基于非结构有限元考虑激电效应的时移大地电磁正演方法

本发明属于油气开采，尤其涉及一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法。

背景技术：

1、提高剩余油气和矿产资源的开采率成为我们重点发展的方向之一。剩余油田开采难度大，其中的一个主要原因是对地下储层与流体的电性结构认识不足(刘文岭等，2022)。不能对高含水富极化的油藏储层形态和位置进行有效识别，导致油气开发的成本提高。

2、为适应探测深、富激电的油气地质环境，检测和提高油气采收率。探测深度大、效率高和经济成本低的大地电磁(magnetotelluric，mt)法成为满足非常规油气田探查的首选。传统的mt利用天然场源对地下产生的电磁感应去勘探地下电性异常，国内外许多学者的研究事实证明了mt可以分辨地下电性构造异常，从而定性判断油气的位置(wirianto等,2010；谢兴兵等，2016；严良俊等，2018)。但是传统的大地电磁测深法是不考虑激电效应影响的，即在低频大地电磁波探测地下介质时，认为得到的是实数视电阻率。但是许多资料显示，真实的地下构造中不仅会有电磁感应现象发生，还存在岩、矿石及其水溶液在电流作用下发生的复杂电化学过程，即激发极化效应(induced polarization，ip)，简称激电。此时的地下介质的电阻率是一个复电阻率(tong等,2020)，考虑激电效应的大地电磁响应更加接近真实的地下介质情况，忽略激电效应，会导致用电法勘探地下介质时出现解释错误。其中目前采用最多的激电模型是1978年pelton提出的cole-cole复电阻率模型，用极化率m，时间常数τ，频率相关系数c来表征复电阻率(pelton,1978)。通过改变极化率、时间常数和频率相关系数的参数去表征研究区域的激电效应强弱，以此来研究激电参数改变对研究区域响应特征的影响，为油气开采提供数据支持。

3、为满足实时监测富极化油气开采的需要，传统的一维大地电磁算法虽然在数据处理方面有速度快的优势，但是不能满足复杂极化地形和精细化反演要求。研究激电参数变化对富激电效应的地质问题意义深远，对了解和研究含激电油藏储层的地下电性结构有帮助作用。监测并数值模拟驱替油藏层的时移变化过程，有助于油气开采施工和驱替方向的把握。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术不能对高含水富极化的油藏储层形态和位置进行有效识别，不能满足复杂极化地形和精细化反演要求，导致油气开发的成本提高。

5、传统的理论多基于低频大地电磁波对地下介质的电磁感应原理，但实际上，低频大地电磁波在地下传播中，会同时存在电磁感应和激电效应的双重影响，在岩、矿石及其水溶液地区的激电效应现象尤其明显，忽略激电效应导致对地下电性构造分布解释错误。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法。

2、本发明是这样实现的，基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的具体步骤包括：

3、步骤一，构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；

4、步骤二，分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；

5、步骤三，采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；

6、步骤四，采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；

7、步骤五，分析每个驱替时移阶段的响应特征。

8、进一步，所述步骤一通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，采用非结构化网格剖分区域。

9、进一步，所述步骤二设置模型参数，并将驱替过程分为四个压裂阶段。

10、进一步，所述步骤四基于控制方程的非结构有限元法为：

11、(1)控制方程

12、针对三维mt正演，假设时谐因子为e-iωt,并忽略位移电流，则电场满足的矢量亥姆霍兹方程为：

13、

14、式中：e为电场强度；ω为角频率；μ为磁导率；

15、其中，代表包含激电的复数电导率，本发明采用cole-cole模型定义复电阻率

16、

17、其中，ρ为真电阻率；ρ0为零频电阻率；m为极化率；τ为时间常数；c为频率相关系数；

18、(2)非结构有限元法

19、方程式(1)利用伽辽金法获得有限元法弱形式为：

20、

21、其中，ω为离散区域，φ为非结构四面体矢量基函数；

22、采用四面体网格和对应的矢量基函数进行离散，将离散区域ω剖分为有限个不重叠的四面体单元；

23、将有限维函数代入上式(3)可得：

24、

25、其中eh为有限元法的近似解，ei为单元棱边上的电场值，m为计算域ω内棱边的个数；

26、再强加狄利克雷边界条件后，可获得大型复线性方程组：

27、ke＝sb                (5)

28、其中，k为有限元单位总体矩阵，sb为与边界条件相关的右端项。

29、进一步，所述步骤三时移大地电磁响应函数为

30、通过求解方程组(5)，可以得到任意单元棱边上的电场值，则区域内的任意电场值可通过上述有限维函数插值得到；对应磁场h通过法拉第定理获得：

31、

32、mt的响应函数视电阻率、相位及其对应的时移响应可通过以下方程获得：

33、

34、

35、其中，i和j分别为x和y方向，zij为阻抗，()t0和()t1分别为原始阶段和t1阶段；

36、式(7)的阻抗分量可以通过求解两个极化方向的电磁场得到：

37、

38、其中，1和2表示不同的极化方向。

39、进一步，所述步骤五通过视电阻率差值曲线和等值线图，实时观察压裂大小和位置信息来分析每个驱替时移阶段的响应特征。

40、进一步，所述基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法的基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演系统，该系统包括：

