利用時(shí)頻電磁法識(shí)別遼河盆地東部凹陷火成巖油氣目標(biāo)

石艷玲，劉雪軍，魏 強(qiáng)，索孝東，董衛(wèi)斌，何展翔

1. 中國(guó)石油東方地球物理公司，河北 涿州 072751；2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3. 南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)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(fù)雜多變，深層火成巖儲(chǔ)層目標(biāo)的識(shí)別一直是油田勘探難題. 面對(duì)這一難題，單純依靠地震方法，勘探風(fēng)險(xiǎn)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(shí)踐表明，電磁勘探方法在火山巖目標(biāo)研究中可以發(fā)揮重要作用［4-5］. 火成巖儲(chǔ)層具有明顯的電性和磁性，可以通過(guò)研究火山巖地層的電性特征提高火山巖儲(chǔ)層識(shí)別的可靠性［6］. 張長(zhǎng)江等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)火成巖良好的物性是電磁測(cè)深的基礎(chǔ)，能夠有效確定深部巖漿巖活動(dòng)區(qū)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(lián)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(shí)踐證明，遼河拗陷具有優(yōu)越的石油地質(zhì)條件［10-13］. 因目標(biāo)層埋藏深度大、火成巖的屏蔽作用等影響，應(yīng)用地震方法進(jìn)行勘探時(shí)，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(duì)較小. 近幾年，應(yīng)用時(shí)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(qū)沙河街組三段火成巖巖性巖相的圈定，以及HX 凹陷南側(cè)東營(yíng)組和沙一段油氣分布等一系列問(wèn)題.

時(shí)頻電磁法（time-frequency eletromagnetic method，TFEM）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(fā)射源激發(fā)，在接收端同時(shí)采集時(shí)間域和頻率域信號(hào)，具有激發(fā)信號(hào)強(qiáng)、探測(cè)深度大、應(yīng)用效果好的特點(diǎn)［14-15］，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)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(guó)塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地的火山巖儲(chǔ)層目標(biāo)勘探中取得較好的應(yīng)用效果［18-19］. 因此，應(yīng)用時(shí)頻電磁法解決HX 凹陷沙三段火成巖儲(chǔ)層巖性、巖相及分布問(wèn)題，并通過(guò)反演極化率直接檢測(cè)油氣，對(duì)中國(guó)東部探區(qū)火成巖油氣藏的勘探具有重要意義. 本研究從統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)電測(cè)井資料出發(fā)，通過(guò)將時(shí)頻資料與已知油井出油情況對(duì)比，總結(jié)出一套極化率評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在該地區(qū)識(shí)別出多個(gè)油氣有利區(qū)，并經(jīng)后續(xù)鉆探證實(shí). 該方法亦可為類似地區(qū)油氣評(píng)價(jià)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(chǔ). 電阻率統(tǒng)計(jì)分析工作是時(shí)頻電磁法后續(xù)處理解釋的關(guān)鍵步驟. 對(duì)研究區(qū)內(nèi)24 口鉆井進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(xiàn)為高阻特征.從部分鉆井的沙三段巖性及電測(cè)井曲線柱狀圖（圖1）可見(jiàn)，沙三段主要發(fā)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(cè)井電阻率散點(diǎn)圖. 從圖1、2 可看出，火成巖總體呈現(xiàn)高阻特征，粗面巖電阻率遠(yuǎn)大于火山碎屑巖、玄武巖以及沉積巖. 歸納認(rèn)為，不同巖性電阻率特征表現(xiàn)為：粗面巖＞火山碎屑巖＞玄武巖＞沉積巖. 該統(tǒng)計(jì)結(jié)果為時(shí)頻電磁反演識(shí)別出相對(duì)高阻儲(chǔ)層提供了物性基礎(chǔ).

圖1 鉆井沙三段巖性及電測(cè)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(cè)井電阻率散點(diǎn)圖Fig.2 Logging resistivity scatter diagram of different lithology in E3s

2 針對(duì)火成巖目標(biāo)的時(shí)頻電磁技術(shù)

油氣成藏后會(huì)引起儲(chǔ)集層周圍及上方介質(zhì)物理、化學(xué)和其他響應(yīng)的異常，特別是電異常和電化學(xué)異常，這是電磁勘探的理論基礎(chǔ).

