基于時(shí)頻電磁法的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系勘探進(jìn)一步研究

張春賀,劉雪軍,周 惠,何蘭芳,何委徽,周印明,朱永山

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北涿州072751；4.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八一四隊(duì)，江蘇南京 210007)

基于時(shí)頻電磁法的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系勘探進(jìn)一步研究

張春賀1,2,劉雪軍3,周 惠1,2,何蘭芳3,何委徽4,周印明3,朱永山3

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北涿州072751；4.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八一四隊(duì)，江蘇南京 210007)

為了發(fā)揮非地震勘探技術(shù)成本低、效率高的優(yōu)勢,檢驗(yàn)電法勘探技術(shù)在頁巖氣勘探中的有效性,分別于2011、2012年對分布于四川盆地南部的志留系龍馬溪組-奧陶系五峰組、寒武系牛蹄塘組兩套典型富有機(jī)質(zhì)頁巖層系進(jìn)行了時(shí)頻電磁法(Time-Frequency Electromagnetic Method,TFEM)頁巖氣勘探試驗(yàn)。巖石樣本研究表明,這兩套頁巖層系具有較為明顯的低密度、低磁化率、高極化率、高TOC、相對高電阻率,即“兩低、兩高、一相對高”的物性特征。2012年進(jìn)行的面積時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)結(jié)果與2011年完成的二維時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)結(jié)果均表明,試驗(yàn)區(qū)分布的志留系龍馬溪組-奧陶系五峰組層系具有高極化率與相對高電阻率異常分布特征。以時(shí)頻電磁法勘探獲取的高極化率異常為主,通過多參數(shù)評價(jià),預(yù)測了試驗(yàn)區(qū)兩套目標(biāo)層系的TOC高值分布區(qū)。

頁巖氣勘探;時(shí)頻電磁法;電阻率;極化率;TOC高值;四川盆地

頁巖氣具有大面積連續(xù)成藏、賦存方式與富集因素多樣、頁巖既是源巖又是儲層等特點(diǎn),其成藏機(jī)理和富集規(guī)律與常規(guī)天然氣藏差異較大,因此針對頁巖氣資源的評價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)方法體系必然與常規(guī)天然氣藏的相關(guān)內(nèi)容有所不同,這也是頁巖氣被劃分為非常規(guī)油氣資源的原因之一。頁巖氣資源的勘探開發(fā)需要在常規(guī)技術(shù)方法的基礎(chǔ)上,采用針對頁巖氣成藏機(jī)理和富集規(guī)律的有效的非常規(guī)技術(shù)方法體系。

21世紀(jì)之前,由于三維地震技術(shù)在非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)中的應(yīng)用還不普遍,業(yè)內(nèi)曾經(jīng)一度認(rèn)為,在北美地區(qū)包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)氣藏儲層構(gòu)成簡單、分布廣泛、介質(zhì)均勻,因而許多油氣公司希望通過勘探這類油氣資源,降低“鉆遇干井的風(fēng)險(xiǎn)”。然而,很多非常規(guī)油氣區(qū)的鉆探結(jié)果與期望相差很大,這表明頁巖氣藏既不簡單又非均質(zhì)[1]。近5～10年,三維地震技術(shù)在非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)中得到了普遍應(yīng)用,已成為識別和預(yù)測頁巖氣“甜點(diǎn)”儲層分布、提供最佳鉆探井位和輔助設(shè)計(jì)水平井鉆井軌跡、切實(shí)提高水平井鉆井在頁巖氣儲層中的“地質(zhì)導(dǎo)向”能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，目前國內(nèi)頁巖氣三維地震勘探由于目標(biāo)區(qū)不明確、實(shí)施難度大、投資費(fèi)用高等原因尚不能普遍展開[2-9]。能否結(jié)合二維地震勘探成果,借助重磁電勘探技術(shù)進(jìn)一步提升成果認(rèn)識,為國內(nèi)頁巖氣二維地震勘探與三維地震勘探之間的“斷層”搭建一座有效的“橋梁”呢？這正是我們兩年多來進(jìn)行的以時(shí)頻電磁法為主的重磁電勘探攻關(guān)試驗(yàn)所一直努力探索的問題。

2011年，在四川盆地南部筠連地區(qū)開展了頁巖氣二維時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)，研究結(jié)果證明采用時(shí)頻電磁勘探所獲得的極化性和電性異常特征能夠有效應(yīng)用于頁巖氣勘探[10]。之后，于2012年繼續(xù)在該地區(qū)開展了詳細(xì)的地層物性特征研究、面積時(shí)頻電磁勘探和三維高精度重磁勘探綜合試驗(yàn)工作，重點(diǎn)提取極化率和電阻率異常分布的信息，嘗試預(yù)測了試驗(yàn)區(qū)目的層系龍馬溪組的TOC高值分布區(qū)。

