專利名稱：用于使用電磁測量來確定電阻率各向異性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及地球地下地層(formation)的電磁勘探領(lǐng)域。更特別地，本發(fā) 明涉及用于使用電磁測量來確定地下地層中的電阻率各向異性的方法。
背景技術(shù)：
除了別的用途之外，電磁勘探還用于確定地球地下含烴結(jié)構(gòu)的存在。通常通過確 定地下高電阻率的存在來推斷含烴結(jié)構(gòu)的存在，因為高電阻率與孔隙中置有烴的地下地層 相關(guān)聯(lián)。電磁勘探包括所謂的“可控源”勘探技術(shù)?？煽卦措姶趴碧郊夹g(shù)包括當(dāng)這種勘探 在陸地上進(jìn)行時，將電流或磁場傳遞(impart)到地球中，或者當(dāng)這種勘探在海洋環(huán)境中進(jìn) 行時，將所述電流或磁場傳遞到水底部(海底)下面的沉積物中。該技術(shù)包括測量置于地 球表面處、海底上或者在水中選擇的深度處的電極、天線和/或磁強(qiáng)計中感應(yīng)的電壓和/或 磁場。通過由(經(jīng)過海洋勘探中的水底部)傳遞到地球地下的電流和/或磁場產(chǎn)生的電磁 場與地下地球地層的相互作用來感應(yīng)電壓和/或磁場。本領(lǐng)域已知的海洋控制源電磁勘探包括通過將來自通常置于勘探船上的源的電 流施加于由該勘探船牽引的偶極電極來將交流電傳遞到水底部下面的沉積物中。偶極電極 通常是在其上具有處于所選擇的間隔(有時為300米到1000米或更多)的兩個電極的絕緣 電力電纜。交流電具有一個或多個所選擇的頻率，通常在大約0.1到IOOHz的范圍內(nèi)。多 個探測器電極被置于水底部的間隔位置處，并且探測器電極連接到記錄在各對這樣的電極 兩端感應(yīng)的電壓的設(shè)備。這種勘探被稱為頻域可控源電磁勘探。本領(lǐng)域已知的另一種地下地球地層電磁勘探的可控源技術(shù)是瞬變可控源電磁勘 探。在瞬變可控源電磁勘探中，當(dāng)這種勘探在陸地上進(jìn)行時，將電流或磁場傳遞到地球中， 或者當(dāng)這種勘探在海洋環(huán)境中進(jìn)行時，使用與上面解釋的用于頻域勘探的那些相類似的 電纜上的電極來將所述電流或磁場傳遞到水底部(海底)下面的沉積物中。電流可以是 直流電(DC)。通常相對于所選時間間隔期間的時間，使用置于如先前關(guān)于頻域勘探所解 釋的水底部上或陸地上或水柱中的電極，在一個或多個所選時間處，切換電流并且測量感 應(yīng)電壓。通過感應(yīng)電壓的時間和空間分布來推斷地球地下的結(jié)構(gòu)和組成。例如在標(biāo)題為 Optimization of MTEM parameters 的國際專利申請公開 No. W02007/104949 Al 中描述了 t-CSEM勘探技術(shù)。根據(jù)感應(yīng)電壓的時間分布確定的特定參數(shù)之一是地下地層的電阻率。通過進(jìn)行適 當(dāng)空間分布的電磁響應(yīng)測量，有可能生成地球地下中電阻率的空間分布的三維圖像。本領(lǐng)域已知的用于使用電磁勘探測量來確定電阻率的空間分布的技術(shù)通常假設(shè) 電阻率是各向同性的，也就是說不管用于進(jìn)行測量的電流流動方向如何在任何特定地下 巖層中的電阻率是相同的。然而，本領(lǐng)域已知一些巖層的電阻率是各向異性的。在從微觀 (例如顆粒大小孔水連通性變化)到宏觀(例如層壓砂泥巖序列)的各種尺度中的一些巖 層中存在電阻率各向異性。例如參見授予Zhang等人的美國專利No. 6，643，589以及授予Tabarovsky等人的美國專利No. 7，269，515。前面這兩個專利描述了用于從鉆通地下巖層 的井眼(wellbore)內(nèi)確定電阻率和電阻率各向異性的技術(shù)。然而，這種技術(shù)不適用于與對 上面所感興趣的巖層進(jìn)行的電磁勘探一起使用。存在對計及電阻率各向異性的電磁勘探技 術(shù)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的用于確定地下巖層的電阻率各向異性的方法包括將瞬 變電磁場傳遞到地下巖層中。在離傳遞位置的多個偏移處測量地層的電磁響應(yīng)。對于每個 偏移，確定自傳遞開始的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，以使得該響應(yīng)與地下水平和垂直電阻 率有關(guān)。對于每個偏移，確定自傳遞開始的某一時間處的地層階躍響應(yīng)，選擇所述時間以使 得該階躍響應(yīng)基本上僅與平均(mean)電阻率有關(guān)。脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間以及階躍響 應(yīng)的后期(late)時間值被用來確定電阻率各向異性。根據(jù)下面的描述和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將顯而易見。


