電性源瞬變電磁短偏移距頁巖氣探測(cè)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）

電性源瞬變電磁短偏移距頁巖氣探測(cè)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(yùn)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(dú)特的特點(diǎn)。它往往分布在厚度大、分布廣的頁巖烴源巖中。初步估計(jì)中國(guó)頁巖氣可采資源量31兆立方米。在當(dāng)前的國(guó)際形勢(shì)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(guó)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(diǎn)，得到市場(chǎng)的贊譽(yù)和認(rèn)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(diǎn)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(cè)中將會(huì)有比較好的應(yīng)用前景。

頁巖氣；探測(cè)；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(zhǎng)期沉積地下，經(jīng)過漫長(zhǎng)地質(zhì)年代變質(zhì)裂解，生成的氣態(tài)碳?xì)浠衔铩＿€有一種理論認(rèn)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(yuǎn)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(jìn)的物探技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等多種工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)，這也將推動(dòng)地質(zhì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多門學(xué)科的發(fā)展。我國(guó)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(cè)、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(duì)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(gè)自給的系統(tǒng)中，頁巖集烴源巖、儲(chǔ)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(gè)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(gè)相對(duì)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(cè)中的應(yīng)用是十分有意義的。

1.2電法在頁巖氣探測(cè)中應(yīng)用簡(jiǎn)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(cè)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(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)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(chǎng)，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(shí)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(cè)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(cè)深度和探測(cè)精度相對(duì)較高。

圖2　電性源瞬變電磁探測(cè)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(zhǎng)接地導(dǎo)線為場(chǎng)源，在場(chǎng)源中心一定距離處同時(shí)觀測(cè)電、磁場(chǎng)參數(shù)的一種電磁測(cè)深方法。目前電性源瞬變電磁法正演計(jì)算借用相應(yīng)頻率域正演電磁場(chǎng)計(jì)算方法，采用一定變換方法將頻率域結(jié)果變換到時(shí)間域得到時(shí)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(duì)比，赤道裝置可以對(duì)地下結(jié)構(gòu)取得較好的探測(cè)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(cè)深中，雖然可以觀測(cè)Ex、Ey、Hx、Hy、Hz等五個(gè)分量，但Ey、Hx、Hy對(duì)地層信息的分辨能力較差，主要觀測(cè)水平電場(chǎng)分量Ex，和垂直磁場(chǎng)分量Hz均勻半空間上階躍激勵(lì)源下的場(chǎng)表達(dá)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(cè)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(duì)電阻率異常體探測(cè)靈敏的特點(diǎn)。通過對(duì)Hz場(chǎng)和Ex場(chǎng)的研究表明，Hz場(chǎng)在小收發(fā)距時(shí)即可進(jìn)行大深度探測(cè)，并具有較高的信噪比，Ex場(chǎng)則對(duì)高阻體探測(cè)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(cè)分析、研究

長(zhǎng)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(zhǎng)偏移距要求場(chǎng)點(diǎn)到源點(diǎn)距離大于4～6倍的探測(cè)深度。長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法國(guó)外研究較多，在中國(guó)的長(zhǎng)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(jìn)了電性源瞬變電磁法的發(fā)展。但由于對(duì)源點(diǎn)的大型觀測(cè)區(qū)之間的距離點(diǎn)的要求距離大；而隨接收和發(fā)射距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度急劇下降，信噪比降低，影響探測(cè)深度；而且收、發(fā)之間可能跨越多個(gè)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(xì)探測(cè)，使得長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)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(chǎng)建場(chǎng)的方法。由于它具有更大的檢測(cè)深度和更好的探測(cè)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(jìn)行高阻目標(biāo)探測(cè)；CUEVAS等研究了短偏移情況下瞬變電磁法對(duì)深部高阻層的探測(cè)，認(rèn)為近區(qū)探測(cè)具有可行性。

理論上，擴(kuò)散深度定義為給定時(shí)間內(nèi)TEM渦流場(chǎng)極值所能達(dá)到的最大深度，SPIES給出的擴(kuò)散深度d公式為：

式中：t為時(shí)間；σ為電阻率。由式（3）可見，擴(kuò)散深度主要與時(shí)間及地電結(jié)構(gòu)有關(guān)，與場(chǎng)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(jì)算特定地電結(jié)構(gòu)情況下電磁場(chǎng)在某一時(shí)刻的擴(kuò)散深度。

當(dāng)偏移距和目標(biāo)體深度比在0.7～1時(shí)，探測(cè)深度較大。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于有效探測(cè)深度，往往要考慮設(shè)備的功能及接收儀器的靈敏度、測(cè)量精度、噪聲強(qiáng)度和地電參數(shù)等因素。TEM的實(shí)際探測(cè)深度定義為信號(hào)衰減到噪聲電平時(shí)的擴(kuò)散深度。近場(chǎng)區(qū)探測(cè)深度dn，采用以下公式進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)度。給定發(fā)射電流和AB長(zhǎng)度，采用進(jìn)場(chǎng)區(qū)探測(cè)深度公式進(jìn)行近場(chǎng)區(qū)探測(cè)深度dn計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以分析出：近場(chǎng)探測(cè)深度3000m的AB長(zhǎng)度時(shí)，可以確保探測(cè)到埋深4km的目標(biāo)體。我國(guó)四川盆地頁巖氣埋藏深度，一般在2000～3000m之間，4km的探測(cè)深度完全能滿足在我國(guó)大部分地區(qū)頁巖氣探測(cè)的需要。一些特殊地區(qū)埋藏深度會(huì)達(dá)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(zhǎng)度，就能夠達(dá)到10km深度目標(biāo)體的探測(cè)的可能。按照我國(guó)頁巖氣埋藏深度情況分析，探測(cè)深度達(dá)到6km已基本滿足富頁巖氣地層的探測(cè)需求，以上電性源瞬變電磁短偏移距的計(jì)算數(shù)據(jù)分析，足夠滿足我國(guó)頁巖氣目標(biāo)體探測(cè)的需求。

3　結(jié)論

電性源瞬變電磁短偏移距探測(cè)裝置及方法系統(tǒng)，能夠滿足頁巖氣探測(cè)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(cè)深度和探測(cè)精度相對(duì)較高?？梢允褂枚鄧L試該方法在頁巖氣探測(cè)方面的研究應(yīng)用，進(jìn)一步創(chuàng)新和完善其應(yīng)用思路。

同時(shí)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(shí)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(shí)際，真正的指導(dǎo)生產(chǎn)。

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2095-2066（2016）26-0108-02

2016-9-2