基于差分广域电磁法的三元复合驱监测方法

李帝铨，何继善

（1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室（中南大学），长沙 410083；2.有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室，长沙 410083；3.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083）

0 引言

中国油田多为陆相沉积，近年水驱采收率平均为33%左右，注水开发油田主体已进入高含水、高采出程度的“双高”开发阶段，通常采用化学驱提高原油采收率[1]。基于大庆油田聚合物驱的成功应用，进一步发展了三元复合驱（碱-表面活性剂-聚合物）技术[2]，从2014年推广应用至2017年，三元复合驱区块平均提高采收率超过 18%，已形成了成熟的油藏工程、采油工程及地面工程配套技术；孙龙德等[3]指出剩余油的精准表征是进一步提高化学驱采收率的关键之一。

目前应用于驱油监测的方法有化学剂示踪法[4-5]、地面地震法[6-8]、井间地震法[9]、地面电磁法[10-11]、井间电磁法、井-地电磁法、直流电法[12]、电测井法、重力测井法等[13]。由于三元复合驱主要应用于大庆油田的多层、薄层油藏，剩余油分布不均、地震属性对比不明显、电阻率差异小，传统驱油监测方法难以达到探测精度要求[8]。此外，油田现场在地表之下2 m内密布了各种管线（包含动力线），导致严重的电磁干扰和信号屏蔽，测量数据可靠性存疑，一般电（磁）法难以取得较好结果[10-12]。为了进一步提高三元复合驱采收率，需要建立一套更为准确的参数设计及跟踪调整方法，对驱油过程进行监测。

何继善[14]在2010年提出了差分广域电磁法。本文将该方法应用于大庆油田某三元复合驱区块驱油监测试验中。试验中埋置包括发射电极、测量电极、测量导线在内的所有采集设备，保证采集过程不受测量装置影响；三元复合驱过程中多次采集电磁场响应，并以三元复合驱前的采集数据为背景场，通过时间域差分获得差分广域电磁法数据体，反演得到电阻率3D模型；利用测井电阻率数据进行标定，建立试验区电阻率3D模型及目标地层电阻率3D模型；最后基于电阻率 3D模型的空间域一阶差分提取三元复合驱体系分布范围和前缘位置。

1 差分广域电磁法

油田开发中，水驱、气驱和化学驱均通过置换作用引起储集层的物性变化，使得储集层地球物理响应随时间变化，于是提出时移地球物理探测方法[7]。传统时移电磁法需采集电场和磁场数据，但试验区电磁干扰严重，磁场抗干扰能力差，导致三元复合驱前后储集层的电磁响应差异无法采集。广域电磁法仅需要采集电场数据即可实现对地探测，具有信号强、抗干扰能力强、探测深度大、高效低耗等特点[14]。本文采用差分广域电磁法监测三元复合驱过程中储集层的电阻率变化。

1.1 时间域差分广域电磁法

建立普适性的电磁法模型如图1所示。源放置在地表，坐标系的原点设置在源中心点，z向下为正，向上为负；假设地层最底层的厚度为无限；每一层的相对介电常数、相对磁导率均设为1。

图1 电磁法模型示意图

由Maxwell方程组推导出谐变电磁场的波动方程，进而得到层状大地表面水平电偶极源在地表产生的谐变电磁场的积分表达式。对于沿x方向的电偶极子源，电场水平x分量的表达式为：

对于N层分层地球介质，R1和R1*为联系地表和下半空间（地球）电性特征的两个函数，和第N层电导率及以上所有层位的电导率和层厚有关，具体表达式如下：

采用三元复合驱后，被驱替地层的电性特征发生变化。在地面采集时，固定观测系统，保证观测系统的参数不变，可以采用时间域差分法精确测量储集层电性变化。通过对不同时间点采集的电场或电阻率数据进行反演，采用差分运算处理电阻率数据体，提取两次时间间隔内三元复合驱对电场或电阻率的影响，推断三元复合驱的前缘位置及分布范围。（3）式与电流源强度无关，与位置信息（收发距、观测角度）、地层信息（电性参数、层厚）及频率有关。

