基于InSAR形变的辽河油田曙光采油厂储层参数反演
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Inversion of reservoir parameters in Shuguang Oil Production Plant of the Liaohe Oilfield based on InSAR deformation
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通讯作者: 刘国祥(1968-),男,博士,教授,主要从事InSAR及高分辨率卫星遥感研究。Email:rsgxliu@swjtu.edu.cn。
责任编辑: 李 瑜
收稿日期: 2019-03-1 修回日期: 2019-04-25 网络出版日期: 2020-03-15
基金资助: |
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Received: 2019-03-1 Revised: 2019-04-25 Online: 2020-03-15
作者简介 About authors
杨崇(1993-),男,硕士,主要从事InSAR及油田储层参数反演研究。Email:swjtu_yc@163.com。 。
对油田储层参数及开采量进行反演,可以及时掌握油田的储层状态及开采量变化,有效监控储层的健康和安全。目前国内对于油田储层参数反演的研究较少。以辽河油田最大的采油厂——曙光采油厂为研究对象,采用2007年1月—2010年9月的21景L波段ALOS/PALSAR数据,使用StaMPS (stanford method for persistent scatterers)技术提取该区域的形变结果,并以此为观测量,分别使用Mogi模型和椭球模型对储层参数进行反演和分析,并与经典的Okada模型的反演结果进行对比。结果表明: ①曙光采油厂沉降显著,监测周期内最大沉降速率高达-189.6 mm/a,最大累积沉降量约为750 mm,沉降面积约为28 km 2; ②与Okada模型和Mogi模型相比,椭球模型反演的储层深度精度最高,且模拟的形变结果与观测形变结果最吻合,说明椭球模型的反演结果更可靠,更适用于该油田储层参数的反演。本研究可为InSAR油田沉降监测及储层参数反演提供科学参考。
关键词:
The inversion of reservoir parameters and production for the oil field can grasp reservoir status and production changes in time and effectively monitor reservoir health and safety. At present, the study of reservoir parameter inversion is very insufficient in China. The authors chose Shuguang Oil Production Plant, the largest oil production plant in the Liaohe Oilfield, as the research object. Using 21 L-band ALOS/PALSAR data obtained from January 2007 to September 2010, the authors employed StaMPS to extract deformation results. Based on these deformation results, the authors used Mogi model and Finite Prolate Spheroidal model to invert and analyze reservoir parameters respectively, with the inversion results compared with those of Okada model. The results are as follows: ① The subsidence of Shuguang Oil Production Plant is remarkable. The maximum subsidence rate is -189.6 mm/year, the maximum cumulative subsidence is about 750 mm, and the subsidence area is about 28 km 2. ② Compared with Okada model and Mogi model, Finite Prolate Spheroidal model has the highest accuracy of reservoir depth inversion, and the simulated deformation results are in the best agreement with the observed deformation results, which shows that the inversion results of Finite Prolate Spheroidal model are more reliable and more suitable for the inversion of reservoir parameters in this oilfield. This study can provide scientific reference for InSAR subsidence monitoring and reservoir parameter inversion in the oilfield.
Keywords:
本文引用格式
杨崇, 刘国祥, 于冰, 张波, 张瑞, 王晓文.
YANG Chong, LIU Guoxiang, YU Bing, ZHANG Bo, ZHANG Rui, WANG Xiaowen.
