沈義斌，楊 俊，曹 陽(yáng)，劉雪軍，王財(cái)富，何展翔

1.深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方科技大學(xué)），廣東 深圳 518055；2.廣東省地球物理高精度成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方科技大學(xué)），廣東 深圳 518055；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；4.東方地球物理公司，河北 涿州 072751；5.南方科技大學(xué) 地球與空間科學(xué)系，廣東 深圳 518055

0 前言

電磁法是油氣勘探的主要方法之一，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展取得了長(zhǎng)足進(jìn)步.隨著勘探目標(biāo)的不斷加深，以及勘探地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，常規(guī)的電磁勘探方法已不能滿(mǎn)足勘探開(kāi)發(fā)的要求，為解決常規(guī)方法勘探能力的不足，人們開(kāi)始研發(fā)其他有效的電磁勘探方法.

時(shí)頻電磁法（Time Frequency Electromagnetic Method，TFEM）勘探技術(shù)就是在油氣勘探走向深入，難度越來(lái)越大的背景下，為適應(yīng)油氣勘探開(kāi)發(fā)的需要，經(jīng)過(guò)20 余年的探索發(fā)展起來(lái)的適用于深部資源探測(cè)的新方法［1］.TFEM 作為一項(xiàng)比較成熟的油氣檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外多個(gè)盆地已得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的勘探效果［2-6］.經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐表明，該技術(shù)是在目標(biāo)儲(chǔ)層巖石物性研究基礎(chǔ)上，有效地提取儲(chǔ)層油氣相關(guān)異常信息，彌補(bǔ)了地震在油氣檢測(cè)方面的不足.

巖石的導(dǎo)電性是電磁勘探的基礎(chǔ).儲(chǔ)層巖石電阻率參數(shù)一直是區(qū)分油水界面、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油性與程度的核心參數(shù).相較于巖石物理彈性理論研究方面，巖石物理電性研究起步稍晚［7-10］.通過(guò)巖石物性研究可充分了解儲(chǔ)層含油氣與巖石物性參數(shù)之間的相關(guān)性，為電磁油氣檢測(cè)提供必要基礎(chǔ)［11-12］.但是，時(shí)頻電磁油氣檢測(cè)一直停留在定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，直到2021 年趙云生等利用Archie 公式對(duì)井地電磁法的電阻率、極化率資料進(jìn)行火成巖油氣儲(chǔ)層飽和度計(jì)算才突破了電磁方法定量?jī)?chǔ)層評(píng)價(jià)的方法瓶頸［13］.另外，曲昕馨等基于溫壓與電阻率關(guān)系對(duì)電磁反演的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)校校正研究，建立了不同類(lèi)型巖石的電阻率與溫度、壓力定量關(guān)系，提出了一種基于溫壓與電阻率關(guān)系的電磁反演校正方法［14］，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的校正處理，證明了該方法可有效提高對(duì)薄層的精細(xì)劃分能力，但并沒(méi)有進(jìn)一步開(kāi)展油氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià).

本文利用西部CXN 地區(qū)火山巖發(fā)育區(qū)時(shí)頻電磁反演數(shù)據(jù)，在巖石物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，研究?jī)?chǔ)層巖石電性參數(shù)隨溫度和壓力變化的特征及校正方法，進(jìn)而進(jìn)行儲(chǔ)層飽和度預(yù)測(cè)的探索.

1 巖石溫壓頻散測(cè)試分析

巖石復(fù)電阻率頻散實(shí)驗(yàn)的巖心均取自CXN 地區(qū).巖心有砂巖、灰?guī)r、白云巖3 類(lèi)（表1），合計(jì)25 塊巖石樣本.本研究用于巖石頻散實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器為AutoLab-1000，測(cè)量的頻率范圍0.01～10 000 Hz，一共31 個(gè)頻點(diǎn).巖心壓力的頻散測(cè)試時(shí)，溫度控制為25 ℃，測(cè)試10、20、30、40、50、60、70 MPa 下巖心電阻率頻散曲線(xiàn)；溫度的巖心頻散實(shí)驗(yàn)，設(shè)置圍壓10 MPa，溫度為30、45、60、75、90、100 ℃，測(cè)量巖心的電阻率頻散曲線(xiàn).

