利用多個頻率空間上解釋電磁數據的方法

2023-06-12 21:36:36 2

專利名稱：利用多個頻率空間上解釋電磁數據的方法
技術領域：
0002本發明一般涉及地球物理勘探領域，並且更具體地是，涉及電 磁勘探領域。特定地，本發明是一種數據解釋方法，所述數據是由近海 環境中的受控源電磁勘測所採集的(其中受控電磁發射器拖拽在固定於 海底的電磁接收器上)。
背景技術：
0003在受控源電磁("CSEM")勘探中，電場和磁場由接收器測量， 之後分析該電場和磁場以確定表面或海底之下地表結構(地面下地層) 的電阻率，因為電阻率與孔隙中流體類型和飽和度強相關是公知的。參 見例如，Srnka的美國專禾U6,603，313號。
0004在碳氫化合物存在時，儲層的體電阻率經常明顯增加。這種增 加在百分之一百到一千的量級。然而，僅僅只有增加的地層電阻率不能 唯一指示碳氫化合物。例如，碳酸鹽、火山巖、和煤也有可能是高阻抗 的。然而，高地層電阻率與勢阱的空間相關性可以提供石油或燃氣存在 的較強證據以及有關其濃度的有價值信息，所述空間相關性由地震或地 震屬性數據反映。
0005近期的CSEM勘測顯示，地表淺層電阻率會掩蓋地表中埋藏較深 的阻抗性碳氫化合物的電磁響應(錯誤否定)。相反地，淺層電阻率會 被曲解為指示存在較深儲層電阻率(錯誤肯定)。
0006解釋海洋受控源電磁(CSEM)數據的傳統方法是將實驗觀測到 的電磁響應與特定頻率(典型地l/4Hz)處巳選擇的參考實驗相比。參考
實驗假定代表背景電阻率；其他位置上的觀測數據和參考數據之間發現
的任何差異解釋為電阻率異常(S. Ellingsrud et al.， 7Tze ￡eaAwg 21, 972-982, Oct. 2002)。選擇頻率以產生儲層深度處電阻率異常的最佳響應。 不幸的是，該頻率對較淺層異常也敏感，而這些較淺層異常會掩蓋(或 被誤當作)較深層異常。
0007例如，圖1顯示綜合海洋CSEM勘測實例中的電阻率異常，其中 1/4Hz頻率用於l歐姆米的背景電阻率。參考實驗定位在無電阻率異常的 地質向斜/向斜層中的4。異常是相對所述參考定義的。如果接收器記錄的 電磁響應接近參考接收器記錄的數據，則在接收器位置呈現一個三角形 符號。圓形符號表示數據看起來比參考有更好的傳導性，而方形符號表 示數據看起來比參考數據有更大的阻抗。菱形到六邊形到星形符號遞增 地顯示相對於參考接收器的異常高阻抗表現。異常圖的方位物或突出特 徵(prominent feature) l對應於6歐姆米的非常淺層電阻率異常(通道由 低飽和氣體填充)。較深但仍相對淺的石油區域(40歐姆米異常)在2可 見，但所述較深主要區域3被所述淺層異常疊加完全掩蓋。注意在實際 操作中，優選利用彩色定標來呈現電阻率差異。
0008本領域從業者公知的是電磁場數據的穿透深度依賴於信號頻率。
數據的振幅在距離"SO琳/ff時減弱到l/e (e為自然對數的底數)，其 中R是單位為歐姆米的電阻率，f是單位為赫茲的頻率，5是單位為米的趨 膚深度。高頻電磁數據從源迅速衰減，且對深度異常不敏感。低頻數據 衰減較少且可穿透較深層，其對淺層和深層電阻率結構都敏感。參見例 如,Keller, G. V.禾口Friscknecht, F. C.， ￡7ec/,,'c<7/ 7We〃70fife /." C7eo/ / jw.c"/ 屍m^ecri"g r邀錄A激遭學激叛^遊敏學方法J ， Pergamon Press,卯-196和 299-353 (1966); Olm， M.C., E7eC'owag"ert.c Sca/e Afode/ 5Vwtfy o/ Ae Z)wa/ /,e Me"cy "^erew"'"g r"/7m々we OT^^分發術^凌^^薪^":^,秀^MSc. A&s7、 Co/oraob iSWzoo/ M/"es， Pergamon Press, N. Y. (1981); Kaufmann， A. A.