柴达木盆地某油气聚集区电性结构研究

彭勇辉，李帝铨

柴达木盆地某油气聚集区电性结构研究

彭勇辉，李帝铨

（中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083）

柴达木盆地某油气聚集区地质条件复杂，地震勘探效果不明显。在该区布设了5条广域电磁法测线，采用2n序列伪随机信号发射源和广域电磁法油气目标识别技术，研究了该区电性结构特征。结果表明，该区存在5个主要电性层，产气层为高电阻率特征，产气层反演电阻率是非产气层的2倍以上。反演结果与钻井及地震资料对比证明，广域电磁法对油气层识别较有效。由于施工简单，成本低，广域电磁法具有一定的推广应用价值。

广域电磁法；油气勘探；电性结构；柴达木盆地

0　引言

与地球物理方法相关的储层物性中，含油气所引起的电阻率变化比含油气所引起的地震波速度变化及储层密度变化等均要显著得多。电磁法作为一种重要的非地震勘探方法，可通过油气藏与围岩的电性及极化特性差异来探测油气藏［1-2］。随着新观测系统的采用、新仪器的成功研制［3-4］以及二三维数值模拟方法和解释处理技术的发展［5-6］，电磁测深法已由区域勘探转为重点目标勘探，在复杂地表区与复杂地质区均发挥着越来越重要的作用，成为服务于油气勘探的新方法。

何展翔等［7］从油气藏地球物理特征出发，探讨了运用电磁法检测油气藏岩石电阻率和激发极化特性的方法，并给出了油气藏的电磁异常模式。在传统可控源音频大地电磁法（CSAMT）和磁偶源频率测深法（MELOS）基础上，何继善［8］从场的统一性出发，将“近区”、“过渡区”和“远区”有机统一起来，提出了一种“广域电磁法”的人工源频率域电磁测深新方法。该方法采用伪随机信号发送，利用非简化公式进行视电阻率计算，可在全域进行观测，拓展了观测范围，提高了观测速度、观测精度和野外施工效率。广域电磁法从提出至今，其方法原理、仪器研制及数据处理解释都有了显著的发展。蒋奇云［9］实现了广域电磁接收机的硬件设计和研制；戴世坤等［10］采用有限元法进行正演和采用共轭梯度法对场值进行直接反演，实现了2.5维正反演研究；李帝铨等［11］采用积分方程法进行广域电磁法三维模拟。在油气探测［12］、深部找矿［13］和页岩气勘探［14］等领域，广域电磁法均已取得了一些满意的成果。

广域电磁法具有抗干扰能力强、测量精度高和勘探深度大等优点。在柴达木盆地某油气聚集区进行广域电磁法油气目标识别技术实验，结合测井和地质资料进行电性和地层的追踪对比，得到了油气聚集区的电性参数；利用广域视电阻率反演资料，得到了深部地层的埋深和分布特征。笔者尝试利用电磁法资料开展油气层识别方法研究，以期为该区的油气勘探提供参考。

1　方法原理简介

广域电磁法利用适合于全域的公式计算视电阻率，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，在探测油气和寻找深部金属矿产方面均具有明显优势。它采用的2n序列伪随机信号是一种理想场源信号，将它用于电磁测深工作时，可提高测量速度和相邻频率信号的相对精度。笔者采用水平电流发射信号测量电场的x分量，称之为E-Ex广域电磁法，这也是目前运用最广泛的广域测量形式［15］。下面说明广域电磁法和广域视电阻率的概念。均匀大地表面水平电偶极源的电场分量可表示为

式中：I为供电电流，A；dL为电偶极源的长度，m；k为均匀半空间的波数，无量纲；r为收发距，即观测点距离偶极子中心的距离，m；σ为电导率，S/m；φ为电偶极源方向和源的中点到接收点矢径的夹角，（°）。

