基于海洋MCSEM監(jiān)測的海底油氣后期開發(fā)的可行性

曾方祿

(中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

基于海洋MCSEM監(jiān)測的海底油氣后期開發(fā)的可行性

曾方祿

(中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

為了探討海洋可控源電磁法(MCSEM)監(jiān)測海底油氣后期開發(fā)的可行性,根據(jù)油氣運(yùn)移及開采過程中儲(chǔ)層電阻率變化特點(diǎn),設(shè)計(jì)并利用MCSEM一維正演程序試算不同的海底電阻率模型,包括海底沉積層僅有儲(chǔ)層的簡單模型和儲(chǔ)層上方有高阻覆蓋層的復(fù)雜模型,分別將接收極沉放海底和油氣鉆井,分析電偶極子源在海底和井中的響應(yīng)特征.結(jié)果表明:傳統(tǒng)深海頻率域接收模式MVO曲線能較好地反應(yīng)儲(chǔ)層電阻率的變化;井中接收頻率域電場對(duì)于高阻層位的變化非常敏感;淺海下MCSEM在不同偏移距的時(shí)域電場信號(hào)既能分離空氣波干擾,又能很好地反應(yīng)儲(chǔ)層電阻率變化.海洋可控源電磁法對(duì)于海底油氣后期監(jiān)測具有潛在優(yōu)勢(shì).

海底油氣開發(fā);可控源電磁法 (MCSEM);電阻率模型;海洋電磁;一維正演;監(jiān)測

0 引言

海洋可控源電磁法(MCSEM)最早于20世紀(jì)70～80年代開始進(jìn)行海洋試驗(yàn)[1-2],但受限于當(dāng)時(shí)硬件技術(shù),試驗(yàn)并未成功.隨著20世紀(jì)末MCSEM儀器研發(fā)的成功,海洋電磁進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期,在海底油氣前期勘探中發(fā)揮愈來愈重要的作用,并且已經(jīng)開發(fā)一維到三維的正反演程序[3-7].近幾年,由于MCSEM相比于海洋地震成本低,將其應(yīng)用在海洋油氣后期開發(fā)的監(jiān)測及油氣運(yùn)移已逐漸成為研究熱點(diǎn).Martha Lien和Arnold Orange等探討利用MCSEM監(jiān)測海底油氣儲(chǔ)層電阻率變化的可行性[8-9];Alireza Shahin等[10]討論海洋電磁監(jiān)測海底油氣開發(fā)的可能性;Kong F N等[11]在傳統(tǒng)MCSEM基礎(chǔ)上,將電磁接收極放置在海底油氣井中,固定在油氣出現(xiàn)的層位上觀測電場,該方法有利于監(jiān)測海底油氣開發(fā);Carsten S等[12]突破傳統(tǒng)模式,將電磁發(fā)射源放置在海洋油氣井中,將電磁接收極放在海底,該方法能夠有效監(jiān)測海底油氣因開采而發(fā)生的運(yùn)移;沈金松等定量分析空氣波的干擾[13-14],為深入利用MCSEM勘探及監(jiān)測提供理論指導(dǎo);Kang S等研究利用MCSEM監(jiān)測海底二氧化碳隔離的可行性[15].

由于海洋可控源電磁勘探技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間較短,在監(jiān)測油氣上的研究更少.我國傳統(tǒng)疆域界限內(nèi)的海域面積約為300×104km2,海域盆地面積約為140×104km2[16].近些年,不僅在成熟油氣田周邊進(jìn)行滾動(dòng)勘探擴(kuò)大儲(chǔ)量規(guī)模[17],還取得一系列新區(qū)、新領(lǐng)域的突破[18-19].與海洋地震比較,盡管MCSEM成本較低且實(shí)用,但是我國海洋電磁技術(shù)發(fā)展還沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,有必要研究適合我國的海洋電磁監(jiān)測技術(shù).筆者基于海洋可控源電磁基本原理,試算多個(gè)電阻率模型,分析頻率域及時(shí)間域MCSEM在油氣監(jiān)測應(yīng)用的可行性.

1 MCSEM一維正演算法原理

在地球物理電磁勘探中,由于頻率一般小于105Hz,因此可以忽略位移電流,得到麥克斯韋方程

組[20]:

式中:ω為圓頻率;σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率;Js為外加電源項(xiàng)[11].

利用磁矢勢(shì)A,可將電場E和磁場B[21]表示為

由式(1)和(2)變換得到磁矢勢(shì)亥姆霍茲方程,并做X和Y方向的二維傅氏變換,令,得到波數(shù)域下的磁矢勢(shì)方程:

由于海洋電磁采用水平電偶極子,假設(shè)電偶極子沿Y方向布置,則磁矢勢(shì)A=(0,Ay,Az),相應(yīng)的波數(shù)域下的磁矢勢(shì)采用漢克爾變換,得到

式中:J0為零階貝塞爾函數(shù).求解磁矢勢(shì)A后,通過式(2)得到電場和磁場的頻率域響應(yīng).

