井孔瞬变电磁短偏移距远探测能力研究
A short offset transient electromagnetic method for long-distance exploration of boreholes
通讯作者: 毛玉蓉(1976-),女,博士,副教授,硕士生导师,主要从事时间域电磁法数值模拟及电磁勘探新技术的研究与教学工作。Email:500061@yangtzeu.edu.cn
责任编辑: 沈效群
收稿日期: 2022-11-8 修回日期: 2023-05-10
基金资助: |
|
Received: 2022-11-8 Revised: 2023-05-10
作者简介 About authors
李昊锦(2002-),男,硕士研究生,研究方向:电磁勘探。Email:
在油气及矿藏资源勘探中,井孔瞬变电磁远探测技术相比于常规测井和地震方法,具有分辨率高、多参数获取、无侵入性等优势,但在实际应用中仍存在一些技术挑战和限制,需要综合考虑各种因素,选择合适的勘探方法和方式来获取地下资源的准确信息。为此,进行了井孔瞬变电磁装置关键参数对探测距离影响的研究,基于有限元法分别计算了不同收发矩、不同线圈参数、不同探测距离下低阻体和高阻体的响应。结果表明:在井孔瞬变电磁短偏移距远探测中,收发矩的大小对时间域电磁探测距离的影响不大,而线圈参数能明显影响井旁探测距离;在200匝2 A的发射线圈参数下,井孔瞬变电磁探测法对低阻体更为敏感,井旁探测距离可达40~50 m,对高阻体的探测距离为30 m。研究表明,采用小尺寸井孔瞬变电磁探测仪实现短偏移距井旁远探测是可行的。
关键词:
With an increase in the difficulty with the exploration of oil, gas, and mineral resources, conventional log and seismic methods fail to accurately evaluate the geological structures and transverse reservoir distribution far from boreholes. Therefore, this study proposed a transient electromagnetic (TEM) method for long-distance exploration of boreholes. Specifically, this study investigated the influence of key parameters of TEM devices for boreholes on the exploration distance. Based on the finite element analysis, this study calculated the responses of low- and high-resistivity geobodies under different receiver-transmitter distances, coil parameters, and exploration distances. The results showed that receiver-transmitter distances had little effect on the distance of electromagnetic exploration in the temporal domain. However, the results indicated that coil parameters had significant effects on the near-well detection distances. Under the transmitter coil parameters of 200 turns and 2A current, the TEM method for boreholes was more sensitive to low-resistivity geobodies, with near-well exploration distances reaching 40~50 m and 30 m for low- and high-resistivity geobodies, respectively. Therefore, it is feasible to conduct short-offset near-well long-distance exploration using TEM detectors with short transmitter coils for boreholes.
Keywords:
本文引用格式
李昊锦, 毛玉蓉, 周磊, 谢兴兵, 郭庆明, 刘灿, 柯相彬, 贺煜斐.
LI Hao-Jin, MAO Yu-Rong, ZHOU Lei, XIE Xing-Bing, GUO Qin-Ming, LIU Can, KE Xiang-Bin, HE Yi-Fei.
