武斌，谭章坤，曾楷，邹俊，陈宁，余舟，陈挺

广域电磁与伪随机信号电磁法在四川盆地页岩气勘探中的应用

武斌1，谭章坤2，曾楷3，邹俊1，陈宁1，余舟1，陈挺1

（1.四川省地质矿产勘查开发局物探队，成都 610072；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000；3.四川省地质矿产勘查开发局一一三地质队，泸州 646000）

广域电磁与伪随机信号电磁法采用伪随机信号发射，突破远区限制，可观测面积大，信号强、精度高、只观测场的一个分量，野外效率高。伪随机信号电磁法一次能同时发送和接收多个强度大体相当的主频率信号，成倍地提高电磁法的野外效率。本文将广域电磁与伪随机信号电磁法应用于四川盆地某页岩气区块，结果表明它在干扰较强的地区仍然能够获得深部5～6km的有效数据，具有抗干扰能力强、勘探深度大的优点；同时广域电磁法在大套地层划分、油气层识别、断层及构造识别方面的效果显著。

广域电磁法，伪随机信号，页岩气勘探

我国人口众多，人均占有资源量小，但整体消耗又比较大，在油气的需求上油气凸显，目前我国油气资源形势严峻。国内的油气勘探工作从未停止，且勘探难度越来越大，主要体现在勘探深度越来越大、勘探精度要求越来越高，一般技术手段难以实现。过去主要通过地震反射来完成勘探，但需要人员多、成本高，在不需要炸药保证环保的情况下，有些震源车无法抵达预计的炮点，采集成果不理想。而通过使用广域电磁与伪随机信号电磁法进行油气勘探，在理想的勘探环境下，能克服地震以上不利因素，取的很好的效果。

1 广域电磁与伪随机信号电磁法

广域电磁法是针对原来的可控源音频大地电磁（CSAMT）法和MELOS方法提出来的。CSAMT法采用人工场源，克服了MT法场源的随机性和信号微弱的缺点，但其继承了远区测量一对正交电分量、磁分量，仍按远区近似公式计算电阻率。MELOS方法突破了“远区”的限制，把测量的区域扩大到中区，扩大了人工源电磁法的有效范围，大大提高了观测到的信号强度。广域电磁法突破CSAMT法远区测量的限制，故卡尼亚公式不成立。并且由于对电阻率变化的敏感程度水平电偶极源产生的电场Ex较为实用，所以选用Ex反映介质的视电阻率已经具有代表性。广域电磁法要点是：广域视电阻率是不作简化的视电阻率，测量电磁场的Ex分量，不局限于远区的区域观测。

akp序列伪随机信号是基于同时发多个频率的电流，同时接收多个频率的电位差的理论和方法。傅里叶理论通过一定的数学方法，能构造出若干个主频率的电流波形，这些波形中主频率的振幅彼此相近，分布合理（在频率为对数的坐标中各主频等间距分布），这种波形貌似杂乱无章，实则具有内在规律，称之为伪随机信号电流波形。akp序列伪随机信号电法勘探包括两类不同的电法勘探方法，一种是akp序列伪随机信号激电法，一种是akp序列伪随机信号电磁法。akp序列伪随机信号激电法以岩石、矿石的激电极化性质差异为基础，以发现和评价地下极化体为目标，工作频率段（0.01～10Hz），激励和采集的主要是IP信息。akp序列伪随机信号电磁法，以岩石、矿石的电阻率的差异为基础，以发现地下电阻率不均匀体为目标，为了在不同的地电条件下，探测需要的深度覆盖很宽的频段，采集的主要是EM信息。通过akp序列伪随机信号技术，可以使频率域激发极化法和频率域电磁法统一起来。广域电磁法与akp序列伪随机信号结合起来形成全新的频率域电磁法：广域-akp序列伪随机信号电磁法。广域-akp序列伪随机信号电磁法与现有的任何一种频率域电磁法相比都具有非常显著的特点：速度快、精度高、探测深度大，装备轻便，可以使电磁法横向分辨率和纵向分辨率达到一个新的水平。

广域电磁与伪随机信号电磁法取得了以下三方面成果：突破了风行世界的可控源音频大地电磁法近似定义视电阻率，导致无法进行大深度探测的理论局限和技术缺陷，解决了传统人工源电磁法探测深度小、测量频率低、三维探测能力差等重大难题，实现了地质结构的大面积、大深度、高精度、高频率、多参数探测；二是实现了不限数量分布式接收机阵列式测量，野外效率大大提高，抗干扰能力强，信息量大，有利于大面积快速扫描，使测量精度明显提高，为实现真正的三维电磁法勘探打下坚实基础；三是联合电阻率和极化率参数，实现页岩气储层关键地质参数识别和勘探，建立了适合我国复杂地质、地表条件的富有机质页岩电磁识别与预测评价技术体系。