0 引言
目前,合成孔径雷达差分干涉测量技术(differential interferometry synthetic aperture Radar,DInSAR)在地表沉降监测中得到了广泛应用[6,7,8]。常规DInSAR技术易受到时空失相干、大气延迟和轨道误差等因素的影响[9,10,11,12]。2000年,Ferretti等[10]提出了永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(permanent scatterers InSAR,PSInSAR),从时序合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)影像中选取在长时间和空间基线条件下保持较高相干性的永久散射点(permanent scatterers,PS),对这些高相干性点进行相位分析,提取可靠的形变结果; 2004年,Hooper等[13]提出了基于振幅离差指数和相位空间相关性分析的PS探测及形变提取方法; 2006年,Hooper[14]将该方法命名为StaMPS(stanford method for persistent scatterers),并详细阐述了其原理和技术流程。目前该方法已经广泛应用于时序合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)处理,且能够得到较好的形变结果[12,13,14]。本文将使用StaMPS技术提取曙光采油厂的地表沉降信息。
在使用InSAR形变结果反演油田储层参数方面,国外研究起步相对较早。Vasco等[15,16]于2008年采用PSInSAR方法对油田沉降进行监测,反演了储层储量变化、压强变化和渗透率; 2010年,Klemm等[17]采用PSInSAR方法和升降轨SAR数据获取了中东地区某油田的垂直向和东西向年形变速率,并反演了储层压强的年平均变化; 2012年,Khakim等[18]基于时序DInSAR获取了年均沉降信息,采用Okada模型对储层几何状态参数进行反演,获取了储层长度、宽度、空间位置和走向等信息。在国内,相关的研究较少。2016年,Ji等[19]使用小基线集技术(small baseline subset,SBAS)对新疆克拉玛依油田进行沉降监测,并基于Okada模型反演了其储层几何参数; 同年,刘一霖[20]使用StaMPS方法获取了黄河三角洲某油田的沉降信息,并基于Mogi模型和椭球模型反演了储层位置、深度和体积变化等参数; 2017年,Sun等[21]使用StaMPS方法获取了辽河油田的沉降信息,并基于Okada模型反演了其储层几何参数,通过反演结果模拟沉降并与沉降监测结果对比,二者差异表明Okada模型反演结果存在较大偏差。但是目前的油田反演研究多注重对反演结果的分析,缺乏对不同反演模型的对比分析和最优模型选取的研究。
为了进一步拓展使用InSAR形变结果反演油田储层参数的研究,本文将以StaMPS技术提取曙光采油厂的形变结果,并以该形变结果作为观测量,分别使用Mogi模型和椭球模型对曙光采油厂的油田储层参数进行反演,采用公开的实测数据验证反演结果的可靠性,并与Sun等使用Okada模型得到的反演结果进行对比分析,为以后国内其他油田的InSAR沉降监测、储层参数建模与反演以及反演模型的选择和分析提供参考。
1 研究区域及数据源
图1
表1 PALSAR影像参数
Tab.1
序号 | 成像时间 | 格式 | 序号 | 成像时间 | 格式 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 2007-01-31 | FBS | 12 | 2009-02-05 | FBS |
2 | 2007-06-18 | FBD | 13 | 2009-05-08 | FBS |
3 | 2007-08-03 | FBD | 14 | 2009-08-08 | FBD |
4 | 2007-09-18 | FBD | 15 | 2009-09-23 | FBD |
5 | 2007-11-03 | FBS | 16 | 2009-12-24 | FBS |
6 | 2007-12-19 | FBS | 17 | 2010-02-08 | FBS |
