我國南方地區(qū)頁巖氣電磁勘探技術(shù)初探

唐新功，胡文寶 蘇朱劉，嚴良俊

（ 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 （長江大學(xué)），湖北 荊州4340

目前，天然氣供求矛盾已成為制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。頁巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，已成為全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點。加快頁巖氣資源勘探與開發(fā)，已成為世界主要頁巖氣資源大國和地區(qū)的共同選擇。

頁巖氣是以多種相態(tài)存在、主體上富集于泥頁巖 （部分粉砂巖）地層中的天然氣聚集。頁巖氣藏中的天然氣包括了存在于裂縫中的游離相天然氣和巖石顆粒表面上的吸附氣。據(jù)預(yù)測，全球頁巖氣與常規(guī)天然氣數(shù)量相當(dāng)，甚至可能大于常規(guī)天然氣［1］。很多學(xué)者對頁巖氣的成藏機理進行了研究［2－4］。研究表明，我國廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也有分布，其中南方碳酸鹽巖地區(qū)是頁巖氣勘探的重要領(lǐng)域，尤以四川等盆地最值得關(guān)注［3］。

我國頁巖氣的勘探還處于起步階段，至今還沒有一口頁巖氣生產(chǎn)井。目前國內(nèi)對頁巖氣勘探理論和方法的研究相對薄弱，而國外先進方法和技術(shù)難以全面解決我國頁巖氣勘探開發(fā)問題，如我國南方地區(qū)的復(fù)雜地表條件和高陡構(gòu)造地層導(dǎo)致常規(guī)地震勘探方法的使用受到限制，高阻的碳酸鹽巖地層阻擋了地震彈性波的向下穿透，難以獲取地層深部的可靠信息［4］。作為地震方法的重要補充，電磁法勘探是基于地層存在電阻率差異的一種地球物理方法，具有勘探深度大、不受高阻層屏蔽、對低阻層分辨靈敏等優(yōu)點，在油氣資源勘探中正發(fā)揮著日益重要的作用。為此，筆者對電磁方法中的音頻大地電磁測深法和復(fù)電阻率法進行了探討。

1 音頻大地電磁測深法

音頻大地電磁測深法 （Audio Magnetotellurics，AMT）是一種以天然場源電磁勘探方法，觀測頻率范圍一般為0.005～10400 Hz。當(dāng)天然交變電磁場在地下介質(zhì)中傳播時，由于電磁感應(yīng)，地面所觀測到的電磁場數(shù)據(jù)將包含有地下介質(zhì)電阻率的信息。根據(jù)電磁場的趨膚效應(yīng)，不同周期的電磁場信號具有不同的穿透深度，通過研究大地對天然電磁場的頻率響應(yīng)并經(jīng)過反演處理解釋，即可獲取地下不同深度介質(zhì)電阻率的分布特征，實現(xiàn)構(gòu)造圈閉與地質(zhì)層位的追蹤 （見圖1）。AMT方法可以實現(xiàn)從地層淺部到地下2～3k m深度的構(gòu)造勘探，這與美國頁巖氣商業(yè)開采的深度 （800～2600 m）相當(dāng)［5］。

圖1 AMT野外采集裝置布設(shè)示意圖

A MT法在數(shù)據(jù)采集、處理及解釋等方面均己比較成熟。實踐表明［6］，在資料處理中采用Robust技術(shù)結(jié)合遠近參考技術(shù)可以在強噪音地區(qū)獲得高信噪比的觀測資料。在反演方法上，三維電磁正演模擬與反演技術(shù)等也日趨成熟［7］。這些技術(shù)上的進步可大大提高獲取地下目的層 （體）信息的能力，為了解地下三維立體構(gòu)造及地下資源儲量分析創(chuàng)造了良好的條件。

A MT方法具有效率高、成本低、布點靈活、儀器輕便等優(yōu)點，特別適用于我國南方地區(qū)面積概查和復(fù)雜地表工作。與彈性波不同的是，電磁波對高電阻率的碳酸鹽巖地層具有很強穿透能力，易于在高阻覆蓋區(qū)開展勘探工作。A MT方法探測的精度雖不及地震法，但作為油氣勘查手段，在劃分盆地范圍、了解主要地層分布、發(fā)現(xiàn)與油氣構(gòu)造有關(guān)的深部信息等方面，A MT法完全可以勝任。

