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快速识别页岩气“甜点”目标的时频电磁勘探

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快速 识别 页岩 amp ldquo 甜点 rdquo 目标 电磁 勘探
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 第39卷第1期物 探 与 化 探Vol.39,No.1 2015年2月GEOPHYSICAL & GEOCHEMICAL EXPLORATION Feb.,2015 doi: 10.11720/ wtyht.2015.1.10周印明,刘雪军,张春贺,等.快速识别页岩气“甜点”目标的时频电磁勘探技术及应用[J].物探与化探,2015,39(1):60-63,83.http:/ / doi.org/10.11720/ wtyht.2015.1.10Zhou Y M,Liu X J,Zhang C H, et al.The TEEM technology for quick identification of 'sweet spot' of shale gas and its applications[J].Geophysical andGeochemical Exploration,2015,39(1):60-63,83.http:/ / doi.org/10.11720/ wtyht.2015.1.10快速识别页岩气“甜点”目标的时频电磁勘探技术及应用周印明1,刘雪军1,张春贺2,朱永山1(1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司,河北涿州  072751;2.中国地质调查局油气资源调查中心,北京  100029)摘要:通过研究南方碳酸盐岩海相地层发育区岩石标本电磁物性特征,得出页岩层系在地层剖面中为典型的低阻目标,具备利用电磁法勘探的基础,同时,基于岩石样品和井中岩芯的测定结果证实富有机质页岩层系的高极化响应和高TOC含量有很好的对应关系,具备利用极化异常圈定页岩气“甜点”区的有利条件。时频电磁法将时间域电性勘探和频率域极化性勘探结合在一起,通过大功率发射有效激发页岩层系的响应,配合地震勘探等技术,发挥了综合勘探的技术经济优势,实现了快速识别页岩气“甜点”目标的目的。笔者从页岩气目标的物性基础研究入手,总结了针对页岩气目标的电性和极化性异常提取和综合分析技术,为页岩气勘探提高成功率提供了一种快速识别“甜点”目标的新思路和有效手段。关键词:时频电磁法;富有机质页岩;“甜点”目标;电阻率;极化率;地震勘探;时频—地震联合反演中图分类号: P631     文献标识码: A     文章编号: 1000-8918(2015)01-0060-04页岩气在非常规天然气中异军突起,已成为全球油气资源勘探开发的新亮点。加快页岩气资源勘探与开发,已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。地球物理勘探在常规能源勘探中发挥了巨大的作用。如何有效应用地球物理勘查技术发现页岩油气目标和提高采收率,成为我国页岩气勘查与开发所面临的重要研究课题之一,其中如何快速识别页岩气“甜点”区成为关键。所谓页岩气“甜点”是指最佳的页岩气勘探与开发的区域或层位,其典型特征为:页岩厚度大(>30 m)、处于“生气窗”、有机质含量高、石英等脆性矿物含量高(可压性强)、蒙脱石含量低、超压、气测异常、与常规油气藏相邻、地表条件良好等[1-3]。我国南方地区的复杂地表条件和高陡构造地层导致常规地震勘探方法的使用受到限制,高阻的碳酸盐岩地层阻挡了地震弹性波向下穿透,难以获取地层深部的可靠信息。时频电磁法勘探通过探测油气藏的电性及电化学异常来确定含油气状况,它不是检测油气藏中的烃类成分,而是直接探测油气藏本身,因此时频电磁法勘探方法具有其他非地震方法所不可比拟的优势。时频电磁法勘探激发场源强,是地面油气检测技术中最有潜力的方法之一[4-6]。但是常规油气藏的异常模式与非常规的油气藏的异常模式有所不同,很难用现有针对前者的方法技术来全面有效地解决后者问题。通过在南方碳酸盐岩发育区开展的页岩气时频电磁法勘探攻关工作,综合总结了富有机质页岩层系电阻率和极化率特征,证明时频电磁法对页岩气藏是一种行之有效的勘探方法,可以快速圈定富有机质页岩层系及“甜点”目标。1 富有机质页岩电磁特性对从页岩气目标区采集的岩石标本进行电性测定,获得了该区主要沉积岩的电性统计数据(表1)。表中可见,相对于其他沉积岩,本区的页岩层系电阻率较低。测井资料也表明,本区页岩、泥岩含量高,束缚水饱和度高,而这两者的电阻率都很低,使得页岩层系相对于其他沉积岩有较低的电阻率。