時(shí)頻電磁技術(shù)在黃土塬覆蓋區(qū)河道砂油藏分布預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

于波 王學(xué)剛 李明瑞 張亞東 丁富峰

關(guān)鍵詞： 時(shí)頻電磁法，黃土塬，薄儲(chǔ)層，油氣預(yù)測(cè)，多參數(shù)，極化率

0 引言

鄂爾多斯盆地西部黃土塬覆蓋區(qū)的中生界侏羅系油藏受低幅度構(gòu)造與巖性控制，河道砂體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)層薄，成藏主控因素復(fù)雜[1-2]，因此鉆探成功率較低。黃土塬覆蓋區(qū)，特別是沒有開展三維地震勘探的區(qū)域，僅依靠已有的二維地震資料進(jìn)行鉆探的成功率較低。為了提高該區(qū)的鉆井成功率，需應(yīng)用新的方法和技術(shù)進(jìn)行鉆前油氣分布預(yù)測(cè)。時(shí)頻電磁（TFEM）法是一種油氣預(yù)測(cè)的新型電磁勘探技術(shù)[3]。傳統(tǒng)的時(shí)頻電磁勘探方法通常在測(cè)線一側(cè)進(jìn)行單邊發(fā)射和激發(fā)，存在照明度不均勻的問題。同時(shí)，受電磁勘探體積效應(yīng)的影響，對(duì)采用單側(cè)發(fā)射采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，其結(jié)果具有多解性。為了克服電磁勘探中的體積效應(yīng)，提高反演精度，本文在前人時(shí)頻電磁勘探研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)鄂爾多斯盆地西部黃土塬覆蓋區(qū)的侏羅系河道砂油藏研究難點(diǎn)，提出在測(cè)線兩側(cè)采用雙源激發(fā)、多線接收的采集方案。采集前需基于模型正演進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。為了提高目標(biāo)層段的電磁反演精度，本文開展了三項(xiàng)時(shí)頻電磁處理技術(shù)研究，通過精細(xì)反演實(shí)現(xiàn)弱信息增強(qiáng)，提高中淺層成像精度。

在鄂爾多斯盆地西部的ZB 地區(qū)，前期研究發(fā)現(xiàn)僅依靠已有二維地震資料難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，需要開展多方法和多技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)精確的儲(chǔ)藏預(yù)測(cè)。在數(shù)據(jù)采集階段，運(yùn)用靶向激發(fā)，并針對(duì)目的層段加密采樣頻點(diǎn)； 在數(shù)據(jù)處理階段，應(yīng)用雙源電磁聯(lián)合反演等技術(shù)，獲取多個(gè)時(shí)頻電磁參數(shù)； 在資料解釋階段，基于GeoEast 系統(tǒng)進(jìn)行多信息一體化油氣分布預(yù)測(cè)，提高鉆井成功率。

1 研究區(qū)物性基礎(chǔ)

巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，含油巖心具有極化效應(yīng)，利用極化率參數(shù)可有效預(yù)測(cè)油氣藏的分布[4-6]。對(duì)9 塊巖心樣品（編號(hào)Z1～Z9）進(jìn)行油氣充注，測(cè)試其極化效應(yīng)，測(cè)試結(jié)果顯示含油巖心具有極化效應(yīng)（圖1）。其中，巖心Z1～Z6 具有低孔隙度和低滲透率特征，因而含油飽和度也低，表現(xiàn)出較低的極化率； 巖心Z7～Z9 的孔隙度和滲透率均較高，即含油量較高，其極化率明顯高于巖心Z1～Z6。因此，儲(chǔ)層中含油是產(chǎn)生高極化率的主要因素。

開展時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常利用大功率發(fā)射源激發(fā)電場。巖石物性試驗(yàn)研究[7-10]表明，外電場作用下的巖石具有頻散特征，油氣藏能夠產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)。富含油的砂巖在低頻段表現(xiàn)為負(fù)相位，說明存在高極化異常。利用時(shí)頻電磁技術(shù)能夠探測(cè)油氣藏在大功率電場激發(fā)下產(chǎn)生的極化率（IP）異常和電阻率（R）異常，利用IP+R 參數(shù)可有效預(yù)測(cè)油氣藏分布，為鉆井部署提供依據(jù)[11-13]。

2 針對(duì)性采集方案設(shè)計(jì)