禾口 Keller, G. V., F/^wewqy朋d Jhms/eW /SbwwW"g^ f凝 率^7凝^^^P , Elsevier, N. Y.， XVII-XXI, 213-314， 411-450, 621-678 (1983); B. R Spies, Geo/ /zjwh 54， 872- 888 (1989); Zhdanov, M. S，禾口 Keller, G. V.， r/ze Geoe/ecWca/Me^oiis1 z," Geop/z戸'ca/五xp/orado" f邀球激謬學勘,0遊邀培方法;> ，Elsevier, N. Y., 347-450， 585-674, 692-701 (1994)。這些資料來源是電磁學從業者的標準參考；然而，這些幾乎不包 含海洋環境中的CSEM探測技術，且其中也沒有講授如何在海洋CSEM勘 測中通過較深電阻率目標的電磁響應確定較淺電阻率結構的影響。本發 明滿足此需求。

發明內容
0009在一個實施例中，本發明是一種數據處理方法，其用於在地下 區域電磁勘測中降低淺層電阻率結構的掩蔽效應，包括(a)選擇在第一 源頻率生成的第一組勘測數據，所述第一源頻率選擇為只穿透所述淺層 電阻率結構；(b)選擇與低於所述第一源頻率的第二源頻率相對應的第二 組勘測數據，從而揭示所述地面下區域較深處存在的電阻率結構和所述 淺層電阻率結構；(c)通過利用在所述第一源頻率生成的勘測數據組來求 解電磁場方程組，計算所述淺層電阻率結構；和(d)利用所述計算出的淺 層電阻率結構和來自所述第二勘測的所述電磁數據，從較深處響應中區 分淺層響應。
0010步驟(c)可通過迭代模型正演或反演來實施。在一些通過模型正演 實施步驟(c)的實施例中，利用以下步驟(a)假定一個初始淺層電阻率結構； (b)利用電磁場方程和所述假定的淺層電阻率結構計算在所述第一源頻率的 所述勘測的理論電磁響應；(c)將所述計算出的響應和所述第一勘測數據組 比較；和(d)根據需要調整所述假定的淺層電阻率結構並重複步驟(b)-(d)， 直到所述計算出的響應與所述第一勘測數據組在預先選定的公差內一致。 在步驟(c)的反演方法中，在一些實施例中，淺層電阻率結構通過在所述第 一源頻率反轉電磁波方程組預測得到，以求解對應於從所述第一勘測得出 的探測參數和電磁數據組的電阻率結構。
0011在一些實施例中，本發明產生一個消除或降低了淺層電阻率影響 的二維異常圖。在一些實施例中這是通過以下方式實現的(a)利用電磁場 方程和所述計算出的淺層電阻率結構，計算在所述第二源頻率的所述勘測 的理論電磁響應；(b)將所述計算出的電磁響應和第二勘測數據組比較，以 消除所述淺層電阻率結構對所述第二勘測數據組的影響。
0012在其他實施例中，電阻率結構可生成為深度的函數，其解析度取 決於可獲得電磁勘測數據的源頻率的數量和分布。在一些實施例中，這是 通過利用計算出的淺層電阻率結構(如上文所述獲得)和估算出的較深電
阻率結構以及以下這些步驟來實現的(a)採用所述計算出的淺層電阻率結
構並用估算出的較深電阻率結構補充該電阻率模型，以生成覆蓋淺層和較
深區域的假定電阻率模型；(b)利用所述電磁場方程組和所述假定電阻率模 型計算在第二源頻率的所述勘測的理論電磁響應；(c)將所述計算出的響應 與所述第二勘測數據組相比較；和(d)根據需要調整所述假定電阻率模型並 重複步驟(b)-(d)，直到所述計算出的響應與所述第二勘測數據組在預選擇的 公差內一致。這一程序提供了對應於所述第一和第二源頻率趨膚深度的兩 個深度區域的電阻率模型。更多區域和更好解析度可通過獲得額外源頻率 勘測數據並通過重複該程序來實現。