美洲地区页岩层系电性结构研究表明[7] ,富含收稿日期:2014-01-18基金项目:国家重大专项(2011ZX05019-007);中国石油集团东方地球物理公司科技项目(08012014)  1期周印明等:快速识别页岩气“甜点”目标的时频电磁勘探技术及应用表1 岩石标本电性参数测定结果岩性标本数量ρ/ (Ω· m)最大值最小值平均值η/ %最大值最小值平均值泥岩28 47791 84.7 2254 3.77 2.23 3.09灰岩208 204350 443 16179 8.99 2.3 3.11砂岩102 42316 95.4 1212 5.38 2.53 3.21泥页岩46 1509 53.7 242 3.75 2.45 3炭质页岩54 1638 22.8 243 8.88 2.58 3.62钙质页岩154 12660 142.5 946 4.77 2.49 3.07砂质页岩21 12396 131 1279 3.46 2.72 3.07白云岩84 211918 2560 70645 3.69 2.44 2.9有机质的页岩比其他沉积岩石具有更高的电阻率的特征。有机质电阻率高,在有机质丰度高的地层中,整个页岩层系电阻率表现为高值,富含有机质的页岩层含有导电性较弱的烃类,在电阻率曲线上相对泥岩表现为高异常。从表1中的极化率测试结果来看,多数页岩并不具有高极化的特征,但是有机碳含量较高的炭质页岩具有较高的极化特性。因为页岩气藏中的气量(吸附气及游离气总量)与页岩中的总有机碳(TOC)含量呈正相关,即页岩气发育的页岩层具有高极化特征。页岩气的极化率影响因素同样是复杂的。页岩气的赋存形式具有多样性,包括游离态(大量存在于岩石空隙与裂缝中)、吸附态(大量吸附于有机质表面、粘土矿物颗粒、干酪根颗粒以及空隙表面之上)以及溶解态,但以游离态和吸附态为主[8]。研究表明,吸附态页岩气和游离态页岩气的含量是相当的。粘土矿物表面的吸附作用是页岩气以吸附态赋存的主要原因。由于粘土矿物表面的电化学特征的差异性较强,因此页岩气在粘土矿物表面的吸附作用异常复杂[8-10]。矿物表面往往存在一层紧密排列的水膜,形成双电层,表现出较强的极化异常。同时,页岩层具有双重孔隙的性质,页岩储层中的原生孔隙系统一般由十分微细的孔隙组成,具有极大的内表面积,这些内表面积可以吸附和储存大量气体。在这些内表面上发生的物理、电化学变化,加强了异常的形成。从气藏宏观特征来看,常规油气藏的烃源岩与储层、盖层是三个不同的岩石地层单元,有一定的相对距离或较大的相对距离,具有明显的盖层和气—水界面,气藏下倾向往往是水层,在气—水分界面能形成较强的极化异常,但页岩气藏属于自生自储的岩性气藏,页岩兼具烃源岩、储层甚至是盖层的角色,普遍含气,但不存在明显的气—水界面,极化异常的形成主要由于地下烃类物质沿裂缝垂直向上微渗逸并使围岩蚀变为前提条件,从而引起周围介质物理、化学和其他响应的异常。综合上述分析,在南方碳酸盐岩海相地层发育区,页岩层系具有以下电磁属性及规律:①泥页岩不含气时通常为低阻目标层,含气或富含有机质时,表现为局部的电性升高;②富有机质页岩层系为高极化率异常体,高极化率与高TOC含量较好的对应关系,当泥页岩中含有黄铁矿成份或裂缝发育,极化特性会更加明显。因此,使用电磁方法勘探及预测页岩气气藏具有地球物理前提。此外,物性测量证实页岩层系为高密度特性,表明在复杂区利用重力勘探配合进行综合勘探也具备相应的物性基础。2 页岩气电磁异常提取技术2.1 电性结构研究技术时域电磁野外数据经过滤波、叠加、反褶积等处理步骤求得综合地电参数,然后进行非线性共轭梯度二维反演成像(图1)。从经过剖面W井的电阻率测井曲线来看,二者有很好的对应关系。再由已知地质资料可知,在高程-850~ -1 500 m之间的地层,泥页岩、灰质页岩、黑色泥岩及黑色页岩等较发育,与之对应的电阻率剖面上显示为低阻,这与富有机质页岩层系整体表现为低阻的分析相吻合。图1  L07线时间域磁场分量电阻率反演断面2.2 定性极化异常提取技术用双频相位来表征激发极化相位差信息[6]Δφ6n = ω2φ(ω1)- ω1φ(ω2)ω2 - ω1 ,式中,φ(ω1)、φ(ω2)是频率分别为ω1、ω2时场源电场的绝对相移。通过正演模拟选取能直接反映目标层的频点。实践证明,在油气勘探中只有电阻率和·16·物 探 与 化 探39卷 极化相位差异常都为正异常时,推断为含油气异常的可能性才是最大。2.3 约束反演目标异常提取技术2.3.1 基于时间域地电模型的约束反演研究极化异常时引入了极化效应的Cole— Cole模型,即ρs = ρ0 1 - η 1 - 11 + (iωτ)céëêê ùûúú{ } ,式中:ρs(iω)为复电阻率,ρ0为频率为零时的岩石电阻率,η为充电率,τ为时间常数,c为表征复电阻率变化程度的参数,ω为角频率。极化率异常的提取主要采用约束反演,在上述已经获得的电阻率成像的基础上,对电阻率约束,反演极化率或充电率以及时间常数和频率相关系数[11]。2.3.2 时频—地震联合约束反演前文分析过,富有机质页岩层系表现为低阻、高极化,而有机质丰度较高的层段表现为高阻、高极化,通过上述定性处理和常规自由反演,能够圈定富有机质页岩层系的大致范围。由于电法勘探的体积效应,加之目标体深度较大,很难通过常规处理来分辨埋深几千米而厚度只有十几米甚至几米的低阻层中的高阻层。