井地聯(lián)合并行電法測試模擬與應(yīng)用

張平松，吳健生，趙永輝，許時昂

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001；2. 同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

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井地聯(lián)合并行電法測試模擬與應(yīng)用

張平松1，吳健生2，趙永輝2，許時昂1

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001；2. 同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

井地聯(lián)合并行電法通過在井孔和地面布設(shè)電極，進行全電極供電和測量，獲得鉆孔周邊地電場分布特征，研究儲層介質(zhì)結(jié)構(gòu)及變化特征，對地下復(fù)雜地電模型分辨具有重要作用。文章通過構(gòu)建室內(nèi)井地電法測試模型，采用并行電法技術(shù)，三維反演介質(zhì)的電阻率，判斷井孔周邊不同類型地質(zhì)體的異常分布特征。結(jié)合野外井地條件進行實測，結(jié)果表明，通過井地聯(lián)合測試系統(tǒng)可以對鉆孔周邊地質(zhì)條件進行有效分辨，為儲層介質(zhì)探查與判斷提供輔助依據(jù)。

井地聯(lián)合 模擬試驗 并行電法 孔周地質(zhì)條件

Zhang Ping-song, Wu Jian-sheng, Zhao Yong-hui, Xu Shi-ang. Testing simulation and application of the borehole-ground joint parallel electrical method[J]. Geology and Exploration, 2015,51(5):0964-0969.

1 引言

勘探區(qū)的水文地質(zhì)條件對煤層氣的開發(fā)與評價具有重要的意義，通過地面電法測量，可對煤儲層及其上、下含水層的電性特征進行判斷，為煤層氣開采過程中排水降壓提供指導(dǎo)。煤層氣開發(fā)井的壓裂過程伴隨著煤層及其上、下地層結(jié)構(gòu)改變引起的電性變化，由于該變化較小，地面電法難以有效探測與分辨。而通過在井孔和地面聯(lián)合，充分利用勘探開發(fā)井，形成井地并行電法測試系統(tǒng)，為壓裂過程中孔周地質(zhì)條件變化評價提供指導(dǎo)(底青云等，2003；何展翔等，2004；岳建華等，2005；武子玉，2006；Zhang Ping-songetal.，2011；楊振威等，2012)。井地電法于20世紀(jì)90年代從俄羅斯引進，先后在國內(nèi)一些油田進行試驗和應(yīng)用，取得了一定的效果。在油井注水和深井注漿的電法監(jiān)測中，地表布設(shè)平面的電位測量網(wǎng)，而將鉆井的鋼套管作為線電流源來供電，據(jù)此可確定流體的運動方向和分布特征。1975年，Hohmann利用積分方程模擬三維電磁問題，隨后諸多研究者作了大量積分方程法模擬三維電磁問題的工作。針對裸井、有套管井的井地電法觀測數(shù)據(jù)模擬，分析其影響因素等(劉昱等，2006；王志剛等，2006；趙廣茂等，2007；賈正元等，2008；李永軍等，2009；楊立功等，2013；朱凱光等，2013；金聰?shù)龋?014)。為了進一步了解井地聯(lián)合電法對探測范圍內(nèi)不同地層的響應(yīng)效果，文章采用并行電法測量方式，利用室內(nèi)水槽進行模型構(gòu)建與實驗，進行地面及鉆孔探測，獲得井地聯(lián)合并行電法測試效果及其認(rèn)識，為煤層氣井水壓制裂后注水層的運移規(guī)律及裂隙擴展發(fā)育空間判斷提供參考。

2 井地并行電法測試模擬

2.1 井地聯(lián)合電法測試技術(shù)

井-地聯(lián)合電法是通過在井中發(fā)射供電電流，地面測量不同點的電場分布，研究孔周目標(biāo)體的電阻率等分布特征并進行地質(zhì)解釋。地面測量電極布置可以井口為中心，布置成十字線型、圓形線型或是平行測線型等。根據(jù)井地觀測系統(tǒng)布置，采用并行電法測試技術(shù)進行井中點源和偶極源供電，實現(xiàn)并行大數(shù)據(jù)量采集，獲得對應(yīng)的井地電場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時，對于井中點源供電提取單極-偶極電位差數(shù)值；對于偶極源供電則分別提取出“溫納四極”及“溫納偶極”兩種方式的電位差數(shù)值。利用AGI軟件，將數(shù)據(jù)體依照反演格式形成參數(shù)文件進行三維數(shù)據(jù)反演。電阻率三維反演問題一般可表示為：

