地球深部頁巖氣儲層的大地電磁響應特征

薛毛毛, 陳清禮, 吳娟, 白敏, 鄭凱, 楊成坤, 葉甘

(長江大學地球物理與石油資源學院, 武漢 430000)

長期的開發利用使得地層淺部資源逐漸匱乏,礦產資源開發逐漸向地球深部轉移,深海深地項目成為中國地學資源研究的重點和熱點。為了緩解日益緊張的能源供需矛盾,對儲量較大的深層頁巖氣進行勘探具有重要的現實意義[1-2]。目前頁巖氣勘探的主要手段仍是電法勘探和地震勘探[3-4]。地震勘探通過泥頁巖地層與上、下圍巖的地震傳播速度差異,識別深部構造和富有機質泥頁巖地層空間展布特征[4]。但對于一些地球深部的頁巖氣儲層,由于地震波難以穿透高阻地質層,地震勘探效果有時不太理想。

大地電磁測深(magnetotelluric,MT)方法以天然電磁場為場源,不受高阻層屏蔽,對低阻敏感,具有勘探深度大、成本低的特點,是目前探測深部地質資源的最準確有效的地球物理方法之一[5-8]。對于MT探測方法分辨能力的研究，諸多學者采用了數值模擬的方法并驗證了其有效性[9-16]。近年來，MT法廣泛應用于地下深部探測研究,并取得較好的應用效果。趙國澤等[17]、詹艷等[18]利用MT資料得到了青藏高原東北緣區域深部地質電性結構,并對其地質構造成因進行了解釋,揭示了其深部巖石圈的地質結構與演化過程。郝澤江等[19]利用MT資料進行中國東部華北克拉通南緣至華夏地塊深部電性結構研究,獲得了 100 km 深的電性結構模型。張優等[20]采用MT法對張掖地區進行探測,為該區研究提供電性資料支持。范祥泰等[21]采用MT法探測出山區深埋隧道前方與上方隱伏構造的位置與姿態,為隧道安全施工與地質災害防治提供了重要的參考依據。楊震等[22]利用MT資料推斷出個舊西區深部斷裂構造,并圈定出成礦有利遠景地段,為該地區深部找礦遠景評價和找礦戰略部署提供科學依據。在頁巖氣非震勘探領域,MT法也發揮了一些作用[23-27]。胡曉麗等[23]、田巍等[24]利用MT資料深入研究南鄱陽盆地和湘東南坳陷西南側袁家復式向斜的地球物理特征,在此基礎上推測了兩地頁巖氣有利層段及區域的分布。楊劍等[27]利用MT資料獲得四川盆地上三疊統須家河組地下電性分布,識別出地下較大厚度的富有機質頁巖,劃定了本區頁巖氣勘探的新區新層系,并且經鉆孔得到了檢驗。

據美國能源信息署(Energy Information Administration，EIA)發布的頁巖氣報告,結合中國諸多學者的成果可知,中國頁巖油氣很多分布在地下3 000～4 000 m深,厚度為90～300 m,電性整體呈中、低阻[28-30]。由于頁巖氣儲藏特點有別于其他油氣藏,研究MT法對深部頁巖氣儲層響應特征很有必要。為此,采用數值模擬的方法,通過構建模型研究了不同地電條件下存在頁巖氣儲層和不存在頁巖氣儲層時所造成的視電阻率曲線差異,從而得出大地電磁測深法對深部頁巖氣儲層的分辨力能力的結論。從數值模擬的角度證明了大地電磁法可以有效識別地球深部頁巖氣儲層。

1 MT法理論知識

電磁波的運動變化規律遵從麥克斯韋方程組[31]。大地電磁測深法工作的理論基礎是電磁波的趨膚效應,即不同頻率電磁波在地下的穿透深度不同。由麥克斯韋方程組推出趨膚深度計算公式[31]為

(1)

