电磁感应和诱导极化效应的量化分解方法

摘要

本发明涉及在用受控制的电磁场源进行陆上和海上电法勘探期间判定地下地层的性质的方法，该方法用于石油和天然气勘探作业，通过隔离来自在油气运移的作用下已遭受次生变化的岩石的响应以便将测量信号划分成任何成分来勘探并测绘石油和天然气矿床。本发明使得提供这样一批处理方法成为可能，这批处理方法用来逐层判定地电参数值和介质与电磁感应的诱导极化的处理特性。该方法包含根据表面面积及其地质判读来评估诱导极化的流电成分的变化，同时记录几个依赖于在介质表面测量的介质参数的输入函数，并根据所述参数形成所述函数使得所述函数以不同方式取决于电磁感应场和诱导极化场。

说明书

技术领域

本发明属于电法勘探研究领域，是一种地下岩层性质的测定方法，同时还对地层的电学性质参数进行测量，并分解测得参数。

本发明用于陆上及海洋中的可控电磁场源电法勘探，适用于寻找并圈定油气藏的综合性油气勘探工作。它对次生蚀变岩在油气迁移作用下的回应进行分离，并以其为基础将测得信号分解成某些分量。本发明可保证一系列用于分层确定介质的地电参数值、诱导极化和电磁感应过程特征的技术方法。

背景技术

已知发明《地电勘探方法(方案)》，专利号2235347RU，发表日期2004年8月27日，国际专利分类号G01V3/06。根据该发明，在被研究介质的深层周期性依次通过矩形电流脉冲，并在每两次脉冲之间保持间歇，从而激发电磁场。在整个过程中，于每次电流脉冲的结尾和两次脉冲之间的间隙测量轴向和正交电势差的瞬时值，确定电势差。按公式计算n个归一化参数，根据极化导电介质中的偶极子源场强的数学物理差分波动方程运算反解问题，建立其几何结构和电学参数最接近被研究介质的介质模型根据该方程中包含的电物理参数，建立该模型的时间剖面图。利用该发明可发现并圈定油气藏、评估其饱和质量，并可分解电导率参数和诱导极化参数。然而，该发明不能解决分别量化研究电磁感应过程和诱导极化过程的重要问题，未考虑所建立模型的电物理参数的等值性，不能确定这些参数的信息容量。

已知发明《使用聚焦电流的海洋地电勘探方法(方案)》，专利号RU 2284555，发表日期2006年9月27日，国际专利分类号G01V3/06。根据该发明，在被研究介质的深层激发电磁场，测量第一和第二电势差的瞬时值，使沿剖面的轴向合成电势差等于零并从等式中求得因数，计算三个独立的归一化电学参数集合，进行反解数学运算，求得三个电物理参数：电导率、诱导极化度和诱导极化电势差的衰减时间常数，并按这些参数建立三个时间剖面图。该发明的本质在于分解电导率参数和诱导极化参数，作为补充，还可确定与前两个参数同样重要的第三个参数——诱导极化电势差的衰减时间常数。然而，该发明仅能获得有关被研究介质所有结构元素的总和信息，这是因为电磁场源的被测电流I在介质中的空间分布不受任何监测，没有在真实存在的三维非均质介质中关于该分布的信息。该发明不能解决分别量化研究电磁感应过程和诱导极化过程的重要问题，未考虑所建立模型电物理参数的等值性，不能确定这些参数的信息容量。

已知发明《地电勘探方法(方案)》，专利号2231089，发表日期2003年7月8日，国际专利分类号G01V3/06。根据该发明，在被研究介质的深层周期性依次通过矩形电流脉冲，并在每次脉冲之后保持间歇，从而激发电磁场。在观测点测量电势差，使用归一化参数值和电化学极化导电介质中的偶极子源电场场强的数学物理差分波动方程，运算反解问题，得出每个介质单元所固有的电物理参数：电导率、诱导极化和诱导极化电势差的衰减时间常数，并按这些参数建立时间剖面。利用该发明可发现并圈定油气藏、评估其饱和质量，并可分解电导率参数和诱导极化参数。然而，该发明不能将地质介质单元所固有的诱导极化与瞬变电动力学过程彻底分解开来，该电动力学过程同所示地质岩石的剖分单元的电导率相关。该发明亦不能解决分别量化研究电磁感应过程和诱导极化过程的重要问题，未考虑所建立模型电物理参数的等值性，不能确定这些参数的信息容量。