0 引言
随着人们对石油、天然气等矿产资源需求的日益增加,深部探测成为石油资源探测的下一个主要方向,因此对传统的测井提出了探测距离更远、更深的要求。由于传统测井方法存在垂直分辨率和探测深度无法兼容等问题[1],无法满足了解距离井孔较远区域的地质构造信息(储层、横向分布及变化、断层等的发育状况)的需要,亟待提出一种适用于井孔远区油气资源勘探的新方法。
井孔远探测是近年发展起来的一项创新型测井技术。井孔瞬变电磁远探测技术可以突破传统测井技术的空间评价尺度,精细描述远井区(约井旁50 m)的油藏构造形态、储层展布、油气富集和流体分布情况,在探测深度和分辨率方面具有广阔的应用前景[2]。国内的电磁测井技术尚未成熟。,目前市场上商用井中电磁远探测仪器以第一代(横向勘测距离约5 m)和第二代(横向勘测距离约30 m)电磁远探测仪器为主[3],均采用频率域方法,探测距离有限且施工不便。20世纪末提出的时间域感应测井理论[4⇓⇓-7]将时间域瞬变电磁法应用于井中,采用多匝数、小回线组合装置进行井中探测,理论上不仅具有受低阻层影响小、分辨率高、体积效应小、旁侧影响小、测量快速高效和携带轻便等优点[8-9],也能够实现井旁深远区地质构造信息的精细描述,弥补了传统测井和地震方法的不足。在早期,Takashi Itoh等[10]研究和验证了时间域电磁法对地下异常体的探测能力和距离。在此基础上,臧德福、郜杰等通过模拟,验证了时间域电磁测井方法在测井中的可行性[11-12];蒋海蓉、范涛等分析了影响时间域电磁远探测的因素,并在实践中取得了良好成果[13-14]。但是,在井孔全空间电磁远探测方面则缺少针对线圈参数等因素,特别是短偏移距井旁探深能力的研究。本文主要研究短偏移距下收发矩和线圈参数对井孔时间域电磁远探测能力的影响,研究结果对于井中瞬变电磁远探测仪器的优化设计和合理布局具有借鉴意义。
1 井孔瞬变电磁基本理论
图1
图1
井孔瞬变电磁远探测原理示意
Fig.1
Schematic of borehole transient electromagnetic remote detection
2 基本方程
所有的电磁现象都服从麦克斯韦方程组,瞬变电磁法从时间域出发计算电磁场。在认为大地介质为各向同性、线性、均匀,且忽略位移电流的准静态条件下,时间域麦克斯韦方程组为[18]:
其中:
式中:E为电场强度;B为磁感应强度;H为磁场强度;D为电位移;j为电流密度;
当频率小于1
式(2)和式(3)是无源空间中电场强度矢量和磁场强度矢量所满足的的扩散方程。
采用三角形网格,将求解区域剖分为有限个三角形单元,按照一定规律存储每一个单元和节点构成数组,用插值函数建立起各单元内的函数变化关系。若使用线性差值法,则在线性三角单元中,未知函数
式中:a、b和c为待定常数,e为单元编码。
如图2所示,顺时针方向在一个单元格内给节点编号,则每个节点上的场值可表示为:
图2
然后,选取合适的差值基函数N,有:
通过插值函数,按照所求解的泛定函数将每个节点位置的场值用大型稀疏矩阵表示,其中矩阵阶数和节点总数相同。最后,再利用直接法或迭代法求解。
3 井旁探测能力影响因素研究
在利用井孔瞬变电磁进行井旁探测时,一般采用三分量发射和三分量接收,绘制井旁地层的三维时域衰减曲线[17],形成井旁电性参数剖面。本文首先研究单分量发射的响应,考虑到实际井中测量情况和研究需要,进行垂直井、水平井和斜井的井旁探测能力的研究。
图3
表1 模型参数
Table 1
项目 | 相对磁导率 /(H·m-1) | 相对介电常数 | 电阻率 /(Ω·m) |
---|---|---|---|
均匀地层 | 1 | 1 | 50 |
异常体 | 1 | 1 | 10,500 |
泥浆 | 1 | 1 | 1 |
为验证有限单元算法的正确性,设定均匀全空间电阻率为50 Ω·m,线圈电流为1 A,用有限元算法计算全空间的响应,与全空间响应的解析解结果对比验证。模拟结果与数值解的响应结果吻合较好,说明该模型符合井中全空间瞬态电磁响应结果,可以确保后续计算的准确性。
图4
3.1 收发矩对井旁低阻体探测距离的影响
设置围岩的电阻率为50 Ω·m,异常体的电阻率为10 Ω·m,采用控制变量法,保持发射线圈半径5 cm、发射电流1 A、线圈匝数200不变,分别将收发矩设置为2、3、4、5 m,并在不同收发矩下改变异常体与井壁的水平距离(即探测距离),范围为1~50 m,分别观察垂直井、水平井和斜井的水平磁场分量Hx和垂向电场分量Ez的响应。
图5
图5
不同收发矩的影响(探测距离20m)
Fig.5
The influence of anomalous body in different distance between transmitter and receiver(detection distance of 20m)
3.1.1 垂直井
图6
图6
垂直井不同探测距离下的Hx、Ez剖面(2m收发矩)
Fig.6
Hx and Ez profile with different detection distances in vertical well(2m between transmitter and receiver)
图7显示,在5 m的收发矩时,低阻异常体的井旁探测距离依旧可以达到50 m。但是,在关断后100 ms感应磁场逐渐减弱消失,而感应电场则在10 ms时就近乎衰减为0,虽然能够在异常体附近观察到等值线异常,但是却很难与插值造成的异常明显区分开来。
图7
图7
垂直井关断后不同时刻的Hx、Ez剖面(5m收发矩)