将电场水平分量的表达式改写为

其中

式（2）～（3）中：FE-Ex为一个由发送电流频率ω、大地磁导率μ、地下电阻率ρ以及发收距r构成的复函数，反映了电磁效应在地下的传播特性。

实际工作中，通过测量两点之间的电位差来得到Ex，即

式中：xMN为测量电极间的距离，m；VMN为两点之间的电位差值，V；ρ为地层视电阻率，Ω·m。

令

式中：KE-Ex为一个只与观测装置的几何尺寸有关的系数，它是E-Ex方式广域电磁法测量视电阻率的装置系数。

于是，可以得到视电阻率如下：

由式（6）可以看出，广域视电阻率定义不存在近似条件，是一个严格的公式。野外施工时，只要测量出电位差、发送电流以及有关的极距参数，采用迭代法计算，便可计算出地层的视电阻率。

2　柴达木盆地某油气聚集区地质与地球物理特征

2.1地质特征

柴达木盆地某油气聚集区整体表现为自古近纪以来持续发育的大型盆缘鼻状古隆起，斜坡背景为岩性油气藏的形成提供了基本成藏条件，鼻隆带有利于形成地层岩性油气藏。该鼻状构造带是柴达木盆地油气勘探的重点领域［16-17］，自造山带向盆地中央方向发育山前高位断阶带—中部斜坡区—低位扭动隆起区—深部凹陷区共4级结构，向东南倾覆［18］。该区基底由元古界深变质岩系和古生代变质岩系与花岗岩体组成，深部花岗岩及其风化壳均是该区油气勘探的重点［19］。基岩之上发育新生代沉积地层，且沉积较为齐全，自下而上主要为路乐河组（E1+2）、下干柴沟组下段、下干柴沟组上段上干柴沟组（N1）和下油砂山组（N21），上油砂山组、狮子沟组和七个泉组在研究区多遭剥蚀。区内新生代广泛发育浊积扇—辫状河—辫状河三角洲沉积体系，厚层砂体储层分布广，与上覆盖层构成较好的储盖组合［20］。钻井资料证实，该区存在以细砂岩和粉砂岩为主的E3储层、以砂砾岩为主的E1+2储层和原岩为花岗岩的基岩风化壳储层3套含油气层系［21］（表1）。

表1　柴达木盆地某油气聚集区地质与地球物理特征Table1　The geologic and geophysical signature in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

2.2地球物理特征

地层岩石的电性差异是引起地层电阻率异常的基本因素，因此，了解地层岩石的电阻率参数是做好广域电磁法资料解释的基础。本次工作中主要采用电阻率测井数据对研究区各地层电阻率特征进行分析。依据表1的地层电阻率统计结果，研究区可划分为5个电性层，其中N21和N1为第一电性层，为地表低阻层，电阻率为1.21～5.09 Ω·m；E32为第二电性层，属于中高阻层，电阻率为2.04～21.57 Ω·m；E31为第三电性层，相对第二层为电阻率低的电性单元，电阻率为3.40～7.33 Ω·m；E1+2为第四电性层，相对第三层为电阻率更高的电性单元；基岩为高电阻率的电性单元，为第五电性层。E32和基岩储层都是相对高阻特征，基岩与E1+2之间和E31与E32之间存在2个明显的电性界面。不同地层的电阻率存在差异，这是在该区进行广域电磁法勘探的地球物理基础。

3　广域电磁法数据采集与数据处理

在柴达木盆地某油气聚集区部署了5条广域电磁测深剖面，从阿尔金山前向南依次为L5～L1线（图1），每条测线长为10 km，设计点距为100 m，设计广域测点500个，另外加上20个检查点，共完成520个广域电磁测深测点。测区以3号井（位于L3线4 800 m处）为中心，测区面积约为80 km2。在本次实验中，基岩顶面埋深为2 000～3 500 m。为达到预期的探测深度及满足施工时间安排等，收发距定为8 km，采用n=7（一次发送含7个频率成分）的伪随机信号，频带为0.017 5～8 192.000 0 Hz。

图1　柴达木盆地某油气聚集区地形和广域电磁测深工作部署图Fig.1　Topography and wide field electromagnetic sounding layout in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

广域电磁测深资料处理过程包括：①对数据预处理（包括“飞点剔除”和静态校正等）；②对资料进行定性分析（包括对“频率-视电阻率”曲线进行类型分析）；③建立合理的地质模型，进行二维反演，并结合研究区的地质、钻井（主要是电阻率测井）以及其他物探资料进行综合解释。静态校正方法有很多［22］，此次采用空间滤波法中的中值滤波法，各测线数据经过“飞点剔除”和静态校正处理后数据光滑程度较高，且没有损失数据原有信息。

