淺海重磁電聯(lián)合勘探方法試驗(yàn)及效果

石亞蘭，鄭求根，石艷玲，魏 強(qiáng)，劉天降，劉澤彬

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淺海重磁電聯(lián)合勘探方法試驗(yàn)及效果

石亞蘭1，鄭求根1，石艷玲2,3，魏 強(qiáng)2，劉天降2，劉澤彬2

( 1.中國地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院，北京 100083；2.中國石油集團(tuán) 東方地球物理公司，河北 涿州 072751;3.中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083)

淺海重磁電勘探由于其特殊性一直是物探工作困難區(qū)，但我國近海淺水面積大、資源豐富，在淺海開展重磁電方法研究具有重要意義。采用改進(jìn)的儀器設(shè)備、借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)研究，通過在渤海灣淺海地區(qū)開展的淺海重磁電方法的陸海聯(lián)合數(shù)據(jù)采集工作，發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、解釋方法，展示了淺海重磁電聯(lián)合研究油氣地質(zhì)構(gòu)造的效果。

淺海；重磁電；聯(lián)合勘探；含油氣構(gòu)造

( 1.SchoolofOceanSciences,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.BGP,CNPC,ZhuozhouHebei072751,China;3.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

1 前 言

重磁電等非地震勘探在陸上油氣勘探中發(fā)揮了重要作用[1]，在海洋領(lǐng)域也發(fā)展很快。目前，海洋電磁法已發(fā)展為當(dāng)前探測(cè)海洋深部結(jié)構(gòu)以及油氣資源的重要方法。前人通過在一些海域的試驗(yàn)型研究，研制了海洋大地電磁儀[2]，盛堰等[3]依據(jù)天然氣水合物與海底沉積物的電性差異，研究出了探測(cè)海底天然氣水合物的電磁探測(cè)儀器。目前，大型船載重力、磁力勘探和深海海洋電磁勘探已經(jīng)成為海洋油氣勘探中重要的構(gòu)造普查或油氣勘測(cè)方法[4-6]，但是濱淺海重磁電勘探則難度較大。這一區(qū)域的重力勘探難點(diǎn)主要是水淺導(dǎo)致大型船載設(shè)備難以進(jìn)入，船載重力勘探難以實(shí)施，只能采用水底重力勘探。我國早在上世紀(jì)就開展了淺海和水底重力勘探工作，盧景奇還對(duì)海底重力實(shí)測(cè)中經(jīng)常遇到的幾種影響重力儀讀數(shù)精度的問題進(jìn)行了討論[7]。隨著物探儀器的進(jìn)步，相繼出現(xiàn)的航空磁法勘探、灘淺海地震勘探填補(bǔ)了資料的空白[8]。目前，國際上航空梯度重力和海洋電磁法已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，且被大量應(yīng)用[9]，但是先進(jìn)儀器由于被壟斷而不能引進(jìn)。何展翔等[10]總結(jié)近年來發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)海洋電磁法的基本原理、采集-處理-解釋技術(shù)等進(jìn)行了介紹，推動(dòng)了國內(nèi)海洋電磁勘探工作的開展。丁建榮等[11]開展過MT試驗(yàn)，并獲得了有效的資料和好的效果。林君等[12]開展過水域瞬變電磁研究試驗(yàn)提出了半航空電磁，并實(shí)現(xiàn)了淺海水域電磁勘探。不過這些都難以滿足我國當(dāng)前淺海油氣綜合勘探的需要。本文主要介紹近年在萊州灣附近淺濱海區(qū)開展的重磁電聯(lián)合勘探試驗(yàn)，對(duì)我國廣大領(lǐng)海淺水勘探具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 淺海重磁電勘探試驗(yàn)測(cè)線位置Fig.1 Location of survey lines in gravity-magnetic-electric exploration test in the shallow sea

2 淺海重磁電采集方法

重磁電聯(lián)合試驗(yàn)區(qū)位于萊州灣附近，見圖1，布設(shè)試驗(yàn)測(cè)線1條，重力采用水下定點(diǎn)測(cè)量方法，磁力采用水上輪船拖曳連續(xù)測(cè)量方法，大地電磁采用陸海聯(lián)合互參考采集方法。下面簡單介紹具體的采集技術(shù)。