表1 工区视电阻率实测值统计表

2 应用实例

2.1 项目概况

2.1.1地形地貌

川南盆地某页岩气块为低山丘陵，整体地形相对平缓，局部（公路、河流、山谷）有断崖陡坎，研究区海拔在250～350m之间。区内地表地物主要为旱田、水田、堰塘、灌木林及房屋，勘查期间正值非农事频繁季节，整体地表植被稀疏，利于测量施工。

2.1.2目的任务

本次研究在川南盆地某页岩气区块开展，主要目的是落实区域内的主要地层结构和构造特征，研究广域电磁法在研究区的有效性、可行性。研究区含气目的层五峰组-龙马溪组。根据工区内已开展的二维地震成果剖面，五峰龙马溪底界的最大深度约4 500m，本次广域电磁法勘查设计最大控制在5 500m以内。

2.2 地球物理特征

研究区附近某钻孔资料揭示，下伏地层层序依次为侏罗系沙溪庙组、凉高山组、自流井组、三叠系须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组，二叠系长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组和梁山组，志留系韩家店组、石牛栏组、龙马溪组，奥陶系五峰组、宝塔组地层。本次目标岩层为志留系、奥陶系的龙马溪组、五峰组岩层，其总厚度为400m左右。

根据表1得知，本区侏罗系地层岩性主要为紫红色泥岩夹石英砂岩，电阻率整体表现为低阻，一般为46～107Ω•m之间。下伏三叠、二叠地层岩性主要为灰岩、白云岩等，其电阻率整体表现为高阻，一般为500～1000Ω•m之间，再往下地层岩性主要为硅质岩、泥质灰岩、灰岩等，电阻率表现为中高阻，一般为100～150Ω•m之间。目标层龙马溪组、五峰组岩性主要为泥岩、页岩等，电阻率表现为低阻，一般为30～50Ω•m。五峰组以下地层岩性主要为灰岩，电阻率1000～1500Ω•m左右，表现为高阻特征。目标岩层电阻率一般为n×10Ω•m，而其上覆、下伏岩层电阻率一般为n×（102～103）Ω•m，电性差异达到1～2个数量级。

综上所述，目标地层志留系、奥陶系中五峰龙马溪组岩性与上覆地层组、下伏地层组有明显的电阻率差异，并且具备较大规模，完全满足广域电磁法勘探分辨力要求。因此，本工区具备开展广域电磁与伪随机信号电磁法的地球物理勘探条件。注意研究区人口密度大，居民区密集，民用入户电线、低高压线随处可见。

2.3 方法技术

广域电磁与伪随机信号电磁法野外工作的主要环节有：A、B极的选取和布设、确定相关参数（包括电流、收发距、点距等）的试验、频率的确定、MN采集。

2.3.1 频率选择

广域电磁与伪随机信号电磁法仪器能够测量包括12个频组80个频率(其中7频组和3频组，6频组和2频组，5频组和1频组，4频组和0频组各重叠一个频率)，频率范围8192Hz～5/512Hz。根据工作目的，数据采集选用11、9、7、5、3、1频组共40个频点（表2）。

表2 广域电磁法数据采集频组

表3 试验参数组合表

2.3.2 场源布设

研究区目的层的埋藏深度较深，为了满足勘探要求，发射端场源布设均满足了信号强度和勘探深度的要求，测线方向场源AB=1.04km，实际收发距在r1在11km～12km之间。

供电电极布设：采用多块铝箔板（厚度2mm，规模1m×1m），供电一端挖20个电极坑埋设，坑深不低于0.4m，往铝箔板上浇导电液（氯化钠溶液）。

发射系统参数控制：发射机最高供电电压和电流不超过额定值的80%，以确保系统稳定安全，有效电流值不超过100A，本次野外工作一般控制在60～70A左右。

2.3.3 试验参数的确定

通过相关试验，可得出如下结论：A、B极三次选站试验，发射电流达到了68A，保证了在测区内能采集到高信噪比数据。收发距在12km至15km均满足信号采集要求，考虑工区地形、交通、地物、勘探深度等因素，确定收发距为11～12km。综上本次研究工作选取了一套最佳参数组合（表3），取得了良好的效果。

