专利名称：用于使用电磁测量来确定电阻率各向异性的方法
技术领域：
本发明总体上涉及地球地下地层(formation)的电磁勘探领域。更特别地，本发 明涉及用于使用电磁测量来确定地下地层中的电阻率各向异性的方法。
背景技术：
除了别的用途之外，电磁勘探还用于确定地球地下含烃结构的存在。通常通过确 定地下高电阻率的存在来推断含烃结构的存在，因为高电阻率与孔隙中置有烃的地下地层 相关联。电磁勘探包括所谓的“可控源”勘探技术。可控源电磁勘探技术包括当这种勘探 在陆地上进行时，将电流或磁场传递(impart)到地球中，或者当这种勘探在海洋环境中进 行时，将所述电流或磁场传递到水底部(海底)下面的沉积物中。该技术包括测量置于地 球表面处、海底上或者在水中选择的深度处的电极、天线和/或磁强计中感应的电压和/或 磁场。通过由(经过海洋勘探中的水底部)传递到地球地下的电流和/或磁场产生的电磁 场与地下地球地层的相互作用来感应电压和/或磁场。本领域已知的海洋控制源电磁勘探包括通过将来自通常置于勘探船上的源的电 流施加于由该勘探船牵引的偶极电极来将交流电传递到水底部下面的沉积物中。偶极电极 通常是在其上具有处于所选择的间隔(有时为300米到1000米或更多)的两个电极的绝缘 电力电缆。交流电具有一个或多个所选择的频率，通常在大约0.1到IOOHz的范围内。多 个探测器电极被置于水底部的间隔位置处，并且探测器电极连接到记录在各对这样的电极 两端感应的电压的设备。这种勘探被称为频域可控源电磁勘探。本领域已知的另一种地下地球地层电磁勘探的可控源技术是瞬变可控源电磁勘 探。在瞬变可控源电磁勘探中，当这种勘探在陆地上进行时，将电流或磁场传递到地球中， 或者当这种勘探在海洋环境中进行时，使用与上面解释的用于频域勘探的那些相类似的 电缆上的电极来将所述电流或磁场传递到水底部(海底)下面的沉积物中。电流可以是 直流电(DC)。通常相对于所选时间间隔期间的时间，使用置于如先前关于频域勘探所解 释的水底部上或陆地上或水柱中的电极，在一个或多个所选时间处，切换电流并且测量感 应电压。通过感应电压的时间和空间分布来推断地球地下的结构和组成。例如在标题为 Optimization of MTEM parameters 的国际专利申请公开 No. W02007/104949 Al 中描述了 t-CSEM勘探技术。根据感应电压的时间分布确定的特定参数之一是地下地层的电阻率。通过进行适 当空间分布的电磁响应测量，有可能生成地球地下中电阻率的空间分布的三维图像。本领域已知的用于使用电磁勘探测量来确定电阻率的空间分布的技术通常假设 电阻率是各向同性的，也就是说不管用于进行测量的电流流动方向如何在任何特定地下 岩层中的电阻率是相同的。然而，本领域已知一些岩层的电阻率是各向异性的。在从微观 (例如颗粒大小孔水连通性变化)到宏观(例如层压砂泥岩序列)的各种尺度中的一些岩 层中存在电阻率各向异性。例如参见授予Zhang等人的美国专利No. 6，643，589以及授予Tabarovsky等人的美国专利No. 7，269，515。前面这两个专利描述了用于从钻通地下岩层 的井眼(wellbore)内确定电阻率和电阻率各向异性的技术。然而，这种技术不适用于与对 上面所感兴趣的岩层进行的电磁勘探一起使用。存在对计及电阻率各向异性的电磁勘探技 术的需要。
发明内容
根据本发明的一个方面的用于确定地下岩层的电阻率各向异性的方法包括将瞬 变电磁场传递到地下岩层中。在离传递位置的多个偏移处测量地层的电磁响应。对于每个 偏移，确定自传递开始的脉冲响应峰值的到达时间，以使得该响应与地下水平和垂直电阻 率有关。对于每个偏移，确定自传递开始的某一时间处的地层阶跃响应，选择所述时间以使 得该阶跃响应基本上仅与平均(mean)电阻率有关。脉冲响应峰值的到达时间以及阶跃响 应的后期(late)时间值被用来确定电阻率各向异性。根据下面的描述和权利要求，本发明的其它方面和优点将显而易见。
图1示出与本发明一起使用的用于采集电磁测量的示例系统。图2示出具有所选择的各向异性系数的地下岩层的电阻率的三层模型。图3示出关于图2所示模型地层的偏移的视各向异性系数的图。图4示出地下地层对瞬变电磁场的示例后期时间“阶跃响应”。图5示出对瞬变电磁场的示例地层脉冲响应。图6示出可编程计算机和计算机可读介质。