41、区域构造模块，用于构造地下考虑激电效应和电磁感应双重影响下的区域；

42、模型分析和建立模块，用于分析和建立含激电效应和模拟油气驱替过程的三维模型；

43、模型动态监测模拟模块，用于采用考虑激电效应的三维时移大地电磁法对建立的模型进行动态监测模拟；

44、视电阻率响应计算模块，用于采用非结构有限元法计算区域视电阻率的响应；

45、响应特征分析模块，用于分析每个驱替时移阶段的响应特征。

46、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

47、第一，本发明提出一种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演算法去探查地下复杂地形。通过实地岩石取样或者考察分析得到不同地层的激电效应，建立对应的数学模型，相比其他规则化网格剖分，用非结构有限元能更加灵活的去剖分研究区域，用更少的内存和更快的计算速度去实时模拟不同驱替段的时移过程。分析不同时移阶段的响应特征，通过视电阻率差值曲线和等值线图来实时的观察压裂大小和位置信息，分析出不同的油气压裂程度，指导油气开采方向，能有效降低油气开采率的成本。

48、第二，本发明采用非结构化网格去剖分研究区域，能更加灵活的构造地形和地下异常体的形状，同时用非结构有限元法可以节约内存，提高计算速率。

49、本发明分析激电效应各参数的影响，有助于分析非常规油藏层在不同的激电参数下的特征响应，为富激化油气地区开采提供参考价值。

50、本发明了考虑激电效应和电磁感应的双重影响；本发明编写考虑激电效应和电磁感应的非结构有限元三维时移算法，相比一、二维算法，能更加满足复杂极化地形和精细化反演要求。

51、本发明可以通过分析不同激电参数的响应特征和驱替前后的视电阻率差值，来获取异常体的位置和大小信息。对含激电效应的地质环境进行数学建模，得到地下的三维电性构造信息。从而判断油气驱替的方向性和的位置信息，指导油气开采，监测油气的实时变化方向。

52、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：驱替液注入地下开采后，传统的开采不能实时把握驱替区的位置和方向，观测驱替液在油藏储层的分布，如果注入压力过大导致岩石破裂，会使油气开采方向偏移计划的驱替方向，严重时会导致土地和水污染。本专利采用天然场源的大地电磁法，相比地震法监测驱替液的强激电效应分布区域，因采用激电地区特有的电物性差异天然优势。能有效观察到压裂液在油藏层的分布，同时电法勘探设备成本更低，人工效率更高，实时监测富激电效应的油气储藏层，可以更加精确的指导开采方向，避免水土资源污染，精确传统开采打井，钻井数量，减少数千万元的人力物力消耗和开发成本，提高油气采收效率和精确度，有广阔的市场需求与应用。

53、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明填补了油气勘探领域，富激电效应的地区实时监测油气开采方向和位置的正演技术空白，填补三维非结构有限元法考虑激电效应的理论和案例分析空白，填补模拟富激电效应的油气开采过程的监测空白，也为实时反演地下电性结构做铺垫。

54、第四，本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

55、1、解决实时准确的判断富激化地区油藏储层开采的走向和位置的技术难题。

56、2、三维非结构有限元法考虑激电效应正演的理论难题、计算速度难题和复杂地下解释难题。

57、本发明的技术方案是否克服了技术偏见：传统结构化网格的三维地下介质剖分需要大量时间计算的难题。考虑激电后复杂的地下结构解释。

58、第五，在这种基于非结构有限元法考虑激电效应的三维时移大地电磁正演方法中，每个步骤都取得了显著的技术进步：

59、步骤一：构造受影响区域

60、传统的地电磁模型通常忽略流体动力学和电磁场之间的相互作用，特别是激电效应。这个步骤通过综合地质、地物理和流体动力学数据，构建了一个能够同时考虑电磁感应和激电效应的模型。这大大提高了模型的准确性和适用范围。

61、步骤二：建立模型

62、通过集成多源数据(地震、电磁、岩心分析等)，这个三维模型不仅包括了电磁特性，还模拟了油气驱替的动态过程。这为后续的动态监测和分析提供了更全面的基础。

63、步骤三：动态模拟

64、这一步使用了考虑激电效应的三维时移大地电磁法。这一进步使得模型能够捕捉到由于油气驱替而引起的微小但重要的电磁场变化，这在传统方法中是难以实现的。

65、步骤四：视电阻率计算

66、使用非结构有限元法进行数值模拟，能更精确地处理复杂的地质结构和界面，与传统的有限元或有限差分方法相比，这大大提高了视电阻率估计的准确性。

67、步骤五：响应特征分析

68、这一步对每个时移阶段的电磁响应进行细致分析，与单一的静态分析相比，这能更准确地反映油气储量和流动性的变化，从而有助于更精确的油气储量估计和生产优化。

69、综合这些步骤，该方法不仅提供了一个全面和准确的方式来进行油气勘探和生产的电磁监测，还通过引入激电效应和非结构有限元法等先进技术，大大提高了模型和结果的准确性。