徐桂芬 何展翔 石艷玲 董衛(wèi)斌
(①東方地球物理公司綜合物化探處,河北涿州 072751;②河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,天津 300401;③南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院,廣東深圳 518055;④南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系,廣東深圳 518055)
近年來(lái),深層火山巖勘探屢獲突破,已成為油氣儲(chǔ)量的重要增長(zhǎng)點(diǎn),火山巖勘探成為石油勘探領(lǐng)域的熱點(diǎn)?;鹕綆r勘探實(shí)踐表明,綜合物探方法預(yù)測(cè)深層火山巖較為有效,可從重力、磁性、電性不同側(cè)面獲取火山巖的地球物理信息,研究火山巖地層的巖性并進(jìn)行巖相劃分、火山口識(shí)別、火山巖厚度及分布規(guī)律的研究,輔助地震勘探增強(qiáng)火山巖識(shí)別的可靠性[1-2]。
學(xué)者們?cè)谥卮烹娬鹁C合研究火山巖方面進(jìn)行了大量的探索。劉云祥等[3-4]提出利用重力異常剝離、磁異常分離與弱信號(hào)處理、建場(chǎng)測(cè)深反演與異常提取等關(guān)鍵技術(shù),從高精度重磁力資料和建場(chǎng)測(cè)深資料中分離、提取與火山巖有關(guān)的重磁電異常,綜合解釋火山巖巖性,進(jìn)行巖相劃分;楊輝等[5]研究松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖巖性時(shí),提出利用重力—地震剝層技術(shù)宏觀預(yù)測(cè)火山巖巖性;王玉華等[6]在研究松遼盆地古龍斷陷深層火山巖氣藏時(shí),采用重磁力弱信息提取、重力異常剝離、重磁震聯(lián)合反演解釋等技術(shù),分離重磁異常、提取并增強(qiáng)與火山巖有關(guān)的重磁異常信息,實(shí)現(xiàn)了火山巖的綜合地質(zhì)解釋。徐禮貴等[7]提出了利用綜合地球物理資料解釋疊合盆地深層火山巖的思路:基于高精度重磁勘探和電法資料研究盆地深部結(jié)構(gòu)和深大斷裂,縮小并鎖定深層火山巖地震勘探的有利靶區(qū);利用地震相分析、地震屬性解釋、地震反演和綜合評(píng)價(jià)等主要技術(shù),實(shí)現(xiàn)深層火山巖從定性到定量的識(shí)別和預(yù)測(cè),落實(shí)深層火山巖有利勘探目標(biāo)。索孝東等[8-9]提出利用重磁電震異常綜合進(jìn)行巖性識(shí)別的方法:根據(jù)巖石物性差異,建立不同巖性的重磁電異常和地震相特征模板,基于高精度重磁資料預(yù)測(cè)火山巖的平面分布,利用電法測(cè)深電阻率剖面和地震剖面對(duì)深層巖性垂直定深的優(yōu)勢(shì),綜合確定火山巖的空間位置、形態(tài),利用重、磁、電、震多參數(shù)精細(xì)識(shí)別不同類型火山巖體。
時(shí)頻電磁(TFEM)勘探方法是中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司自主研發(fā)的一項(xiàng)電磁勘探技術(shù)[10],它將可控源音頻大地電磁(CSAMT)與瞬變電磁法(TEM)合并在一套系統(tǒng)中,一次采集即可獲得時(shí)間域和頻率域信號(hào),改變了常規(guī)電磁法時(shí)、頻域分離作業(yè)的模式,提高了采集效率和探測(cè)效果,形成了激發(fā)脈沖多樣、多分量采集、多參數(shù)研究、勘探目標(biāo)多樣化的新型高精度大功率電磁測(cè)深方法。TFEM法與其他電磁法相比,優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)于采集方法和采集參數(shù)。隨著TFEM勘探技術(shù)的快速發(fā)展,勘探領(lǐng)域已從地質(zhì)普查發(fā)展到深層目標(biāo)勘探,例如深層火山巖及裂谷的分布等[11-12]。
