周磊，嚴(yán)良俊，謝興兵　(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

隋俊杰　(中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000)

儲(chǔ)層激電模型的瞬變電磁場(chǎng)模擬

周磊，嚴(yán)良俊，謝興兵(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

隋俊杰(中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000)

[摘要]在時(shí)間域?qū)ole-Cole模型引入到長(zhǎng)偏移距瞬變電磁場(chǎng)的正演模擬中，并驗(yàn)證了算法的正確性。對(duì)某油田實(shí)際地電模型數(shù)值模擬可知，當(dāng)油氣儲(chǔ)層存在激電時(shí)，電場(chǎng)對(duì)激電效應(yīng)的反映比垂直磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)要靈敏，這對(duì)指導(dǎo)時(shí)域激電和長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應(yīng)用具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]儲(chǔ)層；長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法；時(shí)域Cole-Cole模型；激電效應(yīng)

油氣儲(chǔ)層的激電效應(yīng)已在電測(cè)井中得到證實(shí)，實(shí)際的復(fù)電阻率勘探中也得到了一些成功的例子[1～5]。但是，目前復(fù)電阻率法檢測(cè)油氣僅存在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，機(jī)理不明，只是停留在假說(shuō)階段。一是電子導(dǎo)電假說(shuō)，油氣田形成后，其所含的烴類物質(zhì)在溫度、壓力等條件作用下向上運(yùn)移，由于淺部是氧化環(huán)境，深部是還原環(huán)境，通過(guò)電化學(xué)作用形成了黃鐵礦化現(xiàn)象，即“煙囪效應(yīng)”；據(jù)此，通過(guò)對(duì)黃鐵礦化暈空間分布的探測(cè)達(dá)到檢測(cè)油氣的目的。二是離子導(dǎo)電假說(shuō)，認(rèn)為油、水及圍巖界面間存在雙電層結(jié)構(gòu)，受外電場(chǎng)激發(fā)作用，會(huì)形成二次場(chǎng)，即產(chǎn)生激電效應(yīng)，觀測(cè)二次場(chǎng)可進(jìn)行油氣直接評(píng)價(jià)。無(wú)論上述哪種假說(shuō)，對(duì)于深部的油氣儲(chǔ)層，要求激發(fā)電流有一定的強(qiáng)度，否則難以觀測(cè)到二次場(chǎng)。通常接地電偶源的激發(fā)電流要比磁偶源強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，目前在油氣檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中都毫無(wú)例外地采用接地長(zhǎng)導(dǎo)線源。

為了探討時(shí)間域激電法油氣檢測(cè)和長(zhǎng)偏移距瞬變電磁陣列油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性與有效性，研究?jī)?chǔ)層激電模型的電偶源瞬變電磁激發(fā)的電磁場(chǎng)變化特征有重要的實(shí)際意義。筆者采用正弦變換實(shí)現(xiàn)電偶源瞬變電磁場(chǎng)正演模擬，然后在時(shí)間域采用Guptasarma D.的算法[6]將激電效應(yīng)加入到儲(chǔ)層模型的正演模擬中，分析油氣儲(chǔ)層的激電效應(yīng)對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的影響，這對(duì)長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法在油田勘探中的應(yīng)用具有巨大的推動(dòng)作用。

1方法原理

1.1長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法原理

根據(jù)文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)出電偶源在層狀各向同性介質(zhì)上的頻率域電磁場(chǎng)的表達(dá)式為：

其中：

式中：Ex為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；PE為偶極矩，A·m；μ0為磁導(dǎo)率，H/m；w為角頻率，rad/s；λ為積分變量；J0、J1分別為0階和1階的第一類貝塞爾函數(shù)；r為偏移距，m；ki為波數(shù)；i=1,2,…,N為層數(shù)；θ為角度，(°)；Hz為垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；hi為第i層的厚度，m；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ρi為第i層電阻率，Ω·m。

根據(jù)頻率域電磁場(chǎng)與時(shí)間域電磁場(chǎng)的關(guān)系[8]，采用正弦變換得到時(shí)間域的電磁場(chǎng)，將激電信息采用D.Guptasarma的算法在時(shí)間域?qū)ole-Cole模型引入到正演中，從而得到帶激電效應(yīng)的瞬變電磁場(chǎng)。

1.2時(shí)域Cole-Cole模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的數(shù)字濾波算法，得到Cole-Cole模型的時(shí)變電阻率的表達(dá)式為：

