基于物性分析建模的時頻電磁反演及儲層評價
——以準北緣石北構造帶為例

王有濤 何展翔 陳學國 李竹強 吳夢影 曹 楊

(①油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北武漢 430100；②中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257000；③長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100；④廣東省地球物理高精度成像技術重點實驗室，廣東深圳 518055；⑤南方科技大學地球與空間科學系，廣東深圳 518055；⑥東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751)

0 引言

可控源電磁勘探法是地球電磁勘探技術甚至地球物理勘探技術中最活躍、最具創(chuàng)新活力的一個分支，在油氣、礦產(chǎn)、地熱、地下水及工程等領域中應用廣泛，并發(fā)揮著重要作用[1-6]。目前，為應對礦產(chǎn)資源危機，降低戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源的對外依賴性，中國已將深地探測作為未來國家科技研究的四大重點方向之一，這為電磁勘探技術的快速發(fā)展提供了契機[7]。

多年的火山巖勘探實踐表明，非地震方法在火山巖目標研究中發(fā)揮了重要作用。火成巖儲層具有明顯的電性和磁性特征，火山巖地層的電磁屬性可用來輔助地震勘探增強火山巖儲層識別的可靠性[4]。近年來，針對火成巖目標探測的非地震技術呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢，學者們在利用重磁電震綜合研究火山巖方面進行了大量的探索，形成了研究熱潮。劉云祥等[5-6]基于巖石密度、磁性、電阻率差異，聯(lián)合重磁電資料劃分火山巖巖性、巖相，其成果得到其他資料的佐證。索孝東等[7-8]基于重磁電異常信息建立一種火成巖識別模式，利用該模式識別石炭系火山巖巖性，并利用建場測深電阻率剖面和地震剖面對深層巖性垂直定深的優(yōu)勢，綜合確定了火山巖的空間位置及形態(tài)。王耀輝等[9]利用高精度重磁電資料的多種組合特征對基底巖性、巖相的識別取得了較好的效果。楊輝等[10]根據(jù)酸性巖—中性巖—基性火山巖密度逐漸增大的特性，利用地震資料對重力異常進行剝層增強處理，實現(xiàn)了火山巖巖性的宏觀預測，獲得了較好效果。徐禮貴等[11]利用電磁和重磁資料縮小并鎖定深層火山巖有利靶區(qū)，再利用地震解釋技術落實深層火山巖有利勘探目標。王玉華等[12]應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，提取并增強了與火山巖有關的重磁異常信息，開展綜合地質解釋。張長江等[13]基于火成巖的良好物性基礎，利用建場測深法有效確定深部巖漿巖活動區(qū)，確定古生界火山巖的分布。

另一方面，自何展翔等[14]提出時頻電磁技術以來，業(yè)內(nèi)學者在時頻電磁油氣預測技術方面進行了大量的探索。趙一丹等[15]通過分析儲層含油層段與非含油層段的電阻率、極化率差異，利用時頻電磁的電阻率和極化率綜合異常成功地檢測并評價了含油氣有利目標。李燕麗等[16]總結了含油氣古潛山的時頻電磁數(shù)據(jù)具有高振幅、高相位、中-低電阻率異常的特征，據(jù)此成功進行了油氣檢測，其成果得到鉆井資料的證實。高妍等[17]研究了古潛山儲層的含油飽和度與電阻率、極化率的相關特性，提出了潛山目標油氣儲層的檢測方法。張春賀等[18]研究和總結了含氣頁巖的極化率、電阻率等巖石物理特征，開展了基于時頻電磁法的富有機質頁巖層系的預測。王永濤等[19]為了提高利用時頻電磁法預測含油氣性的準確性，采用多屬性參數(shù)進行圖像融合處理，預測了含油氣最有利區(qū)，以提高解釋結果的可靠性。張銳鋒等[20]引入等效介質復電阻率模型，應用于反演時頻電磁參數(shù)，開展油氣檢測，取得了很好的效果。徐桂芬等[21]通過聯(lián)合電磁和地震信息，對深層火山巖多套夾層進行解釋，成功圈定出了有利目標。He等[22-25]系統(tǒng)、全面地總結了時頻電磁技術在圈閉油氣藏檢測、火成巖儲層識別、時頻電磁數(shù)據(jù)采集處理及反演方法等方面的進展。這些研究和應用表明，時頻電磁法已發(fā)展成為一種有效的油氣檢測技術。