具体实施例方式图1示出根据本发明的可以采集用于处理的瞬变可控源电磁勘探信号的示例海 洋电磁勘探系统。勘探系统可以包括沿着水体12 (例如湖或大海)的表面12A移动的勘探 船10。该船10可以包括在其上的用于传递电流的装备，为了方便将它们称为“记录系统” 并且通常以14示出，或用于生成要被传递到水12底部下面的地层24的电磁场并且用于记 录响应于所传递的电磁场而进行的测量的发射机。该记录系统14可以包括确定船10的大 地位置的导航设备(为了清楚说明一个也没有单独示出)。该船10还可以包括用于确定 一个或多个电磁发射机和接收机(将在下面描述)、将电流传递到(一个或多个)发射机的 设备的大地位置和/或航向的装备；以及用于记录由所述一个或多个电磁接收机探测的信 号的数据存储装备。本示例中的电磁发射机可以是偶极电极，其被示为沿着船10牵引的电力电缆16 布置的16A、16B处的一对电极。在所选择的时间，记录系统14可以使电流流过电极16A、 16B。电流优选地被配置成在水底部12B下面的地层24中感应出瞬变电磁场。这种电流的 示例包括切换的直流电，其中电流可以被接通、断开、反转极性、或以诸如伪随机二进制序 列(“PRBS”)或其它编码序列之类的切换事件的扩展集合切换。在本示例中，船10可以牵引一个或多个接收机电缆18，在所述接收机电缆18上 具有在沿着电缆以间隔位置布置的多个电磁接收机，例如偶极电极18A、18B。该偶极电极18A、18B将具有传过它们的电压，所述电压与响应于所传递的电磁场而从地层24发出的电 磁场的电场分量的振幅有关。如上面所解释的那样，船10上的记录系统14可以包括用于 记录由电极18A、18B生成的信号的设备。通常相对于参考时间(例如发射机电流中的电流 切换事件)来为每个接收机响应的记录编索引。诸如磁场传感器(例如磁强计)或测流计 之类的传感器17可以如所示出的那样靠近发射机布置，并且可以用于测量与流过发射机 的电流量有关的参数。在本示例中，作为对船10牵引的接收机电缆18的代替或者除了船10牵引的接收 机电缆18之外，水底部接收机电缆20可以沿着水12底部布置，并且可以包括多个接收机， 例如与牵引电缆上的偶极电极18A、18B类似配置的偶极电极20A、20B。该电极20A、20B可 以与水表面12A附近或水底部上的可以记录电极20A、20B探测到的信号的记录浮标22或 类似设备进行信号通信。本领域技术人员将会认识到本发明在范围上不限于图1所示的发射机和接收机 设备。作为对图1所示的偶极电极的代替或者除了图1所示的偶极电极之外，其它示例可 以使用线卷或线环以供发射机将时变磁场传递到地层24中。接收机电缆18、20可以包括 其它感测设备，例如磁强计、线环或线卷，以探测从地层24感应的电磁场的磁场分量。不管 在任何实施方式中所使用的接收机类型，电磁接收机通常生成对应于测量的电磁场参数的 量值或其时间导数的电信号或光信号。为了解释本发明，在信号记录期间通�？梢匝刈庞敕⑸浠墓孟�(line)来布 置电磁接收机。可以在如上面所解释的那样将发射机沿着公用线的选择位置处布置且致动 的情况下进行对来自相应接收机中的每一个的信号的记录。所记录的对应于每个电磁接收 机的信号将与被称为“偏移”的即位于信号记录时接收机大地位置和发射机的大地位置之 间的大地中点的距离相关联。因此，可以使用诸如图1所示的系统来采集对应于多个偏移 的信号。下面将进一步解释与本发明相关的多个偏移记录的目的。如在本文的背景部分中所解释的那样，一些地层可以是电各向异性的，并且结 果具有各向异性的电阻率。为了本发明，电阻率各向异性将被限制成垂直横向各向同性 ("VTI")地层的情况，也就是说具有不同于“水平”电阻率(使用在平行于地层的层面的 方向上的电流流动而测量的电阻率)的“垂直”电阻率(例如使用在垂直于地层的层面的 方向上的电流流动而测量的电阻率，其中为了解释目的可以认为所述地层的层平面是水平 的)的地层。认为VTI地层具有相同的水平电阻率，而不管沿着其进行测量的方位角方向 如何。这样的地层也称为具有垂直对称轴。已知这样的电阻率各向异性对地球的电磁响应 具有大的影响。特别地，各向异性影响地球脉冲响应以及其阶跃响应。在瞬变可控源电磁 勘探方法中确定前述响应。