大地電磁測深法勘探深層頁巖氣的數(shù)值模擬分析

李萬山，陳清禮，張雙源，鄧 宇，周錦鐘，賈 毅

(1. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 3. 貴州天然氣能源投資股份有限公司，貴州 貴陽 550081； 4. 中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202； 5. 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059)

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大地電磁測深法勘探深層頁巖氣的數(shù)值模擬分析

李萬山1，陳清禮1，張雙源2，鄧 宇3，周錦鐘4，賈 毅5

(1. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 3. 貴州天然氣能源投資股份有限公司，貴州 貴陽 550081； 4. 中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202； 5. 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059)

證實(shí)了大地電磁測深法在深層頁巖氣資源勘探可發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)精細(xì)勘探。采用數(shù)值模擬結(jié)合富有機(jī)質(zhì)頁巖電阻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立兩種不同深度同規(guī)模的背斜儲層三維模型，對所獲得兩個(gè)模型的視電阻率資料進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，兩種模型的電阻率響應(yīng)存在可識別差異，為大地電磁法用于深層頁巖氣資源勘探提供可靠依據(jù)。

頁巖氣；大地電磁測深；三維數(shù)值模擬

頁巖氣資源被認(rèn)為是自石油以來最重要的非常規(guī)能源，中國富有機(jī)質(zhì)頁巖的儲量可觀，由于起步較晚且未形成完備適用的勘察體系，因此頁巖氣勘察技術(shù)面臨革新的挑戰(zhàn)。針對中國目前頁巖氣藏復(fù)雜的地質(zhì)條件，需要地球物理方法多學(xué)科的綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破[1-3]。國內(nèi)外主要采用地震方法識別頁巖氣藏，但是中國頁巖埋藏深度與國外相比普遍較大，因此重視發(fā)展非地震方法，充分利用各項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，才能攻關(guān)我國頁巖氣藏的特殊性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

目前地球物理方法中的大地電磁測深法技術(shù)成熟，且已經(jīng)在常規(guī)能源領(lǐng)域取得了顯著成果，較之其他地球物理方法，大地電磁測深法具有成本低、勘探深度大等優(yōu)勢，切合我國頁巖油氣勘察工作中面對的技術(shù)革新挑戰(zhàn)的狀況。通過對富有機(jī)質(zhì)頁巖資源的電阻率特征的分析，發(fā)現(xiàn)其電阻率均值高于一般圍巖電阻率。以松遼盆地礦區(qū)為例，有機(jī)質(zhì)含量高的油頁巖顯示的電阻率均值一般大于700 Ω·m，而黏土巖和泥巖的電阻率均值小于100 Ω·m，砂巖和礫巖的電阻率值介于200～600 Ω·m之間?？梢娎秒娮杪史ǚ直骓搸r油氣資源簡單科學(xué)[4]。因此本文結(jié)合頁巖油氣的電阻率數(shù)據(jù)建立同規(guī)模不同深度的兩個(gè)三維模型，經(jīng)計(jì)算得到兩種模型的大地電磁測深響應(yīng)，從獲得的視電阻率資料出發(fā)分析了兩種模型的異常差異，數(shù)據(jù)證實(shí)大地電磁測深法可以做到精細(xì)的頁巖油氣勘探[5]。

1 模型的建立

1.1初始模型的建立

為了模擬計(jì)算大地電磁測深對有機(jī)質(zhì)頁巖在不同深度的精細(xì)勘探能力，依據(jù)某地實(shí)測數(shù)據(jù)的整理結(jié)果，規(guī)范先后建立兩個(gè)如圖1所示規(guī)模相同的三維初始模型。

圖1 初始模型

首先進(jìn)行網(wǎng)格剖分確立模型的初始規(guī)模，選定初始模型圍巖電阻率為100 Ω·m，設(shè)立13層空氣層，為符合有機(jī)質(zhì)頁巖油氣層的地質(zhì)特征，將最大層厚設(shè)置為1 000 m?？紤]中國頁巖油氣多數(shù)埋藏較深，選擇延展至10 000 m有效深度，最終建立整理后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)約束下的理想初始模型[6-7]。