此次广域测深工作是通过在测点进行数据采集，获得电场水平分量的观测值，经一系列数据处理后获得该点的广域视电阻率值。图2为L3和L4线部分测点的广域视电阻率曲线。从图2可以看出，区内纵向视电阻率曲线形态大体相似，说明各点的地电断面具有多层电性结构。视电阻率曲线整体较平滑，在高频部分由于地表地形的干扰，数据出现波动；在低频的几个点中，由于此时信号已经很弱，不能完全压制干扰信息。整体而言，视电阻率误差值都在5%以内，采集数据质量可靠。

图2　柴达木盆地某油气聚集区L3和L4线部分测点广域视电阻率曲线Fig.2　The wide filed apparent resistivity curve in some stations of L3 and L4 lines in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

4　综合地球物理解释

对柴达木盆地某油气聚集区实测各线的视电阻率进行反演可求得各地层的电阻率和地层厚度。考虑到曲线反演结果的多解性，需要收集更多的地质和地球物理信息，并选择合适的反演结果。L3线4 800 m处（3号含气井所在位置）广域测深反演结果与钻井资料对比如表2所列。

表2　柴达木盆地某油气聚集区广域电磁测深结果与3号井地层界面的比较Table2　Comparison between wide field electromagnetic sounding results and formation boundary of well 3 in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

图3　柴达木盆地某油气聚集区L3线广域电磁测深视电阻率反演断面与地质解释图Fig.3　Apparent resistivity inversion profile of wide field electromagnetic sounding of L3 line and geological interpretation in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

从表2可以看出，广域测深结果和钻井资料较吻合。图3为广域测深L3剖面电阻率反演断面和地质解释图。对该测线反演结果依据地层和电性特征进行追踪对比［23］，得到地层和电阻率的对应关系，并可应用于其他测线的反演和地质解释。图4为L5～L1线反演结果的三维效果图。对各测线电性变化特征的具体分析如下：L5，L4和L3线电性变化规律基本一致，反演电阻率剖面从上到下电性变化规律为低阻—相对高阻—低阻（高阻）—相对中低阻—高阻，可对应为5个主要的电性层。图4中色调越冷（偏向蓝色），表示电阻率值越低，反之，表示电阻率值越高。L2线电性断面主要电性层变化规律为低阻—相对高阻—低阻（高阻）—呈递增趋势的相对高阻—高阻，与L5，L4和L3线均有差异：L2线第四电性层电阻率为中高阻特征，而L5，L4和L3线在第四个电性层为中低阻层。这一差异可理解为不同构造带上的电性差异。L1线的主要电性层变化规律为低阻—相对高阻—低阻—呈递增趋势的相对高阻—高阻，与L2线类似。

图4　柴达木盆地某油气聚集区L5～L1线广域测深视电阻率反演断面三维效果Fig.4　Apparent resistivity inversion profile of wide field electromagnetic sounding of L5～L1 line in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

对L5，L4和L3线而言，主要的电性层对应的地层为：第一电性层为N1及以上地层，为表层覆盖层，从3条电阻率反演剖面来看，该地层普遍发育，分布广；第二和第三电性层分别为为高阻，且沉积了大套岩性为含砾砂岩及砂岩的储层，普遍发育各类河道砂体，厚度大，以泥岩和砂质泥岩为主；第四电性层为E1+2，以冲积扇—辫状河粗碎屑沉积为主，与上覆三角洲平原泥质岩构成相互重叠的储盖组合，分布广，厚度大；第五电性层为以花岗岩为原岩的基岩。L2线和L1线类似，第一电性层为N1及以上表层覆盖层，第二电性层（中高阻）为E32，第三和第四电性层分别为E31和E1+2，第五电性层为基岩。