时间域差分广域电磁法具体操作步骤如下：①三元复合驱开始前采集背景场，反演获得工区的三维电阻率数据体；②三元复合驱过程中多次采集电磁场响应，基于测井约束开展三维反演，获得三维电阻率数据体；③基于（3）式计算两次采集间隔的三维电阻率差异，分析三元复合驱驱油效果。

本方法通过发送与接收不同频率的信号来获取不同深度的地电信息，一次发送的伪随机电流信号中包含多个主频成分，且彼此振幅大小相近。本技术只需要测量一个电场分量便可得到其时域差分异常响应，相比于测量磁场，抗干扰能力强，减小了计算误差，提高了电阻率异常测量的可靠性；通过差分处理，可压制背景噪声，减小系统误差。

1.2 空间域一阶差分

对前文得到的电阻率异常进行空间域一阶差分可以有效分离和突出各个方向的叠加异常。数据处理采用各个方向差分矢量的模来进行区内电阻率变化的综合分析，如（4）式所示。各个方向差分矢量的模是区内各个位置差分矢量的综合参数，反映了某点电阻率的总梯度变化，是对各个方向差分信息的综合反映。用空间域一阶差分及差分模作为参数监测目标区电阻率异常的变化，可以有效提取由三元复合驱引起的目标层电阻率变化，克服测区背景电阻率低、差异小、目标深度大等特点造成的测量问题。

为了确定目标层内三元复合驱的波及范围以及驱替前缘位置，利用空间域一阶差分零值线反映异常体边界位置的特点，通过求取一阶差分提取区内异常体的三维分布界面信息，提高分辨率，研究其规模、形态、趋势，进而推断三元复合驱波及范围与围岩的交界位置。本文利用空间域一阶差分广域电阻率的模M1来推断三元复合驱前缘。

2 三元复合驱监测试验

2.1 试验区地质与地球物理特征

试验区位于中国松辽盆地中央坳陷区北部，目标层位为白垩系萨尔图油层SⅡ砂层组SⅡ-7—SⅡ-14小层。上覆第三系、第四系，下伏侏罗系、三叠系，由于地层岩性特征差异，白垩系总体上呈低电阻率特征，上覆、下伏地层总体上呈高电阻率特征，这种“高—低—高”的电阻率特征为目标地层的识别及标定提供了有利条件。SⅡ-7—SⅡ-14小层为大型三角洲平原河道沉积，在 SⅡ-8顶部发育一套稳定的高电阻率砂岩层，不仅可以作为划分SⅡ-7、SⅡ-8小层的分界线，还可以作为电性标志层，通过测井电阻率来标定反演的数据。

本次研究采用强迫电流法对3组（每组24个SⅡ-7—SⅡ-14小层砂岩岩心）共72个岩心样品进行了电阻率测试，对 3组样品分别进行了水驱、聚合物驱、三元复合驱，测量驱替前后的电阻率（见表1）。测试结果表明，注入水、聚合物以及三元复合驱体系均可导致目标层电阻率降低；三元复合驱后的岩心样品电阻率明显低于聚合物驱及水驱后的岩心样品电阻率，低电阻率可以指示三元复合驱体系的分布及运移。

表1 不同驱油剂驱替岩心样品前后电阻率测量数据

2.2 仪器与装备

采用湖南继善高科技有限公司研发的 JSGY-2广域电磁仪（见图2）进行数据采集，该仪器内置高性能计算机，可完成多个通道并行高速数据的实时采集、运算和处理；发射系统包括轻便的信号控制器和电源柜，主要用于大功率电磁信号的发送。系统设计时严格将强电系统和控制系统分离，既保证了操作人员的安全，也减少了强电系统对控制系统的影响。高精度时钟源和数字信号合成技术确保发送信号频率准确无误，搭载的伪随机信号控制器可一次完成多个频率的发送，工作效率高。

