張喬勛 李帝銓* 田茂軍

(①中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083； ②有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南長沙 410083； ③有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(中南大學(xué))，湖南長沙 410083)

廣域電磁法在贛南某盆地油氣勘探中的應(yīng)用

張喬勛①②③李帝銓*①②③田茂軍①②③

(①中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083； ②有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南長沙 410083； ③有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(中南大學(xué))，湖南長沙 410083)

張喬勛，李帝銓，田茂軍.廣域電磁法在贛南某盆地油氣勘探中的應(yīng)用.石油地球物理勘探，2017,52(5):1085-1092.

贛南某盆地版石組地層烴源巖豐富、總有機(jī)碳含量高，具有非常好的油氣勘探前景。但由于該盆地多為紅層覆蓋、地面條件復(fù)雜、深部火山巖分布廣泛，導(dǎo)致地震資料品質(zhì)較低，目的層埋深、厚度等信息不清。將廣域電磁法(WFEM)應(yīng)用于該盆地油氣勘探，揭示了研究區(qū)內(nèi)富有機(jī)質(zhì)頁巖層為低阻，厘清了研究區(qū)地層展布、厚度、埋深等關(guān)鍵信息，落實(shí)了主要目的層版石組分布范圍及參數(shù)井井位，為油氣資源評價和選區(qū)工作提供了依據(jù)。

廣域電磁法 頁巖油氣 致密油氣 紅層 火山巖

1 引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域從常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣跨越，與此同時對勘探技術(shù)提出了更高的要求[1,2]。非常規(guī)油氣包括致密砂巖油氣、致密碳酸鹽巖油氣、頁巖油氣等，一般源儲共生，大面積連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布于盆地斜坡或中心[3-6]。

江西是一個常規(guī)油氣資源匱乏的省份，但發(fā)育有白堊系、二疊系、志留系、寒武系等多套泥頁巖、油頁巖層系，分布廣泛、厚度大、層位相對穩(wěn)定，具備頁巖油氣藏形成的地質(zhì)條件，頁巖油氣、致密砂巖油氣資源潛力巨大，有良好的勘探開發(fā)前景[7,8]。

贛南某盆地多為紅層覆蓋、地下火山巖發(fā)育、地質(zhì)條件復(fù)雜、局部小構(gòu)造多，對于地震勘探而言波阻抗差小、反射能量弱、地震波散射嚴(yán)重，資料品質(zhì)低[9]；在盆地基底之上沉積多套地層，頁巖目的層埋藏深度一般在1500m左右，加之該地區(qū)地面多以山地為主，常規(guī)電法勘探的探測深度難以達(dá)到要求，而且數(shù)據(jù)采集工作困難。二十世紀(jì)七十年代對整個盆地進(jìn)行了重力勘探，清晰地展現(xiàn)了該區(qū)的布格重力異常分布，圈定了盆地沉積中心位置，大體反映了基底的起伏形態(tài)，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到對整個盆地預(yù)期的勘探效果；另外，該地區(qū)頁巖樣品主要來源于目的層出露的局部區(qū)域，對于整個盆地而言地質(zhì)資料缺乏且具有局限性，對油氣評價和選區(qū)工作作用不大。以上這些問題導(dǎo)致多年來沒能厘清該盆地目的層的分布范圍，油氣勘探一直未能取得突破性進(jìn)展。

近些年來，非常規(guī)油氣尤其是頁巖油氣勘探取得了顯著進(jìn)展，主要包括地震和非地震兩類勘探方法，而非地震方法以電磁法居多[10-14]?？紤]到該盆地勘探程度低、頁巖目的層埋深較大、地面條件比較復(fù)雜等因素，為揭示盆地?zé)N源巖的巖石電性特征及電磁響應(yīng)規(guī)律，提供油氣成藏條件的地質(zhì)評價依據(jù)，落實(shí)參數(shù)井井位，中南大學(xué)在該地區(qū)開展廣域電磁法勘探，部署了一條垂直于盆地構(gòu)造走向的測線，以期查明研究區(qū)內(nèi)的盆地結(jié)構(gòu)、基底性質(zhì)、地層分布及斷裂特征，落實(shí)主要目的層下白堊統(tǒng)版石組地層分布、構(gòu)造特征、埋深、厚度等信息。廣域電磁法[15,16]以其抗干擾能力強(qiáng)、工作效率高、勘探深度大、低成本等優(yōu)勢，已在內(nèi)蒙古大楊樹盆地、新疆哈密盆地、甘肅老君廟、湖南龍山等多個地區(qū)開展油氣勘探[17-19]，并且取得了很好的效果。

