井间瞬变电磁法在不同地层的响应特征研究

2023-05-24申振开宋汐瑾

无线互联科技 2023年5期

申振开宋汐瑾

摘要：当前，我国的石油开采已进入剩余油开发阶段，而剩余油一般都位于地层深处，勘探难度很大，为此需要在地层深处的井间进行石油勘探。瞬变电磁法很适合在大地深处对各种岩石矿物进行探测，结合在井下建立瞬变电磁的收发装置，会使得井下勘探更加准确、便捷。本次研究使用COMSOL软件建立地质模型和信号收发装置，来仿真模拟真实的井间勘探情况，并且分别仿真均匀地层、分层地层、有异常体地层等不同地质情况下的瞬变电磁响应特征，以分析对比不同的响应特征。

关键词：井下收发；COMSOL仿真；不同地层

中图分类号：P631文献标志码：A

0 引言

根据统计，目前全世界的石油开采率只有大概三分之一，这三分之一也是最容易开采的部分。这就意味着还有大部分石油被埋藏在地下，因为开采难度大而以剩余油的形式未被开采。在原来的油井里增加采收率，或者开发地下更深处的油藏，以保证石油持续的稳产增产，是我国石油工业所面临的巨大挑战［1］。提高采收率的关键就是要加强剩余油的开采，但剩余油的分布是由多种因素所决定的，必须先探测剩余油的位置才能对其进行开采，而影响因素是多样的，这就导致了剩余油分布规律的复杂性和剩余油富余区探测的不确定性［2］。即使是在相同的地质构造中，因为探测方法的不一样，所得到的剩余油分布规律也不一样，这样就对剩余油的探测方法提出了更高的要求。而剩余油开采的关键首先就是确定剩余油富余区的位置，其大多深藏于已开采油井的下方，即井间是剩余油分布的主要区域，因而也是剩余油勘探的重点区域，这也是人们研究井间勘探的意义所在［3］。

1 研究方法

1.1 井间电磁法

井间是寻找剩余油富集区的重点区域，如何设法延长油气井寿命、提高产能，准确评价油层水淹程度，确定含油饱和度调整开采方案，是石油科技工作者面临的重大课题［1］。井间剩余油探测方法也是国内外的前沿研究课题，因为地面电磁法在实际工作中很大程度上受到了探测深度和分辨率的限制，为了克服这些缺点，出现了井间电磁法。井间电磁法指在两个或多个钻孔中分别发射或接收电磁波信号，利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法。测量时，通过在井孔中分别布置发射机和接收机获取整个研究区域的特征数据。发射机和接收机可以分别放置在很深的钻孔中，具有大透距、大探测深度的特点。井间电磁法结合了常规电磁法和地球物理测井的优势，在保证高分辨率和高精度的基础上，还能有大的探测深度［4］。

1.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一种探测地下电导率信息的时间域电磁勘探方法。它将不接地回线或接地导线源作為人工场源，接收源断开之后的地下二次感应场，然后通过对地表记录的感应电磁场的研究了解地下电性结构［5］。即利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，地下导体内部受感应产生涡旋电流。在一次脉冲磁场的间隙期间，涡流电流产生的二次磁场不会随一次场消失而立即消失，即有一个瞬变过程。二次涡流场的表现与地下介质之中所存在的电性有着十分密切的关系［6］，利用线圈或接地电极观测二次磁场，研究其响应特征，从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态［7］。瞬变电磁法是剩余油探测的有效方法，对确定油气资源富集区，提高采收率，合理利用油资源，促进国民经济的持续快速发展有重要的意义［8］。将这两种方法结合起来，就是本次所用的井间瞬变电磁法。

1.3 COMSOL软件

COMSOL Multiphysics软件是一款使用有限元算法的强大的仿真软件，在各个学科中都有广泛应用，其包含多个仿真模块，例如，声学、光学、化学、流体力学、电磁学、热传导、结构力学、射频等诸多模块，近年来使用范围越来越广，应用的案例越来越多。任何可以用偏微分方程描述的物理过程也都可以用COMSOL来仿真，是数学方法与物理过程的最好连接，并且COMSOL支持从单一的物理场到多个物理场等各个物理场的耦合建模，兼具功能性、灵活性和实用性，现在已经成为全球许多高校用来教授有限元思想和多物理场耦合分析的最好软件。其操作界面简洁美观，仿真过程中的各种参数都能在同一界面显示，使用起来便捷、高效［9-10］。因为本次研究是仿真井下的电磁探测，所以使用其电磁模块进行仿真研究。