式(1)中：δ為穿透深度,m;f為電磁波頻率,Hz;ρ為地下介質的電阻率,Ω·m;μ為磁導率,H/m,式(1)中取值為真空磁導率μ0=4π×10-7H/m。

由于趨膚效應,高頻電磁波向下穿透深度小,低頻電磁波向下穿透深度大。通過觀測不同頻率段的大地電磁信號,再經過數據分析處理,可得到不同深度范圍內的視電阻率曲線。決定視電阻率大小的因素有:各巖層地質體的真電阻率以及它們的分布狀態(厚度、形態、埋深)。因此視電阻率曲線可以反映地下不同深度范圍內地質構造的電性分布,在此基礎上進行地質解釋工作。MT采集的有效頻段,一般在320～0.001 Hz,主要針對深部結構探測。

由麥克斯韋方程經過推導可得的視電阻率計算公式[31]為

(2)

式(2)中：T為周期,s;Z為波阻抗。

對于n層介質中的層狀模型,可以根據波阻抗的遞推公式計算得到地面波阻抗Z1[即為式(2)中Z]。 波阻抗計算公式[31]為

(3)

式(3)中：hm為第m層的厚度，m=1,2,…,n；km為第m層的復波數；Zm為第m層的波阻抗；Z0,m為第m層的特征波阻抗。

2 中國頁巖氣藏地質特征

據美國能源信息署(EIA)發布的頁巖氣報告,結合張金川等[28]的研究結論,中國具有豐富的頁巖氣資源潛力,可采資源總量約為26×1012m3。

根據區域地質特征,中國的頁巖氣發育區可劃分為東北地區、華北地區、南方地區、西北地區和青藏地區幾大區塊[32]。主要分布于以下7個盆地 : 四川、塔里木、準噶爾、松遼、揚子地臺、江漢和蘇北盆地。其中,南方四川盆地、揚子地臺區和準噶爾盆地頁巖氣資源及其地質特征如表1所示。

表1 中國部分區域頁巖氣儲層特性Table 1 Characteristics of shale gas reservoirs in some regions of China

3 模型構建

為了降低正演的復雜性,僅研究均勻半空間模型,模型如圖1所示。模型中設定三層地質體,其中，第一、三層均為圍巖,第二層為目標頁巖氣儲層,分別用Ω1、Ω3、Ω2表示。

為了定量研究不同深度和規模以及不同地電條件下頁巖氣儲層的大地電磁響應特征。將3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 m設為目標頁巖氣儲層埋深,每種深度條件下設定11種圍巖電阻率(3、5、25、35、70、100、200、300、500、800、1 200 Ω·m)，6種目標頁巖氣儲層電阻率(10、15、20、30、40、50 Ω·m)，4種目標頁巖氣儲層厚度(50、100、180、300 m),共建立1 320 種地電模型。

x軸為水平面；z軸為深度;ρi和hi分別為第i層的電阻率和厚度圖1 模型圖Fig.1 Model diagram

上述模型中,目標頁巖氣儲層的埋深和厚度設置參考中國頁巖氣藏地質特征,電阻率設置參考向葵等[30]總結出的地層條件下頁巖氣儲層巖石電性變化規律。即:地球深部頁巖氣儲層處于高溫高壓環境下,此時其電阻率值較常溫常壓下大幅減小。

4 結果與分析

在實際的MT觀測資料中,根據勘探環境的不同,噪聲一般可導致3%～8%的誤差,當異常差異大于噪聲引起的誤差時,就認為出現了可識別異常。將5%作為閾值,即當存在頁巖氣儲層時和不存在頁巖氣儲層時的視電阻率差異相差5%以上,就認為此時大地電磁測深法對頁巖氣儲層具有較好的分辨能力[12-13](此處忽略了儀器等引起的誤差)。

對于上述的共1 320 種地電模型,運用數值模擬的方法,根據地面波阻抗遞推公式、視電阻率公式分別計算出存在頁巖氣儲層和不存在頁巖氣儲層時的視電阻率值隨頻率變化數據,并畫出兩條視電阻率曲線,進行差異比較。

