曾方禄
(中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)
基于海洋MCSEM监测的海底油气后期开发的可行性
曾方禄
(中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)
为了探讨海洋可控源电磁法(MCSEM)监测海底油气后期开发的可行性,根据油气运移及开采过程中储层电阻率变化特点,设计并利用MCSEM一维正演程序试算不同的海底电阻率模型,包括海底沉积层仅有储层的简单模型和储层上方有高阻覆盖层的复杂模型,分别将接收极沉放海底和油气钻井,分析电偶极子源在海底和井中的响应特征.结果表明:传统深海频率域接收模式MVO曲线能较好地反应储层电阻率的变化;井中接收频率域电场对于高阻层位的变化非常敏感;浅海下MCSEM在不同偏移距的时域电场信号既能分离空气波干扰,又能很好地反应储层电阻率变化.海洋可控源电磁法对于海底油气后期监测具有潜在优势.
海底油气开发;可控源电磁法 (MCSEM);电阻率模型;海洋电磁;一维正演;监测
海洋可控源电磁法(MCSEM)最早于20世纪70~80年代开始进行海洋试验[1-2],但受限于当时硬件技术,试验并未成功.随着20世纪末MCSEM仪器研发的成功,海洋电磁进入飞速发展时期,在海底油气前期勘探中发挥愈来愈重要的作用,并且已经开发一维到三维的正反演程序[3-7].近几年,由于MCSEM相比于海洋地震成本低,将其应用在海洋油气后期开发的监测及油气运移已逐渐成为研究热点.Martha Lien和Arnold Orange等探讨利用MCSEM监测海底油气储层电阻率变化的可行性[8-9];Alireza Shahin等[10]讨论海洋电磁监测海底油气开发的可能性;Kong F N等[11]在传统MCSEM基础上,将电磁接收极放置在海底油气井中,固定在油气出现的层位上观测电场,该方法有利于监测海底油气开发;Carsten S等[12]突破传统模式,将电磁发射源放置在海洋油气井中,将电磁接收极放在海底,该方法能够有效监测海底油气因开采而发生的运移;沈金松等定量分析空气波的干扰[13-14],为深入利用MCSEM勘探及监测提供理论指导;Kang S等研究利用MCSEM监测海底二氧化碳隔离的可行性[15].
由于海洋可控源电磁勘探技术的应用时间较短,在监测油气上的研究更少.我国传统疆域界限内的海域面积约为300×104km2,海域盆地面积约为140×104km2[16].近些年,不仅在成熟油气田周边进行滚动勘探扩大储量规模[17],还取得一系列新区、新领域的突破[18-19].与海洋地震比较,尽管MCSEM成本较低且实用,但是我国海洋电磁技术发展还没有取得实质性进展,有必要研究适合我国的海洋电磁监测技术.笔者基于海洋可控源电磁基本原理,试算多个电阻率模型,分析频率域及时间域MCSEM在油气监测应用的可行性.
在地球物理电磁勘探中,由于频率一般小于105Hz,因此可以忽略位移电流,得到麦克斯韦方程
组[20]:
式中:ω为圆频率;σ为电导率;μ为磁导率;Js为外加电源项[11].
利用磁矢势A,可将电场E和磁场B[21]表示为
由式(1)和(2)变换得到磁矢势亥姆霍兹方程,并做X和Y方向的二维傅氏变换,令,得到波数域下的磁矢势方程:
由于海洋电磁采用水平电偶极子,假设电偶极子沿Y方向布置,则磁矢势A=(0,Ay,Az),相应的波数域下的磁矢势采用汉克尔变换,得到
式中:J0为零阶贝塞尔函数.求解磁矢势A后,通过式(2)得到电场和磁场的频率域响应.
式中:ai、bi、ci、di为各层衰减系数,在迭代计算中可以得到每层衰减系数;z为观测点深度;zs为源所在深度;源所在的层位δij=1,无源层位δij=0.
余弦数字滤波算法[22-23]计算式为
式中:Re为电场实部;Δ为采样间隔,在电磁余弦变换中一般取为第n个余弦变换滤波系数;t为当前时刻.
计算得到电场频率域响应后,利用式(9)将频率域结果转换到电场冲激信号的时间域响应.
海洋电磁发射接收系统见图1.假设海水电阻率恒为0.3Ω·m,海平面Z坐标为0 m,沉积层电阻率恒为1Ω·m,海底顶面Z坐标为2 000 m,储层上顶面Z坐标为3 000 m,下底面Z坐标为3 100 m.水平电偶极子发射机沉放在海水中,距离海底50 m,测线分别布置在海底和井中,激发频率为1 Hz.海底接收极沿Y轴每隔500 m测量1次,终点在与发射机水平距离20 km处,总共为41个接收点.井中接收极沿Z轴每隔20 m测量1次,终点在Z坐标为4 000 m的位置,总共为101个接收点.
图1 海洋电磁发射接收系统示意Fig.1 Schematic diagram of transmitter and receiver system of MCSEM
在海底接收时,可以同时接收水平电场和磁场,在垂直井中只能接收垂直电场.在海底油气后期开发过程中,由开采引起的油气运移使得储层电阻率改变.在储层电阻率变化时,为研究接收电磁响应变化规律及监测开发能力,设置储层电阻率从100Ω·m依次变化为80、60、40、20Ω·m.