表1 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)表Table 1 Parameters of cores for experiment

1.1 壓力與電性參數(shù)之間的關(guān)系

儲(chǔ)層的主要巖性多是含有孔隙的巖石，隨著地層深度的增加，儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的地層壓力增大，巖石受應(yīng)力作用更加致密.儲(chǔ)層的主要巖性是少含導(dǎo)電礦物的巖石，地層水會(huì)作為巖石孔隙內(nèi)部的主要成分，所以巖石內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)制中，電磁感應(yīng)所占比重將比較小，主要為離子導(dǎo)電.本實(shí)驗(yàn)所選用的巖心包括灰色白云質(zhì)灰?guī)r、灰色灰?guī)r、灰色含砂質(zhì)硅質(zhì)灰?guī)r3 種巖石.不同壓力下的電性參數(shù)頻譜特征均大致相同，這里僅以137號(hào)灰色含砂質(zhì)硅質(zhì)灰?guī)r為例，從10 MPa 開(kāi)始，70 MPa 結(jié)束，壓力遞增梯度為10 MPa（圖1）.

壓力對(duì)電阻率數(shù)值的影響顯而易見(jiàn).從圖1 中不難看出，在10 MPa 壓力下巖心電阻率的幅值處于1 200 Ωm左右；但在70 MPa 壓力下時(shí)，電阻率數(shù)值接近2 900 Ωm.同樣，相位也會(huì)隨壓力變化逐漸變化，但整體的數(shù)值差異不大.曲線(xiàn)首端接近重合，整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且施加的壓力越大，相位數(shù)值越小，對(duì)于巖石的極化模式影響很大.

圖1 不同壓力條件下灰色含砂質(zhì)硅質(zhì)灰?guī)r（137 號(hào)巖心）的頻譜特征Fig.1 Spectrum characteristics of sandy siliceous limestone（core 137）under different pressure conditions

1.2 溫度與電性參數(shù)之間的關(guān)系

當(dāng)外界溫度增大的時(shí)候，巖石內(nèi)部的導(dǎo)電離子活動(dòng)性能也會(huì)隨之變強(qiáng)，因此巖石內(nèi)部的導(dǎo)電能力也會(huì)變強(qiáng)，而巖石的電阻率則會(huì)隨之減小.圖2 為114號(hào)巖心在不同溫度情況下復(fù)電阻率隨溫度變化的圖像.

圖2 不同溫度條件下灰色白云質(zhì)灰?guī)r（114 號(hào)巖心）的頻譜特征Fig.2 Spectrum characteristics of dolomitic limestone（core 114）at different temperatures

從圖2a 可見(jiàn)，在不同溫度條件下，灰色白云質(zhì)灰?guī)r復(fù)電阻率振幅曲線(xiàn)首端有明顯差距，而且隨著溫度的增大，曲線(xiàn)趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生太大改變，復(fù)電阻率振幅的減幅越來(lái)越小.曲線(xiàn)隨著頻率的增大逐漸靠攏，并一直保持下降的趨勢(shì)，直到進(jìn)入高頻段以后，曲線(xiàn)開(kāi)始重合并最終相交.而相位曲線(xiàn)的情況與復(fù)電阻率振幅曲線(xiàn)相反，呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢(shì)（圖2b）.可以看到在中低頻段，曲線(xiàn)能完全重合在一起；隨著頻率增大，曲線(xiàn)開(kāi)始下降并逐漸分開(kāi)，且在同一頻率時(shí)，溫度越低，相位越小.

值得注意的是，電阻率的幅值差異較大，甚至能達(dá)到幾倍的差距.30 ℃時(shí)超過(guò)了120 000 Ωm，而100 ℃的灰色白云質(zhì)灰?guī)r復(fù)電阻率降低到40 000 Ωm.由此可見(jiàn)溫度對(duì)于巖石復(fù)電阻率有很大的影響.這說(shuō)明在電磁資料反演過(guò)程中，忽視溫度對(duì)于電阻率的影響，可能會(huì)給地球物理數(shù)據(jù)處理帶來(lái)明顯的誤差.

1.3 溫度、壓力與電性參數(shù)之間的關(guān)系

對(duì)5 種巖石進(jìn)行溫壓實(shí)驗(yàn).圖3 所示為116 號(hào)巖石樣品灰色白云質(zhì)灰?guī)r的復(fù)電阻率振幅和相位隨溫度的變化曲線(xiàn).從圖3 可見(jiàn)，電阻率隨溫度升高而降低，相位隨溫度升高而增加.圖4 為116 樣品在30 ℃下復(fù)電阻率振幅和相位隨壓力的變化曲線(xiàn).觀察圖4 可見(jiàn)，電阻率隨壓力升高而升高，相位隨壓力升高而降低.因此，在野外工作實(shí)際處理資料過(guò)程中，通過(guò)上述關(guān)系對(duì)電性參數(shù)進(jìn)行溫度和壓力校正后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則可以提高儲(chǔ)層解釋精度和效果.

