彭勇輝，李帝銓

柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)電性結(jié)構(gòu)研究

彭勇輝，李帝銓

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地震勘探效果不明顯。在該區(qū)布設(shè)了5條廣域電磁法測(cè)線(xiàn)，采用2n序列偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)射源和廣域電磁法油氣目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，研究了該區(qū)電性結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，該區(qū)存在5個(gè)主要電性層，產(chǎn)氣層為高電阻率特征，產(chǎn)氣層反演電阻率是非產(chǎn)氣層的2倍以上。反演結(jié)果與鉆井及地震資料對(duì)比證明，廣域電磁法對(duì)油氣層識(shí)別較有效。由于施工簡(jiǎn)單，成本低，廣域電磁法具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

廣域電磁法；油氣勘探；電性結(jié)構(gòu)；柴達(dá)木盆地

0　引言

與地球物理方法相關(guān)的儲(chǔ)層物性中，含油氣所引起的電阻率變化比含油氣所引起的地震波速度變化及儲(chǔ)層密度變化等均要顯著得多。電磁法作為一種重要的非地震勘探方法，可通過(guò)油氣藏與圍巖的電性及極化特性差異來(lái)探測(cè)油氣藏［1-2］。隨著新觀測(cè)系統(tǒng)的采用、新儀器的成功研制［3-4］以及二三維數(shù)值模擬方法和解釋處理技術(shù)的發(fā)展［5-6］，電磁測(cè)深法已由區(qū)域勘探轉(zhuǎn)為重點(diǎn)目標(biāo)勘探，在復(fù)雜地表區(qū)與復(fù)雜地質(zhì)區(qū)均發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，成為服務(wù)于油氣勘探的新方法。

何展翔等［7］從油氣藏地球物理特征出發(fā)，探討了運(yùn)用電磁法檢測(cè)油氣藏巖石電阻率和激發(fā)極化特性的方法，并給出了油氣藏的電磁異常模式。在傳統(tǒng)可控源音頻大地電磁法（CSAMT）和磁偶源頻率測(cè)深法（MELOS）基礎(chǔ)上，何繼善［8］從場(chǎng)的統(tǒng)一性出發(fā)，將“近區(qū)”、“過(guò)渡區(qū)”和“遠(yuǎn)區(qū)”有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，提出了一種“廣域電磁法”的人工源頻率域電磁測(cè)深新方法。該方法采用偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)送，利用非簡(jiǎn)化公式進(jìn)行視電阻率計(jì)算，可在全域進(jìn)行觀測(cè)，拓展了觀測(cè)范圍，提高了觀測(cè)速度、觀測(cè)精度和野外施工效率。廣域電磁法從提出至今，其方法原理、儀器研制及數(shù)據(jù)處理解釋都有了顯著的發(fā)展。蔣奇云［9］實(shí)現(xiàn)了廣域電磁接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和研制；戴世坤等［10］采用有限元法進(jìn)行正演和采用共軛梯度法對(duì)場(chǎng)值進(jìn)行直接反演，實(shí)現(xiàn)了2.5維正反演研究；李帝銓等［11］采用積分方程法進(jìn)行廣域電磁法三維模擬。在油氣探測(cè)［12］、深部找礦［13］和頁(yè)巖氣勘探［14］等領(lǐng)域，廣域電磁法均已取得了一些滿(mǎn)意的成果。

廣域電磁法具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高和勘探深度大等優(yōu)點(diǎn)。在柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)進(jìn)行廣域電磁法油氣目標(biāo)識(shí)別技術(shù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合測(cè)井和地質(zhì)資料進(jìn)行電性和地層的追蹤對(duì)比，得到了油氣聚集區(qū)的電性參數(shù)；利用廣域視電阻率反演資料，得到了深部地層的埋深和分布特征。筆者嘗試?yán)秒姶欧ㄙY料開(kāi)展油氣層識(shí)別方法研究，以期為該區(qū)的油氣勘探提供參考。