2.1 频率域海底接收
目前最常用的海洋电磁勘探技术是将水平电偶极子放置在海底上方几十米内,接收极布置在海底上探测频率域水平电磁场.为研究海洋电磁勘探技术在油气开发过程中的监测能力,首先计算在海水深度为2 000 m时,海底接收到的电磁响应在储层电阻率变化时水平电场及磁场的变化.极化方向的水平电场和垂直极化方向的磁场能够有效探测到海底油气,因此只计算电场Y分量振幅Ey和磁场X 分量振幅B x
[3].根据电阻率模型及储层变化规律,计算结果(见图2(a)、(b))显示水平电场和磁场发生明显变化.
由图2(a)、(b)可以看出,在靠近发射源时,所有的曲线重合,说明接收极所得到的信号基本来自于发射源;随着收发距的逐渐拉大,振幅曲线分开,并且储层电阻率变化越大,相应曲线变化越大,说明将该技术应用于油气后期开发监测有很大潜力;随着收发距的继续增大,由于受到空气波及电磁波衰减等因素的影响,所有曲线再次重合.因此,应该选择合适的收发距,避免无用的信号采集.
为验证该方法在复杂区域的监测能力,在图1的电阻率模型里,添加一个电阻率为30Ω·m、离海底为100 m、层厚为50 m的高阻层.储层电阻率从100Ω·m依次变化为80、60、40、20Ω·m,计算结果见图2(c)、(d).由图2(c)、(d)可以看出,电场及磁场在复杂区域也能明显反映储层变化,说明海洋电磁勘探技术在监测领域的实用性.
2.2 频率域井中接收
除了将接收电极沉放在海底方式外,也有将接收极沉放在海底油气井中的发射方式,以探测频率域信号.为检验该方法监测储层电阻率变化的效果,设发射机离井距离为1 000 m,发射机放在离海底50 m处,发射接收系统见图1,储层电阻率变化从100Ω·m依次变化为80、60、40、20Ω·m.
在垂直井中,只能观测垂直电场,显示理论计算的垂直电场,为了突出由储层电阻率变化造成的电场变化,只显示井深为2 600~4 000 m的垂直电场振幅.根据电阻率模型,计算结果见图3(a),垂直电场在目标层有非常强烈的变化.为验证该方法的实用性,在图1的电阻率模型里,添加一个电阻率为30Ω·m、离海底为100 m、层厚为50 m的高阻层,计算结果见3(b).
由图3(a)、(b)可以看出,在储层出现的层位,井中接收到的垂直电场出现明显增强的现象,说明海底激发、井中接收的发射方式能够精确地确定储层层位位置.在地质条件简单或者相对复杂的区域,储层电阻率的变化能够引起相应深度接收到的垂直电场振幅的强烈变化,说明该种发射方式具有非常大的潜力.
图2 图1模型和复杂模型的电磁响应曲线Fig.2 The EM response curve of fig.1 and complex model
图3 图1模型和复杂模型的Ez响应曲线Fig.3 The response curve of fig.1 and complex model
2.3 浅海时间域接收
由图2可以看出,在收发距大于一定距离后,所有曲线因空气波干扰而发生再次重合,海水越浅,再次重合越早[2].目前,由于受到空气波的强烈干扰,浅海海洋频率域MCSEM应用受到极大限制,需要在浅海使用时间域MCSEM以解决浅海空气波干扰的问题.利用余弦数字滤波算法,将频率域MCSEM转换为时间域MCSEM,将图1的海水深度减小为200 m,储层的顶面Z坐标为900 m,储层厚度为100 m,海水及沉积层电阻率不变.发射源在海面以下10 m,接收极在海面以下100 m,分别计算收发距3 000 m和5 000 m时的电场冲激响应曲线(见图4).
由图4可以看出,接收到的时间域信号刚开始出现重合,原因是受到时域空气波的影响,空气波的干扰在前期很快结束,后期冲激响应曲线分开,随着储层电阻率的降低,冲击响应曲线幅度也随之降低,与频率域的变化有些类似.这反映储层电阻率的变化能明显地引起时间域信号的变化,说明时间域浅海海洋电磁勘探技术同样也可以应用在浅海海洋的油气监测.
图4 不同收发距时浅海海洋的Ey冲激响应曲线Fig.4 The Ey impulse reponse of different offset
(1)基于海洋电磁水平电偶极子原理,试算海底接收和井中接收方式下的简单及复杂电阻率模型的电磁响应,研究海洋电磁在海底油气后期开发中的应用潜力.
(2)采用频率域深海海底接收方式时,采集极化水平电场和垂直极化方向的水平磁场需要根据不同的情况,选择相应的收发距,以避免无效数据采集.浅海海洋时间域电磁不同收发距也能够较好地反映储层电阻率的变化.
(3)采用垂直井中接收方式时,接收信号虽然受限于垂直电场,但试算结果说明对于精确确定储层电阻率的变化有优势,能够为反演建立可靠的模型.
(4)两种观测模式能比较好地反映储层电阻的变化,说明频率域和时间域海洋电磁技术不仅可以用于海底油气的前期勘探中,在后期开发的过程中也能发挥监测油气运移的作用,使用海洋可控源电磁法为监测油气开发提供一种新的手段和思路.
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A
2095- 4107(2014)01- 0031- 06
DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.005
2013- 11- 12;编辑:任志平
国家自然科学基金青年基金项目(41304116)
曾方禄(1965-),男,高级工程师,主要从事电磁法勘探方面的研究.