天然气水合物(natural gas hydrate, NGH)是在低温高压条件下, 由天然气分子和水分子形成的具有笼状结构的冰样固态化合物[1]。天然气水合物广泛赋存于大陆边缘的陆坡深海浅层沉积物和陆地永久冻土带中, 资源量丰富[2]。一个单位体积的天然气水合物分解后, 可以释放约 164个单位体积的甲烷气体。因甲烷燃烧释放的 CO2 最少, 天然气水合物被视为一种清洁、高效的非常规能源, 受到世界各国的广泛关注[3-5]。然而, 在天然气水合物开采过程中, 沉积层稳定性的破坏可能引发海底滑坡和海啸等地质灾害[6-7]以及大量甲烷气体泄露至大气中可能导致的严重生态环境问题[8-9]。因此, 开展天然气水合物开采过程的储层监测工作, 对掌握天然气水合物的分解范围、动态调整开采方案以及评估环境风险等方面具有重要意义。
海洋可控源电磁(controlled-source electromagnetic, CSEM)方法可以探测储层与围岩的电性差异,结合地震构造解译, 能够较准确地确定高阻(或低阻)储层的分布范围, 从而提高储层评价和钻井开采的成功率[10]。1997年, Edwards[5]首次将海洋CSEM 方法应用在天然气水合物探测中, 提出采用瞬变电偶极子-偶极子时域系统, 通过测量行程时间来探测和评价天然气水合物资源(天然气水合物饱和度越高, 电阻率越高, 电磁波行程时间越短)。近年来, 在加拿大西海岸的卡斯卡迪(Cascadia)陆缘[11]、美国俄勒冈洲(Oregon)近海的天然气水合物脊[12-13]、日本海[14]和我国南海[15]等区域, 多国科学家广泛利用海洋 CSEM 方法开展天然气水合物探测工作, 得到较高分辨率的海底电阻率图像。基于Archie 公式, 可以由天然气水合物储层的电阻率数据计算得到饱和度数据, 从而对区域天然气水合物的资源量进行估算[12,16]。
鉴于海洋 CSEM 方法在高阻储层勘探任务中的出色表现, 该方法被进一步用做监测海洋油气后期开发及油气运移的工具[17]。Orange 等[18]通过 2D 时移正演模拟, 证明使用拖曳式水平源的海洋 CSEM方法可以监测海底常规油气储层电阻率的动态变化。与常规油气储层相比, 通常海域天然气水合物储层的电阻率更低, 厚度更薄, 埋深更浅, 导致常规的拖曳式水平源海洋 CSEM 方法的监测难度增大。Scholl 等[19]首次提出可以在只使用固定井中垂直源的情况下实现对天然气水合物开采过程的监测, 其数值模拟结果揭示井中垂直源对天然气水合物电阻率的横向变化十分敏感。然而, 他们的模拟较为粗糙, 对井中金属套管的影响考虑不足, 不能满足利用海洋 CSEM 方法开展天然气水合物开发储层监测可行性评估的需求。
针对我国南海神狐海域天然气水合物试采的储层情况, 本研究通过多物理场耦合有限元(finite element method, FEM)软件 COMSOL 开展天然气水合物储层的海洋 CSEM 响应的 3D 正演模拟, 比较发射源布设方式、金属套管、发射频率和开采范围等因素的影响, 探讨海洋CSEM方法监测天然气水合物开采过程中储层电性变化的可行性。
1 模型的构建与数值计算
1.1 概念模型
基于我国 2019年在南海神狐海域进行的第二次天然气水合物开采试验[20], 构建 3个正演模型,其 XZ 剖面如图1 所示。模型 1 (图1(a))为不含天然气水合物的背景模型, 海水深度为 1200 m, 电阻率为 0.33 Ωm; 背景沉积层(围岩)的电阻率为 1 Ωm;空气层的电阻率为 1010 Ωm, 近似无限大。模型 2(图1(b))增加厚度为 40 m, 电阻率为 4 Ωm 的天然气水合物储层, 储层顶部位于海底之下 200 m。模型 3(图1(c))为天然气水合物开采后的储层状态, 天然气水合物分解后的岩层(黑色虚线框)电阻率降为围岩的 1 Ωm。这里设置在 z 轴方向, 天然气水合物的分解同时均匀地发生, 即纵向上开采范围等于储层的厚度; 在横向上, 天然气水合物的分解从中心向x 轴和 y 轴方向同步扩展, 即横向的开采范围为一个正方形。正演模拟过程中采用的电偶极子源放置在模型中心的 z 轴上, 发射电流为通常默认的单位电流(1 A), 发射频率为 1 Hz。监测所用的电场接收器放置在海底。特别之处是, 由于垂直电场 Ez 在海底界面上具有不连续性, 因此模拟真实的 Ez 接收器设置, 将海底 Ez 电场的数据采集布设在海底上方 1 m 处[21]。计算结果中的收发距(也称偏移距)表示接收器与发射源的水平距离(不考虑接收器与发射源在垂直方向的高度差), 且假设最小收发距为 10 m。