0013本發明及其優點通過査閱下面的詳細說明和附圖將更容易理解， 附圖中
圖1說明由淺層異常掩蓋的深層電阻率異常；
圖2說明由本發明方法處理後圖1中相同的電阻率異常； 圖3是流程圖，其顯示本發明的一個實施例的主要步驟；和
圖4是流程圖，其顯示如何在本發明方法中利用反演來代替模型正演。0014將結合其優選實施例來描述本發明。然而，在某種意義上來說， 後面的具體實施方式
對於本發明的特定實施例或特定使用是特殊的，這 僅僅是說明性的，而不應理解為對本發明範圍的限制。相反，如所附的 權利要求所定義的，其旨在涵蓋所有包含在本發明的精神和範圍內的替 代品、改進和等價物。
具體實施例方式
0015本發明提出一種以級聯方式解釋在不同頻率的電磁場數據的方法。 其順序利用一定範圍內的頻率來確定較淺電阻率結構在海洋CSEM勘測中 對較深電阻率目標的電磁響應的影響。其降低了解法的非唯一性，並加強
不同深度電阻率異常的辨別。可通過模型正演(圖3所示一個實施例)和 反演(圖4所示一個實施例)來應用。
0016高頻率數據(典型地高於1.5Hz)對淺層電阻率結構非常敏感。 (因為趨膚效應，高頻率輻射不能穿透超過淺層深度。)參考圖3的流程 圖，潛在淺層阻抗體可從地震數據301中畫出302，若失敗，直接從電磁 數據中畫出(圖3中未給出)。通過將所述電阻率結構與來自地震反射、 折射或發射數據所識別的地質結構聯合，然後利用一個或多個公知的方 法(例如地震阻抗與電阻率的關係)估算在地震識別結構中的電阻率值， 從地震數據解釋中獲得原始淺層電阻率結構。可選地，初始淺層電阻率 是猜出的，或者如果可得到的話可從測井資料中估算。模型的電磁響應 302 (背景電阻率和淺層電阻異常)通過這種一維、二維或三維(圖3顯 示三維)仿真代碼生成303，所述仿真代碼作為軟體產品由電磁模擬和反 演協會(Consortium for Electromagnetism Modeling and Inversion (CEMI， 猶他大學))或Sandia國家實驗室(Sandia National Laboratories) (iVe術wa"
Zwerw'o" o" Afaw/v^y屍ara〃e/ Ccwpwfera (大夫見t莫並fiH十算機三維電磁豐莫 擬禾口反演),5"""t/z.a 7 e/ oW iS^iVZ)9(5-( 552 TVa/Zcwa/丄a6oraton,es
"M^)開發。實質上，嵌入電腦程式或模塊用於實際效用的技術將源 位置、源波形、接收器定位和電阻率形式的輸入信息作為探測地下區域 位置的函數，並求解麥克斯韋方程組，以便為每個源位置在接收器位置 產生電場和磁場作為結果(有時稱作電磁場響應)。儘管計算精密複雜， 但本技術領域技術人員無需進一步的指導就可以知道如何利用方法以實 施。仿真高頻率數據與觀測到的高頻率電磁場數據304 (實際數據)比較 305。模型中淺層電阻率302可被減弱或增加以更好的符合實際數據。環 路302到305重複，直到仿真和實際數據間達到良好一致。為降低解法的 非一致性，優選利用儘可能多的數據電場和磁場在線數據(接收器靠 近發射器拖拽線)和離線數據(接收器遠離發射器託拽線)。0017
一旦高頻率仿真和真實數據之間達到良好一致305，對應的電阻 率模型306在下一組低頻率被仿真。按照本發明，該仿真307產生參考電 磁數據，與真實低頻率數據308比較。任何差異都對應於真實、較深電阻
率異常(即不能由淺層地質解釋說明的東西)，並且可繪製成異常圖，