基于鄂爾多斯盆地侏羅系油藏的特點(diǎn)，提出并采用兩項(xiàng)針對(duì)性的時(shí)頻電磁采集方案： ①在測(cè)線兩側(cè)采用雙源激發(fā)，一次發(fā)射可同時(shí)覆蓋多條測(cè)線； ②采用靶向激發(fā)，開展目標(biāo)層采集參數(shù)設(shè)計(jì)，針對(duì)目標(biāo)層埋深與油藏厚度等因素設(shè)計(jì)發(fā)射頻率表。

2. 1 雙源激發(fā)—多線接收方案

針對(duì)侏羅系儲(chǔ)層薄、油藏小、縱向地層層數(shù)多等勘探難點(diǎn)，在鄂爾多斯盆地首次嘗試在測(cè)線兩側(cè)采用雙源激發(fā)（圖2），即在測(cè)線兩側(cè)分別布設(shè)發(fā)射源A1B1和A2B2； 在全工區(qū)均勻部署接收點(diǎn)，一次發(fā)射可同時(shí)采集多條測(cè)線的電磁數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際工區(qū)地形，參考目的層埋深，本次采集對(duì)每一次發(fā)射（A1B1 和A2B2）同時(shí)采集三條測(cè)線。

何展翔等[14]提出，時(shí)頻電磁信號(hào)能夠探測(cè)的深度受場源長度、收發(fā)距及發(fā)射頻率等多個(gè)參數(shù)的共同控制。因此，發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)于場源設(shè)計(jì)，一般情況下可通過加大場源長度、提高激發(fā)電流提高信噪比。但是，場源長度越大，電纜線阻就越大，同時(shí)野外施工時(shí)對(duì)地形條件的要求就越高（地形越平坦越好）。因此，施工前需首先分析工區(qū)電阻率特征，根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立地電模型，通過模擬設(shè)計(jì)適合于工區(qū)的場源長度。

關(guān)于收發(fā)距的設(shè)計(jì)，根據(jù)嚴(yán)良俊等[15]的研究成果，可得到最大和最小收發(fā)距理論值。何展翔等[14]通過對(duì)實(shí)際地電模型進(jìn)行模擬，提出了計(jì)算時(shí)頻電磁勘探收發(fā)距范圍的方法，本文充分借鑒了前人的研究成果進(jìn)行分析。

因此，施工前首先對(duì)地電模型進(jìn)行正演分析，確定適于本工區(qū)的場源長度和收發(fā)距范圍。首先，根據(jù)ZB地區(qū)測(cè)井電阻率資料及地震反射清楚的層位建立研究區(qū)地電模型，并對(duì)模型進(jìn)行電磁場正演[16]； 然后，對(duì)采集裝置參數(shù)進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定適合本工區(qū)的場源長度為7～9 km，收發(fā)距范圍為8～10 km。

電磁場采用多線同步采集。對(duì)于高頻隨機(jī)干擾，利用背景噪聲進(jìn)行消除，具體步驟為： ①施工前對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都采集背景電磁信號(hào)； ②對(duì)采集的背景信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到噪聲分布，對(duì)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行濾波，獲取噪聲； ③利用噪聲與有效信號(hào)的相干性，構(gòu)建相干矩陣，求解其特征值和特征向量，作為后續(xù)迭代的權(quán)重； ④從每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中減去對(duì)應(yīng)的背景噪聲，即可得到去噪數(shù)據(jù)[14]。

2. 2 靶向激發(fā)采集方案

與傳統(tǒng)的時(shí)頻電磁二維單方位采集不同，本文提出靶向激發(fā)采集方案，即強(qiáng)化目標(biāo)層段采集頻率的設(shè)計(jì)，針對(duì)目的層加密激發(fā)頻點(diǎn)?；ㄖ芷趶膫鹘y(tǒng)采集方法的13 個(gè)增加到42 個(gè)，諧波周期達(dá)120 個(gè)以上；單方位采集時(shí)間從60 min 提高到180 min 以上，雙方位采集時(shí)間達(dá)6 h。靶向激發(fā)可有效提高資料的縱向采集精度，為獲得深部電磁響應(yīng)和目標(biāo)層段高品質(zhì)資料提供了保證。

