利用時頻電磁法識別遼河盆地東部凹陷火成巖油氣目標

石艷玲，劉雪軍，魏 強，索孝東，董衛斌，何展翔

1. 中國石油東方地球物理公司，河北 涿州 072751；2. 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；3. 南方科技大學地球與空間科學系，廣東 深圳 518055

0 前言

由于火成巖的屏蔽作用及其巖性的復雜多變，深層火成巖儲層目標的識別一直是油田勘探難題. 面對這一難題，單純依靠地震方法，勘探風險非常之大，人們一直試圖使用更多的勘探方法［1-3］. 諸多的火山巖勘探實踐表明，電磁勘探方法在火山巖目標研究中可以發揮重要作用［4-5］. 火成巖儲層具有明顯的電性和磁性，可以通過研究火山巖地層的電性特征提高火山巖儲層識別的可靠性［6］. 張長江等通過研究發現火成巖良好的物性是電磁測深的基礎，能夠有效確定深部巖漿巖活動區及火山巖的分布［7］. 劉云祥等基于巖石磁性和電阻率差異，采用重磁電聯合的方法劃分火山巖巖性巖相，研究成果得到其他資料佐證［8-9］.

多年的勘探實踐證明，遼河拗陷具有優越的石油地質條件［10-13］. 因目標層埋藏深度大、火成巖的屏蔽作用等影響，應用地震方法進行勘探時，中深部地層的成像精度有限，而電磁勘探受火山巖地層的影響相對較小. 近幾年，應用時頻電磁法在遼河盆地東部凹陷開展了大量工作，解決了該區沙河街組三段火成巖巖性巖相的圈定，以及HX 凹陷南側東營組和沙一段油氣分布等一系列問題.

時頻電磁法（time-frequency eletromagnetic method，TFEM）是近年來發展起來的一種大功率可控源電磁勘探方法. 該方法采用類似非縱大偏移距地震勘探的工作方式，利用大功率發射源激發，在接收端同時采集時間域和頻率域信號，具有激發信號強、探測深度大、應用效果好的特點［14-15］，在國內外得到了廣泛的應用，成為油氣勘探中的一種不可或缺的重要手段［14-17］. 特別是在我國塔里木盆地、準噶爾盆地的火山巖儲層目標勘探中取得較好的應用效果［18-19］. 因此，應用時頻電磁法解決HX 凹陷沙三段火成巖儲層巖性、巖相及分布問題，并通過反演極化率直接檢測油氣，對中國東部探區火成巖油氣藏的勘探具有重要意義. 本研究從統計研究區內電測井資料出發，通過將時頻資料與已知油井出油情況對比，總結出一套極化率評價的分級標準，在該地區識別出多個油氣有利區，并經后續鉆探證實. 該方法亦可為類似地區油氣評價提供借鑒.

1 物性特征分析

物性差異是地球物理勘探的基礎. 電阻率統計分析工作是時頻電磁法后續處理解釋的關鍵步驟. 對研究區內24 口鉆井進行了統計分析，得到以火山巖為主的新近系沙河街組三段（E3s3）整體表現為高阻特征.從部分鉆井的沙三段巖性及電測井曲線柱狀圖（圖1）可見，沙三段主要發育粗面巖、玄武巖、火山碎屑巖和沉積巖，其中粗面巖和玄武巖分布最廣. 圖2 是沙三段不同巖性測井電阻率散點圖. 從圖1、2 可看出，火成巖總體呈現高阻特征，粗面巖電阻率遠大于火山碎屑巖、玄武巖以及沉積巖. 歸納認為，不同巖性電阻率特征表現為：粗面巖＞火山碎屑巖＞玄武巖＞沉積巖. 該統計結果為時頻電磁反演識別出相對高阻儲層提供了物性基礎.

圖1 鉆井沙三段巖性及電測井曲線柱狀圖Fig. 1 Lithology columns and electric logging curves of E3s in drillhole

圖2 沙三段不同巖性測井電阻率散點圖Fig.2 Logging resistivity scatter diagram of different lithology in E3s

2 針對火成巖目標的時頻電磁技術

油氣成藏后會引起儲集層周圍及上方介質物理、化學和其他響應的異常，特別是電異常和電化學異常，這是電磁勘探的理論基礎.