2.1 淺海重力勘探

使用水下重力儀CG-5重力儀，該儀器具有良好的彈性性質(zhì)，讀數(shù)波動(dòng)很不明顯，即使在經(jīng)受20 g以上的沖擊之后，其測(cè)量波動(dòng)也不會(huì)超過5 mGal，觀測(cè)方法采用水下點(diǎn)測(cè)方法。淺海重力勘探同樣需在陸上建立基點(diǎn)，出航前和回航后均回碼頭進(jìn)行基點(diǎn)校正，觀測(cè)方法和陸地儀器一致。 出海前進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中儀器始終處于開擺狀態(tài)，每隔30 min讀一次數(shù)，連續(xù)觀測(cè)25.5 h(>24 h)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮改正后，求取了各儀器的零點(diǎn)漂移值，并繪制儀器讀數(shù)、零點(diǎn)漂移、固體潮變化的對(duì)比曲線。

淺海重力觀測(cè)采用單次觀測(cè)法進(jìn)行。使用導(dǎo)航儀將船只導(dǎo)航至設(shè)計(jì)測(cè)線坐標(biāo)點(diǎn)位10 m附近，將船錨下到水底，讓船隨海流和風(fēng)向自然穩(wěn)定，關(guān)閉主機(jī)，然后使用絞車將重力儀下降到水底，因?yàn)楹５子杏倌嗟瘸练e物，重力儀緩慢下沉，穩(wěn)定10 min后開始觀測(cè)。根據(jù)纜繩長度確定水深，以便進(jìn)行校正，同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行GPS定位。等重力儀穩(wěn)定后，用船上的控制設(shè)備對(duì)重力儀進(jìn)行調(diào)平，然后開擺，讀數(shù)3次，完成后鎖擺，操作絞車將重力儀提出水面放到專用位置，即完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，一般20 min即可完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)，再起錨前往下一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位。海底重力儀的精度很高，與陸地重力儀基本相當(dāng)，檢查點(diǎn)精度為±0.063×10-5m/s-2。

2.2 淺海磁力勘探

對(duì)投入施工的2臺(tái)磁力儀進(jìn)行了開工前的儀器試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：噪聲水平試驗(yàn)、觀測(cè)誤差試驗(yàn)、系統(tǒng)誤差測(cè)定、一致性試驗(yàn)。

在試驗(yàn)區(qū)中部附近陸地建立磁力日變站，與測(cè)線最遠(yuǎn)距離滿足小于50 km的要求，對(duì)磁力日變站進(jìn)行連續(xù)聯(lián)測(cè)72.42 h(>72 h)，采樣間隔為10 s。取每天4∶00～8∶00和17∶00～21∶00兩個(gè)時(shí)段，3天共6個(gè)時(shí)段24 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)8 646個(gè)，求取日變站基本場(chǎng)值。

海上磁力觀測(cè)使用船載陸地磁力儀拖曳完成。動(dòng)力輪船拖帶無磁性的玻璃鋼小船，磁力儀安裝在小船上，探頭固定在船頭，小船在大船后面60 m以消除大船的磁場(chǎng)干擾。G858磁力儀采用自動(dòng)連續(xù)讀數(shù)的方式進(jìn)行采集，采樣率為10 s，同時(shí)采用Trimble GeoXH 6000儀器連續(xù)記錄對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位。施工中船速控制在10 km/h左右，測(cè)點(diǎn)距約28 m。在每天出海前，流動(dòng)磁力儀與基點(diǎn)磁力儀的時(shí)鐘達(dá)到秒級(jí)同步。

2.3 淺海大地電磁勘探

海上MT勘探采用海陸同步遠(yuǎn)參考施工方法，儀器與陸上采集一樣，使用陸上MT勘探常用的V5-2000。采集過程中，將儀器置于自行研制沉底的密封艙內(nèi)，長時(shí)間沉入海底觀測(cè)，具體方法可參考文獻(xiàn)[10]。如圖2所示，在陸上干擾平靜區(qū)布設(shè)參考站，海洋布設(shè)流動(dòng)采集站，為減少方位誤差，海底MT點(diǎn)均采用L型布設(shè)方式，海上由一大船和一小船共同完成施工。