1 勘探試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特征

四川盆地頁巖氣勘探區(qū)塊主要集中在川南資陽-威遠(yuǎn)氣區(qū)、宜賓-長寧地區(qū)和川東重慶-涪陵地區(qū)。2007年以來,國內(nèi)相關(guān)單位通過開展淺井地質(zhì)鉆探、巖心取樣測試等工作,在頁巖含氣量、有機(jī)質(zhì)豐度等地質(zhì)評價(jià)參數(shù)方面取得了許多認(rèn)識。特別是重慶涪陵焦石壩頁巖氣的成功開發(fā),對進(jìn)一步研究四川盆地的頁巖氣儲層特征、資源狀況、賦存規(guī)律等具有重要意義[11-14]。

試驗(yàn)區(qū)位于四川盆地川南低陡褶皺帶南緣(圖1),面積約60km2,屬于華鎣山斷褶帶向西南延伸、呈帚狀撒開的雁行式低背斜群。試驗(yàn)區(qū)在加里東期為坳陷區(qū),印支期為瀘州古隆起的主體部分,中生代以來的隆起區(qū)。川南低陡褶皺帶發(fā)育NE向、EW向和SN向3組構(gòu)造,各組構(gòu)造之間相互影響,呈反接或斜接復(fù)合[15]。

圖1 川南低陡褶皺帶構(gòu)造試驗(yàn)區(qū)位置

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為三疊系銅街子組和飛仙關(guān)組，二疊系樂平組、峨眉山玄武巖組、茅口組、棲霞組和梁山組，志留系羅惹坪組和龍馬溪組，奧陶系五峰組、中奧陶統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)，上寒武統(tǒng)、中寒武統(tǒng)、下寒武統(tǒng)清虛洞組、金頂山組、明心寺組和牛蹄塘組，上震旦統(tǒng)。其中下志留統(tǒng)龍馬溪組和上奧陶統(tǒng)五峰組是四川盆地開展頁巖氣勘探的主要目的層系[16-18]。

2 時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)

2.1 富有機(jī)質(zhì)頁巖物性特征

開展以時(shí)頻電磁法為主的綜合勘探試驗(yàn),首先需要詳細(xì)了解試驗(yàn)區(qū)巖石物性特征。2011—2012年在試驗(yàn)區(qū)及周邊進(jìn)行了巖石物性標(biāo)本采集和測試分析,并結(jié)合美國在主要頁巖氣產(chǎn)氣盆地所取得的勘探認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn),對試驗(yàn)區(qū)主要目的層系幾項(xiàng)關(guān)鍵地質(zhì)要素歸納如下。

1) 有機(jī)質(zhì)豐度:龍馬溪組頁巖有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為中等—較高水平,數(shù)值范圍為0.16%～6.82%,平均1.55%,大多數(shù)已達(dá)到了頁巖氣生成的條件。

2) 干酪根類:龍馬溪組干酪根類總體為Ⅰ型有機(jī)質(zhì),為生成頁巖氣有利的有機(jī)質(zhì)類型。

3) 有機(jī)質(zhì)成熟度:龍馬溪組頁巖地面樣品的有機(jī)質(zhì)成熟度約為2.79%～4.86%,達(dá)到了成熟—過成熟階段水平。

4) 孔滲特征:四川盆地南部地區(qū)27個(gè)泥頁巖巖樣孔隙度為0.25%～9.20%,平均孔隙度為2.30%,平均滲透率(0.015～1.990)×10-3μm2。

5) 礦物組成:試驗(yàn)區(qū)龍馬溪組主要為深水陸棚相沉積環(huán)境,頁巖粘土礦物含量在14.6%～57.8%,平均為38.9%;石英和長石含量在24.6%～58.4%,平均為35.1%;碳酸鹽礦物含量在10.8%～40.8%,平均為23.0%；脆性礦物含量較高,粘土含量相對較低。

試驗(yàn)區(qū)露頭標(biāo)本測定和鉆孔資料分析獲得的密度、磁性、電阻率、極化率等巖石物性特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

綜合2011—2012年度的資料,進(jìn)一步完善了試驗(yàn)區(qū)震旦系以上各套地層的物性參數(shù),見表2。其中龍馬溪組頁巖平均密度為2.55g/cm3,平均磁化率為15.10×10-5SI,電阻率為30～50Ω·m,極化率值為17.5%～25.6%;寒武系牛蹄塘組的平均密度為2.56g/cm3,平均磁化率為17.47×10-5SI,電阻率為10～50Ω·m,極化率值39.8%～42.7%。這些物性參數(shù)為試驗(yàn)區(qū)綜合勘探提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