圖1示出與本發(fā)明一起使用的用于采集電磁測量的示例系統(tǒng)。圖2示出具有所選擇的各向異性系數(shù)的地下巖層的電阻率的三層模型。圖3示出關(guān)于圖2所示模型地層的偏移的視各向異性系數(shù)的圖。圖4示出地下地層對瞬變電磁場的示例后期時間“階躍響應(yīng)”。圖5示出對瞬變電磁場的示例地層脈沖響應(yīng)。圖6示出可編程計算機(jī)和計算機(jī)可讀介質(zhì)。
具體實施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的可以采集用于處理的瞬變可控源電磁勘探信號的示例海 洋電磁勘探系統(tǒng)。勘探系統(tǒng)可以包括沿著水體12 (例如湖或大海)的表面12A移動的勘探 船10。該船10可以包括在其上的用于傳遞電流的裝備，為了方便將它們稱為“記錄系統(tǒng)” 并且通常以14示出，或用于生成要被傳遞到水12底部下面的地層24的電磁場并且用于記 錄響應(yīng)于所傳遞的電磁場而進(jìn)行的測量的發(fā)射機(jī)。該記錄系統(tǒng)14可以包括確定船10的大 地位置的導(dǎo)航設(shè)備(為了清楚說明一個也沒有單獨示出)。該船10還可以包括用于確定 一個或多個電磁發(fā)射機(jī)和接收機(jī)(將在下面描述)、將電流傳遞到(一個或多個)發(fā)射機(jī)的 設(shè)備的大地位置和/或航向的裝備；以及用于記錄由所述一個或多個電磁接收機(jī)探測的信 號的數(shù)據(jù)存儲裝備。本示例中的電磁發(fā)射機(jī)可以是偶極電極，其被示為沿著船10牽引的電力電纜16 布置的16A、16B處的一對電極。在所選擇的時間，記錄系統(tǒng)14可以使電流流過電極16A、 16B。電流優(yōu)選地被配置成在水底部12B下面的地層24中感應(yīng)出瞬變電磁場。這種電流的 示例包括切換的直流電，其中電流可以被接通、斷開、反轉(zhuǎn)極性、或以諸如偽隨機(jī)二進(jìn)制序 列(“PRBS”)或其它編碼序列之類的切換事件的擴(kuò)展集合切換。在本示例中，船10可以牽引一個或多個接收機(jī)電纜18，在所述接收機(jī)電纜18上 具有在沿著電纜以間隔位置布置的多個電磁接收機(jī)，例如偶極電極18A、18B。該偶極電極18A、18B將具有傳過它們的電壓，所述電壓與響應(yīng)于所傳遞的電磁場而從地層24發(fā)出的電 磁場的電場分量的振幅有關(guān)。如上面所解釋的那樣，船10上的記錄系統(tǒng)14可以包括用于 記錄由電極18A、18B生成的信號的設(shè)備。通常相對于參考時間(例如發(fā)射機(jī)電流中的電流 切換事件)來為每個接收機(jī)響應(yīng)的記錄編索引。諸如磁場傳感器(例如磁強(qiáng)計)或測流計 之類的傳感器17可以如所示出的那樣靠近發(fā)射機(jī)布置，并且可以用于測量與流過發(fā)射機(jī) 的電流量有關(guān)的參數(shù)。在本示例中，作為對船10牽引的接收機(jī)電纜18的代替或者除了船10牽引的接收 機(jī)電纜18之外，水底部接收機(jī)電纜20可以沿著水12底部布置，并且可以包括多個接收機(jī)， 例如與牽引電纜上的偶極電極18A、18B類似配置的偶極電極20A、20B。該電極20A、20B可 以與水表面12A附近或水底部上的可以記錄電極20A、20B探測到的信號的記錄浮標(biāo)22或 類似設(shè)備進(jìn)行信號通信。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到本發(fā)明在范圍上不限于圖1所示的發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 設(shè)備。作為對圖1所示的偶極電極的代替或者除了圖1所示的偶極電極之外，其它示例可 以使用線卷或線環(huán)以供發(fā)射機(jī)將時變磁場傳遞到地層24中。接收機(jī)電纜18、20可以包括 其它感測設(shè)備，例如磁強(qiáng)計、線環(huán)或線卷，以探測從地層24感應(yīng)的電磁場的磁場分量。不管 在任何實施方式中所使用的接收機(jī)類型，電磁接收機(jī)通常生成對應(yīng)于測量的電磁場參數(shù)的 量值或其時間導(dǎo)數(shù)的電信號或光信號。為了解釋本發(fā)明，在信號記錄期間通?？梢匝刂c發(fā)射機(jī)的公用線(line)來布 置電磁接收機(jī)?？