图1 正演模型的XZ截面示意图
Fig.1 XZ-sections of forward models
(a) 模型 1: 背景模型; (b) 模型 2: 含储层未开采模型; (c) 模型 3: 含储层开采模型。虚线框示意开采区域; 出于对称性, 仅画出沿x轴正向的部分
1.2 有限元计算
COMSOL 的射频模块可以对不同频率的电磁波模型进行计算, 其求解计算域内电场矢量 E 的偏微分方程[22]为
其中, σ 为介质电导率; ω 为角频率; ε0 = 8.85×10-12 F/m, 为真空介电常数; εr = ε/ε0 为相对介电常数; μ0 =4π×10-7 H/m, 为真空磁导率; μr = μ/μ0 为相对磁导率; k0 =
, 为自由空间波数; J 为由电偶极子源产生的电流密度。模型中所有介质的相对介电常数和相对磁导率均为 1。
模型采用散射边界条件模拟开放的边界, 电磁波在通过模型求解域边界时几乎完全透射传播, 不发生反射作用。球面散射波的偏微分方程[22]为
其中, k 为波数, r 为计算点与发射源之间的距离, n方向表示散射波传播的法向方向。
本文模型考虑了金属套管对电磁波传播的影响, 而金属套管壁远远小于整个模型的尺寸, 使用常规方法对套管壁进行有限元网格剖分的计算效率低, 收敛性差。COMSOL 软件的过渡边界条件表示了切向电场的不连续性, 可以用来模拟电性参数变化的几何薄层, 不需要对其实际进行网格剖分, 数学上用电场不连续与感应表面电流密度之间的关系进行描述, 其表达式[22]为
其中, 下角标 1 和 2 表示薄层的内外两个不同侧面,Et 为切向电场, d 为薄层的厚度。
为验证 COMSOL 软件应用于海洋可控源电磁领域的准确性, 我们构建与 Constable 等[23]相同的含储层模型。如图 2 所示, COMSOL 软件的 3D(COMSOL3D)模拟结果与 Constable 等[23]用 1D 代码(DIPOLE1D)计算得到的圆柱域结果吻合程度较高。Constable 等[23]的模拟结果显示, 当收发距大于6000 m 时, 背景模型的径向电场主要为空气波, 径向电场的相位为常数, 即空气波的相位(-400°)。当模型的收发距较小且海水深度较大时, 空气波的影响可以忽略[24]。与 DIPOLE1D 相比, COMSOL 的电场数据重合度较高, 最大电场振幅相对误差约为8%, 大收发距时电场振幅相对误差均不超过 0.5%(图 2(a)和(c))。相位数据的变化趋势整体上一致,绝对误差约为 10°, 收发距为 4000~6000 m 时, 相位最大绝对误差约为 35° (图 2(b)和(d))。
上述结果表明, COMSOL 软件能够可靠地用于海洋可控源电磁领域。两种方法在电场振幅相对误差和相位绝对误差方面产生差异, 有两方面的原因。一方面, 可能由于 COMSOL 有限元数值模拟与 DIPOLE1D 采用的数值计算方法不同。另一方面, 我们未取得 Constable 等[23]的计算代码, 因而采用手动方式将 Constable 等[23]发表的图件数字化,得到图 2 中 DIPOLE1D 的计算结果。由于坐标轴和曲线具有一定的宽度, 因此手动数字化图件难以避免取样点偏移的问题。图 2 中数据的变化范围很大,即使轻微的横向或纵向偏移, 也可能导致误差的人为放大。
图2 COMSOL的3D模拟结果与 DIPOLE1D 代码计算结果[23]的对比
Fig.2 Comparison between simulation results of COMSOL and calculation results of DIPOLE1D code[23]
1.3 模型网格剖分
COMSOL 具有自由、映射和扫掠等网格剖分手段, 可以生成四面体、六面体、三角形和四边形等 3D 和 2D 网格单元。网格剖分是有限元数值计算的基础, 除大小和数量, 质量也十分重要。COMSOL 的网格偏度测量功能可以对角度过大或过小的单元进行检测, 偏度的数值介于 0 与 1 之间, 1 表示质量最佳, 0 表示质量退化。对偏度低于 0.01 的单元, COMSOL 会自动发出警告。
