井-地ERT水驱前缘数据处理、反演与解释

发布时间：2016-04-22 17:42

第 1 章  绪论

1.1 课题研究背景
电法勘探是应用地球物理学的一个重要分支，其中井地电阻率法通过研究地下介质电阻率的变化来进行资源探测的方法，它将地面电法探测以及电测井法相结合，通过多个供电电极向地下供入电流来建立电场，地表进行测线的布置，数据接收后进行处理，反映出地下异常体对地表影响的情况。近年来，有关于电法的仪器日趋完善，对于数据的处理能力也逐步提高，应用井地电法来进行勘探越来越广泛。井地电法最早期的应用是探查金属矿，早期采用的是对矿井进行充电，在地表测量电位梯度，后期进行数据处理，通过数据的处理来反映地下异常体的情况。 从19世纪开始，许多学者就对电阻率法展开了深入的研究。Alfred Williams，F.H.Brown和 Led  Daft 发表了针对矿床的地电差异的专利[1]。James  Fisher 则对美国一个含有铜矿的电阻率进行了测量，但对视电阻率并没有提出明确的概念与解释，随后对于视电阻率的概念[2]是由 C.Schlumberger 以及 F.Wenner 提出的，并对视电阻率给出了明确的解释。随后M.Schlumberger 和 O.H.Gish、W.J.Rooney 等针对视电阻率的研究进行了野外实验，对视电阻率有了进一步的认识。Stefanesco 等针对水平层状介质的正演展开了深入的研究[3]。1991 年，水永秀树使用了线状电极供电[4]，寻找三维地电模型电性参数与地表视电阻率之间的联系。之后水永秀树又对倾斜井展开了实验研究，编写了三维的电阻率反演程序，对于异常体的位置以及形状能够给出比较明确的描述[8]。牛岛惠辅等研究了流动电位法[5-7]，根据地表的电位分布情况来测量地下渗透流动的一种电法勘探的方法。通过对这项技术的研究，可以用金属套管作为实验的供电电极，在实验的过程中观测地表电位分布的情况，通过后期数据的处理能够较为明确的指出压裂裂隙的方向。相较于其他国家我国对于井地电法的研究比较晚，对于井地电法的掌握与应用是在苏联专家的帮助下逐步成熟与完善起来。近年来，我国广泛应用井地电法，特别是在石油勘探等方向，在对油气藏边界的确定上有着广泛的应用前景。至今，井地电阻率法在地球物理探测等方向仍有着广泛的应用。 
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1.2 国内外研究现状 
井地电阻率法是根据地下介质的电阻率差异，在井中激发，地表测量的探测方法。油气藏深度较大，而地面的电法监测达不到预期的效果。对于井地电法不仅是国外，我国的许多专家也进行了大量丰富的研究。井地电阻率法是在 1958 年由苏联人首次提出的，他们不仅在硫酸铜的溶液中进行了实验，而且在煤层水平边界圈定中也进行了很多的野外实验，对于这些实验取得了明显的成果[9]。近年来，一些国内外的学者通过研究也取得了显著的成果，1962-1973 年，Merkel,Snyder，Alfano 和 Merkel 研究了向地下供入直流电时，层状模型在地表的电位分布情况[9-11]。1977 年 Daniels 讨论了在井地模型中，球体以及 N层地电模型他们视电阻率的变化规律；1978 年 Sill 等成功的监测了油田注水推进方向；1979 年 Morrison 和 Dey 采用了三维数值模拟的方法，对比了在地面和井中分别设置电极对实验产生的影响；1985 年 Rocroi 等确定了热田地热储层分布以及埋深[12]。同年 Tsang和 Wilt 对于地下污染物的流动方向进行了实验模拟，Eloranta 采用了积分的算法，比较了井地电法三维模型中的二极以及三极装置的不同效果；Beasley 和 Ward 为了反映球体及椭球体的灵敏性[36]巧妙地运用了积分方程的方法研究了井地装置；1988 年 Vasseur 和Poirmeur 为了能对井地装置进行较为精确的模拟，研发出了针对装置的积分方程[37]；在1991 年 oD. Be vc 和 H.F. Mo rrison 巧妙地将井地电法运用到调剖监测试验中[35]。 
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第 2 章  井地电阻率三维正演研究