图2 广域电磁法设备及施工示意图（AB是发射电缆两个接地极的距离，一般为1～3 km，本次试验受场地影响，为890 m）

2.3 数据采集

2.3.1 信号发射与接收

基于安全和便于施工的原则布置供电电源，就近选择供电变压器，变压器为380 V三相四线市电，功率为120 kV·A。本次供电电压设置在130 V左右，发射站主要包括100 kW开关电源、100 kW逆变柜、信号控制器等设备，收发距约4 700 m，受场地影响，两端接地电缆（见图2b中AB）距离为890 m，最大发射电流70 A。

试验区地下1.5～2.5 m内存在大量金属、塑料管线，为避免管线影响探测信号，利用高压水钻在测区256个测点打出孔深为5 m、直径大于3 cm的钻孔以埋设测量电极，测线及测点分布如图3所示。由于电极线需在地下埋设约 1年，需对电极线进行防氧化腐蚀保护。电极线穿过PVC（聚氯乙烯）套管连接地面，下端连接电极，上下端均密封防水。埋设在孔内的PVC套管顶部略低于地面，将测量电线引入水平PVC套管埋设在地面槽内，槽内放麦秆以防水防冻。测量电极距离（见图2b中MN）为20 m。

图3 试验区电磁场监测测线及测点分布图

实际测量时，采用多台接收机同时测量，频率范围0.015 6～8 192.000 0 Hz，频点40个，根据趋肤深度计算公式[14]，可实现地表至地下3 km的探测，满足本次试验的探测深度要求。为了验证埋置测量电极的效果，在相同的测点，采用同一台接收机的两个通道同时采集并对比了测量电极埋置于地表和地下5 m的视电阻率数据。测量电极埋置于地表时，浅埋管线的干扰严重，导致视电阻率曲线振荡；测量电极埋置于地下5 m时，避开了浅埋管线的干扰，视电阻率数据质量改善明显（见图4）。

图4 测量电极埋置于不同位置时测得的视电阻率曲线对比

2.3.2 野外数据采集

注入井注液1个月后的2015年11月20日，开始实施第1次数据采集工作，为后续采集提供基础数据，共进行4次数据采集（见表2）。

表2 数据采集时间

2.4 数据处理及效果分析

2.4.1 测井约束三维电阻率反演

资料处理采用重磁电三维反演成像解释一体化系统GME_3DI（V6.1）中的广域电磁法数据处理模块。以收集到的电阻率测井资料为基础，结合区域地质信息和地层的电性资料，建立测区初始地电模型。对采集的广域电磁法实测数据进行预处理，进行一维连续介质反演成像；然后以一维反演成像的结果为基础，再进行二维层状介质反演成像；基于二维反演成果，结合测井数据约束层位和电阻率范围，开展三维反演。第1次和第2次采集的全深度电阻率数据体如图5所示。根据电阻率模型推断，测区电性层分为 9层，区内电阻率分层产状较为单一，基本呈水平分布，纵向上为高阻层、低阻层交互出现。SⅡ砂层组背景层位于第9电性层，为高阻层；SⅡ-7—SⅡ-14小层深度为980～1 015 m。

图5 研究区地层电阻率特征

2.4.2 目的层电阻率特征

限于篇幅，本文只展示SⅡ-7小层的电阻率特征，第1次和第3次采集的SⅡ-7小层电阻率数据体如图6所示。第1次采集结果为后续采集提供时域差分背景数据，目标层背景电阻率为高阻，且目标层位电阻率呈现以注入井为中心的不规则圆形异常，推断为三元复合驱体系导致的电阻率异常；第3次采集发现以注入井为中心的电阻率异常依然存在，并且范围进一步扩大。可利用时域差分和空域差分方法，推断三元复合驱体系在两次采集间隔期的分布和运移规律。

图6 SⅡ-7小层电阻率模型

2.4.3 基于目的层电阻率差分的三元复合驱体系分布及运移特征

本次数据采集具有深度大、目标层薄、抗干扰能力强等特点，因此采取时域和空域切向一阶差分等方法对反演获得的三维电阻率数据体进行信息提取。利用第1次采集的数据作为背景数据，对第2、3、4次采集的数据进行时域差分，得到第2、3、4次静态图件并做动态分析；采用残差梯度推断三元复合驱体系的横向分布特征和运移规律（本文计算残差梯度时采用任意一次采集和第1次采集的电阻率的差分）。

