電磁—地震聯合研究深層火山巖儲層
——以遼東凹陷火山巖勘探為例

2019-08-06 03:33:08徐桂芬何展翔石艷玲董衛斌

石油地球物理勘探 2019年4期

徐桂芬何展翔石艷玲董衛斌

(①東方地球物理公司綜合物化探處,河北涿州 072751；②河北工業大學電氣工程學院，天津 300401；③南方科技大學前沿與交叉科學研究院，廣東深圳 518055；④南方科技大學地球與空間科學系，廣東深圳 518055)

0 引言

近年來，深層火山巖勘探屢獲突破，已成為油氣儲量的重要增長點，火山巖勘探成為石油勘探領域的熱點。火山巖勘探實踐表明，綜合物探方法預測深層火山巖較為有效，可從重力、磁性、電性不同側面獲取火山巖的地球物理信息，研究火山巖地層的巖性并進行巖相劃分、火山口識別、火山巖厚度及分布規律的研究，輔助地震勘探增強火山巖識別的可靠性[1-2]。

學者們在重磁電震綜合研究火山巖方面進行了大量的探索。劉云祥等[3-4]提出利用重力異常剝離、磁異常分離與弱信號處理、建場測深反演與異常提取等關鍵技術，從高精度重磁力資料和建場測深資料中分離、提取與火山巖有關的重磁電異常，綜合解釋火山巖巖性，進行巖相劃分；楊輝等[5]研究松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖巖性時，提出利用重力—地震剝層技術宏觀預測火山巖巖性；王玉華等[6]在研究松遼盆地古龍斷陷深層火山巖氣藏時，采用重磁力弱信息提取、重力異常剝離、重磁震聯合反演解釋等技術，分離重磁異常、提取并增強與火山巖有關的重磁異常信息，實現了火山巖的綜合地質解釋。徐禮貴等[7]提出了利用綜合地球物理資料解釋疊合盆地深層火山巖的思路：基于高精度重磁勘探和電法資料研究盆地深部結構和深大斷裂，縮小并鎖定深層火山巖地震勘探的有利靶區；利用地震相分析、地震屬性解釋、地震反演和綜合評價等主要技術，實現深層火山巖從定性到定量的識別和預測，落實深層火山巖有利勘探目標。索孝東等[8-9]提出利用重磁電震異常綜合進行巖性識別的方法：根據巖石物性差異，建立不同巖性的重磁電異常和地震相特征模板，基于高精度重磁資料預測火山巖的平面分布，利用電法測深電阻率剖面和地震剖面對深層巖性垂直定深的優勢，綜合確定火山巖的空間位置、形態，利用重、磁、電、震多參數精細識別不同類型火山巖體。

時頻電磁(TFEM)勘探方法是中國石油集團東方地球物理公司自主研發的一項電磁勘探技術[10]，它將可控源音頻大地電磁(CSAMT)與瞬變電磁法(TEM)合并在一套系統中，一次采集即可獲得時間域和頻率域信號，改變了常規電磁法時、頻域分離作業的模式，提高了采集效率和探測效果，形成了激發脈沖多樣、多分量采集、多參數研究、勘探目標多樣化的新型高精度大功率電磁測深方法。TFEM法與其他電磁法相比，優勢主要體現于采集方法和采集參數。隨著TFEM勘探技術的快速發展，勘探領域已從地質普查發展到深層目標勘探，例如深層火山巖及裂谷的分布等[11-12]。

遼河盆地是中國較早發現火山巖油氣藏并獲得大規模油氣儲量的地區[13]，自1996年在遼東凹陷歐利坨子地區古近系粗面巖中獲高產油氣流以來，探明了共計數千萬噸的油氣儲量，其中絕大部分富集在粗面巖中[14]，表明遼東凹陷火山巖具有良好的勘探潛力。目前針對遼東凹陷火山巖進行了較為深入的研究，主要涉及火山噴發旋回和期次劃分[15]、火山巖巖相分類[16]、火山體結構研究[17-18]、粗面巖成因及噴發模式[19-20]、斷裂與火山巖分布的關系[21]、成藏條件分析與成藏模式[22-25]等。鉆井揭示遼東凹陷古近系火山巖有11種類型，其中最主要的是火山碎屑巖、粗面巖和玄武巖，兼具噴出和侵入、陸上與水下堆積特征的多層系、多類型火山巖組合[19]。由于火山巖多期次發育，總厚度大，對地震信號的屏蔽作用強，使深層火山巖地震資料成像精度低，多呈空白或雜亂反射，導致火山巖解釋結果可靠性差，阻礙了深層火山巖儲層的油氣勘探進程。常規重磁電聯合能夠解決火山巖的平面分布，但對于沙三內幕這類多期次疊置的復雜火山巖目標難以有效輔助地震進行高精度識別。