目前，時頻電磁技術主要采用井震建模約束順序反演，采用地震和測井資料對電性模型進行約束反演[26-29]，但關于建模約束的細節(jié)問題，即電阻率、極化率模型的空間范圍如何與已知物性結合，以及有利儲層的評價標準等還存在諸多需要進一步解決的問題。因此，本文在已有反演方法的基礎上，利用石北地區(qū)鉆井和時頻電磁資料，針對該區(qū)火成巖巖相、巖性展布復雜、地震剖面上石炭系反射不清等問題，探索出基于高斯分布的物性分析、進一步優(yōu)化反演建模的方法，并依據(jù)已知鉆井儲層的電磁屬性資料建立油氣評價模板。最后，通過示例研究揭示研究區(qū)火成巖展布，分析針對石炭系火成巖的時頻電磁數(shù)據(jù)處理反演方法的效果及有利火成巖含油氣目標的預測方法，為類似火成巖儲層的勘探數(shù)據(jù)處理、解釋提供借鑒。

1 研究區(qū)地質—地球物理特征分析

1.1 構造地質特征

準噶爾盆地自晚古生代至第四紀經(jīng)歷了多期造山運動，在盆地中形成了類型多樣的構造組合和沉積體系，控制了盆地的油氣生成、運移、聚集[30-31]。研究區(qū)位于準噶爾盆地北緣的石北構造帶。根據(jù)盆地的構造沉積演化、斷裂特征等，研究區(qū)可劃分為上、下兩個構造層，地震剖面上呈明顯的角度不整合接觸。

上構造層主要包括白堊系、侏羅系、三疊系。上構造層構造簡單，地層平緩，構造主要以古地形之上繼承性發(fā)育的低幅度披覆構造為主，三疊紀發(fā)生過兩次大規(guī)模的水進，形成了兩套區(qū)域性蓋層，發(fā)育了兩套有利儲蓋組合。

下構造層為上古生界石炭系—二疊系。下構造層相對復雜，鉆井揭示研究區(qū)殘留中、下二疊統(tǒng)正常沉積地層和上石炭統(tǒng)火成巖(局部發(fā)育碎屑巖地層)石炭系內(nèi)幕不同期次的火山巖巖相、巖性有差異，可形成不同火山巖相的內(nèi)幕局部蓋層。

1.2 地層電阻率高斯分布特征

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)電測井資料，對深測井電阻率數(shù)據(jù)進行高斯分布統(tǒng)計(圖1)。表1為基于測井數(shù)據(jù)統(tǒng)計的各地層電阻率高斯分布的均數(shù)μ和標準差σ以及最大、最小電阻率值，并以μ±σ和μ±2σ概率上/下限的電阻率值作為不同地層巖性條件下反演的約束范圍。