1　方法原理簡(jiǎn)介

廣域電磁法利用適合于全域的公式計(jì)算視電阻率，大大拓展了人工源電磁法的觀測(cè)范圍，在探測(cè)油氣和尋找深部金屬礦產(chǎn)方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。它采用的2n序列偽隨機(jī)信號(hào)是一種理想場(chǎng)源信號(hào)，將它用于電磁測(cè)深工作時(shí)，可提高測(cè)量速度和相鄰頻率信號(hào)的相對(duì)精度。筆者采用水平電流發(fā)射信號(hào)測(cè)量電場(chǎng)的x分量，稱(chēng)之為E-Ex廣域電磁法，這也是目前運(yùn)用最廣泛的廣域測(cè)量形式［15］。下面說(shuō)明廣域電磁法和廣域視電阻率的概念。均勻大地表面水平電偶極源的電場(chǎng)分量可表示為

式中：I為供電電流，A；dL為電偶極源的長(zhǎng)度，m；k為均勻半空間的波數(shù)，無(wú)量綱；r為收發(fā)距，即觀測(cè)點(diǎn)距離偶極子中心的距離，m；σ為電導(dǎo)率，S/m；φ為電偶極源方向和源的中點(diǎn)到接收點(diǎn)矢徑的夾角，（°）。

將電場(chǎng)水平分量的表達(dá)式改寫(xiě)為

其中

式（2）～（3）中：FE-Ex為一個(gè)由發(fā)送電流頻率ω、大地磁導(dǎo)率μ、地下電阻率ρ以及發(fā)收距r構(gòu)成的復(fù)函數(shù)，反映了電磁效應(yīng)在地下的傳播特性。

實(shí)際工作中，通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電位差來(lái)得到Ex，即

式中：xMN為測(cè)量電極間的距離，m；VMN為兩點(diǎn)之間的電位差值，V；ρ為地層視電阻率，Ω·m。

令

式中：KE-Ex為一個(gè)只與觀測(cè)裝置的幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，它是E-Ex方式廣域電磁法測(cè)量視電阻率的裝置系數(shù)。

于是，可以得到視電阻率如下：

由式（6）可以看出，廣域視電阻率定義不存在近似條件，是一個(gè)嚴(yán)格的公式。野外施工時(shí)，只要測(cè)量出電位差、發(fā)送電流以及有關(guān)的極距參數(shù)，采用迭代法計(jì)算，便可計(jì)算出地層的視電阻率。

2　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

2.1地質(zhì)特征

柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)整體表現(xiàn)為自古近紀(jì)以來(lái)持續(xù)發(fā)育的大型盆緣鼻狀古隆起，斜坡背景為巖性油氣藏的形成提供了基本成藏條件，鼻隆帶有利于形成地層巖性油氣藏。該鼻狀構(gòu)造帶是柴達(dá)木盆地油氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域［16-17］，自造山帶向盆地中央方向發(fā)育山前高位斷階帶—中部斜坡區(qū)—低位扭動(dòng)隆起區(qū)—深部凹陷區(qū)共4級(jí)結(jié)構(gòu)，向東南傾覆［18］。該區(qū)基底由元古界深變質(zhì)巖系和古生代變質(zhì)巖系與花崗巖體組成，深部花崗巖及其風(fēng)化殼均是該區(qū)油氣勘探的重點(diǎn)［19］?；鶐r之上發(fā)育新生代沉積地層，且沉積較為齊全，自下而上主要為路樂(lè)河組（E1+2）、下干柴溝組下段、下干柴溝組上段上干柴溝組（N1）和下油砂山組（N21），上油砂山組、獅子溝組和七個(gè)泉組在研究區(qū)多遭剝蝕。區(qū)內(nèi)新生代廣泛發(fā)育濁積扇—辮狀河—辮狀河三角洲沉積體系，厚層砂體儲(chǔ)層分布廣，與上覆蓋層構(gòu)成較好的儲(chǔ)蓋組合［20］。鉆井資料證實(shí)，該區(qū)存在以細(xì)砂巖和粉砂巖為主的E3儲(chǔ)層、以砂礫巖為主的E1+2儲(chǔ)層和原巖為花崗巖的基巖風(fēng)化殼儲(chǔ)層3套含油氣層系［21］（表1）。

表1　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)地質(zhì)與地球物理特征Table1　The geologic and geophysical signature in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

