Патент на изобретение №2399931
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электроразведочных исследований. Сущность: измеряют процесс становления поля над поляризующейся средой дипольно-осевой установкой при пропускании импульсов тока. Формируют несколько функций так, что они по-разному зависят от полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации. Одну из этих функций формируют так, чтобы повысить соотношение электромагнитной индукции и вызванной поляризации по сравнению с DU(t)=
Изобретение относится к области электроразведочных исследований. Настоящее изобретение относится к способам определения свойств подземных формаций, при этом осуществляют измерения параметров электрических свойств формации с разделением измеренных параметров. Изобретение используется как в наземной, так и в морской электроразведке с контролируемыми источниками электромагнитного поля и применяется в комплексе нефтегазопоисковых работ для поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей на основе выделения отклика от вторично измененных под воздействием миграции углеводородов пород для разделения измеренного сигнала на какие-либо составляющие. Изобретение позволяет обеспечить совокупность технологических приемов, обеспечивающих послойное определение значения геоэлектрических параметров, а также характеристик процессов вызванной поляризации среды и электромагнитной индукции. Известно изобретение «Способ геоэлектроразведки (варианты)». Патент RU 2235347, опубл. 2004.08.27, МПК G01V 3/06, в соответствии с которым возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с паузами между каждым из них. В конце каждого импульса тока и между импульсами тока в паузах на всем протяжении измеряют мгновенные значения осевых и ортогональных разностей потенциалов, определяя разности потенциалов. Рассчитывают n нормированных параметров по формуле, решая обратную задачу на основе дифференциального волнового уравнения математической физики для напряженности дипольного источника в поляризующейся проводящей среде, и находят модель среды, наиболее близкую по геометрическому строению и электрическим параметрам к исследуемой. Строят временные разрезы этой модели по входящим в данное уравнение электрофизическим параметрам. Данный способ позволяет обнаружить, осуществить оконтуривание нефтегазовых залежей и оценку качества их насыщения, а также обеспечить возможность разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации. Однако не позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения процессов электромагнитной индукции и вызванной поляризации, не учитывает эквивалентностей электрофизических параметров найденной модели, не определяет их информативности. Известно изобретение «Способ морской геоэлектроразведки с фокусировкой электрического тока (варианты)», патент RU 2284555, опубл. 2006.09.27, 7 МПК G01V 3/06, в соответствии с которым возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, измеряют мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов, обеспечивают условие равенства нулю результирующей осевой разности электрических потенциалов вдоль профиля и определяют коэффициент из уравнения, рассчитывают три множества независимых нормированных электрических параметров, решают математическую обратную задачу, определяя три электрофизических параметра: удельную электропроводность, вызванную поляризацию и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации и строят три временных разреза по этим параметрам. Изобретение заключается в обеспечении возможности разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации, а также дополнительно дает возможность определения постоянной времени спада разности потенциалов вызванной поляризации – важного третьего наряду с двумя первыми параметра. Однако получают лишь суммарные сведения о всех элементах строения исследуемой среды, в которой развивается поле, так как в ней распределение в пространстве измеряемого тока I источника ничем не контролируется, и информации об указанном распределении в реально существующих трехмернонеоднородных средах нет. Изобретение не позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения процессов электромагнитной индукции и вызванной поляризации, не учитывает эквивалентностей электрофизических параметров найденной модели, не определяет их информативности. Известно изобретение «Способ геоэлектроразведки (варианты)», патент RU 2231089 от 2003.07.08 г., опубл. 