由圖1和表1可見，上構造層主要地層電性特征為：新生界(Q-E)為一套相對穩(wěn)定的高阻層；白堊系(K)為一套低阻層；侏羅系(J)較上覆、下伏地層表現(xiàn)出相對高阻特征；三疊系(T)為一套相對低阻層。下構造層相對復雜，具體電性特征為：二疊系(P)地層表現(xiàn)出次高阻特征，地層發(fā)育不全，厚度較小，部分地區(qū)缺失，電阻率變化范圍相對較大，由于研究區(qū)內(nèi)二疊系地層厚度很小，本文建模時不予考慮；石炭系(C)總體為一套電阻率較高的高阻標志層，電阻率值變化較大，整體呈現(xiàn)出“火山巖—沉積巖—火山巖”三層結構，其中火山巖地層電阻率大于500Ω·m，碎屑巖沉積地層電阻率小于20Ω·m，從石炭系地層電阻率分布(圖2a)也可以很明顯地看出曲線呈兩個峰值。為進一步分析石炭系地層的電阻率特征，將電阻率分成高阻和低阻兩部分，重新繪制了這兩部分的高斯分布圖(圖2b、圖2c)，可見對數(shù)電阻率曲線呈現(xiàn)對稱的正態(tài)分布。基于石炭系電阻率測井數(shù)據(jù)統(tǒng)計了高斯分布特征數(shù)據(jù)及μ±σ、μ±2σ概率下電阻率值(表2)。

圖1 研究區(qū)上構造層測井電阻率分布

表1 研究區(qū)各地層電阻率高斯分布特征參數(shù)統(tǒng)計表

圖2 石炭系測井電阻率分布

表2 研究區(qū)石炭系地層電阻率高斯分布特征參數(shù)統(tǒng)計表

鉆井揭示研究區(qū)石炭系發(fā)育的火山巖主要是安山巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r及碎屑巖。上石炭統(tǒng)巴山組(C2b)為陸相火山巖建造，發(fā)育紅色火山熔巖，主要成分為輝綠巖、玄武巖、安山巖等，底部夾碎屑巖—火山碎屑巖，電阻率較高，可達幾十至上萬歐姆米，平均值約100Ω·m。下石炭統(tǒng)頂部松喀爾蘇上亞組(C1sb)為一套海、陸過渡地層，屬濱海相碎屑巖，上部為陸相含煤地層，局部夾火山碎屑巖，底部為淺海相火山碎屑巖、碎屑巖，電阻率相對較低，在幾至幾百歐姆米之間，平均值約為10Ω·m；下石炭統(tǒng)底部松喀爾蘇下亞組(C1sa)為海相砂泥巖，底部發(fā)育中基性火山熔巖，主要為安山巖、火山角礫巖、火山碎屑巖等，電阻率相對較高，為幾十至上萬歐姆米，分層特征明顯，上部平均值約為100Ω·m，下部平均值約為20Ω·m。

2 火成巖儲層含油性評價電性模板

2.1 含油巖石頻散特征分析

巖石電性特征亦可體現(xiàn)為激發(fā)極化效應，在油氣電磁勘探中，儲層多相孔隙介質在不同含油飽和度條件下具有不同的電磁頻散特征。

圖3為研究區(qū)石炭系凝灰?guī)r巖心的電磁頻散測試結果，即不同含油飽和度下的電阻率特征。由圖可見，含油飽和度越高，巖心的電阻率曲線幅度越大、斜率也越大，呈近似正比關系。為進一步分析飽和度參數(shù)的頻散特性，求取了圖3中電阻率曲線的雙頻振幅以表征巖石的極化效應[28](圖4)。可見電阻率、極化率均隨飽和度的增加而增大，可作為儲層含油氣性評價指標，為該區(qū)火成巖儲層數(shù)據(jù)建模及油氣評價提供依據(jù)。

圖3 研究區(qū)石炭系凝灰?guī)r巖心電阻率頻散曲線

圖4 研究區(qū)火成巖電阻率和極化率隨含油飽和度變化曲線

2.2 儲層含油評價電磁屬性模板

根據(jù)研究區(qū)及鄰區(qū)39口探井與時頻電磁油氣相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，以儲層電阻率—極化率為坐標系，儲層的含油性檢測結果包括高產(chǎn)、低產(chǎn)和干井，據(jù)此建立了準噶爾盆地石炭系火成巖儲層電磁油氣評價模板(圖5)。可以看出，儲層電阻率、極化率異常與含油氣關系密切，可以作為儲層評價的重要參數(shù)。其中，儲層是否含有油氣對電阻率的影響很大，電阻率參數(shù)主要反映巖性特征，是油氣檢測的必要指標；極化率主要反映流體特性，是儲層含油氣評價的關鍵指標。本文基于準噶爾盆地火成巖和碎屑巖儲層電磁信息統(tǒng)計，繪制了電阻率、極化率測井數(shù)據(jù)交會圖，據(jù)此形成該區(qū)含油氣評價的量化指標，并作為實測資料含油氣性評價的量板。