3 黃土塬覆蓋區(qū)薄儲(chǔ)層數(shù)據(jù)處理

3. 1 黃土塬覆蓋區(qū)的地形校正與靜校正

首先，針對(duì)黃土塬覆蓋區(qū)的地表起伏，采用比值校正法求出不同頻點(diǎn)的綜合校正系數(shù)（即帶地形模型與不帶地形模型的正演電阻率比值），可去除地形的影響，即地形校正； 然后，參考相位資料和磁信號(hào)（二者均不受靜態(tài)位移影響），對(duì)經(jīng)地形校正的電磁數(shù)據(jù)開展表層電阻率校正； 最后，進(jìn)一步應(yīng)用空間濾波技術(shù)消除黃土塬地表不均勻體引起的靜態(tài)位移。

圖3 為研究區(qū)時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)地形校正前、后的對(duì)比。由圖可見，原始數(shù)據(jù)（圖3 上）的靜態(tài)位移明顯，校正后（圖3 下）的視電阻率等值線更連續(xù)，為后續(xù)反演提供了高精度的基礎(chǔ)資料[17]。

3. 2 雙源時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)聯(lián)合反演技術(shù)

理論上，時(shí)頻電磁勘探中采集的信號(hào)為二次場，即發(fā)射源斷電后測(cè)點(diǎn)及周圍地質(zhì)體的電磁響應(yīng)不受場源影響。在實(shí)際勘探生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的時(shí)頻電磁勘探方法采用單側(cè)發(fā)射源進(jìn)行信號(hào)激發(fā)，如果場源與測(cè)線之間存在電性不均勻體，電磁信號(hào)的傳播會(huì)受到影響，與均勻空間的傳播特征不同。如果對(duì)采集到的信號(hào)直接進(jìn)行反演，反演結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。本研究對(duì)雙源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，可提高反演電阻率的縱、橫向分辨率，降低資料多解性。

對(duì)于在測(cè)線一側(cè)進(jìn)行的單方位發(fā)射，地下介質(zhì)中不均勻異常體會(huì)引起發(fā)射源陰影效應(yīng)，而且這種效應(yīng)一般為局部性的。因此，可通過在測(cè)線兩側(cè)開展雙源激發(fā)，有效壓制旁側(cè)效應(yīng)。對(duì)雙源發(fā)射條件下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，可克服單邊發(fā)射造成的電磁波散射、繞射等多解性問題，提高后續(xù)資料處理和解釋結(jié)果的可靠性。

反演前需首先對(duì)不同激發(fā)源的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，克服電磁法的體積效應(yīng)，對(duì)地下異常體的邊界和位置進(jìn)行準(zhǔn)確歸位。

視電阻率的傳統(tǒng)算法是求解均勻半空間電磁場響應(yīng)函數(shù)的解。對(duì)于人工源電磁數(shù)據(jù)，通常無法給出視電阻率的顯式定義，這是因?yàn)椴荒芾镁鶆虬肟臻g的電磁場公式直接求解電阻率。因此，基于最優(yōu)化理論，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體擬合，通過求解特定目標(biāo)泛函的變分問題計(jì)算視電阻率。聯(lián)合約束反演采用的電磁分量是水平電場Ex 和垂直磁場Hz[18-19]。

圖4 為研究區(qū)電阻率測(cè)井曲線與井旁測(cè)點(diǎn)A、B、C 的雙源聯(lián)合反演電阻率曲線對(duì)比。可見二者特征一致，在侏羅系延9 段底巨厚含礫粗砂巖段和延長組長7 段均顯示高阻特征，對(duì)應(yīng)于研究區(qū)的高阻標(biāo)志層。

以工區(qū)1 號(hào)測(cè)線為例，對(duì)比時(shí)頻電磁雙源聯(lián)合電阻率反演（ 圖5c）與單側(cè)源的電阻率反演結(jié)果（圖5a、圖5b）可以發(fā)現(xiàn)，前者在中淺層的電阻率分辨能力明顯高于后者，可基本反映中淺層主要電性界面的位置。其中，三套高阻層分別對(duì)應(yīng)白堊系底高阻層、侏羅系延9 段底巨厚含礫粗砂巖及延長組長7 段區(qū)域高阻標(biāo)志層。

3. 3 目標(biāo)層解釋性處理技術(shù)