已知专利《地电勘探信号的分析方法》，专利号2253137RU，发表日期2005年1月10日，国际专利分类号G01V3/38。根据该发明，将每个测量信号同时用至少两个调制器转换，然后找出最小的歩距间隔。该发明通过对信号(固定分量)和干扰(随机分量)的同时分析，能够提高准确性和信息容量。然而，该发明的目的是利用该方法在计算机中对比增量调制器集成电路的输出信号和相应通道的输入信号。而这种分析方法的使用，却必须具备至少两个量子化歩距差别很大的增量调节器、一个接收电极系统、一套磁场传感器或者具有足够宽频带性和空间角度选择性的任何其他传感器。该方法不能用于分析在使用诱导极化过程寻找和勘探油气藏时获得的参数。

已知发明《充满井内流体的井筒周围地质构造的电阻率测定方法》，专利号2209451RU，发表日期2003年7月27日，国际专利分类号G01V3/38。该发明包括获取某些图表、选择模拟剖面、引入附加模拟的剖面、重复修正模拟剖面直至图表和相应模拟图之间的差值小于选定的阈值、将每个模拟剖面作为值的关系函数进行修正等。该发明考虑了井内流体对井筒周围构造的入侵，完善了地质构造电阻率的测定方法。然而，该发明不能发现并圈定油气藏、评估其饱和质量，并分解电导率参数和诱导极化参数。此外，该发明亦不能解决分别量化研究电磁感应过程和诱导极化过程的重要问题，未考虑所建立模型电物理参数的等值性，不能确定这些参数的信息容量。

同本发明在地电性征的处理方法上最接近的是《地下构造的性质测定方法》发明，专利号2294547RU，发表日期2007年2月27日，国际专利分类号G01V3/38。该发明包括构造参数模型的拟定、模拟电学性质的测量、将模拟测量同已测得电学性质相比较、以各种测量为基础确定构造的物理/石油物理性质以保证联合反演、利用电学性质模型和各种测量评估构造的物理/石油物理性质，还包括使用综合模型。该发明可保证在应用电力对钻井进行剖分时能够实施更完善的数据处理方法，并且更准确地确定Rt值以评价构造特征，在此过程中使用将初始信息引入反演图的构造层系测定。初始信息即稳定未精确设置的“可能性扩展”任务的几何信息。然而，该发明不能发现并圈定油气藏、评估其饱和质量，并分解电导率参数和诱导极化参数。此外，该发明亦不能解决分别量化研究电磁感应过程和诱导极化过程的重要问题，未考虑所建立模型的电物理参数的等值性，不能确定这些参数的信息容量。该发明有另一个目的，即当介质模型可通过迭代反演方法进行简单明确时实现该方法，不将测得信号分解成某些分量。而在我们的发明中，通过反解运算得出的介质模型用于将测得信号ΔU(t)分解成分量EM(t)和IP_g(t)。

发明内容

当介质中通过电流时，会产生一些由不同物理现象所决定的效应。此时会发出电磁感应，其特点是符合波动理论的感应场，并且发生由介质中的电化学过程所决定的诱导极化。

到目前为止，对这两种效应的分解办法是增加记录介质中激发脉冲瞬变的时间，而电磁感应和极化正是由该脉冲所引起的。然而，随着记录时间的增加，电磁感应场在测量之前几经衰减到了几乎可以忽略不计的微小数值。相反，如果缩短测量时间，在激发脉冲之后的初始时间内，极化效应几乎没有。在测量沉积盖层较厚的地台时，由于沉积盖层的导纳较大(数百或数千西门子)，电磁波衰减会比较慢。该问题的存在及其解决方法的缺失在J.维特的书中有提到(《大地电磁学》，James R.Wait，莫斯科，地址出版社，1987年，235页)。

本方法的技术成果是它可以解决分别量化研究电磁感应场和诱导极化的重要问题，考虑了所建立模型的电物理参数等值性，能够确定其信息容量。

本方法能够：

—量化测定直流电的电磁感应场强和诱导极化场强，误差不超过0.5％；

—保证电磁场分解从1微秒至数秒的较大时间间隔，包括针对高导纳的地质剖分。

由于函数ΔU总是解析性的，即总是连续的，并且其二阶导数亦为连续，因而本方法是可用的。此外，由于部分诱导极化场由感应电流引起，而部分感应场反过来又由极化场引起，所以电磁感应场和诱导极化场是非相加性的。我们将只讨论直流电在通过介质的时间段内所引起的诱导极化。