例如圖2。低頻率處的異常圖309則有意義。圖2示出了在應用本發明方法
之後，即從觀測到的電磁場數據中移除計算出的淺層影響之後，圖l的數
據。圖2的異常圖顯示當較淺層、無用異常l的印記被移除之後的較深油 田的區域3 (未被六邊形或菱形符號表現出來的)。中間深度的油田2(太 深以至於不作為淺層異常考慮，也不包含在模型306中)仍然可見。首先 調整淺層電阻率，之後在低頻率處仿真結果以解釋真實低頻率數據，上 述處理進程比起由通過忽略循環302到305和只關注低頻率信息所得，明 顯改進了較深異常的繪圖。
0018在圖1和圖2中，低頻率的振幅數據通過參考數據標定。這種標 定是本發明在產生圖2的異常圖的特定實施例中如何移除淺層異常的掩 蔽效應l。在該實施例中，標定通過將在所給x、 y位置的所觀測的振幅308 除以相同位置的仿真振幅307來實現。除了簡單的相除，對於本領域技術 人員很顯然可用用其他方式。在圖l的傳統手段中，用來除測量數據以定 標的參考振幅是在單一位置得出的測量結果，S卩，參考信號被假定為恆 定背景且不依賴於位置。因此，在兩幅圖中，不同符號代表的數量是無 維度的數量。如果在圖1和2中用彩色標定代替不同符號來代表電阻率， 則選擇紅色來指示真實數據比參考更強阻抗。從事CSEM工作的技術人員 將明白如何確定測量數據是否指示比對應的參考具有更大還是更小阻 抗。本質上，更多信號表示與更高阻抗對應的更少衰減。黃色可以表示 比參考更強阻抗，但低於紅色。藍色可以指示比參考更小阻抗。例如， 有鹽水飽和沉澱物的鹽丘附近地區可以顯示為藍色。可選擇白色來指示 測量振幅和參考振幅比例大約一致，即，觀測數據與參考數據相同且沒 有電阻率異常。其他色彩可以用來完成可能在圖中彩色定標所指示的阻 抗振幅範圍。在圖1和圖2中電阻率標定利用同一刻度，儘管這不意味著 定量測定應從圖2中得出。在圖中，淺層結構1與較深結構2部分重疊(結 構2更深)。每個結構是有阻抗的並利用圖l的參考顯示六邊形符號。但 是，在圖1中，公共地區異常(六邊形)都歸因於淺層結構1和較深結構2。 圖2中，淺層電阻(即圖l)影響被移除，剩餘異常歸因於較深層電阻。 因為結構2阻抗較高(比結構l阻抗大的多)，異常仍以六邊形呈現。
0019然而圖2是二維圖。可通過將圖2與圖1比較推斷出，阻抗體3處 於比阻抗體l更深位置，但圖2不能預測異常3有多深。在圖2中，油田3看 起來比油田2小，然而事實上其更大。因為它更深，所以其電磁響應就更 小。本發明方法可超越產生例如圖2的圖的異常繪圖309，並估算深異常 中電阻率的的區域、深度和振幅，即，可估算電阻率的整個三維容量， 解釋說明所有頻率的實際觀測數據。更深地震解釋310可通過與步驟301 和302描述類似的方式，建立較深阻抗體311的幾何形狀(淺層電阻率結 構306是高頻率迭代分析的結果)。深層潛在異常中的初始電阻率一般可 從特定區域井控制(regional well control)中推斷，但井信息不是必要的。 仿真低頻率數據312將與觀測到的低頻率數據308相比較313。然後深層電 阻率值被調整到更適合真實數據。重複循環311到313直到在仿真和真實 數據間達到良好一致。然後，最終電阻率結構314是觀測到數據的良好解 釋說明。
0020如果可得到非常低的源頻率，處理進程可為日益增多的更低頻 率和更深目標重複，但考慮到當前CSEM源波形的窄頻率帶寬， 一個兩 步驟處理進程一般就足夠了。所述處理進程類似於地震學和重量測定中 的分層剝採手段，但物理和控制方程組完全不同。