遼河盆地是中國(guó)較早發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏并獲得大規(guī)模油氣儲(chǔ)量的地區(qū)[13],自1996年在遼東凹陷歐利坨子地區(qū)古近系粗面巖中獲高產(chǎn)油氣流以來(lái),探明了共計(jì)數(shù)千萬(wàn)噸的油氣儲(chǔ)量,其中絕大部分富集在粗面巖中[14],表明遼東凹陷火山巖具有良好的勘探潛力。目前針對(duì)遼東凹陷火山巖進(jìn)行了較為深入的研究,主要涉及火山噴發(fā)旋回和期次劃分[15]、火山巖巖相分類[16]、火山體結(jié)構(gòu)研究[17-18]、粗面巖成因及噴發(fā)模式[19-20]、斷裂與火山巖分布的關(guān)系[21]、成藏條件分析與成藏模式[22-25]等。鉆井揭示遼東凹陷古近系火山巖有11種類型,其中最主要的是火山碎屑巖、粗面巖和玄武巖,兼具噴出和侵入、陸上與水下堆積特征的多層系、多類型火山巖組合[19]。由于火山巖多期次發(fā)育,總厚度大,對(duì)地震信號(hào)的屏蔽作用強(qiáng),使深層火山巖地震資料成像精度低,多呈空白或雜亂反射,導(dǎo)致火山巖解釋結(jié)果可靠性差,阻礙了深層火山巖儲(chǔ)層的油氣勘探進(jìn)程。常規(guī)重磁電聯(lián)合能夠解決火山巖的平面分布,但對(duì)于沙三內(nèi)幕這類多期次疊置的復(fù)雜火山巖目標(biāo)難以有效輔助地震進(jìn)行高精度識(shí)別。
針對(duì)研究區(qū)沙三內(nèi)幕多層疊置的火山巖期次劃分和巖性、巖相識(shí)別等勘探難題,本文提出電磁—地震聯(lián)合反演及多重約束反演解釋等技術(shù),取得良好效果,對(duì)類似復(fù)雜火山巖油氣目標(biāo)的研究具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。
遼河凹陷位于渤海灣盆地的東北部,屬典型的中新生代發(fā)育的大陸裂谷盆地。在郯廬斷裂多期活動(dòng)以及印度和太平洋板塊斜向俯沖的疊加作用下,自中生代以來(lái)發(fā)生了多期巖漿活動(dòng),新生代火山活動(dòng)尤為頻繁,以遼東凹陷火山活動(dòng)最為強(qiáng)烈,期次多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、火山巖層分布廣泛。由于火山巖厚度大,對(duì)地震信號(hào)屏蔽作用強(qiáng),深層火山巖地震信息不足,對(duì)期次劃分和巖性、巖相分布不清楚。根據(jù)已有的地質(zhì)資料及地震解釋成果,部署了7條TFEM測(cè)線,其中包括6條主測(cè)線和1條聯(lián)絡(luò)線,工區(qū)位置和測(cè)線分布見(jiàn)圖1。此次研究的目的是探索聯(lián)合電磁、地震勘探解決深層多期疊置的復(fù)雜火山巖儲(chǔ)層分布問(wèn)題。
巖石物性是聯(lián)系地質(zhì)與地球物理之間的紐帶,因此地層(巖石)的地球物理特征是研究地質(zhì)問(wèn)題的基礎(chǔ)。通過(guò)研究區(qū)24口井的測(cè)井曲線(圖2)及三界泡地區(qū)的電性測(cè)試資料,綜合分析沙三內(nèi)幕不同巖性的電阻率特征,為T(mén)FEM資料處理和解釋提供依據(jù)。
沙三段火山噴發(fā)旋回和期次研究表明:沙三段構(gòu)成一個(gè)火山噴發(fā)旋回,內(nèi)部可劃分為5個(gè)期次,自下而上依次為:qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。根據(jù)鉆井資料,期次界面表現(xiàn)為沉積夾層或巖性組合及巖相組合的突變。
根據(jù)鉆井統(tǒng)計(jì),沙三段主要巖性有粗面巖、玄武巖、蝕變玄武巖、凝灰?guī)r、角礫巖和沉積巖,含少量閃長(zhǎng)巖和輝綠巖。針對(duì)主要巖性分別進(jìn)行電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3)顯示:沉積巖電阻率最低,約為1~8Ω·m,主值為5Ω·m;火山巖電阻率整體偏大,不同巖性之間電阻率差異較大。粗面巖電阻率最大,為30~90Ω·m,主值為65Ω·m;玄武巖和蝕變玄武巖電阻率為2~20Ω·m,主值為10Ω·m;火山角礫巖和凝灰?guī)r電阻率為10~30Ω·m,主值為20Ω·m。主要巖性的電阻率特征可歸納為:粗面巖>火山碎屑巖(角礫巖、凝灰?guī)r)>玄武巖(包含蝕變玄武巖)>沉積巖。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果為電法反演識(shí)別高阻粗面巖儲(chǔ)層提供了物性基礎(chǔ)。這些電性特征可概括為:沉積巖為低阻,粗面巖為高阻,其余火山巖為中等,因此在橫向和縱向上可形成明顯的電性異常。
