可控源电磁法储层流体预测原理与应用

第1章 绪论 1.1 基本术语定义 对油气藏而言，储层是指具有一定储集空间（孔隙和缝洞），能够聚集油、气、水等流体的岩层。储层评价的任务就是对储层的质量和特性进行定性和定量的评估，需要应用多种技术和方法对储层进行系统全面的测试与分析，确定储层的岩性、物性、电性和含油（气）性及其相互关系，预测有利储集层段的空间分布及变化，定量评价储层的产能，为油藏的勘探开发提供依据。根据研究的范围和研究阶段的不同，储层评价又可划分为单井储层评价、区域储层评价和开发储层评价。由于在不同阶段可用于储层评价的信息不尽相同，所以在评价方法与技术上会有差异，但总体上储层评价的任务和目标是一致的。 油气勘探所感兴趣的储层通常为储层流体油、气和水相饱和，它们分别以不同的体积比单独或共同存在于储层的微小孔隙中。定义储层中饱和的油、气、水各相的体积占储层孔隙总体积的百分比分别为含油饱和度So、含气饱和度Sg 和含水饱和度Sw，且满足关系So + Sg + Sw = 1。含油饱和度是储层含油气性评价的量化指标。 由于物理特性上的显著差异，储层中含不同流体时对地球物理场的响应会有所不同。通过对地面观测的地球物理勘探资料的精细处理与分析，可以提取这些反映储层中流体特性的微弱信息，进而进行储层流体特性的空间分布预测。在油气行业，由于储层流体预测的核心对象是储层中的油和气，部分学者也将这种流体预测狭义地称为烃类检测。以烃类（油、气）检测或识别为目标的流体预测不仅有物理上的理论依据，实际上也是可行的。譬如，在20 世纪60 年代提出并得到发展和应用的亮点技术，就是利用地震反射剖面上振幅相对增强的点（段）来识别含气储层。依据的物理原理是气体与液体（油或水）密度上存在差异，含气储层的地震波速度要远低于含液体的储层和致密岩层（盖层），导致盖层/含气储层界面构成强反射界面。本书介绍的应用可控源电磁方法进行储层流体预测的方法，主要基于含油储层与含水储层在电性特征上的显著差异，通过对地面观测的人工激励的电磁响应资料的分析与处理，综合应用多种地球物理、地质和油藏的相关信息进行高分辨率成像和综合解释来识别含水和含油储层。在无特别说明的情况下，本书所述的流体预测特指储层含油性预测，即重点是识别储层是含油还是含水，并在可能的条件下给出储层含油性的定量评价。 1.2 油气储层流体预测的意义 石油勘探与开发是石油工业连续生产过程中的重要阶段，其主要目的和任务是寻找工业性油气藏，探明和增加后备石油天然气储量，并将探明储量高效地转化成油气产量。 随着经济的持续高速发展，我国的石油消费量将继续增长，而国内的石油产量增长空间有限，在未来很长一段时期内我国油气资源仍将处于短缺状态[1]。尽管我国的油气地质资源总量比较丰富，除约70% 的已知地质资源量外，还有广袤的深海、深地及非常规资源等新的油气领域有待勘探发现，但我国人均资源占有量仅为世界平均水平的1/10 ，属于人均资源相对贫乏的国家。此外，剩余油气资源赋存的地表和地下条件恶劣、资源品质总体较差，勘探开发的难度逐步加大。十多年来，虽然通过加大投入，每年新增探明储量10 亿t 左右，但我国石油的储采比仍维持在低于世界平均值的水平。要实现探明储量上的突破，必须依赖油气地质的理论创新和勘探新技术和新方法的应用。地球物理探测技术是油气资源勘探的核心技术，面对更高更难的勘探需求，大力发展和应用地球物理勘探新技术，提高油藏勘探的成功率和开发的采收率，是新时期在油气资源有限的条件下实现增储上产的关键保证，对于保障国家的经济建设和社会发展具有重要意义。 在油气藏勘探阶段，地球物理探测技术主要提供有利于油气聚集的构造和储层空间展布的信息。我国油气勘探历程表明，物探技术的每一次新突破、新进展，都带动一批新油气田的发现，并由此产生新的储量增长高峰[2] 。