本文模型采用自由四面体网格剖分方法。图 1中模型 2 的海底网格剖分结果如图 3(a)所示, 当其大小为 4 km×4 km×4 km 时, 经过试算, 在剖分两百多万个四面体网格时, 计算结果的收敛性和计算效率都较好, 其中最小的网格单元偏度为 0.17, 平均单元偏度为 0.66。网格剖分的整体质量可以根据网格单元质量直方图进行检测, 一般而言, 直方图形态越靠右, 且越趋近标准正态分布, 网格质量越好,计算结果的精度也越高。图 3(b)中偏度趋于偏右的正态分布特征, 说明高于均值的单元数量更多。提取单元网格进行分析, 本文模型中小尺寸单元出现在薄层天然气水合物储层区域, 其他区域单元尺寸偏大。因此, 在确保小尺寸单元质量精度足够的情况下, 图 3(b)表明剖分的网格适用于本文模型的计算, 能够提高计算效率。
图3 网格剖分结果与网格质量分析
Fig.3 3D mesh generation result and skewness histogram for mesh quality analysis
(a) 海底三维网格剖分(海底沉积物部分); (b) 四面体网格单元偏度质量直方图
1.4 数据分析方法
分析海洋 CSEM 响应数据时, 一般采用振幅随收发距(偏移距)变化(magnitude versus offset, MVO)的曲线以及归一化振幅曲线来表示含高阻储层的异常[18,23]。在浅水区域(海水深度小于 300 m[25], 下同)使用常规的拖曳式水平源进行电磁观测时, 需要考虑空气波的影响。本文模型中设定海水深度为1200 m, 且垂直发射源位于监测井中, 空气波的影响可以忽略。电磁场的归一化处理可以有效地指示海底之下高阻储层的异常, 归一化振幅比 A1 的计算公式为
式中, |E0|为背景电场振幅(本文默认为模型 1 的计算结果), |Ea|为含识别目标的电场振幅(本文默认为含天然气水合物储层的模型 2 的计算结果)。A1 值越偏离 1, 说明对异常场的识别能力越强。
在使用海洋 CSEM 方法监测天然气水合物储层时, 还需考虑开采后电场振幅相对于开采前的变化率, 用相对异常值A2表示, 其计算公式为
式中, |Eb|为模型 3 (天然气水合物储层开采后)的电场振幅。A2 越偏离 0, 说明对天然气水合物开采过程的监测效果越好。
2 拖曳式水平源与井中垂直源的对比
海洋 CSEM 探测中多使用拖曳式水平发射源和固定式接收站阵列的设置, 这种方法往往需要远大于探测目标深度的收发距[19], 并且其不断移动的发射源不利于储层监测任务中对源和接收位置准确性的高要求。另外, 在浅水区域, 拖曳式水平源还需要考虑空气波对海底电场水平分量的影响。为实现对天然气水合物开采的长期监测, 并降低监测系统的布设和维护成本, 选择固定放置在监测井(直井)中的垂直发射源, 接收装置仍然放置在海底。本文对固定式垂直源与传统拖曳式水平源进行对比, 从而确定固定式垂直源能否满足需求。
在海上勘测作业时, 拖曳式水平源相对于海底的高度一般为 10~50 m[26], 本文模型中假设其位于海底上方 50 m。对于垂直源, 根据我国南海神狐海域的储层埋深情况, 设置其在模型中位于海底之下250 m (位于储层之下)。图 4(a)中针对图 1 中有天然气水合物储层的模型 2, 比较拖曳式水平源与井中垂直源的海底电场幅度, 可见随收发距增大, 海底电场水平分量 Ex 和垂直分量 Ez 整体上发生衰减,但水平源和垂直源的 Ex 均高于 Ez。图 4(b)中比较模型 2 与无天然气水合物背景的模型 1 的归一化振幅比 A1, 可见随收发距增大, 水平源和垂直源 Ex 和 Ez的 A1 都增大, 但变化态势差异明显。