在沙三段內(nèi)部5個(gè)期次中,火山巖噴發(fā)特征的差異形成以沉積巖為背景的5套高阻層,同時(shí),由于巖性的變化形成了電阻率節(jié)律特征差異,可見(jiàn)電性分析為T(mén)FEM資料識(shí)別高阻粗面巖儲(chǔ)層提供了有效的電性模型。
針對(duì)沙三內(nèi)部火山巖埋藏深(普遍大于4km)、多層疊置分布,巖性、巖相復(fù)雜,區(qū)分難度大等難點(diǎn),根據(jù)該區(qū)地震解釋及電性特征,在地質(zhì)分析基礎(chǔ)上,建立包括3套沉積層的火山巖模型(圖4a),火山巖電阻率為70Ω·m,最小厚度為50m,埋深為2300~3300m。先進(jìn)行正演,獲得模型仿真數(shù)據(jù),再進(jìn)行反演。圖4b的反演結(jié)果很好地恢復(fù)了火山巖薄層模型,分辨出三套高阻目標(biāo)層,同時(shí)也清晰地反映了地層電性縱橫向上的變化規(guī)律,表明電磁勘探在該區(qū)可以區(qū)分不同期次、具有一定厚度的火山巖。
圖1 研究區(qū)位置示意圖(左)和TFEM測(cè)線部署圖(右)
圖2 研究區(qū)內(nèi)主要井的電測(cè)井曲線
圖3 研究區(qū)巖性—電阻率直方圖
圖4 基于地震—測(cè)井資料建立的火成巖模型及反演結(jié)果
在TFEM資料預(yù)處理和常規(guī)處理的基礎(chǔ)上,依據(jù)淺層可靠的地震資料建立淺層模型,反演淺層地電模型,在此基礎(chǔ)上固定淺層,重點(diǎn)反演深層目標(biāo);通過(guò)鉆井、電阻率剖面和地震剖面的綜合對(duì)比分析,互相約束,進(jìn)行火山巖期次的劃分和橫向?qū)Ρ茸粉?;總結(jié)不同巖性、巖相的電性異常特征和地震響應(yīng)特征,對(duì)各期火山巖進(jìn)行巖性、巖相綜合解釋。具體研究思路和技術(shù)流程見(jiàn)圖5。
圖5 深層火山巖電磁—地震聯(lián)合研究技術(shù)流程
具體來(lái)說(shuō),包括以下4個(gè)步驟。
(1)如果地震資料在淺層碎屑巖中具有較好的分辨率,應(yīng)首先通過(guò)地震資料解釋構(gòu)建淺層構(gòu)造模型,通過(guò)鉆井的層位、巖性和電性曲線信息,獲得不同巖性地層的電阻率,一方面可以建立火山巖模型,通過(guò)正演和反演進(jìn)行電法可行性分析,另一方面可以構(gòu)建淺層地電結(jié)構(gòu),通過(guò)迭代反演,獲得淺層地電模型。
(2)通過(guò)TFEM資料的預(yù)處理,獲得綜合地電參數(shù),固定淺層幾何參數(shù)和電阻率數(shù)據(jù),重點(diǎn)反演深層地電結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)迭代反演建立深層地電結(jié)構(gòu)模型。
(3)通過(guò)鉆井火山巖期次界面和巖相界面的識(shí)別,地震剖面和電阻率剖面相結(jié)合,進(jìn)行剖面上火山巖期次的劃分和對(duì)比追蹤;以鉆井巖性、巖相標(biāo)定做約束,建立不同巖性、巖相的地震相和電阻率剖面特征識(shí)別模板,二者互相約束、互為補(bǔ)充,完成各期次火山巖結(jié)構(gòu)、火山巖相的識(shí)別。
(4)進(jìn)行剖面綜合解釋,完成不同期次火山巖巖相平面分布和不同期次粗面巖儲(chǔ)層在平面上分布特征的研究。
上述步驟中電磁—地震聯(lián)合處理和電性節(jié)律編碼解釋技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵,下面重點(diǎn)介紹。
研究區(qū)的淺層地震資料具有較高的分辨率,為了獲得高分辨率的電阻率成像,采用基于井震建模的模擬退火反演算法進(jìn)行約束反演[26]。
