李帝銓，何繼善

（1.有色金屬成礦預測與地質環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室（中南大學），長沙 410083；2.有色資源與地質災害探測湖南省重點實驗室，長沙 410083；3.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083）

0 引言

中國油田多為陸相沉積，近年水驅采收率平均為33%左右，注水開發(fā)油田主體已進入高含水、高采出程度的“雙高”開發(fā)階段，通常采用化學驅提高原油采收率[1]?；诖髴c油田聚合物驅的成功應用，進一步發(fā)展了三元復合驅（堿-表面活性劑-聚合物）技術[2]，從2014年推廣應用至2017年，三元復合驅區(qū)塊平均提高采收率超過 18%，已形成了成熟的油藏工程、采油工程及地面工程配套技術；孫龍德等[3]指出剩余油的精準表征是進一步提高化學驅采收率的關鍵之一。

目前應用于驅油監(jiān)測的方法有化學劑示蹤法[4-5]、地面地震法[6-8]、井間地震法[9]、地面電磁法[10-11]、井間電磁法、井-地電磁法、直流電法[12]、電測井法、重力測井法等[13]。由于三元復合驅主要應用于大慶油田的多層、薄層油藏，剩余油分布不均、地震屬性對比不明顯、電阻率差異小，傳統(tǒng)驅油監(jiān)測方法難以達到探測精度要求[8]。此外，油田現(xiàn)場在地表之下2 m內密布了各種管線（包含動力線），導致嚴重的電磁干擾和信號屏蔽，測量數(shù)據(jù)可靠性存疑，一般電（磁）法難以取得較好結果[10-12]。為了進一步提高三元復合驅采收率，需要建立一套更為準確的參數(shù)設計及跟蹤調整方法，對驅油過程進行監(jiān)測。

何繼善[14]在2010年提出了差分廣域電磁法。本文將該方法應用于大慶油田某三元復合驅區(qū)塊驅油監(jiān)測試驗中。試驗中埋置包括發(fā)射電極、測量電極、測量導線在內的所有采集設備，保證采集過程不受測量裝置影響；三元復合驅過程中多次采集電磁場響應，并以三元復合驅前的采集數(shù)據(jù)為背景場，通過時間域差分獲得差分廣域電磁法數(shù)據(jù)體，反演得到電阻率3D模型；利用測井電阻率數(shù)據(jù)進行標定，建立試驗區(qū)電阻率3D模型及目標地層電阻率3D模型；最后基于電阻率 3D模型的空間域一階差分提取三元復合驅體系分布范圍和前緣位置。

1 差分廣域電磁法

油田開發(fā)中，水驅、氣驅和化學驅均通過置換作用引起儲集層的物性變化，使得儲集層地球物理響應隨時間變化，于是提出時移地球物理探測方法[7]。傳統(tǒng)時移電磁法需采集電場和磁場數(shù)據(jù)，但試驗區(qū)電磁干擾嚴重，磁場抗干擾能力差，導致三元復合驅前后儲集層的電磁響應差異無法采集。廣域電磁法僅需要采集電場數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)對地探測，具有信號強、抗干擾能力強、探測深度大、高效低耗等特點[14]。本文采用差分廣域電磁法監(jiān)測三元復合驅過程中儲集層的電阻率變化。

1.1 時間域差分廣域電磁法

建立普適性的電磁法模型如圖1所示。源放置在地表，坐標系的原點設置在源中心點，z向下為正，向上為負；假設地層最底層的厚度為無限；每一層的相對介電常數(shù)、相對磁導率均設為1。

圖1 電磁法模型示意圖

由Maxwell方程組推導出諧變電磁場的波動方程，進而得到層狀大地表面水平電偶極源在地表產生的諧變電磁場的積分表達式。對于沿x方向的電偶極子源，電場水平x分量的表達式為：

對于N層分層地球介質，R1和R1*為聯(lián)系地表和下半空間（地球）電性特征的兩個函數(shù)，和第N層電導率及以上所有層位的電導率和層厚有關，具體表達式如下：

采用三元復合驅后，被驅替地層的電性特征發(fā)生變化。在地面采集時，固定觀測系統(tǒng)，保證觀測系統(tǒng)的參數(shù)不變，可以采用時間域差分法精確測量儲集層電性變化。通過對不同時間點采集的電場或電阻率數(shù)據(jù)進行反演，采用差分運算處理電阻率數(shù)據(jù)體，提取兩次時間間隔內三元復合驅對電場或電阻率的影響，推斷三元復合驅的前緣位置及分布范圍。（3）式與電流源強度無關，與位置信息（收發(fā)距、觀測角度）、地層信息（電性參數(shù)、層厚）及頻率有關。