当收发距较小时, 水平源 Ex 和 Ez 的电场幅度均大于垂直源(图 4(a)), 但是其 A1 等于 1 (图 4(b))。当收发距小于 350 m 时, 水平源 Ex 的 A1 等于 1; 当收发距小于 100 m 时, 水平源 Ez 的 A1 等于 1 (图4(b))。这是因为, 对于水平源, 小收发距时通过海水传输的直达波信号较强。然而, 包含海底地层信息的折射波和反射波信号较弱, 因此无法对高阻储层异常进行有效的识别[27]。对于位于储层之下的垂直源, 海底 Ex 的 A1 随收发距增大而增大, 海底 Ez的 A1 随收发距增大而先增大后减少, 再逐渐增大(图4(b))。由于垂直源位于天然气水合物储层之下,电磁波必须穿过天然气水合物储层才能向上传输到海底, 而高阻储层会向下反射电磁波能量, 导致在小收发距范围内 A1 小于 1。因此, 根据 A1 曲线可以识别高阻储层导致的异常(相对于背景)(图4(b))。
当收发距较大时, 垂直源 Ex 和 Ez 的电场幅度均大于水平源(图4(a))。这是由于电磁波通过岩层(电阻率较大)传播比通过海水(电阻率较小)传播衰减得慢。同时, 电磁波在高阻储层中的快速传播还会导致垂直源 Ex 和 Ez 的 A1 在大收发距时大于 1, 但此时垂直源 Ex 和 Ez 的 A1 均低于水平源, 说明垂直源对异常的识别能力在大收发距时没有得到提高(图4(b))。总的来看, 相比于拖曳式水平源, 井中垂直源在小收发距时对高阻异常的识别能力更强, 在大收发距(>1000 m)时虽然能够探测到高阻储层引起的异常, 并具有更高的电场接收强度, 但对异常的识别能力没有得到提高。
图4 拖曳式水平源和井中垂直源的海底电场响应对比
Fig.4 Comparison of seafloor electric field responses for towed-horizontal source and downhole vertical source
3 垂直源监测系统参数对海底电场响应的影响
3.1 金属套管对海底电场响应的影响
电磁信号通过高导电的金属材料时会发生趋肤效应, 衰减严重[28]。为了研究监测井中存在金属套管时对垂直源海底电场响应的影响, 在图1 模型的基础上, 考虑将半径为 0.11 m, 厚度为 0.01 m 的不锈钢套管从模型中心的海底向下深入海底沉积物300 m。不锈钢的电阻率为 2×10-7 Ωm (电导率为 5×106 S/m), 相对磁导率为 1, 套管内部压井泥浆的电阻率为 1 Ωm。当电磁信号衰减到原来的 1/e 时, 定义其传播距离为趋肤深度 δ, 计算公式[23]为
当 f = 1 Hz, μ = 4π×10-7 H/m, σ = 5×106 S/m 时, 计算得到 δ = 0.225 m, 远远大于套管的厚度 0.01 m, 意味着 1 Hz 的低频电磁波通过存在套管的模型后衰减较弱。在相同条件下, 如果要使 δ<0.01 m, 则 f >506 Hz, 而海洋 CSEM 发射的电流频率范围通常为0.01~50 Hz。
虽然原则上金属套管不会完全屏蔽其内部的低频垂直源, 但从储层直通海底的金属套管的存在一定会造成海底电场响应的改变。为此, 我们在图5中对比模型 2 有套管(长度范围为海底之下 0~300 m)与无套管的海底电场幅度, 以及它们相对于模型1 (背景)的归一化振幅比 A1。从图5(a)中海底电场幅度曲线可知, 随收发距增大, 无套管模型的 Ez 以及有套管模型的 Ex 和 Ez 整体上呈现逐渐减小的趋势, 其中 Ez 曲线存在一个低值拐点; 无套管模型的Ex 呈现随收发距增大而增大后减小的趋势。当收发距较大时, 金属套管表现出正常的对低频电磁信号一定程度的屏蔽作用, 导致有套管模型的海底 Ex 和Ez 均比无套管模型低。然而, 当收发距较小时, 有套管模型的海底 Ex 和 Ez 均高于无套管模型。这是由于井中发射的电流会沿着金属套管向上直接传输到海底, 即包围井中垂直源的金属套管充当了发射天线, 导致海底接收的电场信号较强。图5(b)也显示有金属套管时海底 Ex 和 Ez 的 A1 显著大于无套管时, 且 A1 的值恒大于 1, 这正是因为 300 m 长的金属套管起到长线源的作用。
图5 金属套管对垂直源CSEM海底电场响应的影响
Fig.5 Effects of metal casing on seafloor electric field responses of CSEM with vertical source