2.3.4 MN端数据采集关键环节

研究区地形复杂，在进行广域电磁与伪随机信号电磁法数据采集时采取有线多道采集方式，即通过多通道广域接收仪（图1），每通道都有阿拉伯数字标记，一次可以最多测8个点，此方式相对单通道广域电磁仪，节省了经济成本，可操作性强，提高了野外工作效率。

图1 广域电磁与伪随机信号电磁法勘探MN端布置示意图

2.4 应用效果

本次工作共完成2条平行测线（L1、L2），其中L2与已知地震剖面部分重合，图2、3为两线的广域电磁与伪随机信号电磁法视电阻率反演成果图，反演深度5.5km。

综合广域电磁与伪随机信号电磁法成果剖面图及地质资料，其效果有如下分析认识：

图2 L1剖面视电阻率反演断面图

图3 L2剖面视电阻率反演断面图

（1）电性结构。视电阻率反演断面图电性特征一致好，从上至下划分出了四个主要电性层（表4）。

（2）含气目的层的探测。视电阻率反演断面图中第三定性层的底部为五峰-龙马溪低电阻层，电性剖面图显示五峰-龙马溪组的平均埋深达到了4km，该方法对油气层仍分辨较好。

（3）断层、构造的探测。视电阻率反演断面图发现两条隐伏断层F1、F2。从电性特征上分析，F1和F2在海相地层内，没有向上贯穿海陆过渡相及陆相地层的趋势，推断断层形成的时期较早，油气开发应予以关注。此外也反映出背斜局部褶皱的电性特征，与区域地质资料显示的背斜位置吻合。

表4 视电阻率反演断面各电性层参数统计表

3 结论与认识

通过上述研究，可以得出如下结论和认识：

（1）广域电磁与伪随机信号电磁法在干扰较强的地区仍然能够获得深部5～6km的有效数据，具有抗干扰能力强、勘探深度大的优点。广域电磁法在大套地层划分、油气层识别、断层及构造识别方面的效果显著。该设备由何继善院士主持研发，并获2019年国家科学进步一等奖，从理论上完全打破了国外电磁法的垄断。

（2）广域电磁与伪随机信号电磁法在划分巨厚层灰岩内的飞仙关组上，分辨率略显不足。但采集工艺及算法上还需进行完善。激电参数采集目前没完善，还没有真正做到多电性参数综合解决页岩层的目的。

唐新功，胡文宝，苏朱刘．2011．我国南方地区页岩气电磁勘探技术初探[J]．长江大学学报（自然科学版），8(11)：33-36．

何继善．2010．广域电磁法和伪随机信号电法[M]．北京：高等教育出版社．

何继善．2010．广域电磁法研究[J]．中南大学学报（自然科学版），41（03）：1065-1072．

何继善．2020．广域电磁法理论及应用研究的新进展[J]．物探与化探，44（5）：985-990．

武斌，曹俊兴，邹俊，黄金宝．2011．音频大地电磁测深在川西地热勘探研究中应用[J]．工程勘察，39（9）：91-94．

符超，袁博，李学兰，李军广．2016．广域电磁法在保靖页岩气勘探中的应用[J]．工程地球物理学报，13（4）：416-422．

The Application of Wide-Area Electromagnetic and Pseudo-Random Signal Electromagnetic Methods to the Shale Gas Exploration in the Sichuan Basin

WU Bin1TAN Zhang-kun2ZENG Kai3ZOU Jun1CHEN Ning1YU Zhou1CHEN Ting1

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering, Chengdu 610072; 3-The 113rd Geological Team, BGEEMRSP, Luzhou, Sichuan 610100)

Wide-area electromagnetic and pseudo-random signal electromagnetic methods are characterized by large observation area, strong signal, high precision and high efficiency thanks to using a pseudo-random signal. The pseudo-random signal electromagnetic methodcan simultaneously transmit and receive multiple main frequency signals of roughly equal intensity, thus doubles the field efficiency of the electromagnetic method. The application of the wide-area electromagnetic and pseudo-random signal electromagnetic methods to the geophysical exploration of a shale gas block in the Sichuan basin indicates that it can still obtain the effective data of 5 - 6 km depth in the area with strong interference. The wide-area electromagnetic method is effective in stratigraphic division, oil and gas layer identification and structure identification.

wide-area electromagnetic method; pseudo-random signal; shale gas exploration

P319

A

1006-0995（2021）03-0474-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.025

2020-11-08

武斌（1971— ）男，山西临猗人，固体地球物理学博士，教授级高级工程师，主要从事金属地球物理勘查、工程物探及相关研究工作

谭章坤（1986— ）男，湖北公安人，硕士研究生，工程师，主要从事电磁法在资源勘查、隧道勘查、城市地下空间等方向的应用研究