Δd=GΔm

式中：G為Jacobi矩陣；Δd為觀測數(shù)據(jù)d和正演理論值d0的殘差向量；Δm為初始模型m的修改向量。三維反演的觀測數(shù)據(jù)是解編后的不同裝置類型的電位值或電位差值，Sasaki在最小二乘準(zhǔn)則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高解的穩(wěn)定性。其求解模型修改量Δm的算法為：

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

式中：C為模型光滑矩陣。通過求解Jacobi矩陣G及大型矩陣逆的計算，求取各個三維網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)，獲得井地條件下電阻率三維反演數(shù)據(jù)體，可進一步提取所需目標(biāo)層電阻率分布剖面進行對比與解釋(Wangetal.，2006；戴前偉等，2008；杜立志等，2013；曹輝等，2013；侯智超等，2014)。

2.2 測試模擬分析

(1) 觀測系統(tǒng)布置

模擬實驗是在2.0×1.2×0.8m3水槽中進行，以純水作為介質(zhì)，槽內(nèi)水深為0.7m。模擬時構(gòu)建了“十字型”觀測系統(tǒng)L1、L2線，在十字交叉點處布置一條垂直測線模擬孔內(nèi)L3線，形成井地聯(lián)合電法觀測系統(tǒng)(圖1)。L1、L2測線上各電極間距為0.04m，單條測線布置16個測試電極，長度為0.6m；L3測線各電極間距為0.02m，布置32個測試電極，測線長度為0.62m。所有測試電極均采用打磨處理后銅電極，確保信號接收的可靠性。

(2) 數(shù)據(jù)采集

采用直徑0.1m的鐵球模擬低阻異常體，高阻異常體采用截面半徑0.05m，高0.1m的圓柱形樹脂筒代替。背景場測試完成后將異常體分別放置在不同井孔條件下相同的位置處，記錄異常體空間坐標(biāo)參數(shù)，采集三極法(AM法)、四極法(ABM法)兩類并行電法數(shù)據(jù)體。試驗共完成高阻體和低阻體兩種探測(圖1)，同一種測試方法的采樣參數(shù)保持一致。

圖1 觀測系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout of the observational system

(3) 結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)置模型對背景及異常體測試數(shù)據(jù)分別處理，獲得相應(yīng)的測試空間電性數(shù)據(jù)體及切片。圖2為低阻球體裸孔模型切片，其中低阻體鐵球中心位置坐標(biāo)分別為：XY軸(-0.18，-0.18，-0.27)，Y軸(0，-0.18，-0.27)。為了易于對比，背景切片選擇低阻體在模型中的同一位置。對于異常體放置XY軸下方時，對應(yīng)切片深度Z為-0.31m時，其低阻響應(yīng)特征明顯；當(dāng)深度超過放置位置即切片深度Z為-0.51m時，其低阻區(qū)響應(yīng)相對變?nèi)酰煌瑯?，?dāng)?shù)妥梵w放置在Y軸Y=-0.18水面正下方0.27m處，獲得的切片中低阻體的反應(yīng)與實際位置較為吻合。

圖3為高阻異常體模型反演切片，圖中高阻體中心位置坐標(biāo)分別為：XY軸(0.18，0.18，-0.3)，Y軸(0.18，0，-0.3)。當(dāng)高阻體放置在XY軸對角線(X=0.18，Y=0.18)水面正下方0.3m時，其對應(yīng)切片為圖Z=-0.31m，在圖高阻區(qū)域響應(yīng)特征明顯；當(dāng)切片為Z=-0.51m時，高阻區(qū)響應(yīng)相對較弱；當(dāng)高阻體放置在Y軸Y=-0.18m水面正下方0.27m處，切片中高阻體反應(yīng)在中心偏右，與實際位置吻合。受測試水槽環(huán)境如電極導(dǎo)桿、支架以及槽體邊界等影響，在背景場中出現(xiàn)干擾噪聲；由于模型尺寸相對較小，且電法反演的體積效應(yīng)，高、低阻異常體在反演電阻率切片中的收斂性降低；實驗結(jié)果表明：井地電法測量時，裸井條件下異常體在模型中相應(yīng)的位置，可以實現(xiàn)對低阻和高阻異常體的探測與分辨，這為井地并行電法的野外應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3 現(xiàn)場測試應(yīng)用研究