为了更好地对比有套管模型和无套管模型的电场响应差异, 绘制 Ex 和 Ez 信号的 XZ 截面图(图6)。对比无套管模型(图6(b)和(d))与有套管模型(图6(a)和(c)), 可以观察到海底之下沿 z 轴方向长度为 300 m 的红线直通海底, 使得小收发距时海底接收到的电场信号增强, 指示高导电性金属套管的存在, 可以等效为直通海底的长线源。另外, 在距离发射源较远的区域, 有套管模型中的电场信号明显较低,指示套管对电场信号的屏蔽作用; Ez 截面图(图6(c))中红线区域明显比 Ex 截面图(图6(a))中细, 意味着 Ez 信号受金属套管的影响比 Ex 信号大。一方面,金属套管通过对内部电流的导引, 将无套管时的点源发射改造为从点源到海底的长线源发射, 导致图5(a)和图6 中有套管模型的电场幅度在海底小收发距时大于无套管模型; 另一方面, 金属套管对电场信号有一定的屏蔽作用, 使大收发距时的电场信号变弱。此外, 当发射源位于天然气水合物储层之下(z = -250 m)时, 虽然能够观察到海底界面(z = 0 m)Ex信号相对于周围空间的高值(图6(a)和(b)), 但其识别度远低于对应的 Ez 信号。后者在海底明显不连续, 且在高阻天然气水合物薄层表现为明显的高值(图6(c)和(d)), 说明 Ez 信号能更加有效地指示垂直方向上介质的电性分层。
图6 金属套管对垂直源电场响应的影响(模型2的XZ截面)
Fig.6 Effects of metal casing on electric field responses (the XZ-section of model 2)
3.2 垂直源布设深度和发射频率对海底电场响应的影响
本文统一设置用于正演模拟的井中垂直源布设深度(h)为海底之下 250 m, 即在天然气水合物储层底部之下 10 m。为了说明该参数的合理性并探讨垂直源相对于储层的上下位置对海底电场响应的影响, 选择 h = 100 m (天然气水合物储层顶部上方 100 m)、220 m (天然气水合物储层中部)和 290 m (天然气水合物储层底部之下 50 m), 分别在无套管和有套管情况下, 正演计算模型 1 和 2 的海底电场响应,结果如图7 所示。
从图7(a)和(b)可见, 对于无套管模型, 垂直源的深度越小, 小收发距时接收到的 Ex 和 Ez 越强; 在大收发距时, 垂直源布设在储层中部(h = 220 m)的Ex 和 Ez 信号是最强的, 其归一化振幅比(A1)也最大。这种强电场信号的模拟结果与 Harinarayana 等[29]的计算结果一致。不同的是, 对于有套管模型(图7(c)和(d)), 垂直源位于储层中部时, 高电场强度优势和高异常识别优势明显变弱, 这是金属套管对分散电流起导引作用的结果。另外, 垂直源深度为220 或 290 m 时, 海底接收到的 Ex 和 Ez 的 A1 在大收发距时几乎相同, 并且比布设在储层上方(h = 100 m)时大。但是, 在小收发距情况下, 垂直源深度为290 m 时 海 底 接 收 到 的 Ex 和 Ez 的 A1 值 比 垂 直 源 深度为 220 m 时大。因此, 与无套管模型相比, 金属套管的存在虽然使垂直源布设深度变化的影响减弱, 但考虑到小收发距是监测重点这一因素, 仍然应该考虑将垂直源放置在储层下方。
图7 垂直源布设深度对海底电场响应的影响
Fig.7 Effects of vertical source depth on electric field responses at seafloor
海洋 CSEM 方法通常将发射电流调制成频率为0.01~50 Hz 的方波[26]。裴建新等[30]发现, 在拖曳式海洋 CSEM 探测中, 较大的归一化振幅比值集中在高频和大收发距部分, 且发射频率越高, A1值越大;但是, 当频率和收发距增大到一定程度时, 电场强度将小于仪器本底噪声(约为 10-16 V/Am2), 不再具有实用性。针对本文有金属套管时的垂直源模型,我们在 1 Hz 发射频率的基础上增加 10 和 20 Hz 两个高频场景进行比较。当发射频率 f 为 1, 10 和 20 Hz时, 由式(10)计算得到趋肤深度 δ 分别为 0.225,0.071 和 0.050 m, 均大于套管壁的厚度 0.01 m, 但数量级没有差别, 金属套管仍有屏蔽作用。