時頻電磁技術在黃土塬覆蓋區河道砂油藏分布預測中的應用

關鍵詞： 時頻電磁法，黃土塬，薄儲層，油氣預測，多參數，極化率

0 引言

鄂爾多斯盆地西部黃土塬覆蓋區的中生界侏羅系油藏受低幅度構造與巖性控制，河道砂體結構復雜，儲層薄，成藏主控因素復雜[1-2]，因此鉆探成功率較低。黃土塬覆蓋區，特別是沒有開展三維地震勘探的區域，僅依靠已有的二維地震資料進行鉆探的成功率較低。為了提高該區的鉆井成功率，需應用新的方法和技術進行鉆前油氣分布預測。時頻電磁（TFEM）法是一種油氣預測的新型電磁勘探技術[3]。傳統的時頻電磁勘探方法通常在測線一側進行單邊發射和激發，存在照明度不均勻的問題。同時，受電磁勘探體積效應的影響，對采用單側發射采集的數據進行反演，其結果具有多解性。為了克服電磁勘探中的體積效應，提高反演精度，本文在前人時頻電磁勘探研究的基礎上，針對鄂爾多斯盆地西部黃土塬覆蓋區的侏羅系河道砂油藏研究難點，提出在測線兩側采用雙源激發、多線接收的采集方案。采集前需基于模型正演進行參數設計。為了提高目標層段的電磁反演精度，本文開展了三項時頻電磁處理技術研究，通過精細反演實現弱信息增強，提高中淺層成像精度。

在鄂爾多斯盆地西部的ZB 地區，前期研究發現僅依靠已有二維地震資料難以實現優質儲層預測，需要開展多方法和多技術才能實現精確的儲藏預測。在數據采集階段，運用靶向激發，并針對目的層段加密采樣頻點； 在數據處理階段，應用雙源電磁聯合反演等技術，獲取多個時頻電磁參數； 在資料解釋階段，基于GeoEast 系統進行多信息一體化油氣分布預測，提高鉆井成功率。

1 研究區物性基礎

巖心實驗室測試結果表明，含油巖心具有極化效應，利用極化率參數可有效預測油氣藏的分布[4-6]。對9 塊巖心樣品（編號Z1～Z9）進行油氣充注，測試其極化效應，測試結果顯示含油巖心具有極化效應（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，儲層中含油是產生高極化率的主要因素。

開展時頻電磁數據采集時，通常利用大功率發射源激發電場。巖石物性試驗研究[7-10]表明，外電場作用下的巖石具有頻散特征，油氣藏能夠產生激發極化效應。富含油的砂巖在低頻段表現為負相位，說明存在高極化異常。利用時頻電磁技術能夠探測油氣藏在大功率電場激發下產生的極化率（IP）異常和電阻率（R）異常，利用IP+R 參數可有效預測油氣藏分布，為鉆井部署提供依據[11-13]。

2 針對性采集方案設計

基于鄂爾多斯盆地侏羅系油藏的特點，提出并采用兩項針對性的時頻電磁采集方案： ①在測線兩側采用雙源激發，一次發射可同時覆蓋多條測線； ②采用靶向激發，開展目標層采集參數設計，針對目標層埋深與油藏厚度等因素設計發射頻率表。

2. 1 雙源激發—多線接收方案

針對侏羅系儲層薄、油藏小、縱向地層層數多等勘探難點，在鄂爾多斯盆地首次嘗試在測線兩側采用雙源激發（圖2），即在測線兩側分別布設發射源A1B1和A2B2； 在全工區均勻部署接收點，一次發射可同時采集多條測線的電磁數據。根據實際工區地形，參考目的層埋深，本次采集對每一次發射（A1B1 和A2B2）同時采集三條測線。

何展翔等[14]提出，時頻電磁信號能夠探測的深度受場源長度、收發距及發射頻率等多個參數的共同控制。因此，發射系統參數應根據不同地區的實際情況進行設計。

關于場源設計，一般情況下可通過加大場源長度、提高激發電流提高信噪比。但是，場源長度越大，電纜線阻就越大，同時野外施工時對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電阻率特征，根據測井數據建立地電模型，通過模擬設計適合于工區的場源長度。

關于收發距的設計，根據嚴良俊等[15]的研究成果，可得到最大和最小收發距理論值。何展翔等[14]通過對實際地電模型進行模擬，提出了計算時頻電磁勘探收發距范圍的方法，本文充分借鑒了前人的研究成果進行分析。

因此，施工前首先對地電模型進行正演分析，確定適于本工區的場源長度和收發距范圍。首先，根據ZB地區測井電阻率資料及地震反射清楚的層位建立研究區地電模型，并對模型進行電磁場正演[16]； 然后，對采集裝置參數進行模擬，根據模擬結果確定適合本工區的場源長度為7～9 km，收發距范圍為8～10 km。

