廣域電磁與偽隨機信號電磁法在四川盆地頁巖氣勘探中的應(yīng)用

武斌，譚章坤，曾楷，鄒俊，陳寧，余舟，陳挺

廣域電磁與偽隨機信號電磁法在四川盆地頁巖氣勘探中的應(yīng)用

武斌1，譚章坤2，曾楷3，鄒俊1，陳寧1，余舟1，陳挺1

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊，成都 610072；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊，瀘州 646000）

廣域電磁與偽隨機信號電磁法采用偽隨機信號發(fā)射，突破遠(yuǎn)區(qū)限制，可觀測面積大，信號強、精度高、只觀測場的一個分量，野外效率高。偽隨機信號電磁法一次能同時發(fā)送和接收多個強度大體相當(dāng)?shù)闹黝l率信號，成倍地提高電磁法的野外效率。本文將廣域電磁與偽隨機信號電磁法應(yīng)用于四川盆地某頁巖氣區(qū)塊，結(jié)果表明它在干擾較強的地區(qū)仍然能夠獲得深部5～6km的有效數(shù)據(jù)，具有抗干擾能力強、勘探深度大的優(yōu)點；同時廣域電磁法在大套地層劃分、油氣層識別、斷層及構(gòu)造識別方面的效果顯著。

廣域電磁法，偽隨機信號，頁巖氣勘探

我國人口眾多，人均占有資源量小，但整體消耗又比較大，在油氣的需求上油氣凸顯，目前我國油氣資源形勢嚴(yán)峻。國內(nèi)的油氣勘探工作從未停止，且勘探難度越來越大，主要體現(xiàn)在勘探深度越來越大、勘探精度要求越來越高，一般技術(shù)手段難以實現(xiàn)。過去主要通過地震反射來完成勘探，但需要人員多、成本高，在不需要炸藥保證環(huán)保的情況下，有些震源車無法抵達(dá)預(yù)計的炮點，采集成果不理想。而通過使用廣域電磁與偽隨機信號電磁法進(jìn)行油氣勘探，在理想的勘探環(huán)境下，能克服地震以上不利因素，取的很好的效果。

1 廣域電磁與偽隨機信號電磁法

廣域電磁法是針對原來的可控源音頻大地電磁（CSAMT）法和MELOS方法提出來的。CSAMT法采用人工場源，克服了MT法場源的隨機性和信號微弱的缺點，但其繼承了遠(yuǎn)區(qū)測量一對正交電分量、磁分量，仍按遠(yuǎn)區(qū)近似公式計算電阻率。MELOS方法突破了“遠(yuǎn)區(qū)”的限制，把測量的區(qū)域擴大到中區(qū)，擴大了人工源電磁法的有效范圍，大大提高了觀測到的信號強度。廣域電磁法突破CSAMT法遠(yuǎn)區(qū)測量的限制，故卡尼亞公式不成立。并且由于對電阻率變化的敏感程度水平電偶極源產(chǎn)生的電場Ex較為實用，所以選用Ex反映介質(zhì)的視電阻率已經(jīng)具有代表性。廣域電磁法要點是：廣域視電阻率是不作簡化的視電阻率，測量電磁場的Ex分量，不局限于遠(yuǎn)區(qū)的區(qū)域觀測。