電磁勘探不是檢測油氣藏中的烴類成分，而是直接探測到了油氣藏本身，它通過探測油氣藏的電和電化學異常來確定含油氣狀況，因此電磁方法具有其他非震方法所不可比擬的優勢. 時頻電磁法的特點在于激發信號強，形成對油氣藏強而有效的激發，因此，TFEM是地面油氣檢測技術中最有潛力的方法之一［20-21］.

針對深層火成巖目標，時頻電磁法采用大功率、長偏移距、多頻采集方法，提高了勘探深度和資料信噪比.

研究區淺層地震資料反射特征清晰，但沙河街組及以下地層反射模糊，深部目標識別困難. 采用大功率時頻電磁能夠探測到沙河街組及以下地層電性結構. 電磁法勘探是體積勘探，自由反演存在多解性，難以精確反演出目標界面和電阻率，因而在反演過程中需盡可能利用先驗信息，減少未知反演參數，提高深部目標區的反演精度. 在資料處理中，為獲得精確的電阻率成像，開展了井震建模二維時頻電磁約束反演.

圖3 為井震建模約束反演的流程圖. 根據已知地質、鉆井和地震淺層信息確定剖面初始地質模型淺層層位（圖1），再依據鉆井統計物性結果給定電阻率值，然后反演淺層地電結構，經過多次迭代反演，找到最小擬合差，完成淺層反演（如圖3b）. 最后固定淺層層位和電阻率值，重點反演深層地電結構，經多次迭代反演，尋找深部最小擬合誤差，建立深層地電結構模型，最終得到時頻電磁約束反演剖面（如圖3c）.

圖3 約束反演方法流程圖Fig. 3 Process of constrained inversion method

通過W1 井、W9 井電性特征可以看出，從淺到深，電阻率的整體變化與測井曲線一致，細節清晰. 說明通過地震層位約束，反演結果更精細. 從整體上看，通過層位約束，目標層位歸位良好，電性變化更符合地質認識.

3 深層火成巖儲層分布特征

在TFEM-03 線時頻電磁約束反演電阻率剖面和地質解釋剖面（圖4）中，沙河街組5 個期次火山巖分別用qc1、qc2、qc3、qc4、qc5 表示. 從圖4 中可見，反演電阻率剖面不僅對斷裂特征、隆拗格局、主要地層分界有揭示，對沙河街組內部的各種巖性也有較好的反映.依據前述物性統計結果和鉆井資料，綜合解釋各時頻電磁反演電阻率剖面，沙河街組共識別出5 個期次火山巖，自下向上火山活動呈現“弱—強—強—弱—弱”特征. qc1、qc4、qc5 火山活動較弱，厚度自南西向北東減??；qc2、qc3 火山活動強、分布廣、厚度大，粗面巖發育.

圖4 TFEM-03 線反演電阻率及綜合解釋剖面Fig. 4 Resistivity inversion and comprehensive interpretation profile along TFEM-03 line

綜合研究區6 條時頻電磁反演剖面，對qc3 的兩套粗面巖的厚度進行了推斷解釋（如圖5、6）. 從圖5、6 看，受南北兩個斷裂帶控制，沙三段主要發育2 排火山噴發相帶；粗面巖主要為溢流相和爆發相，火山口附近爆發相較發育. 多條剖面及圖5 顯示，粗面巖Ⅰ發育深度3.25～3.34 km，平面上有2 排、3 個厚度中心，沿駕掌寺斷裂發育一排，W2—W4 沿線發育一排，W5—W6 井間厚度超過350 m. 粗面巖Ⅱ比粗面巖Ⅰ分布范圍更廣，東部凹陷內基本均有分布，厚度更大，多為300～600 m. 從圖5、6 看，兩套粗面巖呈NE 向、條帶狀展布. 在W2 鉆井附近新設一口鉆井，鉆探結果顯示，該處火成巖發育，在沙三段有油氣顯示，與時頻勘探結果較吻合.