電磁場采用多線同步采集。對于高頻隨機干擾，利用背景噪聲進行消除，具體步驟為： ①施工前對每個測點都采集背景電磁信號； ②對采集的背景信號進行統計分析，得到噪聲分布，對時序信號進行濾波，獲取噪聲； ③利用噪聲與有效信號的相干性，構建相干矩陣，求解其特征值和特征向量，作為后續迭代的權重； ④從每個測點數據中減去對應的背景噪聲，即可得到去噪數據[14]。

2. 2 靶向激發采集方案

與傳統的時頻電磁二維單方位采集不同，本文提出靶向激發采集方案，即強化目標層段采集頻率的設計，針對目的層加密激發頻點。基波周期從傳統采集方法的13 個增加到42 個，諧波周期達120 個以上；單方位采集時間從60 min 提高到180 min 以上，雙方位采集時間達6 h。靶向激發可有效提高資料的縱向采集精度，為獲得深部電磁響應和目標層段高品質資料提供了保證。

3 黃土塬覆蓋區薄儲層數據處理

3. 1 黃土塬覆蓋區的地形校正與靜校正

首先，針對黃土塬覆蓋區的地表起伏，采用比值校正法求出不同頻點的綜合校正系數（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（二者均不受靜態位移影響），對經地形校正的電磁數據開展表層電阻率校正； 最后，進一步應用空間濾波技術消除黃土塬地表不均勻體引起的靜態位移。

圖3 為研究區時頻電磁數據地形校正前、后的對比。由圖可見，原始數據（圖3 上）的靜態位移明顯，校正后（圖3 下）的視電阻率等值線更連續，為后續反演提供了高精度的基礎資料[17]。

3. 2 雙源時頻電磁數據聯合反演技術

理論上，時頻電磁勘探中采集的信號為二次場，即發射源斷電后測點及周圍地質體的電磁響應不受場源影響。在實際勘探生產中，傳統的時頻電磁勘探方法采用單側發射源進行信號激發，如果場源與測線之間存在電性不均勻體，電磁信號的傳播會受到影響，與均勻空間的傳播特征不同。如果對采集到的信號直接進行反演，反演結果會不準確甚至出現錯誤。本研究對雙源電磁數據進行聯合反演，可提高反演電阻率的縱、橫向分辨率，降低資料多解性。

對于在測線一側進行的單方位發射，地下介質中不均勻異常體會引起發射源陰影效應，而且這種效應一般為局部性的。因此，可通過在測線兩側開展雙源激發，有效壓制旁側效應。對雙源發射條件下采集的數據進行疊加處理，可克服單邊發射造成的電磁波散射、繞射等多解性問題，提高后續資料處理和解釋結果的可靠性。

反演前需首先對不同激發源的電磁數據進行疊加處理，克服電磁法的體積效應，對地下異常體的邊界和位置進行準確歸位。

視電阻率的傳統算法是求解均勻半空間電磁場響應函數的解。對于人工源電磁數據，通常無法給出視電阻率的顯式定義，這是因為不能利用均勻半空間的電磁場公式直接求解電阻率。因此，基于最優化理論，對數據進行整體擬合，通過求解特定目標泛函的變分問題計算視電阻率。聯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 為研究區電阻率測井曲線與井旁測點A、B、C 的雙源聯合反演電阻率曲線對比。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，對應于研究區的高阻標志層。

以工區1 號測線為例，對比時頻電磁雙源聯合電阻率反演（ 圖5c）與單側源的電阻率反演結果（圖5a、圖5b）可以發現，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，三套高阻層分別對應白堊系底高阻層、侏羅系延9 段底巨厚含礫粗砂巖及延長組長7 段區域高阻標志層。

3. 3 目標層解釋性處理技術

研究區豐富油藏規模小、儲層薄，區內鉆井和地震資料較豐富，如何利用現有資料提高時頻電磁反演精度是本研究的重點問題。何展翔等[18]綜合利用現有地震、測井等資料，明顯提高了電磁反演精度。本文借鑒這些技術，充分利用工區的電阻率測井和地震層位信息，與時頻電磁信息相結合，開展目標層解釋性處理。

首先，根據地震反射層清楚的地質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，對地震反射清楚的區域開展非目標層電阻率反演。

然后，固定非目標層幾何參數和電阻率，重點反演目標層段的電阻率。這個反演過程需反復迭代，尋找最小擬合誤差，從而獲取目標層段高精度反演電阻率剖面數據。

圖6 為常規反演方法與針對目標層的解釋性處理結果。對比圖6a 與圖6b 可見，后者出現的黃色高阻層明顯分為上、下兩套電性層，說明經目標層解釋性處理后，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 多信息綜合預測油氣有利區