0021上面描述的向下延拓建模方法(由解釋人員執行的模型正演以 及仿真數據和真實數據的比較，見步驟305和313)是耗時的迭代處理進 程。其可通過一維、二維、或三維反演來完全自動操作。基本上，循環 302-305和311-313 (圖3)的反覆試驗是自動操作完成的。對於反演編碼， 見例如，iVewwaw C7.vl， ^4/wm6awg/z ￡)丄，T7zree d/me"w'o""/￡7ecfTOW<2g"e^'c M (ie/一朋d /"ve^y/ow o" Ma肌've/少屍flra〃e/ Com/ 她^y, (Sawfta i e/ or/ &47VD^5-Sa"&'a/Va"om7/丄Woraton^ (75^0。為減少結果的非唯一 性，推薦利用儘可能多的信息(電場和磁場，靠近發射器線的接收器， 和遠離發射器線的接收器)。類似模型正演，反演可在一維、二維或三 維完成；圖4的流程圖表示三維反演，其給出最佳結果，但耗時和花費最 大。
0022真實高頻率數據401首先被反演402以估算淺層電阻率結構403 (通常降低到最低高頻率數據的透入深度的2或3倍)。本領域技術人員
將認識到嵌入到有現實效用的軟體程序或模塊的反演技術402，解決了在
步驟303由模型正演模塊或程序的反演問題。換句話說，它用輸出量(作 為位置的函數的電場和磁場成分)來求解303的輸入變量(電阻率結構)。0023所得到的淺層電阻率模型403之後用於作為初始模型或約束低頻 率數據404反演。儘管優選有一些重疊(典型的最小高頻率的透入深度的 一半)，低頻率反演405在比高頻率反演較深層的窗口實施(即，淺層結 構403不允許改變)。反演結果是三維電阻率模型406，其可顯示反演窗 口之間分界線處的一些非地質粗糙度。可選地，可用高頻率數據401和低 頻率數據404運行最終反演407，以確保最終電阻率模型408和所有數據一 致。由於起始模型406應靠近最終解答，這個最終步驟通常很快。本領域 技術人員將理解反演402、 405、和407必須以許多方法來實施，即反覆試 驗。因此，對答案的良好的首次猜測會加速處理進程。然而，關鍵點是 在本發明模型正演實施例中，由反演算法實施的迭代循環(圖4中未給出) 可不需人工幹預及電阻率結構的後繼調整而令人滿意地實施，所述不是 步驟305和313的情形。為簡單化說明，說明方法描述成利用兩個頻率組 的實施例，更低頻率數據組和更高頻率數據組。然而，如果記錄的頻譜 足夠寬，反演循環404-406可在更低頻率再次運行。優選可得到的最寬頻 譜來降低反演後電阻率深度圖像的非唯一性。典型的，CSEM源波形有一 個大約十倍的帶寬，即，有明顯關聯振幅的最高頻率成分(在傅立葉分 解中)有約十倍於最低頻率成分頻率的頻率。為利用現有源得到更寬的 帶寬(富含更高或者更低頻率的)，勘測需要以不同的波形重複若千次。 對於勘測在不同深度間隔的目標可以重複多少次，經濟情況是一個限制 因素。
0024前面的描述涉及本發明的特殊實施例，其旨在示例說明目的。 然而，對本領域技術人員顯而易見的是，對此處描述的實施例可作出各 種改進和變化。所有這些改進和變化都在本發明的範圍內，如所附權利 要求所定義的那樣。
權利要求
1.一種數據處理方法，其用於降低在地面下區域電磁勘測中淺層電阻率結構的掩蔽效應，所述方法包括(a)選擇在第一源頻率生成的第一勘測數據組，所述第一源頻率被選擇為只穿透所述淺層電阻率結構；(b)選擇對應於低於所述第一源頻率的第二源頻率的第二勘測數據組，從而揭示所述地面下區域的較深電阻率結構以及所述淺層電阻率結構；(c)通過利用所述第一源頻率生成的勘測數據組來求解電磁場方程組，計算所述淺層電阻率結構；和(d)利用計算出的淺層電阻率結構和來自第二勘測的電磁數據，以從較深響應中區分淺層響應；