1.2理想模型的建立

在已建立的初始模型中逐層填充兩種同參數(shù)不同埋深的背斜構(gòu)造模型(見圖2～3)，共20層。20層為了讓測線剛好覆蓋的同時(shí)控制模擬頁巖氣層厚。依據(jù)頁巖油氣層電阻率數(shù)據(jù)設(shè)置模型電阻率為500 Ω·m。一個(gè)模型頂面深度1 000 m，底部深度2 500 m，另一個(gè)模型頂部深度3 500 m，底部深度5 000 m。底部埋深2 500 m模型的設(shè)置考慮到頁巖油氣藏的一般埋深情況而且在這此埋深范圍大地電磁測深已經(jīng)運(yùn)用在頁巖氣勘探，并取得了一定成果，將其模擬結(jié)果與建立埋深大的模型相對比，具有實(shí)際意義。

圖2 埋深2 500 m背斜構(gòu)造

如圖4可以看到背斜構(gòu)造建立完成后在三維模型剖面的分布。

圖4 不同深度背斜模型在三維模型分布

2 數(shù)值模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計(jì)算出兩種模型20個(gè)測點(diǎn)的視電阻率曲線，根據(jù)視電阻率曲線繪制出視電阻率剖面圖如圖5和圖6所示。

圖5 底部埋深2 500 m模型視電阻率響應(yīng)

圖6 底部埋深5 000 m模型視電阻率響應(yīng)

經(jīng)過正演計(jì)算得到兩個(gè)模型的視電阻率響應(yīng)，模擬結(jié)果整體上一致，在圖兩側(cè)都分別出現(xiàn)明顯的低阻異常和高阻異常，異常的相對幅度達(dá)到24%。左側(cè)均在1 127號測點(diǎn)到1 128號測點(diǎn)之間有規(guī)模較大的背斜低阻異常體。相比較兩個(gè)異常體，圖5低阻異常體周期范圍在1～100 s間，與圖6在周期零點(diǎn)幾秒到1秒范圍內(nèi)存在明顯差異；右側(cè)均在1 112號測點(diǎn)到1 115號測點(diǎn)間有周期范圍在零點(diǎn)幾秒至一百秒的背斜高阻異常體，同樣異常體的幅度有差別。且圖5與圖6最大的視電阻率等值線分別為396 Ω·m和382 Ω·m。從模擬的結(jié)果表明，兩個(gè)模型響應(yīng)在背斜高、低阻異常體的規(guī)模和最大電阻率等值線值上都存在明顯差異。

選背斜高阻異常上方1112號測點(diǎn)，作出兩個(gè)模型TM極化視電阻率、相位隨頻率變化數(shù)據(jù)表(見表1)。

如表1所示，隨頻率由72.485 2 Hz減小至0.01 Hz，兩個(gè)模型視電阻率和相位數(shù)據(jù)隨之變化，并列出兩種模型同一頻率下視電阻率的相對誤差便于分析。底部埋深2 500 m模型在頻率逐漸減小時(shí)，TM極化視電阻率從最小172.845 1 Ω·m增加到209.646 8 Ω·m，呈逐漸增加趨勢；底部埋深5 000 m模型在頻率逐漸減小時(shí)，視電阻率從最小170.451 2 Ω·m增加到198.216 1 Ω·m，也呈逐漸增加趨勢。同時(shí)，隨頻率的逐漸減小，兩個(gè)模型的視電阻率相對誤差整體呈增加趨勢，尤其低頻時(shí)即頻率在1 Hz減小至0.01 Hz時(shí)，視電阻率相對誤差最小為4.900%，最大達(dá)到5.185%。

表1 視電阻率和相位數(shù)據(jù)

埋深淺和埋深深兩個(gè)模型TM極化視電阻率隨頻率變化的對比圖如圖7所示，可清楚看到同一頻率下視電阻率的差異比較大，表明同測點(diǎn)條件不同埋深同規(guī)模的兩個(gè)模型出現(xiàn)明顯的可識別異常，平均相對誤差為3.640 3%。

