油气藏识别中的地-井电磁正反演研究_董翔.pdf

董翔，高国忠，白彦 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究 石油物探，（）：，（）：收稿日期：。第一作者简介：董翔（），男，硕士在读，主要研究方向为电磁勘探。：通信作者：高国忠（），男，教授，博士生导师，主要研究方向为电法测井技术、电磁勘探、地球物理正反演、大数据和人工智能等。：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助。（）油气藏识别中的地 井电磁正反演研究董翔，高国忠，白彦（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 ；中国石油集团测井有限公司，陕西西安 ）摘要：地 井电磁方法是一种极具潜力的油气藏识别方法，日益受到业界重视。为研究地 井电磁方法有效识别各类油气藏分布的可能性，建立了相应的地面模型和地对井模型，采用基于电性源和磁性源的两种测量配置，配合不同的测量参数，通过正演模拟对地面模型和地对井模型进行浅层油气藏的灵敏度分析，比较得出性能最佳的测量模型、测量配置以及测量参数（如发射源的频率、发射源与接收器的间距）。进一步建立了一个地 井双源模型。然后，基于该模型采用高斯牛顿法的反演方法对各类别油气藏进行反演研究。灵敏度分析发现，地对井模型对浅层油气藏极其敏感。不同模型的反演研究表明，采用地 井双源模型能够对浅层油气藏进行精确反演；增设地面接收器的地 井电磁方法能够较为准确地刻画 深度的复杂油气藏的位置形态及断层背景；采用地 井电磁与井间电磁联合反演可以较为精准地识别 深度的典型缝洞型油气藏的大小与位置。抗噪实验证明，地 井电磁方法可以有效提升井间电磁方法的勘测精度且具有一定的抗噪性能。此方法可以为实际生产提供帮助，即在缝洞型油气藏的后期开发当中，利用井间电磁结合地 井电磁的方法可以实现对油气藏流体的监测和对其周围地层流体变化的监控。关键词：地 井电磁；缝洞型油气藏；井间电磁；灵敏度分析；高斯牛顿法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（.，；.，）：，（），第 卷第期 年月石油物探 ，：，相比于地震勘探方法，电磁勘探方法对地层电阻率的变化敏感且能够通过观测天然场源或人工场源激发的电磁响应实现对油气藏中流体分布的有效识别，是油气资源勘探和地球内部电性结构研究的重要技术之一。特别是对于长期通过水驱提高采收率的油田，如大庆油田，电磁勘探方法在监控水驱的效率及发现剩余油分布等方面起到了重要的作用。目前，井间电磁勘探方法和地面电磁勘探方法均已在油气勘探领域得到了广泛的应用，但都具有一定的局限性，如金属套管井限制了井间电磁方法的横向探测范围，使得井间电磁方法最大探测距离一般不超过 ；而地面电磁方法虽然能达到更远的勘探范围，但也只能识别油水的空间分布，难以精细描述储层的整体轮廓和纵向变化且信噪比不高。地对井电磁方法是另一种具有潜力的油水识别和油藏监控方法，该方法是将发射源置于地面，利用井中接收到的电磁波信号确定地层电性特征的一种地球物理探测方法。由于测量探头位于井中，因此可以获得更接近异常体的电磁响应，受到的干扰也比地面电磁方法要小，同时可以消除金属套管对发射源的限制。通过对所测得的电磁异常响应规律的研究，可以获得异常体的空间位置和几何参数等信息。在 世纪，等 利用地对井电磁方法在监测热流前沿，提高油气回收率等方面取得了显著进展；等、等 曾对地对井电磁方法圈定油气藏进行了一系列数值模拟研究，显示传统地对井电磁方法横向分辨率低，受近地表强电磁场耦合干扰严重，故此法的推广应用受到了限制。