Fig.7
Hx and Ez profile with different time of OFF-TIME in vertical well(5m between transmitter and receiver)
3.1.2 水平井
水平井模型对异常体与井壁横向距离(探测距离)的探测与垂直井相同,此时将水平井位于地层模型最上方,观测井壁单侧的磁场和电场响应。
如图8所示,在收发矩分别为2、3、4 、5 m,探测距离为50 m时,水平井中的异常探测能力与垂直井的类似,磁场和电场所产生的等值线异常依然存在且清晰可见,表明水平井短偏移距对低阻体的井旁探测距离同样可以达到50 m。
图8
图8
水平井不同收发矩的Hx、Ez剖面(探测距离50m)
Fig.8
Hx and Ez profile with different transmission and reception distances in horizontal well (detection distance of 50m)
3.1.3 斜井
实际工程中,带有一定角度的斜井情况较多,发射线圈和接收线圈无法实现垂直或者水平同步,对此也进行了初步的分析计算。设置距离竖直位置向左偏移10°的斜井模型,观测井壁两侧的磁场和电场响应,模型如图3c所示。
图9显示,在斜井中随着收发矩的改变,Hx与Ez仍然能够反映出异常体的响应,探测异常体距离井壁的距离可以达到50 m。感应场的扩散速度也与前述情况不同,这是因为斜井在空间中激发的二次场感应场的分布规律相较于垂直和水平井时要更为复杂。井旁埋藏0~50 m处的低阻异常体处所引起的二次感应场在断电1~100 ms后持续存在,对于垂直和水平井而言,10 ms时的磁场响应和3 ms时的电场响应最能体现异常体位置,同时电场的探测效果优于磁场的探测效果。
图9
图9
斜井不同收发矩的Hx、Ez剖面(探测距离50m)
Fig.9
Hx and Ez profile with different transmission and reception distances in inclined well (detection distance of 50m)
3.2 线圈参数对井旁探测距离的影响
3.2.1 发射线圈电流大小的影响
选择5 m收发矩,保持发射线圈半径5 cm、线圈匝数200,异常体电阻率为10 Ω·m,距离井壁保持30 m不变,逐次改变发射电流大小为1 A、2 A和3 A,在垂直井中分别观察水平磁场分量Hx和垂向电场分量Ez等值线图。
图10
图10
不同发射电流时的Hx、Ez剖面
Fig.10
Hx and Ez profile with low resistance anomalous body at different emission current
图11
图11
不同发射电流的影响
Fig.11
The influence of anomalous body at different emission current
但是,在实际的井孔探测试验时,还需要综合考虑线圈自身的参数和井况来决定发射电流的大小。
3.2.2 发射线圈匝数的影响
选择2 A发射电流和5 m的收发矩,发射线圈半径5 cm,异常体电阻率为10 Ω·m,距离井壁保持30 m不变,逐次改变发射线圈匝数为200匝、100匝和50匝,在垂直井中分别观测Hx和Ez。
图12
图12
不同线圈匝数时的Hx、Ez剖面
Fig.12
Hx and Ez profile with low resistance anomalous body at different coil turns
图13
3.3 异常体电阻率的影响
为了分析相对高、低阻异常体在井孔远探测中的差异性,设置井孔附近异常体电阻率为500 Ω·m,在线圈匝数为200匝,发射电流为1 A,收发距为5 m时,异常响应如图14所示。
图14
图14
高阻异常体在不同探测距离时的Hx、Ez剖面
Fig.14
Hx and Ez profile with high resistance anomalous body at different detection distances
4 结论及讨论
1)在发射线圈匝数200匝,发射电流为1A的条件下,井孔时间域电磁探测的井旁探测距离可达50 m,收发矩对井旁探测距离的影响不大。
2)在保持收发矩为5 m,低阻体在井旁30 m处的情况下,发射电流为3 A时异常体造成的影响最为显著;同时在5 m的收发矩下,200匝2 A的发射线圈参数对井旁探测距离可达50 m。
3)在相同装置条件下,井孔瞬变电磁短偏移距探测方法对低阻体更为敏感,磁场分量的观测使得井旁探测距离可达40~50 m,电场分量的观测使得探测距离达到100 m; 而对于高阻体,磁场分量的观测使得探测距离达到30 m,电场分量的观测使得探测距离达到50 m。
总体看来,在井孔探测方法中,利用短偏移距瞬变电磁法实现远探测是可行的。结合实际井孔探测情况,在井孔瞬变电磁短偏移距方法中可考虑磁电混合模式进行探测,但是这种模式对仪器的要求更高,尤其是对斜井眼,仪器参数的设计以及数据处理中井斜校正等因素均要加以考虑。另外,在斜井眼中发射和接收垂向上不同步,需要进一步考虑计算井孔中时间域电磁张量,获取井中不同深度的时间域电磁张量的响应。
参考文献
关于频率电磁测深几个问题的探讨(八)—频率电磁测深与瞬变电磁测深的关系
[J]. ,
On the relationship between the frequency electromagnetic sounding with the transient electromagnetic sounding