如果所感兴趣的地下区域是电性各向异性的，并且如果电磁勘 探数据被看成各向同性的，则用来推断电阻率的空间分布的反演过程将如上面所解释的那 样产生不正确的结果。本领域技术人员将会认识到，可以在将单个瞬变电磁场传递到地层中之后由直接 测量确定地球脉冲响应，或者如果使用了编码序列(例如PRBS)则可以通过对发射机电流 波形与电磁接收机测量进行反卷积(deconvolution)来确定地球脉冲响应，并且可以通过 对由此确定的地球脉冲响应的积分来确定地球阶跃响应。在本发明中，地球阶跃响应的后期时间值和地球脉冲响应峰值的到达时间用于定义视各向异性。为了与视电阻率的定义一致，可以将视各向异性定义为使用定义统一半空 间的各向异性的等式为普通半空间所计算的各向异性。然后，视各向异性被用来通过反演 过程确定地下地层的电阻率各向异性。根据本发明的方法的解释如下。对于其中所有水平 方向上的水平电阻率Ph都相同并且垂直电阻率P 7可能与水平电阻率不同(所谓的VTI 或垂直横向各向同性的情况)的电各向异性层或半空间，可以通过下式来定义各向异性系 数
权利要求
一种用于确定地下岩层的电阻率各向异性的方法，包括将瞬变电磁场传递到地下岩层中；在离传递位置的多个偏移处测量地层的电磁响应；对于每个偏移，确定自传递开始的脉冲响应峰值的到达时间，以使得该响应与地下水平和垂直电阻率有关；对于每个偏移，确定自传递开始的某一时间处的地层阶跃响应，选择所述时间以使得该阶跃响应基本上仅与平均电阻率有关；以及使用脉冲响应峰值的到达时间以及阶跃响应的后期时间值来确定电阻率各向异性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递包括使电流流过发射机，所述电流包括 接通电流、断开电流、反转电流的极性、以及以编码序列切换电流中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定阶跃响应包括确定脉冲响应和对所述脉冲响 应进行积分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定脉冲响应包括对所测量的电磁响应和用于传 递电磁场的电流波形进行反卷积。
5.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述电磁响应包括测量在电极对上传递的电压。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括(a)使用所确定的电阻率各向异性生成地下地层的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相对于深度的经验关系的至少一个层的水平电阻率值和垂直电阻率值；(b)对于多个偏移，计算模型的阶跃响应和脉冲响应；(c)根据所计算的阶跃响应和所计算的脉冲响应来为每个偏移估计该阶跃响应的后期 时间值和该脉冲响应峰值的到达时间，并且使用根据所计算的阶跃响应估计的后期时间值 和根据所计算的脉冲响应估计的脉冲响应峰值的到达时间来确定所计算的视各向异性；(d)将根据所测量的电磁响应确定的视各向异性与所计算的视各向异性相比较；以及(e)调节所述初始模型并且重复(b)、(c)和(d)直到所确定的视各向异性和所计算的 视各向异性之间的差异达到最小值或下降到低于所选择的阈值为止。
7.一种用于使用响应于将瞬变电磁场传递到地下地层中而进行的电磁测量来确定地 下地层中的电阻率各向异性的方法，在离传递电磁场的位置的多个偏移处进行测量，该方 法包括根据自传递开始的某一时间处的电磁测量来确定地层的阶跃响应，选择所述时间以使 得该阶跃响应基本上仅与地层的平均电阻率有关；根据电磁测量确定自传递开始的脉冲响应峰值的到达时间，以使得该到达时间与地层 的水平和垂直电阻率有关；以及使用阶跃响应和脉冲响应峰值的到达时间来确定电阻率各向异性。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括(a)使用所确定的电阻率各向异性生成地下地层的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相对于深度的经验关系的至少一个层的水平电阻率值和垂直电阻率值；(b)对于多个偏移，计算模型的阶跃响应和脉冲响应；(c)根据所计算的阶跃响应和所计算的脉冲响应来为每个偏移估计该阶跃响应的后期时间值和该脉冲响应峰值的到达时间，并且使用根据所计算的阶跃响应估计的后期时间值 和根据所计算的脉冲响应估计的脉冲响应峰值的到达时间来确定所计算的视各向异性；(d)将根据电磁测量确定的电阻率各向异性与所计算的视各向异性相比较；以及(e)调节所述初始模型并且重复(b)、(c)和(d)直到所确定的电阻率各向异性和所计 算的视各向异性之间的差异达到最小值或下降到低于所选择的阈值为止。