時間域差分廣域電磁法具體操作步驟如下：①三元復合驅開始前采集背景場，反演獲得工區(qū)的三維電阻率數(shù)據(jù)體；②三元復合驅過程中多次采集電磁場響應，基于測井約束開展三維反演，獲得三維電阻率數(shù)據(jù)體；③基于（3）式計算兩次采集間隔的三維電阻率差異，分析三元復合驅驅油效果。

本方法通過發(fā)送與接收不同頻率的信號來獲取不同深度的地電信息，一次發(fā)送的偽隨機電流信號中包含多個主頻成分，且彼此振幅大小相近。本技術只需要測量一個電場分量便可得到其時域差分異常響應，相比于測量磁場，抗干擾能力強，減小了計算誤差，提高了電阻率異常測量的可靠性；通過差分處理，可壓制背景噪聲，減小系統(tǒng)誤差。

1.2 空間域一階差分

對前文得到的電阻率異常進行空間域一階差分可以有效分離和突出各個方向的疊加異常。數(shù)據(jù)處理采用各個方向差分矢量的模來進行區(qū)內電阻率變化的綜合分析，如（4）式所示。各個方向差分矢量的模是區(qū)內各個位置差分矢量的綜合參數(shù)，反映了某點電阻率的總梯度變化，是對各個方向差分信息的綜合反映。用空間域一階差分及差分模作為參數(shù)監(jiān)測目標區(qū)電阻率異常的變化，可以有效提取由三元復合驅引起的目標層電阻率變化，克服測區(qū)背景電阻率低、差異小、目標深度大等特點造成的測量問題。

為了確定目標層內三元復合驅的波及范圍以及驅替前緣位置，利用空間域一階差分零值線反映異常體邊界位置的特點，通過求取一階差分提取區(qū)內異常體的三維分布界面信息，提高分辨率，研究其規(guī)模、形態(tài)、趨勢，進而推斷三元復合驅波及范圍與圍巖的交界位置。本文利用空間域一階差分廣域電阻率的模M1來推斷三元復合驅前緣。

2 三元復合驅監(jiān)測試驗

2.1 試驗區(qū)地質與地球物理特征

試驗區(qū)位于中國松遼盆地中央坳陷區(qū)北部，目標層位為白堊系薩爾圖油層SⅡ砂層組SⅡ-7—SⅡ-14小層。上覆第三系、第四系，下伏侏羅系、三疊系，由于地層巖性特征差異，白堊系總體上呈低電阻率特征，上覆、下伏地層總體上呈高電阻率特征，這種“高—低—高”的電阻率特征為目標地層的識別及標定提供了有利條件。SⅡ-7—SⅡ-14小層為大型三角洲平原河道沉積，在 SⅡ-8頂部發(fā)育一套穩(wěn)定的高電阻率砂巖層，不僅可以作為劃分SⅡ-7、SⅡ-8小層的分界線，還可以作為電性標志層，通過測井電阻率來標定反演的數(shù)據(jù)。

本次研究采用強迫電流法對3組（每組24個SⅡ-7—SⅡ-14小層砂巖巖心）共72個巖心樣品進行了電阻率測試，對 3組樣品分別進行了水驅、聚合物驅、三元復合驅，測量驅替前后的電阻率（見表1）。測試結果表明，注入水、聚合物以及三元復合驅體系均可導致目標層電阻率降低；三元復合驅后的巖心樣品電阻率明顯低于聚合物驅及水驅后的巖心樣品電阻率，低電阻率可以指示三元復合驅體系的分布及運移。

表1 不同驅油劑驅替巖心樣品前后電阻率測量數(shù)據(jù)

2.2 儀器與裝備

采用湖南繼善高科技有限公司研發(fā)的 JSGY-2廣域電磁儀（見圖2）進行數(shù)據(jù)采集，該儀器內置高性能計算機，可完成多個通道并行高速數(shù)據(jù)的實時采集、運算和處理；發(fā)射系統(tǒng)包括輕便的信號控制器和電源柜，主要用于大功率電磁信號的發(fā)送。系統(tǒng)設計時嚴格將強電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)分離，既保證了操作人員的安全，也減少了強電系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的影響。高精度時鐘源和數(shù)字信號合成技術確保發(fā)送信號頻率準確無誤，搭載的偽隨機信號控制器可一次完成多個頻率的發(fā)送，工作效率高。