akp序列偽隨機信號是基于同時發(fā)多個頻率的電流，同時接收多個頻率的電位差的理論和方法。傅里葉理論通過一定的數(shù)學(xué)方法，能構(gòu)造出若干個主頻率的電流波形，這些波形中主頻率的振幅彼此相近，分布合理（在頻率為對數(shù)的坐標(biāo)中各主頻等間距分布），這種波形貌似雜亂無章，實則具有內(nèi)在規(guī)律，稱之為偽隨機信號電流波形。akp序列偽隨機信號電法勘探包括兩類不同的電法勘探方法，一種是akp序列偽隨機信號激電法，一種是akp序列偽隨機信號電磁法。akp序列偽隨機信號激電法以巖石、礦石的激電極化性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，以發(fā)現(xiàn)和評價地下極化體為目標(biāo)，工作頻率段（0.01～10Hz），激勵和采集的主要是IP信息。akp序列偽隨機信號電磁法，以巖石、礦石的電阻率的差異為基礎(chǔ)，以發(fā)現(xiàn)地下電阻率不均勻體為目標(biāo)，為了在不同的地電條件下，探測需要的深度覆蓋很寬的頻段，采集的主要是EM信息。通過akp序列偽隨機信號技術(shù)，可以使頻率域激發(fā)極化法和頻率域電磁法統(tǒng)一起來。廣域電磁法與akp序列偽隨機信號結(jié)合起來形成全新的頻率域電磁法：廣域-akp序列偽隨機信號電磁法。廣域-akp序列偽隨機信號電磁法與現(xiàn)有的任何一種頻率域電磁法相比都具有非常顯著的特點：速度快、精度高、探測深度大，裝備輕便，可以使電磁法橫向分辨率和縱向分辨率達(dá)到一個新的水平。

廣域電磁與偽隨機信號電磁法取得了以下三方面成果：突破了風(fēng)行世界的可控源音頻大地電磁法近似定義視電阻率，導(dǎo)致無法進(jìn)行大深度探測的理論局限和技術(shù)缺陷，解決了傳統(tǒng)人工源電磁法探測深度小、測量頻率低、三維探測能力差等重大難題，實現(xiàn)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的大面積、大深度、高精度、高頻率、多參數(shù)探測；二是實現(xiàn)了不限數(shù)量分布式接收機陣列式測量，野外效率大大提高，抗干擾能力強，信息量大，有利于大面積快速掃描，使測量精度明顯提高，為實現(xiàn)真正的三維電磁法勘探打下堅實基礎(chǔ)；三是聯(lián)合電阻率和極化率參數(shù)，實現(xiàn)頁巖氣儲層關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)識別和勘探，建立了適合我國復(fù)雜地質(zhì)、地表條件的富有機質(zhì)頁巖電磁識別與預(yù)測評價技術(shù)體系。

表1 工區(qū)視電阻率實測值統(tǒng)計表

2 應(yīng)用實例

2.1 項目概況

2.1.1地形地貌

川南盆地某頁巖氣塊為低山丘陵，整體地形相對平緩，局部（公路、河流、山谷）有斷崖陡坎，研究區(qū)海拔在250～350m之間。區(qū)內(nèi)地表地物主要為旱田、水田、堰塘、灌木林及房屋，勘查期間正值非農(nóng)事頻繁季節(jié)，整體地表植被稀疏，利于測量施工。

2.1.2目的任務(wù)

本次研究在川南盆地某頁巖氣區(qū)塊開展，主要目的是落實區(qū)域內(nèi)的主要地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，研究廣域電磁法在研究區(qū)的有效性、可行性。研究區(qū)含氣目的層五峰組-龍馬溪組。根據(jù)工區(qū)內(nèi)已開展的二維地震成果剖面，五峰龍馬溪底界的最大深度約4 500m，本次廣域電磁法勘查設(shè)計最大控制在5 500m以內(nèi)。

2.2 地球物理特征

研究區(qū)附近某鉆孔資料揭示，下伏地層層序依次為侏羅系沙溪廟組、涼高山組、自流井組、三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組，二疊系長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組和梁山組，志留系韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組，奧陶系五峰組、寶塔組地層。本次目標(biāo)巖層為志留系、奧陶系的龍馬溪組、五峰組巖層，其總厚度為400m左右。

根據(jù)表1得知，本區(qū)侏羅系地層巖性主要為紫紅色泥巖夾石英砂巖，電阻率整體表現(xiàn)為低阻，一般為46～107Ω?m之間。下伏三疊、二疊地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，其電阻率整體表現(xiàn)為高阻，一般為500～1000Ω?m之間，再往下地層巖性主要為硅質(zhì)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等，電阻率表現(xiàn)為中高阻，一般為100～150Ω?m之間。目標(biāo)層龍馬溪組、五峰組巖性主要為泥巖、頁巖等，電阻率表現(xiàn)為低阻，一般為30～50Ω?m。五峰組以下地層巖性主要為灰?guī)r，電阻率1000～1500Ω?m左右，表現(xiàn)為高阻特征。目標(biāo)巖層電阻率一般為n×10Ω?m，而其上覆、下伏巖層電阻率一般為n×（102～103）Ω?m，電性差異達(dá)到1～2個數(shù)量級。