根據(jù)測井數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果(圖3和圖4)，總結出該地區(qū)石炭系火成巖儲層含油氣評價標準(圖5)：工業(yè)油氣井的極化率異常高于0.27，干井極化率異常低于0.21，極化率異常為0.21～0.27時則對應中-低產(chǎn)油井或油氣顯示井；工業(yè)油氣井電阻率異常高于80Ω·m，低產(chǎn)油井或干井電阻率異常低于50Ω·m，電阻率異常為50～80Ω·m則一般對應油水同層或低產(chǎn)油井。

圖5 火成巖儲層油氣檢測地電參數(shù)交會量板

3 針對性的分層電性參數(shù)反演建模

基于分步約束順序反演算法反演電阻率和極化率的詳細步驟見文獻[29]。本文主要討論研究區(qū)上/下構造層的精細建模方法。

3.1 上構造層建模

研究區(qū)上構造層地震反射比較清晰，分辨率較高，模型的幾何參數(shù)可根據(jù)地震解釋成果確定，反演過程中固定不變，即幾何模型參數(shù)不參與反演，只反演電阻率和極化率。由于淺層探井的測井資料多，基于前面對電阻率測井數(shù)據(jù)高斯分布特征的分析進行反演建模。上構造層電阻率模型可寫為

(1)

同理，上構造層的極化率模型可寫為

(2)

由于研究區(qū)上構造層中的三疊系具有較好的儲蓋組合，鄰區(qū)探井已獲得油氣顯示，該地層的極化率最大值可參考圖5所示模板，以低產(chǎn)油氣的極化率門限值給出；新生界、白堊系和侏羅系鉆探未獲油氣顯示，因此其極化率最大值可據(jù)干井的極化率門限值給定。本例中極化率最小值均賦值0。

3.2 下構造層建模

由于下構造層的正常沉積地層地震反射特征清晰，其深度和厚度可根據(jù)地震反射特征進行解釋。但火成巖發(fā)育區(qū)反射雜亂，難以明確解釋其展布，只能依據(jù)地層分布以及重磁電資料進行大致的地質解釋。因此，對下構造層建模時需要同時考慮幾何參數(shù)(地層界面)和電性參數(shù)(電阻率和極化率)的變化。空間模型MQ的初始模型參數(shù)可表示為

(3)

同理，下構造層的初始電阻率模型可寫為

(4)

下構造層的極化率模型可寫為

(5)

由于研究區(qū)下構造層中石炭系火成巖是良好儲層，該套地層的極化率最大值可以根據(jù)圖2以高產(chǎn)油氣層極化率門限值確定，最小值據(jù)干井極化率門限值確定；石炭系沉積地層也有油氣顯示，因此其極化率最大值可根據(jù)模板中低產(chǎn)儲層的極化率門限值確定，極化率的最小值則賦值0。

4 應用效果分析

4.1 實際資料應用效果分析

基于研究區(qū)重磁電及測井資料對地震剖面進行層位解釋，依據(jù)解釋的層位及表1和表2的電性參數(shù)進行建模，見圖6a。基于所建初始模型，對采集的時頻電磁數(shù)據(jù)進行反演，得到電阻率(圖6b)和極化率(圖6c)剖面，據(jù)此可進行地質解釋及效果分析。