表1 試驗(yàn)區(qū)不同巖石樣品物性測試結(jié)果

從表2電阻率參數(shù)看，試驗(yàn)區(qū)各套地層的電阻率值變化較大，將相鄰且電阻率值相近的地層劃歸為一套電性層，則地層由淺至深可劃分成7個(gè)電性層。第一電性層為二疊系樂平組及其以上，顯示為低阻—次高阻層；第二電性層為二疊系峨眉山玄武巖組至下二疊統(tǒng)，顯示為高阻層；第三電性層為志留系羅惹坪組，顯示為次高阻層；第四電性層為志留系龍馬溪組至奧陶系五峰組，顯示為低阻層；第五電性層為奧陶系中統(tǒng)組至寒武系金頂山組，顯示為高阻層；第六電性層為寒武系明心寺組至寒武系牛蹄塘組，顯示為低阻層；第七電性層為震旦系，雖無實(shí)測數(shù)據(jù)，但根據(jù)區(qū)域資料推測為高阻層。

從極化率特征看，寒武系牛蹄塘組極化率值明顯高于上覆寒武系明心寺組和下伏震旦系巖層極化率值。連續(xù)兩年在試驗(yàn)區(qū)的物性測試和綜合勘探結(jié)果都表明，富有機(jī)質(zhì)頁巖層位具有較高的TOC值分布，與其同時(shí)所具有的極化率高值特性之間，存在較為顯著的對應(yīng)關(guān)系。

綜合以上分析可知,試驗(yàn)區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組兩套富有機(jī)質(zhì)頁巖層系具有低密度、低磁性、低電阻率、高極化率和高TOC值的“三低、兩高”特征。對物性樣本進(jìn)一步分類分析,我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得注意的現(xiàn)象:雖然頁巖層系整體呈現(xiàn)低阻特征,但其中龍馬溪組黑色頁巖電阻率值高于灰黑色頁巖電阻率值,五峰組的電阻率值高于龍馬溪組電阻率值,這種低阻中的電阻率局部升高與井下TOC值升高呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,即富含有機(jī)質(zhì)的頁巖層系可以進(jìn)一步確定為低阻中的局部高阻特征。這一認(rèn)識的取得,對于采用時(shí)頻電磁法獲取電阻率和極化率異常,進(jìn)而預(yù)測目的層TOC高值分布區(qū)具有重要意義。

表2 試驗(yàn)區(qū)各套地層物性參數(shù)

2.2 時(shí)頻電磁資料采集

2011年,在試驗(yàn)區(qū)部署了2條二維時(shí)頻電磁測線,總長20km,物理點(diǎn)202個(gè)[10]。2012年,在試驗(yàn)區(qū)開展了面積時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn),部署測線9條,測線總長51.3km,測線距1.08km,點(diǎn)距100m,坐標(biāo)點(diǎn)522個(gè),勘探面積60km2。圖2 為試驗(yàn)區(qū)時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)測線部署圖。兩個(gè)年度的綜合處理解釋工作選擇2011年01線和2012年9條線聯(lián)合進(jìn)行。

2.3 基于地震資料建模的時(shí)頻電磁資料電性和極化性異常提取

在時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)處理過程中,可以采用頻率域資料提取雙頻相位,表征激發(fā)極化的定性異常。其常規(guī)做法是基于物探資料建立探區(qū)地電模型,通過正演模擬選取能直接反映目標(biāo)層系的頻點(diǎn),按(1)式求取雙頻相位:

圖2 2011—2012年四川盆地南部時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)測線部署

(1)

式中:φ(ω2)和φ(ω1)是當(dāng)頻率分別為ω1和ω2時(shí)場源電場的絕對相移。

為了進(jìn)一步提取定量異常,我們引入了擬合激發(fā)極化效應(yīng)的Cole-Cole模型,通過反演求取目標(biāo)層系的極化率值,即：

(2)

式中:ρs(iω)為復(fù)電阻率;ρ0表示頻率為0時(shí)的巖石電阻率;η為極化率;τ為時(shí)間常數(shù);c為表征復(fù)電阻率變化程度的參數(shù);ω為角頻率。在反演過程中,我們采用了基于地震資料建模的時(shí)頻電磁約束反演方法。