針對研究區沙三內幕多層疊置的火山巖期次劃分和巖性、巖相識別等勘探難題，本文提出電磁—地震聯合反演及多重約束反演解釋等技術，取得良好效果，對類似復雜火山巖油氣目標的研究具有一定的借鑒和指導意義。

1 電磁—地震聯合探測的可行性分析

遼河凹陷位于渤海灣盆地的東北部，屬典型的中新生代發育的大陸裂谷盆地。在郯廬斷裂多期活動以及印度和太平洋板塊斜向俯沖的疊加作用下，自中生代以來發生了多期巖漿活動，新生代火山活動尤為頻繁，以遼東凹陷火山活動最為強烈，期次多、持續時間長、火山巖層分布廣泛。由于火山巖厚度大，對地震信號屏蔽作用強，深層火山巖地震信息不足，對期次劃分和巖性、巖相分布不清楚。根據已有的地質資料及地震解釋成果，部署了7條TFEM測線，其中包括6條主測線和1條聯絡線，工區位置和測線分布見圖1。此次研究的目的是探索聯合電磁、地震勘探解決深層多期疊置的復雜火山巖儲層分布問題。

1.1 電性特征分析

巖石物性是聯系地質與地球物理之間的紐帶，因此地層(巖石)的地球物理特征是研究地質問題的基礎。通過研究區24口井的測井曲線(圖2)及三界泡地區的電性測試資料，綜合分析沙三內幕不同巖性的電阻率特征，為TFEM資料處理和解釋提供依據。

沙三段火山噴發旋回和期次研究表明：沙三段構成一個火山噴發旋回，內部可劃分為5個期次，自下而上依次為：qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。根據鉆井資料，期次界面表現為沉積夾層或巖性組合及巖相組合的突變。

根據鉆井統計，沙三段主要巖性有粗面巖、玄武巖、蝕變玄武巖、凝灰巖、角礫巖和沉積巖，含少量閃長巖和輝綠巖。針對主要巖性分別進行電測井數據統計，直方圖統計結果(圖3)顯示：沉積巖電阻率最低，約為1～8Ω·m，主值為5Ω·m；火山巖電阻率整體偏大，不同巖性之間電阻率差異較大。粗面巖電阻率最大，為30～90Ω·m，主值為65Ω·m；玄武巖和蝕變玄武巖電阻率為2～20Ω·m，主值為10Ω·m；火山角礫巖和凝灰巖電阻率為10～30Ω·m，主值為20Ω·m。主要巖性的電阻率特征可歸納為：粗面巖>火山碎屑巖(角礫巖、凝灰巖)>玄武巖(包含蝕變玄武巖)>沉積巖。上述統計結果為電法反演識別高阻粗面巖儲層提供了物性基礎。這些電性特征可概括為：沉積巖為低阻，粗面巖為高阻，其余火山巖為中等，因此在橫向和縱向上可形成明顯的電性異常。

在沙三段內部5個期次中，火山巖噴發特征的差異形成以沉積巖為背景的5套高阻層，同時，由于巖性的變化形成了電阻率節律特征差異，可見電性分析為TFEM資料識別高阻粗面巖儲層提供了有效的電性模型。

1.2 可行性論證

針對沙三內部火山巖埋藏深(普遍大于4km)、多層疊置分布，巖性、巖相復雜，區分難度大等難點，根據該區地震解釋及電性特征，在地質分析基礎上，建立包括3套沉積層的火山巖模型(圖4a)，火山巖電阻率為70Ω·m，最小厚度為50m，埋深為2300～3300m。先進行正演，獲得模型仿真數據，再進行反演。圖4b的反演結果很好地恢復了火山巖薄層模型，分辨出三套高阻目標層，同時也清晰地反映了地層電性縱橫向上的變化規律，表明電磁勘探在該區可以區分不同期次、具有一定厚度的火山巖。