SⅡ-7和SⅡ-8a（SⅡ-8中最厚的小层）两个厚油层的三元复合驱体系分布如图7、图8所示。由图7可见，三元复合驱体系在SⅡ-7小层驱替半个月（第2次采集），还未运移到任何一口生产井；驱替6个月（第3次采集）时，三元复合驱体系波及3口生产井，说明主要向 N4-11-P3039井、N4-D20-P3139井及N4-20-SP3039井方向突进；北东、北西及南西方向驱替前缘均超出测区边界，可能受监测区外其他井组三元复合驱体系运移影响所致。第4次采集与第3次采集仅间隔14 d，三元复合驱体系分布范围扩大趋势不明显。

图7 SⅡ-7小层三元复合驱体系分布模型

图8 SⅡ-8a小层三元复合驱体系分布模型

由图8可见，三元复合驱体系在SⅡ-8a小层驱替半个月时，还未运移到任何一口生产井；驱替 6个月时，波及 2口生产井，主要向东西向运移，即向N4-D20-P3039、N4-D20-P3139两口采出井方向突进。东侧驱替前缘位置超出测区边界，可能受其他井组三元复合驱体系运移影响所致。第4次采集与第3次采集仅间隔14 d，三元复合驱体系分布范围小幅度扩大。

2.4.4 生产数据对比

该区块在三元复合驱前，已经进行过聚合物驱油。从井组生产动态数据可见（见表3），2015年 12月 5日（第2次采集），4口生产井均没有采出碱或表面活性剂；2016年5月15日（第3次采集），4口采出井的碱和表面活性剂的浓度升高，说明三元复合驱体系已经突破，生产数据和广域电阻率模型以及目标区三元复合驱体系分布模型一致。另外，采出井含水率的波动与聚合物采出浓度未见明显相关性。

表3 井组生产动态数据

3 结论

三元复合驱体系具有低电阻率特征，与储集层电阻率存在显著差异，可以采用电磁法进行驱油监测。通过5 m钻孔深埋测量电极和减小收发距的方法，解决了干扰信号大、有用信号被屏蔽的问题，提高了数据采集质量、信噪比和观测精度，采集数据真实有效地反映了地层信息，推断了三元复合驱体系的展布范围及前缘位置，可对油层三元复合驱体系的井间连通性进行判断，为三元复合驱注采参数优化提供数据支持。

目前采用的地面激发-地面接收方式难以实现薄层识别，故未能对各油层的三元复合驱体系运移规律做出分析，为了提高分辨率，下一步将从提高激发效果、采样率、空间数据密度 3个方面开展攻关：①采用井筒供电方式，近距离激发三元复合驱体系运移导致的电磁场变化；②采用连续监测方式，提高时间域数据密度，动态反映三元复合驱体系的运移规律；③加密激发信号频率，提高纵向分辨率；加密测点距离到5 m或10 m，提高横向分辨率。

符号注释：

E——电流，A；Ex——与源同向的电场水平分量，V/m；hj——第j层的厚度，m；i——虚数单位；J0(λr)、J1(λr)——以rλ为变量的零阶和一阶贝塞尔函数；j——电性层序号，j=1，2，…，N；kj——第j个电性层的波数；M1——一阶差分的模，Ω；N——电性层的层数；PE——偶极源的电偶极矩，A·m；r——收发距，m；R1和R1*——联系地表和下半空间（地球）电性特征的两个函数；x，y，z——坐标轴3个方向；IJη——残差梯度，无因次；θ——电偶极源方向和源的中点到接收点矢径之间的夹角，（°）；λ——积分变量；μ0——自由空间的导磁率，F/m；ρ——电阻率，Ω·m；ρI、ρJ——驱替后第I次和第J次采集得到的三维电阻率数据体，Ω·m；ρj——第j个电性层的电阻率，Ω·m；σj——第j个电性层的电导率，S/m；φ——测量夹角，（°）；ω——角频率，rad/s。