井間瞬變電磁法在不同地層的響應特征研究

申振開 宋汐瑾

摘要：當前，我國的石油開采已進入剩余油開發(fā)階段，而剩余油一般都位于地層深處，勘探難度很大，為此需要在地層深處的井間進行石油勘探。瞬變電磁法很適合在大地深處對各種巖石礦物進行探測，結合在井下建立瞬變電磁的收發(fā)裝置，會使得井下勘探更加準確、便捷。本次研究使用COMSOL軟件建立地質模型和信號收發(fā)裝置，來仿真模擬真實的井間勘探情況，并且分別仿真均勻地層、分層地層、有異常體地層等不同地質情況下的瞬變電磁響應特征，以分析對比不同的響應特征。

關鍵詞：井下收發(fā)；COMSOL仿真；不同地層

中圖分類號：P631文獻標志碼：A

0 引言

根據統(tǒng)計，目前全世界的石油開采率只有大概三分之一，這三分之一也是最容易開采的部分。這就意味著還有大部分石油被埋藏在地下，因為開采難度大而以剩余油的形式未被開采。在原來的油井里增加采收率，或者開發(fā)地下更深處的油藏，以保證石油持續(xù)的穩(wěn)產增產，是我國石油工業(yè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)［1］。提高采收率的關鍵就是要加強剩余油的開采，但剩余油的分布是由多種因素所決定的，必須先探測剩余油的位置才能對其進行開采，而影響因素是多樣的，這就導致了剩余油分布規(guī)律的復雜性和剩余油富余區(qū)探測的不確定性［2］。即使是在相同的地質構造中，因為探測方法的不一樣，所得到的剩余油分布規(guī)律也不一樣，這樣就對剩余油的探測方法提出了更高的要求。而剩余油開采的關鍵首先就是確定剩余油富余區(qū)的位置，其大多深藏于已開采油井的下方，即井間是剩余油分布的主要區(qū)域，因而也是剩余油勘探的重點區(qū)域，這也是人們研究井間勘探的意義所在［3］。

1 研究方法

1.1 井間電磁法

井間是尋找剩余油富集區(qū)的重點區(qū)域，如何設法延長油氣井壽命、提高產能，準確評價油層水淹程度，確定含油飽和度調整開采方案，是石油科技工作者面臨的重大課題［1］。井間剩余油探測方法也是國內外的前沿研究課題，因為地面電磁法在實際工作中很大程度上受到了探測深度和分辨率的限制，為了克服這些缺點，出現(xiàn)了井間電磁法。井間電磁法指在兩個或多個鉆孔中分別發(fā)射或接收電磁波信號，利用電磁波信號進行成像并探測井間物理性質的地球物理方法。測量時，通過在井孔中分別布置發(fā)射機和接收機獲取整個研究區(qū)域的特征數據。發(fā)射機和接收機可以分別放置在很深的鉆孔中，具有大透距、大探測深度的特點。井間電磁法結合了常規(guī)電磁法和地球物理測井的優(yōu)勢，在保證高分辨率和高精度的基礎上，還能有大的探測深度［4］。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一種探測地下電導率信息的時間域電磁勘探方法。它將不接地回線或接地導線源作為人工場源，接收源斷開之后的地下二次感應場，然后通過對地表記錄的感應電磁場的研究了解地下電性結構［5］。即利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，地下導體內部受感應產生渦旋電流。在一次脈沖磁場的間隙期間，渦流電流產生的二次磁場不會隨一次場消失而立即消失，即有一個瞬變過程。二次渦流場的表現(xiàn)與地下介質之中所存在的電性有著十分密切的關系［6］，利用線圈或接地電極觀測二次磁場，研究其響應特征，從而確定地下導體的電性分布結構及空間形態(tài)［7］。瞬變電磁法是剩余油探測的有效方法，對確定油氣資源富集區(qū)，提高采收率，合理利用油資源，促進國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展有重要的意義［8］。將這兩種方法結合起來，就是本次所用的井間瞬變電磁法。

1.3 COMSOL軟件

COMSOL Multiphysics軟件是一款使用有限元算法的強大的仿真軟件，在各個學科中都有廣泛應用，其包含多個仿真模塊，例如，聲學、光學、化學、流體力學、電磁學、熱傳導、結構力學、射頻等諸多模塊，近年來使用范圍越來越廣，應用的案例越來越多。任何可以用偏微分方程描述的物理過程也都可以用COMSOL來仿真，是數學方法與物理過程的最好連接，并且COMSOL支持從單一的物理場到多個物理場等各個物理場的耦合建模，兼具功能性、靈活性和實用性，現(xiàn)在已經成為全球許多高校用來教授有限元思想和多物理場耦合分析的最好軟件。其操作界面簡潔美觀，仿真過程中的各種參數都能在同一界面顯示，使用起來便捷、高效［9-10］。因為本次研究是仿真井下的電磁探測，所以使用其電磁模塊進行仿真研究。

2 不同地層模型及響應

2.1 均勻地層

用COMSOL軟件建立均勻地層模型如圖1所示，上方為空氣介質，下方為均勻地層介質，地層中向下深入的為三根金屬套管。其中，中間的套管為信號發(fā)射套管，兩邊的套管為接收套管。發(fā)射信號采用角頻率和幅度均為1的方波信號，在三根金屬棒底部接地。