圖3 灰色白云質(zhì)灰?guī)r（116 號(hào)巖心）復(fù)電阻率溫度擬合Fig.3 Temperature fitting of complex resistivity for dolomitic limestone（core 116）

圖4 灰色白云質(zhì)灰?guī)r（116 號(hào)巖心）復(fù)電阻率壓力擬合Fig.4 Pressure fitting of complex resistivity for dolomitic limestone（core 116）

2 電阻率反演數(shù)據(jù)校正方法

在對(duì)目標(biāo)位置的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正之前，筆者查閱了CXN 地區(qū)的地區(qū)溫壓系統(tǒng)，明確了研究區(qū)的壓力梯度和溫度梯度.根據(jù)前人對(duì)CXN 拗陷20 多個(gè)含氣構(gòu)造的主要地層壓力的分析資料［15］，對(duì)研究區(qū)的地層壓力分布特征有了一定的認(rèn)識(shí).按照壓力系數(shù)對(duì)CXN 地區(qū)地層壓力進(jìn)行了分類(lèi)（表2）.

表2 研究區(qū)地層壓力分類(lèi)表Table 2 Classification of formation pressure in the study area

劉震等［16］提出將地層壓力和地溫看作一個(gè)整體系統(tǒng)，那么含油氣盆地的地溫-地層壓力系統(tǒng)就是一個(gè)獨(dú)立的封閉系統(tǒng)，并給出了地溫-地層的壓力方程［16］：

其中K 和L 均為于封閉系統(tǒng)內(nèi)部氣體體積有關(guān)的常量，T 和P 分別為地溫和地層壓力.從西部某盆地地溫、地層壓力特征圖（圖5）可得知，隨著深度增加，在800～2 000 m 時(shí)，地層壓力處于2～4 MPa 的低幅超壓.通過(guò)測(cè)量得出該地區(qū)的地溫梯度為1.93 ℃/hm，地壓梯度為2 MPa/hm，平均地表溫度為27 ℃.

圖5 研究區(qū)溫壓梯度曲線(xiàn)（據(jù)文獻(xiàn)［17］修改）Fig.5 Temperature and pressure gradient curve of the study area（Modified from Reference［17］）

2.1 巖石溫壓關(guān)系曲線(xiàn)的擬合

在研究區(qū)根據(jù)重磁電震和YT-1 井測(cè)井資料，確定了測(cè)線(xiàn)TFEM1902 的儲(chǔ)層范圍：深度5 500～6 300 m處，主要巖性包含灰?guī)r、頁(yè)巖和白云巖3 種巖石.故以巖心編號(hào)為120 號(hào)的灰色灰?guī)r進(jìn)行溫壓數(shù)據(jù)擬合，獲取復(fù)電阻率振幅、相位和溫度、壓力對(duì)應(yīng)的數(shù)值關(guān)系，其中激發(fā)頻率取0.01 Hz.對(duì)選取的數(shù)據(jù)擬合后得到了不同的溫度和壓力條件下灰色白云質(zhì)灰?guī)r的擬合圖像，如圖6、7 所示.

圖6 灰色灰?guī)r（120 號(hào)巖心）復(fù)電阻率溫度擬合Fig.6 Temperature fitting of complex resistivity for gray limestone（core 120）

由圖6a、7a 可知，隨著溫度和壓強(qiáng)的增大，復(fù)電阻率振幅分別減小和增大，所以在實(shí)際的反演過(guò)程中，隨著地層深度的增加，溫壓的綜合作用存在互相抵消的情況.為了使反演結(jié)果更加精確，利用巖石物理方法獲取復(fù)電阻率振幅對(duì)應(yīng)溫度壓力的數(shù)值關(guān)系，為后面的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行溫壓校正提供基礎(chǔ).

2.2 典型剖面儲(chǔ)層目標(biāo)的圈定及數(shù)據(jù)校正

1）提取TFEM1902 測(cè)線(xiàn)資料，繪制時(shí)頻電磁反演電阻率剖面（圖8）；同樣，繪制TFEM1902 測(cè)線(xiàn)的極化率剖面（圖9）.

圖9 測(cè)線(xiàn)EM1902 極化率剖面Fig.9 Polarizability profile of survey line EM1902

2）將對(duì)應(yīng)測(cè)線(xiàn)的極化率剖面與時(shí)頻電磁反演剖面結(jié)合起來(lái)比較，結(jié)合一級(jí)有利區(qū)某些深度對(duì)應(yīng)的極化率較高的特點(diǎn)，可以在圖8 中深度約3.6 km 處大致確定測(cè)線(xiàn)TFEM1902 的儲(chǔ)層范圍.