2.2地球物理特征

地層巖石的電性差異是引起地層電阻率異常的基本因素，因此，了解地層巖石的電阻率參數(shù)是做好廣域電磁法資料解釋的基礎(chǔ)。本次工作中主要采用電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)各地層電阻率特征進(jìn)行分析。依據(jù)表1的地層電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，研究區(qū)可劃分為5個(gè)電性層，其中N21和N1為第一電性層，為地表低阻層，電阻率為1.21～5.09 Ω·m；E32為第二電性層，屬于中高阻層，電阻率為2.04～21.57 Ω·m；E31為第三電性層，相對(duì)第二層為電阻率低的電性單元，電阻率為3.40～7.33 Ω·m；E1+2為第四電性層，相對(duì)第三層為電阻率更高的電性單元；基巖為高電阻率的電性單元，為第五電性層。E32和基巖儲(chǔ)層都是相對(duì)高阻特征，基巖與E1+2之間和E31與E32之間存在2個(gè)明顯的電性界面。不同地層的電阻率存在差異，這是在該區(qū)進(jìn)行廣域電磁法勘探的地球物理基礎(chǔ)。

3　廣域電磁法數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

在柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)部署了5條廣域電磁測(cè)深剖面，從阿爾金山前向南依次為L(zhǎng)5～L1線(xiàn)（圖1），每條測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)為10 km，設(shè)計(jì)點(diǎn)距為100 m，設(shè)計(jì)廣域測(cè)點(diǎn)500個(gè)，另外加上20個(gè)檢查點(diǎn)，共完成520個(gè)廣域電磁測(cè)深測(cè)點(diǎn)。測(cè)區(qū)以3號(hào)井（位于L3線(xiàn)4 800 m處）為中心，測(cè)區(qū)面積約為80 km2。在本次實(shí)驗(yàn)中，基巖頂面埋深為2 000～3 500 m。為達(dá)到預(yù)期的探測(cè)深度及滿(mǎn)足施工時(shí)間安排等，收發(fā)距定為8 km，采用n=7（一次發(fā)送含7個(gè)頻率成分）的偽隨機(jī)信號(hào)，頻帶為0.017 5～8 192.000 0 Hz。

圖1　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)地形和廣域電磁測(cè)深工作部署圖Fig.1　Topography and wide field electromagnetic sounding layout in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

廣域電磁測(cè)深資料處理過(guò)程包括：①對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括“飛點(diǎn)剔除”和靜態(tài)校正等）；②對(duì)資料進(jìn)行定性分析（包括對(duì)“頻率-視電阻率”曲線(xiàn)進(jìn)行類(lèi)型分析）；③建立合理的地質(zhì)模型，進(jìn)行二維反演，并結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)、鉆井（主要是電阻率測(cè)井）以及其他物探資料進(jìn)行綜合解釋。靜態(tài)校正方法有很多［22］，此次采用空間濾波法中的中值濾波法，各測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)“飛點(diǎn)剔除”和靜態(tài)校正處理后數(shù)據(jù)光滑程度較高，且沒(méi)有損失數(shù)據(jù)原有信息。

此次廣域測(cè)深工作是通過(guò)在測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得電場(chǎng)水平分量的觀測(cè)值，經(jīng)一系列數(shù)據(jù)處理后獲得該點(diǎn)的廣域視電阻率值。圖2為L(zhǎng)3和L4線(xiàn)部分測(cè)點(diǎn)的廣域視電阻率曲線(xiàn)。從圖2可以看出，區(qū)內(nèi)縱向視電阻率曲線(xiàn)形態(tài)大體相似，說(shuō)明各點(diǎn)的地電斷面具有多層電性結(jié)構(gòu)。視電阻率曲線(xiàn)整體較平滑，在高頻部分由于地表地形的干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)；在低頻的幾個(gè)點(diǎn)中，由于此時(shí)信號(hào)已經(jīng)很弱，不能完全壓制干擾信息。整體而言，視電阻率誤差值都在5%以?xún)?nèi)，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

圖2　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)L3和L4線(xiàn)部分測(cè)點(diǎn)廣域視電阻率曲線(xiàn)Fig.2　The wide filed apparent resistivity curve in some stations of L3 and L4 lines in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

4　綜合地球物理解釋

對(duì)柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)實(shí)測(cè)各線(xiàn)的視電阻率進(jìn)行反演可求得各地層的電阻率和地層厚度?？紤]到曲線(xiàn)反演結(jié)果的多解性，需要收集更多的地質(zhì)和地球物理信息，并選擇合適的反演結(jié)果。L3線(xiàn)4 800 m處（3號(hào)含氣井所在位置）廣域測(cè)深反演結(jié)果與鉆井資料對(duì)比如表2所列。