由2.1節(jié)分析可知,頁巖層系表現(xiàn)為低阻、高極化特征,通過定性處理和常規(guī)反演能夠大致圈定頁巖層系的分布。而有機(jī)質(zhì)豐度較高的層段表現(xiàn)為相對高阻、高極化特征,我們嘗試采用對地層界面反映更為清晰的地震資料建立比較準(zhǔn)確的地下模型,對時(shí)頻電磁資料進(jìn)行約束反演,獲取目標(biāo)層系電阻率和極化率的橫向變化規(guī)律,進(jìn)一步通過尋找低阻頁巖層系中富含有機(jī)質(zhì)后的局部電阻率高值異常區(qū),結(jié)合極化率高異常,共同預(yù)測TOC高值分布區(qū)。

基于地震資料建模的時(shí)頻電磁約束反演流程如下:

1) 對時(shí)間域磁場分量數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)電阻率反演成像;

2) 利用常規(guī)電阻率反演剖面、地震層位及已知鉆井(測井)資料,構(gòu)建綜合地電模型(圖3a);

3) 利用上述模型和時(shí)頻電磁勘探采集的頻率域電場分量數(shù)據(jù),進(jìn)行二維約束反演成像(圖3b),獲取目標(biāo)層系橫向電阻率和極化率。

從反演結(jié)果可以看出,總有機(jī)碳含量較高的地層具有相對高阻、高極化的特征,與物性分析結(jié)果一致。

圖3 基于地震資料建模的時(shí)頻電磁約束反演電阻率(a)與極化率(b)成像斷面

3 勘探試驗(yàn)區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖層系識別

3.1 電性異常分布特征

圖4為采用時(shí)頻電磁法所獲得的試驗(yàn)區(qū)電阻率異常分布圖,可以看出龍馬溪組整體具有明顯的低阻異常特征,水平方向連續(xù)性好,表現(xiàn)為層狀分布,深度和厚度變化不大,呈低緩的起伏特征。

圖5為龍馬溪組、牛蹄塘組兩套頁巖層系的3D電阻率分布切片。由圖5可見，在01和02測線附近、04至05測線附近以及08和09測線的北段,龍馬溪組頁巖層系電阻率值更低,這些區(qū)域的地層厚度有可能增大。

圖4 試驗(yàn)區(qū)3D電阻率異常分布

圖5表明,牛蹄塘組埋藏深度較大,低阻層整體的連續(xù)性相對較差,異常分布相對零散,推測其在橫向上分布不連續(xù),或者是巖性和巖相在橫向上存在變化。牛蹄塘組頁巖層系低電阻層主要發(fā)育在03線和04線之間以及05線以東區(qū)域。

圖5 試驗(yàn)區(qū)3D電阻率切片

3.2 極化率異常特征分析

圖6為采用時(shí)頻電磁法所獲得的試驗(yàn)區(qū)極化率異常分布圖,可以看出，淺層龍馬溪組和五峰組為平面上連續(xù)分布的高極化異常特征,局部可見異常幅度降低。深部牛蹄塘組的高極化異常分布較為零散,明顯具有不連續(xù)性,可能與地層在橫向上的變化有關(guān)。

圖6 試驗(yàn)區(qū)3D極化率異常分布

圖7為試驗(yàn)區(qū)龍馬溪組、牛蹄塘組兩套頁巖層系的3D極化率分布切片,可以清晰地看出龍馬溪組和五峰組高極化異常在全區(qū)普遍分布;牛蹄塘組高極化異常幅度較低,在橫向上分布不連續(xù)。

3.3 目的層系分布特征

圖8為勘探試驗(yàn)區(qū)龍馬溪組與五峰組頁巖層系平面分布圖。在試驗(yàn)區(qū)中東部，07線、08線處的分布相對較厚,最厚處達(dá)230m；其它區(qū)域略薄,最薄處位于09線南端和10線北端,為170m。最大厚度差約60m。圖8總體表明,試驗(yàn)區(qū)內(nèi),龍馬溪組與五峰組頁巖層系分布較為穩(wěn)定。