圖8 測(cè)線(xiàn)EM1902 電阻率反演剖面Fig.8 Resistivity inversion profile of survey line EM1902

為了同時(shí)考慮到溫度、壓力對(duì)電阻率的影響.曲昕馨等［14］提出電阻率溫壓校正的綜合函數(shù)：

圖7 灰色灰?guī)r（120 號(hào)巖心）復(fù)電阻率壓力擬合Fig.7 Pressure fitting of complex resistivity for gray limestone（core 120）

其中C 為校正系數(shù)，可通過(guò)溫度、壓力梯度共同定義，可表示為：

式中，ρ（H）為地層深度H 下的電阻率定義，即常規(guī)勘探測(cè)得的電阻率數(shù)據(jù)；ρ（H0）為初始深度下的地層電阻率；a 為巖石對(duì)數(shù)電阻率的地溫梯度；b 為巖石對(duì)數(shù)電阻率的地壓梯度；ml為巖石的膠結(jié)因數(shù)，l=1，2，3……；Φ 為地層巖石的孔隙度，可由剖面的測(cè)井曲線(xiàn)給出.由圖5 可知CXN 地區(qū)的地溫梯度和壓力梯度，其中，?P/?H=2，?T/?H=1.93.根據(jù)前人研究，有a=1.05，m=1.53，b=1.01，n=1.93［18］.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以通過(guò)式（2）（3）獲得校正后的地層電阻率ρ（H），如圖10 所示.

圖10 測(cè)線(xiàn)EM1902 校正后反演剖面Fig.10 Corrected inversion profile of survey line EM1902

3 儲(chǔ)層含油飽和度的估算

飽和度對(duì)于儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)十分的重要.測(cè)飽和度模型有威克斯曼-史密斯（W-S）［19］等類(lèi)型，為便于計(jì)算一般使用Archie 公式［20］：

其中，Rt為儲(chǔ)層地層電阻率（本研究為考慮溫壓影響的電阻率）；Rw為儲(chǔ)層地層水的電阻率；Sw儲(chǔ)層的含水飽和度.根據(jù)探區(qū)測(cè)井資料，地層水電阻率為0.65 Ωm，儲(chǔ)層平均孔隙度為0.17，m 取值為2，飽和度指數(shù)n 設(shè)置為2.

這里公式中儲(chǔ)層地層電阻率Rt為考慮激發(fā)極化效應(yīng)的復(fù)電阻率振幅，帶入前面的儲(chǔ)層電阻率和極化率數(shù)值，同時(shí)假定時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)分別為10和0.5，利用Cole-Cole 模型計(jì)算近似的等效復(fù)電阻率.

利用公式（4）可對(duì)儲(chǔ)層目標(biāo)進(jìn)行飽和度計(jì)算，選取測(cè)線(xiàn)有利儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)25 km（YT-1 井）附近，縱向深度為1.6～3.9 km 處的數(shù)據(jù)繪制得到隨地層深度變化，電阻率和飽和度變化的曲線(xiàn)，如圖11 所示.可見(jiàn)，估算的儲(chǔ)層飽和度達(dá)到80%以上，這與研究區(qū)火成巖儲(chǔ)層工業(yè)油井的飽和度一致.

圖11 測(cè)線(xiàn)TFEM1902（1.6～3.9 km）儲(chǔ)層飽和度估算Fig.11 Estimation of reservoir saturation of survey line TFEM1902（1.6-3.9 km）

4 結(jié)論

通過(guò)巖石溫壓電阻率頻散測(cè)試，獲得研究區(qū)儲(chǔ)層巖石隨著溫度和壓強(qiáng)的增大，復(fù)電阻率分別減小和增大.因此，隨著地層深度的增加，溫度和壓力的變化對(duì)于地層物性影響是綜合作用.同時(shí)，通過(guò)巖石飽和度電阻率極化率測(cè)試研究，獲得飽和度隨復(fù)電阻率變化關(guān)系；利用溫壓校正的綜合函數(shù)關(guān)系式計(jì)算地層電阻率，進(jìn)而基于研究區(qū)相關(guān)儲(chǔ)層特性開(kāi)展飽和度評(píng)價(jià).該研究無(wú)疑還存在諸多不足，但不失為時(shí)頻電磁從儲(chǔ)層含油氣定性預(yù)測(cè)走向儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)進(jìn)行的一種探索.

致謝：本項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深地/深海探測(cè)中強(qiáng)電流激發(fā)下可控源電磁法激電效應(yīng)機(jī)理研究及應(yīng)用”（41874085）、深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（ZDSYS20190902093007855）、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專(zhuān)項(xiàng)（GML2019ZD0203）、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“海洋電子信息裝備淺海試驗(yàn)場(chǎng)”（GDNRC［2021］60）、廣東省地球物理高精度成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2022B1212010002）、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目“深海深地資源探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)”（KQTD 20170810111725321）的聯(lián)合資助，在此表示感謝.