梢栽谌缟厦嫠忉尩哪菢訉l(fā)射機(jī)沿著公用線的選擇位置處布置且致動 的情況下進(jìn)行對來自相應(yīng)接收機(jī)中的每一個的信號的記錄。所記錄的對應(yīng)于每個電磁接收 機(jī)的信號將與被稱為“偏移”的即位于信號記錄時接收機(jī)大地位置和發(fā)射機(jī)的大地位置之 間的大地中點的距離相關(guān)聯(lián)。因此，可以使用諸如圖1所示的系統(tǒng)來采集對應(yīng)于多個偏移 的信號。下面將進(jìn)一步解釋與本發(fā)明相關(guān)的多個偏移記錄的目的。如在本文的背景部分中所解釋的那樣，一些地層可以是電各向異性的，并且結(jié) 果具有各向異性的電阻率。為了本發(fā)明，電阻率各向異性將被限制成垂直橫向各向同性 ("VTI")地層的情況，也就是說具有不同于“水平”電阻率(使用在平行于地層的層面的 方向上的電流流動而測量的電阻率)的“垂直”電阻率(例如使用在垂直于地層的層面的 方向上的電流流動而測量的電阻率，其中為了解釋目的可以認(rèn)為所述地層的層平面是水平 的)的地層。認(rèn)為VTI地層具有相同的水平電阻率，而不管沿著其進(jìn)行測量的方位角方向 如何。這樣的地層也稱為具有垂直對稱軸。已知這樣的電阻率各向異性對地球的電磁響應(yīng) 具有大的影響。特別地，各向異性影響地球脈沖響應(yīng)以及其階躍響應(yīng)。在瞬變可控源電磁 勘探方法中確定前述響應(yīng)。如果所感興趣的地下區(qū)域是電性各向異性的，并且如果電磁勘 探數(shù)據(jù)被看成各向同性的，則用來推斷電阻率的空間分布的反演過程將如上面所解釋的那 樣產(chǎn)生不正確的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，可以在將單個瞬變電磁場傳遞到地層中之后由直接 測量確定地球脈沖響應(yīng)，或者如果使用了編碼序列(例如PRBS)則可以通過對發(fā)射機(jī)電流 波形與電磁接收機(jī)測量進(jìn)行反卷積(deconvolution)來確定地球脈沖響應(yīng)，并且可以通過 對由此確定的地球脈沖響應(yīng)的積分來確定地球階躍響應(yīng)。在本發(fā)明中，地球階躍響應(yīng)的后期時間值和地球脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間用于定義視各向異性。為了與視電阻率的定義一致，可以將視各向異性定義為使用定義統(tǒng)一半空 間的各向異性的等式為普通半空間所計算的各向異性。然后，視各向異性被用來通過反演 過程確定地下地層的電阻率各向異性。根據(jù)本發(fā)明的方法的解釋如下。對于其中所有水平 方向上的水平電阻率Ph都相同并且垂直電阻率P 7可能與水平電阻率不同(所謂的VTI 或垂直橫向各向同性的情況)的電各向異性層或半空間，可以通過下式來定義各向異性系 數(shù)
權(quán)利要求
一種用于確定地下巖層的電阻率各向異性的方法，包括將瞬變電磁場傳遞到地下巖層中；在離傳遞位置的多個偏移處測量地層的電磁響應(yīng)；對于每個偏移，確定自傳遞開始的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，以使得該響應(yīng)與地下水平和垂直電阻率有關(guān)；對于每個偏移，確定自傳遞開始的某一時間處的地層階躍響應(yīng)，選擇所述時間以使得該階躍響應(yīng)基本上僅與平均電阻率有關(guān)；以及使用脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間以及階躍響應(yīng)的后期時間值來確定電阻率各向異性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述傳遞包括使電流流過發(fā)射機(jī)，所述電流包括 接通電流、斷開電流、反轉(zhuǎn)電流的極性、以及以編碼序列切換電流中的至少一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定階躍響應(yīng)包括確定脈沖響應(yīng)和對所述脈沖響 應(yīng)進(jìn)行積分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中確定脈沖響應(yīng)包括對所測量的電磁響應(yīng)和用于傳 