地震勘探对层位、断层等有较高的分辨率,但对流体识别能力不足[12]。同时,电场分量(Ex)在纵向上有较高的分别率,而磁场分量(Hz)在横向有较高的分辨率。为此,开展了时频—地震联合反演,克服了单一分量信息不足的缺点,提高了分辨率,对高阻薄层有很好的分辨。时频—地震联合反演简单思路如下:①对时频电磁勘探采集的时间域磁场分量(Hz)数据进行常规电阻率和极化率反演成像点;②利用上述反演剖面、地震层位及已知钻井(测井)资料构建综合地电模型;③利用上述模型和时频电磁勘探采集的频率域电场分量(Ex)数据进行广义逆二维约束反演成像。从反演的结果可以看出,TOC含量较高的地层表现为高阻、高极化的特征。3 综合评价技术图2显示目标页岩层系内的电阻率和极化率值横向变化明显,这种横向变化的特征对TOC含量及含油气性具有指示作用:电阻率值越高,TOC含量越高,极化率值越高含气性越好。集合工区内的所有测线,就可以圈定工区内目标页岩层系电阻率和极化率的平面分布特征(图3),两种高异常范围(橙红色区域)的重合区域就是图2 时频—地震联合反演成像电阻率(左)、极化率(右)断面图3 试验区目标页岩层系电阻率(左)、极化率(右)异常平面·26·  1期周印明等:快速识别页岩气“甜点”目标的时频电磁勘探技术及应用页岩气勘探的TOC“甜点”区。地震勘探的地质解释精度较高,有效地弥补了电磁法勘探在深部层位解释方面精度较低的不足之处;同时地震勘探中含油气性的预测主要是基于已知测井资料与振幅、频率、速度、AVO等相关参数的对应关系,是一种间接预测方法[10,13],而时频电磁法中的极化率参数是对含油气性的直接反应。因此,通过电磁法异常与地震属性相结合,合理地运用两方面相独立的参数进行页岩气“甜点”区的综合预测,提高了预测准确性。高精度重力勘探几乎不会受到外界环境的干扰,在复杂山地区采集的资料质量较高。通过针对性的数据处理方法,能对工区内的大断裂的平面展布特征、目标层主体的裂缝发育情况进行刻画,特别是对深层基底起伏特征的反映较为准确。重力、电法、地震三种勘探方法相结合,各取所长,能够更有效地完成勘探区的地层分布、构造发育、基底埋深、裂缝发育、含油气性等地质问题的解释工作。4 结论岩石标本物性统计成果、矿区测井数据及其他研究结果均表明,富有机质页岩层系表现为低阻、高极化特征,总有机碳含量较高的层段则表现为高阻、高极化特征。通过在南方碳酸盐岩发育区开展的页岩气时频电磁法勘探攻关工作,初步探索了页岩气藏异常模式,综合总结了异常特征。运用了多参数、多分量综合异常体提取,多资料联合约束反演及综合评价等技术,其结果与已知的测井、地质等资料吻合较好。这表明,时频电磁法能够有效识别富有机质页岩层系及“甜点”目标,可以在非常规油气勘探中发挥重要作用。参考文献:[1] 黄金亮,邹才能,李建忠,等.川南志留系龙马溪组页岩气形成条件与有利区分析[J].煤炭学报,2012,37(5):783-785.[2]  《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会.中国页岩气地质研究进展[M].北京:石油工业出版社,2011.[3] 周德华,焦方正.页岩气“甜点”评价与预测— — —以四川盆地建南地区侏罗系为例[J].石油试验地质,2012,34(2):110-112.[4] 刘雪军.人工源电磁技术在油气勘探中的应用[J].地质与勘探,2003,39(S):10-14.[5]  He Z X,Hu W B, Dong W B. 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Oil & Gas Survey, CGS, Beijing  100029,China)Abstract: Based on a study of the electromagnetic characteristics of marine carbonate samples collected in southern China, the authorshave reached the conclusion that shale beds typically show low resistivity on sections in marine carbonate areas, and this means that theshale beds can be identified with electromagnetic technique. In addition, measurement data of rock samples and core samples show thatorganic⁃rich shale beds have high polarization, which is closely related to high TOC, and this implies that we can identify 'sweet spot'area of shale gas by using polarization anomaly. TFEM (Time and Frequency Electromagnetic) combines both time⁃domain soundingand frequency⁃domain sounding into a joint system, which induces target shale beds with a high⁃power transmitter. The method can help下转83页·36·  1期荣发准等:钱家店凹陷油气化探异常成因[17]高永富.