基于頻散測試分析的時頻電磁資料校正處理及儲層評價

沈義斌，楊 俊，曹 陽，劉雪軍，王財富，何展翔

1.深圳市深遠海油氣勘探技術重點實驗室（南方科技大學），廣東 深圳 518055；2.廣東省地球物理高精度成像技術重點實驗室（南方科技大學），廣東 深圳 518055；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣東 廣州 511458；4.東方地球物理公司，河北 涿州 072751；5.南方科技大學 地球與空間科學系，廣東 深圳 518055

0 前言

電磁法是油氣勘探的主要方法之一，經過多年發展取得了長足進步.隨著勘探目標的不斷加深，以及勘探地區的地質構造越來越復雜，常規的電磁勘探方法已不能滿足勘探開發的要求，為解決常規方法勘探能力的不足，人們開始研發其他有效的電磁勘探方法.

時頻電磁法（Time Frequency Electromagnetic Method，TFEM）勘探技術就是在油氣勘探走向深入，難度越來越大的背景下，為適應油氣勘探開發的需要，經過20 余年的探索發展起來的適用于深部資源探測的新方法［1］.TFEM 作為一項比較成熟的油氣檢測技術，在國內外多個盆地已得到了廣泛的應用，并取得了較好的勘探效果［2-6］.經過多年的實踐表明，該技術是在目標儲層巖石物性研究基礎上，有效地提取儲層油氣相關異常信息，彌補了地震在油氣檢測方面的不足.

巖石的導電性是電磁勘探的基礎.儲層巖石電阻率參數一直是區分油水界面、評價儲層含油性與程度的核心參數.相較于巖石物理彈性理論研究方面，巖石物理電性研究起步稍晚［7-10］.通過巖石物性研究可充分了解儲層含油氣與巖石物性參數之間的相關性，為電磁油氣檢測提供必要基礎［11-12］.但是，時頻電磁油氣檢測一直停留在定性評價的基礎上，直到2021 年趙云生等利用Archie 公式對井地電磁法的電阻率、極化率資料進行火成巖油氣儲層飽和度計算才突破了電磁方法定量儲層評價的方法瓶頸［13］.另外，曲昕馨等基于溫壓與電阻率關系對電磁反演的電阻率數據進校校正研究，建立了不同類型巖石的電阻率與溫度、壓力定量關系，提出了一種基于溫壓與電阻率關系的電磁反演校正方法［14］，通過對實測數據的校正處理，證明了該方法可有效提高對薄層的精細劃分能力，但并沒有進一步開展油氣儲層的評價.

本文利用西部CXN 地區火山巖發育區時頻電磁反演數據，在巖石物理實驗測試數據分析的基礎上，研究儲層巖石電性參數隨溫度和壓力變化的特征及校正方法，進而進行儲層飽和度預測的探索.

1 巖石溫壓頻散測試分析

巖石復電阻率頻散實驗的巖心均取自CXN 地區.巖心有砂巖、灰巖、白云巖3 類（表1），合計25 塊巖石樣本.本研究用于巖石頻散實驗的實驗儀器為AutoLab-1000，測量的頻率范圍0.01～10 000 Hz，一共31 個頻點.巖心壓力的頻散測試時，溫度控制為25 ℃，測試10、20、30、40、50、60、70 MPa 下巖心電阻率頻散曲線；溫度的巖心頻散實驗，設置圍壓10 MPa，溫度為30、45、60、75、90、100 ℃，測量巖心的電阻率頻散曲線.

表1 實驗巖心參數表Table 1 Parameters of cores for experiment

1.1 壓力與電性參數之間的關系

儲層的主要巖性多是含有孔隙的巖石，隨著地層深度的增加，儲層對應的地層壓力增大，巖石受應力作用更加致密.儲層的主要巖性是少含導電礦物的巖石，地層水會作為巖石孔隙內部的主要成分，所以巖石內部的導電機制中，電磁感應所占比重將比較小，主要為離子導電.本實驗所選用的巖心包括灰色白云質灰巖、灰色灰巖、灰色含砂質硅質灰巖3 種巖石.不同壓力下的電性參數頻譜特征均大致相同，這里僅以137號灰色含砂質硅質灰巖為例，從10 MPa 開始，70 MPa 結束，壓力遞增梯度為10 MPa（圖1）.

壓力對電阻率數值的影響顯而易見.從圖1 中不難看出，在10 MPa 壓力下巖心電阻率的幅值處于1 200 Ωm左右；但在70 MPa 壓力下時，電阻率數值接近2 900 Ωm.同樣，相位也會隨壓力變化逐漸變化，但整體的數值差異不大.曲線首端接近重合，整體呈現下降的趨勢，且施加的壓力越大，相位數值越小，對于巖石的極化模式影響很大.