2.1  满足稳定电流场的基本方程以及边界条件 
对井地电阻率进行三维正演模拟时经常用到的方法有：有限单元，有限差分，边界单元以及积分方程的方法。本文运用的是有限差分的正演方法，该方法主要是以差分作为数值计算的基本方法,计算过程中用微商代替微分，将连续的微分方程变为有限的差分方程，并将所求得到的差分方程的解作为边值问题的解[30]。 直流电阻率三维正演的计算是对由己知区域地下的电阻率异常体导致地表面电位梯度值的变化进行求解。本章将有限差分作为基本方法，将连续问题离散化，同时采用约束条件进行求解，对有关的网格节点系数进行了推导，并对比了异常体埋深不同对地表电位梯度的影响[17,23]。
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2.2  井地电阻率三维有限差分计算
三维电阻率有限差分法是进行实验数值模拟比较常用的方法。它的基本原理是将要处理的连续问题离散化，将连续问题的微分方程变为离散的差分方程，通过对差分方程组进行求解来得到原方程组的近似解。本章从点电流源场的基本方程着手，推导出了异常场存在的方程，并对该方程进行了离散化求解，结合混合边界条件推导出了有关网格节点系数的计算公式。并构建三维正演模型，对比了高阻低组异常体埋深不同的对地表电位的影响。 
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第 3 章  井地电阻率法一维反演理论研究.....24 
3.1  反演的基本理论........ 24 
3.1.1  反演问题的数学描述 ....... 24 
3.1.2  反演问题的数学适定性 ......... 24 
3.2  正则化反演方法........ 25
3.2.1  对模型施加背景约束 ....... 25 
3.2.2  对模型界限约束 ......... 26 
3.3 OCCAM 一维反演 ..... 27 
3.3.1 OCCAM 反演基本原理 .... 27 
3.3.2  拉格朗日乘子的搜索 ....... 31 
3.3.3 OCCAM 理论模型的一维反演..... 32 
3.4  本章小结........ 34 
第 4 章  井地电阻率监测实例分析.....35 
4.1  仪器介绍以及野外实验情况 ...... 35 
4.2  油田裂缝监测的实例...... 36 
4.3  本章小结........ 37 
第 5 章  全文总结.........38 
5.1  研究工作总结...... 38 
5.2  下一步工作建议........ 38  

第 4 章  井地电阻率监测实例分析 

井地电阻率电位梯度的方法已经在大庆油田，以及山西煤矿井进行了多次的实验研究，并从中获得了良好的实验效果，本章则主要介绍井地电阻率的监测实例。 

4.1  仪器介绍以及野外实验情况 

井地 ERT 实验室研制出了具有自主产权的水油界面电阻率成像仪。该仪器只要应用大功率多波形发射以及弱信号的检测技术，实现了 50A 的信号发射系统，采用井地三维的电阻率正演技术，完成数据的采集与成像。该仪器由发射机，接收机以及井地电阻率成像软件三部分组成。 用成像仪进行野外现场试验时，需将发射机连接到被测井上，将它作为供电电极 A，且因为回流电极 B 对监测数据的影响比较小，可以忽略，将 B 级放置到超过监测目标深度的 1.5 倍或 2 倍远。以被测井 A（垂直井）或被测目标在地表的投影点（A 是倾斜井）为圆心设置放三环测点，每圈都设置 18 个测点，其中让每个测点之间的夹角为 20°，将测环的半径依次布置为 50 米、100 米和 150 米，共计 54 个测点。如下图 4.1 所示。 井地电法监测的基本原理是，根据压裂前后地表电位梯度的变化情况进行后期的数据处理，进而推断压裂裂缝的走向。因此，将数据采集分为两部分，即压裂前与压裂后的数据采集。将实验采集到的数据进行初步的去噪等处理，并将采集到的压裂后与压裂前的地表上各观测点的电位梯度值做差，则电位梯度差值的极大值的方向就是裂缝方向。 

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总结

文章在前人研究的基础上，对井地电阻率三维正演以及一维反演的方法展开了的论述，从点电源满足的基本方程入手，并针对井地电阻率三维正演算法进行较为详细的研究，构建了三维正演的模型，实验模拟，对仿真结果进行分析，之后又建立了一维的层状模型，并对他进行 OCCAM 的反演，解释反演效果。总结全文的内容，可以得到以下几点结论： 
（1）基于地下点电流源的电位公式以及有限差分方法的基础上，研究了井地三维电阻率模拟方法，编制了三维电阻率法正演程序，实现了井地电阻率三维的差分计算。并利用该方法构建模型，对实验效果进行分析，并未井地电阻率成像仪器的参数设计提供依据。 
（2）研究了井地电法的反演理论及 OCCAM 的一维反演方法。利用井地电法的基本反演理论以及 OCCAM 的正则化反演方法，构建最光滑模型，并对一维层状介质进行OCCAM 反演实验，分析了深度和电阻率的关系。 
（3）文章中对野外的压裂裂缝监测实验数据进行处理及分析，实验结果可以直观地反映出压裂井在压裂前后的变化情况，为油田的开发以及周围井的开采提供客观可靠的依据，该技术的现场试验以及解释方法在油田的开发中具有广泛的前景。 
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参考文献(略) 

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本文编号：40125