[J]. ,
国外矿产勘查井中物探技术应用新动态
[J]. ,
New dynamic of borehole geophysical technology application of mineral exploration abroad
[J]. ,
测井技术专利信息
[J]. ,
Patent information of logging technology
[J]. ,
电磁测深基础
[M]. .
瞬变电磁测深法
[J]. ,
Transient electromagnetic bathymetry
[J]. ,The Deep Transient Electromagnetic (DTEM) or Long Offset Transient Electromagnetic (LOTEM) is an active electromagnetic measurement method. It is a very efficient exploration method for reaching large penetration depths of up to 10 km.The DTEM is very useful for hydrocarbon exploration in basins covered or inter-bedded by basalt, valcanic layers, salt and anhydrite.In comparison with other electromagnetic method, DTEM has the advantages of being less sensitive to lateral inhomogenities, having the best coupling to the subsoil and measuring in the absence of primary field.This paper provides a briefly summarization of principles and of theory for the DTEM, the technical system in the field, and the data processing and interpretation.
井中磁源瞬变电磁响应特征研究
[J]. ,
Research on transient electromagnetic response of magnetic source in borehole
[J]. ,
地—井瞬变电磁响应特征研究
[J]. ,
Study on the electromagnetic response characteristics of ground-well transients
[J]. ,
Electron coupled interaction in solid Iodine
[J]. ,DOI:10.1143/JPSJ.12.763 URL [本文引用: 1]
瞬变电磁测井原理研究Ⅲ:电磁波
[J]. ,
Theory study for transient electromagnetic logging Ⅲ:Electromagnetic wave
[J]. ,
瞬变电磁测井方法试验研究
[J]. ,
Experimental study on transient electromagnetic logging method
[J]. ,
圆柱坐标系下三维瞬变电磁过套管响应特征研究
[J]. ,
Study on response characteristics of 3D transient electromagnetic through casing in cylindrical coordinate system
[J]. ,
瞬变电磁方法在探测煤矿浅层高阻采空区中的应用
[J]. ,
Application of TEM in detecting goaf of coal mine with high-resistivity and shallow-layer
[J]. ,
多激励源瞬变电磁探测方法在煤矿采空区的应用
[J]. ,
Application of the multi-excitation source transient electromagnetic detection method in coal mine goaf
[J]. ,
电偶源瞬变电磁测深研究(一)—基本原理
[J]. ,
Electromagnetic bathymetry of galvanic source transient (I):Basic principle
[J]. ,
矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟
[J]. ,
Abnormal response characteristic simulation during transient electromagnetic detection in mine borehole
[J]. ,
瞬变电磁场的直接时域数值分析
[J]. ,
Direct time-domain numerical analysis of transient electromagnetic field
[J]. ,
/
〈 | 〉 |