9.根据权利要求7所述的方法，其中通过使电流流过发射机来传递电磁�。龅缌� 包括接通电流、断开电流、反转电流的极性、以及以编码序列切换电流中的至少一个。
10.根据权利要求7所述的方法，其中确定阶跃响应包括确定脉冲响应和对所述脉冲 响应进行积分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定脉冲响应包括对所测量的电磁响应和用于 传递电磁场的电流波形进行反卷积。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所测量的电磁响应包括在电极对上传递的电压 的测量。
13.一种存储在计算机可读介质中的计算机程序，所述程序具有在操作中使得可编程 计算机执行包括下述各项步骤的逻辑读取响应于将瞬变电磁场传递到地下地层中而进行的电磁测量作为输入，所述测量在 离传递电磁场的位置的多个偏移处进行；根据自传递开始的某一时间处的输入电磁测量来确定地层阶跃响应，选择所述时间以 使得该阶跃响应基本上仅与地层的平均电阻率有关；根据电磁测量确定自传递开始的脉冲响应峰值的到达时间，以使得该到达时间与地层 的水平和垂直电阻率有关；以及使用阶跃响应以及脉冲响应峰值的到达时间来确定电阻率各向异性。
14.根据权利要求13所述的计算机程序，还包括在操作中使得计算机执行下述内容的 逻辑(a)使用所确定的电阻率各向异性生成地下地层的初始模型，所述初始模型包括使用 偏移相对于深度的经验关系的至少一个层的水平电阻率值和垂直电阻率值；(b)对于多个偏移，计算模型的阶跃响应和脉冲响应；(c)根据所计算的阶跃响应和所计算的脉冲响应来为每个偏移估计该阶跃响应的后期 时间值和该脉冲响应峰值的到达时间，并且使用根据所计算的阶跃响应估计的后期时间值 和根据所计算的脉冲响应估计的脉冲响应峰值的到达时间来确定所计算的视各向异性；(d)将根据电磁测量确定的电阻率各向异性与所计算的视各向异性相比较；以及(e)调节所述初始模型并且重复(b)、(c)和(d)直到所确定的电阻率各向异性和所计 算的视各向异性之间的差异达到最小值或下降到低于所选择的阈值为止。
15.根据权利要求13所述的计算机程序，其中通过使电流流过发射机来传递电磁�。� 所述电流包括接通电流、断开电流、反转电流的极性、以及以编码序列切换电流中的至少一 个。
16.根据权利要求15所述的计算机程序，其中确定阶跃响应包括确定脉冲响应和对所 述脉冲响应进行积分。
17.根据权利要求16所述的计算机程序，其中确定脉冲响应包括对所测量的电磁响应和用于传递电磁场的电流波形进行反卷积。
18.根据权利要求13所述的计算机程序，其中输入测量的电磁响应包括在电极对上传 递的电压的测量。
全文摘要
本发明涉及用于使用电磁测量来确定电阻率各向异性的方法。一种用于确定地下岩层的电阻率各向异性的方法，包括将瞬变电磁场传递到地下岩层中。在离传递位置的多个偏移处测量地层的电磁响应。对于每个偏移，确定自传递开始的脉冲响应峰值的到达时间，以使得该响应与地下水平和垂直电阻率有关。对于每个偏移，确定自传递开始的某一时间处的地层阶跃响应，选择所述时间以使得该阶跃响应基本上仅与平均电阻率有关。使用脉冲响应峰值的到达时间以及阶跃响应的后期时间值来确定电阻率各向异性。
文档编号G01V3/12GK101957457SQ201010231759
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者B·A·霍布斯, D·韦尔特米勒 申请人:Pgs地球物理公司
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