2004.06.20, МПК G01V 3/06, в соответствии с которым возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с паузами после каждого из них, в точках наблюдения измеряют разности электрических потенциалов, используя значения нормированных параметров и дифференциальное уравнение математической физики для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде, решают обратную задачу и определяют присущие каждому элементу среды электрофизические параметры: удельную электропроводность, вызванную поляризацию и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации и строят временные разреза по этим параметрам. Изобретение позволяет обнаружить и оконтурить нефтегазовые залежи, а также произвести оценку качества их насыщения. Обеспечивается разделение параметров электропроводности и вызванной поляризации. Однако не удается до конца разделить присущую элементам геологической среды, вызванную поляризацию от переходных электродинамических процессов, связанных с электропроводностью указанных элементов толщи слагающих разрез геологических пород. Не позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации, не учитывает эквивалентностей электрофизических параметров найденной модели, не определяет их информативности. Известно изобретение «Способ анализа геоэлектроразведочного сигнала», патент RU 2253137, опубл. 2005.01.10, 7 МПК G01V 3/38, включающий преобразование каждого измеряемого сигнала одновременно по крайней мере двумя модуляторами, после чего находят интервалы с наименьшим шагом. Изобретение позволяет повысить точность и информативность за счет одновременного анализа сигнала (регулярной компоненты) и помех (случайной компоненты). Однако целью изобретения является использование данного метода, сравнивают выходные сигналы интеграторов дельта-модуляторов с входным сигналом соответствующего канала на стробируемом компараторе. Однако предложенный способ анализа можно осуществить только при применении, по крайней мере, двух дельта-модуляторов с существенно различающимися шагами квантования, системы приемных электродов, датчиков магнитного поля либо любых иных датчиков, обладающих достаточной широкополостностью и пространственной угловой селективностью (направленностью). Данный способ невозможно применить для анализа параметров, полученных при использовании процессов вызванной поляризации для поисков и разведки месторождений нефти и газа. Известно изобретение «Способ определения электрического удельного сопротивления геологической формации, окружающей ствол скважины, заполненный скважинным флюидом», патент RU 2209451, опубл. 2003.07.27, 7 МПК G01V 3/38, включающий получение некоторой совокупности диаграмм, выбора моделированного профиля, введения дополнительно моделированных профилей, повторения операций корректировки моделированного профиля до тех пор, пока разница между диаграммой и соответствующей моделированной диаграммой не будет ниже выбранного порогового значения, а также включает в себя корректировку каждого моделированного профиля как функцию отношения величин. Изобретение позволяет обеспечить усовершенствования способа определения электрического удельного сопротивления геологической формации, в котором учитывается вторжение скважинного флюида в формацию, окружающую ствол скважины. Однако изобретение не позволяет обнаружить, осуществить оконтуривание нефтегазовых залежей и оценку качества их насыщения, а также обеспечить возможность разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации. Кроме того, не позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения процессов электромагнитной индукции и вызванной поляризации, не учитывает эквивалентностей электрофизических параметров найденной модели, не определяет их информативности. Наиболее близким по способу обработки геоэлектрических характеристик является изобретение «Способ определения свойств подземных формаций», патент RU 2294547, опубл. 