圖1 不同壓力條件下灰色含砂質硅質灰巖（137 號巖心）的頻譜特征Fig.1 Spectrum characteristics of sandy siliceous limestone（core 137）under different pressure conditions

1.2 溫度與電性參數之間的關系

當外界溫度增大的時候，巖石內部的導電離子活動性能也會隨之變強，因此巖石內部的導電能力也會變強，而巖石的電阻率則會隨之減小.圖2 為114號巖心在不同溫度情況下復電阻率隨溫度變化的圖像.

圖2 不同溫度條件下灰色白云質灰巖（114 號巖心）的頻譜特征Fig.2 Spectrum characteristics of dolomitic limestone（core 114）at different temperatures

從圖2a 可見，在不同溫度條件下，灰色白云質灰巖復電阻率振幅曲線首端有明顯差距，而且隨著溫度的增大，曲線趨勢沒有發生太大改變，復電阻率振幅的減幅越來越小.曲線隨著頻率的增大逐漸靠攏，并一直保持下降的趨勢，直到進入高頻段以后，曲線開始重合并最終相交.而相位曲線的情況與復電阻率振幅曲線相反，呈現穩定的下降趨勢（圖2b）.可以看到在中低頻段，曲線能完全重合在一起；隨著頻率增大，曲線開始下降并逐漸分開，且在同一頻率時，溫度越低，相位越小.

值得注意的是，電阻率的幅值差異較大，甚至能達到幾倍的差距.30 ℃時超過了120 000 Ωm，而100 ℃的灰色白云質灰巖復電阻率降低到40 000 Ωm.由此可見溫度對于巖石復電阻率有很大的影響.這說明在電磁資料反演過程中，忽視溫度對于電阻率的影響，可能會給地球物理數據處理帶來明顯的誤差.

1.3 溫度、壓力與電性參數之間的關系

對5 種巖石進行溫壓實驗.圖3 所示為116 號巖石樣品灰色白云質灰巖的復電阻率振幅和相位隨溫度的變化曲線.從圖3 可見，電阻率隨溫度升高而降低，相位隨溫度升高而增加.圖4 為116 樣品在30 ℃下復電阻率振幅和相位隨壓力的變化曲線.觀察圖4 可見，電阻率隨壓力升高而升高，相位隨壓力升高而降低.因此，在野外工作實際處理資料過程中，通過上述關系對電性參數進行溫度和壓力校正后，再進行數據處理，則可以提高儲層解釋精度和效果.

圖3 灰色白云質灰巖（116 號巖心）復電阻率溫度擬合Fig.3 Temperature fitting of complex resistivity for dolomitic limestone（core 116）

圖4 灰色白云質灰巖（116 號巖心）復電阻率壓力擬合Fig.4 Pressure fitting of complex resistivity for dolomitic limestone（core 116）

2 電阻率反演數據校正方法

在對目標位置的電阻率數據進行校正之前，筆者查閱了CXN 地區的地區溫壓系統，明確了研究區的壓力梯度和溫度梯度.根據前人對CXN 拗陷20 多個含氣構造的主要地層壓力的分析資料［15］，對研究區的地層壓力分布特征有了一定的認識.按照壓力系數對CXN 地區地層壓力進行了分類（表2）.

表2 研究區地層壓力分類表Table 2 Classification of formation pressure in the study area

劉震等［16］提出將地層壓力和地溫看作一個整體系統，那么含油氣盆地的地溫-地層壓力系統就是一個獨立的封閉系統，并給出了地溫-地層的壓力方程［16］：

其中K 和L 均為于封閉系統內部氣體體積有關的常量，T 和P 分別為地溫和地層壓力.從西部某盆地地溫、地層壓力特征圖（圖5）可得知，隨著深度增加，在800～2 000 m 時，地層壓力處于2～4 MPa 的低幅超壓.通過測量得出該地區的地溫梯度為1.93 ℃/hm，地壓梯度為2 MPa/hm，平均地表溫度為27 ℃.

圖5 研究區溫壓梯度曲線（據文獻［17］修改）Fig.5 Temperature and pressure gradient curve of the study area（Modified from Reference［17］）

2.1 巖石溫壓關系曲線的擬合

在研究區根據重磁電震和YT-1 井測井資料，確定了測線TFEM1902 的儲層范圍：深度5 500～6 300 m處，主要巖性包含灰巖、頁巖和白云巖3 種巖石.故以巖心編號為120 號的灰色灰巖進行溫壓數據擬合，獲取復電阻率振幅、相位和溫度、壓力對應的數值關系，其中激發頻率取0.01 Hz.對選取的數據擬合后得到了不同的溫度和壓力條件下灰色白云質灰巖的擬合圖像，如圖6、7 所示.

