王有濤 何展翔 陳學(xué)國(guó) 李竹強(qiáng) 吳夢(mèng)影 曹 楊

(①油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢 430100；②中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng)257000；③長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢 430100；④廣東省地球物理高精度成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055；⑤南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系，廣東深圳 518055；⑥東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751)

0 引言

可控源電磁勘探法是地球電磁勘探技術(shù)甚至地球物理勘探技術(shù)中最活躍、最具創(chuàng)新活力的一個(gè)分支，在油氣、礦產(chǎn)、地?zé)帷⒌叵滤肮こ痰阮I(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，并發(fā)揮著重要作用[1-6]。目前，為應(yīng)對(duì)礦產(chǎn)資源危機(jī)，降低戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源的對(duì)外依賴性，中國(guó)已將深地探測(cè)作為未來國(guó)家科技研究的四大重點(diǎn)方向之一，這為電磁勘探技術(shù)的快速發(fā)展提供了契機(jī)[7]。

多年的火山巖勘探實(shí)踐表明，非地震方法在火山巖目標(biāo)研究中發(fā)揮了重要作用?；鸪蓭r儲(chǔ)層具有明顯的電性和磁性特征，火山巖地層的電磁屬性可用來輔助地震勘探增強(qiáng)火山巖儲(chǔ)層識(shí)別的可靠性[4]。近年來，針對(duì)火成巖目標(biāo)探測(cè)的非地震技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)，學(xué)者們?cè)诶弥卮烹娬鹁C合研究火山巖方面進(jìn)行了大量的探索，形成了研究熱潮。劉云祥等[5-6]基于巖石密度、磁性、電阻率差異，聯(lián)合重磁電資料劃分火山巖巖性、巖相，其成果得到其他資料的佐證。索孝東等[7-8]基于重磁電異常信息建立一種火成巖識(shí)別模式，利用該模式識(shí)別石炭系火山巖巖性，并利用建場(chǎng)測(cè)深電阻率剖面和地震剖面對(duì)深層巖性垂直定深的優(yōu)勢(shì)，綜合確定了火山巖的空間位置及形態(tài)。王耀輝等[9]利用高精度重磁電資料的多種組合特征對(duì)基底巖性、巖相的識(shí)別取得了較好的效果。楊輝等[10]根據(jù)酸性巖—中性巖—基性火山巖密度逐漸增大的特性，利用地震資料對(duì)重力異常進(jìn)行剝層增強(qiáng)處理，實(shí)現(xiàn)了火山巖巖性的宏觀預(yù)測(cè)，獲得了較好效果。徐禮貴等[11]利用電磁和重磁資料縮小并鎖定深層火山巖有利靶區(qū)，再利用地震解釋技術(shù)落實(shí)深層火山巖有利勘探目標(biāo)。王玉華等[12]應(yīng)用重磁力弱信息提取、重力異常剝離、重磁震聯(lián)合反演解釋等技術(shù)，提取并增強(qiáng)了與火山巖有關(guān)的重磁異常信息，開展綜合地質(zhì)解釋。張長(zhǎng)江等[13]基于火成巖的良好物性基礎(chǔ)，利用建場(chǎng)測(cè)深法有效確定深部巖漿巖活動(dòng)區(qū)，確定古生界火山巖的分布。

另一方面，自何展翔等[14]提出時(shí)頻電磁技術(shù)以來，業(yè)內(nèi)學(xué)者在時(shí)頻電磁油氣預(yù)測(cè)技術(shù)方面進(jìn)行了大量的探索。趙一丹等[15]通過分析儲(chǔ)層含油層段與非含油層段的電阻率、極化率差異，利用時(shí)頻電磁的電阻率和極化率綜合異常成功地檢測(cè)并評(píng)價(jià)了含油氣有利目標(biāo)。李燕麗等[16]總結(jié)了含油氣古潛山的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)具有高振幅、高相位、中-低電阻率異常的特征，據(jù)此成功進(jìn)行了油氣檢測(cè)，其成果得到鉆井資料的證實(shí)。高妍等[17]研究了古潛山儲(chǔ)層的含油飽和度與電阻率、極化率的相關(guān)特性，提出了潛山目標(biāo)油氣儲(chǔ)層的檢測(cè)方法。張春賀等[18]研究和總結(jié)了含氣頁(yè)巖的極化率、電阻率等巖石物理特征，開展了基于時(shí)頻電磁法的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系的預(yù)測(cè)。王永濤等[19]為了提高利用時(shí)頻電磁法預(yù)測(cè)含油氣性的準(zhǔn)確性，采用多屬性參數(shù)進(jìn)行圖像融合處理，預(yù)測(cè)了含油氣最有利區(qū)，以提高解釋結(jié)果的可靠性。張銳鋒等[20]引入等效介質(zhì)復(fù)電阻率模型，應(yīng)用于反演時(shí)頻電磁參數(shù)，開展油氣檢測(cè)，取得了很好的效果。徐桂芬等[21]通過聯(lián)合電磁和地震信息，對(duì)深層火山巖多套夾層進(jìn)行解釋，成功圈定出了有利目標(biāo)。He等[22-25]系統(tǒng)、全面地總結(jié)了時(shí)頻電磁技術(shù)在圈閉油氣藏檢測(cè)、火成巖儲(chǔ)層識(shí)別、時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)采集處理及反演方法等方面的進(jìn)展。這些研究和應(yīng)用表明，時(shí)頻電磁法已發(fā)展成為一種有效的油氣檢測(cè)技術(shù)。