研究區(qū)豐富油藏規(guī)模小、儲(chǔ)層薄，區(qū)內(nèi)鉆井和地震資料較豐富，如何利用現(xiàn)有資料提高時(shí)頻電磁反演精度是本研究的重點(diǎn)問題。何展翔等[18]綜合利用現(xiàn)有地震、測(cè)井等資料，明顯提高了電磁反演精度。本文借鑒這些技術(shù)，充分利用工區(qū)的電阻率測(cè)井和地震層位信息，與時(shí)頻電磁信息相結(jié)合，開展目標(biāo)層解釋性處理。

首先，根據(jù)地震反射層清楚的地質(zhì)解釋成果及鉆井資料建立初始地電模型，確定電性層的深度，僅反演地層的電阻率，對(duì)地震反射清楚的區(qū)域開展非目標(biāo)層電阻率反演。

然后，固定非目標(biāo)層幾何參數(shù)和電阻率，重點(diǎn)反演目標(biāo)層段的電阻率。這個(gè)反演過程需反復(fù)迭代，尋找最小擬合誤差，從而獲取目標(biāo)層段高精度反演電阻率剖面數(shù)據(jù)。

圖6 為常規(guī)反演方法與針對(duì)目標(biāo)層的解釋性處理結(jié)果。對(duì)比圖6a 與圖6b 可見，后者出現(xiàn)的黃色高阻層明顯分為上、下兩套電性層，說明經(jīng)目標(biāo)層解釋性處理后，縱向電性分層更清晰，中淺層的電阻率成像精度明顯提高。

4 多信息綜合預(yù)測(cè)油氣有利區(qū)

針對(duì)越來越復(fù)雜的油氣勘探目標(biāo)，單純依靠地震資料難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，因此，需要綜合應(yīng)用多信息、多技術(shù)。目前，時(shí)頻電磁在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方面已形成了基于GeoEast 系統(tǒng)的多信息一體化油氣預(yù)測(cè)方法，總體思路是： 首先對(duì)精細(xì)反演電阻率剖面（圖6b）進(jìn)行層位標(biāo)定； 然后對(duì)油井、水井、干井的異常信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，建立目標(biāo)層段時(shí)頻電磁多參數(shù)油氣預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)； 最后對(duì)基于時(shí)頻電磁資料得到的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行剖面分析和評(píng)價(jià)，利用層切片技術(shù)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行平面成圖，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)頻電磁多參數(shù)綜合油氣預(yù)測(cè)。具體步驟如下。

（1）根據(jù)已知信息開展時(shí)頻電磁異常精細(xì)標(biāo)定： 首先，利用鉆井和地震資料進(jìn)行層位標(biāo)定，目的是建立電性層與地質(zhì)層位的聯(lián)系（圖7）； 然后，基于研究區(qū)的13口鉆井資料進(jìn)行含油氣性標(biāo)定分析，對(duì)油井、水井、干井進(jìn)行異常統(tǒng)計(jì)、分析，建立該區(qū)時(shí)頻電磁油氣預(yù)測(cè)參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即強(qiáng)雙頻相位異常（圖8a、圖8b）和強(qiáng)極化率異常（圖8c）。

（2）對(duì)不同頻率的雙頻相位異常和不同層位極化率進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。不同頻率的雙頻相位異常能夠大致反映不同層位的油氣異常分布特征，因此分別對(duì)淺層（長3 段及以上延安組）以及深層（長7—長8 段）附近的雙頻相位異常、極化率異常進(jìn)行提取和分析（圖8）。由圖可見，雙頻相位異常的分布規(guī)律（圖8a、圖8b）以及極化異常分布特征（圖8c）與鉆井的油氣測(cè)試結(jié)果吻合較好： D 井延9 段附近極化率異常和雙頻相位異常較弱，實(shí)鉆為水層； E 井的淺層雙頻相位異常較強(qiáng)，深層雙頻相位異常較弱，淺層長3 段附近極化率異常較強(qiáng)，但是深層弱，實(shí)鉆長3 段為油層； F井的淺層和深層雙頻相位異常均較強(qiáng)，極化率出現(xiàn)兩層強(qiáng)異常，實(shí)鉆延9 段為油層，長8 段為油層?？梢?，綜合利用雙頻相位和極化率異?？蓽?zhǔn)確預(yù)測(cè)不同層位的油氣有利區(qū)分布。