圖2 單道偶極——偶極野外布置施工示意圖

2 復(fù)電阻率方法

復(fù)電阻率法 （Co mplex Resistivity，CR）是近幾年發(fā)展起來的一種頻率域電偶源地面物探方法 （見圖2），是電磁勘探方法中唯一能直接指示油氣藏的方法，可以用于檢測工作區(qū)域內(nèi)的局部圈閉或異常是否含油。CR方法是在一個較寬的頻段 （0.01～110 Hz）測量大地的復(fù)視電阻率，通過分析研究復(fù)視電阻率的形態(tài)特征與地下極化體之間的關(guān)系，達到反演出地下極化體異常的大小、埋深等參數(shù)的目的［8］。童茂松等［9－10］進行了泥質(zhì)砂巖的復(fù)電阻率實驗研究。徐傳建等［11］論述了CR方法在油氣勘探中的應(yīng)用效果，通過60多口井的鉆探驗證，其具有較高的符合率，展示了該方法良好的應(yīng)用前景。泥質(zhì)砂巖的復(fù)電阻率在特定的頻段存在明顯的頻散現(xiàn)象，這為使用CR方法測量頁巖氣提供了物理基礎(chǔ)。在很多油田上方能觀測到視極化率異常，其強度比圍巖高出1～2倍［3］。CR方法以地下烴類物質(zhì)沿裂縫垂直向上微滲逸并使圍巖蝕變?yōu)榍疤釛l件，除油氣層能直接被探測外，CR方法實際探測到的是油氣水運移、聚集和逸散所生成的復(fù)雜綜合體。視極化率異常一般包含了油 （氣）儲集層、蓋層、水層、側(cè)向斷裂等，由于它們在整體上具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，即使埋藏較深也能夠被發(fā)現(xiàn)。對于CR方法所發(fā)現(xiàn)的異常，根據(jù)油藏的生成規(guī)律，與已知條件對比，對視極化率異常是否含有油 （氣）和資源量大小做出推斷解釋，并可能在地下三維空間上確定圈閉的中心區(qū)域和大致邊界范圍，為鉆探設(shè)計提供依據(jù)。CR方法作為直接指示油氣藏的方法，其勘探成本低、周期短、見效快，可以應(yīng)用在石油勘探和油氣預(yù)測中［12］。

圖3 CR法偶極－偶極排列的野外實測示意圖

利用CR方法勘探時通過調(diào)整裝置系數(shù)和偶極距等可以調(diào)整對勘探目的層的勘探深度的預(yù)設(shè)，實現(xiàn)從幾百米到幾千米深度范圍的高分辨率電阻率成像 （見圖3）。CR方法在空間域和頻率域的高密度測量，可以獲得較常規(guī)方法豐富得多的信息量。室內(nèi)資料處理采用新的基于Cole－Cole模型和Br own模型乘法組合的重整化譜參數(shù)相位交錯擬合法對激電異常和電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)進行分離，可以精確刻畫勘探設(shè)計中預(yù)定范圍內(nèi)的激電異常縱、橫向變化特征，為井位設(shè)計提供了可靠的地球物理依據(jù)［8］。研究表明［10］，泥頁巖地層與上下圍巖存在電阻率差異，泥頁巖不含氣時通常為低阻，含氣時則體現(xiàn)為高阻；從極化率上看，地層含氣時會體現(xiàn)出明顯的高極化率特征，特別是泥巖中的裂縫系統(tǒng)具有很強的極化特性，若其中含有黃鐵礦成份，極化特性會更加明顯。因此，使用電磁方法勘探與預(yù)測頁巖氣氣藏具有物理和方法上的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

頁巖氣是一種清潔環(huán)保的新型非常規(guī)能源，頁巖氣在我國具有良好的勘探前景，對頁巖氣 （泥頁巖氣）的勘探研究已經(jīng)展開，成功實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)對于緩解中國能源緊張具有重要的戰(zhàn)略意義。目前我國對頁巖氣的勘探尚處于起步階段。泥頁巖儲層的電阻率差異和高極化率特征為使用電磁方法進行勘探提供了物性前提，合理地使用不同的電磁方法的組合，能夠為頁巖氣勘探提供一種高效、快捷、價格低廉的方法，可以應(yīng)用于我國南方復(fù)雜地表和復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)。在使用電磁方法進行勘探時，建議優(yōu)先選擇一些條件較好、電性差異明顯、目標層埋深較淺的有利區(qū)域進行前期先導(dǎo)性試驗，積累采集、處理和資料解釋經(jīng)驗，再把這些成功經(jīng)驗逐步推廣到其他復(fù)雜地表地質(zhì)構(gòu)造地區(qū)特別是地震方法困難的地區(qū)。

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