綜上所述，目標(biāo)地層志留系、奧陶系中五峰龍馬溪組巖性與上覆地層組、下伏地層組有明顯的電阻率差異，并且具備較大規(guī)模，完全滿足廣域電磁法勘探分辨力要求。因此，本工區(qū)具備開展廣域電磁與偽隨機信號電磁法的地球物理勘探條件。注意研究區(qū)人口密度大，居民區(qū)密集，民用入戶電線、低高壓線隨處可見。

2.3 方法技術(shù)

廣域電磁與偽隨機信號電磁法野外工作的主要環(huán)節(jié)有：A、B極的選取和布設(shè)、確定相關(guān)參數(shù)（包括電流、收發(fā)距、點距等）的試驗、頻率的確定、MN采集。

2.3.1 頻率選擇

廣域電磁與偽隨機信號電磁法儀器能夠測量包括12個頻組80個頻率(其中7頻組和3頻組，6頻組和2頻組，5頻組和1頻組，4頻組和0頻組各重疊一個頻率)，頻率范圍8192Hz～5/512Hz。根據(jù)工作目的，數(shù)據(jù)采集選用11、9、7、5、3、1頻組共40個頻點（表2）。

表2 廣域電磁法數(shù)據(jù)采集頻組

表3 試驗參數(shù)組合表

2.3.2 場源布設(shè)

研究區(qū)目的層的埋藏深度較深，為了滿足勘探要求，發(fā)射端場源布設(shè)均滿足了信號強度和勘探深度的要求，測線方向場源AB=1.04km，實際收發(fā)距在r1在11km～12km之間。

供電電極布設(shè)：采用多塊鋁箔板（厚度2mm，規(guī)模1m×1m），供電一端挖20個電極坑埋設(shè)，坑深不低于0.4m，往鋁箔板上澆導(dǎo)電液（氯化鈉溶液）。

發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)控制：發(fā)射機最高供電電壓和電流不超過額定值的80%，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全，有效電流值不超過100A，本次野外工作一般控制在60～70A左右。

2.3.3 試驗參數(shù)的確定

通過相關(guān)試驗，可得出如下結(jié)論：A、B極三次選站試驗，發(fā)射電流達(dá)到了68A，保證了在測區(qū)內(nèi)能采集到高信噪比數(shù)據(jù)。收發(fā)距在12km至15km均滿足信號采集要求，考慮工區(qū)地形、交通、地物、勘探深度等因素，確定收發(fā)距為11～12km。綜上本次研究工作選取了一套最佳參數(shù)組合（表3），取得了良好的效果。

2.3.4 MN端數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵環(huán)節(jié)

研究區(qū)地形復(fù)雜，在進(jìn)行廣域電磁與偽隨機信號電磁法數(shù)據(jù)采集時采取有線多道采集方式，即通過多通道廣域接收儀（圖1），每通道都有阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，一次可以最多測8個點，此方式相對單通道廣域電磁儀，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，可操作性強，提高了野外工作效率。

圖1 廣域電磁與偽隨機信號電磁法勘探MN端布置示意圖

2.4 應(yīng)用效果

本次工作共完成2條平行測線（L1、L2），其中L2與已知地震剖面部分重合，圖2、3為兩線的廣域電磁與偽隨機信號電磁法視電阻率反演成果圖，反演深度5.5km。

綜合廣域電磁與偽隨機信號電磁法成果剖面圖及地質(zhì)資料，其效果有如下分析認(rèn)識：

圖2 L1剖面視電阻率反演斷面圖

圖3 L2剖面視電阻率反演斷面圖

（1）電性結(jié)構(gòu)。視電阻率反演斷面圖電性特征一致好，從上至下劃分出了四個主要電性層（表4）。

（2）含氣目的層的探測。視電阻率反演斷面圖中第三定性層的底部為五峰-龍馬溪低電阻層，電性剖面圖顯示五峰-龍馬溪組的平均埋深達(dá)到了4km，該方法對油氣層仍分辨較好。