2007.02.27, 7 МПК G01V 3/38, включающий разработку модели параметров формации, моделирование измерений электрических свойств, сравнение моделированных измерений с измеренными электрическими свойствами, определение физических/нефтефизических свойств формации на основании различных измерений для обеспечения комбинированной инверсии, оценки физических/нефтефизических свойств формации при помощи модели и различных измерений электрических свойств, а также использование комплексной модели. Изобретение позволяет обеспечить реализацию усовершенствованных способов обработки данных при осуществлении разреза буровой скважины с применением электричества, а также дать более точное определение величины Rt с целью оценки характеристик формации с использованием определения залегания формации с введением в схему инверсии первичной информации – геометрическая информация для стабилизации неточно поставленных задач «расширения возможностей». Однако изобретение не позволяет обнаружить, осуществить оконтуривание нефтегазовых залежей и оценку качества их насыщения, а также обеспечить возможность разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации. Кроме того, не позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения процессов электромагнитной индукции и вызванной поляризации, не учитывает эквивалентностей электрофизических параметров найденной модели, не определяет их информативности. Изобретение имеет другую цель, осуществить метод, когда модель среды просто уточняется посредством итерационного использования инверсии и не происходит разделения измеренного сигнала на какие-либо составляющие. В нашем же случае найденная в результате решения обратной задачи модель среды служит для разделения измеренного сигнала При пропускании электрического тока в среде проявляются эффекты, которые определены различными физическими явлениями. При этом выделяется электромагнитная индукция, которая характеризуется индукционными полями, что определено волновой теорией, и вызванная поляризация, которая определена электрохимическими процессами в среде. До настоящего времени задача разделения этих эффектов решалась путем увеличения времени регистрации переходных процессов от импульса возбуждения в среде, вызывающего электромагнитную индукцию и поляризацию. При этом с увеличением времени до момента измерения поле электромагнитной индукции успевало уменьшаться до пренебрежительно малых величин. Однако с уменьшением времени до момента измерения, в начальные моменты времени после импульса возбуждения в среде, эффект поляризации пренебрежимо мал не будет. При измерении проводимости платформ, имеющих большую мощность осадочного чехла, электромагнитные колебания затухают медленно, вследствие большой (сотни и тысячи Сименс) проводимости осадочного чехла. Наличие данной проблемы и отсутствие ее решения указано в книге Уэйта (Уэйт Дж. Геоэлектромагнетизм. М., Недра, 1987. – 235 с.). Техническим результатом предложенного способа является то, что он позволяет решить главную проблему количественного раздельного изучения полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации и учесть эквивалентность электрофизических параметров найденной модели, а также определить их информативность. Данный способ позволяет – осуществить количественное определение интенсивности полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации постоянного тока с погрешность не более 0,5%, – обеспечить большой временной интервал разделения полей от 1 мс до нескольких секунд, в том числе и над разрезами с высокой проводимостью. Данный способ можно применить, поскольку функция Заявленный технический результат обеспечен тем, что способ количественного разделения эффектов электромагнитной индукции и вызванной поляризации включает: – измерение процесса становления над поляризующейся средой; – моделирование электромагнитных измерений в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды; – выделение электродинамической составляющей из процесса становления; – выделение гальванической составляющей вызванной поляризации из процесса становления; – оценки изменения гальванической составляющей вызванной поляризации по площади и ее геологическая интерпретация. Способ отличается тем, что регистрируют несколько входных функций, зависящих от параметров среды, и измеренных на поверхности среды, формируют эти функции так, что они по-разному зависят от полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации, – при этом одна из этих функций, например Ps, рассчитывается так, чтобы повысить соотношение электромагнитной индукции и вызванной поляризации по сравнению с DU(t), при этом одна из этих функций, например P1, рассчитывается так, чтобы понизить соотношение электромагнитной индукции и вызванной поляризации по сравнению с DU(t), и одна из этих функций, например D После формирования входных параметров, полученных в одной точке