1 底部2500米埋深； 2 底部5000米埋深

對數(shù)值模擬理論計(jì)算出視電阻率曲線形成的相對異常偏差進(jìn)行對比分析，底部埋深2 500 m的背斜構(gòu)造可形成約7.1%相對異常幅度，而底部埋深5 000 m的背斜構(gòu)造可形成約12.2%的相對異常幅度，同時(shí)兩個(gè)模型TM極化模式下的視電阻率曲線平均誤差3.640 3%，最大相對誤差達(dá)到5.185%。結(jié)合某地實(shí)測MT資料見表2，噪聲可導(dǎo)致最大誤差為2.310%，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩個(gè)模型響應(yīng)5.185%的相對誤差，加之該地區(qū)的電阻率遠(yuǎn)大于模擬中圍巖電阻率100 Ω·m。進(jìn)一步說明大地電磁測深對符合含有機(jī)質(zhì)頁巖特點(diǎn)的兩種模型可實(shí)現(xiàn)有效識別，能提供可靠的解釋依據(jù)。

表2 某地實(shí)測數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

采用數(shù)值模擬方法研究大地電磁測深對埋深大的有機(jī)質(zhì)頁巖儲層是一種很好的方法，建立符合頁巖氣地質(zhì)特征的三維模型，理論計(jì)算得出的兩種模型視電阻率響應(yīng)相對差異遠(yuǎn)大于實(shí)測數(shù)據(jù)噪聲產(chǎn)生誤差，說明在一定范圍內(nèi)，大地電磁測深可對富含有機(jī)質(zhì)頁巖儲層進(jìn)行有效識別。且大地電磁測深法技術(shù)成熟，勘探成本低，有助于中國頁巖氣資源勘查體系發(fā)展。

[1] 張抗, 譚云冬. 世界頁巖氣資源潛力和開采現(xiàn)狀及中國頁巖氣發(fā)展前景[J]. 當(dāng)代石油石化, 2009, 17(3): 9-12.

[2] 江懷友, 宋新民, 安曉璇, 等. 世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述[J]. 天然氣技術(shù), 2008, 2(6): 26-30.

[3] 戴春雷, 付曉飛, 陳哲. 淺析松遼盆地北部青山口組頁巖氣資源潛力[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(17): 4134-4140.

[4] 馮薇澍, 薛海濤, 李吉君, 等. 齊家—古龍凹陷青一段頁巖氣有利區(qū)預(yù)測及資源潛力評價(jià)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(9): 2331-2338.

[5] 張金川, 金之鈞, 袁明生. 頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(7): 15-18.

[6] 陳樂壽, 王光鄂. 大地電磁測深法[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1990.

[7] 徐建華. 層狀媒質(zhì)的電磁場與電磁波[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1997.

NumericalSimulationAnalysisofDeepShaleGasExplorationCapabilitybyMagnetotelluricSounding

LI Wanshan1, CHEN Qingli1, ZHANG Shuangyuan2, DENG Yu3, ZHOU Jinzhong4, JIA Yi5

(1.SchoolofGeophysicsandPetroleumResources,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 2.SchoolofGeosciences,Yangtzeuniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 3.GuizhouGasEnergyInvestmentCo.,Ltd.,UnconventionalOilandGasResourcesinGuizhouProvinceEngineeringTechnologyResearchCenter,GuiYang,Guizhou550081,China; 4.ChinesePetroleumQinghaiOilFieldExplorationandDevelopmentResearchInstitute,Dunhuang,Gansu736202,China; 5.CollegeofInformationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

This article will be about the magnetotelluric sounding verified for shale gas exploration ability. We know organic-rich shale resistivity data statistics, including the establishment of two different sizes anticline reservoir depth with a three-dimensional model, the numerical simulation method to calculate the apparent resistivity data obtained two models. The results show the theoretical response of the two models there are of differences, in which we can learn the magnetotelluric observation instruments will effectively identify such relative deviation for the magnetotelluric method to be applied to shale oil and gas exploration in reliable basis.

Shale gas；Magnetotelluric sounding；Three-dimensional numerical simulation

2016-09-03

李萬山(1990-)，男，山東聊城人，在讀碩士研究生，研究方向：地球探測與信息技術(shù)，手機(jī)：15272483304,E-mail：1614722533@qq.com；通訊作者：張雙源(1992-)，女，山東聊城人，研究方向：地質(zhì)工程，手機(jī)：13429802116，E-mail：570028627@qq.com.

P631.3+25

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.014