对所声明技术成果的保证，是因为电磁感应和诱导极化效应的量化分解方法包括：

—测量极化介质的瞬变过程；

—水平层状极化介质范围内的电磁测量模拟；

—从瞬变过程中分离出电动力学分量；

—从瞬变过程中分离出诱导极化的电流分量；

—评估诱导极化电流分量的局域变化，对其进行地质解释。

本方法的特点是记录几个取决于介质参数的、在介质表面测量的输入函数，这些函数对电磁感应场和诱导极化场有不同的依赖关系，同时其中一个函数(例如Ps)同DU(t)相比，可增大电磁感应和诱导极化的比值，而另一个函数(例如P₁)同DU(t)相比，则可缩小电磁感应和诱导极化的比值，还有一个函数(例如Dφ)则是瞬变场的时间导数和空间导数的组合。然后，同时反演所有输入函数，得出剖面的地电模型，并且此时表示诱导极化的介质参数数量明显过剩，因此得出的介质模型不是唯一的，而是位于某个等值区域内。在得出的模型中使每一层的极化率都等于零，通过正解问题计算出电磁感应场EM；使同一模型中的波数等于零，正解问题计算出诱导极化的电流分量场IP。此外，举例而言，建立参数P₁，将其作为同ΔU(t)相比提高诱导极化/电动力比值的筛选参数，以瞬变场第二轴向电势差Δ2U(t)同瞬变场第一轴向电势差ΔU(t)在断电制式下的比值计算P₁，计算公式为：P₁(t)＝Δ2U(t)/ΔU(t)|_time off；或者，举例而言，建立参数Ps，将其作为同ΔU(t)相比降低诱导极化/电动力比值的筛选参数，以瞬变场第二轴向电势差Δ2U(t)同瞬变场第一轴向电势差ΔU(t)在通电制式下的比值计算Ps，计算公式为：Ps(t)＝Δ2U(t)/ΔU(t)|_time on；再或者建立参数作为按公式Dφ(t)＝I_t(t)-P₁(t)计算的参数I_t(t)同参数P₁(t)的差值，并且I_t(t)作为时间导数Δ2U(t)同ΔU(t)的比值，其计算公式为：I_t(t)＝Δ_t(Δ²U(t))/Δ_t(ΔU(t))。

在建立同一记录点测得的输入函数之后，将它们最小化，为此在输入时给出参数的最小化程序：

—DU(t)＝ΔU(t)/ΔU₀，式中：ΔU₀-电流通过时测量的电势差ΔU；

—P₁(t)＝Δ²U(t)/ΔU(t)，在断电制式下进行计算；

—Ps(t)＝Δ²U(t)/ΔU(t)，在通电制式下进行计算；

—Dφ(t)＝I_t(t)-P₁(t)，式中：I_t(t)＝Δ_t(Δ²U(t))/Δ_t(ΔU(t))，并对它们在水平分层极化介质范围内进行反演，并且此时表示模型极化性质的地电参数数量明显过剩。同时作为一种特殊情况，正解波数等于零求出IP场，正解极化率等于零求出EM场。

完成所有运算之后，检查解的可重复性。

为解决所设置的效应分解任务，需要完成以下几个步骤。

第I阶段：

记录几个可在介质表面测量并建立的输入函数。

函数的设计应使它们对电磁感应和诱导极化有不同的依赖关系。其中一个同电压降曲线DU相比，可增加电磁感应同诱导极化的比值，而另一个则缩小该比值。这些函数是瞬变场同其空间导数的组合。此外，还有一个函数是时间导数和空间导数的组合。

第II阶段：

1.同时反演(反解问题)所有输入函数，建立一个剖面模型。同时逐层求解介质参数：电阻率ρ，极化率η，弛豫时间τ，幂c。极化率、弛豫时间和幂根据Cole-Cole模型确定。利用这些参数对模型进行参数化时应使之明显过剩，意即获得等值性的某些解。

2.在建立的模型中使每层的极化率等于零，正解问题求得电磁感应场EM。

3.在同一模型中使波数等于零，正解问题求得直流电的诱导极化场IP。

重复运算(第II阶段)显示计算出的EM场和IP场重合，并精确至反解运算的解。所得出的模型是不相同的，但场是重合的。

其中，IP——使剖面任意点的波数等于零，对该模型进行正解运算得出的诱导极化场；EM——使剖面任意点的极化率等于零，对该模型进行正解运输得出的电磁感应场。

附图说明

本方法用图表进行说明和证明。

图1是ΔU₁和ΔU₂的曲线，即偶极子轴向装置在接收线OM和ON上的电势差。

这个图形显示存在着IP场和EM场不同组合的无穷集。对合成模型计算了衰减曲线DU并进行了两次不同零点逼近的反演，精确至0.1％。得到两个不同的等值(按DU参数)解，其中每一个符合显著不同的IP场和EM场的值。