综合分析认为：①各测线地电断面图一般可对应为5个主要电性层，位于山前高断阶带的L5，L4和L3线电性变化规律一致，但与位于高断阶向中斜坡过渡的L2线以及位于中斜坡的L1线均有差异，体现了不同构造带的电性特征不同；②3号井E1+2中砂岩和砂质泥岩直接覆盖于基岩储层之上，对基岩油藏起到很好的封盖作用，从而获得工业气流。L3线E1+2为粗碎屑沉积，砂砾岩储层上覆三角洲平原泥质岩为主的盖层，反演电阻率规律为中—低电阻率互层。L5和L4线E1+2电性特征与L3类似，具备类似的成藏条件。

表3　柴达木盆地某油气聚集区地层含气与不含气反演电阻率统计Table3　Inversion resistivity statistics of layers with gas and without gas in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin

根据广域测深L5～L1线电阻率反演结果，基底总体为高电阻率特征。由于收发距为8 km，基岩埋深超过3 000 m时，分辨能力有限，基岩厚度不详。5条剖面基岩及其以下地层均可见局部高电阻率异常体隆起。综合这些异常信息可以对研究区基岩的起伏和地层发育特征进行解释。从广域电磁法资料揭示的研究区基岩顶面构造［图6（a）］可以看出，从阿尔金山前向盆地内部，基岩顶面埋深呈阶梯状逐渐加深，形成一个自山前向盆内延伸的鼻状斜坡。各测线显示的基岩起伏情况为：L5，L4和L3线基岩顶面埋深由西往东呈逐渐减小的趋势，基岩整体向东倾斜；L2线位于高断阶向中斜坡过渡的区带，基岩整体起伏不大，但也呈略向东倾斜的趋势；L1线基本位于斜坡的凹陷处，基岩顶面埋藏深度最大达4 000 m。通过与过6号井、3号井和8号井的地震剖面［图6（b）］对比，广域电磁测深得到的基岩顶面起伏情况与地震剖面基本一致，且地震剖面上的基底小断裂［图6（b）］对应的基岩顶面深度急剧减小［图6（a）］。

图5　底面构造图与地震勘探结果对比Fig.5　The bottom surface structure of upper Xiaganchaigou Formationand seismic exploration result

图6　基岩顶面构造图与地震勘探结果对比Fig.6　The upper surface structure of bedrock and seismic exploration result

5　结论

（1）柴达木盆地某油气聚集区可划分为5个主要电性层，且不同构造带电性特征存在差异。

（2）柴达木盆地某油气聚集区含气层表现为高电阻率特征，E32含气层的反演电阻率值为不含气层的2倍以上。

（3）由于施工简单，成本低，广域电磁法油气目标识别技术可为类似区域提供技术参考，具有一定的推广应用价值。

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（本文编辑：李在光）

Study on electric structure in a hydrocarbon accumulation area，Qaidam Basin

PENG Yonghui，LI Diquan
（School of Earth Science&Info-physics，Central South University，Changsha 410083，China）

The geological conditions in a hydrocarbon accumulation area of Qaidam Basin are complex，and the seismic exploration effect is not obvious.By applying wide field electromagnetic method，this paper conducted field experiment with five survey lines and studied the electric structure of the study area by a continuous periodic 2nsequence pseudo-random signal.The results show that five main electric layers exist and the gas layers perform relatively high electrical resistivity.The inversion resistivity values of the gas layers are two times more than that of non-gas layers.Comparing with the well drilling and seismic data，the wide field electromagnetic method is effective for oil and gas identification.Due to the simple field work and low costs，the value of wide field electromagnetic method is tremendous in popularization and application in Qaidam Basin.

wide field electromagnetic method；oil and gas exploration；electric structure；QaidamBasin

P631.3

A

1673-8926（2015）01-0115-07

2014-04-20；

2014-07-16

中国石油重大科技专项“柴达木盆地建设千万吨油气田综合配套技术研究”（编号：2012A-104）资助

彭勇辉（1989-），男，中南大学在读硕士研究生，研究方向为电磁法油气勘探。地址：（410083）湖南省长沙市岳麓区中南大学本部逸夫楼302B。E-mail：xbbh_cs@hotmail.com

李帝铨（1982-），男，博士，副教授，主要从事电磁法油气勘探理论与方法的教学和科研工作。E-mail：lidiquan@csu.edu.cn。