записи, осуществляют их минимизацию, для чего подают на вход программы минимизации параметры DU(t)= – P1(t)= – Ps(t)= – Dф(t)=It(t)-P1(t), где It(t)= и осуществляют их инверсию в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды при заведомо избыточном числе геоэлектрических параметров модели, характеризующих ее поляризационные свойства. При этом, как частный случай, определяют поле IP как результат решения прямой задачи при обнуленных волновых числах и определяют поле ЕМ как результат решения прямой задачи при обнуленной поляризуемости. После совершения всех операций осуществляют проверку воспроизводимости решения. Для решения поставленной задачи разделения эффектов следует выполнить несколько этапов. I этап Регистрируют несколько входных функций, которые можно измерить и построить на поверхности среды. Функции конструируют так, что они по-разному зависят от электромагнитной индукции и вызванной поляризации. Одна из них повышает соотношение электромагнитной индукции к вызванной поляризации по сравнению с DU – кривой спада напряжения, другая – понижает. Данные функции являются комбинацией поля переходных процессов и его пространственных производных. Кроме того, одна из функций является комбинацией временных и пространственных производных. II этап 1. Осуществляют инверсию (решают обратную задачу) одновременно для всех входных функций и получают некоторую модель разреза. При этом послойно определяются параметры среды: удельное электрическое сопротивление 2. В полученной модели зануляют поляризуемость для всех слоев и путем решения прямой задачи определяют поле электромагнитной индукции ЕМ. 3. В той же модели зануляют волновые числа и путем решения прямой задачи определяют поле вызванной поляризации постоянного тока IP. Повторение последовательности действий (2-го этапа) показывает совпадение рассчитанных полей ЕМ и IP с точностью решения обратной задачи. Полученные модели будут различаться, но поля совпадать. Причем поле IP – это поле, полученное при решении прямой задачи над данной моделью при задании волновых чисел в любой точке разреза, равными нулю, а поле ЕМ – это поле, полученное при решении прямой задачи над данной моделью при задании поляризуемости в любой точке разреза, равной нулю. Способ иллюстрируется и подтверждается схемами и диаграммами, показанными на чертежах. На Фиг.1 показаны графики Она иллюстрирует то, что существует бесконечное множество различных сочетаний полей IP и ЕМ. Для синтетической модели была просчитана кривая спада DU и дважды осуществлена ее инверсия с разных нулевых приближений с точностью до 0.1%. Получены два различных эквивалентных (по параметру DU) решения, каждому из которых соответствуют существенно различные значения полей IP и ЕМ. На Фиг.2 показан интервал распределения токов ЕМ и IP в различных стадиях (фазах) переходного процесса: ранней – А), промежуточной (переходной) – В) и поздней – С). При этом поле ЕМ, подчиняясь скин-эффекту, диффундирует в нижнее полупространство во время переходного процесса, а вихревые токи, вызывающие его, стремятся к равномерному распределению в нижнем полупространстве, поле IP, напротив, всегда остается пространственно неоднородным и уменьшается с удалением от источника тока – излучателя. Исходя из смысла поставленной задачи, требуется ввести в рассмотрение такие трансформанты поля становления, которые были бы записаны в одной точке и имели различную функциональную зависимость от полей ВП и индукционных. Наиболее естественное решение – привлечение, в дополнение к самим полям становления, их нормированных пространственных производных (точнее – конечных разностей), поскольку пространственно-временная структура индукционных полей и полей ВП различна. На Фиг.3 показаны – а) схема измерительной установки для регистрации параметров DU(t), P1(t), Ps(t), D На Фиг.4 показано затухание кривой DU(t) над земной поверхностью во времени при наличии поляризации (В) и при ее отсутствии (А), на приемной линии МО (на расстоянии 1000 м (1)) и на приемной линии ON (на расстоянии 2400 м (2)). На Фиг.5 показана кривая параметра P1(t) над земной поверхностью при наличии поляризации (2) и при ее отсутствии (1). При На Фиг.6 показана кривая параметра Ps над земной поверхностью относительно, при На Фиг.7 показана кривая D На Фиг.8 показана трехмерная референтная модель, от которой были рассчитаны синтетические кривые параметров, соответствующие