2 廣域電磁法原理

廣域電磁法是基于傳統(tǒng)的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和磁偶源頻率測深法(MELOS)提出的一種人工源頻率域電磁測深方法[20]，它打破了傳統(tǒng)上將電磁波近似劃分為“近區(qū)”、“過渡區(qū)”和“遠(yuǎn)區(qū)”的理論禁錮，首次嚴(yán)格從電磁波方程表達(dá)式出發(fā)，定義了適用于全區(qū)的視電阻率及相關(guān)參數(shù)。

廣域電磁法根據(jù)場源不同可分為：電流源廣域電磁法和垂直磁場源廣域電磁法。電流源廣域電磁法是通過人工接地場源建立諧變電磁場，向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在廣大的、不局限于傳統(tǒng)“遠(yuǎn)區(qū)”的區(qū)域內(nèi)，觀測一個或多個電磁場分量，計算廣域視電阻率，達(dá)到探測不同埋深地質(zhì)目標(biāo)體的目的。理論分析以及對比試驗表明：測量電流源產(chǎn)生的電場Ex較為實(shí)用[16]。

地表觀測的水平電偶極源激勵的電場水平分量Ex可表示為

(1)

廣域視電阻率定義為

(2)

式中

ΔVMN=Ex·MN

由于沼氣產(chǎn)生過程復(fù)雜及影響因素較多，精確計算出沼氣的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量比較困難。目前預(yù)測沼氣產(chǎn)氣量的主要方法包括：經(jīng)驗估算法、Scholl Canyon模型、Monad模型以及由美國環(huán)?？偸鹛岢龅睦託馀欧拍Ｐ偷龋?-2］。根據(jù)已完成的可行性研究報告，已填埋的垃圾量、垃圾主要組成、填埋工藝等情況基本符合Scholl Canyon模型的要求，同時根據(jù)CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范［3］，可以按此模型預(yù)測沼氣的產(chǎn)量，模型算法如下。

其中：KE-Ex為裝置系數(shù)；φ為方位角；FE-Ex(ikr)為電磁響應(yīng)函數(shù)；k為波數(shù)，k2=ω2με-iωμσ，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，ω為圓頻率；ΔVMN為觀測電位差，MN為點(diǎn)距；I為發(fā)射電流； dL為供電線長度;r為收發(fā)距。從式(2)可以看出，只需測量一個電場分量Ex，再通過迭代就能獲得廣域視電阻率，相比需要測量電場和磁場分量的CSAMT法，廣域電磁法裝備簡單輕便，勘探精度和效率也更高。

3 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)采集

研究區(qū)地處南嶺山脈的延續(xù)地帶，屬中低山地和丘陵地區(qū)，盆地邊緣地形高峻復(fù)雜，海拔為500～750m，盆地內(nèi)部屬于低山丘陵地形，海拔為200～400m。區(qū)內(nèi)電力、通訊設(shè)施較為配套、齊全，無線電通訊及寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個工區(qū)，電磁干擾和人文環(huán)境增加了電磁法勘探的難度。