目前，時(shí)頻電磁技術(shù)主要采用井震建模約束順序反演，采用地震和測(cè)井資料對(duì)電性模型進(jìn)行約束反演[26-29]，但關(guān)于建模約束的細(xì)節(jié)問題，即電阻率、極化率模型的空間范圍如何與已知物性結(jié)合，以及有利儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等還存在諸多需要進(jìn)一步解決的問題。因此，本文在已有反演方法的基礎(chǔ)上，利用石北地區(qū)鉆井和時(shí)頻電磁資料，針對(duì)該區(qū)火成巖巖相、巖性展布復(fù)雜、地震剖面上石炭系反射不清等問題，探索出基于高斯分布的物性分析、進(jìn)一步優(yōu)化反演建模的方法，并依據(jù)已知鉆井儲(chǔ)層的電磁屬性資料建立油氣評(píng)價(jià)模板。最后，通過示例研究揭示研究區(qū)火成巖展布，分析針對(duì)石炭系火成巖的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)處理反演方法的效果及有利火成巖含油氣目標(biāo)的預(yù)測(cè)方法，為類似火成巖儲(chǔ)層的勘探數(shù)據(jù)處理、解釋提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)—地球物理特征分析

1.1 構(gòu)造地質(zhì)特征

準(zhǔn)噶爾盆地自晚古生代至第四紀(jì)經(jīng)歷了多期造山運(yùn)動(dòng)，在盆地中形成了類型多樣的構(gòu)造組合和沉積體系，控制了盆地的油氣生成、運(yùn)移、聚集[30-31]。研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地北緣的石北構(gòu)造帶。根據(jù)盆地的構(gòu)造沉積演化、斷裂特征等，研究區(qū)可劃分為上、下兩個(gè)構(gòu)造層，地震剖面上呈明顯的角度不整合接觸。

上構(gòu)造層主要包括白堊系、侏羅系、三疊系。上構(gòu)造層構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層平緩，構(gòu)造主要以古地形之上繼承性發(fā)育的低幅度披覆構(gòu)造為主，三疊紀(jì)發(fā)生過兩次大規(guī)模的水進(jìn)，形成了兩套區(qū)域性蓋層，發(fā)育了兩套有利儲(chǔ)蓋組合。

下構(gòu)造層為上古生界石炭系—二疊系。下構(gòu)造層相對(duì)復(fù)雜，鉆井揭示研究區(qū)殘留中、下二疊統(tǒng)正常沉積地層和上石炭統(tǒng)火成巖(局部發(fā)育碎屑巖地層)石炭系內(nèi)幕不同期次的火山巖巖相、巖性有差異，可形成不同火山巖相的內(nèi)幕局部蓋層。

1.2 地層電阻率高斯分布特征

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)電測(cè)井資料，對(duì)深測(cè)井電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯分布統(tǒng)計(jì)(圖1)。表1為基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的各地層電阻率高斯分布的均數(shù)μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ以及最大、最小電阻率值，并以μ±σ和μ±2σ概率上/下限的電阻率值作為不同地層巖性條件下反演的約束范圍。