圖6 灰色灰巖（120 號巖心）復電阻率溫度擬合Fig.6 Temperature fitting of complex resistivity for gray limestone（core 120）

由圖6a、7a 可知，隨著溫度和壓強的增大，復電阻率振幅分別減小和增大，所以在實際的反演過程中，隨著地層深度的增加，溫壓的綜合作用存在互相抵消的情況.為了使反演結果更加精確，利用巖石物理方法獲取復電阻率振幅對應溫度壓力的數值關系，為后面的時頻電磁數據進行溫壓校正提供基礎.

2.2 典型剖面儲層目標的圈定及數據校正

1）提取TFEM1902 測線資料，繪制時頻電磁反演電阻率剖面（圖8）；同樣，繪制TFEM1902 測線的極化率剖面（圖9）.

圖9 測線EM1902 極化率剖面Fig.9 Polarizability profile of survey line EM1902

2）將對應測線的極化率剖面與時頻電磁反演剖面結合起來比較，結合一級有利區某些深度對應的極化率較高的特點，可以在圖8 中深度約3.6 km 處大致確定測線TFEM1902 的儲層范圍.

圖8 測線EM1902 電阻率反演剖面Fig.8 Resistivity inversion profile of survey line EM1902

為了同時考慮到溫度、壓力對電阻率的影響.曲昕馨等［14］提出電阻率溫壓校正的綜合函數：

圖7 灰色灰巖（120 號巖心）復電阻率壓力擬合Fig.7 Pressure fitting of complex resistivity for gray limestone（core 120）

其中C 為校正系數，可通過溫度、壓力梯度共同定義，可表示為：

式中，ρ（H）為地層深度H 下的電阻率定義，即常規勘探測得的電阻率數據；ρ（H0）為初始深度下的地層電阻率；a 為巖石對數電阻率的地溫梯度；b 為巖石對數電阻率的地壓梯度；ml為巖石的膠結因數，l=1，2，3……；Φ 為地層巖石的孔隙度，可由剖面的測井曲線給出.由圖5 可知CXN 地區的地溫梯度和壓力梯度，其中，?P/?H=2，?T/?H=1.93.根據前人研究，有a=1.05，m=1.53，b=1.01，n=1.93［18］.根據以上數據，可以通過式（2）（3）獲得校正后的地層電阻率ρ（H），如圖10 所示.

圖10 測線EM1902 校正后反演剖面Fig.10 Corrected inversion profile of survey line EM1902

3 儲層含油飽和度的估算

飽和度對于儲層的評價十分的重要.測飽和度模型有威克斯曼-史密斯（W-S）［19］等類型，為便于計算一般使用Archie 公式［20］：

其中，Rt為儲層地層電阻率（本研究為考慮溫壓影響的電阻率）；Rw為儲層地層水的電阻率；Sw儲層的含水飽和度.根據探區測井資料，地層水電阻率為0.65 Ωm，儲層平均孔隙度為0.17，m 取值為2，飽和度指數n 設置為2.

這里公式中儲層地層電阻率Rt為考慮激發極化效應的復電阻率振幅，帶入前面的儲層電阻率和極化率數值，同時假定時間常數和頻率相關系數分別為10和0.5，利用Cole-Cole 模型計算近似的等效復電阻率.

利用公式（4）可對儲層目標進行飽和度計算，選取測線有利儲層對應25 km（YT-1 井）附近，縱向深度為1.6～3.9 km 處的數據繪制得到隨地層深度變化，電阻率和飽和度變化的曲線，如圖11 所示.可見，估算的儲層飽和度達到80%以上，這與研究區火成巖儲層工業油井的飽和度一致.

圖11 測線TFEM1902（1.6～3.9 km）儲層飽和度估算Fig.11 Estimation of reservoir saturation of survey line TFEM1902（1.6-3.9 km）

4 結論

通過巖石溫壓電阻率頻散測試，獲得研究區儲層巖石隨著溫度和壓強的增大，復電阻率分別減小和增大.因此，隨著地層深度的增加，溫度和壓力的變化對于地層物性影響是綜合作用.同時，通過巖石飽和度電阻率極化率測試研究，獲得飽和度隨復電阻率變化關系；利用溫壓校正的綜合函數關系式計算地層電阻率，進而基于研究區相關儲層特性開展飽和度評價.該研究無疑還存在諸多不足，但不失為時頻電磁從儲層含油氣定性預測走向儲層定量評價進行的一種探索.

致謝：本項研究受到國家自然科學基金項目“深地/深海探測中強電流激發下可控源電磁法激電效應機理研究及應用”（41874085）、深圳市深遠海油氣勘探技術重點實驗室項目（ZDSYS20190902093007855）、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項（GML2019ZD0203）、廣東省海洋經濟發展（海洋六大產業）專項資金項目“海洋電子信息裝備淺海試驗場”（GDNRC［2021］60）、廣東省地球物理高精度成像技術重點實驗室項目（2022B1212010002）、深圳市科技計劃項目“深海深地資源探測技術系統研發”（KQTD 20170810111725321）的聯合資助，在此表示感謝.