получаемым при полевых измерениях (DU(t), P1(t), Ps(t), D на Фиг.9 показаны поля ЕМ и IP, которые для приведенных на фиг.8 моделей совпали с точностью 0.15%. на Фиг.10 показаны кривые, наблюденные в полевых измерениях на Северо-Гуляевской площади (шельф Баренцева моря) и соответствующие им модельные. Приведена одна из эквивалентных геоэлектрическая моделей. на Фиг.11 показаны кривые, наблюденные в полевых измерениях на Северо-Гуляевской площади (шельф Баренцева моря) и соответствующие им модельные. Приведена одна из эквивалентных геоэлектрическая моделей, отличная от показанной на фиг.10. на Фиг.12 – кривые спада полей ЕМ и IP, полученные от эквивалентных моделей отличаются друг от друга на величину, меньшую погрешности измерений, что составляет 0.5%. При этом поле IP выделяется на уровне поля ЕМ, превосходящего его на 2 порядка, в широком временном диапазоне. на Фиг.13 – изолинии поля IР по профилю над известным нефтегазовым месторождением и выделение нефтегазовой залежи по полю IP. Способ осуществляется следующим образом. Имеется набор входных данных, полученных в результате измерений на земной поверхности. Данные сформированы таким образом, что функциональная зависимость вызванной поляризации и электромагнитной индукции у всех у них разная. На основе этих данных определяется путем инверсии геоэлектрическая модель при условии заведомой избыточности числа параметров разреза, характеризующих процессы вызванной поляризации. Если для этой модели определить поле IР как результат решения прямой задачи при зануленных волновых числах, а поле ЕМ как результат решения прямой задачи при зануленной поляризуемости, то при этом соблюдается условие воспроизводимости полей IP и ЕМ. Это означает, что расхождения, полученные при расчетах полей IР и ЕМ над различными эквивалентными моделями, не превышают реальной погрешности наблюдений (около 0.5%). Для реализации способа 1. формируют, при измерении в режиме выключения токового импульса, параметр Р1 (фиг.1) – принимая его за фильтр, повышающий в сравнении с – для этого определяют Р1 как отношение второй осевой разности потенциалов поля становления т.е. P1(t)= На фиг.1 видны 2. Формируют, при измерении в режиме включения токового импульса, параметр Ps – принимая его за фильтр, понижающий в сравнении с – для этого определяют отношение 2-ой осевой разности потенциалов В ранней стадии становления соотношение ВП/Электродинамика мало, в поздней же стадии параметр Ps в основном определяется распределением сопротивлений, поляризуемость на него влияет мало. Поэтому параметр Ps можно рассматривать как фильтр, понижающий, в сравнении с полем становления 3. Формируют параметр D – получают как разность параметра It и параметра Р1 относительно условных единиц, являющихся логарифмом времени переходного процесса, т.е. D – при этом It рассчитывают как lt= Скорость спада поля ВП и электромагнитной индукции обычно различается, поэтому целесообразно использовать временные производные для более детальной характеристики переходных процессов (Фиг.7). 4. Осуществляют минимизацию параметров, полученных в одной точке записи – для чего подают на вход программы минимизации параметры (Фиг.3) – – DU(t)= – – P1(t)= – – Ps(t)= – – D – осуществляют их инверсию в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды при заведомо избыточном числе геоэлектрических параметров модели, чтобы как можно точнее аппроксимировать полевые кривые, записанные над неоднородной анизотропной и градиентной средой. 5. Осуществляют расчет полей IP и ЕМ по полученной модели среды – для полученной модели зануляют поляризуемость во всех областях среды и путем решения прямой задачи получают поле электромагнитной индукции ЕМ, – для полученной модели зануляют волновые числа во всех областях среды и путем решения прямой задачи получают поле вызванной поляризации IP. 6. Осуществляют проверку воспроизводимости решения – проверка воспроизводимости полей ЕМ и IP показывает, что для практически всех типов разрезов они воспроизводятся с погрешностью, не превышающей погрешность измерений (т.