到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置后船只拋錨，用手持導(dǎo)航儀測(cè)定記錄中心點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)中心點(diǎn)坐標(biāo)及極距計(jì)算出電極放置坐標(biāo)，小船船長負(fù)責(zé)布設(shè)電極，小船自身的導(dǎo)航系統(tǒng)駛到指定的電極坐標(biāo)點(diǎn)，投放電極和小水泥塊，并用繩子將電極和浮標(biāo)旗桿連接，另一方向的電極放置方法相同。

兩個(gè)方向的電極放置完畢后回到大船處開始投放中心點(diǎn)電極和密封艙采集站。中心電極布設(shè)與前文相同。布設(shè)采集站前首先設(shè)置儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；然后將密封艙封閉好，并設(shè)置好浮標(biāo)；最后將采集站投放到海中指定區(qū)域，去往下一個(gè)點(diǎn)。布極時(shí)間為0.5～1 h，6 h后再回收?；厥諘r(shí)先找到浮標(biāo)及扣環(huán)，直接用絞車將采集站提起。

圖2 海上電法工作示意圖Fig.2 Sketch map of electrical work on the sea

2.4 重磁電聯(lián)合勘探

根據(jù)上面重磁電單方法的做法，可以實(shí)現(xiàn)一大一小兩艘船的重磁電聯(lián)合勘探，由于磁力是在船上連續(xù)記錄，不需下水，重力和大地電磁采集站都需要在水下記錄，而重力現(xiàn)場(chǎng)即可讀數(shù)，大地電磁則需要大于6 h記錄，因此一般可以設(shè)計(jì)MT點(diǎn)距1 km，重力250 m，磁力連續(xù)記錄可獲得小于100 m的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)距密度。設(shè)計(jì)測(cè)量路線和順序，到點(diǎn)位后小船先布電極，大船進(jìn)行重力測(cè)量，小船布極回來后，重力測(cè)量已經(jīng)完成，再布設(shè)中心點(diǎn)電極和采集站，完成后，將小船劃至60 m遠(yuǎn)處，打開磁力儀，開始連續(xù)記錄，并駛往下一個(gè)重力點(diǎn)，關(guān)磁力主機(jī)，進(jìn)行重力點(diǎn)測(cè)，測(cè)完后打開磁力主機(jī)，再往下一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行MT和重力測(cè)量，如此程序循環(huán)實(shí)施，返航即回收MT采集站。

3 淺海重磁電數(shù)據(jù)處理解釋

淺海重磁電數(shù)據(jù)與陸地?cái)?shù)據(jù)處理區(qū)別在于，重力勘探需要做水深校正，即海底地形校正，與陸地重力地形校正方法完全一致，只是校正量不一樣。電法資料的處理主要考慮海水層的影響。在水深校正之后，通過常規(guī)延拓方法求取出研究區(qū)布格重力異常，進(jìn)一步去除區(qū)域場(chǎng)影響之后，最終得到研究區(qū)剩余重力異常圖(圖3)。圖3顯示，在研究區(qū)西南發(fā)育一NE向重力低條帶，LK以西重力高對(duì)應(yīng)隆起帶。剩余重力異常對(duì)區(qū)內(nèi)隆坳格局有較清晰的展示。

圖3 研究區(qū)及鄰區(qū)剩余重力異常拼接Fig.3 Residual gravity anomaly in study area and its adjacent region

淺海磁力與陸地磁力主要區(qū)別是，淺海磁力需進(jìn)行船磁校正。船磁校正根據(jù)方位曲線進(jìn)行[13]，通常以主測(cè)線方向的校正值為零，將其他航向上的觀測(cè)值減去相對(duì)零線的方位偏離值。

