曹學(xué)來(lái)，何 澤，張新宇，鄧 瑞，易娟子

(1. 長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司，重慶 401120)

頁(yè)巖氣是典型的非常規(guī)天然氣，產(chǎn)自極低孔滲、以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為主的儲(chǔ)集巖系中[1-4]。頁(yè)巖氣常被稱為“人造氣藏”，開(kāi)采時(shí)必須通過(guò)人工造縫才能形成工業(yè)生產(chǎn)能力，基于此類情況應(yīng)該提高對(duì)油氣藏勘探的精度[5]。而通過(guò)有限元的的方法將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6-8]，針對(duì)不同介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，探測(cè)儲(chǔ)層的響應(yīng)特征，分析出油氣的分布特點(diǎn)便可以實(shí)現(xiàn)這一目的。

本研究采用基于有限元電磁模擬的頁(yè)巖儲(chǔ)層的電學(xué)性質(zhì)研究可以精確描述儲(chǔ)層電阻率等地層信息，而儲(chǔ)層電阻率又與地層的孔隙度、含水飽和度、巖性等因素有關(guān)[7,9]，所以通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層的數(shù)值模擬來(lái)研究其電學(xué)性質(zhì)可以提高對(duì)儲(chǔ)層含油氣性的探測(cè)精度，對(duì)發(fā)展頁(yè)巖油氣意義重大[10-12]。

1 原 理

地下巖層孔隙中的流體不同，導(dǎo)致巖石的電阻率不同，所以儲(chǔ)層的電阻率與含油飽和度具有一定的關(guān)系。從定性的角度看，相同條件下含油飽和度越高，地層電阻率越高。

測(cè)井時(shí)，通過(guò)儀器向地層發(fā)射電流，由于地下介質(zhì)的電阻率分布按照一定的規(guī)律流動(dòng)，在介質(zhì)中的電位也會(huì)隨之改變，通過(guò)測(cè)量地表電位的變化，可以尋找出地下可能含有油氣的儲(chǔ)層。

1.1 物理基礎(chǔ)

組成物質(zhì)的分子和原子中含有電子，對(duì)介質(zhì)施加電場(chǎng)或其他影響，介質(zhì)內(nèi)部或表面的電子可能會(huì)被剝離，對(duì)外顯電性。通過(guò)該原理可以區(qū)分出不同的地下介質(zhì)。

電荷的定向運(yùn)動(dòng)會(huì)形成電流，電流可以用電荷密度表示。歐姆定律可寫成下式：

J=σE

式中，σ為電導(dǎo)率。

電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)或不運(yùn)動(dòng)時(shí)，均遵守電荷守恒定律。用數(shù)學(xué)形式可以表示為連續(xù)性方程：

式中，R和t分別為空間和時(shí)間。

研究電場(chǎng)的變化，需要對(duì)其施加邊界條件，邊界條件可以分為第一、第二、第三類邊界條件。利用有限元法對(duì)問(wèn)題的分析過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化[4]，使研究方便快捷。

1.2 電位測(cè)量原理

如圖1所示，選取一口井由供電系統(tǒng)在其中激發(fā)電流，再由另一口井進(jìn)行回流，通過(guò)測(cè)量地表電位的變化可以計(jì)算出地下介質(zhì)的電阻率變化。

2 正演模擬及結(jié)果

2.1 水平層狀介質(zhì)

地下介質(zhì)中存在電阻率異常的層段可能會(huì)出現(xiàn)油氣儲(chǔ)層，因此下面將主要討論低阻異常體(電阻率為5 Ω·m)和高阻異常體(500 Ω·m)在水平和傾斜的情況下，對(duì)圍巖(電阻率為80 Ω·m)電位分布的影響。以層狀介質(zhì)為例，結(jié)果中自左向右代表A井到B井的電位變化。

圖1 井地電位測(cè)量模型

在水平層狀介質(zhì)下，低阻地層和高阻地層電流線流向示意圖和電位分布見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 低阻異常體水平模型