20 世纪50 年代，依靠重磁勘探技术和光点地震勘探技术发现了大庆油田，使我国甩掉了贫油帽子；60～70 年代，依靠多次覆盖地震勘探技术发现了胜利油田以及渤海湾油区；90 年代以来，通过山地三维地震勘探技术攻关，解决了复杂山地地震数据采集和高陡构造地震成像难题，发现了克拉2 气田，其成为“西气东输”的源头。随着勘探程度的提高，勘探对象已经由简单构造油气藏向高陡构造等复杂构造油气藏转变，由常规储层油气藏向碳酸盐岩缝洞体等复杂储层油气藏转变，由构造油气藏向岩性地层油气藏转变，由中浅层油气藏向深层－超深层油气藏转变，由常规油气向非常规油气转变[3]。这种由构造勘探至储层评价的转型对地球物理勘探方法提出了更高的技术要求。为了适应这种转型的需要，20 世纪80 年代以来，油气勘探地球物理逐步发展和形成了以高分辨率地震勘探方法为主，多元地球物理信息综合应用的高分辨率成像、油气储层预测和流体性质识别三大类技术系列。高分辨率成像技术主要应用于精细刻画地质体几何形态；油气储层预测技术旨在刻画油气储层的空间展布及其物理性质；流体性质识别技术主要研究储层中流体性质及分布。在提高储层构造探测精度的基础上，实现对储层的含油性进行预测或评价，可对提高油气勘探成功率、降低勘探成本起到决定性作用。 在油田开发方面，通过多年的探索和实践，已研发形成了较为系统的适合我国油藏地质特点的油田开发理论，发展了适用于不同类型复杂油藏开发的主体技术，使我国的油田开发技术总体上处于世界先进水平。尽管如此，目前我国开发油田平均采收率小于35%，大量的剩余油因油藏非均质性和品质低而滞留于地下难以开采。也就是说，在已进行开发的可采资源中，其剩余可采储量依然相当可观。若按现有探明储量估算，每提高1%采收率，相当于寻找到一个数亿吨级已探明储量的新油田。从这个角度来看，以提高采收率为目标的老区剩余油气资源的精细勘探开发是资源挖潜的*有效途径。提高采收率需要解决的两个关键问题是剩余油检测和三次采油技术。为此，以开发油藏的精细描述、注采动态监测和剩余油检测为目标的油藏地球物理技术应运而生，开发和利用先进的地球物理探测技术对开发油藏的注采动态进行监测，确定油水界面的变化和剩余油分布范围，指导进一步的勘探开发部署和开发方案优化，可降低油田生产成本，提高采收率，实现油气资源的高效能转化，为国家能源安全和经济可持续发展提供资源保障。 1.3 电磁法油气储层流体预测的可行性 目前，人工源反射地震法是油气地球物理勘探中的主导技术。但是不同的地球物理方法具有不同的探测性能，包括所反映的物理量、探测的分辨能力等，仅靠单一的方法很难实现复杂储层的精细描述和流体识别。事实上，不同类型的勘探方法，如重力、重磁、电磁、地震和测井等方法彼此间具有互补性，综合应用并充分挖掘和发挥不同地球物理方法的信息优势，可降低反演问题解的非唯一性程度，提高成像分辨率和储层参数解释的可信度。 由于储层中的水为具有一定矿化度的地层水，从物性参数上看，储层条件下油与水的密度差异相对较小（约20%），而电阻率的差异可达5～6 个数量级，介电常数则相差40 倍。然而，含油储层的地震波速度随含油饱和度的变化不显著，电阻率值随含油饱和度的变化非常剧烈。常规的人工源地震勘探方法以岩石密度或声波速度差异为基础，在构造勘探中非常成功。为了进行储层流体识别，还发展了四维地震和井间地震成像等技术并进行了试验。这些技术方法应用不仅成本高昂，且由于储层中油与水的流动速度差异不大，反射地震信息对储层中流体的敏感度较弱，由地震资料有效识别或提取储层中的流体信息技术难度较大。由于原油和水在电阻率参数上的显著差异，含不同流体时储层的电性参数变化大，能产生明显的电磁异常，此外，还可通过在注剂中加入高矿化度的导电添加剂，进一步扩大含不同流体时储层的电阻率差异。在地面观测的电磁响应对探测目标的电性差异敏感，含不同流体时储层的电性特征为应用可控源电磁方法进行储层流体识别提供了物理基础。 