图2显示的是在瞬时过程不同时期(不同相)的EM和IP电流分布间隔：初期(A)、过渡期(B)和晚期(C)。

此时EM场服从集肤效应，于瞬态过程中在下半空间内扩散，而由其引起的涡流则趋向于在下半空间内呈均匀分布。IP场则相反，总是呈空间不均匀分布，并且其强度随着同电流源(发射源)的距离增大而减弱。

根据所设置问题的涵义，需要为瞬变场引入可在同一点记录的转换参数，并且这些转换参数对诱导极化场和感应场具有不同的函数依赖。最自然的解决方法——引入瞬变场的归一化空间导数(更准确来讲是有限差分)，做为对瞬变场本身的补充。这是因为感应场和诱导极化场的空时结构是不同的。

在图3中显示的是：a).测量装置在轮船移动时记录DU(t)、P₁(t)、Ps(t)、参数的示意图；b).瞬变激发电流在振荡线AB上的形状；c).在接收线上测量的信号Δ²U(t)иΔU(t)。

图4显示的是DU(t)曲线在地球表面上随时间的衰减，包括存在(B)和不存在(A)极化、在接收线MO(距离为1000m(1))和接收线ON(距离为2400米(2))上的情况。

图5显示的是参数P₁(t)在地球表面上的曲线，包括存在(2)和不存在(1)极化的情况。条件是η＝1％，ρ＝50Ω·m和η＝0％。

图6显示的是参数Ps在地球表面上的曲线，相对于条件η＝4％和η＝0，其中η-在Cole-Cole模型术语中的极化系数。

图7显示的是在η＝0和η＝1％条件下计算的曲线，其中η-在Cole-Cole模型术语中的极化系数。曲线相对于的直线建立。除了空间性质外还使用时间导数，从而获得更详细的瞬时过程特征。

图8显示的是三维参考模型。利用它计算了符合实地测量所得到的参数综合曲线(DU(t)、P₁(t)、Ps(t)、)，以及EM场和IP场的值。并且给出了与其等效的一维模型。

图9显示的是EM场和IP场，它们同图8中所给出的模型相吻合，精确度为0.15％。

图10显示的是在北古利亚耶夫斯卡娅区(巴伦支海大陆架)进行实地测量时的观测曲线及与其相符的模型。给出了等效地电模型之一。

图11显示的是在北古利亚耶夫斯卡娅区(巴伦支海大陆架)进行实地测量时的观测曲线及与其相符的模型。给出了与图10不同的等效地电模型之一。

图12显示的是从等效模型中得出的EM场和IP场的衰减曲线。它们彼此间的差值要小于测量误差，即小于0.5％。此时IP场从在大范围时间间隔内比其高2个数量级的EM场中分离出来。

图13显示的是已知油气田的IP场剖面等值线和油气藏沿IP场的划定。

具体实施方式

已知对地球表面进行测量获得的一系列输入数据。

数据的组成应使它们对诱导极化和电磁感应有不同的函数依赖关系。以这些数据为基础，在表示诱导极化过程的剖面参数数量过剩的条件下反演得出地电模型。

如果在这个模型中，令波数为零正解得出IP场，令极化率为零正解得出EM场，则此时的IP场和EM场符合可重复性条件。这就意味着对不同等效模型进行IP场和EM场计算所得出的偏差，不会超过实际观测误差(约0.5％)。

为实现本方法，

1.在电流脉冲切断制式下测量时建立参数P1(见图1)，将其作为同ΔU(t)相比增大诱导极化/电动力比值的筛选参数。

—为此以瞬变场第二轴向电势差Δ²U(t)同瞬变场第一轴向电势差ΔU(t)在断电制式下的比值计算P1，

即：P₁(t)＝Δ2U(t)/ΔU(t)_f。

在图1中显示了ΔU₁和ΔU₂——偶极子轴向装置在接收线OM和ON上的电势差。参数P₁对瞬变场的空间不均匀性作出反应。电磁场以扩散方程表示，因此在增大衰减时间时会趋向于在介质中均匀分布。诱导极化场正比于极化电流密度，因此它总是呈空间不均匀性(图2)[列格依多P.Yu.，《油气地球物理中研究极化剖面的差分归一化地电勘探理论和技术》。地质与矿物学正博士学位答辩论文。1998年]。

2.在电流脉冲接通制式下测量时建立参数Ps，将其作为同ΔU(t)相比降低诱导极化/电动力比值的筛选参数。

—为此计算瞬变场第二轴向电势差Δ²U同第一轴向电势差ΔU在通电制式下的比值。

在瞬变初期的诱导极化/电动力比值很小，而在晚期阶段Ps参数基本上由阻抗的分布来决定，极化率对它的影响很小。因此Ps参数可被视为同瞬变场ΔU相比较能够缩小诱导极化/电动力比值的筛选参数(图6)。

