鄰層屏蔽對頁巖儲層井地電位的正演模擬

曹學(xué)來，何 澤，張新宇，鄧 瑞，易娟子

(1. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 中國石油西南油氣田公司，重慶 401120)

頁巖氣是典型的非常規(guī)天然氣，產(chǎn)自極低孔滲、以富有機質(zhì)頁巖為主的儲集巖系中[1-4]。頁巖氣常被稱為“人造氣藏”，開采時必須通過人工造縫才能形成工業(yè)生產(chǎn)能力，基于此類情況應(yīng)該提高對油氣藏勘探的精度[5]。而通過有限元的的方法將研究區(qū)域進行網(wǎng)格劃分[6-8]，針對不同介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)進行數(shù)值模擬，探測儲層的響應(yīng)特征，分析出油氣的分布特點便可以實現(xiàn)這一目的。

本研究采用基于有限元電磁模擬的頁巖儲層的電學(xué)性質(zhì)研究可以精確描述儲層電阻率等地層信息，而儲層電阻率又與地層的孔隙度、含水飽和度、巖性等因素有關(guān)[7,9]，所以通過對儲層的數(shù)值模擬來研究其電學(xué)性質(zhì)可以提高對儲層含油氣性的探測精度，對發(fā)展頁巖油氣意義重大[10-12]。

1 原 理

地下巖層孔隙中的流體不同，導(dǎo)致巖石的電阻率不同，所以儲層的電阻率與含油飽和度具有一定的關(guān)系。從定性的角度看，相同條件下含油飽和度越高，地層電阻率越高。

測井時，通過儀器向地層發(fā)射電流，由于地下介質(zhì)的電阻率分布按照一定的規(guī)律流動，在介質(zhì)中的電位也會隨之改變，通過測量地表電位的變化，可以尋找出地下可能含有油氣的儲層。

1.1 物理基礎(chǔ)

組成物質(zhì)的分子和原子中含有電子，對介質(zhì)施加電場或其他影響，介質(zhì)內(nèi)部或表面的電子可能會被剝離，對外顯電性。通過該原理可以區(qū)分出不同的地下介質(zhì)。

電荷的定向運動會形成電流，電流可以用電荷密度表示。歐姆定律可寫成下式：

J=σE

式中，σ為電導(dǎo)率。

電荷運動時或不運動時，均遵守電荷守恒定律。用數(shù)學(xué)形式可以表示為連續(xù)性方程：

式中，R和t分別為空間和時間。

研究電場的變化，需要對其施加邊界條件，邊界條件可以分為第一、第二、第三類邊界條件。利用有限元法對問題的分析過程進行簡化[4]，使研究方便快捷。

1.2 電位測量原理

如圖1所示，選取一口井由供電系統(tǒng)在其中激發(fā)電流，再由另一口井進行回流，通過測量地表電位的變化可以計算出地下介質(zhì)的電阻率變化。

2 正演模擬及結(jié)果

2.1 水平層狀介質(zhì)

地下介質(zhì)中存在電阻率異常的層段可能會出現(xiàn)油氣儲層，因此下面將主要討論低阻異常體(電阻率為5 Ω·m)和高阻異常體(500 Ω·m)在水平和傾斜的情況下，對圍巖(電阻率為80 Ω·m)電位分布的影響。以層狀介質(zhì)為例，結(jié)果中自左向右代表A井到B井的電位變化。

圖1 井地電位測量模型

在水平層狀介質(zhì)下，低阻地層和高阻地層電流線流向示意圖和電位分布見圖2和圖3。

圖2 低阻異常體水平模型

圖3 高阻異常體水平模型

通過對比圖2與圖3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其他條件相同的情況下，高阻異常體對地表電位的影響比低阻異常體的影響程度大，由于相同條件下，不同電阻率值的地層對電流的分布影響不同，電流更容易通過低阻地層，相對于低阻異常體模型而言高阻模型中接近地表的圍巖中的電流會更容易通過，同一電阻率值，不同的電流強度形成的電勢不同。所以高阻異常體水平模型的地表最高電位比低阻異常體水平模型高。

2.2 傾斜介質(zhì)

在傾斜地層下，低阻地層和高阻地層電流線流向示意圖和電位分布見圖4和圖5。

圖4 低阻異常體傾斜模型

圖5 高阻異常體傾斜模型

通過對比圖4與圖5結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其他條件相同的情況下，高阻異常體對地表電位的影響比低阻異常體的影響程度大，與圖2、圖3對比分析過程同理，所以高阻異常體傾斜模型的地表最高電位比低阻異常體傾斜模型高。

2.3 混合介質(zhì)

從圖6、圖7可得，水平與傾斜高阻異常體地層共同存在時比只有水平高阻異常情況下對電位分布影響較大。由于電阻的串并聯(lián)原理可以得出，高阻異常體的兩種模型共同存在時會使得地下介質(zhì)的電阻率相對變小，地表一側(cè)電勢會變大。

圖6 低阻異常體水平與傾斜共存模型

圖7 高阻異常體水平與傾斜共存模型

2.4 小結(jié)

由上述分析可得，電流一致時，電阻越大其分得的電勢相對較大，由表1數(shù)據(jù)分析也可以看出高阻異常體對電位分布的影響較低阻異常體大。且由低阻異常體的3類模型發(fā)現(xiàn)，靠近地表一側(cè)的異常體對電位的分布影響較大。

表1 不同地層模型的電位分布

將地層模型由上至下分層，將每層對電位的影響疊加，會得出傾斜的異常地層較水平地層的影響較大，本人就此結(jié)論分析如下：

低阻異常體與高阻異常體：相對于低阻異常體模型而言，高阻模型中接近地表的圍巖中的電流會更容易通過，同一阻值，不同的電流強度形成的電勢不同，所以低阻異常體模型的地表最大電位較??；

水平異常體與傾斜異常體：水平與傾斜高阻異常體地層共同存在比只有水平高阻異常情況下對電位分布影響較大。由于電阻的串并聯(lián)原理可以得出，高阻異常體的兩種模型共同存在時會使得地下介質(zhì)的電阻率相對變小，地表一側(cè)電勢會變大。

3 結(jié) 論

通過上述分析，基于有限元算法十分適用于頁巖儲層電場分布的模擬，模擬結(jié)果表明：

1)傾斜異常地層對地表的電位分布影響較大，所以對頁巖儲層進行研究時，應(yīng)重視對高阻傾斜地層的研究，提高對油氣勘探的精度。

2)將該研究結(jié)果與其他測井方法進行組合和對比，同時結(jié)合地質(zhì)等信息，可將頁巖儲層的電學(xué)性質(zhì)與測井結(jié)果進一步分析，提高電磁測井正演技術(shù)。

3)研究地下地層電學(xué)性質(zhì)的變化除可應(yīng)用于尋找油氣儲層，還可以在尋找其他礦產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)展。此外，上述方法還可以對地層中的電磁場等其他因素的進行模擬，應(yīng)用較廣泛。

綜上所述，利用有限元對頁巖儲層的電學(xué)性質(zhì)研究可以準確地反映地層信息，具有較好的應(yīng)用前景。