其中：

式中：ρ(t) 為考慮極化效應(yīng)時(shí)的電阻率，Ω·m；t為時(shí)間，s；ρ(0)為零頻電阻率，Ω·m；m為極化率；φk為濾波系數(shù)；τ為時(shí)間常數(shù)，s；c為頻率相關(guān)系數(shù)；ak為濾波計(jì)算結(jié)點(diǎn);Re(wk)為(wk)的實(shí)部。

2數(shù)值模擬及算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證時(shí)域Cole-Cole模型引入算法的正確性，筆者采用在頻率域?qū)ole-Cole模型引入然后再轉(zhuǎn)換到時(shí)間域的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。根據(jù)某油田實(shí)際測(cè)井曲線得到實(shí)際地電參數(shù)為：第1層電阻率為30Ω·m，厚度為1440m；第2層電阻率為3Ω·m，厚度為130m；其中第2層為油層，底層電阻率為30Ω·m；采用偶極偶極發(fā)射裝置，發(fā)射電流為1A，偏移距為4000m。計(jì)算時(shí)第2層的激電參數(shù)為：c=0.25，m=0.5，τ=10s，計(jì)算結(jié)果如圖1所示，可以看出，Cole-Cole模型無(wú)論是在時(shí)間域引入還是從頻率域引入，計(jì)算的電場(chǎng)分量和垂直磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)基本是重合的，這也進(jìn)一步說(shuō)明時(shí)域Cole-Cole模型引入的正確性。

圖1　時(shí)間域Cole-Cole模型與頻率域Cole-Cole模型對(duì)比圖

為了進(jìn)一步探討長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法對(duì)油氣儲(chǔ)層激電效應(yīng)的分辨能力，計(jì)算時(shí)保證其他參數(shù)不變，只改變儲(chǔ)層的極化率，即當(dāng)儲(chǔ)層不存在極化時(shí)(m=0)和存在極化時(shí)(m=0.5)。圖2給出了油氣儲(chǔ)層有無(wú)極化時(shí)的對(duì)比圖，可以看出，當(dāng)油氣儲(chǔ)層存在極化時(shí)，電場(chǎng)的振幅曲線比不存在極化時(shí)振幅曲線在0.04～0.4s范圍內(nèi)要低，其他時(shí)間范圍內(nèi)電場(chǎng)振幅曲線重合，由此可判斷出電場(chǎng)振幅曲線的變化主要是由油氣儲(chǔ)層激電引起的；垂直磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在油氣儲(chǔ)層有無(wú)極化時(shí)變化不明顯，這說(shuō)明水平電場(chǎng)對(duì)油氣儲(chǔ)層的激電效應(yīng)反應(yīng)較靈敏，而垂直磁場(chǎng)時(shí)間導(dǎo)數(shù)對(duì)油氣儲(chǔ)層的激電效應(yīng)反應(yīng)不靈敏，這對(duì)指導(dǎo)時(shí)域激電和長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應(yīng)用具有重要意義。

圖2　油氣儲(chǔ)層有無(wú)極化時(shí)電磁場(chǎng)對(duì)比圖

3結(jié)論

1)筆者將Cole-Cole模型分別在時(shí)間域和頻率域引入，無(wú)論是電場(chǎng)的振幅曲線還是垂直磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)均無(wú)差別，驗(yàn)證了采用Guptasarma D.算法將時(shí)域Cole-Cole引入到長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法正演模擬的正確性。

2)通過(guò)對(duì)某油田實(shí)際地電模型模擬知：當(dāng)油氣儲(chǔ)層有無(wú)極化時(shí)，電場(chǎng)對(duì)油氣儲(chǔ)層的激電效應(yīng)的反應(yīng)比垂直磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)要靈敏，這對(duì)指導(dǎo)時(shí)域激電和長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應(yīng)用具有重要意義。

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[編輯]龔丹

[引著格式]周磊，嚴(yán)良俊，謝興兵，等.儲(chǔ)層激電模型的瞬變電磁場(chǎng)模擬[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ,2015,12(11):22～24.

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)11-0022-03

[中圖分類號(hào)]P631.325

[作者簡(jiǎn)介]周磊(1985-)，男，博士生，現(xiàn)主要從事電法勘探及數(shù)值模擬方面的研究與學(xué)習(xí)工作；

通信作者：嚴(yán)良俊，yljemlab@163.com。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家“973”規(guī)劃項(xiàng)目(2013CB228605)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41274082)；油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(K2014-13)。

[收稿日期]2014-09-27