模型计算得到的海底电场响应结果如图8 所示, 可见无论有无套管, 提高电流发射频率均导致 Ex 和 Ez 随收发距增大而衰减得更快, 但归一化振幅比值变大。因此, 在有效的收发距范围内选择合适的高频, 可以提高对高阻天然气水合物储层探测的灵敏度。特别地, 在小收发距时, 频率变化对无套管模型的 Ex 以及有套管模型的 Ex 和 Ez 的影响不大(曲线重叠), 而无套管模型的 Ez 变化比较明显(曲线散开), 频率越高, 接收到的 Ez 越小(图8(a)和(c))。综合来看, 有金属套管时, 本文模型设置的 1 Hz 发射频率是合理的, 既能保证海底有足够高的电场强度, 又能保持对高阻天然气水合物储层的识别能力(A1>1)。
图8 垂直源发射频率对海底电场响应的影响
Fig.8 Effects of vertical source frequency on electric field responses at seafloor
3.3 海底接收器观测误差和噪声的影响
海洋 CSEM 的噪声类型主要包括水-空气界面折射的空气波、海水运动产生的扰动噪声、观测系统误差、仪器本身的噪声以及随机干扰[31]。如果这些误差的累积效应大于高阻储层对背景的扰动,海洋 CSEM 方法就会失去对高阻储层的探测能力。
本文模型的海水深度大于 1000 m, 空气波几乎被海水吸收, 并且发射源位于海底监测井中, 因此可以忽略空气波的影响。当使用 1 Hz 的发射频率时, 海底电场强度在模型最大收发距(2 km)时仍然大于仪器本底噪声(约为 10-16 V/Am2)约 4个数量级,信噪比足够高。在监测过程中, 垂直源发射器固定在监测井中, 发射器旋转和倾斜的干扰几乎可以忽略, 也没有拖曳式水平源的海水运动干扰。接收器放置在海底, 受到海水扰动的影响较小。但是, 由于海底地形起伏、海流和布设施工精度等因素的影响, 接收器可能在海底发生旋转(相对于模型 x 轴)和倾斜(相对于模型 z 轴)。综合考虑接收器观测误差和噪声对海底电场响应的影响, 为了评估本文模型获得的电场异常结果在真实 CSEM 环境下的有效性, 参考裴建新等[30]提出的有效异常计算方法, 定义有效异常A3为
式中, E1 表示作为基准的背景电场, E2 表示比较电场, Enoise 为电场噪声; Erel 为振幅的相对误差(例如随机干扰), 最大值设为振幅值的 5%; Erot 为观测角度引起的误差, 设旋转和倾斜的最大误差角度 ϕ 均为 5°; Eabs 为振幅的绝对误差(仪器本底噪声), 等于海底接收器能够接收到的电场有效数据的最小值,常假设为 10-16 V/m。对天然气水合物探测而言, 有效异常 A3 是由高阻储层导致的异常场相对于噪声水平的倍数, 其值越大, 意味着受噪声的干扰越弱。当 A3 < 1 时, 天然气水合物储层导致的异常可能被噪声淹没, 难以确定其是否存在。
为了考察在考虑接收器观测误差和噪声条件下, 垂直源探测天然气水合物储层的有效性, 令 E2为模型 2 的模拟结果, E1 为模型 1 的模拟结果(背景), 得到有效异常 A3 的分布(图9)。可见有套管时,海底 Ex 和 Ez 的 A3 均比无套管时高, 意味着套管的存在使海底天然气水合物储层更容易被探测到。海底 Ex 的 A3 (图9 中红色实线)在有套管时恒大于 1,且随收发距的增大而逐渐增大; 无套管时 A3 (图9中红色虚线)从 0 开始增大, 在收发距约 250 m 处达到峰值, 然后下降, 在收发距约 600 m 处到达 0 值之后又缓慢增加。由于发射源位于天然气水合物储层之下, 图9 中红色虚线相对复杂的变化反映了高阻层对电磁波反射和导引等综合作用的结果, 并指示存在天然气水合物探测的低识别区域(A3 < 1); 图9 中红色实线相对简单的形态则是金属套管帮助电流穿过高阻层的结果。需要指出的是, 根据归一化振幅比 A1 (式(8))和有效异常 A3 (式(11))的定义, 图9 中 A3 值为 0 时对应的收发距与图5 中 A1 值为 1 时相等。
图9 垂直源条件下探测天然气水合物储层的有效异常比A3
Fig.9 Effective anomaly ratio A3 for assessing the detection ability of hydrate reservoir under vertical source condition