其基本思想是將待反演模型的每個(gè)參數(shù)看作是熔化物體的每一個(gè)分子,將目標(biāo)函數(shù)看作是熔化物體的能量函數(shù),通過(guò)緩慢減小一個(gè)模擬溫度的控制參數(shù)進(jìn)行迭代反演,使目標(biāo)函數(shù)最終達(dá)到全局極值點(diǎn)。L2范數(shù)情況下非線性的TFEM地球物理反演問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為
φ(m)=[d-A(m)]H*[d-A(m)]
(1)
式中:d表示數(shù)據(jù)矩陣;A表示模型正演矩陣;m表示模型參數(shù)向量;上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置,當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù)時(shí),共軛轉(zhuǎn)置退化為轉(zhuǎn)置;“*”表示褶積運(yùn)算。
將TFEM約束反演問(wèn)題的每一個(gè)模型參數(shù)向量mi等效為物體的某種狀態(tài)ri,將目標(biāo)函數(shù)φ(m)等效為物體的能量函數(shù)Ei,引入一個(gè)隨迭代次數(shù)變化的控制參數(shù)T模擬物體的溫度,就可以得到TFEM的非線性反演的Metropolis接受準(zhǔn)則
P(mi→mj)
(2)
式中:kb是Boltzmann常數(shù),在時(shí)頻電磁反演過(guò)程中可設(shè)為1;T表示溫度。
利用地震和電阻率測(cè)井信息確定地質(zhì)解釋剖面(主要是沙三段以上的淺層),建立初始模型,對(duì)關(guān)鍵地質(zhì)層位進(jìn)行控制。
以TFEM-04線為例,約束反演具體步驟如下:
(1)根據(jù)地震剖面建立淺層模型(圖6a)。為了得到較準(zhǔn)確的淺層地電模型,依據(jù)地震資料求得淺層構(gòu)造的層數(shù)和厚度,各層的電阻率依據(jù)電測(cè)井曲線求得。
(2)反演淺層電阻率 (圖6b)。首先反演淺層地電結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)迭代反演,找到最小擬合差,完成淺層反演。
(3)建立深層地電模型(圖6c)。固定淺層幾何參數(shù)和電阻率數(shù)值后,利用擬二維反演結(jié)果構(gòu)建全剖面的初始地電結(jié)構(gòu)模型,最終反演深層地電結(jié)構(gòu)。需多次反演,直到擬合誤差達(dá)到預(yù)設(shè)值,最終建立深層地電模型。
從反演剖面來(lái)看,由于建立了精確的淺層地電模型,反演參數(shù)減少,因而降低了反演的多解性,反演結(jié)果的深層縱向分辨率得到大幅度提高。
對(duì)研究區(qū)巖石物性分析認(rèn)為,該區(qū)5個(gè)期次火山活動(dòng)強(qiáng)弱差異明顯,表現(xiàn)出“弱—強(qiáng)—強(qiáng)—弱—弱”的特征。在角礫巖和凝灰?guī)r含量高時(shí)電阻率較低,粗面巖含量高時(shí)電阻率較高,但均明顯高于沉積巖電阻率。因此,認(rèn)為電阻率剖面縱向存在反映火山巖噴發(fā)特征的節(jié)律,并按照下列原則進(jìn)行編碼:火山巖噴發(fā)強(qiáng)、粗面巖含量高時(shí)編碼為2;火山巖噴發(fā)弱、角礫巖和凝灰?guī)r含量高時(shí)編碼為1;無(wú)火山巖、主要為沉積碎屑巖時(shí),編碼為0。據(jù)此可對(duì)該區(qū)火山巖地層以編碼1-0-2-0-2-0-1-0-1-0進(jìn)行描述。
以TFEM-03線為例。根據(jù)這個(gè)節(jié)律在GeoEast軟件系統(tǒng)中對(duì)剖面進(jìn)行解釋,見(jiàn)圖7。在圖7b所示的反演電阻率剖面上,在沙三內(nèi)部依據(jù)編碼1-0-2-0-2-0-1-0-1-0組合變化特征情況,識(shí)別出5期火山噴發(fā)巖,自下而上依次為qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。研究區(qū)內(nèi)鉆井完鉆層位較淺,只鉆到粗面巖段。qc5與qc4之間以碎屑巖為界;qc4與qc3之間的界面是巖相組合突變面,界面之上以玄武巖和沉凝灰?guī)r為主,界面之下以粗面巖和粗面質(zhì)角礫巖為主。