根據現(xiàn)實中地層的實際情況，本研究將各種介質的參數設為如表1所示。

對COMSOL軟件啟動運算仿真，得到均勻地層的電勢響應和接收套管電勢，如圖2和圖3所示。

由圖2可知，電位等勢線在均勻地層中基本是均勻分布，直到接收套管附近等勢線的疏密程度才發(fā)生變化。由于接收金屬套管的存在，電勢等勢線圖分布在兩個接收套管之間。地層與空氣之間由于介質不同，電勢線在分界面上發(fā)生了偏折。而從圖3中也能發(fā)現(xiàn)接收套管上的電勢變化，套管上電勢隨著弧長增加而逐漸減小，并在弧長等于250m處也就是接地點處收斂為0，表明在垂直方向上隨著深度的增加電勢是減小的。均勻地層的響應特征也可用來與下方分層地層和有異常體地層做對比。

2.2 分層地層

用COMSOL軟件建立分層地質模型如圖4所示。

將地層分為擁有不同電導率的上下兩層，其余套管等參數與圖1均勻地層時相同，包括使用相同的方波發(fā)射信號。兩層地質的參數如表2所示。

使COMSOL軟件進行計算，得到分層地層的電勢響應特征和接收套管電勢，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，電勢線在兩層電導率不同的地層分界面上有明顯的偏折，即電勢線在由低電導率層進入高電導率層時有稀疏發(fā)散現(xiàn)象，即電勢線由上層進入下層時發(fā)生向外偏折，且變得稀疏，這與均勻地層存在明顯的不同，存在著明顯的分層特征。而由圖6可知，接收金屬套管上的電勢仍舊隨著套管向下減小，且與圖2相比，電勢隨弧長的收斂更加圓潤，即在套管上部電勢衰減幅度比均勻地層小，在套管下部衰減幅度比均勻地層大，這也揭示了不同電導率地層對接收套管電勢的影響。同時，也可明顯看出在弧長為0處，即套管頂端的電勢相對于均勻地層時變大了，這或許也是分層地層的一個特征；也可看出在兩層交界處，即弧長150m處接收套管電勢無明顯偏折，表明金屬管內部電勢是平滑分布的。

2.3 有異常體地層

基于均勻地層，在模型地層中兩套管中間添加了一塊長150m、高25m、電導率為0.1S/m的異常體，即電導率與其他地層不同的異常體。兩套管間距為400m，其余參數與均勻地層保持不變。由于主要研究異常體影響，該模型只設置了一根接收套管。用COMSOL構建異常體地質模型如圖7所示。

運算軟件進行仿真，得到異常體地層電磁響應結果，如圖8和圖9所示。

由圖8可知，在沒有異常體的一側，電勢線相對均勻分布，而在有異常體的一側，電勢線在異常體處發(fā)生了明顯的偏折且電勢等勢線變得稀疏，由于電勢線在地層中發(fā)生突出異常，所以可以較明顯地辨別地層中的異常體，與其他地層情況做對比，異常體特征明顯。由圖9可知，套管中的電勢變化趨勢與均勻地層相似，但在弧長為0處數值要比均勻地層及分層地層時小，但小不到一個數量級，這就是地層中異常體帶來的直觀變化，與上述其他地層情況進行比較，能夠較好分辨出來。

3 結語

由上面分別研究均勻地層、分層地層、有異常體地層的響應，并比較各種地層之間的響應特征，能夠較好地根據響應特征分辨各種地層。且由模型的量測尺度較大可知，井間瞬變電磁法可以用來勘探大深度、廣地域的地質特征，且對于不同類型的地質模型均具有較好的電磁響應辨別特征，應用前景十分廣闊。

參考文獻

［1］弓彥偉.井間電磁探測與介質識別技術研究［D］.西安：西安石油大學，2015.

［2］謝俊，張金亮.剩余油描述與預測［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［3］楊軍峰.瞬變電磁電阻率檢測與刻度技術研究［D］.西安：西安石油大學，2014.

［4］劉四新，倪建福.井間電磁法綜述［J］.地球物理學進展，2020（1）：153-165.

［5］戴銳，李展輝，黃清華.瞬變電磁法三維模型數據的一維反演效果研究［J］.地球物理學進展，2017（3）：1121-1129.

［6］高冬冬.瞬變電磁法在采煤工作面底板富水性探測中的應用探析［J］.山西化工，2022（5）：148-150.

［7］呂國印.瞬變電磁法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.物探化探計算技術，2007（S1）：111-115，10.

［8］王添翼.井間瞬變電磁法地面系統(tǒng)研究［D］.西安：西安石油大學，2014.

［9］曹威，馬嘉欣，陳寶遠.基于Comsol軟件仿真技術的光學式電場傳感器特性研究［J］.電子制作，2022（19）：91-93，26.

［10］王曉華.在“電磁場理論”教學中的COMSOL有限元軟件的應用研究［J］.黑龍江科學，2017（19）：79-81.

（編輯 王永超）