井地联合并行电法测试模拟与应用

张平松，吴健生，赵永辉，许时昂

(1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092)



井地联合并行电法测试模拟与应用

张平松1，吴健生2，赵永辉2，许时昂1

(1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092)

井地联合并行电法通过在井孔和地面布设电极，进行全电极供电和测量，获得钻孔周边地电场分布特征，研究储层介质结构及变化特征，对地下复杂地电模型分辨具有重要作用。文章通过构建室内井地电法测试模型，采用并行电法技术，三维反演介质的电阻率，判断井孔周边不同类型地质体的异常分布特征。结合野外井地条件进行实测，结果表明，通过井地联合测试系统可以对钻孔周边地质条件进行有效分辨，为储层介质探查与判断提供辅助依据。

井地联合 模拟试验 并行电法 孔周地质条件

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

勘探区的水文地质条件对煤层气的开发与评价具有重要的意义，通过地面电法测量，可对煤储层及其上、下含水层的电性特征进行判断，为煤层气开采过程中排水降压提供指导。煤层气开发井的压裂过程伴随着煤层及其上、下地层结构改变引起的电性变化，由于该变化较小，地面电法难以有效探测与分辨。而通过在井孔和地面联合，充分利用勘探开发井，形成井地并行电法测试系统，为压裂过程中孔周地质条件变化评价提供指导(底青云等，2003；何展翔等，2004；岳建华等，2005；武子玉，2006；Zhang Ping-songetal.，2011；杨振威等，2012)。井地电法于20世纪90年代从俄罗斯引进，先后在国内一些油田进行试验和应用，取得了一定的效果。在油井注水和深井注浆的电法监测中，地表布设平面的电位测量网，而将钻井的钢套管作为线电流源来供电，据此可确定流体的运动方向和分布特征。1975年，Hohmann利用积分方程模拟三维电磁问题，随后诸多研究者作了大量积分方程法模拟三维电磁问题的工作。针对裸井、有套管井的井地电法观测数据模拟，分析其影响因素等(刘昱等，2006；王志刚等，2006；赵广茂等，2007；贾正元等，2008；李永军等，2009；杨立功等，2013；朱凯光等，2013；金聪等，2014)。为了进一步了解井地联合电法对探测范围内不同地层的响应效果，文章采用并行电法测量方式，利用室内水槽进行模型构建与实验，进行地面及钻孔探测，获得井地联合并行电法测试效果及其认识，为煤层气井水压制裂后注水层的运移规律及裂隙扩展发育空间判断提供参考。

2 井地并行电法测试模拟

2.1 井地联合电法测试技术

井-地联合电法是通过在井中发射供电电流，地面测量不同点的电场分布，研究孔周目标体的电阻率等分布特征并进行地质解释。地面测量电极布置可以井口为中心，布置成十字线型、圆形线型或是平行测线型等。根据井地观测系统布置，采用并行电法测试技术进行井中点源和偶极源供电，实现并行大数据量采集，获得对应的井地电场数据。数据处理时，对于井中点源供电提取单极-偶极电位差数值；对于偶极源供电则分别提取出“温纳四极”及“温纳偶极”两种方式的电位差数值。利用AGI软件，将数据体依照反演格式形成参数文件进行三维数据反演。电阻率三维反演问题一般可表示为：

Δd=GΔm

式中：G为Jacobi矩阵；Δd为观测数据d和正演理论值d0的残差向量；Δm为初始模型m的修改向量。三维反演的观测数据是解编后的不同装置类型的电位值或电位差值，Sasaki在最小二乘准则中加入光滑约束，反演求得光滑模型，提高解的稳定性。其求解模型修改量Δm的算法为：

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

式中：C为模型光滑矩阵。通过求解Jacobi矩阵G及大型矩阵逆的计算，求取各个三维网格电性数据，获得井地条件下电阻率三维反演数据体，可进一步提取所需目标层电阻率分布剖面进行对比与解释(Wangetal.，2006；戴前伟等，2008；杜立志等，2013；曹辉等，2013；侯智超等，2014)。

2.2 测试模拟分析

(1) 观测系统布置

模拟实验是在2.0×1.2×0.8m3水槽中进行，以纯水作为介质，槽内水深为0.7m。模拟时构建了“十字型”观测系统L1、L2线，在十字交叉点处布置一条垂直测线模拟孔内L3线，形成井地联合电法观测系统(图1)。L1、L2测线上各电极间距为0.04m，单条测线布置16个测试电极，长度为0.6m；L3测线各电极间距为0.02m，布置32个测试电极，测线长度为0.62m。所有测试电极均采用打磨处理后铜电极，确保信号接收的可靠性。