对此，等 提出将接收数据分为近地表数据和深部地层数据，以此消除干扰，但应用方面仍然局限于特定情况；等 提出固定井源距垂直电磁剖面地对井电磁成像方案，但其分辨率和勘探范围依然有限。在国内，魏宝君等 进行了地对井电磁系统成像的研究，取得了一定效果；李静和等 针对地对井垂直电磁 剖面法，考虑了均匀半空间和层状介质两种背景模型，应用积分方程法对其三维模型响应进行模拟研究，对模型的电阻率、规模大小、埋藏深度和离井距离等参数进行模拟计算，分析总结了模型参数变化时的电磁响应特征和规律，证实了地对井垂直电磁剖面法突出的探测能力；为提高信噪比，增大感应强度与探测深度，许颢砾等 提出地面 井下双源瞬变电磁立体探测法，意义在于克服地面瞬变电磁场信噪比较低而井下瞬变电磁发射磁距受限，探测深度较小的缺点，其将大线圈安置于地面发射，将小线圈安置于井下发射与接收，利用大线圈和小线圈同时向探测体发射一次电磁场脉冲，实现对探测体的识别。本文通过正反演系统研究地 井电磁法对油气藏有效识别的可行性。首先建立了地面电磁模型、地对井电磁模型及地 井双源模型，与许颢砾等 的双源模型不同之处在于，在其双源模型基础上增加了地面接收装置，同时实现地面对地面、地对井和井对地测量。通过正演模拟比较分析这些模型对油气藏的灵敏度，确认性能最佳的模型及各个模型对浅层油气藏进行电磁勘探的适宜参数。之后依据正演分析结果构建具有适宜参数的地 井模型，将此模型应用于 深度的复杂油气藏和 深度的油气藏的勘探模拟中。再采用高斯牛顿反演对以上油气藏进行反演研究，以研究采用地 井模型的电磁方法有效识别各种类型油气藏的可能性。石油物探第 卷理论模型与正演分析本文研究采用基于有限差分的维电磁场模拟算法。地面电磁模型的正演灵敏度分析图所示是基于地面电磁方法的浅层油气藏模型，平面与地面平行，轴为深度（地面），方向向下。在电阻率为 的各向同性背景介质中有电阻率为 的非规则形状电性异常体（油气藏，黄色）。此油气藏的上顶面到地面的垂直距离为 ，最大长度约为 ，厚度约为 。数值模拟采用方向网格大小为 ，而方向网格大小为。对此模型的测量采用间隔分布的方式，在的地面，至区间以 水平间距均匀布设个发射源，同时在地面（）上的 处至 处，以 水平间距均匀布设 个接收器（图）。在整个测量过程中，当其中一个发射源工作时，其它发射源处于关闭状态，依次进行信号的发射与数据采集，共进行次信号的发射与采集工作。图基于地面电磁的油气藏模型测量采用两种配置。一种是 配置，即源为方向的电偶极子源（），测量方向电场（）；另一种是 配置，即源为方向的磁偶极子源（），测量方向磁场（）。在模拟时，源的能量归一化。选择采用和分量，是因为同时考虑了测量信号强度和测量可操作性，在地面采用方向电性源时，测量，而在井筒中无论是电性源还是磁性源，都测量方向磁场分量，因为沿井筒方向放置测量线圈最方便，是地对井和井间电磁常用的配置。图显示了地面电磁模型不同的源随着源与接收器距离的变化其电磁场幅值相对变化的曲线。对比图、图、图 和图 发现，当采用 测量配置时，在频率为 情况下，电磁场分量的幅值变化高于 测量配置下电磁场分量的幅值变化，而在 情况下，测量配置对油气藏的灵敏度大大提高，并达到与 测量配置下类似的灵敏度；采用 测量配置时，在 下 所 测 得 的 电 磁 场 分 量 幅 值 变 化 高 于 在 下所测得的电磁场分量的幅值变化，表明在此模型下采用 测量配置，在一定范围内频率较低时，对油气藏的灵敏度更高；在 测量配置下，频率为 所测得的电磁场分量的幅值变化高于在 下所测得的电磁场分量的幅值变化，表明在此模型下采用测量配置，在一定范围内频率较高时，对油气藏的灵敏度更高。