2 不同地层模型及响应

2.1 均匀地层

用COMSOL软件建立均匀地层模型如图1所示，上方为空气介质，下方为均匀地层介质，地层中向下深入的为三根金属套管。其中，中间的套管为信号发射套管，两边的套管为接收套管。发射信号采用角频率和幅度均为1的方波信号，在三根金属棒底部接地。

根据现实中地层的实际情况，本研究将各种介质的参数设为如表1所示。

对COMSOL软件启动运算仿真，得到均匀地层的电势响应和接收套管电势，如图2和图3所示。

由图2可知，电位等势线在均匀地层中基本是均匀分布，直到接收套管附近等势线的疏密程度才发生变化。由于接收金属套管的存在，电势等势线图分布在两个接收套管之间。地层与空气之间由于介质不同，电势线在分界面上发生了偏折。而从图3中也能发现接收套管上的电势变化，套管上电势随着弧长增加而逐渐减小，并在弧长等于250m处也就是接地点处收敛为0，表明在垂直方向上随着深度的增加电势是减小的。均匀地层的响应特征也可用来与下方分层地层和有异常体地层做对比。

2.2 分层地层

用COMSOL软件建立分层地质模型如图4所示。

将地层分为拥有不同电导率的上下两层，其余套管等参数与图1均匀地层时相同，包括使用相同的方波发射信号。两层地质的参数如表2所示。

使COMSOL软件进行计算，得到分层地层的电势响应特征和接收套管电势，如图5和图6所示。

由图5可知，电势线在两层电导率不同的地层分界面上有明显的偏折，即电势线在由低电导率层进入高电导率层时有稀疏发散现象，即电势线由上层进入下层时发生向外偏折，且变得稀疏，这与均匀地层存在明显的不同，存在着明显的分层特征。而由图6可知，接收金属套管上的电势仍旧随着套管向下减小，且与图2相比，电势随弧长的收敛更加圆润，即在套管上部電势衰减幅度比均匀地层小，在套管下部衰减幅度比均匀地层大，这也揭示了不同电导率地层对接收套管电势的影响。同时，也可明显看出在弧长为0处，即套管顶端的电势相对于均匀地层时变大了，这或许也是分层地层的一个特征；也可看出在两层交界处，即弧长150m处接收套管电势无明显偏折，表明金属管内部电势是平滑分布的。

2.3 有异常体地层

基于均匀地层，在模型地层中两套管中间添加了一块长150m、高25m、电导率为0.1S/m的异常体，即电导率与其他地层不同的异常体。两套管间距为400m，其余参数与均匀地层保持不变。由于主要研究异常体影响，该模型只设置了一根接收套管。用COMSOL构建异常体地质模型如图7所示。

运算软件进行仿真，得到异常体地层电磁响应结果，如图8和图9所示。

由图8可知，在没有异常体的一侧，电势线相对均匀分布，而在有异常体的一侧，电势线在异常体处发生了明显的偏折且电势等势线变得稀疏，由于电势线在地层中发生突出异常，所以可以较明显地辨别地层中的异常体，与其他地层情况做对比，异常体特征明显。由图9可知，套管中的电势变化趋势与均匀地层相似，但在弧长为0处数值要比均匀地层及分层地层时小，但小不到一个数量级，这就是地层中异常体带来的直观变化，与上述其他地层情况进行比较，能够较好分辨出来。

3 结语

由上面分别研究均匀地层、分层地层、有异常体地层的响应，并比较各种地层之间的响应特征，能够较好地根据响应特征分辨各种地层。且由模型的量测尺度较大可知，井间瞬变电磁法可以用来勘探大深度、广地域的地质特征，且对于不同类型的地质模型均具有较好的电磁响应辨别特征，应用前景十分广阔。

参考文献

［1］弓彦伟.井间电磁探测与介质识别技术研究［D］.西安：西安石油大学，2015.

［2］谢俊，张金亮.剩余油描述与预测［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［3］杨军峰.瞬变电磁电阻率检测与刻度技术研究［D］.西安：西安石油大学，2014.

［4］刘四新，倪建福.井间电磁法综述［J］.地球物理学进展，2020（1）：153-165.

［5］戴锐，李展辉，黄清华.瞬变电磁法三维模型数据的一维反演效果研究［J］.地球物理学进展，2017（3）：1121-1129.

［6］高冬冬.瞬变电磁法在采煤工作面底板富水性探测中的应用探析［J］.山西化工，2022（5）：148-150.

［7］吕国印.瞬变电磁法的现状与发展趋势［J］.物探化探计算技术，2007（S1）：111-115，10.

［8］王添翼.井间瞬变电磁法地面系统研究［D］.西安：西安石油大学，2014.

［9］曹威，马嘉欣，陈宝远.基于Comsol软件仿真技术的光学式电场传感器特性研究［J］.电子制作，2022（19）：91-93，26.