針對越來越復雜的油氣勘探目標，單純依靠地震資料難以準確預測優質儲層，因此，需要綜合應用多信息、多技術。目前，時頻電磁在儲層預測方面已形成了基于GeoEast 系統的多信息一體化油氣預測方法，總體思路是： 首先對精細反演電阻率剖面（圖6b）進行層位標定； 然后對油井、水井、干井的異常信息進行統計、分析，建立目標層段時頻電磁多參數油氣預測評價標準； 最后對基于時頻電磁資料得到的多個參數進行剖面分析和評價，利用層切片技術對這些參數進行平面成圖，即可實現時頻電磁多參數綜合油氣預測。具體步驟如下。

（1）根據已知信息開展時頻電磁異常精細標定： 首先，利用鉆井和地震資料進行層位標定，目的是建立電性層與地質層位的聯系（圖7）； 然后，基于研究區的13口鉆井資料進行含油氣性標定分析，對油井、水井、干井進行異常統計、分析，建立該區時頻電磁油氣預測參數評價標準，即強雙頻相位異常（圖8a、圖8b）和強極化率異常（圖8c）。

（2）對不同頻率的雙頻相位異常和不同層位極化率進行分析、評價。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、極化率異常進行提取和分析（圖8）。由圖可見，雙頻相位異常的分布規律（圖8a、圖8b）以及極化異常分布特征（圖8c）與鉆井的油氣測試結果吻合較好： D 井延9 段附近極化率異常和雙頻相位異常較弱，實鉆為水層； E 井的淺層雙頻相位異常較強，深層雙頻相位異常較弱，淺層長3 段附近極化率異常較強，但是深層弱，實鉆長3 段為油層； F井的淺層和深層雙頻相位異常均較強，極化率出現兩層強異常，實鉆延9 段為油層，長8 段為油層。可見，綜合利用雙頻相位和極化率異常可準確預測不同層位的油氣有利區分布。

（3）在平面上對時頻電磁多參數進行融合、分析。基于GeoEast 系統的層切片提取技術，分別對電阻率和極化率數據體進行平面分層提取，獲得反映不同層系的時頻電磁參數異常并分析其分布特征。

關于如何開展同一層位的時頻電磁多參數融合分析，參見文獻[20-21]。本研究基于GeoEast 系統的多參數人工智能深度學習，得到研究區的時頻電磁多參數異常分布（圖9）。基于圖9，結合研究區已知的石油地質特征、古地貌、構造、地震屬性等信息，利用GeoEast 系統開展多信息一體化綜合油氣預測，優選鉆探靶點[22]（圖10）。該研究實現了多種地球物理信息和鉆井信息在同一個平臺上的融合，達到了1+1gt;2 的效果，有效降低了鉆探風險。

5 應用效果

將上述技術應用于鄂爾多斯盆地ZB 地區的中生界油氣藏預測，取得如下效果。

（1）時頻電磁極化異常信息與已鉆井的出油情況吻合較好。通過鉆井標定分析發現極化率參數對于油氣的存在最靈敏，因此重點對本區的極化率進行量化分析，為后續時頻電磁油氣預測提供借鑒。研究區內有鉆井61 口，對其中的油井、水井和干井的極化率進行對比、分析，鉆井—極化率統計結果為： ①極化率不小于0. 19 的區域內有13 口油井，3 口水井或干井，油井占81%； ②極化率不小于0. 18 的區域內有17口油井，6 口水井或干井，油井占73%； ③極化率小于0. 18 的區域內有4 口油井，34 口水井或干井，油井占10%。

上述統計結果說明： ①極化率越強，意味著含油氣的概率越大； ②時頻電磁油氣預測結論對油氣的否定作用的可靠度略高于肯定作用，意味著時頻電磁方法對油氣的預測結果具有多解性，因此需進行多方法、一體化綜合預測。

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

時頻電磁采集完成后，最新完鉆的Z6 井（圖9）位于時頻電磁強異常區，雙頻相位與極化率均表現為強異常，實際鉆探獲得日產原油7 t，說明時頻電磁預測結果與實鉆結果吻合，驗證了時頻電磁油氣預測的可靠性。

6 結論

（1）本文提出了適用于黃土塬地區薄、小儲層發育區的時頻電磁野外采集方案及參數設計方案，對類似地質區域的時頻電磁數據采集具有指導意義。

（2）探索形成了一套有效的黃土塬覆蓋區薄、小儲層的時頻電磁針對性處理技術，提高了時頻電磁反演結果的縱向分辨率。

（3）基于GeoEast 系統進行時頻電磁多參數綜合油氣預測，實現了多種地球物理方法與鉆井信息在同一個平臺上的融合處理解釋，多種方法優勢互補，達到了1+1gt;2 的效果，優選鉆探靶點，降低了鉆探的風險。