同时发现：使用 测量配置时，无论频率为 还是 ，所测电磁场分量的幅值极值绝对值最大的曲线均是 处的源所测得的黄色曲线，处的源所测得的黑色曲线次之，其中，各曲线的峰值多出现在源与接收器距离约为 时。说明该模型使用电性源时，在发射与接收距离约为 处，勘测效果最佳；使用测量配置时，无论频率为 还是 ，所测电磁场分 量 的 幅 值 极 值 绝 对 值 最 大 的 曲 线 均 是 处的源所测得的蓝色曲线。表明在此模型下，相较于 测量配置，使用 测量配置时，发射与接收的距离越大，模型灵敏度越高。第期董翔等 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究图地面电磁模型不同的源随着源与接收器距离的变化其电磁场幅值相对变化曲线（电性源为分量，磁性源为分量），；，；，；，为了展示实际测量电磁场分量的大小，图给出了图所示油气藏模型的电磁场分量幅值随源与接收器距离的变化曲线（频率为，源在 ）。由图可以看出，当源与接收器的距离约图图所示模型的电磁场分量的幅值随源与接收器距离的变化曲线（频率为 ，源在 ）为 时，幅值的变化最大。地对井电磁模型的正演灵敏度分析图给出了一个基于地对井电磁方法的油气藏模型。此模型的电阻率分布与图完全一致。在 处设置一口深度为 的垂直井，在井内以 垂直间距均匀悬挂 个接收线圈，并在地面（）上 至区间以 水平间距均匀布设个发射源。在整个测量过程中，当其中一个发射源工作时，其它发射源处于关闭状态，依次进行信号的发射与采集。图是图所示地对井电磁模型所测得的磁场分量（）的幅值变化图。测量时同样采用两种配置，一种是 配置，即源为方向的电偶极子源（），测量方向的磁场（）；另一种是配 置，即 源 为方 向 的 磁 偶 极 子 源（），测量方向的磁场（）。对比图和图可以看出，地对井模型所测的电磁场幅值变化在几种石油物探第 卷图基于地对井电磁的油气藏模型图地对井电磁模型所测得的电磁场分量的幅值变化电性源，；电性源，；磁性源，；磁性源，情况下均高于地面电磁模型所测到的电磁场的幅值变化，说明对于本模型，地对井方法的灵敏度高于地面电磁方法。对比图、图、图 和图 可以发现，使用 测量配置时所测得的电磁场分量的幅值变化明显高于使用 配置时所测得的电磁场分量的幅值变化，故地面发射、井中接收时，测量配置对油气藏的灵敏度更高。使用 测量配置时，在 下所测得的电磁场分量的幅值变化高于在 下所测得的电磁场分量 的 幅 值 变 化；使 用 测 量 配 置 时，在 下所测得的电磁场分量的幅值变化更高，表明对该模型采用 测量配置，在一定范围内，频率越低对油气藏的灵敏度越高；采用测量配置时，在一定范围内，频率越高对油气藏的灵第期董翔等 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究敏度越高。同时发现，采用 测量配置时，频率为 和 所测得的电磁场分量的幅值的极值的绝对值最大的曲线分别是 处的源所测得的黑色曲线和 处的源所测得的绿色曲 线；采 用 测 量 配 置 时，处 于 处的源所测得黑色曲线的值整体来看比其它曲线高，且距离接收井筒更远的个源所测得的幅值变化都出现了明显的下降，结合上文地面电磁模型的结论，说明在此模型中用 测量配置进行勘测时源 与 接收器 存在一 个最 佳 距 离，此 距 离 为 。模型的反演研究反演方法本文采用高斯牛顿法进行地 井电磁反演研究。