圖1 研究區位置示意圖(左)和TFEM測線部署圖(右)

圖2 研究區內主要井的電測井曲線

圖3 研究區巖性—電阻率直方圖

圖4 基于地震—測井資料建立的火成巖模型及反演結果

2 電磁—地震聯合勘探技術

2.1 電磁—地震綜合研究技術路線

在TFEM資料預處理和常規處理的基礎上，依據淺層可靠的地震資料建立淺層模型，反演淺層地電模型，在此基礎上固定淺層，重點反演深層目標；通過鉆井、電阻率剖面和地震剖面的綜合對比分析，互相約束，進行火山巖期次的劃分和橫向對比追蹤；總結不同巖性、巖相的電性異常特征和地震響應特征，對各期火山巖進行巖性、巖相綜合解釋。具體研究思路和技術流程見圖5。

圖5 深層火山巖電磁—地震聯合研究技術流程

具體來說，包括以下4個步驟。

(1)如果地震資料在淺層碎屑巖中具有較好的分辨率，應首先通過地震資料解釋構建淺層構造模型，通過鉆井的層位、巖性和電性曲線信息，獲得不同巖性地層的電阻率，一方面可以建立火山巖模型，通過正演和反演進行電法可行性分析，另一方面可以構建淺層地電結構，通過迭代反演，獲得淺層地電模型。

(2)通過TFEM資料的預處理，獲得綜合地電參數，固定淺層幾何參數和電阻率數據，重點反演深層地電結構，經過迭代反演建立深層地電結構模型。

(3)通過鉆井火山巖期次界面和巖相界面的識別，地震剖面和電阻率剖面相結合，進行剖面上火山巖期次的劃分和對比追蹤；以鉆井巖性、巖相標定做約束，建立不同巖性、巖相的地震相和電阻率剖面特征識別模板，二者互相約束、互為補充，完成各期次火山巖結構、火山巖相的識別。

(4)進行剖面綜合解釋，完成不同期次火山巖巖相平面分布和不同期次粗面巖儲層在平面上分布特征的研究。

上述步驟中電磁—地震聯合處理和電性節律編碼解釋技術是解決問題的關鍵，下面重點介紹。

2.2 電磁—地震聯合反演技術

研究區的淺層地震資料具有較高的分辨率，為了獲得高分辨率的電阻率成像，采用基于井震建模的模擬退火反演算法進行約束反演[26]。

其基本思想是將待反演模型的每個參數看作是熔化物體的每一個分子，將目標函數看作是熔化物體的能量函數，通過緩慢減小一個模擬溫度的控制參數進行迭代反演，使目標函數最終達到全局極值點。L2范數情況下非線性的TFEM地球物理反演問題的目標函數為

φ(m)=[d-A(m)]H*[d-A(m)]

(1)

式中：d表示數據矩陣；A表示模型正演矩陣；m表示模型參數向量；上標H表示共軛轉置，當觀測數據為實數時，共軛轉置退化為轉置；“*”表示褶積運算。

將TFEM約束反演問題的每一個模型參數向量mi等效為物體的某種狀態ri，將目標函數φ(m)等效為物體的能量函數Ei，引入一個隨迭代次數變化的控制參數T模擬物體的溫度，就可以得到TFEM的非線性反演的Metropolis接受準則

P(mi→mj)

(2)

式中：kb是Boltzmann常數，在時頻電磁反演過程中可設為1；T表示溫度。

利用地震和電阻率測井信息確定地質解釋剖面(主要是沙三段以上的淺層)，建立初始模型，對關鍵地質層位進行控制。

以TFEM-04線為例，約束反演具體步驟如下：

(1)根據地震剖面建立淺層模型(圖6a)。為了得到較準確的淺層地電模型，依據地震資料求得淺層構造的層數和厚度，各層的電阻率依據電測井曲線求得。

(2)反演淺層電阻率 (圖6b)。首先反演淺層地電結構，經過迭代反演，找到最小擬合差，完成淺層反演。

(3)建立深層地電模型(圖6c)。固定淺層幾何參數和電阻率數值后，利用擬二維反演結果構建全剖面的初始地電結構模型，最終反演深層地電結構。需多次反演，直到擬合誤差達到預設值，最終建立深層地電模型。