3.建立参数以便更详细地表示瞬变过程，因为这个参数以时间导数Δ²U(t)和ΔU(t)为基础计算。

—它是相对于作为瞬变时间对数的假定单位的参数差，即参数I_t同参数P₁的差值：

—其中，I_t＝Δ_t(Δ2U)/Δ_t(U)，即时间导数Δ2U(t)同ΔU(t)的比值。诱导极化场和电磁感应场的衰退时间一般是不同的，因此有意识地使用时间参数，以更详细地描述瞬变过程(图7)。

4.对在同一点记录的参数进行最小化。

—为此在输入时给出参数的最小化程序(图3)；

—DU(t)＝ΔU(t)/ΔU₀，式中：ΔU₀-电流通过时测量的电势差ΔU；

—P₁(t)＝Δ2U/ΔU(t)，在断电制式下进行计算；

—Ps(t)＝Δ2U/ΔU(t)，在通电制式下进行计算；

—Dφ(t)＝It-P1，式中：It＝Δt(Δ2U)/Δt(ΔU)。

在模型的地电参数数量明显过剩的条件下，对它们在水平分层极化介质范围内进行反演，以尽可能准确地接近对非均质各向异性介质和梯度介质记录的瞬变场曲线。

5.按建立的介质模型计算IP场和EM场。

—使模型在介质所有区域的极化率等于零，正解问题求出电磁感应场EM，

—使模型在介质所有区域的波数等于零，正解问题求出诱导极化场IP。

6.检查解的可重复性。

—对EM场和IP场的重复性检查显示，它们实际上对所有种类的剖面都是可重复的，并且误差不超过测量误差(约0.5％)(见图10、13)。

感应场和极化场的分解方法，可以用以下示例进行展示。

在三维模型中获得符合实地测量的参数综合曲线和EM场与IP场的值(图8)。

对于综合曲线，已在水平分层极化介质范围内建立了等值模型，以其为基础计算了EM场和IP场(图8)。

对于从三维模型和水平分层模型中所得的场值进行了比较。它们之间的误差(0.15％)不超过三维模型综合曲线与水平分层极化介质模型曲线之间的偏离误差。由于偏离很小，曲线之间的差别几乎看不出来。

实践当中，对电磁感应效应和诱导极化效应的量化分解，在各种不同的地质和地球物理条件下进行了实验。

对已知的北古利亚耶夫斯卡娅区(巴伦支海大陆架)的油气田进行了电法勘探，测量了参数DU(t)、P₁(t)、Ps(t)、为场曲线建立了水平分层极化模型，逼近误差小于0.5％(图11、12)。此时，为同一个测量标点建立了几个等效模型，并且计算出的EM场和IP场的图形偏离小于0.5％(图13)。在此条件下，成功分离出了比EM场小两个数量级的IP场。通过建立IP场的等值线，清除地显示出了油气藏(图14)。其中：

Ro-阻抗，Ω·m；

c-在Cole-Cole模型中的幂；

H-层的厚度，m；

η-Cole-Cole模型的极化率系数，％

t-Cole-Cole模型的弛豫时间，s。

例如以下参数的模型：

Ro＝10Ω·m，η＝5％，t＝0.5s，c＝0.5，H＝100m；

Ro＝50Ω·m，η＝2％，t＝0.5s，c＝0.5，H＝100m；

Ro＝20Ω·m，η＝2％，t＝1s，c＝0.5，H＝200m；

Ro＝5Ω·m，η＝5％，t＝1s，c＝0.5，H＝300m；

Ro＝200Ω·m，η＝7％，t＝1s，c＝0.5；

Ro＝500Ω·m，η＝0，H＝450m；

Ro＝5Ω·m，η＝0，H＝800m；

Ro＝1000Ω·m，η＝0，H＝∞。

对该模型计算了符合实地测量所得的输入数据值，并计算了IP场和EM场，为巴伦支海大陆架北古利亚耶夫斯卡娅油气田建立了曲线图(见图13)。换句话说，根据所设置问题的涵义，为瞬变场引入了转换参数，这些转换参数理论上可在同一点记录得到，并且对诱导极化场和感应场具有不同的函数依赖。同时引入瞬变场的归一化空间导数(更准确来讲是有限差分)做为对瞬变场本身的补充，因为感应场和诱导极化场的空时结构是不同的。从而得出了所声明的技术成果。