将反演域进行离散化，形成个网格，其中和分别为方向和方向的网格数，假设代表要求解的网格中电导率参数的向量，则的参数个数为。反演是求解一个极小化非线性最小二乘问题，目标函数为：（）（）（）（）其中，为归一化数据代价函数，为模型代价函数，为正则化参数。采用高斯牛顿法，当迭代次时，使用（）式对正则化参数进行自动更新，即（）（）（）（）式将正则化参数与数据拟合误差相结合既保证了正则化参数随迭代次数的增加自动减小，同时保证了当数据拟合误差不再减小时，自动化参数不再减小，从而避免过度拟合的问题。（）式中，归一化数据代价函数为：（）（）；，（）；，（）（）其中，分别为频率、源和接收器的数量，向量为实测数据，为给定模型参数的模拟响应，矩阵；，是数据加权矩阵，其对角线元素采用测量噪声的标准偏差的倒数，频率加权因子可防止高频分量在反演过程中起主导作用，计算公式如下：（）其中，为角频率。模型代价函数表达式为：（）（）（）其中，为空间坐标，是一很小的正数，本文采用（），和分别为离散化单元格在方向和方向上的大小，函数的形式决定正则化是采用范数还是范数。采用高斯牛顿最小化框架，在第次迭代中，得到了求解搜索向量的一组线性方程组，该方程组确定了高斯牛顿搜索的方向，即（）（）式中，代价函数的梯度由（）式得到：（）（）海森矩阵为：（）（）式中：（）（）（）雅可比矩阵是模拟数据对模型参数的导数：，；，（）（）本文采用伴随方法 计算雅可比矩阵，仅需要额外一次正演计算。基于地面电磁模型的油气藏反演对图所示的油气藏模型进行反演。初始模型是电阻率为 的均匀介质。采用 配置获得测量数据，所用频率为，。本文所有的反演实例中，数据都加入的白噪声。图是反演得到的电阻率图像，图中红色线框表示真实油藏的轮廓（在本文中所有反演图像中真实油气藏都用红色线框表示）。图是对应的误差迭代曲线。经过 次迭代后，最终均方根误差收敛为 。可以看出，反演得到的电阻率图像与实际油气藏在空间位置上基本吻合，但油气藏周围出现大量假异常，表明石油物探第 卷图基于地面电磁的油气藏电阻率反演图像图基于地面电磁的油气藏电阻率反演误差迭代曲线地面电磁对浅层油气藏的空间位置具有一定的识别能力，但精度有限。基于地对井电磁模型的油气藏反演图是对图所示的油气藏模型的反演结果。初始模型 是 电 阻 率 为 的均 匀介质。采用 配置获得测量数据，所用频率为，。图是对应的误差迭代曲线。经过 次迭代后最终均方根误差收敛于 ，相较于地面电磁方法，油气藏的位置和形状都有了极大的改善，假异常大大减少，油藏体轮廓也更加接近实体。说明对于此模型，地对井电磁方法能够更准确地识别油气藏。图基于地对井模型的油气藏反演电阻率图像（红色线框表示真实油藏体的轮廓）图基于地对井模型的油气藏反演误差迭代曲线基于地 井双源电磁模型的油气藏反演为了实现对油气藏更为精确的识别，在上文模型基础上构建一个地 井双源电磁模型并进行反演研究。许颢砾等 所建立的地面 井下双源电磁模型同时采用了地面大线圈发射加井下小线圈发射与接收，利用大线圈和小线圈同时向探测体发射电磁场脉冲，实现对探测体的识别。此次实验所用双源模型与之不同之处在于，在地面上 至的区间增加了等间距分布的接收线圈，相当于融合了地对井模型、地面对地面模型以及井对地面模型，具体模型如图 所示。第期董翔等 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究图 基于地井双源电磁的油气藏模型图 和图 分别是对图 所示的油气藏模型反演得到的电阻率图像和反演误差迭代曲线。初始模型是电阻率为 的均匀介质。采用 配置获得测量数据，所用频率为，。