将两次不同时间观测得到的资料用以下公式做差值计算，得到储层的场值或电阻率差值的平面分布图，差值用正负比例表示，负值为变小，正值为变大；

$\mathrm{\ΔF}=2\frac{F_2-F_1}{F_2+F_1}\×100\%---\left(3\right)$

上式中F₁和F₂分别为第一次和第二次观测的场量或反演得到的电阻率值；

6)根据工区已知水驱和蒸汽驱时储层的相带特点，结合常规测井方法中常用的孔隙度、渗透率和含水饱和度与地层电阻率的关系，由储层电阻率分布和差值的平面分布图反映工区储层的孔隙度、渗透率分布，确定注剂在储层中的扩散特征和分布状况以及剩余油的位置。

2.根据权利要求1所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：步骤1)所述的地面大功率瞬变电磁测量包括：

由接地导线向地中供大功率的双极型归零方波；

采用发射功率40-200kw；

采用源极距1-5km。

3.根据权利要求2所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：所述的归零方波为30-100个。

4.根据权利要求2所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：所述的方波周期为8-32秒。

5.根据权利要求1所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：步骤1)所述的地面大功率瞬变电磁测量和记录包括：

采用GPS对发射装置和接收装置的远距离精确时间同步；

对发射波形和接收信号同时进行全时段数字记录。

6.根据权利要求1所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：步骤1)所述的地面大功率瞬变电磁测量和记录包括：在远离工区处20-50km处布设一个远参考观测站，采用相同的方法测量和记录数据。

7.根据权利要求6所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：所述的远参考观测站与测区在同一纬度范围内。

8.根据权利要求1所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：步骤4)所述的第二次地面瞬变电磁测量与第一次地面瞬变电磁测量间隔时间为8天或更长。

9.根据权利要求8所述的油藏注采动态监测的电磁方法，其特征是：所述的间隔时间根据已知工区内储层特点和注采油水扩散流动变化为5-200天。

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