广域电磁法在赣南某盆地油气勘探中的应用

2017-11-01张乔勋李帝铨田茂军

石油地球物理勘探 2017年5期

关键词：广域中南大学盆地

张乔勋李帝铨* 田茂军

(①中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083； ②有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室，湖南长沙 410083； ③有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)，湖南长沙 410083)

广域电磁法在赣南某盆地油气勘探中的应用

张乔勋①②③李帝铨*①②③田茂军①②③

张乔勋，李帝铨，田茂军.广域电磁法在赣南某盆地油气勘探中的应用.石油地球物理勘探，2017,52(5):1085-1092.

赣南某盆地版石组地层烃源岩丰富、总有机碳含量高，具有非常好的油气勘探前景。但由于该盆地多为红层覆盖、地面条件复杂、深部火山岩分布广泛，导致地震资料品质较低，目的层埋深、厚度等信息不清。将广域电磁法(WFEM)应用于该盆地油气勘探，揭示了研究区内富有机质页岩层为低阻，厘清了研究区地层展布、厚度、埋深等关键信息，落实了主要目的层版石组分布范围及参数井井位，为油气资源评价和选区工作提供了依据。

广域电磁法页岩油气致密油气红层火山岩

1 引言

随着石油工业的发展，油气勘探开发领域从常规油气向非常规油气跨越，与此同时对勘探技术提出了更高的要求[1,2]。非常规油气包括致密砂岩油气、致密碳酸盐岩油气、页岩油气等，一般源储共生，大面积连续或准连续分布于盆地斜坡或中心[3-6]。

江西是一个常规油气资源匮乏的省份，但发育有白垩系、二叠系、志留系、寒武系等多套泥页岩、油页岩层系，分布广泛、厚度大、层位相对稳定，具备页岩油气藏形成的地质条件，页岩油气、致密砂岩油气资源潜力巨大，有良好的勘探开发前景[7,8]。

赣南某盆地多为红层覆盖、地下火山岩发育、地质条件复杂、局部小构造多，对于地震勘探而言波阻抗差小、反射能量弱、地震波散射严重，资料品质低[9]；在盆地基底之上沉积多套地层，页岩目的层埋藏深度一般在1500m左右，加之该地区地面多以山地为主，常规电法勘探的探测深度难以达到要求，而且数据采集工作困难。二十世纪七十年代对整个盆地进行了重力勘探，清晰地展现了该区的布格重力异常分布，圈定了盆地沉积中心位置，大体反映了基底的起伏形态，但是远远达不到对整个盆地预期的勘探效果；另外，该地区页岩样品主要来源于目的层出露的局部区域，对于整个盆地而言地质资料缺乏且具有局限性，对油气评价和选区工作作用不大。以上这些问题导致多年来没能厘清该盆地目的层的分布范围，油气勘探一直未能取得突破性进展。

近些年来，非常规油气尤其是页岩油气勘探取得了显著进展，主要包括地震和非地震两类勘探方法，而非地震方法以电磁法居多[10-14]。考虑到该盆地勘探程度低、页岩目的层埋深较大、地面条件比较复杂等因素，为揭示盆地烃源岩的岩石电性特征及电磁响应规律，提供油气成藏条件的地质评价依据，落实参数井井位，中南大学在该地区开展广域电磁法勘探，部署了一条垂直于盆地构造走向的测线，以期查明研究区内的盆地结构、基底性质、地层分布及断裂特征，落实主要目的层下白垩统版石组地层分布、构造特征、埋深、厚度等信息。广域电磁法[15,16]以其抗干扰能力强、工作效率高、勘探深度大、低成本等优势，已在内蒙古大杨树盆地、新疆哈密盆地、甘肃老君庙、湖南龙山等多个地区开展油气勘探[17-19]，并且取得了很好的效果。