圖2 廣域電磁法設備及施工示意圖（AB是發(fā)射電纜兩個接地極的距離，一般為1～3 km，本次試驗受場地影響，為890 m）

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 信號發(fā)射與接收

基于安全和便于施工的原則布置供電電源，就近選擇供電變壓器，變壓器為380 V三相四線市電，功率為120 kV·A。本次供電電壓設置在130 V左右，發(fā)射站主要包括100 kW開關電源、100 kW逆變柜、信號控制器等設備，收發(fā)距約4 700 m，受場地影響，兩端接地電纜（見圖2b中AB）距離為890 m，最大發(fā)射電流70 A。

試驗區(qū)地下1.5～2.5 m內存在大量金屬、塑料管線，為避免管線影響探測信號，利用高壓水鉆在測區(qū)256個測點打出孔深為5 m、直徑大于3 cm的鉆孔以埋設測量電極，測線及測點分布如圖3所示。由于電極線需在地下埋設約 1年，需對電極線進行防氧化腐蝕保護。電極線穿過PVC（聚氯乙烯）套管連接地面，下端連接電極，上下端均密封防水。埋設在孔內的PVC套管頂部略低于地面，將測量電線引入水平PVC套管埋設在地面槽內，槽內放麥稈以防水防凍。測量電極距離（見圖2b中MN）為20 m。

圖3 試驗區(qū)電磁場監(jiān)測測線及測點分布圖

實際測量時，采用多臺接收機同時測量，頻率范圍0.015 6～8 192.000 0 Hz，頻點40個，根據(jù)趨膚深度計算公式[14]，可實現(xiàn)地表至地下3 km的探測，滿足本次試驗的探測深度要求。為了驗證埋置測量電極的效果，在相同的測點，采用同一臺接收機的兩個通道同時采集并對比了測量電極埋置于地表和地下5 m的視電阻率數(shù)據(jù)。測量電極埋置于地表時，淺埋管線的干擾嚴重，導致視電阻率曲線振蕩；測量電極埋置于地下5 m時，避開了淺埋管線的干擾，視電阻率數(shù)據(jù)質量改善明顯（見圖4）。

圖4 測量電極埋置于不同位置時測得的視電阻率曲線對比

2.3.2 野外數(shù)據(jù)采集

注入井注液1個月后的2015年11月20日，開始實施第1次數(shù)據(jù)采集工作，為后續(xù)采集提供基礎數(shù)據(jù)，共進行4次數(shù)據(jù)采集（見表2）。

表2 數(shù)據(jù)采集時間

2.4 數(shù)據(jù)處理及效果分析

2.4.1 測井約束三維電阻率反演

資料處理采用重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)GME_3DI（V6.1）中的廣域電磁法數(shù)據(jù)處理模塊。以收集到的電阻率測井資料為基礎，結合區(qū)域地質信息和地層的電性資料，建立測區(qū)初始地電模型。對采集的廣域電磁法實測數(shù)據(jù)進行預處理，進行一維連續(xù)介質反演成像；然后以一維反演成像的結果為基礎，再進行二維層狀介質反演成像；基于二維反演成果，結合測井數(shù)據(jù)約束層位和電阻率范圍，開展三維反演。第1次和第2次采集的全深度電阻率數(shù)據(jù)體如圖5所示。根據(jù)電阻率模型推斷，測區(qū)電性層分為 9層，區(qū)內電阻率分層產狀較為單一，基本呈水平分布，縱向上為高阻層、低阻層交互出現(xiàn)。SⅡ砂層組背景層位于第9電性層，為高阻層；SⅡ-7—SⅡ-14小層深度為980～1 015 m。

圖5 研究區(qū)地層電阻率特征

2.4.2 目的層電阻率特征

限于篇幅，本文只展示SⅡ-7小層的電阻率特征，第1次和第3次采集的SⅡ-7小層電阻率數(shù)據(jù)體如圖6所示。第1次采集結果為后續(xù)采集提供時域差分背景數(shù)據(jù)，目標層背景電阻率為高阻，且目標層位電阻率呈現(xiàn)以注入井為中心的不規(guī)則圓形異常，推斷為三元復合驅體系導致的電阻率異常；第3次采集發(fā)現(xiàn)以注入井為中心的電阻率異常依然存在，并且范圍進一步擴大?？衫脮r域差分和空域差分方法，推斷三元復合驅體系在兩次采集間隔期的分布和運移規(guī)律。

圖6 SⅡ-7小層電阻率模型

2.4.3 基于目的層電阻率差分的三元復合驅體系分布及運移特征

本次數(shù)據(jù)采集具有深度大、目標層薄、抗干擾能力強等特點，因此采取時域和空域切向一階差分等方法對反演獲得的三維電阻率數(shù)據(jù)體進行信息提取。利用第1次采集的數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)，對第2、3、4次采集的數(shù)據(jù)進行時域差分，得到第2、3、4次靜態(tài)圖件并做動態(tài)分析；采用殘差梯度推斷三元復合驅體系的橫向分布特征和運移規(guī)律（本文計算殘差梯度時采用任意一次采集和第1次采集的電阻率的差分）。