圖5 qc3 粗面巖I 厚度分布圖Fig. 5 Thickness distribution of trachyte I in the third stage

圖6 qc3 粗面巖II 厚度分布圖Fig. 6 Thickness distribution of trachyte II in the third stage

4 研究區油氣分布特征

通過對區內所有測線電阻率和極化率進行反演，極化率異常主要分布在東營組、沙一段和沙三段. 通過分析鉆井出油氣情況，依據剖面上激發極化率異常數值大小，與已知鉆井資料的對應關系，確立了本地區油氣激發極化率異常分級評價模板（圖7）.

圖7 極化率分級評價統計散點圖Fig. 7 Scatter diagram of polarization anomaly grading evaluation

通過與已知探井的對比得出，研究區極化異常大于0.2 時相對有利；振幅異常、相位異常和電阻率異常正相關性越好，則目標越有利. 依據這個標準對J34 井進行了預測，從極化率反演剖面（圖8）看，J34 井極化異常數值達0.24，非常有利.

圖8 TFEM-04 測線極化率剖面Fig. 8 Polarizability profile along TFEM-04 line

從電阻率反演剖面（圖9）上看，極化異常體所對應的位置，電阻率相對圍巖呈明顯高阻，解釋為粗面巖，綜合分析其為一級有利目標. 后續油田對該井進行了試油，在4 665～4 710 m 井段發現兩段、累計厚度45 m 的油層.

圖9 2016TFEM-04 測線電阻率剖面Fig. 9 Resistivity profile along 2016TFEM-04 line

其他測線的極化異常特點與此類似. 2017TFEM-01 線極化率反演剖面（圖10）顯示，高極化率異常主要分布在東營組和沙一段. 東營組內有兩個強極化異常，130—166 號測點之間的異常體長度約3.6 km，極化異常值0.19～0.23，174—198 號測點之間的異常體長度約2.4 km，極化異常值0.19～0.22，兩個異常疑似聯通. 對應地震剖面和電阻率反演剖面顯示，東營組這兩個極化異常與有利構造疊合得非常好，異常體剛好位于背斜頂部及背斜翼部之上. 綜合各評價指標分析，將其評價為一級有利目標.

圖10 2017TFEM-01 測線極化率剖面Fig. 10 Polarizability profile along 2017TFEM-01 line

沙一段內有3 個強極化異常. 其中143—167 號測點之間的異常位于沙一段的頂部，長度約2.4 km，極化異常值0.19～0.23；134—162 號測點之間的異常位于沙一段的底部接近沙三段頂的位置，長度約2.8 km，極化異常值0.19～0.21；173—191 號測點之間的異常也是位于沙一段的底部接近沙三段頂的位置，長度約1.8 km，極化異常值0.19～0.21. 綜合各評價指標分析，將其評價為一級有利目標.

5 結論

通過分析電測井資料，建立了研究區的火成巖物性數據庫，為時頻電磁勘探識別高阻粗面巖和相對低阻的玄武巖提供了物性基礎. 時頻電磁反演電阻率剖面所揭示的電性結構能有效識別新生界各主要地層，井震-時頻聯合，進一步落實構造特征，對沙河街組火成巖內幕刻畫更清晰. 通過綜合解釋揭示HX 地區沙三段粗面巖廣泛發育，主要為溢流相和爆發相，認為爆發相的粗面巖厚度大、分布廣，勘探潛力大. 通過時頻電磁勘探提高了對火成巖儲層的識別精度，在類似復雜火山巖勘探領域具推廣價值.

反演極化率異常對研究區油氣分布有較好的揭示. 區內縱向上發育多層極化異常，DPF 地區主要分布在東營組和沙一段.

大功率時頻電磁勘探實現了電阻率-極化率參數聯合直接油氣檢測，解決了單一電阻率參數儲層目標及油水識別精度低的難題，是一種行之有效的油氣預測方法.