2 广域电磁法原理

广域电磁法是基于传统的可控源音频大地电磁法(CSAMT)和磁偶源频率测深法(MELOS)提出的一种人工源频率域电磁测深方法[20]，它打破了传统上将电磁波近似划分为“近区”、“过渡区”和“远区”的理论禁锢，首次严格从电磁波方程表达式出发，定义了适用于全区的视电阻率及相关参数。

广域电磁法根据场源不同可分为：电流源广域电磁法和垂直磁场源广域电磁法。电流源广域电磁法是通过人工接地场源建立谐变电磁场，向地下发送不同频率的交变电流，在广大的、不局限于传统“远区”的区域内，观测一个或多个电磁场分量，计算广域视电阻率，达到探测不同埋深地质目标体的目的。理论分析以及对比试验表明：测量电流源产生的电场Ex较为实用[16]。

地表观测的水平电偶极源激励的电场水平分量Ex可表示为

(1)

广域视电阻率定义为

(2)

式中

ΔVMN=Ex·MN

由于沼气产生过程复杂及影响因素较多，精确计算出沼气的产生速率和产量比较困难。目前预测沼气产气量的主要方法包括：经验估算法、Scholl Canyon模型、Monad模型以及由美国环保总署提出的垃圾沼气排放模型等［1-2］。根据已完成的可行性研究报告，已填埋的垃圾量、垃圾主要组成、填埋工艺等情况基本符合Scholl Canyon模型的要求，同时根据CJJ 133—2009生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范［3］，可以按此模型预测沼气的产量，模型算法如下。

其中：KE-Ex为装置系数；φ为方位角；FE-Ex(ikr)为电磁响应函数；k为波数，k2=ω2με-iωμσ，ε为介质的介电常数，μ为介质的磁导率，ω为圆频率；ΔVMN为观测电位差，MN为点距；I为发射电流； dL为供电线长度;r为收发距。从式(2)可以看出，只需测量一个电场分量Ex，再通过迭代就能获得广域视电阻率，相比需要测量电场和磁场分量的CSAMT法，广域电磁法装备简单轻便，勘探精度和效率也更高。

3 研究区概况和数据采集

研究区地处南岭山脉的延续地带，属中低山地和丘陵地区，盆地边缘地形高峻复杂，海拔为500～750m，盆地内部属于低山丘陵地形，海拔为200～400m。区内电力、通讯设施较为配套、齐全，无线电通讯及宽带网络覆盖整个工区，电磁干扰和人文环境增加了电磁法勘探的难度。

研究区为构造呈北东向、白垩系地层为主的断陷盆地，基底为震旦—寒武系变质岩，之上沉积了中生界，其底部为鸡笼嶂组(K1j)火山岩，在火山岩之上沉积了白垩系版石组(K1b)、冷水坞组(K1l)、茅店组(K2m)、周田组(K2z)、龟峰群(K2g)以及第四系。盆地总体为一箕状，盆底向西南侧倾斜，沉积中心随着时间推移向倾斜方向位移，在早期山麓堆积的基础上发展成山区河湖相盆地，间歇性的暴雨洪水经常引起泥石流，不时活动的火山喷发使火山湖盆不能保持稳定的沉积，常见版石组火山角砾岩、油页岩、泥页岩及凝灰岩互层的沉积特征。

图1 研究区测线位置图

测线位置如图1所示，呈北北西向延伸，与区内构造走向垂直，全长9.5km，点距为100m(109～130号测点加密，点距为50m)。为了达到预期的探测深度以及实际工作时间安排等需要，采用n=7，即一次发射含7个频率成分的2n系列伪随机信号，测量频率为0.01～8192Hz，共40个频点，场源AB(图2)长度约1.3km，发射电流为120A，收发距为16.0～17.25km。采用水平电偶极源，所以采用赤道偶极装置，观测信号比共轴偶极装置强大约一倍。由于r>10dL，观测到的场与真正偶极子的场相差远小于1%；收发线与发射偶极中垂线的夹角即观测张角最大为22°，远小于测量装置规范所规定的30°。综上所述，此次勘探设计完全达到了行业要求。