е. около 0.5%) (см. Фиг 10 и 13). Иллюстрацию способа разделения индукционных и поляризационных полей можно продемонстрировать на следующем примере. Для трехмерной модели были получены синтетические кривые параметров, соответствующие получаемым при полевых измерениях, и значения полей ЕМ и IP (Фиг.8). Для синтетических кривых была найдена эквивалентная модель в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды, на основе которой были рассчитаны поля ЕМ и IP (Фиг.8) Было произведено сравнение полей, полученных от 3-мерной и горизонтально-слоистой моделей (Фиг.9). Погрешность между ними (0.15%) не превышает погрешность расхождения между синтетическими от 3-мерной модели и модельными кривыми от горизонтально-слоистой поляризующейся среды. В силу малости расхождения различие графиков визуально незаметно. На практике способ количественного разделения эффектов электромагнитной индукции и вызванной поляризации опробовался в самых различных геолого-геофизических условиях. Над известным нефтегазовым месторождением на Северо-Гуляевской площади (шельф Баренцева моря) были выполнены электроразведочные работы с измерением параметров DU(t), P1(t), Ps(t), D причем Ro – сопротивление, Ом·м С – показатель степени в модели Cole-Cole Н – мощность слоя, м
t – время релаксации модели Cole-Cole, с Например, для модели с параметрами: Ro=10 Омм, Eta=5%, Tau=0.5 с, С=0.5, Н=100 m Ro=50 Омм, Eta=2%, Tau=0.5 с, С=0.5, Н=100 m Ro=20 Омм, Eta=2%, Tau=1 с, С=0.5, Н=200 m Ro=5 Омм, Eta=5%, Tau=1 с, С=0.5, Н=300 m Ro=200 Омм, Eta=7%, Tau=1 с, С=0.5 Ro=500 Омм, Eta=0, H=450 m Ro=5 Омм, Eta=0, H=800 m Ro=1000 Омм, Eta=0, H= Для этой модели были рассчитаны значения входных данных, соответствующих получаемым при полевых измерениях, а также полей IР и ЕМ. И получена для шельф Баренцева моря. Северо-Гуляевское месторождение диаграмма – см. Фиг.13. Иными словами, исходя из смысла поставленной задачи, осуществили введение в рассмотрение такие трансформанты поля становления, которые были бы записаны в одной точке и имели различную функциональную зависимость от полей ВП и индукционных полей. При этом осуществили привлечение, в дополнение к самим полям становления, их нормированных пространственных производных (точнее – конечных разностей), поскольку пространственно-временная структура индукционных полей и полей ВП различна. Тем самым был получен заявленный технический результат.
Формула изобретения
1. Способ количественного разделения электромагнитной индукции и вызванной поляризации, включающий измерение процесса становления поля над поляризующейся средой дипольно-осевой установкой при пропускании импульсов тока, получение модели разреза решением обратной задачи путем инверсии функций, полученных на основании измерения и зависящих от параметров среды, в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды, при этом формируют несколько функций так, что они по-разному зависят от полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации, причем одну из этих функций формируют так, чтобы повысить соотношение электромагнитной индукции и вызванной поляризации по сравнению с DU(t)= 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют входную функцию P1(t) как отношение второй осевой разности потенциалов 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют входную функцию Ps(t) как отношение второй осевой разности потенциалов 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют входную функцию D
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
U(t)/
, является комбинацией временных и пространственных производных поля становления. Далее осуществляют инверсию одновременно для всех входных функций и получают геоэлектрическую модель разреза, при этом число параметров среды, характеризующих вызванную поляризацию, является заведомо избыточным, так что найденная модель среды не является единственной, а лежит в некоторой области эквивалентности. В полученной модели обнуляют поляризуемость для всех слоев и путем решения прямой задачи рассчитывают поле электромагнитной индукции ЕМ, в той же модели обнуляют волновые числа и путем решения прямой задачи рассчитывают поле гальванической составляющей вызванной поляризации IP. Кроме того, например, формируют параметр P1, принимая его за фильтр, повышающий, в сравнении с 
(t) как разность параметра It (t) и параметра P1(t) в соответствии с формулой Dф(t)=It(t)-P1(t), при этом It (t) рассчитывают по формуле It(t)=
, коэффициент поляризуемости 
, время релаксации 
, показатель степени с. Коэффициент поляризуемости, время релаксации и показатель степени определяются в соответствии с моделью Cole-Cole. Параметризация модели по этим параметрам задается заведомо избыточной, т.е. мы получаем некоторое решение из класса эквивалентных.