3.1 井地并行電法測試

野外測試選擇淮南煤田張集煤礦地面鉆孔進行，鉆孔揭露13-1煤層，煤厚5m，其中基巖界面控制深度為367.4m。現(xiàn)場施工時鉆孔下入電纜455.5m，共有128個電極，電極間距2m，地面以鉆孔為中心布置“十字型”兩條測線，共64個電極，電極距為5.5m，形成井地測試空間進行數(shù)據(jù)采集。圖4為測試鉆井及與測試布置照片。數(shù)據(jù)采集時采用并行電法中的AM法，采集供電時間為0.5s，采樣間隔50ms，供電方式為單正法，共完成鉆孔和地面測線8個測站數(shù)據(jù)，并行電法獲得的大數(shù)據(jù)量易于進行井地空間反演。

3.2 結(jié)果剖面分析

根據(jù)井地電極位置構(gòu)建坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，利用AGI軟件進行三維數(shù)據(jù)反演，獲得相應(yīng)的井地電性數(shù)據(jù)體。圖5(a)為沿X軸方向過鉆孔垂直切片圖，圖5(b)為沿Y軸方向通過鉆孔垂直切片，圖5(c)為三個不同垂直深度水平切片。從中可以看出：1)切片中不同深度巖層電阻率值差別較大，且在深度367m處為基巖界面，其下電阻率值較高，為基巖段；其上電阻率值相對較低，為松散層段。其整體特征明顯；2)在基巖層段，煤系地層中的砂巖、泥巖段電阻率值不同，電性差異體積效應(yīng)明顯可分辨，風(fēng)化帶、13-1煤層等位置清晰，井地電阻率反演可以獲得相應(yīng)的分布結(jié)果；3)裸井井地測試條件對鉆孔周邊巖煤層電性特征分辨有效果，這為井中套管條件下井地測試對比分析提供研究基礎(chǔ)。

圖2 水槽低阻體反演切片F(xiàn)ig.2 Slices of inverted low-resistivity objects in a water channel

圖3 水槽高阻體反演切片F(xiàn)ig.3 Slices of inverted high-resistivity objects in a water channel

圖4 井地現(xiàn)場測試照片F(xiàn)ig.4 Photos of in-situ test of borehole-ground electrical method

4 結(jié)論

(1) 通過模擬及現(xiàn)場實測研究，井地聯(lián)合并行電法可以對鉆孔周邊一定空間地質(zhì)目標(biāo)體進行探測與分辨。通過地質(zhì)鉆孔與地面電極的有效結(jié)合，對深部孔周地質(zhì)特征研究具有輔助判別能力，效果明顯。

圖5 井地測量不同方向電阻率切片圖Fig.5 Slices of resistivity in different directions from borehole-ground electric measurement

(2) 井地聯(lián)合電法測試往往受控于測試系統(tǒng)及研究目標(biāo)體的大小，現(xiàn)場測試時必須根據(jù)目標(biāo)煤層條件，合理設(shè)計與布置測量系統(tǒng)。

(3) 煤系地層條件下煤層表現(xiàn)為高阻特征，裸井測量時特征明顯。在煤層氣抽采水壓制裂后，煤層含水特征改變會形成低阻區(qū)域，利于井地測量分辨。其工程應(yīng)用特點還需深入研究，具體討論其有效分辨率和適用性。

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Testing Simulation and Application of the Borehole-Ground Joint Parallel Electrical Method

ZHANG Ping-song1, WU Jian-sheng2, ZHAO Yong-hui2, XU Shi-ang1

(1.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001; 2.SchoolofOceanandEarthScience,TongjiUniversity,Shanghai200092)

Laying electrodes in a borehole and on the ground, the borehole-ground joint parallel electrical method conducts power supply and measurement of whole electrodes and determines distribution characteristics of the ground electric field around the borehole. The acquired data permit to study medium structure of reservoirs and its variations. It can play an important role in distinguishing complex models of earth electricity in the subsurface. This work establishes a test model of the borehole-ground electrical method and inverts the resistivity of a 3D medium by this technology. The purpose is to distinguish anomaly distributions of different types of geologic objects around the borehole. The results of actual measurement in the field indicate that geologic conditions around a borehole can be explained effectively using the testing system of this electrical method, and can provide evidence for exploration and determination of reservoir media.

borehole-ground joint, simulation test, parallel electrical method, geological conditions around borehole

2014-11-16；

2015-08-10；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

“十二五”國家科技重大專項課題子課題(編號：2011ZX05035-003)資助。

張平松(1971年-)，男，2008年畢業(yè)于同濟大學(xué)，獲博士學(xué)位，教授，長期從事地球物理探測技術(shù)教學(xué)與研究工作。E-mail：pszhang@sohu.com。

P618

A

0495-5331(2015)05-0964-06