钱家店凹陷九佛堂组低渗透储层特征研究[J].特种油气藏,2001,8(2):19-22.[18]汤玉平,王国建,程同锦.烃类垂向微渗漏理论研究现状及发展趋势[J].物探与化探,2008,32(5): 465-469.[19]王国建,唐俊红,范明.油气微渗漏中的随水迁移机制[J].物探与化探,2010,34(3): 294-297.Origin of oil and gas geochemical anomalies in the Qianjiadian sagRONG Fa⁃Zhun,TANG Yu⁃Ping,XU Ke⁃Wei,LU Li(Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Research Institute of Petroleum Exploration and Production, SINOPEC,Wuxi  214151, China)Abstract: According to an analysis of geochemical field in Qianjiadian sag, the authors revealed the intrinsic relationship between geo⁃chemical anomalies and the migration⁃enrichment of hydrocarbon. It is pointed out the future work should rely on the hydrocarbon andreservoir⁃forming conditions on the slope belt of the Hulihai depression to further determine and close the sand bodies in the favorablegeochemical zone from Hulihai depression to east Xiboyingzi depression, with the near⁃source place as the major exploration target.Key words: Qianjadian;oil and gas; origin of geochemical anomaly作者简介:荣发准(1970-),男,安徽六安人,高级工程师,长期从事油气地球化学勘探科研与生产工作,公开发表论文多篇。􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦 􀤦上接63页seismic technique to quickly identify target 'sweet spot' of shale beds. The authors firstly analyze the physical properties of target shalebeds, and then demonstrate the method for extracting electric and polarization anomalies aiming at the target beds. The combination ofTFEM and seismic method makes the shale beds exploration more economical. This paper introduces this new and effective approach forquick identification of 'sweet spot' and improving the success rate of shale gas exploration.Key words: TFEM;organic⁃rich shale beds; 'sweet spot' target; geoelectric property; polarization ;Seismic exploration; time frequen⁃cy seismic joint inversion作者简介:周印明(1979-),男,工程师,硕士研究生,2007年7月毕业于中国石油大学(北京),现在东方地球物理公司从事电磁勘探数据处理、方法研究及软件开发工作。·38·
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