反演 经 过 次 迭 代 后 最 终 均 方 根 误 差 收 敛 于 ，可以看出，本文所提出的双源模型结合了种测量配置的优势，不仅保留了地对井模型在整体轮廓上的清晰度，同时油气藏两端的细节刻画更加准确。表明双源模型能够进一步提升地下油气藏的识别精度。图 基于地 井双源电磁模型的油气藏反演电阻率图像（红色线框表示真实油气藏的轮廓）图 基于地 井双源电磁模型的油气藏反演误差迭代曲线基于地 井电磁模型的复杂油气藏反演以上反演研究仅针对浅层的简单油气藏模型。为探究地 井模型对于相对较深的复杂油气藏的识别能力，建立如图 所示的复杂油气藏模型。该模型含一个断层，属于各向同性介质，长为 ，深为 ，背景电阻率值在。在地质体内部构造一个半月形状的油气藏电性异常体，此油气藏的上顶面与地面的垂直距离为 ，电阻率值为 。由于井中小线圈的功率限制，当小线圈的安置深度超过 时，其探测能力将大打折扣，故在上文双源模型基础上取消井中的发射线圈。如图 基于地 井电磁的 深度的复杂油气藏勘探模型石油物探第 卷图 所示，在地面（；）上 至区间以 水平间距均匀安置个发射源，在 处设置一个 深的垂直井，在井中以 垂直间距均匀布设 个接收线圈，在 至 区间，以 水平间距均匀布设 个接收器。保留地面的接收器是为了增强对浅层断层构造的识别。采用 配置（针对地面接收）和 配置（针对井间接收）获得测量数据，所用频率为，。初始模型是电阻率为 的均匀介质。图 和图 分别是反演得到的电阻率图像和相应的反演误差迭代曲线，经过 次迭代后最终均方根误差为。可以看到，反演图像能够很直观地反演出油气藏异常体的位置，地层分界线和挤压断层也能清晰地识别，油气藏在横向上的轮廓反演结果较为理想，与原始模型十分接图 基于地 井电磁模型的复杂油气藏反演电阻率图像（红色线框表示真实油气藏的轮廓）图 基于地 井电磁模型的复杂油气藏反演误差迭代曲线近，反演结果表明地 井电磁方法可以较为精准地识别本模型所示的 深度的典型复杂油气藏的大小和位置。联合井间电磁反演塔河油田具有丰富的碳酸盐岩缝洞型油气藏资源，在缝洞型油气藏的后期开发当中，对其储层变化进行监测是一个重要问题。由于地 井电磁方法的探测深度有限，因此先使用井间电磁进行实验，如图 所示。参考塔河油田十区西工区的碳酸盐岩储层，建立一个长 ，深 的缝洞型油气藏勘探模型。该模型背景介质为各向同性，在其内部构造一个缝洞型油气藏，此油气藏的上顶面到地面的距离为 ，长约 ，厚约 ，将该油气藏电阻率设 为 ，背 景 地 层 的 电 阻 率 设 为 。在 处和 处构造两口垂直井，在 处的井中悬挂一个源，让源在 到 间以 垂直间距向下移动并发射信号，在 处的垂直井中 到 间以 垂直间距均匀布设 个接收器。图 基于井间电磁的缝洞型油气藏勘探模型井间电磁测量采用的是 测量配置，频率是 。图 是对缝洞型油气藏进行反演得到的电阻率图像。经过 次迭代后最终均方根误差第期董翔等 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究图 基于井间电磁模型的缝洞型油气藏反演电阻率图像（红色线框表示真实油气藏的轮廓）为，从图 中可以明显看出油气藏的位置和形状，但由于井间电磁在浅部地层未布设源和接收器，导致地层界线反演相对模糊。本文提出增加地对井数据进行联合反演。以 水平间距在地面 至 区间增设个源，与地对井模型在 配置下，频率为 所测的电磁响应数据进行联合反演，模型如图 所示。图 是对 深度的缝洞型油气藏进行反演得到的电阻率图像。