（3）在平面上對(duì)時(shí)頻電磁多參數(shù)進(jìn)行融合、分析?；贕eoEast 系統(tǒng)的層切片提取技術(shù)，分別對(duì)電阻率和極化率數(shù)據(jù)體進(jìn)行平面分層提取，獲得反映不同層系的時(shí)頻電磁參數(shù)異常并分析其分布特征。

關(guān)于如何開展同一層位的時(shí)頻電磁多參數(shù)融合分析，參見文獻(xiàn)[20-21]。本研究基于GeoEast 系統(tǒng)的多參數(shù)人工智能深度學(xué)習(xí)，得到研究區(qū)的時(shí)頻電磁多參數(shù)異常分布（圖9）。基于圖9，結(jié)合研究區(qū)已知的石油地質(zhì)特征、古地貌、構(gòu)造、地震屬性等信息，利用GeoEast 系統(tǒng)開展多信息一體化綜合油氣預(yù)測(cè)，優(yōu)選鉆探靶點(diǎn)[22]（圖10）。該研究實(shí)現(xiàn)了多種地球物理信息和鉆井信息在同一個(gè)平臺(tái)上的融合，達(dá)到了1+1>2 的效果，有效降低了鉆探風(fēng)險(xiǎn)。

5 應(yīng)用效果

將上述技術(shù)應(yīng)用于鄂爾多斯盆地ZB 地區(qū)的中生界油氣藏預(yù)測(cè)，取得如下效果。

（1）時(shí)頻電磁極化異常信息與已鉆井的出油情況吻合較好。通過鉆井標(biāo)定分析發(fā)現(xiàn)極化率參數(shù)對(duì)于油氣的存在最靈敏，因此重點(diǎn)對(duì)本區(qū)的極化率進(jìn)行量化分析，為后續(xù)時(shí)頻電磁油氣預(yù)測(cè)提供借鑒。研究區(qū)內(nèi)有鉆井61 口，對(duì)其中的油井、水井和干井的極化率進(jìn)行對(duì)比、分析，鉆井—極化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果為： ①極化率不小于0. 19 的區(qū)域內(nèi)有13 口油井，3 口水井或干井，油井占81%； ②極化率不小于0. 18 的區(qū)域內(nèi)有17口油井，6 口水井或干井，油井占73%； ③極化率小于0. 18 的區(qū)域內(nèi)有4 口油井，34 口水井或干井，油井占10%。

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明： ①極化率越強(qiáng)，意味著含油氣的概率越大； ②時(shí)頻電磁油氣預(yù)測(cè)結(jié)論對(duì)油氣的否定作用的可靠度略高于肯定作用，意味著時(shí)頻電磁方法對(duì)油氣的預(yù)測(cè)結(jié)果具有多解性，因此需進(jìn)行多方法、一體化綜合預(yù)測(cè)。

（2）基于時(shí)頻電磁綜合異常優(yōu)選油氣目標(biāo)，為靶點(diǎn)選取提供依據(jù)。首先，利用時(shí)頻電磁異常信息圈定有利油氣異常范圍，優(yōu)選有利目標(biāo)16 個(gè)。然后，根據(jù)地震、鉆井、地質(zhì)等多信息從中優(yōu)選靶點(diǎn)11 個(gè)。

時(shí)頻電磁采集完成后，最新完鉆的Z6 井（圖9）位于時(shí)頻電磁強(qiáng)異常區(qū)，雙頻相位與極化率均表現(xiàn)為強(qiáng)異常，實(shí)際鉆探獲得日產(chǎn)原油7 t，說明時(shí)頻電磁預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果吻合，驗(yàn)證了時(shí)頻電磁油氣預(yù)測(cè)的可靠性。

6 結(jié)論

（1）本文提出了適用于黃土塬地區(qū)薄、小儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)的時(shí)頻電磁野外采集方案及參數(shù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)類似地質(zhì)區(qū)域的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)采集具有指導(dǎo)意義。

（2）探索形成了一套有效的黃土塬覆蓋區(qū)薄、小儲(chǔ)層的時(shí)頻電磁針對(duì)性處理技術(shù)，提高了時(shí)頻電磁反演結(jié)果的縱向分辨率。

（3）基于GeoEast 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)頻電磁多參數(shù)綜合油氣預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了多種地球物理方法與鉆井信息在同一個(gè)平臺(tái)上的融合處理解釋，多種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到了1+1>2 的效果，優(yōu)選鉆探靶點(diǎn)，降低了鉆探的風(fēng)險(xiǎn)。