研究區(qū)為構(gòu)造呈北東向、白堊系地層為主的斷陷盆地，基底為震旦—寒武系變質(zhì)巖，之上沉積了中生界，其底部為雞籠嶂組(K1j)火山巖，在火山巖之上沉積了白堊系版石組(K1b)、冷水塢組(K1l)、茅店組(K2m)、周田組(K2z)、龜峰群(K2g)以及第四系。盆地總體為一箕狀，盆底向西南側(cè)傾斜，沉積中心隨著時間推移向傾斜方向位移，在早期山麓堆積的基礎(chǔ)上發(fā)展成山區(qū)河湖相盆地，間歇性的暴雨洪水經(jīng)常引起泥石流，不時活動的火山噴發(fā)使火山湖盆不能保持穩(wěn)定的沉積，常見版石組火山角礫巖、油頁巖、泥頁巖及凝灰?guī)r互層的沉積特征。

圖1 研究區(qū)測線位置圖

測線位置如圖1所示，呈北北西向延伸，與區(qū)內(nèi)構(gòu)造走向垂直，全長9.5km，點(diǎn)距為100m(109～130號測點(diǎn)加密，點(diǎn)距為50m)。為了達(dá)到預(yù)期的探測深度以及實(shí)際工作時間安排等需要，采用n=7，即一次發(fā)射含7個頻率成分的2n系列偽隨機(jī)信號，測量頻率為0.01～8192Hz，共40個頻點(diǎn)，場源AB(圖2)長度約1.3km，發(fā)射電流為120A，收發(fā)距為16.0～17.25km。采用水平電偶極源，所以采用赤道偶極裝置，觀測信號比共軸偶極裝置強(qiáng)大約一倍。由于r>10dL，觀測到的場與真正偶極子的場相差遠(yuǎn)小于1%；收發(fā)線與發(fā)射偶極中垂線的夾角即觀測張角最大為22°，遠(yuǎn)小于測量裝置規(guī)范所規(guī)定的30°。綜上所述，此次勘探設(shè)計完全達(dá)到了行業(yè)要求。

圖2 數(shù)據(jù)采集的場源與測點(diǎn)相對位置圖

4 地球物理特性分析

對研究區(qū)內(nèi)巖石標(biāo)本進(jìn)行小四極測量，利用直流電阻率法及雙頻激電法，對巖石樣本進(jìn)行了電阻率測定。通過對盆地內(nèi)采集的巖礦石標(biāo)本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，本次標(biāo)本采樣點(diǎn)的出露地層有白堊系版石組(K1b)21處、白堊系冷水塢組(K1l)10處、白堊系茅店組(K2m)10處、白堊系周田組(K2z)11處、白堊系龜峰群(K2g)11處、白堊系雞籠嶂組(K1j)14處、侏羅系林山組(J1l)10處。

圖3為對所采巖樣利用小四極測量所得的研究區(qū)地層電阻率分布圖，從左往右按照新老地層及巖性特征排布，尤其對目的層版石組電阻率特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的劃分，圖中紅框圈定的為版石組黑色頁巖、油頁巖，具有明顯的低電阻率特征。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料及部分實(shí)測物性標(biāo)本，各巖性層物性特征統(tǒng)計如表1所示，目的層版石組中泥頁巖、油頁巖與上覆的茅店組和冷水塢組含礫砂巖、粉砂巖以及下伏的雞籠嶂組灰?guī)r均顯示出明顯的電阻率差異。根據(jù)相關(guān)的電磁理論，不同巖性之間的電性差異是進(jìn)行廣域電磁法勘探的地球物理依據(jù)。

圖3 地層物性統(tǒng)計柱狀圖

表1 版石組及圍巖物性參數(shù)統(tǒng)計表

5 有效性分析

根據(jù)研究區(qū)物性資料統(tǒng)計，大體可以分為四個電性層，自上而下依次為： ①包括龜峰群、周田組等地層的砂巖、粉砂巖、泥巖，顯示為中等電阻率，厚度約700m； ②包括茅店組、冷水塢組等地層的礫巖、砂礫巖、粉砂巖，顯示為次高阻，厚度約600m； ③包括版石組等地層的泥頁巖、油頁巖、泥巖，表現(xiàn)為明顯的低阻，厚度約700m； ④包括雞籠嶂組、林山組、寒武—震旦系等地層的灰?guī)r、石英砂巖，表現(xiàn)為明顯的高阻。由此建立了一維層狀介質(zhì)正演模型，從上至下電阻率依次為： 第一層為200Ω·m； 第二層為500Ω·m； 第三層碳質(zhì)含量高時為100Ω·m，沒有碳質(zhì)頁巖時為500Ω·m； 最后一層基底為1000Ω·m。模型正演參數(shù)與野外采集一致。圖4左中藍(lán)線和紅線分別為含油氣頁巖和不含油氣頁巖所對應(yīng)的視電阻率曲線，兩支曲線在達(dá)到趨膚深度(即版石組埋深)頻率以下后出現(xiàn)明顯的差異，最大時異?？蛇_(dá)60%(圖4右)，這說明根據(jù)廣域電磁法視電阻率曲線異常能夠識別版石組是否含有碳質(zhì)頁巖。