電磁勘探不是檢測(cè)油氣藏中的烴類成分，而是直接探測(cè)到了油氣藏本身，它通過(guò)探測(cè)油氣藏的電和電化學(xué)異常來(lái)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(yōu)勢(shì). 時(shí)頻電磁法的特點(diǎn)在于激發(fā)信號(hào)強(qiáng)，形成對(duì)油氣藏強(qiáng)而有效的激發(fā)，因此，TFEM是地面油氣檢測(cè)技術(shù)中最有潛力的方法之一［20-21］.

針對(duì)深層火成巖目標(biāo)，時(shí)頻電磁法采用大功率、長(zhǎng)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(qū)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(biāo)識(shí)別困難. 采用大功率時(shí)頻電磁能夠探測(cè)到沙河街組及以下地層電性結(jié)構(gòu). 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(biāo)界面和電阻率，因而在反演過(guò)程中需盡可能利用先驗(yàn)信息，減少未知反演參數(shù)，提高深部目標(biāo)區(qū)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(shí)頻電磁約束反演.

圖3 為井震建模約束反演的流程圖. 根據(jù)已知地質(zhì)、鉆井和地震淺層信息確定剖面初始地質(zhì)模型淺層層位（圖1），再依據(jù)鉆井統(tǒng)計(jì)物性結(jié)果給定電阻率值，然后反演淺層地電結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)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(diǎn)反演深層地電結(jié)構(gòu)，經(jīng)多次迭代反演，尋找深部最小擬合誤差，建立深層地電結(jié)構(gòu)模型，最終得到時(shí)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(guò)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(cè)井曲線一致，細(xì)節(jié)清晰. 說(shuō)明通過(guò)地震層位約束，反演結(jié)果更精細(xì). 從整體上看，通過(guò)層位約束，目標(biāo)層位歸位良好，電性變化更符合地質(zhì)認(rèn)識(shí).

3 深層火成巖儲(chǔ)層分布特征

在TFEM-03 線時(shí)頻電磁約束反演電阻率剖面和地質(zhì)解釋剖面（圖4）中，沙河街組5 個(gè)期次火山巖分別用qc1、qc2、qc3、qc4、qc5 表示. 從圖4 中可見(jiàn)，反演電阻率剖面不僅對(duì)斷裂特征、隆拗格局、主要地層分界有揭示，對(duì)沙河街組內(nèi)部的各種巖性也有較好的反映.依據(jù)前述物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果和鉆井資料，綜合解釋各時(shí)頻電磁反演電阻率剖面，沙河街組共識(shí)別出5 個(gè)期次火山巖，自下向上火山活動(dòng)呈現(xiàn)“弱—強(qiáng)—強(qiáng)—弱—弱”特征. qc1、qc4、qc5 火山活動(dòng)較弱，厚度自南西向北東減??；qc2、qc3 火山活動(dòng)強(qiáng)、分布廣、厚度大，粗面巖發(fā)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(qū)6 條時(shí)頻電磁反演剖面，對(duì)qc3 的兩套粗面巖的厚度進(jìn)行了推斷解釋（如圖5、6）. 從圖5、6 看，受南北兩個(gè)斷裂帶控制，沙三段主要發(fā)育2 排火山噴發(fā)相帶；粗面巖主要為溢流相和爆發(fā)相，火山口附近爆發(fā)相較發(fā)育. 多條剖面及圖5 顯示，粗面巖Ⅰ發(fā)育深度3.25～3.34 km，平面上有2 排、3 個(gè)厚度中心，沿駕掌寺斷裂發(fā)育一排，W2—W4 沿線發(fā)育一排，W5—W6 井間厚度超過(guò)350 m. 粗面巖Ⅱ比粗面巖Ⅰ分布范圍更廣，東部凹陷內(nèi)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(shè)一口鉆井，鉆探結(jié)果顯示，該處火成巖發(fā)育，在沙三段有油氣顯示，與時(shí)頻勘探結(jié)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(qū)油氣分布特征

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)所有測(cè)線電阻率和極化率進(jìn)行反演，極化率異常主要分布在東營(yíng)組、沙一段和沙三段. 通過(guò)分析鉆井出油氣情況，依據(jù)剖面上激發(fā)極化率異常數(shù)值大小，與已知鉆井資料的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確立了本地區(qū)油氣激發(fā)極化率異常分級(jí)評(píng)價(jià)模板（圖7）.