圖9為勘探試驗(yàn)區(qū)明心寺組和牛蹄塘組頁巖層系的分布圖,可以看出兩套層系的整體厚度變化不明顯,厚度范圍410～500m。

圖7 試驗(yàn)區(qū)3D極化率切片

圖8 試驗(yàn)區(qū)龍馬溪組+五峰組厚度分布

圖9 試驗(yàn)區(qū)明心寺組+牛蹄塘組厚度分布

4 勘探試驗(yàn)區(qū)TOC高值分布區(qū)初步預(yù)測

在取得富有機(jī)質(zhì)頁巖層系識別成果的基礎(chǔ)上[10],研究探索了試驗(yàn)區(qū)有機(jī)質(zhì)頁巖層系的TOC高值分布區(qū)。圖10和圖11分別為試驗(yàn)區(qū)基于地震建模約束反演所獲得的電阻率和極化率異常分布圖。在龍馬溪組+五峰組、牛蹄塘組頁巖層系的低電阻率異常背景中,還分布有一套相對高的電阻率異常(圖10),與該異常分布所對應(yīng)的是高極化率異常分布(圖11)。這表明,通過電阻率異常中的相對高異常與所對應(yīng)的高極化率異常在平面上的分布特征相結(jié)合,可以較好地圈定、預(yù)測出勘探試驗(yàn)區(qū)TOC高值的分布區(qū)。

圖12和圖13分別為龍馬溪組目的層局部高阻分布區(qū)與高極化率分布區(qū)平面圖。圖14是圖12 高阻和圖13高極化率兩種異常分布疊加后所獲得的“綜合異常”圖,可以明顯看出電阻率異常和極化率異常的平面變化特征整體較為一致。我們將高電阻率和高極化率的重疊區(qū)域確定為高值TOC分布區(qū)，該區(qū)可分為東、西兩個(gè)主要區(qū)域,東部區(qū)域范圍較大,西部區(qū)域范圍相對較小。

圖10 約束反演得到的電阻率異常分布

圖11 約束反演得到的極化率異常分布

圖12 龍馬溪組目的層電阻率平面分布

圖13 龍馬溪組目的層極化率平面分布

圖14 龍馬溪組目的層電阻率異常與極化率異常疊合顯示

5 結(jié)束語

時(shí)頻電磁法勘探試驗(yàn)研究表明，富有機(jī)質(zhì)頁巖層系具有“兩低、兩高、一相對高”的物性特征。在頁巖氣分布有利目標(biāo)區(qū)進(jìn)行時(shí)頻電磁勘探,結(jié)合探區(qū)內(nèi)的地震、測井、鉆井等資料進(jìn)行聯(lián)合反演,能夠進(jìn)一步對TOC有利區(qū)一定深度范圍和橫向的展布進(jìn)行預(yù)測,為下一步地震勘探部署提供有利靶區(qū)。

致謝:感謝中國石油天然氣集團(tuán)公司高瑞祺、查全衡以及中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院王庭斌、張抗對本文試驗(yàn)工作的指導(dǎo)與幫助。

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(編輯:戴春秋)

A step forward study for the exploration of organic-rich shale by using time-frequency electromagnetic method (TFEM)

Zhang Chunhe1,2,Liu Xuejun3,Zhou Hui1,2,He Lanfang3,He Weihui4,Zhou Yinming3,Zhu Yongshan3

(1.OilandGasResourcesResearchCenter,ChinaGeologicalSurvey,Beijing100029,China;2.KeyLaboratoryofUnconventionalPetroleumGeology,OGS,CGS,Beijing100029,China；3.BGP,CNPC,Zhuozhou072751,China;4.Team814,EastChinaMineralExploration&DevelopmentBureau,Nanjing210007,China)

In order to verify the availability of electric exploration technique as well as to exert the advantages of high-efficiency and low-cost of integrated exploration techniques,typical organic-rich shale in Longmaxi Formation of Silurian System,Wufeng Formation of Ordovician System and Niutitang Formation of Cambrian System in Southern Sichuan Basin are selected as the shale gas exploration test area in 2011 and 2012 respectively.We firstly analyze and summarize the petrophysical features of gas shale,then conduct the lithology investigation and TFEM test work.This paper releases a step forward test results in 2012.The physical property data of the test area illustrates that the organic-rich shale in Longmaxi Formation,Wufeng Formation and Niutitang Formation shows low density,low magnetic susceptibility,high polarization ratio,high TOC and relative high resistivity (two-lows,two-highs and one relative high).Both the linear TFEM test in 2011 and the area TFEM test in 2012 show high polarization ratio and relative high resistivity in Longmaxi Formation and Wufeng Formation at the area.Based on the TFEM test data in 2012,the high TOC area is preliminarily evaluated and predicted to the target Longmaxi-Wufeng Formation and Niutitang Formation.

shale gas exploration,TFEM,resistivity,polarization ratio,high TOC,Sichuan Basin

2015-01-04;改回日期:2015-04-24。

張春賀(1966—),男,教授級高級工程師,現(xiàn)從事頁巖氣勘查技術(shù)研究工作。

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價(jià)專項(xiàng)項(xiàng)目(12120114020001)、全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選項(xiàng)目(2009GYXQ15)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2015)05-0627-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.016