(2) 数据采集

采用直径0.1m的铁球模拟低阻异常体，高阻异常体采用截面半径0.05m，高0.1m的圆柱形树脂筒代替。背景场测试完成后将异常体分别放置在不同井孔条件下相同的位置处，记录异常体空间坐标参数，采集三极法(AM法)、四极法(ABM法)两类并行电法数据体。试验共完成高阻体和低阻体两种探测(图1)，同一种测试方法的采样参数保持一致。

图1 观测系统布置图Fig.1 Layout of the observational system

(3) 结果分析

根据设置模型对背景及异常体测试数据分别处理，获得相应的测试空间电性数据体及切片。图2为低阻球体裸孔模型切片，其中低阻体铁球中心位置坐标分别为：XY轴(-0.18，-0.18，-0.27)，Y轴(0，-0.18，-0.27)。为了易于对比，背景切片选择低阻体在模型中的同一位置。对于异常体放置XY轴下方时，对应切片深度Z为-0.31m时，其低阻响应特征明显；当深度超过放置位置即切片深度Z为-0.51m时，其低阻区响应相对变弱；同样，当低阻体放置在Y轴Y=-0.18水面正下方0.27m处，获得的切片中低阻体的反应与实际位置较为吻合。

图3为高阻异常体模型反演切片，图中高阻体中心位置坐标分别为：XY轴(0.18，0.18，-0.3)，Y轴(0.18，0，-0.3)。当高阻体放置在XY轴对角线(X=0.18，Y=0.18)水面正下方0.3m时，其对应切片为图Z=-0.31m，在图高阻区域响应特征明显；当切片为Z=-0.51m时，高阻区响应相对较弱；当高阻体放置在Y轴Y=-0.18m水面正下方0.27m处，切片中高阻体反应在中心偏右，与实际位置吻合。受测试水槽环境如电极导杆、支架以及槽体边界等影响，在背景场中出现干扰噪声；由于模型尺寸相对较小，且电法反演的体积效应，高、低阻异常体在反演电阻率切片中的收敛性降低；实验结果表明：井地电法测量时，裸井条件下异常体在模型中相应的位置，可以实现对低阻和高阻异常体的探测与分辨，这为井地并行电法的野外应用提供基础。

3 现场测试应用研究

3.1 井地并行电法测试

野外测试选择淮南煤田张集煤矿地面钻孔进行，钻孔揭露13-1煤层，煤厚5m，其中基岩界面控制深度为367.4m。现场施工时钻孔下入电缆455.5m，共有128个电极，电极间距2m，地面以钻孔为中心布置“十字型”两条测线，共64个电极，电极距为5.5m，形成井地测试空间进行数据采集。图4为测试钻井及与测试布置照片。数据采集时采用并行电法中的AM法，采集供电时间为0.5s，采样间隔50ms，供电方式为单正法，共完成钻孔和地面测线8个测站数据，并行电法获得的大数据量易于进行井地空间反演。

3.2 结果剖面分析

根据井地电极位置构建坐标数据文件，利用AGI软件进行三维数据反演，获得相应的井地电性数据体。图5(a)为沿X轴方向过钻孔垂直切片图，图5(b)为沿Y轴方向通过钻孔垂直切片，图5(c)为三个不同垂直深度水平切片。从中可以看出：1)切片中不同深度岩层电阻率值差别较大，且在深度367m处为基岩界面，其下电阻率值较高，为基岩段；其上电阻率值相对较低，为松散层段。其整体特征明显；2)在基岩层段，煤系地层中的砂岩、泥岩段电阻率值不同，电性差异体积效应明显可分辨，风化带、13-1煤层等位置清晰，井地电阻率反演可以获得相应的分布结果；3)裸井井地测试条件对钻孔周边岩煤层电性特征分辨有效果，这为井中套管条件下井地测试对比分析提供研究基础。