圖7 極化率分級(jí)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Fig. 7 Scatter diagram of polarization anomaly grading evaluation

通過(guò)與已知探井的對(duì)比得出，研究區(qū)極化異常大于0.2 時(shí)相對(duì)有利；振幅異常、相位異常和電阻率異常正相關(guān)性越好，則目標(biāo)越有利. 依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J34 井進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從極化率反演剖面（圖8）看，J34 井極化異常數(shù)值達(dá)0.24，非常有利.

圖8 TFEM-04 測(cè)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(duì)應(yīng)的位置，電阻率相對(duì)圍巖呈明顯高阻，解釋為粗面巖，綜合分析其為一級(jí)有利目標(biāo). 后續(xù)油田對(duì)該井進(jìn)行了試油，在4 665～4 710 m 井段發(fā)現(xiàn)兩段、累計(jì)厚度45 m 的油層.

圖9 2016TFEM-04 測(cè)線電阻率剖面Fig. 9 Resistivity profile along 2016TFEM-04 line

其他測(cè)線的極化異常特點(diǎn)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(yíng)組和沙一段. 東營(yíng)組內(nèi)有兩個(gè)強(qiáng)極化異常，130—166 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的異常體長(zhǎng)度約3.6 km，極化異常值0.19～0.23，174—198 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的異常體長(zhǎng)度約2.4 km，極化異常值0.19～0.22，兩個(gè)異常疑似聯(lián)通. 對(duì)應(yīng)地震剖面和電阻率反演剖面顯示，東營(yíng)組這兩個(gè)極化異常與有利構(gòu)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(píng)價(jià)指標(biāo)分析，將其評(píng)價(jià)為一級(jí)有利目標(biāo).

圖10 2017TFEM-01 測(cè)線極化率剖面Fig. 10 Polarizability profile along 2017TFEM-01 line

沙一段內(nèi)有3 個(gè)強(qiáng)極化異常. 其中143—167 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的異常位于沙一段的頂部，長(zhǎng)度約2.4 km，極化異常值0.19～0.23；134—162 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的異常位于沙一段的底部接近沙三段頂?shù)奈恢?，長(zhǎng)度約2.8 km，極化異常值0.19～0.21；173—191 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的異常也是位于沙一段的底部接近沙三段頂?shù)奈恢?，長(zhǎng)度約1.8 km，極化異常值0.19～0.21. 綜合各評(píng)價(jià)指標(biāo)分析，將其評(píng)價(jià)為一級(jí)有利目標(biāo).

5 結(jié)論

通過(guò)分析電測(cè)井資料，建立了研究區(qū)的火成巖物性數(shù)據(jù)庫(kù)，為時(shí)頻電磁勘探識(shí)別高阻粗面巖和相對(duì)低阻的玄武巖提供了物性基礎(chǔ). 時(shí)頻電磁反演電阻率剖面所揭示的電性結(jié)構(gòu)能有效識(shí)別新生界各主要地層，井震-時(shí)頻聯(lián)合，進(jìn)一步落實(shí)構(gòu)造特征，對(duì)沙河街組火成巖內(nèi)幕刻畫更清晰. 通過(guò)綜合解釋揭示HX 地區(qū)沙三段粗面巖廣泛發(fā)育，主要為溢流相和爆發(fā)相，認(rèn)為爆發(fā)相的粗面巖厚度大、分布廣，勘探潛力大. 通過(guò)時(shí)頻電磁勘探提高了對(duì)火成巖儲(chǔ)層的識(shí)別精度，在類似復(fù)雜火山巖勘探領(lǐng)域具推廣價(jià)值.

反演極化率異常對(duì)研究區(qū)油氣分布有較好的揭示. 區(qū)內(nèi)縱向上發(fā)育多層極化異常，DPF 地區(qū)主要分布在東營(yíng)組和沙一段.

大功率時(shí)頻電磁勘探實(shí)現(xiàn)了電阻率-極化率參數(shù)聯(lián)合直接油氣檢測(cè)，解決了單一電阻率參數(shù)儲(chǔ)層目標(biāo)及油水識(shí)別精度低的難題，是一種行之有效的油氣預(yù)測(cè)方法.