由圖1和表1可見，上構(gòu)造層主要地層電性特征為：新生界(Q-E)為一套相對(duì)穩(wěn)定的高阻層；白堊系(K)為一套低阻層；侏羅系(J)較上覆、下伏地層表現(xiàn)出相對(duì)高阻特征；三疊系(T)為一套相對(duì)低阻層。下構(gòu)造層相對(duì)復(fù)雜，具體電性特征為：二疊系(P)地層表現(xiàn)出次高阻特征，地層發(fā)育不全，厚度較小，部分地區(qū)缺失，電阻率變化范圍相對(duì)較大，由于研究區(qū)內(nèi)二疊系地層厚度很小，本文建模時(shí)不予考慮；石炭系(C)總體為一套電阻率較高的高阻標(biāo)志層，電阻率值變化較大，整體呈現(xiàn)出“火山巖—沉積巖—火山巖”三層結(jié)構(gòu)，其中火山巖地層電阻率大于500Ω·m，碎屑巖沉積地層電阻率小于20Ω·m，從石炭系地層電阻率分布(圖2a)也可以很明顯地看出曲線呈兩個(gè)峰值。為進(jìn)一步分析石炭系地層的電阻率特征，將電阻率分成高阻和低阻兩部分，重新繪制了這兩部分的高斯分布圖(圖2b、圖2c)，可見對(duì)數(shù)電阻率曲線呈現(xiàn)對(duì)稱的正態(tài)分布。基于石炭系電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了高斯分布特征數(shù)據(jù)及μ±σ、μ±2σ概率下電阻率值(表2)。

圖1 研究區(qū)上構(gòu)造層測(cè)井電阻率分布

表1 研究區(qū)各地層電阻率高斯分布特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 石炭系測(cè)井電阻率分布

表2 研究區(qū)石炭系地層電阻率高斯分布特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

鉆井揭示研究區(qū)石炭系發(fā)育的火山巖主要是安山巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r及碎屑巖。上石炭統(tǒng)巴山組(C2b)為陸相火山巖建造，發(fā)育紅色火山熔巖，主要成分為輝綠巖、玄武巖、安山巖等，底部夾碎屑巖—火山碎屑巖，電阻率較高，可達(dá)幾十至上萬歐姆米，平均值約100Ω·m。下石炭統(tǒng)頂部松喀爾蘇上亞組(C1sb)為一套海、陸過渡地層，屬濱海相碎屑巖，上部為陸相含煤地層，局部夾火山碎屑巖，底部為淺海相火山碎屑巖、碎屑巖，電阻率相對(duì)較低，在幾至幾百歐姆米之間，平均值約為10Ω·m；下石炭統(tǒng)底部松喀爾蘇下亞組(C1sa)為海相砂泥巖，底部發(fā)育中基性火山熔巖，主要為安山巖、火山角礫巖、火山碎屑巖等，電阻率相對(duì)較高，為幾十至上萬歐姆米，分層特征明顯，上部平均值約為100Ω·m，下部平均值約為20Ω·m。

2 火成巖儲(chǔ)層含油性評(píng)價(jià)電性模板

2.1 含油巖石頻散特征分析

巖石電性特征亦可體現(xiàn)為激發(fā)極化效應(yīng)，在油氣電磁勘探中，儲(chǔ)層多相孔隙介質(zhì)在不同含油飽和度條件下具有不同的電磁頻散特征。

圖3為研究區(qū)石炭系凝灰?guī)r巖心的電磁頻散測(cè)試結(jié)果，即不同含油飽和度下的電阻率特征。由圖可見，含油飽和度越高，巖心的電阻率曲線幅度越大、斜率也越大，呈近似正比關(guān)系。為進(jìn)一步分析飽和度參數(shù)的頻散特性，求取了圖3中電阻率曲線的雙頻振幅以表征巖石的極化效應(yīng)[28](圖4)?？梢婋娮杪?、極化率均隨飽和度的增加而增大，可作為儲(chǔ)層含油氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為該區(qū)火成巖儲(chǔ)層數(shù)據(jù)建模及油氣評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖3 研究區(qū)石炭系凝灰?guī)r巖心電阻率頻散曲線