式中:ai、bi、ci、di為各層衰減系數(shù),在迭代計(jì)算中可以得到每層衰減系數(shù);z為觀測點(diǎn)深度;zs為源所在深度;源所在的層位δij=1,無源層位δij=0.

余弦數(shù)字濾波算法[22-23]計(jì)算式為

式中:Re為電場實(shí)部;Δ為采樣間隔,在電磁余弦變換中一般取為第n個(gè)余弦變換濾波系數(shù);t為當(dāng)前時(shí)刻.

計(jì)算得到電場頻率域響應(yīng)后,利用式(9)將頻率域結(jié)果轉(zhuǎn)換到電場沖激信號(hào)的時(shí)間域響應(yīng).

2 模型試算結(jié)果

海洋電磁發(fā)射接收系統(tǒng)見圖1.假設(shè)海水電阻率恒為0.3Ω·m,海平面Z坐標(biāo)為0 m,沉積層電阻率恒為1Ω·m,海底頂面Z坐標(biāo)為2 000 m,儲(chǔ)層上頂面Z坐標(biāo)為3 000 m,下底面Z坐標(biāo)為3 100 m.水平電偶極子發(fā)射機(jī)沉放在海水中,距離海底50 m,測線分別布置在海底和井中,激發(fā)頻率為1 Hz.海底接收極沿Y軸每隔500 m測量1次,終點(diǎn)在與發(fā)射機(jī)水平距離20 km處,總共為41個(gè)接收點(diǎn).井中接收極沿Z軸每隔20 m測量1次,終點(diǎn)在Z坐標(biāo)為4 000 m的位置,總共為101個(gè)接收點(diǎn).

圖1 海洋電磁發(fā)射接收系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of transmitter and receiver system of MCSEM

在海底接收時(shí),可以同時(shí)接收水平電場和磁場,在垂直井中只能接收垂直電場.在海底油氣后期開發(fā)過程中,由開采引起的油氣運(yùn)移使得儲(chǔ)層電阻率改變.在儲(chǔ)層電阻率變化時(shí),為研究接收電磁響應(yīng)變化規(guī)律及監(jiān)測開發(fā)能力,設(shè)置儲(chǔ)層電阻率從100Ω·m依次變化為80、60、40、20Ω·m.

2.1 頻率域海底接收

目前最常用的海洋電磁勘探技術(shù)是將水平電偶極子放置在海底上方幾十米內(nèi),接收極布置在海底上探測頻率域水平電磁場.為研究海洋電磁勘探技術(shù)在油氣開發(fā)過程中的監(jiān)測能力,首先計(jì)算在海水深度為2 000 m時(shí),海底接收到的電磁響應(yīng)在儲(chǔ)層電阻率變化時(shí)水平電場及磁場的變化.極化方向的水平電場和垂直極化方向的磁場能夠有效探測到海底油氣,因此只計(jì)算電場Y分量振幅Ey和磁場X 分量振幅B x

[3].根據(jù)電阻率模型及儲(chǔ)層變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果(見圖2(a)、(b))顯示水平電場和磁場發(fā)生明顯變化.

由圖2(a)、(b)可以看出,在靠近發(fā)射源時(shí),所有的曲線重合,說明接收極所得到的信號(hào)基本來自于發(fā)射源;隨著收發(fā)距的逐漸拉大,振幅曲線分開,并且儲(chǔ)層電阻率變化越大,相應(yīng)曲線變化越大,說明將該技術(shù)應(yīng)用于油氣后期開發(fā)監(jiān)測有很大潛力;隨著收發(fā)距的繼續(xù)增大,由于受到空氣波及電磁波衰減等因素的影響,所有曲線再次重合.因此,應(yīng)該選擇合適的收發(fā)距,避免無用的信號(hào)采集.

為驗(yàn)證該方法在復(fù)雜區(qū)域的監(jiān)測能力,在圖1的電阻率模型里,添加一個(gè)電阻率為30Ω·m、離海底為100 m、層厚為50 m的高阻層.儲(chǔ)層電阻率從100Ω·m依次變化為80、60、40、20Ω·m,計(jì)算結(jié)果見圖2(c)、(d).由圖2(c)、(d)可以看出,電場及磁場在復(fù)雜區(qū)域也能明顯反映儲(chǔ)層變化,說明海洋電磁勘探技術(shù)在監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)用性.

2.2 頻率域井中接收

除了將接收電極沉放在海底方式外,也有將接收極沉放在海底油氣井中的發(fā)射方式,以探測頻率域信號(hào).為檢驗(yàn)該方法監(jiān)測儲(chǔ)層電阻率變化的效果,設(shè)發(fā)射機(jī)離井距離為1 000 m,發(fā)射機(jī)放在離海底50 m處,發(fā)射接收系統(tǒng)見圖1,儲(chǔ)層電阻率變化從100Ω·m依次變化為80、60、40、20Ω·m.

