第 1 章  緒論

1.1 課題研究背景
電法勘探是應(yīng)用地球物理學(xué)的一個重要分支，其中井地電阻率法通過研究地下介質(zhì)電阻率的變化來進(jìn)行資源探測的方法，它將地面電法探測以及電測井法相結(jié)合，通過多個供電電極向地下供入電流來建立電場，地表進(jìn)行測線的布置，數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行處理，反映出地下異常體對地表影響的情況。近年來，有關(guān)于電法的儀器日趨完善，對于數(shù)據(jù)的處理能力也逐步提高，應(yīng)用井地電法來進(jìn)行勘探越來越廣泛。井地電法最早期的應(yīng)用是探查金屬礦，早期采用的是對礦井進(jìn)行充電，在地表測量電位梯度，后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)的處理來反映地下異常體的情況。 從19世紀(jì)開始，許多學(xué)者就對電阻率法展開了深入的研究。Alfred Williams，F(xiàn).H.Brown和 Led  Daft 發(fā)表了針對礦床的地電差異的專利[1]。James  Fisher 則對美國一個含有銅礦的電阻率進(jìn)行了測量，但對視電阻率并沒有提出明確的概念與解釋，隨后對于視電阻率的概念[2]是由 C.Schlumberger 以及 F.Wenner 提出的，并對視電阻率給出了明確的解釋。隨后M.Schlumberger 和 O.H.Gish、W.J.Rooney 等針對視電阻率的研究進(jìn)行了野外實(shí)驗，對視電阻率有了進(jìn)一步的認(rèn)識。Stefanesco 等針對水平層狀介質(zhì)的正演展開了深入的研究[3]。1991 年，水永秀樹使用了線狀電極供電[4]，尋找三維地電模型電性參數(shù)與地表視電阻率之間的聯(lián)系。之后水永秀樹又對傾斜井展開了實(shí)驗研究，編寫了三維的電阻率反演程序，對于異常體的位置以及形狀能夠給出比較明確的描述[8]。牛島惠輔等研究了流動電位法[5-7]，根據(jù)地表的電位分布情況來測量地下滲透流動的一種電法勘探的方法。通過對這項技術(shù)的研究，可以用金屬套管作為實(shí)驗的供電電極，在實(shí)驗的過程中觀測地表電位分布的情況，通過后期數(shù)據(jù)的處理能夠較為明確的指出壓裂裂隙的方向。相較于其他國家我國對于井地電法的研究比較晚，對于井地電法的掌握與應(yīng)用是在蘇聯(lián)專家的幫助下逐步成熟與完善起來。近年來，我國廣泛應(yīng)用井地電法，特別是在石油勘探等方向，在對油氣藏邊界的確定上有著廣泛的應(yīng)用前景。至今，井地電阻率法在地球物理探測等方向仍有著廣泛的應(yīng)用。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
井地電阻率法是根據(jù)地下介質(zhì)的電阻率差異，在井中激發(fā)，地表測量的探測方法。油氣藏深度較大，而地面的電法監(jiān)測達(dá)不到預(yù)期的效果。對于井地電法不僅是國外，我國的許多專家也進(jìn)行了大量豐富的研究。井地電阻率法是在 1958 年由蘇聯(lián)人首次提出的，他們不僅在硫酸銅的溶液中進(jìn)行了實(shí)驗，而且在煤層水平邊界圈定中也進(jìn)行了很多的野外實(shí)驗，對于這些實(shí)驗取得了明顯的成果[9]。近年來，一些國內(nèi)外的學(xué)者通過研究也取得了顯著的成果，1962-1973 年，Merkel,Snyder，Alfano 和 Merkel 研究了向地下供入直流電時，層狀模型在地表的電位分布情況[9-11]。1977 年 Daniels 討論了在井地模型中，球體以及 N層地電模型他們視電阻率的變化規(guī)律；1978 年 Sill 等成功的監(jiān)測了油田注水推進(jìn)方向；1979 年 Morrison 和 Dey 采用了三維數(shù)值模擬的方法，對比了在地面和井中分別設(shè)置電極對實(shí)驗產(chǎn)生的影響；1985 年 Rocroi 等確定了熱田地?zé)醿臃植家约奥裆頪12]。同年 Tsang和 Wilt 對于地下污染物的流動方向進(jìn)行了實(shí)驗?zāi)M，Eloranta 采用了積分的算法，比較了井地電法三維模型中的二極以及三極裝置的不同效果；Beasley 和 Ward 為了反映球體及橢球體的靈敏性[36]巧妙地運(yùn)用了積分方程的方法研究了井地裝置；1988 年 Vasseur 和Poirmeur 為了能對井地裝置進(jìn)行較為精確的模擬，研發(fā)出了針對裝置的積分方程[37]；在1991 年 oD. Be vc 和 H.F. Mo rrison 巧妙地將井地電法運(yùn)用到調(diào)剖監(jiān)測試驗中[35]。 
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第 2 章  井地電阻率三維正演研究