根據(jù)節(jié)律的橫向變化可以進(jìn)行斷裂劃分。在圖7b的電阻率反演剖面上,130~160號(hào)測(cè)點(diǎn)之間1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節(jié)律特征明顯,170~195號(hào)測(cè)點(diǎn)之間1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節(jié)律特征明顯,其余部分則顯然沒(méi)有這一特征。因此,認(rèn)為這兩段受到兩組斷裂控制,分別形成了兩個(gè)多期次、復(fù)雜疊置的火山巖儲(chǔ)層帶,在平面上形成了兩個(gè)有利目標(biāo)區(qū)。
根據(jù)節(jié)律特征認(rèn)為:qc1、qc2粗面巖以爆發(fā)相為主;qc3粗面巖與低阻蝕變玄武巖呈互層,在地震剖面上為中強(qiáng)振幅,連續(xù)性較好,推測(cè)為溢流相,靠近斷層的火山口附近粗面巖呈高阻團(tuán)塊狀,在地震剖面上為雜亂反射,推測(cè)為爆發(fā)相;qc4以蝕變玄武巖為主,地震剖面上分層性強(qiáng),振幅能量強(qiáng),推測(cè)為溢流相;qc5以沉積巖為主,局部發(fā)育玄武巖夾層。
從TFEM-03線反演結(jié)果(圖7)來(lái)看,駕東斷裂(F2)以及早期深部的邊界控洼斷裂(F3)有很好的顯示。與地震剖面(圖7a)對(duì)比發(fā)現(xiàn),斷裂的位置基本能夠歸位。在地震剖面上兩條主控?cái)鄬?F2、F3)之間,根據(jù)地震反射特征可分為弱振幅—弱連續(xù)和強(qiáng)振幅—中連續(xù)兩種地震相類型;通過(guò)與鉆井巖性剖面對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),地震相的分布并不能準(zhǔn)確地反映巖性的變化。
由圖7可見(jiàn),電法反演剖面能夠較好地反映地層整體的電性結(jié)構(gòu),并且在沙三內(nèi)部電阻率變化信息非常豐富。在電阻率剖面上進(jìn)行期次界面識(shí)別和橫向?qū)Ρ茸粉?,發(fā)現(xiàn)電阻率反演剖面對(duì)5個(gè)期次的分布特征有較清晰的揭示,呈現(xiàn)1-0-2-0-2-0-1-0-1-0電阻率編碼節(jié)律特征,qc1、qc4和qc5火山活動(dòng)較弱,qc2和qc3火山活動(dòng)強(qiáng)。剖面上紅33井和紅25井的電阻率測(cè)井曲線與反演結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系良好,例如紅33井4100m以下沙三段粗面巖與紅25井沙一段2830~2930m、4300m以下沙三段的粗面巖均表現(xiàn)為明顯高阻,說(shuō)明了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外根據(jù)TFEM-05線的反演結(jié)果(圖8)可見(jiàn),爆發(fā)相角礫巖和上部溢流相粗面巖組成的火山機(jī)構(gòu)清楚,于73井粗面巖1和粗面巖2之間的低阻夾層反映清楚,與電阻率測(cè)井結(jié)果一致。
圖8 TFEM-05測(cè)線約束反演電阻率剖面及巖性解釋剖面疊合圖
針對(duì)研究區(qū)火山巖的勘探難點(diǎn),采取電磁—地震聯(lián)合勘探有效提高了深層火山巖解釋的準(zhǔn)確性。針對(duì)火山巖多層疊置的復(fù)雜情況,提出的電磁—地震聯(lián)合研究技術(shù)總路線,特別是電磁—地震聯(lián)合反演提高了縱向分層能力;根據(jù)巖性電性特征提出的節(jié)律編碼解釋技術(shù)可有效識(shí)別火山巖儲(chǔ)層。
研究表明,結(jié)合鉆井和地震資料對(duì)電阻率剖面綜合分析、電磁—地震聯(lián)合反演及巖性電性節(jié)律編碼解釋技術(shù)能夠有效識(shí)別火山巖機(jī)構(gòu),落實(shí)斷層分布,對(duì)火山巖內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)。本文方法和思路對(duì)于類似地震反射品質(zhì)較差的深層復(fù)雜火山巖目標(biāo)是一項(xiàng)非常有效的技術(shù),具有良好的推廣應(yīng)用前景。