图2 水槽低阻体反演切片Fig.2 Slices of inverted low-resistivity objects in a water channel

图3 水槽高阻体反演切片Fig.3 Slices of inverted high-resistivity objects in a water channel

图4 井地现场测试照片Fig.4 Photos of in-situ test of borehole-ground electrical method

4 结论

(1) 通过模拟及现场实测研究，井地联合并行电法可以对钻孔周边一定空间地质目标体进行探测与分辨。通过地质钻孔与地面电极的有效结合，对深部孔周地质特征研究具有辅助判别能力，效果明显。

图5 井地测量不同方向电阻率切片图Fig.5 Slices of resistivity in different directions from borehole-ground electric measurement

(2) 井地联合电法测试往往受控于测试系统及研究目标体的大小，现场测试时必须根据目标煤层条件，合理设计与布置测量系统。

(3) 煤系地层条件下煤层表现为高阻特征，裸井测量时特征明显。在煤层气抽采水压制裂后，煤层含水特征改变会形成低阻区域，利于井地测量分辨。其工程应用特点还需深入研究，具体讨论其有效分辨率和适用性。

Cao Hui, Mao Li-feng, Wang Xu-ben, Wang Peng. 2013. Physical simulation experiment on borehole-to-surface electromagnetic responses[J]. Oil Geophysical Prospecting, 48(6):995-998(in Chinese with English abstract)

Dai Qian-wei, Chen De-peng, Xiong Jian-kui, Fen De-shan. 2008.The 3-D finite element number modeling of vertical line source borehole ground DC method detecting underground dynamic conductor[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 5(6):643-647(in Chinese with English abstract)

Di Qing-yun, Ni Da-lai, Wang Ruo, Wang Miao-yue. 2003. High-density resistivity image[J]. Progress in Geophysics, 18(2):323-326(in Chinese with English abstract)

Du Li-zhi, Jiang Xiao-ming, Qu Jun-wei, Zhang Xu-dong, Chang Gao-qi, Li Jun-jiang. 2013. Experimental study on abnormal electric filed distribution of surface-borehole electrical method[J]. Global Geology, 32(3):584-589(in Chinese with English abstract)

Hou Zhi-chao, Dai Qian-wei, Yin Jun-tao. 2014. The numerical simulation the combined borehole-ground electrical method and high-density resistivity method[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 36(2):177-184(in Chinese with English abstract)

He Zhan-xiang, Liu Xue-jun, Qiu Wei-ting, Huang Zhou. 2004. High-power surface-borehole electrical method in predicting reservoir boundary and its application[J]. Petroleum Exploration and Development, 31(5):74-76(in Chinese with English abstract)

Jin Cong, Liu Jiang-ping. 2014. Two-dimensional numerical simulation and application of the high-density resistivity method[J]. Geology and Exploration, 50(5): 984-990(in Chinese with English abstract)

Jia Zheng-yuan, Jin Feng-ming. 2008. The application of surface-borehole electrical method in reservoir evaluation[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 5(3):326-331(in Chinese with English abstract)

Li Yong-jun, Peng Su-ping, Xu Zhong-xin. 2009. Three-dimension resistivity log method of coalfield hydrogeologic condition exploration[J]. Journal of China Coal Society, 34(2):198-202(in Chinese with English abstract)

Liu Yu, Wang Zhi-gang, He Zhan-xiang. 2006. Simulation study of electric-filed distribution of borehole-ground electrical method[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 3(5):331-336(in Chinese with English abstract)

Wu Zi-yu. 2006. Application of the borehole-to surface electric potential image technique to monitoring hydraulic fractures of coalbed methane [J]. Coal Geology & Exploration, 34(6):63-64(in Chinese with English abstract)

Wang Zhi-gang, He Zhan-xiang, Liu Yu. 2006. Research of Three-dimensional modeling and anomalous rule on borehole-ground dc method[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 3(2):87-92(in Chinese with English abstract)

Wang Zhi-gang, He Zhan-xiang, Liu Hai-ying. 2006. Three-dimensional inversion of borehole-surface electrical data based on quasi-annlytical approximation[J]. Applied geophysics, 3(3):141-147

Yue Jian-hua, Liu Zhi-xin. 2005. Three dimension resistivity tomography of mine-ground[J]. Progress in Geophysics, 20(2):407-411(in Chinese with English abstract)

Yang Li-gong, Liu Ji-shun, Yin Li-jun, Liu Wei-ming, Liu Wen-heng, Guo Jun. 2013. Application of the dual-frequency IP method to rapid prospecting of mineral resources in the Lizi area of Gansu Province[J]. Geology and Exploration, 49(2):330-336(in Chinese with English abstract)