2. 如權利要求l所述的方法，其中所述淺層電阻率結構預測如下(a) 假定一個初始淺層電阻率結構；(b) 利用電磁場方程和假定的淺層電阻率結構為所述第一源頻率的所述 勘測計算理論電磁響應；(C)將計算出的響應和所述第一勘測數據組比較；和(d)調整所述假定的淺層電阻率結構，按需要重複步驟(b)-(d)，直到所述 計算出的響應與所述第一勘測數據組在預選擇公差內一致。
3. 如權利要求1所述的方法，其中所述淺層響應通過如下方法從所述 較深響應中區分開(a) 利用電磁場方程和所述計算出的淺層電阻率結構為所述第二源頻 率的勘測計算理論電磁響應；和(b) 將所述計算出的電磁響應和所述第二勘測數據組比較，以移除由所 述淺層電阻率結構引起的對所述第二勘測數據組的影響。
4. 如權利要求2所述的方法，其中所述初始淺層電阻率結構通過將所 述電阻率結構與來自地震反射、折射或發射數據所識別的地質結構聯合，之後通過相互關聯地震阻抗估算地震辨別結構中的電阻率值，從地震數據 解釋獲得。
5. 如權利要求1所述的方法，其中所述淺層電阻率結構通過如下方法 預測在所述第一源頻率反轉電磁波方程組以求解電阻率結構，該電阻率 結構與來自所述第一勘測的獲得參數和電磁數據組相對應。
6. 如權利要求l所述的方法，進一步包括利用所述計算出的淺層電阻 率結構和估算出的較深電阻率結構，為所述地面下區域計算依-賴深度的電 阻率結構；所述依賴深度的電阻率結構包含與所述第一和第二源頻率的趨膚深度相對應的至少兩個深度地域。
7. 如權利要求6所述的方法，其中所述依賴深度的電阻率結構的計算 包括(a) 採用所述計算出的淺層電阻率結構，並用估算出的較深電阻率結構 補充該電阻率模型，以生成覆蓋淺層和較深區域的假定的電阻率模型；(b) 利用所述電磁場方程組和所述假定的電阻率模型，計算在所述第二 源頻率的勘測的理論電磁響應；(c) 將所述計算出的響應與所述第二勘測數據比較；和(d) 調整所述假定的電阻率模型，根據需要重複步驟(b)-(d)，直到所述計 算出的響應與所述第二勘測數據組在預選擇公差內一致。
8. 如權利要求6所述的方法，其中所述估算出的較深電阻率結構通過 將所述電阻率結構與從地震反射、折射或發射數據所識別的地質結構聯合， 之後通過相互關聯地震阻抗估算而在地震識別結構中的電阻率值，從地震 數據解釋獲得。
9. 如權利要求6所述的方法，其中所述依賴於深度的電阻率結構以如 下方法計算出在所述第二源頻率反轉電磁波方程組，以求解電阻率結構， 所述電阻率結構與來自所述第二勘測的獲得參數和所述電磁數據組相對 應。
10. 如權利要求6所述的方法，迸一步包括選擇與第三源頻率相對應的 第三勘測數據組，向所述計算出的依賴於深度的電阻率結構增加第三深度 地域，從而改進地面下電阻率結構的深度解析度。
11. 如權利要求10所述的方法，進一步包括重複所描述處理進程以增 加至少一個額外深度區域。
12. 如權利要求3所述的方法，其中通過利用所述計算出的淺層電磁響 應將所述淺層電阻率結構影響從所述第二勘測數據組移除，以逐個位置標 定所述第二勘測數據組。
13. 如權利要求12所述的方法，其中標定的第二勘測數據組與側面位 置對比在圖上畫出，利用彩色定標來代表標定數據。
全文摘要
本發明公開了一種方法，其在電磁勘測數據中移除淺層電阻率結構的效應，以創建一個低頻率電阻率異常圖，或可選地在其合適的深度層反映電阻率結構。本方法包含用模型正演或反演求解麥克斯韋電磁場方程組，要求至少兩組勘測數據，一組在選擇用以穿透目標深度的源頻率處獲得，另一組在能夠只穿透淺層深度的較高頻率處獲得。
文檔編號G01V3/00GK101194184SQ200680006482
公開日2008年6月4日 申請日期2006年2月23日 優先權日2005年3月7日
發明者D·A·帕福洛夫, J·J·卡拉左尼, O·M·布爾茲 申請人:埃克森美孚上遊研究公司