參考表1中準噶爾盆地頁巖氣儲層的地質特征，設置埋深3 000 m,圍巖層電阻率100 Ω·m,頁巖氣儲層電阻率20 Ω·m,厚度200 m的地電模型,求出視電阻率隨頻率變化的數據如表2所示。

由表2可以看出,3 000 m深100 Ω·m圍巖層下不存在目標頁巖氣儲層時視電阻率是常數;當存在200 m厚20 Ω· m的頁巖氣儲層時,隨著頻率改變,視電阻率值由100 Ω· m增加到103.279 3 Ω·m,然后再減小到88.354 2 Ω·m。中間有部分頻點處出現了較大的差異,最終差異又消失。在頻率為0.562 5 Hz處,最大差異值為11.65%。根據表2數據畫出的視電阻率差異曲線如圖2所示。

由圖2可以看出,存在頁巖氣儲層和不存在頁巖氣儲層時得到的兩條視電阻率曲線不完全重合,中間部分出現明顯偏差,表明出現了可識別異常。

以上1 320 種模型的數值模擬結果可列出多個表格,由于篇幅有限,以下僅展示其中一個。當埋深為4 000 m,圍巖層電阻率為100 Ω·m時,改變頁巖氣儲層電阻率和厚度,計算得出的視電阻率差異值如表3所示。

表3展示了24種模型結果?？梢钥闯?每種模型下存在頁巖氣儲層和不存在頁巖氣儲層時得到的最大視電阻率差異值不一,有些模型下最大差異值大于5%,能夠較好的被識別。而有些小于5%,識別能力較差。

表2 視電阻率隨頻率變化數據Table 2 Data of apparent resistivity variation with frequency

圖2 視電阻率曲線差異圖Fig.2 Diagram of apparent resistivity curve difference

表3 視電阻率最大差異Table 3 The maximum difference of apparent resistivity

將計算得出的視電阻率最大差異結果繪制平面等值線圖,如圖3所示。所有模型中有4個變量:埋深H、圍巖層電阻率ρΩ1,3、頁巖氣儲層電阻率ρΩ2、頁巖氣儲層厚度h。依據控制變量法,分別改變其中兩個變量,可將數值模擬結果分為六類：①固定埋深和頁巖氣儲層電阻率,改變圍巖層電阻率、頁巖氣儲層厚度,得到視電阻率差異值(單位:%)，可作30 個平面等值線圖，圖3(a)為埋深3 500 m,頁巖氣儲層電阻率30 Ω·m時的情況；②固定埋深和頁巖氣儲層厚度,改變圍巖電阻率和頁巖氣儲層電阻率,得到視電阻率差異值，可作出20 個圖，圖3(b)為埋深3 500 m,頁巖氣儲層厚度180 m時的情況；③固定埋深和圍巖電阻率,改變頁巖氣儲層電阻率和厚度,得到視電阻率差異值,可作55 個平面等值線圖，圖3(c)為埋深3 500 m,圍巖電阻率200 Ω·m時的情況；④固定頁巖氣儲層電阻率和厚度,改變埋深和圍巖電阻率,得到視電阻率差異值,可作24 個平面等值線圖。圖3(d)為頁巖氣儲層電阻率30 Ω·m,頁巖氣儲層厚度180 m時的情況；⑤固定頁巖氣儲層電阻率和圍巖電阻率,改變埋深和頁巖氣儲層厚度,得到視電阻率差異值,可作66 個平面等值線圖，圖3(e)為頁巖氣儲層電阻率30 Ω·m,圍巖電阻率200 Ω·m時的情況；⑥固定頁巖氣儲層厚度和圍巖層電阻率,改變埋深和頁巖氣儲層電阻率,得到視電阻率差異值,可作44 個平面等值線圖，圖3(f)為頁巖氣儲層厚度180 m,圍巖電阻率200 Ω·m時的情況。