圖6 研究區(qū)實際數(shù)據(jù)剖面

根據(jù)圖6b，自上而下主要發(fā)育高阻—低阻—次高阻—低阻—高阻五套電性層。剖面中上、下構造層電阻率差異特征明顯：上部構造層中的新生界、白堊系、侏羅系和三疊系相對較穩(wěn)定，保持了地震界面的基本特征。新生界(Q+R)總體表現(xiàn)出相對高阻的特征，白堊系(K)表現(xiàn)出低阻特征，侏羅系(J)為一套沉積相對穩(wěn)定的相對高阻層，三疊系(T)表現(xiàn)出低阻特征。各層電阻率與電測井數(shù)據(jù)的高斯分布均值接近，變化范圍在模型給定的范圍內(nèi)。下構造層石炭系(C)整體表現(xiàn)為高—低—高的電阻率特征，上、下兩套高阻層分別對應上石炭統(tǒng)巴山組和下石炭統(tǒng)姜巴斯套組下段，中間相對低阻層對應下石炭統(tǒng)姜巴斯套組的中—上段碎屑巖地層。此外，剖面左段表現(xiàn)為明顯的三套電性層，電阻率剖面上異常相對平緩；剖面中部三層電性特征不太明顯，受火山侵入巖的影響，呈現(xiàn)向上刺穿狀高阻異常體；剖面右段缺失碎屑巖低阻地層。

由圖6c可見：上構造層及深部地層極化率都在背景范圍內(nèi)，低于干井的門檻值；石炭系火成巖出現(xiàn)兩處極化率較高的目標區(qū)域，其值高于低產(chǎn)井的門檻指標，主體達到工業(yè)油井門檻指標。在測線左段發(fā)育團塊狀相對強極化率異常區(qū)段，極化率異常大于0.21，長度約4.6km；在測線中部發(fā)育層狀、相對強極化率的異常區(qū)段，極化率異常大于0.27，長度約4.8km，厚度約1200m。剖面上中間高值異常區(qū)整體呈左厚右薄狀。

4.2 石炭系火成巖有利儲層評價

研究區(qū)二疊系—三疊系低阻泥巖地層與下伏石炭系火成巖地層形成良好的儲蓋組合，地震約束下的時頻電磁電阻率反演剖面(圖6b)很好地揭示出該儲蓋組合的特征，剖面上橫向0～15km區(qū)域可見由斷層控制發(fā)育的兩個高阻火成巖目標體(圖中虛線橢圓所示)。在時頻電磁極化率反演剖面(圖6c)上也可見兩個較強的極化率異常區(qū)段(圖中虛線橢圓所示)，可解釋為有利目標。但是，這兩個目標區(qū)域位于火成巖目標體的略上方，這一現(xiàn)象可能有兩種原因：一是火成巖為儲層，由于油氣運移滲透到儲層上方，導致圍巖蝕變，形成激發(fā)極化強異常；二是已有鉆探發(fā)現(xiàn)了石炭系碎屑巖儲層，這兩個激發(fā)極化異常是油氣自生自儲及下生上儲形成的油氣藏引起的。不論是哪種情況，這兩個異常都需引起重視，可作為下一步鉆探的有利目標。

5 結束語

本文以準北緣石北探區(qū)實測時頻電磁數(shù)據(jù)為基礎，通過物性統(tǒng)計分析各地層的電阻率分布，獲得研究區(qū)上、下構造層巖石的不同電性特征；通過火成巖儲層巖石頻散測試分析，證明該區(qū)火成巖具有隨飽和度變化的頻散特性，即隨著飽和度的升高，電阻率和極化率不斷增大。基于物性數(shù)據(jù)的高斯分布，建立時頻電磁反演模型，充分利用研究區(qū)地震和電測井等資料，形成研究區(qū)上、下構造層不同的建模方法。最后，對實測數(shù)據(jù)剖面進行建模反演，并對反演電阻率和極化率剖面進行地質解釋，為研究區(qū)石炭系儲蓋組合和油氣儲層評價提供有價值的參考。