圖4 視電阻率曲線對比(左)及異常幅值(右)

6 數(shù)據(jù)處理與解釋

廣域電磁法數(shù)據(jù)處理解釋一般按照“數(shù)據(jù)預(yù)處理—定性分析—定量解釋”的流程進(jìn)行；再結(jié)合地質(zhì)、物性等資料進(jìn)行綜合解釋；根據(jù)地質(zhì)解釋剖面建立正演模型，對比分析原始數(shù)據(jù)反演與模型反演結(jié)果，并借助多參數(shù)約束反演技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)解釋，以提高綜合解釋的可靠性。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括去噪處理和靜校正，對測線每個測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比分析消除或降低靜態(tài)效應(yīng)[21]的影響，通過手動或空間濾波[22,23]去除飛點(diǎn)，對野外噪聲干擾進(jìn)行壓制，以提高數(shù)據(jù)的可靠性，為反演奠定基礎(chǔ)。

通過對原始數(shù)據(jù)擬地震圖、頻率—視電阻率擬斷面圖、等頻率視電阻率曲線圖等原始數(shù)據(jù)圖件進(jìn)行定性分析，初步識別斷裂位置，獲取地層電性特征。

通過對一維和二維反演剖面進(jìn)行定量解釋，最終給出電性斷面解釋圖[24-26]。一維反演包括層狀介質(zhì)反演[27]和連續(xù)介質(zhì)反演[28,29]；二維反演則通過非線性共軛梯度反演[30]獲取剖面地電結(jié)構(gòu)。

結(jié)合此次研究提出“以反演結(jié)果為主，以地質(zhì)資料做修正”的解釋思路，具體研究斷裂構(gòu)造、地層格架、目的層分布，基于已有的地質(zhì)、物探、測井等資料和本次試驗獲取的資料綜合評價油氣藏的電性特征。

圖5是該測線的原始曲線及其擬地震剖面，可根據(jù)視電阻率曲線橫向變化以及擬地震剖面同相軸連續(xù)性分析構(gòu)造的發(fā)育情況。其中點(diǎn)116～點(diǎn)129之間曲線形態(tài)橫向變化劇烈，構(gòu)造比較復(fù)雜；而點(diǎn)133～點(diǎn)170之間曲線連續(xù)性較好，表明構(gòu)造比較簡單。

圖6為原始數(shù)據(jù)的等頻率振幅曲線圖，可用來觀察同一頻率下視電阻率在橫向上的變化趨勢，可以定性地分析地層的起伏特征。該測線剖面總體上表現(xiàn)出凹陷特征，局部有凹中隆，這為最終的地質(zhì)解釋提供了依據(jù)。

圖7為電阻率二維反演及地質(zhì)解釋剖面圖，研究區(qū)內(nèi)電阻率剖面橫向上整體可以劃分為三段：南東段(點(diǎn)101～點(diǎn)126)地層電性整體上從上至下呈高—低—高分布特征；中部(點(diǎn)126～點(diǎn)170)地層電阻率整體上從上至下呈低—高—低—高分布特征；北西段(點(diǎn)170～點(diǎn)195)地層電性整體呈現(xiàn)出高—低—高分布特征。整體上來看，測區(qū)為一北東傾向的斷陷盆地，剖面上兩邊地層整體隆起，中間地層整體凹陷，凹陷盆地內(nèi)白堊系構(gòu)成轉(zhuǎn)折端寬緩的背斜構(gòu)造(點(diǎn)126～點(diǎn)160稍微凸起)。因此，剖面呈現(xiàn)出凹中隆的特點(diǎn)。測區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，集中分布于剖面的南、北兩端，F(xiàn)70為斷陷盆地的北部主斷裂，F(xiàn)26為斷陷盆地的南部主斷裂，均為逆斷層，剖面南端的多條斷裂對頁巖層位具有控制作用。

