大地電磁測深法勘探深層頁巖氣的數值模擬分析

李萬山，陳清禮，張雙源，鄧 宇，周錦鐘，賈 毅

(1. 長江大學 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學 地球科學學院，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研究院，甘肅 敦煌 736202； 5. 成都理工大學 地球物理學院，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 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學 地球科學學院，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研究院，甘肅 敦煌 736202； 5. 成都理工大學 地球物理學院，四川 成都 610059)

證實了大地電磁測深法在深層頁巖氣資源勘探可發揮其優勢，實現精細勘探。采用數值模擬結合富有機質頁巖電阻率數據統計，建立兩種不同深度同規模的背斜儲層三維模型，對所獲得兩個模型的視電阻率資料進行了分析。研究結果表明，兩種模型的電阻率響應存在可識別差異，為大地電磁法用于深層頁巖氣資源勘探提供可靠依據。

頁巖氣；大地電磁測深；三維數值模擬

頁巖氣資源被認為是自石油以來最重要的非常規能源，中國富有機質頁巖的儲量可觀，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面臨革新的挑戰。針對中國目前頁巖氣藏復雜的地質條件，需要地球物理方法多學科的綜合運用實現技術突破[1-3]。國內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，因此重視發展非地震方法，充分利用各項技術的特點，才能攻關我國頁巖氣藏的特殊性，實現工業化生產。

目前地球物理方法中的大地電磁測深法技術成熟，且已經在常規能源領域取得了顯著成果，較之其他地球物理方法，大地電磁測深法具有成本低、勘探深度大等優勢，切合我國頁巖油氣勘察工作中面對的技術革新挑戰的狀況。通過對富有機質頁巖資源的電阻率特征的分析，發現其電阻率均值高于一般圍巖電阻率。以松遼盆地礦區為例，有機質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。可見利用電阻率法分辨頁巖油氣資源簡單科學[4]。因此本文結合頁巖油氣的電阻率數據建立同規模不同深度的兩個三維模型，經計算得到兩種模型的大地電磁測深響應，從獲得的視電阻率資料出發分析了兩種模型的異常差異，數據證實大地電磁測深法可以做到精細的頁巖油氣勘探[5]。

1 模型的建立

1.1初始模型的建立

為了模擬計算大地電磁測深對有機質頁巖在不同深度的精細勘探能力，依據某地實測數據的整理結果，規范先后建立兩個如圖1所示規模相同的三維初始模型。

圖1 初始模型

首先進行網格剖分確立模型的初始規模，選定初始模型圍巖電阻率為100 Ω·m，設立13層空氣層，為符合有機質頁巖油氣層的地質特征，將最大層厚設置為1 000 m。考慮中國頁巖油氣多數埋藏較深，選擇延展至10 000 m有效深度，最終建立整理后數據標準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不同埋深的背斜構造模型(見圖2～3)，共20層。20層為了讓測線剛好覆蓋的同時控制模擬頁巖氣層厚。依據頁巖油氣層電阻率數據設置模型電阻率為500 Ω·m。一個模型頂面深度1 000 m，底部深度2 500 m，另一個模型頂部深度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運用在頁巖氣勘探，并取得了一定成果，將其模擬結果與建立埋深大的模型相對比，具有實際意義。

圖2 埋深2 500 m背斜構造

如圖4可以看到背斜構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 數值模擬結果

通過數值模擬計算出兩種模型20個測點的視電阻率曲線，根據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

圖6 底部埋深5 000 m模型視電阻率響應

經過正演計算得到兩個模型的視電阻率響應，模擬結果整體上一致，在圖兩側都分別出現明顯的低阻異常和高阻異常，異常的相對幅度達到24%。左側均在1 127號測點到1 128號測點之間有規模較大的背斜低阻異常體。相比較兩個異常體，圖5低阻異常體周期范圍在1～100 s間，與圖6在周期零點幾秒到1秒范圍內存在明顯差異；右側均在1 112號測點到1 115號測點間有周期范圍在零點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。從模擬的結果表明，兩個模型響應在背斜高、低阻異常體的規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，作出兩個模型TM極化視電阻率、相位隨頻率變化數據表(見表1)。

如表1所示，隨頻率由72.485 2 Hz減小至0.01 Hz，兩個模型視電阻率和相位數據隨之變化，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，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，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，隨頻率的逐漸減小，兩個模型的視電阻率相對誤差整體呈增加趨勢，尤其低頻時即頻率在1 Hz減小至0.01 Hz時，視電阻率相對誤差最小為4.900%，最大達到5.185%。

表1 視電阻率和相位數據

埋深淺和埋深深兩個模型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，表明同測點條件不同埋深同規模的兩個模型出現明顯的可識別異常，平均相對誤差為3.640 3%。

1 底部2500米埋深； 2 底部5000米埋深

對數值模擬理論計算出視電阻率曲線形成的相對異常偏差進行對比分析，底部埋深2 500 m的背斜構造可形成約7.1%相對異常幅度，而底部埋深5 000 m的背斜構造可形成約12.2%的相對異常幅度，同時兩個模型TM極化模式下的視電阻率曲線平均誤差3.640 3%，最大相對誤差達到5.185%。結合某地實測MT資料見表2，噪聲可導致最大誤差為2.310%，這一數據遠遠小于兩個模型響應5.185%的相對誤差，加之該地區的電阻率遠大于模擬中圍巖電阻率100 Ω·m。進一步說明大地電磁測深對符合含有機質頁巖特點的兩種模型可實現有效識別，能提供可靠的解釋依據。

表2 某地實測數據

3 結 語

采用數值模擬方法研究大地電磁測深對埋深大的有機質頁巖儲層是一種很好的方法，建立符合頁巖氣地質特征的三維模型，理論計算得出的兩種模型視電阻率響應相對差異遠大于實測數據噪聲產生誤差，說明在一定范圍內，大地電磁測深可對富含有機質頁巖儲層進行有效識別。且大地電磁測深法技術成熟，勘探成本低，有助于中國頁巖氣資源勘查體系發展。

[1] 張抗, 譚云冬. 世界頁巖氣資源潛力和開采現狀及中國頁巖氣發展前景[J]. 當代石油石化, 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技術綜述[J]. 天然氣技術, 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]. 科學技術與工程, 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預測及資源潛力評價[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(9): 2331-2338.

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

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

[7] 徐建華. 層狀媒質的電磁場與電磁波[M]. 北京: 石油工業出版社, 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，手機：15272483304,E-mail：1614722533@qq.com；通訊作者：張雙源(1992-)，女，山東聊城人，研究方向：地質工程，手機：13429802116，E-mail：570028627@qq.com.

P631.3+25

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