2.1  滿足穩(wěn)定電流場的基本方程以及邊界條件 
對井地電阻率進(jìn)行三維正演模擬時經(jīng)常用到的方法有：有限單元，有限差分，邊界單元以及積分方程的方法。本文運(yùn)用的是有限差分的正演方法，該方法主要是以差分作為數(shù)值計算的基本方法,計算過程中用微商代替微分，將連續(xù)的微分方程變?yōu)橛邢薜牟罘址匠�，并將所求得到的差分方程的解作為邊值問題的解[30]。 直流電阻率三維正演的計算是對由己知區(qū)域地下的電阻率異常體導(dǎo)致地表面電位梯度值的變化進(jìn)行求解。本章將有限差分作為基本方法，將連續(xù)問題離散化，同時采用約束條件進(jìn)行求解，對有關(guān)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)系數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，并對比了異常體埋深不同對地表電位梯度的影響[17,23]。
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2.2  井地電阻率三維有限差分計算
三維電阻率有限差分法是進(jìn)行實(shí)驗數(shù)值模擬比較常用的方法。它的基本原理是將要處理的連續(xù)問題離散化，將連續(xù)問題的微分方程變?yōu)殡x散的差分方程，通過對差分方程組進(jìn)行求解來得到原方程組的近似解。本章從點(diǎn)電流源場的基本方程著手，推導(dǎo)出了異常場存在的方程，并對該方程進(jìn)行了離散化求解，結(jié)合混合邊界條件推導(dǎo)出了有關(guān)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)系數(shù)的計算公式。并構(gòu)建三維正演模型，對比了高阻低組異常體埋深不同的對地表電位的影響。 
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第 3 章  井地電阻率法一維反演理論研究.....24 
3.1  反演的基本理論........ 24 
3.1.1  反演問題的數(shù)學(xué)描述 ....... 24 
3.1.2  反演問題的數(shù)學(xué)適定性 ......... 24 
3.2  正則化反演方法........ 25
3.2.1  對模型施加背景約束 ....... 25 
3.2.2  對模型界限約束 ......... 26 
3.3 OCCAM 一維反演 ..... 27 
3.3.1 OCCAM 反演基本原理 .... 27 
3.3.2  拉格朗日乘子的搜索 ....... 31 
3.3.3 OCCAM 理論模型的一維反演..... 32 
3.4  本章小結(jié)........ 34 
第 4 章  井地電阻率監(jiān)測實(shí)例分析.....35 
4.1  儀器介紹以及野外實(shí)驗情況 ...... 35 
4.2  油田裂縫監(jiān)測的實(shí)例...... 36 
4.3  本章小結(jié)........ 37 
第 5 章  全文總結(jié).........38 
5.1  研究工作總結(jié)...... 38 
5.2  下一步工作建議........ 38  

第 4 章  井地電阻率監(jiān)測實(shí)例分析 

井地電阻率電位梯度的方法已經(jīng)在大慶油田，以及山西煤礦井進(jìn)行了多次的實(shí)驗研究，并從中獲得了良好的實(shí)驗效果，本章則主要介紹井地電阻率的監(jiān)測實(shí)例。 

4.1  儀器介紹以及野外實(shí)驗情況 

井地 ERT 實(shí)驗室研制出了具有自主產(chǎn)權(quán)的水油界面電阻率成像儀。該儀器只要應(yīng)用大功率多波形發(fā)射以及弱信號的檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 50A 的信號發(fā)射系統(tǒng)，采用井地三維的電阻率正演技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的采集與成像。該儀器由發(fā)射機(jī)，接收機(jī)以及井地電阻率成像軟件三部分組成。 用成像儀進(jìn)行野外現(xiàn)場試驗時，需將發(fā)射機(jī)連接到被測井上，將它作為供電電極 A，且因為回流電極 B 對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響比較小，可以忽略，將 B 級放置到超過監(jiān)測目標(biāo)深度的 1.5 倍或 2 倍遠(yuǎn)。以被測井 A（垂直井）或被測目標(biāo)在地表的投影點(diǎn)（A 是傾斜井）為圓心設(shè)置放三環(huán)測點(diǎn)，每圈都設(shè)置 18 個測點(diǎn)，其中讓每個測點(diǎn)之間的夾角為 20°，將測環(huán)的半徑依次布置為 50 米、100 米和 150 米，共計 54 個測點(diǎn)。如下圖 4.1 所示。 井地電法監(jiān)測的基本原理是，根據(jù)壓裂前后地表電位梯度的變化情況進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而推斷壓裂裂縫的走向。因此，將數(shù)據(jù)采集分為兩部分，即壓裂前與壓裂后的數(shù)據(jù)采集。將實(shí)驗采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的去噪等處理，并將采集到的壓裂后與壓裂前的地表上各觀測點(diǎn)的電位梯度值做差，則電位梯度差值的極大值的方向就是裂縫方向。 

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總結(jié)

文章在前人研究的基礎(chǔ)上，對井地電阻率三維正演以及一維反演的方法展開了的論述，從點(diǎn)電源滿足的基本方程入手，并針對井地電阻率三維正演算法進(jìn)行較為詳細(xì)的研究，構(gòu)建了三維正演的模型，實(shí)驗?zāi)M，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，之后又建立了一維的層狀模型，并對他進(jìn)行 OCCAM 的反演，解釋反演效果�？偨Y(jié)全文的內(nèi)容，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論： 
（1）基于地下點(diǎn)電流源的電位公式以及有限差分方法的基礎(chǔ)上，研究了井地三維電阻率模擬方法，編制了三維電阻率法正演程序，實(shí)現(xiàn)了井地電阻率三維的差分計算。并利用該方法構(gòu)建模型，對實(shí)驗效果進(jìn)行分析，并未井地電阻率成像儀器的參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。 
（2）研究了井地電法的反演理論及 OCCAM 的一維反演方法。利用井地電法的基本反演理論以及 OCCAM 的正則化反演方法，構(gòu)建最光滑模型，并對一維層狀介質(zhì)進(jìn)行OCCAM 反演實(shí)驗，分析了深度和電阻率的關(guān)系。 
（3）文章中對野外的壓裂裂縫監(jiān)測實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，實(shí)驗結(jié)果可以直觀地反映出壓裂井在壓裂前后的變化情況，為油田的開發(fā)以及周圍井的開采提供客觀可靠的依據(jù)，該技術(shù)的現(xiàn)場試驗以及解釋方法在油田的開發(fā)中具有廣泛的前景。 
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參考文獻(xiàn)(略) 

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本文編號：40125