遞電磁場的電流波形進(jìn)行反卷積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中測量所述電磁響應(yīng)包括測量在電極對上傳遞的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括(a)使用所確定的電阻率各向異性生成地下地層的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相對于深度的經(jīng)驗關(guān)系的至少一個層的水平電阻率值和垂直電阻率值；(b)對于多個偏移，計算模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)；(c)根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)和所計算的脈沖響應(yīng)來為每個偏移估計該階躍響應(yīng)的后期 時間值和該脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，并且使用根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)估計的后期時間值 和根據(jù)所計算的脈沖響應(yīng)估計的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間來確定所計算的視各向異性；(d)將根據(jù)所測量的電磁響應(yīng)確定的視各向異性與所計算的視各向異性相比較；以及(e)調(diào)節(jié)所述初始模型并且重復(fù)(b)、(c)和(d)直到所確定的視各向異性和所計算的 視各向異性之間的差異達(dá)到最小值或下降到低于所選擇的閾值為止。
7.一種用于使用響應(yīng)于將瞬變電磁場傳遞到地下地層中而進(jìn)行的電磁測量來確定地 下地層中的電阻率各向異性的方法，在離傳遞電磁場的位置的多個偏移處進(jìn)行測量，該方 法包括根據(jù)自傳遞開始的某一時間處的電磁測量來確定地層的階躍響應(yīng)，選擇所述時間以使 得該階躍響應(yīng)基本上僅與地層的平均電阻率有關(guān)；根據(jù)電磁測量確定自傳遞開始的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，以使得該到達(dá)時間與地層 的水平和垂直電阻率有關(guān)；以及使用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間來確定電阻率各向異性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括(a)使用所確定的電阻率各向異性生成地下地層的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相對于深度的經(jīng)驗關(guān)系的至少一個層的水平電阻率值和垂直電阻率值；(b)對于多個偏移，計算模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)；(c)根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)和所計算的脈沖響應(yīng)來為每個偏移估計該階躍響應(yīng)的后期時間值和該脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，并且使用根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)估計的后期時間值 和根據(jù)所計算的脈沖響應(yīng)估計的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間來確定所計算的視各向異性；(d)將根據(jù)電磁測量確定的電阻率各向異性與所計算的視各向異性相比較；以及(e)調(diào)節(jié)所述初始模型并且重復(fù)(b)、(c)和(d)直到所確定的電阻率各向異性和所計 算的視各向異性之間的差異達(dá)到最小值或下降到低于所選擇的閾值為止。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中通過使電流流過發(fā)射機(jī)來傳遞電磁場，所述電流 包括接通電流、斷開電流、反轉(zhuǎn)電流的極性、以及以編碼序列切換電流中的至少一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中確定階躍響應(yīng)包括確定脈沖響應(yīng)和對所述脈沖 響應(yīng)進(jìn)行積分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中確定脈沖響應(yīng)包括對所測量的電磁響應(yīng)和用于 傳遞電磁場的電流波形進(jìn)行反卷積。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所測量的電磁響應(yīng)包括在電極對上傳遞的電壓 的測量。