7 | 2008-02-03 | FBS | 18 | 2010-03-26 | FBS |
8 | 2008-03-20 | FBS | 19 | 2010-05-11 | FBD |
9 | 2008-05-05 | FBD | 20 | 2010-06-26 | FBD |
10 | 2008-06-20 | FBD | 21 | 2010-09-26 | FBD |
11 | 2008-12-21 | FBS |
2 形变场的测量及分析
本文采用时序InSAR技术中的StaMPS技术对研究区域进行沉降监测。StaMPS技术由斯坦福大学的Hooper[14]提出,其主要思想是依据干涉相位稳定性和空间相关性分析提取PS点目标,并且通过时空三维相位解缠探测出相位整周模糊度,然后依次去除数字高程模型(digital elevation model,DEM)误差、大气延迟、轨道误差和噪声等干扰相位,最终获得可靠的形变信息。具体的数据处理流程如图2所示。假设有N+1景影像,首先选取整体相干性最优的影像作为公共主影像,将其他影像配准到该主影像的格网空间内,并且分别与主影像形成干涉对; 然后进行干涉、去平和去地形处理; 同时,基于振幅信息通过Ferretti等[10]提出的振幅离差指数阈值方法提取出PS候选点,对这些PS候选点进行相位分析和噪声计算,得到PS点集; 针对PS点上的相位,对空间不相关误差进行估计和剔除,再对更新后的PS点相位进行时空三维解缠; 最后,根据大气延迟、轨道误差和噪声在时间域和空间域的不同特征,通过时空滤波对解缠相位进行分解,获得最终的形变结果。
图2
图3
图3
干涉时空基线分布
Fig.3
Distribution of spatial-temporal baseline for interference pairs
图4
在监测范围内,曙光采油厂的沉降现象最为严重,其最大沉降速率达到了-189.6 mm/a,沉降面积约为28 km2,沉降漏斗呈近似椭圆形; 欢喜岭采油厂的沉降速率则相对较小,最大沉降速率约为-60 mm/a,沉降面积约为19 km2,沉降漏斗同样呈近似椭圆形。由此可看出因石油开采引起的地表沉降范围之大,沉降程度之严重。
图5
3 油田储层参数反演
3.1 反演模型
3.2 反演结果分析
本文以StaMPS形变结果作为观测量,分别选取Mogi模型和椭球模型作为反演模型,结合弹性半空间理论,对油田的储层参数及开采量进行反演。采用下行单纯形法(downhill simplex method,DSM)和蒙特卡罗统计模拟方法(Monte Carlo simulations,MCS)[27]来估计最优参数,以观测形变和模拟形变之间的均方根误差(root mean square error,RMSE)作为最优参数的选择指标。在参数搜索过程中,均方根误差最小的一组参数即为最优参数。在反演过程中使用独立坐标系,参考基准设在地表形变中心,对应的地理坐标为(E121.78°,N41.13°),泊松系数均设为常用的0.25。
在Mogi模型反演过程中,对StaMPS形变监测结果建立独立坐标系,坐标原点为(E121.78°,N41.13°),点源投影到地面的XY平面坐标为(E767.091 m,N29.758 m)。Mogi模型反演得到的油层深度为1.845 km。由于输入的观测量是形变速率,所以获得的体积变化对应的是年平均变化量,即年平均体积变化量为3.063×106m3。
相较于Mogi模型,椭球模型具有更多的参数,可以获得更详细的储层信息。与Mogi模型相同的是需要对StaMPS形变监测结果建立独立坐标系,设坐标原点仍为(E121.78°,N41.13°),椭球中心投影到地面的XY平面坐标为(E939.327 m,N-748.463 m)。椭球模型反演得到的油层深度为1.701 km,椭球长半轴为211.615 m,短半轴为12.551 m,走向为173.386 rad,倾角为-66.792 rad。