无论有无套管, 海底 Ez 的 A3 在小收发距时均呈现先减小后增大的趋势, 并在收发距约为 270 m时达到 0 值。但是, 在收发距小于约 100 m 时, 无套管模型海底 Ez 的 A3 (图9 中蓝色虚线)不但显著优于有套管时(图9 中蓝色实线), 还明显比有套管时Ex 的 A3 (红色实线)大。当收发距大于约 450 m 后,无套管时海底 Ez 的 A3 (图9 中蓝色虚线)大部分在 1附近或之下, 而有套管时 Ez 的 A3 (图9 中蓝色实线)从 1 开始逐渐增大, 且变化趋势跟有套管时 Ex 的 A3(图9 中红色实线)相似, 虽然前者显著小于后者,但两者大体上平行。
因此, 海底电场信号在有套管时受接收器观测误差和噪声的影响比无套管时小很多, 探测天然气水合物高阻层的可信度更高。在无套管时进行高阻层研判, 受观测误差和噪声的影响, 小收发距情况下应更多地依赖 Ez信号, 大收发距情况下则 Ex信号更可信。
4 垂直源监测储层动态开采的电场响应特征
与海水中拖曳式水平源相比, 井中垂直源对电阻率的横向变化更敏感[19], 适合监测天然气水合物开采。在模拟天然气水合物开采的模型 2 中, 设定天然气水合物储层沿 x 轴方向的开采长度与沿 y 轴方向相等, 即横向开采范围是边长为 L, 中心为 x =y = 0 的正方形。分别考虑小范围(L = 100, 200 和300 m)和大范围(L = 1000, 2000 和 3000 m)开采的情况, 在有金属套管的条件下计算得到相应的海底 Ex和Ez 的相对异常A2(图10(a)和(b))。总的来看, 不同开采范围情况下, Ex 的 A2 随收发距增大均呈现先增大, 后略微下降, 然后保持不变的相对简单的变化趋势, 且开采范围越大, 峰值对应的收发距越接近L/2 (图10(a))。不同开采范围情况下, Ez 的各条 A2曲线随收发距增大都呈现先增大, 再大幅度减小,然后又增大的趋势, 它们的第一个峰值均出现在收发距约为 175 m 时, 随后的谷值均出现在收发距约为 260 m 时。需要指出的是, 大范围开采时谷值为0 (图10(b)中蓝色、青色和绿色曲线), 这与天然气水合物开发后储层电阻率回归到背景沉积物值相符。此后, 图10(b)中蓝色曲线(L = 1000 m)和青色曲线(L = 2000 m)在收发距达到约 L/2 时与绿色曲线(L = 3000 m)分离。当收发距足够大时, 图10(a)和(b)中所有曲线都不再变化, 此时 Ex 和 Ez 的 A2 都随着开采范围增加而变大。
图10 天然气水合物开采(完全分解)范围对垂直源海底电场响应的影响
Fig.10 Effects of NGH production (complete dissociation) range on seafloor electric field responses of vertical source
图11 是 L 分别为 300, 1000 和 2000 m 时海底电场 A2 的二维平面图。图11(b)和(c)中, 收发距小于开采范围时, 海底 Ex 的 A2 随收发距增大而增大,在天然气水合物开采的横向边界附近出现峰值环带, 并从圆环型向正方形过渡; 在收发距大于开采范围后, Ex 的 A2 先略微降低, 然后趋于稳定。图11(a)中小范围(L = 300 m, 与第二次试采生产井水平段长度相当)开采的规律与图11(b)和(c)相似, 但是其峰值环带指示的收发距略大于天然气水合物开采的横向边界。海底 Ez 的 A2 在收发距大于 260 m 后逐渐增大, 并在收发距略大于开采边界处达到峰值,然后保持不变, 因此也可近似地指示天然气水合物开采的横向边界(图11(e)和(f))。从图11(d)中 Ez 的A2 平面图能够识别开采导致的电场信号变化, 虽然比图11(e)和(f)指示开采区域横向边界的效果差,但已经显著地约束了开采区域。总的来看, 使用垂直源并存在金属套管时, Ez 的 A2 在小收发距时对开采范围的变化更敏感(曲线变化比 Ex 的 A2 快), 与Ez 相比, Ex 能更准确地识别天然气水合物大范围开采时的横向边界, Ex 的 A2 峰值指示了天然气水合物的开采边界, 并且开采范围越大, 指示精度越高。
