海四洋（河南理工大學(xué)，河南焦作454150；河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州450052）

電性源瞬變電磁短偏移距頁巖氣探測前景探析

海四洋（河南理工大學(xué)，河南焦作454150；河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州450052）

頁巖氣是一種蘊藏于頁巖層中可開采的天然氣資源。頁巖氣的形成和富集有其獨特的特點。它往往分布在厚度大、分布廣的頁巖烴源巖中。初步估計中國頁巖氣可采資源量31兆立方米。在當(dāng)前的國際形勢下，清潔能源將逐步取代高污染、高耗能、成為未來的主要能源之一。中國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)水平仍處于起步階段。成熟應(yīng)用在煤炭、石油等能源勘探的地球物理方法，從理論上講在頁巖氣勘探中也是可行的，我們需要做較多的探索和研究。瞬變電磁法在煤礦開采中廣泛應(yīng)用，其高效、高一致性的數(shù)據(jù)質(zhì)量，高電阻率異常分辨率等優(yōu)點，得到市場的贊譽和認可。電性源瞬變電磁短偏移距的高信噪比和大深度等優(yōu)點在富頁巖氣地層的埋藏深度、延伸情況、高低起伏等信息探測中將會有比較好的應(yīng)用前景。

頁巖氣；探測；開發(fā)；技術(shù)水平；地球物理；瞬變電磁；電性源瞬變電磁；短偏移距；富頁巖氣地層；應(yīng)用

頁巖成因，按照傳統(tǒng)的理論，頁巖氣是由古生物遺骸長期沉積地下，經(jīng)過漫長地質(zhì)年代變質(zhì)裂解，生成的氣態(tài)碳氫化合物。還有一種理論認為，天然氣的基本成分碳和氫兩種元素，早在地球形成過程中就大量存在，它們比較容易結(jié)合成甲烷即天然氣。根據(jù)這一理論，天然氣在巖石中應(yīng)該是大量存在的。頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，其資源前景十分遠大。

頁巖氣一般埋深超過1000m甚至3000m，頁巖氣的勘探和開采，需要綜合最先進的物探技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)、機械技術(shù)等多種工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)，這也將推動地質(zhì)學(xué)、計算機科學(xué)等多門學(xué)科的發(fā)展。我國頁巖氣的勘探方法目前研究尚處于起步階段，現(xiàn)成熟的地球物理勘探方法主要是地震測、井外等，還少有論述與瞬變電磁在頁巖氣勘探方面的探討。

該文在前人研究的基礎(chǔ)上，從富頁巖氣地層地質(zhì)模型分析，系統(tǒng)地闡述了電性源瞬變電磁短偏移距在頁巖氣勘探和開發(fā)中的應(yīng)用可能，提出了針對頁巖氣勘探和開發(fā)的地球物理方法和建議。

1　富頁巖氣地層分析

1.1富頁巖氣地層地質(zhì)模型

地球物理方法找頁巖氣模型：而頁巖氣與常規(guī)氣藏的主要區(qū)別：頁巖氣藏處于一個自給的系統(tǒng)中，頁巖集烴源巖、儲層、蓋層于一體（圖1）。

圖1　頁巖氣地層地質(zhì)模型

從頁巖氣地層地質(zhì)模型分析，富氣頁巖層是一個較為低阻的地層電性特征；頁巖層上覆地層為砂巖地層，在其自然狀態(tài)下不考慮其較為富水情況，該層位是一個相對富氣頁巖層較為高阻地層；封閉層至地表地層一般情況地層較新，電性上也表現(xiàn)為較為低阻形態(tài)。據(jù)此分析，富氣頁巖層及其上覆地層整體表現(xiàn)為兩低夾一高的電性特征，利用此地層電性特征使利用電法勘探頁巖氣層成為可能。瞬變電磁勘探是電法勘探較為優(yōu)越的一種勘探方法，所以探討分析該方法在頁巖氣探測中的應(yīng)用是十分有意義的。

1.2電法在頁巖氣探測中應(yīng)用簡析

無論用什么樣的地球物理勘探方法，目的是找到地下頁巖的構(gòu)造、埋藏深度、延伸情況、高低起伏等信息.理論上講，頁巖是低阻層，因此，能反映地面千米以下、不同電性分布層的地球物理勘探方法皆能被用于頁巖氣的勘探中，如音頻大地電磁測深法、復(fù)電阻率法和電性源瞬變電磁。

2　電性源瞬變電磁

瞬變電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。其基本工作方法是：于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流：斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。接地導(dǎo)線通以脈沖電流，稱為電性源；不接地回線通以脈沖電流，稱為磁源。

以圖2為電性源瞬變電磁探測的裝置系統(tǒng)示意圖，其裝置比回線源瞬變電磁法易于施工，且探測深度和探測精度相對較高。

圖2　電性源瞬變電磁探測裝置示意圖

2.1電性源瞬變電磁理論

電性源瞬變電磁法是以有限長接地導(dǎo)線為場源，在場源中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)的一種電磁測深方法。目前電性源瞬變電磁法正演計算借用相應(yīng)頻率域正演電磁場計算方法，采用一定變換方法將頻率域結(jié)果變換到時間域得到時間域電磁響應(yīng)。