表2　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)廣域電磁測(cè)深結(jié)果與3號(hào)井地層界面的比較Table2　Comparison between wide field electromagnetic sounding results and formation boundary of well 3 in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

圖3　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)L3線(xiàn)廣域電磁測(cè)深視電阻率反演斷面與地質(zhì)解釋圖Fig.3　Apparent resistivity inversion profile of wide field electromagnetic sounding of L3 line and geological interpretation in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

從表2可以看出，廣域測(cè)深結(jié)果和鉆井資料較吻合。圖3為廣域測(cè)深L3剖面電阻率反演斷面和地質(zhì)解釋圖。對(duì)該測(cè)線(xiàn)反演結(jié)果依據(jù)地層和電性特征進(jìn)行追蹤對(duì)比［23］，得到地層和電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并可應(yīng)用于其他測(cè)線(xiàn)的反演和地質(zhì)解釋。圖4為L(zhǎng)5～L1線(xiàn)反演結(jié)果的三維效果圖。對(duì)各測(cè)線(xiàn)電性變化特征的具體分析如下：L5，L4和L3線(xiàn)電性變化規(guī)律基本一致，反演電阻率剖面從上到下電性變化規(guī)律為低阻—相對(duì)高阻—低阻（高阻）—相對(duì)中低阻—高阻，可對(duì)應(yīng)為5個(gè)主要的電性層。圖4中色調(diào)越冷（偏向藍(lán)色），表示電阻率值越低，反之，表示電阻率值越高。L2線(xiàn)電性斷面主要電性層變化規(guī)律為低阻—相對(duì)高阻—低阻（高阻）—呈遞增趨勢(shì)的相對(duì)高阻—高阻，與L5，L4和L3線(xiàn)均有差異：L2線(xiàn)第四電性層電阻率為中高阻特征，而L5，L4和L3線(xiàn)在第四個(gè)電性層為中低阻層。這一差異可理解為不同構(gòu)造帶上的電性差異。L1線(xiàn)的主要電性層變化規(guī)律為低阻—相對(duì)高阻—低阻—呈遞增趨勢(shì)的相對(duì)高阻—高阻，與L2線(xiàn)類(lèi)似。

圖4　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)L5～L1線(xiàn)廣域測(cè)深視電阻率反演斷面三維效果Fig.4　Apparent resistivity inversion profile of wide field electromagnetic sounding of L5～L1 line in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

對(duì)L5，L4和L3線(xiàn)而言，主要的電性層對(duì)應(yīng)的地層為：第一電性層為N1及以上地層，為表層覆蓋層，從3條電阻率反演剖面來(lái)看，該地層普遍發(fā)育，分布廣；第二和第三電性層分別為為高阻，且沉積了大套巖性為含礫砂巖及砂巖的儲(chǔ)層，普遍發(fā)育各類(lèi)河道砂體，厚度大，以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主；第四電性層為E1+2，以沖積扇—辮狀河粗碎屑沉積為主，與上覆三角洲平原泥質(zhì)巖構(gòu)成相互重疊的儲(chǔ)蓋組合，分布廣，厚度大；第五電性層為以花崗巖為原巖的基巖。L2線(xiàn)和L1線(xiàn)類(lèi)似，第一電性層為N1及以上表層覆蓋層，第二電性層（中高阻）為E32，第三和第四電性層分別為E31和E1+2，第五電性層為基巖。

綜合分析認(rèn)為：①各測(cè)線(xiàn)地電斷面圖一般可對(duì)應(yīng)為5個(gè)主要電性層，位于山前高斷階帶的L5，L4和L3線(xiàn)電性變化規(guī)律一致，但與位于高斷階向中斜坡過(guò)渡的L2線(xiàn)以及位于中斜坡的L1線(xiàn)均有差異，體現(xiàn)了不同構(gòu)造帶的電性特征不同；②3號(hào)井E1+2中砂巖和砂質(zhì)泥巖直接覆蓋于基巖儲(chǔ)層之上，對(duì)基巖油藏起到很好的封蓋作用，從而獲得工業(yè)氣流。L3線(xiàn)E1+2為粗碎屑沉積，砂礫巖儲(chǔ)層上覆三角洲平原泥質(zhì)巖為主的蓋層，反演電阻率規(guī)律為中—低電阻率互層。L5和L4線(xiàn)E1+2電性特征與L3類(lèi)似，具備類(lèi)似的成藏條件。

