儲層激電模型的瞬變電磁場模擬

周磊，嚴良俊，謝興兵　(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

隋俊杰　(中國石化石油物探技術研究院，江蘇 南京 210000)

儲層激電模型的瞬變電磁場模擬

周磊，嚴良俊，謝興兵(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

隋俊杰(中國石化石油物探技術研究院，江蘇 南京 210000)

[摘要]在時間域將Cole-Cole模型引入到長偏移距瞬變電磁場的正演模擬中，并驗證了算法的正確性。對某油田實際地電模型數值模擬可知，當油氣儲層存在激電時，電場對激電效應的反映比垂直磁場的時間導數要靈敏，這對指導時域激電和長偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應用具有重要意義。

[關鍵詞]儲層；長偏移距瞬變電磁法；時域Cole-Cole模型；激電效應

油氣儲層的激電效應已在電測井中得到證實，實際的復電阻率勘探中也得到了一些成功的例子[1～5]。但是，目前復電阻率法檢測油氣僅存在實驗基礎，機理不明，只是停留在假說階段。一是電子導電假說，油氣田形成后，其所含的烴類物質在溫度、壓力等條件作用下向上運移，由于淺部是氧化環境，深部是還原環境，通過電化學作用形成了黃鐵礦化現象，即“煙囪效應”；據此，通過對黃鐵礦化暈空間分布的探測達到檢測油氣的目的。二是離子導電假說，認為油、水及圍巖界面間存在雙電層結構，受外電場激發作用，會形成二次場，即產生激電效應，觀測二次場可進行油氣直接評價。無論上述哪種假說，對于深部的油氣儲層，要求激發電流有一定的強度，否則難以觀測到二次場。通常接地電偶源的激發電流要比磁偶源強幾個數量級，因此，目前在油氣檢測與監測中都毫無例外地采用接地長導線源。

為了探討時間域激電法油氣檢測和長偏移距瞬變電磁陣列油藏動態監測的可行性與有效性，研究儲層激電模型的電偶源瞬變電磁激發的電磁場變化特征有重要的實際意義。筆者采用正弦變換實現電偶源瞬變電磁場正演模擬，然后在時間域采用Guptasarma D.的算法[6]將激電效應加入到儲層模型的正演模擬中，分析油氣儲層的激電效應對瞬變電磁場的影響，這對長偏移距瞬變電磁法在油田勘探中的應用具有巨大的推動作用。

1方法原理

1.1長偏移距瞬變電磁法原理

根據文獻[7]推導出電偶源在層狀各向同性介質上的頻率域電磁場的表達式為：

其中：

式中：Ex為電場強度，V/m；PE為偶極矩，A·m；μ0為磁導率，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；r為偏移距，m；ki為波數；i=1,2,…,N為層數；θ為角度，(°)；Hz為垂直磁場強度，A/m；hi為第i層的厚度，m；ε為介電常數，F/m；ρi為第i層電阻率，Ω·m。

根據頻率域電磁場與時間域電磁場的關系[8]，采用正弦變換得到時間域的電磁場，將激電信息采用D.Guptasarma的算法在時間域將Cole-Cole模型引入到正演中，從而得到帶激電效應的瞬變電磁場。

1.2時域Cole-Cole模型

根據文獻[6]提出的數字濾波算法，得到Cole-Cole模型的時變電阻率的表達式為：

其中：

式中：ρ(t) 為考慮極化效應時的電阻率，Ω·m；t為時間，s；ρ(0)為零頻電阻率，Ω·m；m為極化率；φk為濾波系數；τ為時間常數，s；c為頻率相關系數；ak為濾波計算結點;Re(wk)為(wk)的實部。

2數值模擬及算法驗證

為了驗證時域Cole-Cole模型引入算法的正確性，筆者采用在頻率域將Cole-Cole模型引入然后再轉換到時間域的結果來驗證。根據某油田實際測井曲線得到實際地電參數為：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；采用偶極偶極發射裝置，發射電流為1A，偏移距為4000m。計算時第2層的激電參數為：c=0.25，m=0.5，τ=10s，計算結果如圖1所示，可以看出，Cole-Cole模型無論是在時間域引入還是從頻率域引入，計算的電場分量和垂直磁場的時間導數基本是重合的，這也進一步說明時域Cole-Cole模型引入的正確性。

圖1　時間域Cole-Cole模型與頻率域Cole-Cole模型對比圖

為了進一步探討長偏移距瞬變電磁法對油氣儲層激電效應的分辨能力，計算時保證其他參數不變，只改變儲層的極化率，即當儲層不存在極化時(m=0)和存在極化時(m=0.5)。圖2給出了油氣儲層有無極化時的對比圖，可以看出，當油氣儲層存在極化時，電場的振幅曲線比不存在極化時振幅曲線在0.04～0.4s范圍內要低，其他時間范圍內電場振幅曲線重合，由此可判斷出電場振幅曲線的變化主要是由油氣儲層激電引起的；垂直磁場的時間導數在油氣儲層有無極化時變化不明顯，這說明水平電場對油氣儲層的激電效應反應較靈敏，而垂直磁場時間導數對油氣儲層的激電效應反應不靈敏，這對指導時域激電和長偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應用具有重要意義。

圖2　油氣儲層有無極化時電磁場對比圖

3結論

1)筆者將Cole-Cole模型分別在時間域和頻率域引入，無論是電場的振幅曲線還是垂直磁場的時間導數在整個時間范圍內均無差別，驗證了采用Guptasarma D.算法將時域Cole-Cole引入到長偏移距瞬變電磁法正演模擬的正確性。

2)通過對某油田實際地電模型模擬知：當油氣儲層有無極化時，電場對油氣儲層的激電效應的反應比垂直磁場的時間導數要靈敏，這對指導時域激電和長偏移距瞬變電磁法在油田中的勘探應用具有重要意義。

[參考文獻]

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[4]劉崧，徐建華.用復電阻率法探測油氣藏的研究[J].地球科學，1997，22(6)：627～632.

[5]劉崧.激電法直接探測油氣藏的有效性及提高其應用效果的途徑[J].地質科技情報，1992，11(4)：81～86.

[6]Guptasarma D.Computation of the time-domain response of a polarizable ground[J]. Geophysics，1982，47(11)：1574～1576.

[7]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[8]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社，2007.

[編輯]龔丹

[引著格式]周磊，嚴良俊，謝興兵，等.儲層激電模型的瞬變電磁場模擬[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(11):22～24.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)11-0022-03

[中圖分類號]P631.325

[作者簡介]周磊(1985-)，男，博士生，現主要從事電法勘探及數值模擬方面的研究與學習工作；

通信作者：嚴良俊，yljemlab@163.com。

[基金項目]國家“973”規劃項目(2013CB228605)；國家自然科學基金項目(41274082)；油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)開放基金資助項目(K2014-13)。

[收稿日期]2014-09-27