Yang Zhen-wei, Yan Jia-yong, Liu Yan, Wang Hua-feng. 2012. Research progresses of the high-density resistivity method[J]. Geology and Exploration, 48(5):969-978(in Chinese with English abstract)

Zhao Guang-mao, Li Tong-lin, Xu Kai-jun, Li Jian-ping. 2007. The study and application of well-surface resistivity method in the safety at coal filed[J]. Progress in Geophysics, 22(6):1895-1899(in Chinese with English abstract)

Zhu Kai-guang, Jia Zheng-sen, Wang Yan-zhang, Li Zhen-feng, Qiu Chun-ling, Li Ting-ting, Wang Jia, Li Xue-tao, Lin Jun. 2013. Research on borehole-surface joint electrical double-parameter monitoring for the hydraulic fracturing in oilfields[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(11):3663-3672(in Chinese with English abstract)

Zhang Ping-song, Li Yong-shen, Hu Xiong-wu. 2011. Integrated simulation test for distortion and failure of the top rock by seismic wave CT and resistivity method in mining workface model[J]. Applied mechanics and materials, 90-93:1278-1284

[附中文参考文献]

曹 辉,毛立峰,王绪本,王 鹏. 2013. 井地电磁响应的物理模拟实验研究[J]. 石油地球物理勘探,48(6):995-998

戴前伟,陈德鹏,熊健奎,冯德山. 2008. 垂直线源井-地电位探测地下动态导体的三维有限元数值模拟[J]. 工程地球物理学报,5(6):643-647

底青云,倪大来,王 若,王妙月. 2003. 高密度电阻率成像[J]. 地球物理学进展,18(2):323-326

杜立志,蒋小明,曲俊伟,张旭东,常高奇,李俊江. 2013. 井地电法点电源供电地表异常电场分布特征实验研究[J]. 32(3):584-589

金 聪,刘江平. 2014. 二维高密度电阻率法数值模拟与应用[J]. 地质与勘探,50(5):984-990

侯智超,戴前伟,尹俊涛. 2014. 井地-高密度电法联合数值模拟研究[J]. 物探化探计算技术,36(2):177-184

何展翔,刘雪军,裘尉庭,黄 州. 2004. 大功率井-地电法油藏边界预测技术及效果[J]. 石油勘探与开发,31(5):74-76

李永军,彭苏萍,徐忠信. 2009. 煤田水文地质条件探查的三维电阻率测井方法[J]. 煤炭学报,34(2):198-202

贾正元,晋凤明. 2008. 井-地电法勘探在油藏评价中的应用[J]. 工程地球物理学报,5(3):326-331

刘 昱,王志刚,何展翔. 2006. 井地电法供电电场分布模拟研究[J]. 工程地球物理学报,3(5):331-336

武子玉. 2006. 井地电位成像技术在煤层气水力压裂缝探测中的应用[J]. 煤田地质与勘探,34(6):63-64

王志刚,何展翔,刘 昱. 2006. 井地直流电法三维数值模拟及异常规律研究[J]. 工程地球物理学报,3(2):87-92

岳建华,刘志新. 2005. 井-地三维电阻率成像技术[J]. 地球物理学进展,20(2):407-411

杨立功,刘继顺,尹利君,刘卫明,刘文恒,郭 军. 2013. 双频激电偶极在甘肃李子地区快速找矿中的应用[J].地质与勘探,49(2): 330-336

杨振威,严加永,刘 彥,王华峰. 2012. 高密度电阻率法研究进展[J]. 地质与勘探,48(5):969-978

赵广茂,李桐林,徐凯军,李建平. 2007. 井-地电阻率法在煤田安全中的应用研究[J]. 地球物理学进展,22(6):1895-1899

朱凯光,贾正森,王言章,李振峰,邱春玲,李亭亭,王 佳,李雪涛,林 君. 2013. 油田压裂井地电法双参数联合监测技术与仪器研究[J]. 地球物理学报,56(11):3663-3672

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；[责任编辑]陈伟军。

“十二五”国家科技重大专项课题子课题(编号：2011ZX05035-003)资助。

张平松(1971年-)，男，2008年毕业于同济大学，获博士学位，教授，长期从事地球物理探测技术教学与研究工作。E-mail：pszhang@sohu.com。

P618

A

0495-5331(2015)05-0964-06