圖4 研究區(qū)火成巖電阻率和極化率隨含油飽和度變化曲線

2.2 儲(chǔ)層含油評(píng)價(jià)電磁屬性模板

根據(jù)研究區(qū)及鄰區(qū)39口探井與時(shí)頻電磁油氣相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以儲(chǔ)層電阻率—極化率為坐標(biāo)系，儲(chǔ)層的含油性檢測(cè)結(jié)果包括高產(chǎn)、低產(chǎn)和干井，據(jù)此建立了準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖儲(chǔ)層電磁油氣評(píng)價(jià)模板(圖5)?？梢钥闯觯瑑?chǔ)層電阻率、極化率異常與含油氣關(guān)系密切，可以作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。其中，儲(chǔ)層是否含有油氣對(duì)電阻率的影響很大，電阻率參數(shù)主要反映巖性特征，是油氣檢測(cè)的必要指標(biāo)；極化率主要反映流體特性，是儲(chǔ)層含油氣評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。本文基于準(zhǔn)噶爾盆地火成巖和碎屑巖儲(chǔ)層電磁信息統(tǒng)計(jì)，繪制了電阻率、極化率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)交會(huì)圖，據(jù)此形成該區(qū)含油氣評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)，并作為實(shí)測(cè)資料含油氣性評(píng)價(jià)的量板。

根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3和圖4)，總結(jié)出該地區(qū)石炭系火成巖儲(chǔ)層含油氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(圖5)：工業(yè)油氣井的極化率異常高于0.27，干井極化率異常低于0.21，極化率異常為0.21～0.27時(shí)則對(duì)應(yīng)中-低產(chǎn)油井或油氣顯示井；工業(yè)油氣井電阻率異常高于80Ω·m，低產(chǎn)油井或干井電阻率異常低于50Ω·m，電阻率異常為50～80Ω·m則一般對(duì)應(yīng)油水同層或低產(chǎn)油井。

圖5 火成巖儲(chǔ)層油氣檢測(cè)地電參數(shù)交會(huì)量板

3 針對(duì)性的分層電性參數(shù)反演建模

基于分步約束順序反演算法反演電阻率和極化率的詳細(xì)步驟見文獻(xiàn)[29]。本文主要討論研究區(qū)上/下構(gòu)造層的精細(xì)建模方法。

3.1 上構(gòu)造層建模

研究區(qū)上構(gòu)造層地震反射比較清晰，分辨率較高，模型的幾何參數(shù)可根據(jù)地震解釋成果確定，反演過程中固定不變，即幾何模型參數(shù)不參與反演，只反演電阻率和極化率。由于淺層探井的測(cè)井資料多，基于前面對(duì)電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高斯分布特征的分析進(jìn)行反演建模。上構(gòu)造層電阻率模型可寫為

(1)

同理，上構(gòu)造層的極化率模型可寫為

(2)

由于研究區(qū)上構(gòu)造層中的三疊系具有較好的儲(chǔ)蓋組合，鄰區(qū)探井已獲得油氣顯示，該地層的極化率最大值可參考圖5所示模板，以低產(chǎn)油氣的極化率門限值給出；新生界、白堊系和侏羅系鉆探未獲油氣顯示，因此其極化率最大值可據(jù)干井的極化率門限值給定。本例中極化率最小值均賦值0。

3.2 下構(gòu)造層建模

由于下構(gòu)造層的正常沉積地層地震反射特征清晰，其深度和厚度可根據(jù)地震反射特征進(jìn)行解釋。但火成巖發(fā)育區(qū)反射雜亂，難以明確解釋其展布，只能依據(jù)地層分布以及重磁電資料進(jìn)行大致的地質(zhì)解釋。因此，對(duì)下構(gòu)造層建模時(shí)需要同時(shí)考慮幾何參數(shù)(地層界面)和電性參數(shù)(電阻率和極化率)的變化?？臻g模型MQ的初始模型參數(shù)可表示為

(3)

同理，下構(gòu)造層的初始電阻率模型可寫為

(4)

下構(gòu)造層的極化率模型可寫為

(5)

由于研究區(qū)下構(gòu)造層中石炭系火成巖是良好儲(chǔ)層，該套地層的極化率最大值可以根據(jù)圖2以高產(chǎn)油氣層極化率門限值確定，最小值據(jù)干井極化率門限值確定；石炭系沉積地層也有油氣顯示，因此其極化率最大值可根據(jù)模板中低產(chǎn)儲(chǔ)層的極化率門限值確定，極化率的最小值則賦值0。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 實(shí)際資料應(yīng)用效果分析

基于研究區(qū)重磁電及測(cè)井資料對(duì)地震剖面進(jìn)行層位解釋，依據(jù)解釋的層位及表1和表2的電性參數(shù)進(jìn)行建模，見圖6a?；谒ǔ跏寄Ｐ停瑢?duì)采集的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到電阻率(圖6b)和極化率(圖6c)剖面，據(jù)此可進(jìn)行地質(zhì)解釋及效果分析。