淺海大地電磁采用海陸分離，需要進(jìn)行海水校正，電場(chǎng)在海底測(cè)量，磁場(chǎng)在陸上測(cè)量，這時(shí)平面電磁波通過海洋時(shí)振幅發(fā)生衰減，從而造成陸上接收的磁場(chǎng)信號(hào)與海底測(cè)點(diǎn)位置的磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度不同，尤其對(duì)于高頻段，因此使用陸上磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行海底測(cè)點(diǎn)資料處理時(shí)就必須對(duì)電磁波進(jìn)行校正。于鵬、王家林提出了模擬海水模型正演計(jì)算模擬海水對(duì)電磁場(chǎng)畸變[15]，進(jìn)而對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。這里采取將陸上測(cè)到的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成水底測(cè)量結(jié)果的方法。根據(jù)Chave和Filloux(1984)給出了海底對(duì)海面的水平電場(chǎng)和磁場(chǎng)的衰減系數(shù)。

電場(chǎng)衰減系數(shù)為：

CE=(1+P)e-γ h/(1+Pe-2γ h)

(1)

磁場(chǎng)衰減系數(shù)為：

CH=(1-P)e-γ h/(1-Pe-2γ h)

(2)

由式(1)、(2)可以計(jì)算不同R1、R2、h組合下衰減系數(shù)振幅和相位的曲線，從而得到校正后的視電阻率和相位曲線。

圖4為實(shí)測(cè)的曲線校正前后對(duì)比圖，從圖4可以看出，校正前，由于電場(chǎng)通過高導(dǎo)的海水而衰減，使得視電阻率曲線首支段下掉比較厲害，首支曲線呈近45度上升，明顯與陸上大地電磁測(cè)深曲線不符。而通過校正后，其主體形態(tài)吻合較好，僅改變首支段曲線形態(tài)，視電阻率曲線首支已上抬到正常位置，消除了海水的影響。

圖4 MT曲線校正前后對(duì)比Fig.4 Comparison of MT curve corrected before and after

4 淺海重磁電聯(lián)合應(yīng)用效果

淺海重磁電聯(lián)合，與陸地方法基本一致，只是需要考慮淺層海水。以地球物理性質(zhì)為前提，重磁電異常分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行重磁電順序聯(lián)合反演，以大地電磁方法為主，建立模型，重磁方法為輔，通過重磁擬合情況修改模型，使各自的目標(biāo)函數(shù)的函極值逐漸減小，最終得到符合重磁電信息的地球物理模型。重磁剖面正演采用2.5D正演公式，反演采用最優(yōu)化選擇法，通過二維連續(xù)介質(zhì)反演，使用“電磁場(chǎng)傳輸函數(shù)向上延拓技術(shù)”，向上延拓處理后，既可克服地形和地表淺層不均勻體的影響，又可得到最終用于地質(zhì)解釋的連續(xù)電性斷面。聯(lián)合反演主要步驟如下：

1)先進(jìn)行大地電磁反演，并將反演結(jié)果作為初始模型進(jìn)行地質(zhì)層位解釋，以該地質(zhì)解釋為基本模型，充填密度和磁化率；

2)分別計(jì)算重磁模型響應(yīng)，并求出與實(shí)測(cè)值之間的差值，做出剩余曲線， 根據(jù)剩余曲線的情況修改模型，得到新地質(zhì)模型；

3)用上述模型進(jìn)行大地電磁反演，獲得新的電阻率模型；

4)用新的模型再進(jìn)行重磁計(jì)算，修改模型，如此反復(fù)直到達(dá)到重磁電三種方法都滿意的擬合要求。

探區(qū)西南部QD凹陷已有二維地震和鉆井qd1井，qd1井主要層位為Es4-Ek，完鉆2 430 m。試驗(yàn)線西側(cè)地層標(biāo)定以qd1井及地震資料為基礎(chǔ)。如圖3所示，在研究區(qū)內(nèi)部有md1、md2、md3三口鉆井，這三口井電測(cè)井曲線如圖5所示。其中md1井和md2井有良好油氣顯示。鉆井資料揭示，沙河街組為中低電阻，孔店組具有次高阻特征，這與反演剖面規(guī)律一致。

如圖6是試驗(yàn)剖面的重磁電聯(lián)合反演最終結(jié)果。聯(lián)合反演以物性為前提，利用地質(zhì)、MT、地震等資料綜合建模，通過交互反演、人機(jī)聯(lián)作實(shí)現(xiàn)重磁力擬合，獲得最終較為合理的地質(zhì)解釋成果。