图2 数据采集的场源与测点相对位置图

4 地球物理特性分析

对研究区内岩石标本进行小四极测量，利用直流电阻率法及双频激电法，对岩石样本进行了电阻率测定。通过对盆地内采集的岩矿石标本数据进行整理，本次标本采样点的出露地层有白垩系版石组(K1b)21处、白垩系冷水坞组(K1l)10处、白垩系茅店组(K2m)10处、白垩系周田组(K2z)11处、白垩系龟峰群(K2g)11处、白垩系鸡笼嶂组(K1j)14处、侏罗系林山组(J1l)10处。

图3为对所采岩样利用小四极测量所得的研究区地层电阻率分布图，从左往右按照新老地层及岩性特征排布，尤其对目的层版石组电阻率特征进行了较为详细的划分，图中红框圈定的为版石组黑色页岩、油页岩，具有明显的低电阻率特征。根据研究区地质资料及部分实测物性标本，各岩性层物性特征统计如表1所示，目的层版石组中泥页岩、油页岩与上覆的茅店组和冷水坞组含砾砂岩、粉砂岩以及下伏的鸡笼嶂组灰岩均显示出明显的电阻率差异。根据相关的电磁理论，不同岩性之间的电性差异是进行广域电磁法勘探的地球物理依据。

图3 地层物性统计柱状图

表1 版石组及围岩物性参数统计表

5 有效性分析

根据研究区物性资料统计，大体可以分为四个电性层，自上而下依次为： ①包括龟峰群、周田组等地层的砂岩、粉砂岩、泥岩，显示为中等电阻率，厚度约700m； ②包括茅店组、冷水坞组等地层的砾岩、砂砾岩、粉砂岩，显示为次高阻，厚度约600m； ③包括版石组等地层的泥页岩、油页岩、泥岩，表现为明显的低阻，厚度约700m； ④包括鸡笼嶂组、林山组、寒武—震旦系等地层的灰岩、石英砂岩，表现为明显的高阻。由此建立了一维层状介质正演模型，从上至下电阻率依次为：第一层为200Ω·m；第二层为500Ω·m；第三层碳质含量高时为100Ω·m，没有碳质页岩时为500Ω·m；最后一层基底为1000Ω·m。模型正演参数与野外采集一致。图4左中蓝线和红线分别为含油气页岩和不含油气页岩所对应的视电阻率曲线，两支曲线在达到趋肤深度(即版石组埋深)频率以下后出现明显的差异，最大时异常可达60%(图4右)，这说明根据广域电磁法视电阻率曲线异常能够识别版石组是否含有碳质页岩。

图4 视电阻率曲线对比(左)及异常幅值(右)

6 数据处理与解释

广域电磁法数据处理解释一般按照“数据预处理—定性分析—定量解释”的流程进行；再结合地质、物性等资料进行综合解释；根据地质解释剖面建立正演模型，对比分析原始数据反演与模型反演结果，并借助多参数约束反演技术进行地质解释，以提高综合解释的可靠性。

数据预处理主要包括去噪处理和静校正，对测线每个测点数据进行综合对比分析消除或降低静态效应[21]的影响，通过手动或空间滤波[22,23]去除飞点，对野外噪声干扰进行压制，以提高数据的可靠性，为反演奠定基础。

通过对原始数据拟地震图、频率—视电阻率拟断面图、等频率视电阻率曲线图等原始数据图件进行定性分析，初步识别断裂位置，获取地层电性特征。

通过对一维和二维反演剖面进行定量解释，最终给出电性断面解释图[24-26]。一维反演包括层状介质反演[27]和连续介质反演[28,29]；二维反演则通过非线性共轭梯度反演[30]获取剖面地电结构。