13.一種存儲在計算機(jī)可讀介質(zhì)中的計算機(jī)程序，所述程序具有在操作中使得可編程 計算機(jī)執(zhí)行包括下述各項步驟的邏輯讀取響應(yīng)于將瞬變電磁場傳遞到地下地層中而進(jìn)行的電磁測量作為輸入，所述測量在 離傳遞電磁場的位置的多個偏移處進(jìn)行；根據(jù)自傳遞開始的某一時間處的輸入電磁測量來確定地層階躍響應(yīng)，選擇所述時間以 使得該階躍響應(yīng)基本上僅與地層的平均電阻率有關(guān)；根據(jù)電磁測量確定自傳遞開始的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，以使得該到達(dá)時間與地層 的水平和垂直電阻率有關(guān)；以及使用階躍響應(yīng)以及脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間來確定電阻率各向異性。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機(jī)程序，還包括在操作中使得計算機(jī)執(zhí)行下述內(nèi)容的 邏輯(a)使用所確定的電阻率各向異性生成地下地層的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相對于深度的經(jīng)驗關(guān)系的至少一個層的水平電阻率值和垂直電阻率值；(b)對于多個偏移，計算模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)；(c)根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)和所計算的脈沖響應(yīng)來為每個偏移估計該階躍響應(yīng)的后期 時間值和該脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，并且使用根據(jù)所計算的階躍響應(yīng)估計的后期時間值 和根據(jù)所計算的脈沖響應(yīng)估計的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間來確定所計算的視各向異性；(d)將根據(jù)電磁測量確定的電阻率各向異性與所計算的視各向異性相比較；以及(e)調(diào)節(jié)所述初始模型并且重復(fù)(b)、(c)和(d)直到所確定的電阻率各向異性和所計 算的視各向異性之間的差異達(dá)到最小值或下降到低于所選擇的閾值為止。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機(jī)程序，其中通過使電流流過發(fā)射機(jī)來傳遞電磁場， 所述電流包括接通電流、斷開電流、反轉(zhuǎn)電流的極性、以及以編碼序列切換電流中的至少一 個。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的計算機(jī)程序，其中確定階躍響應(yīng)包括確定脈沖響應(yīng)和對所 述脈沖響應(yīng)進(jìn)行積分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的計算機(jī)程序，其中確定脈沖響應(yīng)包括對所測量的電磁響應(yīng)和用于傳遞電磁場的電流波形進(jìn)行反卷積。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機(jī)程序，其中輸入測量的電磁響應(yīng)包括在電極對上傳 遞的電壓的測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于使用電磁測量來確定電阻率各向異性的方法。一種用于確定地下巖層的電阻率各向異性的方法，包括將瞬變電磁場傳遞到地下巖層中。在離傳遞位置的多個偏移處測量地層的電磁響應(yīng)。對于每個偏移，確定自傳遞開始的脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間，以使得該響應(yīng)與地下水平和垂直電阻率有關(guān)。對于每個偏移，確定自傳遞開始的某一時間處的地層階躍響應(yīng)，選擇所述時間以使得該階躍響應(yīng)基本上僅與平均電阻率有關(guān)。使用脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)時間以及階躍響應(yīng)的后期時間值來確定電阻率各向異性。
文檔編號G01V3/12GK101957457SQ201010231759
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者B·A·霍布斯, D·韋爾特米勒 申請人:Pgs地球物理公司