随着计算机及信息检测与处理技术的发展，以电磁测深为代表的电磁勘探方法不断发展和提高，已成为与常规地震勘探方法互补的技术手段，用于复杂条件下的构造勘探、圈闭含油气性预测和开发油藏的剩余油检测[4]。由于储层电阻率参数与储层孔隙度、孔隙流体性质和饱和度密切相关，且含油储层与含水地层的电阻率差异明显，电阻率是判定与评价储层含油气性的主要参数，井中和地面电法是定量评价储层含油气性*为直接和可靠的方法。 在可控源电磁勘探方法中，瞬变场电磁法（transient electromagnetic method，TEM）具有分辨率高、抗干扰能力强和生产成本低廉等特点，是勘探阶段进行构造的高分辨率成像、有利圈闭的含油气性预测与评价的首选方法。20 世纪90 年代初以来，国内外同行在电磁信号采集技术、提高资料的信噪比、提高反演成像的精度等方面不懈努力的研究取得了突破性进展，已经初步形成用于含油气性评价的两大电磁勘探技术系列，即可控源电磁法（controlled source electromagnetic method，CSEM ）和多通道瞬变电磁法（multichannel transient electromagnetic method，MTEM），已在海洋油气勘探和剩余油检测中得到成功应用[5-6] 。CSEM 工作于频率域，频带范围有限，但抗干扰能力强，信噪比高；MTEM 是基于电偶极源激发的瞬变电磁多分量观测方法，用于检测油气异常的变化和圈定剩余油边界，取得了良好的效果。 目前，国内电磁勘探通过引进和独立自主的技术开发，形成了具有中国特色的电磁勘探方法与技术，并在石油勘探与开发中崭露头角，取得了令人瞩目的地质效果[4]。20 世纪70 年代，石油地球物理勘探局（Bureau of Geophysical Prospecting，BGP）就与苏联合作开展了建场测深的试验，80 年代与美国合作在国内进行了瞬变电磁勘探试验，随后引进苏联的仪器重点进行时频电磁法的应用，在青海、新疆、华北等油田进行了方法试验，取得了较好的地质效果。根据美国石油咨询委员会的评估报告[7]，目前应用可控源电磁法预测构造的含油气性的技术虽还不成熟，但中长期内*有可能突破且对油气勘探产生巨大影响的核心技术为海上和陆上可控源电磁探测技术，该技术的成功应用将会改变油气勘探的模式，从现在以构造勘探为主转变为重点进行圈闭的岩性和含油气性评价。 长江大学和中国石油大学（北京）在可控源电磁勘探理论、数据处理与反演方法等方面的研究独具特色，开发了相应的仪器和软件，深入研究了多种用于储层电性高分辨率探测的可控源电磁方法，包括地面阵列时间域（长江大学）瞬变电磁法（Yangtze University transient electromagnetic method，YUTEM）、井中瞬变电磁法、井-地电位法等；以电磁资料为主，综合应用地震、测井等资料进行约束反演，提高了对储层电性构造成像的精度；初步建立了电磁响应与储层含油饱和度和复电阻率参数的关系模型，提出的利用储层的复电阻率参数（电阻率和电极化率）共同识别储层的含油性，减少了高阻异常解释的多解性，使储层流体识别的可靠性大大增加。近几年来，先后在准噶尔、辽河、吐哈和大港等油田进行了储层的含油气性评价试验和页岩储层的水力压裂动态监测试验，初步试验的结果显示，电磁资料融合其他地球物理资料进行综合解释可以对已勘探发现的有利储集构造进行含油性预测或评价，可用于注采开发油藏的剩余油藏圈定和注采动态监测。 1.4 油气储层流体预测技术现状 油气储层流体预测是储层评价的重要内容之一，贯穿于油气勘探与开发的全过程。目前，进行储层含油气性评价*主要的方法是单井储层评价，主要应用钻井所获得的信息，包括录井资料、岩心测试分析资料和测井资料，进行储层的物性参数和流体饱和度的定量评价。很显然，对于钻遇层段，这些资料提供的是*直接的定量信息，具有很高的可信度。遗憾的是，单井资料仅能提供“一孔之见”。为了获得储层参数（包括含油气性）在