结合此次研究提出“以反演结果为主，以地质资料做修正”的解释思路，具体研究断裂构造、地层格架、目的层分布，基于已有的地质、物探、测井等资料和本次试验获取的资料综合评价油气藏的电性特征。

图5是该测线的原始曲线及其拟地震剖面，可根据视电阻率曲线横向变化以及拟地震剖面同相轴连续性分析构造的发育情况。其中点116～点129之间曲线形态横向变化剧烈，构造比较复杂；而点133～点170之间曲线连续性较好，表明构造比较简单。

图6为原始数据的等频率振幅曲线图，可用来观察同一频率下视电阻率在横向上的变化趋势，可以定性地分析地层的起伏特征。该测线剖面总体上表现出凹陷特征，局部有凹中隆，这为最终的地质解释提供了依据。

图7为电阻率二维反演及地质解释剖面图，研究区内电阻率剖面横向上整体可以划分为三段：南东段(点101～点126)地层电性整体上从上至下呈高—低—高分布特征；中部(点126～点170)地层电阻率整体上从上至下呈低—高—低—高分布特征；北西段(点170～点195)地层电性整体呈现出高—低—高分布特征。整体上来看，测区为一北东倾向的断陷盆地，剖面上两边地层整体隆起，中间地层整体凹陷，凹陷盆地内白垩系构成转折端宽缓的背斜构造(点126～点160稍微凸起)。因此，剖面呈现出凹中隆的特点。测区内断裂构造发育，集中分布于剖面的南、北两端，F70为断陷盆地的北部主断裂，F26为断陷盆地的南部主断裂，均为逆断层，剖面南端的多条断裂对页岩层位具有控制作用。

图5 原始数据曲线(上)及拟地震剖面(下)

图6 原始数据的等频率视电阻率曲线图

版石组中的油页岩、泥岩、页岩等富有机质烃源岩自生自储，为页岩油气的有利储集层。测线中部(点126～点170)断裂构造不发育，目的层埋深相对较深，地层连续性较好，因而是油页岩的相对发育区域。图8为极化率曲线剖面，可以看出，极化率较高的位置为点116～点170测段。因此，推断在点126～点170之间、海拔为-700～-1300m(埋深约1000～1600m)的层段发育了良好的油页岩、泥页岩地层，厚度约为470～660m，平均厚度约为560m。

图8 极化率曲线图

图9 钻井地层剖面(左)及地质解释图(右)

钻井1位于点142～点143之间(图9)，由其地层剖面(图9左)可知，龟峰群底深为116m，岩性为棕红色砂砾岩；周田组底界井深466.53m，岩性为灰色、深灰色、紫红色泥岩，浅紫红色砂砾岩；茅店组底深924.46m，岩性为浅紫红色砂砾岩，浅紫红色、浅灰绿色基性火山熔岩；版石组岩性为浅灰绿色角粒熔岩，浅灰色凝灰岩，灰黑色泥岩。根据电阻率反演剖面解释三个界面的深度分别为155、490.7、920.7m，反演深度误差较小，龟峰组、周田组的分界面基本准确，目的层版石组埋深也吻合。另外，版石组钻遇1.54m+0.32m油页岩，至1500m深度出现多段裂隙含油层。可见，广域电磁法对于反演深度具有很高的准确度，电性层界面也很清晰。

7 结论

(1)广域电磁法测量精度高、探测深度大、反演成像信息量大、对低阻异常体有很好的反映，将广域电磁法应用于该盆地油气探测，能够有效识别目的层，获取富有机质页岩的分布范围。

(2)研究区为主构造沿北东向的断陷盆地，整体凹陷，测线中部隆起，凹中隆的地层特点有利于油气的储集。

(3)广域电磁法在该盆地的应用为研究该盆地地层构造提供了更可靠的依据，更为江西地区的油气资源评价提供了一种有效的地球物理勘探方法。

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(本文编辑：刘海樱)