表3　柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)地層含氣與不含氣反演電阻率統(tǒng)計(jì)Table3　Inversion resistivity statistics of layers with gas and without gas in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

根據(jù)廣域測(cè)深L5～L1線(xiàn)電阻率反演結(jié)果，基底總體為高電阻率特征。由于收發(fā)距為8 km，基巖埋深超過(guò)3 000 m時(shí)，分辨能力有限，基巖厚度不詳。5條剖面基巖及其以下地層均可見(jiàn)局部高電阻率異常體隆起。綜合這些異常信息可以對(duì)研究區(qū)基巖的起伏和地層發(fā)育特征進(jìn)行解釋。從廣域電磁法資料揭示的研究區(qū)基巖頂面構(gòu)造［圖6（a）］可以看出，從阿爾金山前向盆地內(nèi)部，基巖頂面埋深呈階梯狀逐漸加深，形成一個(gè)自山前向盆內(nèi)延伸的鼻狀斜坡。各測(cè)線(xiàn)顯示的基巖起伏情況為：L5，L4和L3線(xiàn)基巖頂面埋深由西往東呈逐漸減小的趨勢(shì)，基巖整體向東傾斜；L2線(xiàn)位于高斷階向中斜坡過(guò)渡的區(qū)帶，基巖整體起伏不大，但也呈略向東傾斜的趨勢(shì)；L1線(xiàn)基本位于斜坡的凹陷處，基巖頂面埋藏深度最大達(dá)4 000 m。通過(guò)與過(guò)6號(hào)井、3號(hào)井和8號(hào)井的地震剖面［圖6（b）］對(duì)比，廣域電磁測(cè)深得到的基巖頂面起伏情況與地震剖面基本一致，且地震剖面上的基底小斷裂［圖6（b）］對(duì)應(yīng)的基巖頂面深度急劇減?。蹐D6（a）］。

圖5　底面構(gòu)造圖與地震勘探結(jié)果對(duì)比Fig.5　The bottom surface structure of upper Xiaganchaigou Formationand seismic exploration result

圖6　基巖頂面構(gòu)造圖與地震勘探結(jié)果對(duì)比Fig.6　The upper surface structure of bedrock and seismic exploration result

5　結(jié)論

（1）柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)可劃分為5個(gè)主要電性層，且不同構(gòu)造帶電性特征存在差異。

（2）柴達(dá)木盆地某油氣聚集區(qū)含氣層表現(xiàn)為高電阻率特征，E32含氣層的反演電阻率值為不含氣層的2倍以上。

（3）由于施工簡(jiǎn)單，成本低，廣域電磁法油氣目標(biāo)識(shí)別技術(shù)可為類(lèi)似區(qū)域提供技術(shù)參考，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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（本文編輯：李在光）

Study on electric structure in a hydrocarbon accumulation area，Qaidam Basin

PENG Yonghui，LI Diquan
（School of Earth Science&Info-physics，Central South University，Changsha 410083，China）

The geological conditions in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin are complex，and the seismic exploration effect is not obvious.By applying wide field electromagnetic method，this paper conducted field experiment with five survey lines and studied the electric structure of the study area by a continuous periodic 2nsequence pseudo-random signal.The results show that five main electric layers exist and the gas layers perform relatively high electrical resistivity.The inversion resistivity values of the gas layers are two times more than that of non-gas layers.Comparing with the well drilling and seismic data，the wide field electromagnetic method is effective for oil and gas identification.Due to the simple field work and low costs，the value of wide field electromagnetic method is tremendous in popularization and application in Qaidam Basin.

wide field electromagnetic method；oil and gas exploration；electric structure；QaidamBasin

P631.3

A

1673-8926（2015）01-0115-07

2014-04-20；

2014-07-16

中國(guó)石油重大科技專(zhuān)項(xiàng)“柴達(dá)木盆地建設(shè)千萬(wàn)噸油氣田綜合配套技術(shù)研究”（編號(hào)：2012A-104）資助

彭勇輝（1989-），男，中南大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶欧ㄓ蜌饪碧健５刂罚海?10083）湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)本部逸夫樓302B。E-mail：xbbh_cs@hotmail.com

李帝銓?zhuān)?982-），男，博士，副教授，主要從事電磁法油氣勘探理論與方法的教學(xué)和科研工作。E-mail：lidiquan@csu.edu.cn。