圖6 研究區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)剖面

根據(jù)圖6b，自上而下主要發(fā)育高阻—低阻—次高阻—低阻—高阻五套電性層。剖面中上、下構(gòu)造層電阻率差異特征明顯：上部構(gòu)造層中的新生界、白堊系、侏羅系和三疊系相對(duì)較穩(wěn)定，保持了地震界面的基本特征。新生界(Q+R)總體表現(xiàn)出相對(duì)高阻的特征，白堊系(K)表現(xiàn)出低阻特征，侏羅系(J)為一套沉積相對(duì)穩(wěn)定的相對(duì)高阻層，三疊系(T)表現(xiàn)出低阻特征。各層電阻率與電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的高斯分布均值接近，變化范圍在模型給定的范圍內(nèi)。下構(gòu)造層石炭系(C)整體表現(xiàn)為高—低—高的電阻率特征，上、下兩套高阻層分別對(duì)應(yīng)上石炭統(tǒng)巴山組和下石炭統(tǒng)姜巴斯套組下段，中間相對(duì)低阻層對(duì)應(yīng)下石炭統(tǒng)姜巴斯套組的中—上段碎屑巖地層。此外，剖面左段表現(xiàn)為明顯的三套電性層，電阻率剖面上異常相對(duì)平緩；剖面中部三層電性特征不太明顯，受火山侵入巖的影響，呈現(xiàn)向上刺穿狀高阻異常體；剖面右段缺失碎屑巖低阻地層。

由圖6c可見：上構(gòu)造層及深部地層極化率都在背景范圍內(nèi)，低于干井的門檻值；石炭系火成巖出現(xiàn)兩處極化率較高的目標(biāo)區(qū)域，其值高于低產(chǎn)井的門檻指標(biāo)，主體達(dá)到工業(yè)油井門檻指標(biāo)。在測(cè)線左段發(fā)育團(tuán)塊狀相對(duì)強(qiáng)極化率異常區(qū)段，極化率異常大于0.21，長(zhǎng)度約4.6km；在測(cè)線中部發(fā)育層狀、相對(duì)強(qiáng)極化率的異常區(qū)段，極化率異常大于0.27，長(zhǎng)度約4.8km，厚度約1200m。剖面上中間高值異常區(qū)整體呈左厚右薄狀。

4.2 石炭系火成巖有利儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

研究區(qū)二疊系—三疊系低阻泥巖地層與下伏石炭系火成巖地層形成良好的儲(chǔ)蓋組合，地震約束下的時(shí)頻電磁電阻率反演剖面(圖6b)很好地揭示出該儲(chǔ)蓋組合的特征，剖面上橫向0～15km區(qū)域可見由斷層控制發(fā)育的兩個(gè)高阻火成巖目標(biāo)體(圖中虛線橢圓所示)。在時(shí)頻電磁極化率反演剖面(圖6c)上也可見兩個(gè)較強(qiáng)的極化率異常區(qū)段(圖中虛線橢圓所示)，可解釋為有利目標(biāo)。但是，這兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域位于火成巖目標(biāo)體的略上方，這一現(xiàn)象可能有兩種原因：一是火成巖為儲(chǔ)層，由于油氣運(yùn)移滲透到儲(chǔ)層上方，導(dǎo)致圍巖蝕變，形成激發(fā)極化強(qiáng)異常；二是已有鉆探發(fā)現(xiàn)了石炭系碎屑巖儲(chǔ)層，這兩個(gè)激發(fā)極化異常是油氣自生自儲(chǔ)及下生上儲(chǔ)形成的油氣藏引起的。不論是哪種情況，這兩個(gè)異常都需引起重視，可作為下一步鉆探的有利目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文以準(zhǔn)北緣石北探區(qū)實(shí)測(cè)時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過物性統(tǒng)計(jì)分析各地層的電阻率分布，獲得研究區(qū)上、下構(gòu)造層巖石的不同電性特征；通過火成巖儲(chǔ)層巖石頻散測(cè)試分析，證明該區(qū)火成巖具有隨飽和度變化的頻散特性，即隨著飽和度的升高，電阻率和極化率不斷增大。基于物性數(shù)據(jù)的高斯分布，建立時(shí)頻電磁反演模型，充分利用研究區(qū)地震和電測(cè)井等資料，形成研究區(qū)上、下構(gòu)造層不同的建模方法。最后，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行建模反演，并對(duì)反演電阻率和極化率剖面進(jìn)行地質(zhì)解釋，為研究區(qū)石炭系儲(chǔ)蓋組合和油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的參考。