圖5 原始數(shù)據(jù)曲線(上)及擬地震剖面(下)

圖6 原始數(shù)據(jù)的等頻率視電阻率曲線圖

版石組中的油頁巖、泥巖、頁巖等富有機(jī)質(zhì)烴源巖自生自儲，為頁巖油氣的有利儲集層。測線中部(點(diǎn)126～點(diǎn)170)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，目的層埋深相對較深，地層連續(xù)性較好，因而是油頁巖的相對發(fā)育區(qū)域。圖8為極化率曲線剖面，可以看出，極化率較高的位置為點(diǎn)116～點(diǎn)170測段。 因此，推斷在點(diǎn)126～點(diǎn)170之間、海拔為-700～-1300m(埋深約1000～1600m)的層段發(fā)育了良好的油頁巖、泥頁巖地層，厚度約為470～660m，平均厚度約為560m。

圖8 極化率曲線圖

圖9 鉆井地層剖面(左)及地質(zhì)解釋圖(右)

鉆井1位于點(diǎn)142～點(diǎn)143之間(圖9)，由其地層剖面(圖9左)可知，龜峰群底深為116m，巖性為棕紅色砂礫巖；周田組底界井深466.53m，巖性為灰色、深灰色、紫紅色泥巖，淺紫紅色砂礫巖；茅店組底深924.46m，巖性為淺紫紅色砂礫巖，淺紫紅色、淺灰綠色基性火山熔巖； 版石組巖性為淺灰綠色角粒熔巖，淺灰色凝灰?guī)r，灰黑色泥巖。根據(jù)電阻率反演剖面解釋三個界面的深度分別為155、490.7、920.7m，反演深度誤差較小，龜峰組、周田組的分界面基本準(zhǔn)確，目的層版石組埋深也吻合。另外，版石組鉆遇1.54m+0.32m油頁巖，至1500m深度出現(xiàn)多段裂隙含油層?？梢姡瑥V域電磁法對于反演深度具有很高的準(zhǔn)確度，電性層界面也很清晰。

7 結(jié)論

(1)廣域電磁法測量精度高、探測深度大、反演成像信息量大、對低阻異常體有很好的反映，將廣域電磁法應(yīng)用于該盆地油氣探測，能夠有效識別目的層，獲取富有機(jī)質(zhì)頁巖的分布范圍。

(2)研究區(qū)為主構(gòu)造沿北東向的斷陷盆地，整體凹陷，測線中部隆起，凹中隆的地層特點(diǎn)有利于油氣的儲集。

(3)廣域電磁法在該盆地的應(yīng)用為研究該盆地地層構(gòu)造提供了更可靠的依據(jù)，更為江西地區(qū)的油氣資源評價提供了一種有效的地球物理勘探方法。

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(本文編輯：劉海櫻)

張喬勛 博士研究生，1990年生；2014年畢業(yè)于中南大學(xué)地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2017年獲中南大學(xué)地質(zhì)工程領(lǐng)域工程碩士學(xué)位；現(xiàn)在中南大學(xué)攻讀地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)博士學(xué)位，主要從事電磁法理論及應(yīng)用研究。

1000-7210(2017)05-1085-08

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.023

*湖南省長沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)本部逸夫樓312，410083。Email: lidiquan@csu.edu.cn

本文于2016年11月28日收到，最終修改稿于2017年7月9日收到。

本項研究受國家重點(diǎn)研發(fā)計劃深地專項(2016YFC0601100)和國家自然科學(xué)基金項目(41227803)聯(lián)合資助。