（3）斷層、構(gòu)造的探測。視電阻率反演斷面圖發(fā)現(xiàn)兩條隱伏斷層F1、F2。從電性特征上分析，F(xiàn)1和F2在海相地層內(nèi)，沒有向上貫穿海陸過渡相及陸相地層的趨勢，推斷斷層形成的時期較早，油氣開發(fā)應(yīng)予以關(guān)注。此外也反映出背斜局部褶皺的電性特征，與區(qū)域地質(zhì)資料顯示的背斜位置吻合。

表4 視電阻率反演斷面各電性層參數(shù)統(tǒng)計表

3 結(jié)論與認(rèn)識

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論和認(rèn)識：

（1）廣域電磁與偽隨機信號電磁法在干擾較強的地區(qū)仍然能夠獲得深部5～6km的有效數(shù)據(jù)，具有抗干擾能力強、勘探深度大的優(yōu)點。廣域電磁法在大套地層劃分、油氣層識別、斷層及構(gòu)造識別方面的效果顯著。該設(shè)備由何繼善院士主持研發(fā)，并獲2019年國家科學(xué)進(jìn)步一等獎，從理論上完全打破了國外電磁法的壟斷。

（2）廣域電磁與偽隨機信號電磁法在劃分巨厚層灰?guī)r內(nèi)的飛仙關(guān)組上，分辨率略顯不足。但采集工藝及算法上還需進(jìn)行完善。激電參數(shù)采集目前沒完善，還沒有真正做到多電性參數(shù)綜合解決頁巖層的目的。

唐新功，胡文寶，蘇朱劉．2011．我國南方地區(qū)頁巖氣電磁勘探技術(shù)初探[J]．長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），8(11)：33-36．

何繼善．2010．廣域電磁法和偽隨機信號電法[M]．北京：高等教育出版社．

何繼善．2010．廣域電磁法研究[J]．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），41（03）：1065-1072．

何繼善．2020．廣域電磁法理論及應(yīng)用研究的新進(jìn)展[J]．物探與化探，44（5）：985-990．

武斌，曹俊興，鄒俊，黃金寶．2011．音頻大地電磁測深在川西地?zé)峥碧窖芯恐袘?yīng)用[J]．工程勘察，39（9）：91-94．

符超，袁博，李學(xué)蘭，李軍廣．2016．廣域電磁法在保靖頁巖氣勘探中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報，13（4）：416-422．

The Application of Wide-Area Electromagnetic and Pseudo-Random Signal Electromagnetic Methods to the Shale Gas Exploration in the Sichuan Basin

WU Bin1TAN Zhang-kun2ZENG Kai3ZOU Jun1CHEN Ning1YU Zhou1CHEN Ting1

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering, Chengdu 610072; 3-The 113rd Geological Team, BGEEMRSP, Luzhou, Sichuan 610100)

Wide-area electromagnetic and pseudo-random signal electromagnetic methods are characterized by large observation area, strong signal, high precision and high efficiency thanks to using a pseudo-random signal. The pseudo-random signal electromagnetic methodcan simultaneously transmit and receive multiple main frequency signals of roughly equal intensity, thus doubles the field efficiency of the electromagnetic method. The application of the wide-area electromagnetic and pseudo-random signal electromagnetic methods to the geophysical exploration of a shale gas block in the Sichuan basin indicates that it can still obtain the effective data of 5 - 6 km depth in the area with strong interference. The wide-area electromagnetic method is effective in stratigraphic division, oil and gas layer identification and structure identification.

wide-area electromagnetic method; pseudo-random signal; shale gas exploration

P319

A

1006-0995（2021）03-0474-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.025

2020-11-08

武斌（1971— ）男，山西臨猗人，固體地球物理學(xué)博士，教授級高級工程師，主要從事金屬地球物理勘查、工程物探及相關(guān)研究工作

譚章坤（1986— ）男，湖北公安人，碩士研究生，工程師，主要從事電磁法在資源勘查、隧道勘查、城市地下空間等方向的應(yīng)用研究