圖5 區(qū)內(nèi)三口鉆井電測(cè)井曲線Fig.5 Electrical logging curves of three wells in study area

從圖6中可清晰看出該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征。測(cè)線西部F1斷裂在圖4中表現(xiàn)明顯，斷距可達(dá)2 km。該斷裂屬郯廬主斷裂的一部分，也是渤海灣盆地渤中坳陷東部邊界斷裂的一部分，分隔了渤中坳陷和遼東隆起。F1以西為重力負(fù)異常區(qū)，低電阻率地層厚度大，是QD凹陷的反映；F1以東是重力正異常，電阻率相對(duì)高，低電阻率地層淺、厚度小，為膠遼隆起的反映。但該斷裂往東依據(jù)重磁電聯(lián)合反演地質(zhì)模型提示了“兩凹夾一隆”結(jié)構(gòu)，兩凹為FR凹陷和HX凹陷，一隆為辛莊隆起。FR凹陷位于測(cè)線西南部，南深北淺，南部埋深大于1 600 m，北部埋深小于1 400 m；HX凹陷位于測(cè)線東北部，南淺北深，南部埋深約1 300 m，北部埋深大于1 800 m；兩個(gè)凹陷賦存地層電阻率變化一般為10～50·m，為上第三系—下第三系沙河街組地層的反映。辛莊隆起為火成巖出露區(qū)，地表可見花崗巖和花崗閃長巖。該火成巖出露區(qū)在剩余重力異常圖上表現(xiàn)為重力高，磁力異常圖上也表現(xiàn)為強(qiáng)磁異常。根據(jù)HX凹陷和FR凹陷深度發(fā)育特征，斷陷邊界斷裂可以為油氣運(yùn)移提供通道和形成斷層圈閉。西部QD凹陷埋深大、臨近郯廬斷裂構(gòu)造高位置，可作為油氣運(yùn)移的指向區(qū)，是遼東隆起區(qū)有利油氣勘探目標(biāo)。

圖6 試驗(yàn)剖面重磁電聯(lián)合反演最終方案Fig.6 Joint interpretation of MT-gravity of the test profile

圖7為區(qū)內(nèi)某地震剖面，其位置如圖3中紅線所示。其對(duì)FR凹陷北次凹的構(gòu)造形態(tài)有較清晰的揭示，與重磁及MT反演剖面反映特征一致。

圖7 區(qū)內(nèi)某地震剖面Fig.7 Seismic profile in study area

5 結(jié) 論

這次淺海重磁電聯(lián)合勘探試驗(yàn)，探索了一套高效重磁電聯(lián)合采集方法，解決了淺海大地電磁數(shù)據(jù)校正問題。在后期處理解釋中，采用重磁電聯(lián)合反演技術(shù)，直接獲得地質(zhì)解釋模型，推斷解釋出試驗(yàn)區(qū)基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)，比如郯廬斷裂和QD凹陷分布特征等。地質(zhì)認(rèn)識(shí)與已知井、震、露頭地質(zhì)資料吻合，其后布設(shè)的二維地震勘探驗(yàn)證了FR凹陷和HX凹陷的存在。對(duì)于我國近海淺水油氣勘探具有指導(dǎo)意義，可資借鑒。

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The Experiment of Gravity-magnetic-electric Joint Exploration in Shallow Sea and Its Effect

Shi Yalan1,Zheng Qiugen1,Shi Yanling2,3,Wei Qiang2,Liu Tianjiang2,Liu Zebin2

Gravity-magnetic-electric(GME) prospecting in shallow sea is always difficult due to its particularity. The shallow water area is large in the offshore with rich natural resources in China, so it is of great significant to study the GME method in shallow sea. On the basis of previous experience, after numerous experimental investigation, we adopt the improved equipment to carry out the joint land-sea data acquisition in the shallow area of Bohai Gulf, and develope the corresponding data processing and interpretation methods, showing the effect of joint land-sea method on study of oil and gas geological structure.

shallow sea; gravity-magnetic-electric; joint exploration; oil-bearing geological structure

1672—7940(2016)05—0615—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.010

石亞蘭(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹蜌馀璧氐木C合分析。E-mial：shiyl09@foxmail.com

P631

A

2015-10-03