電性源瞬變電磁的兩種主要模擬方法，G-S變換和余弦變換，G-S變換結(jié)果精度較余弦變換精度要高。電性源赤道裝置與偶極裝置的對比，赤道裝置可以對地下結(jié)構(gòu)取得較好的探測效果，偶極裝置可以取得較高噪比的數(shù)據(jù)。

在電性源瞬變電磁測深中，雖然可以觀測Ex、Ey、Hx、Hy、Hz等五個分量，但Ey、Hx、Hy對地層信息的分辨能力較差，主要觀測水平電場分量Ex，和垂直磁場分量Hz均勻半空間上階躍激勵源下的場表達式（方文藻等，1993）為：

目前，電性源瞬變電磁在石油地球物理勘探中發(fā)揮著越來越重要的作用，其最早由前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代提出，探測深度為1～10km電性源瞬變電磁具有勘探深度大、垂向分辨率高、對電阻率異常體探測靈敏的特點。通過對Hz場和Ex場的研究表明，Hz場在小收發(fā)距時即可進行大深度探測，并具有較高的信噪比，Ex場則對高阻體探測效果非常突出。

2.2電性源瞬變電磁偏移距距富頁巖氣地層探測分析、研究

長偏移距瞬變電磁法是一種應(yīng)用較多的電源瞬變電磁法。長偏移距要求場點到源點距離大于4～6倍的探測深度。長偏移距瞬變電磁法國外研究較多，在中國的長偏移距瞬變電磁技術(shù)已經(jīng)得到了一定的研究，利用這些研究成果，促進了電性源瞬變電磁法的發(fā)展。但由于對源點的大型觀測區(qū)之間的距離點的要求距離大；而隨接收和發(fā)射距離的增加，信號強度急劇下降，信噪比降低，影響探測深度；而且收、發(fā)之間可能跨越多個構(gòu)造單元，其間的地質(zhì)構(gòu)造、地形起伏等引起電性變化，不利于精細探測，使得長偏移距瞬變電磁法廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造簡單，地形平坦地區(qū)。

20世紀(jì)60年代以后，前蘇聯(lián)學(xué)者建立了近場建場的方法。由于它具有更大的檢測深度和更好的探測分辨率，因此它已引起了廣泛的關(guān)注。A LUMBAUGH提出了短偏移距的方法，并用該方法進行高阻目標(biāo)探測；CUEVAS等研究了短偏移情況下瞬變電磁法對深部高阻層的探測，認為近區(qū)探測具有可行性。

理論上，擴散深度定義為給定時間內(nèi)TEM渦流場極值所能達到的最大深度，SPIES給出的擴散深度d公式為：

式中：t為時間；σ為電阻率。由式（3）可見，擴散深度主要與時間及地電結(jié)構(gòu)有關(guān)，與場源類型和偏移距離無關(guān)。在理論研究中，大多根據(jù)式（3）來計算特定地電結(jié)構(gòu)情況下電磁場在某一時刻的擴散深度。

當(dāng)偏移距和目標(biāo)體深度比在0.7～1時，探測深度較大。在實際應(yīng)用中，對于有效探測深度，往往要考慮設(shè)備的功能及接收儀器的靈敏度、測量精度、噪聲強度和地電參數(shù)等因素。TEM的實際探測深度定義為信號衰減到噪聲電平時的擴散深度。近場區(qū)探測深度dn，采用以下公式進行計算：

式中：η為儀器最小可分辨電壓；ρ為地層電阻率；I為發(fā)送電流；AB為發(fā)射線長度。給定發(fā)射電流和AB長度，采用進場區(qū)探測深度公式進行近場區(qū)探測深度dn計算，計算結(jié)果可以分析出：近場探測深度3000m的AB長度時，可以確保探測到埋深4km的目標(biāo)體。我國四川盆地頁巖氣埋藏深度，一般在2000～3000m之間，4km的探測深度完全能滿足在我國大部分地區(qū)頁巖氣探測的需要。一些特殊地區(qū)埋藏深度會達到5000m上下，理論上講只要η的分辨率足夠高，選擇合理的AB長度，就能夠達到10km深度目標(biāo)體的探測的可能。按照我國頁巖氣埋藏深度情況分析，探測深度達到6km已基本滿足富頁巖氣地層的探測需求，以上電性源瞬變電磁短偏移距的計算數(shù)據(jù)分析，足夠滿足我國頁巖氣目標(biāo)體探測的需求。

3　結(jié)論

電性源瞬變電磁短偏移距探測裝置及方法系統(tǒng)，能夠滿足頁巖氣探測的深度和電性物理特征的高分辨率判別。接地線源短偏移瞬變電磁法比回線源瞬變電磁法易于施工，且探測深度和探測精度相對較高?？梢允褂枚鄧L試該方法在頁巖氣探測方面的研究應(yīng)用，進一步創(chuàng)新和完善其應(yīng)用思路。

同時電性源瞬變電磁也具有物探方法的多解性，資料處理與解釋時一定要緊密結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，減少或排除多解的可能，使成果盡可能的貼合實際，真正的指導(dǎo)生產(chǎn)。

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2016-9-2