圖3 視電阻率差異平面等值線圖Fig.3 Plane contour map of apparent resistivity difference

圖3(a)中,上方等值線的值大于下方等值線的值,說明當圍巖電阻率大于目標頁巖氣儲層電阻率時,圍巖電阻率越大,視電阻率差異越大,分辨力越好。各條等值線之間的距離(從左往右)不斷縮小，說明頁巖氣儲層越厚,這種規律越明顯。左下角空白，說明當圍巖層電阻率小于或者接近目標頁巖氣儲層時,差異值不會隨圍巖層電阻率的變化而有明顯變化。由于目標頁巖氣儲層在地球深部處于高溫高壓環境本身呈現低阻特性,當圍巖與其電性差異不大時,引起的差異比較小。從左到右看,等值線整體呈下降趨勢,右邊出現水平線，說明一般情況下,隨著目標頁巖氣儲層厚度增加,分辨力會明顯變大。但當厚度達到一定值時,這種效果不再明顯，由于厚的低阻目標頁巖氣儲層吸收了部分電磁能量。

圖3(b)中,上方等值線的值大于下方等值線的值,等值線(從左往右)呈上升趨勢,各條等值線(從左往右)間距逐漸變大,說明圍巖電阻率和頁巖氣儲層電阻率電性差異越大,視電阻率差異越大,分辨力越明顯。

圖3(c)中,上方等值線的值小于下方等值線的值,說明頁巖氣儲層電阻率越大,引起的差異越小。從左到右看,等值線整體呈上升趨勢,說明頁巖氣儲層越厚,引起的差異越大。左上角空白,說明當頁巖氣儲層太薄時,引起的差異很小。

圖3(d)中,上方等值線的值大于下方等值線的值,說明圍巖電阻率越大,引起的差異值越大,分辨力越好。右邊等值線水平,說明當埋深達到一定值,這一規律不再明顯。由于電磁信號在地層中逐漸衰減,對深處電性反映較差。等值線(從左往右)總體呈上升趨勢。說明埋深越小,差異值越大。

圖3(e)中,上方等值線的值大于下方等值線的值,等值線(從左往右)呈上升趨勢,說明頁巖氣儲層厚度變大,差異值變大,分辨力越好。埋深越大,差異值越小。右下角空白，說明當埋深達到一定值且頁巖氣儲層厚度不大時,差異值很小,分辨力較差。

圖3(f)中,上方等值線值小于下方等值線值,等值線(從左往右)呈下降趨勢,右上角空白，說明頁巖氣儲層電阻率越小,差異值越小，埋深越大,差異值越小。當埋深達到一定值且頁巖氣儲層電阻率大時,差異值很小,分辨力較差。

5 結論

基于以上實驗結果,得出如下結論。

(1)當圍巖電阻率大于目標頁巖氣儲層電阻率時,圍巖與目標頁巖氣儲層電性差異越大,存在目標頁巖氣儲層引起的差異越大,分辨力越好。MT方法對高阻體包圍的低阻頁巖氣儲層勘探效果良好。

(2)當圍巖電阻率接近或小于目標頁巖氣儲層時,存在目標頁巖氣儲層引起的差異較小,分辨力較差。由于淺部的厚低阻圍巖吸收了大量電磁能量,并且圍巖與目標頁巖氣儲層電性差異小,兩者難以分辨。此時,利用MT法進行有效勘探時,對于勘探環境要求較高。

(3)目標頁巖氣儲層的厚度越大,引起的視電阻率差異越大,但是厚度達到一定值時,這種規律不明顯。由于厚的低阻頁巖氣儲層會吸收部分電磁能量。

(4)一般來看,目標頁巖氣儲層埋深越大,引起的視電阻率差異越小,分辨力明顯降低。但達到一定高電阻率的圍巖或達到一定厚度的目標頁巖氣儲層會彌補這一不足。