圖3 高阻異常體水平模型

通過(guò)對(duì)比圖2與圖3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其他條件相同的情況下，高阻異常體對(duì)地表電位的影響比低阻異常體的影響程度大，由于相同條件下，不同電阻率值的地層對(duì)電流的分布影響不同，電流更容易通過(guò)低阻地層，相對(duì)于低阻異常體模型而言高阻模型中接近地表的圍巖中的電流會(huì)更容易通過(guò)，同一電阻率值，不同的電流強(qiáng)度形成的電勢(shì)不同。所以高阻異常體水平模型的地表最高電位比低阻異常體水平模型高。

2.2 傾斜介質(zhì)

在傾斜地層下，低阻地層和高阻地層電流線流向示意圖和電位分布見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 低阻異常體傾斜模型

圖5 高阻異常體傾斜模型

通過(guò)對(duì)比圖4與圖5結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其他條件相同的情況下，高阻異常體對(duì)地表電位的影響比低阻異常體的影響程度大，與圖2、圖3對(duì)比分析過(guò)程同理，所以高阻異常體傾斜模型的地表最高電位比低阻異常體傾斜模型高。

2.3 混合介質(zhì)

從圖6、圖7可得，水平與傾斜高阻異常體地層共同存在時(shí)比只有水平高阻異常情況下對(duì)電位分布影響較大。由于電阻的串并聯(lián)原理可以得出，高阻異常體的兩種模型共同存在時(shí)會(huì)使得地下介質(zhì)的電阻率相對(duì)變小，地表一側(cè)電勢(shì)會(huì)變大。

圖6 低阻異常體水平與傾斜共存模型

圖7 高阻異常體水平與傾斜共存模型

2.4 小結(jié)

由上述分析可得，電流一致時(shí)，電阻越大其分得的電勢(shì)相對(duì)較大，由表1數(shù)據(jù)分析也可以看出高阻異常體對(duì)電位分布的影響較低阻異常體大。且由低阻異常體的3類模型發(fā)現(xiàn)，靠近地表一側(cè)的異常體對(duì)電位的分布影響較大。

表1 不同地層模型的電位分布

將地層模型由上至下分層，將每層對(duì)電位的影響疊加，會(huì)得出傾斜的異常地層較水平地層的影響較大，本人就此結(jié)論分析如下：

低阻異常體與高阻異常體：相對(duì)于低阻異常體模型而言，高阻模型中接近地表的圍巖中的電流會(huì)更容易通過(guò)，同一阻值，不同的電流強(qiáng)度形成的電勢(shì)不同，所以低阻異常體模型的地表最大電位較小；

水平異常體與傾斜異常體：水平與傾斜高阻異常體地層共同存在比只有水平高阻異常情況下對(duì)電位分布影響較大。由于電阻的串并聯(lián)原理可以得出，高阻異常體的兩種模型共同存在時(shí)會(huì)使得地下介質(zhì)的電阻率相對(duì)變小，地表一側(cè)電勢(shì)會(huì)變大。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析，基于有限元算法十分適用于頁(yè)巖儲(chǔ)層電場(chǎng)分布的模擬，模擬結(jié)果表明：

1)傾斜異常地層對(duì)地表的電位分布影響較大，所以對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)重視對(duì)高阻傾斜地層的研究，提高對(duì)油氣勘探的精度。

2)將該研究結(jié)果與其他測(cè)井方法進(jìn)行組合和對(duì)比，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)等信息，可將頁(yè)巖儲(chǔ)層的電學(xué)性質(zhì)與測(cè)井結(jié)果進(jìn)一步分析，提高電磁測(cè)井正演技術(shù)。

3)研究地下地層電學(xué)性質(zhì)的變化除可應(yīng)用于尋找油氣儲(chǔ)層，還可以在尋找其他礦產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)展。此外，上述方法還可以對(duì)地層中的電磁場(chǎng)等其他因素的進(jìn)行模擬，應(yīng)用較廣泛。

綜上所述，利用有限元對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的電學(xué)性質(zhì)研究可以準(zhǔn)確地反映地層信息，具有較好的應(yīng)用前景。