通过模型反演的油层参数与实际油层参数进行对比,评价不同反演模型的反演精度。Okada,Mogi和椭球模型的共有参数为油层中心位置和深度,而油层中心位置信息无法获取,因此以深度值作为精度评价指标。本文对曙光采油厂的沉降监测周期为2007年1月—2010年9月。2009年沈阳地质矿产研究所公布的曙光采油厂的油层深度为1.6 km[28],所以本文以该深度值作为实测数据。Sun等[21]使用Okada模型反演的油层深度为1.212 km,本文使用Mogi模型反演的油层深度为1.845 km,椭球模型反演的油层深度为1.701 km。3个模型反演结果中,Okada模型反演深度的绝对误差为-0.388 km,Mogi模型反演深度的绝对误差为0.245 km,而椭球模型反演深度的绝对误差为0.101 km,说明椭球模型反演的深度值精度最高。
根据Mogi模型和椭球模型反演得到的储层参数,通过格林函数对地表形变进行正演,模拟地表形变结果,分析模拟得到的地表形变和观测地表形变之间的误差,评价不同反演模型的反演精度。观测形变、模拟形变以及二者之间的残差对比如图6所示。图6(a)表示的是观测形变结果,图6(b)和(d)分别为Mogi模型和椭球模型的正演模拟形变结果,图6(c)和(e)分别为Mogi模型和椭球模型的正演模拟形变结果与观测形变结果之间的残差。从图6(b)可以看出,Mogi模型模拟的地表形变结果近似圆形,对于沉降漏斗中心区域有较好的模拟效果,但是对于沉降漏斗中心以外的区域模拟效果较差。通过图6(c)的残差结果图可以明显看出在整个沉降漏斗区域存在着较大的误差。从图6(d)可以看出,椭球模型模拟的地表形变结果呈近似椭圆形,与观测形变结果极为相似,整个沉降漏斗区域的沉降分布与观测形变结果基本一致。通过图6(e)的残差结果图可以明显看出,整个反演区域的误差较小,说明椭球模型的模拟效果较好。另外,与Sun等[21]使用Okada模型模拟得到的形变结果对比,同样发现椭球模型模拟得到的形变结果更好。
图6
图6
观测形变、模拟形变和残差结果对比
Fig.6
Comparisons of observed deformation, modelled deformation and residual results
图7
4 结论
本文以2007年1月—2010年9月间的21景L波段ALOS/PALSAR影像为数据源,使用StaMPS技术对以辽河油田曙光采油厂为中心的整个研究区域进行沉降监测,然后以StaMPS形变监测结果作为反演的观测量,分别使用Mogi模型和椭球模型对曙光采油厂的油田储层参数进行反演,最后使用格林函数基于反演参数对地表形变进行正演模拟,并与Sun等使用Okada模型反演的结果进行对比。本文主要的研究结论如下:
1)整个研究区域中,主要分布了2个沉降漏斗,分别位于曙光采油厂和欢喜岭采油厂,其他区域无明显沉降现象。沉降漏斗区域完全对应于采油厂的位置,说明该区域的地表沉降主要是由地下石油开采引起。
2)曙光采油厂的沉降现象非常严重,近4 a间,最大沉降速率达到了-189.6 mm/a,最大累积沉降量约为750 mm,沉降面积约为28 km2。
3)与Okada模型和Mogi模型相比,该区域内采用椭球模型反演的储层深度精度最高。
4)Mogi模型模拟的地表形变结果呈近似圆形,对于沉降漏斗中心区域有较好的模拟效果,但是对于沉降漏斗中心以外的区域模拟效果较差。椭球模型模拟的地表形变结果呈近似椭圆形,整个沉降漏斗区域的沉降分布与观测形变结果基本一致,模拟效果非常好。另外,与使用Okada模型模拟得到的形变结果对比,同样椭球模型模拟得到的形变结果更好。
总体来说,使用长波段ALOS/PALSAR数据可有效提取油田开采导致的显著沉降。在使用InSAR形变结果反演油田储层参数时,反演模型的选择具有关键作用,比如在本研究中,椭球模型的反演结果更为可靠。本文研究可为以后国内其他油田的储层参数反演提供参考。
油田储层变化与地表形变存在复杂的对应关系,本文仅通过单一反演模型对油田储层参数进行反演,反演精度将在很大程度上受到模型本身的精度限制。在以后进行油田储层参数反演研究时,可以考虑联合多种反演模型对油田储层参数进行反演,以获取更好的反演结果。
志谢:
感谢日本遥感数据中心提供的ALOS/PALSAR影像以及日本宇宙航空研究开发机构地球观测研究中心提供的30 m空间分辨率数字表面模型,感谢斯坦福大学提供的StaMPS软件支持,在此一并表示感谢。
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