采用的初始模型是电阻率为 的均匀介质，经过 次迭代后最终均方根误差为，从反演图像不仅可以直观看出油气藏的位置和大概的形状，且浅部地层界线的反演结果得到了很大的改善。证明地对井数据虽然对较深处油气藏识别能力有限，但却可以有效结合井间电磁，在后期监测缝洞型油气藏流体及周围地层结构变化等方面发挥重要作用。联合反演抗噪测试为检验联合反演模型的抗噪能力，分别在数据中加入噪声和 噪声进行测试。图 是加入噪声情况下反演得到的电阻率图像；图 是加入 噪声情况下反演得到的电阻率图像。可以看出，噪声导致假异常增多，但仍可看出油气藏的空间位置且电阻率得到较好的恢复。说明联合反演模型具有一定的抗噪性。但实际作业时，为追求最终结果的精度，需要尽量将噪声控制在一个较低的水平。图 联合井间和地对井模型图 加噪声的缝洞型油气藏联合反演电阻率图像（红色线框表示真实油气藏的轮廓）石油物探第 卷图 对缝洞型油气藏联合反演的噪声测试（红色线框表示真实油气藏的轮廓）加入白噪声；加入 白噪声结论本文使用正反演方法研究了电磁方法对油气藏的识别能力。）建立了电磁勘探地面模型、地对井模型对含有浅层油气藏的简单二维构造进行正反演的试验。通过正演模拟进行了油气藏识别的灵敏度分析，发现地对井电磁模型对浅层油气藏敏感度相对较高，而地面电磁模型的灵敏度相对较低。）通过高斯牛顿反演进行反演验证。反演结果表明，地面电磁模型对浅层油气藏的空间位置具有一定的识别能力，但精度有限；相较于地面电磁模型，地对井电磁模型的接收器安置位置距离油气藏越近，对油气藏的灵敏度越高，反演出的油气藏轮廓也更加接近实际，对油气藏两端的细节也刻画得更为精准，反演结果符合灵敏度分析结论。）为追求更精准的结果，将以上模型融合提出地 井双源电磁模型，即地面对地面，地对井和井对地种模型的结合。使用双源电磁模型所测数据，最终的反演结果与预设的油气藏模型十分吻合，显示了其对于浅层空间隐蔽体极佳的探测能力。将改进的地井电磁模型应用于 深度的复杂油气藏的识别，反演结果表明地 井电磁模型可以对 深度的典型复杂油气藏的大小和位置实现较为精准的识别。最后，用地对井电磁模型联合井间电磁模型对 深度的缝洞型油气藏进行反演，结果显示，地井电磁方法可以有效提升井间电磁方法勘测的精度和对地层电阻率异常体的识别能力，且具有一定抗噪性能，可以为实际生产提供帮助，即在缝洞型油气藏的后期开发当中，利用井间电磁结合地 井电磁的方法实现对油气藏流体的准确监测和对其周围地层流体变化的精准监控。未来将和油田合作获得实际数据进一步验证上述结论，在实践中使用该电磁方法实现对深部油气藏的有效识别。参考文献林君，薛国强，李貅 半航空电磁探测方法技术创新思考 地球物理学报，（）：，（）：，：第期董翔等 油气藏识别中的地 井电磁正反演研究 ，：，：朱建德，张之武，陈孝聪，等 新疆哈巴河县阿依托汉铜矿瞬变电磁深部探矿预测 地质与勘探，（）：，（），（）：，：底青云，方广有，张一鸣地面电磁探测系统（）研究地球物理学报，（）：，（），（）：彭勇辉，李帝铨柴达木盆地某油气聚集区电性结构研究岩性油气藏，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：魏宝君，张庚骥 地面井孔电磁系统成像方法研究 中国石油大学学报：自然科学版，（）：，（）：李静和，何展翔地井垂直电磁 剖面法油藏开发三维模型电场响应特征石油地球物理勘探，（）：，（）：许颢砾，王大庆，刘志新，等地面井下双源瞬变电磁立体探测模拟研究地质与勘探，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：（编辑：陈杰）石油物探第 卷