图11 天然气水合物开采(完全分解)范围对垂直源海底电场响应影响的二维平面图
Fig.11 2D plane views of effect of NGH production (complete dissociation) range on seafloor electric field responses of vertical source
使用 CSEM 监测天然气水合物实际开发的储层变化时, 需要考虑可能的观察误差和噪声。因此,令式(11)中 E2 为模型 3 (天然气水合物开采后)的模拟结果, E1 为模型 2 (天然气水合物开采前)的模拟结果, 计算得到不同开采范围的 A3 曲线(图10(c)和(d))。与图10(a)和(b))中海底 Ex 和 Ez 的 A2 大致相当的情况不同, 图10(c)和(d)中海底 Ex 的 A3 在不同开采范围情况下均比 Ez 的 A3 大, 说明 Ex 分量对高阻层的响应更容易与背景误差和噪声相区别。另外, 海底 Ex 的 A3 在不同开采范围的差值也比 Ez 的 A3大, 说明 Ex 的异常场更容易对不同的开采范围进行区分。
前面主要讨论天然气水合物完全分解的情况(储层电阻率恢复到围岩的背景值), 但实际开采过程中天然气水合物可能没有完全分解, 因此需要分析垂直源监测系统对未完全分解天然气水合物储层的监测效果。天然气水合物完全分解时, 模型 3 (图1(c))中开采后岩层的电阻率从开采前的 4 Ωm 降为围岩的 1 Ωm。对于未完全分解的天然气水合物储层, 假设开采后岩层的电阻率为分别为 3 Ωm 和 2 Ωm, 此时海底电场 A2 的二维平面图如图12 所示。总的来看, 在 L 分别为 300, 1000 和 2000 m 时, 天然气水合物分解越完全(开采后岩层的电阻率越小),海底接收到的 A2 信号越强。相比于天然气水合物完全分解的情况, 天然气水合物未完全分解时接收到的 A2 信号的强度变弱, 但 A2 信号的变化规律保持不变(图11 和 12)。
图12 天然气水合物开采(部分分解)范围对垂直源海底电场响应影响的二维平面图
Fig.12 2D plane views of effect of NGH production (partial dissociation) range on electric field responses of vertical source
(a)和(b)开采后岩层的电阻率为3 Ωm; (c)和(d)开采后岩层的电阻率为2 Ωm。海底XY截面
5 结论
本文采用有限元软件 COMSOL, 对井中可控源电磁方法监测海域天然气水合物开采的可行性进行3D 模拟分析, 得到以下结论。
1) 放置在海底的 CSEM 接收器可以有效地探测天然气水合物储层引起的电场异常。使用固定的井中垂直源进行监测, 一方面可以降低海上勘测作业的成本, 另一方面可以克服拖曳式水平源在小收发距时对高阻异常识别能力弱的缺陷。
2) 对影响垂直源系统性能的监测参数分析结果表明, 金属套管、垂直源深度和发射频率的影响较大, 观测误差和噪声对有套管监测系统的性能影响不大。高导电的金属套管既对发射源有一定程序的屏蔽作用, 导致海底在大收发距时接收到的电场信号减弱, 又可以等效为直通海底的长线源, 使得小收发距时海底接收到的电场信号增强, 比无套管时更容易识别海底的高阻异常。虽然垂直源布设深度的变化对有套管模型的影响比无套管模型小, 但仍然需要将其放置在储层底部之下, 以便获得较好的小收发距监测效果。当有金属套管存在时, 提高发射源的电流频率不能显著地增强小收发距时天然气水合物储层的识别效果, 因此可以设置较低的频率(如 1 Hz)来减少电磁波衰减, 保证有效的收发距范围。
3) 当使用垂直源并存在金属套管时, 海底 Ex的相对异常 A2 峰值能够监测天然气水合物开采范围, 开采范围越大, 其指示的准确性越好。海底 Ez的优势则主要是在小收发距时其相对异常 A2 变化迅速, 从而对小范围的天然气水合物开采更敏感,适用于开采初期天然气水合物分解范围的评估。
综上所述, 采用井中 CSEM 监测系统对海域天然气水合物开发进行储层动态监测是可行的。
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