在垂直井中,只能觀測垂直電場,顯示理論計(jì)算的垂直電場,為了突出由儲(chǔ)層電阻率變化造成的電場變化,只顯示井深為2 600～4 000 m的垂直電場振幅.根據(jù)電阻率模型,計(jì)算結(jié)果見圖3(a),垂直電場在目標(biāo)層有非常強(qiáng)烈的變化.為驗(yàn)證該方法的實(shí)用性,在圖1的電阻率模型里,添加一個(gè)電阻率為30Ω·m、離海底為100 m、層厚為50 m的高阻層,計(jì)算結(jié)果見3(b).

由圖3(a)、(b)可以看出,在儲(chǔ)層出現(xiàn)的層位,井中接收到的垂直電場出現(xiàn)明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象,說明海底激發(fā)、井中接收的發(fā)射方式能夠精確地確定儲(chǔ)層層位位置.在地質(zhì)條件簡單或者相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域,儲(chǔ)層電阻率的變化能夠引起相應(yīng)深度接收到的垂直電場振幅的強(qiáng)烈變化,說明該種發(fā)射方式具有非常大的潛力.

圖2 圖1模型和復(fù)雜模型的電磁響應(yīng)曲線Fig.2 The EM response curve of fig.1 and complex model

圖3 圖1模型和復(fù)雜模型的Ez響應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of fig.1 and complex model

2.3 淺海時(shí)間域接收

由圖2可以看出,在收發(fā)距大于一定距離后,所有曲線因空氣波干擾而發(fā)生再次重合,海水越淺,再次重合越早[2].目前,由于受到空氣波的強(qiáng)烈干擾,淺海海洋頻率域MCSEM應(yīng)用受到極大限制,需要在淺海使用時(shí)間域MCSEM以解決淺海空氣波干擾的問題.利用余弦數(shù)字濾波算法,將頻率域MCSEM轉(zhuǎn)換為時(shí)間域MCSEM,將圖1的海水深度減小為200 m,儲(chǔ)層的頂面Z坐標(biāo)為900 m,儲(chǔ)層厚度為100 m,海水及沉積層電阻率不變.發(fā)射源在海面以下10 m,接收極在海面以下100 m,分別計(jì)算收發(fā)距3 000 m和5 000 m時(shí)的電場沖激響應(yīng)曲線(見圖4).

由圖4可以看出,接收到的時(shí)間域信號(hào)剛開始出現(xiàn)重合,原因是受到時(shí)域空氣波的影響,空氣波的干擾在前期很快結(jié)束,后期沖激響應(yīng)曲線分開,隨著儲(chǔ)層電阻率的降低,沖擊響應(yīng)曲線幅度也隨之降低,與頻率域的變化有些類似.這反映儲(chǔ)層電阻率的變化能明顯地引起時(shí)間域信號(hào)的變化,說明時(shí)間域淺海海洋電磁勘探技術(shù)同樣也可以應(yīng)用在淺海海洋的油氣監(jiān)測.

圖4 不同收發(fā)距時(shí)淺海海洋的Ey沖激響應(yīng)曲線Fig.4 The Ey impulse reponse of different offset

3 結(jié)論

(1)基于海洋電磁水平電偶極子原理,試算海底接收和井中接收方式下的簡單及復(fù)雜電阻率模型的電磁響應(yīng),研究海洋電磁在海底油氣后期開發(fā)中的應(yīng)用潛力.

(2)采用頻率域深海海底接收方式時(shí),采集極化水平電場和垂直極化方向的水平磁場需要根據(jù)不同的情況,選擇相應(yīng)的收發(fā)距,以避免無效數(shù)據(jù)采集.淺海海洋時(shí)間域電磁不同收發(fā)距也能夠較好地反映儲(chǔ)層電阻率的變化.

(3)采用垂直井中接收方式時(shí),接收信號(hào)雖然受限于垂直電場,但試算結(jié)果說明對(duì)于精確確定儲(chǔ)層電阻率的變化有優(yōu)勢(shì),能夠?yàn)榉囱萁⒖煽康哪Ｐ?

(4)兩種觀測模式能比較好地反映儲(chǔ)層電阻的變化,說明頻率域和時(shí)間域海洋電磁技術(shù)不僅可以用于海底油氣的前期勘探中,在后期開發(fā)的過程中也能發(fā)揮監(jiān)測油氣運(yùn)移的作用,使用海洋可控源電磁法為監(jiān)測油氣開發(fā)提供一種新的手段和思路.

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TE331.3;TE332

A

2095- 4107(2014)01- 0031- 06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.005

2013- 11- 12;編輯:任志平

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41304116)

曾方祿(1965-),男,高級(jí)工程師,主要從事電磁法勘探方面的研究.