SⅡ-7和SⅡ-8a（SⅡ-8中最厚的小層）兩個厚油層的三元復合驅體系分布如圖7、圖8所示。由圖7可見，三元復合驅體系在SⅡ-7小層驅替半個月（第2次采集），還未運移到任何一口生產井；驅替6個月（第3次采集）時，三元復合驅體系波及3口生產井，說明主要向 N4-11-P3039井、N4-D20-P3139井及N4-20-SP3039井方向突進；北東、北西及南西方向驅替前緣均超出測區(qū)邊界，可能受監(jiān)測區(qū)外其他井組三元復合驅體系運移影響所致。第4次采集與第3次采集僅間隔14 d，三元復合驅體系分布范圍擴大趨勢不明顯。

圖7 SⅡ-7小層三元復合驅體系分布模型

圖8 SⅡ-8a小層三元復合驅體系分布模型

由圖8可見，三元復合驅體系在SⅡ-8a小層驅替半個月時，還未運移到任何一口生產井；驅替 6個月時，波及 2口生產井，主要向東西向運移，即向N4-D20-P3039、N4-D20-P3139兩口采出井方向突進。東側驅替前緣位置超出測區(qū)邊界，可能受其他井組三元復合驅體系運移影響所致。第4次采集與第3次采集僅間隔14 d，三元復合驅體系分布范圍小幅度擴大。

2.4.4 生產數(shù)據(jù)對比

該區(qū)塊在三元復合驅前，已經進行過聚合物驅油。從井組生產動態(tài)數(shù)據(jù)可見（見表3），2015年 12月 5日（第2次采集），4口生產井均沒有采出堿或表面活性劑；2016年5月15日（第3次采集），4口采出井的堿和表面活性劑的濃度升高，說明三元復合驅體系已經突破，生產數(shù)據(jù)和廣域電阻率模型以及目標區(qū)三元復合驅體系分布模型一致。另外，采出井含水率的波動與聚合物采出濃度未見明顯相關性。

表3 井組生產動態(tài)數(shù)據(jù)

3 結論

三元復合驅體系具有低電阻率特征，與儲集層電阻率存在顯著差異，可以采用電磁法進行驅油監(jiān)測。通過5 m鉆孔深埋測量電極和減小收發(fā)距的方法，解決了干擾信號大、有用信號被屏蔽的問題，提高了數(shù)據(jù)采集質量、信噪比和觀測精度，采集數(shù)據(jù)真實有效地反映了地層信息，推斷了三元復合驅體系的展布范圍及前緣位置，可對油層三元復合驅體系的井間連通性進行判斷，為三元復合驅注采參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

目前采用的地面激發(fā)-地面接收方式難以實現(xiàn)薄層識別，故未能對各油層的三元復合驅體系運移規(guī)律做出分析，為了提高分辨率，下一步將從提高激發(fā)效果、采樣率、空間數(shù)據(jù)密度 3個方面開展攻關：①采用井筒供電方式，近距離激發(fā)三元復合驅體系運移導致的電磁場變化；②采用連續(xù)監(jiān)測方式，提高時間域數(shù)據(jù)密度，動態(tài)反映三元復合驅體系的運移規(guī)律；③加密激發(fā)信號頻率，提高縱向分辨率；加密測點距離到5 m或10 m，提高橫向分辨率。

符號注釋：

E——電流，A；Ex——與源同向的電場水平分量，V/m；hj——第j層的厚度，m；i——虛數(shù)單位；J0(λr)、J1(λr)——以rλ為變量的零階和一階貝塞爾函數(shù)；j——電性層序號，j=1，2，…，N；kj——第j個電性層的波數(shù)；M1——一階差分的模，Ω；N——電性層的層數(shù)；PE——偶極源的電偶極矩，A·m；r——收發(fā)距，m；R1和R1*——聯(lián)系地表和下半空間（地球）電性特征的兩個函數(shù)；x，y，z——坐標軸3個方向；IJη——殘差梯度，無因次；θ——電偶極源方向和源的中點到接收點矢徑之間的夾角，（°）；λ——積分變量；μ0——自由空間的導磁率，F(xiàn)/m；ρ——電阻率，Ω·m；ρI、ρJ——驅替后第I次和第J次采集得到的三維電阻率數(shù)據(jù)體，Ω·m；ρj——第j個電性層的電阻率，Ω·m；σj——第j個電性層的電導率，S/m；φ——測量夾角，（°）；ω——角頻率，rad/s。