從反演剖面來看，由于建立了精確的淺層地電模型，反演參數減少，因而降低了反演的多解性，反演結果的深層縱向分辨率得到大幅度提高。

2.3 火山巖巖性節律解釋技術

對研究區巖石物性分析認為，該區5個期次火山活動強弱差異明顯，表現出“弱—強—強—弱—弱”的特征。在角礫巖和凝灰巖含量高時電阻率較低，粗面巖含量高時電阻率較高，但均明顯高于沉積巖電阻率。因此，認為電阻率剖面縱向存在反映火山巖噴發特征的節律，并按照下列原則進行編碼：火山巖噴發強、粗面巖含量高時編碼為2；火山巖噴發弱、角礫巖和凝灰巖含量高時編碼為1；無火山巖、主要為沉積碎屑巖時，編碼為0。據此可對該區火山巖地層以編碼1-0-2-0-2-0-1-0-1-0進行描述。

以TFEM-03線為例。根據這個節律在GeoEast軟件系統中對剖面進行解釋，見圖7。在圖7b所示的反演電阻率剖面上，在沙三內部依據編碼1-0-2-0-2-0-1-0-1-0組合變化特征情況，識別出5期火山噴發巖，自下而上依次為qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。研究區內鉆井完鉆層位較淺，只鉆到粗面巖段。qc5與qc4之間以碎屑巖為界；qc4與qc3之間的界面是巖相組合突變面，界面之上以玄武巖和沉凝灰巖為主，界面之下以粗面巖和粗面質角礫巖為主。

根據節律的橫向變化可以進行斷裂劃分。在圖7b的電阻率反演剖面上，130～160號測點之間1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節律特征明顯，170～195號測點之間1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節律特征明顯，其余部分則顯然沒有這一特征。因此，認為這兩段受到兩組斷裂控制，分別形成了兩個多期次、復雜疊置的火山巖儲層帶，在平面上形成了兩個有利目標區。

根據節律特征認為：qc1、qc2粗面巖以爆發相為主；qc3粗面巖與低阻蝕變玄武巖呈互層，在地震剖面上為中強振幅，連續性較好，推測為溢流相，靠近斷層的火山口附近粗面巖呈高阻團塊狀，在地震剖面上為雜亂反射，推測為爆發相；qc4以蝕變玄武巖為主，地震剖面上分層性強，振幅能量強，推測為溢流相；qc5以沉積巖為主，局部發育玄武巖夾層。

3 效果分析

從TFEM-03線反演結果(圖7)來看，駕東斷裂(F2)以及早期深部的邊界控洼斷裂(F3)有很好的顯示。與地震剖面(圖7a)對比發現，斷裂的位置基本能夠歸位。在地震剖面上兩條主控斷層(F2、F3)之間，根據地震反射特征可分為弱振幅—弱連續和強振幅—中連續兩種地震相類型；通過與鉆井巖性剖面對比可以發現，地震相的分布并不能準確地反映巖性的變化。

由圖7可見，電法反演剖面能夠較好地反映地層整體的電性結構，并且在沙三內部電阻率變化信息非常豐富。在電阻率剖面上進行期次界面識別和橫向對比追蹤，發現電阻率反演剖面對5個期次的分布特征有較清晰的揭示，呈現1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節律特征，qc1、qc4和qc5火山活動較弱，qc2和qc3火山活動強。剖面上紅33井和紅25井的電阻率測井曲線與反演結果對應關系良好，例如紅33井4100m以下沙三段粗面巖與紅25井沙一段2830～2930m、4300m以下沙三段的粗面巖均表現為明顯高阻，說明了反演結果的準確性。另外根據TFEM-05線的反演結果(圖8)可見，爆發相角礫巖和上部溢流相粗面巖組成的火山機構清楚，于73井粗面巖1和粗面巖2之間的低阻夾層反映清楚，與電阻率測井結果一致。