基于时频电磁法的富有机质页岩层系勘探进一步研究

张春贺,刘雪军,周 惠,何兰芳,何委徽,周印明,朱永山

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.中国地质调查局油气资源调查中心非常规油气地质重点实验室，北京 100029；3.中国石油天然气集团公司东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州072751；4.江苏省有色金属华东地质勘查局八一四队，江苏南京 210007)

基于时频电磁法的富有机质页岩层系勘探进一步研究

张春贺1,2,刘雪军3,周 惠1,2,何兰芳3,何委徽4,周印明3,朱永山3

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.中国地质调查局油气资源调查中心非常规油气地质重点实验室，北京 100029；3.中国石油天然气集团公司东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州072751；4.江苏省有色金属华东地质勘查局八一四队，江苏南京 210007)

为了发挥非地震勘探技术成本低、效率高的优势,检验电法勘探技术在页岩气勘探中的有效性,分别于2011、2012年对分布于四川盆地南部的志留系龙马溪组-奥陶系五峰组、寒武系牛蹄塘组两套典型富有机质页岩层系进行了时频电磁法(Time-Frequency Electromagnetic Method,TFEM)页岩气勘探试验。岩石样本研究表明,这两套页岩层系具有较为明显的低密度、低磁化率、高极化率、高TOC、相对高电阻率,即“两低、两高、一相对高”的物性特征。2012年进行的面积时频电磁法勘探试验结果与2011年完成的二维时频电磁法勘探试验结果均表明,试验区分布的志留系龙马溪组-奥陶系五峰组层系具有高极化率与相对高电阻率异常分布特征。以时频电磁法勘探获取的高极化率异常为主,通过多参数评价,预测了试验区两套目标层系的TOC高值分布区。

页岩气勘探;时频电磁法;电阻率;极化率;TOC高值;四川盆地

页岩气具有大面积连续成藏、赋存方式与富集因素多样、页岩既是源岩又是储层等特点,其成藏机理和富集规律与常规天然气藏差异较大,因此针对页岩气资源的评价技术标准与技术方法体系必然与常规天然气藏的相关内容有所不同,这也是页岩气被划分为非常规油气资源的原因之一。页岩气资源的勘探开发需要在常规技术方法的基础上,采用针对页岩气成藏机理和富集规律的有效的非常规技术方法体系。

21世纪之前,由于三维地震技术在非常规油气资源勘探开发中的应用还不普遍,业内曾经一度认为,在北美地区包括页岩气在内的非常规气藏储层构成简单、分布广泛、介质均匀,因而许多油气公司希望通过勘探这类油气资源,降低“钻遇干井的风险”。然而,很多非常规油气区的钻探结果与期望相差很大,这表明页岩气藏既不简单又非均质[1]。近5～10年,三维地震技术在非常规油气资源勘探开发中得到了普遍应用,已成为识别和预测页岩气“甜点”储层分布、提供最佳钻探井位和辅助设计水平井钻井轨迹、切实提高水平井钻井在页岩气储层中的“地质导向”能力的关键技术之一。但是，目前国内页岩气三维地震勘探由于目标区不明确、实施难度大、投资费用高等原因尚不能普遍展开[2-9]。能否结合二维地震勘探成果,借助重磁电勘探技术进一步提升成果认识,为国内页岩气二维地震勘探与三维地震勘探之间的“断层”搭建一座有效的“桥梁”呢？这正是我们两年多来进行的以时频电磁法为主的重磁电勘探攻关试验所一直努力探索的问题。

2011年，在四川盆地南部筠连地区开展了页岩气二维时频电磁法勘探试验，研究结果证明采用时频电磁勘探所获得的极化性和电性异常特征能够有效应用于页岩气勘探[10]。之后，于2012年继续在该地区开展了详细的地层物性特征研究、面积时频电磁勘探和三维高精度重磁勘探综合试验工作，重点提取极化率和电阻率异常分布的信息，尝试预测了试验区目的层系龙马溪组的TOC高值分布区。

1 勘探试验区地质特征

四川盆地页岩气勘探区块主要集中在川南资阳-威远气区、宜宾-长宁地区和川东重庆-涪陵地区。2007年以来,国内相关单位通过开展浅井地质钻探、岩心取样测试等工作,在页岩含气量、有机质丰度等地质评价参数方面取得了许多认识。特别是重庆涪陵焦石坝页岩气的成功开发,对进一步研究四川盆地的页岩气储层特征、资源状况、赋存规律等具有重要意义[11-14]。

试验区位于四川盆地川南低陡褶皱带南缘(图1),面积约60km2,属于华蓥山断褶带向西南延伸、呈帚状撒开的雁行式低背斜群。试验区在加里东期为坳陷区,印支期为泸州古隆起的主体部分,中生代以来的隆起区。川南低陡褶皱带发育NE向、EW向和SN向3组构造,各组构造之间相互影响,呈反接或斜接复合[15]。

图1 川南低陡褶皱带构造试验区位置

试验区内地层自上而下分别为三叠系铜街子组和飞仙关组，二叠系乐平组、峨眉山玄武岩组、茅口组、栖霞组和梁山组，志留系罗惹坪组和龙马溪组，奥陶系五峰组、中奥陶统和下奥陶统，上寒武统、中寒武统、下寒武统清虚洞组、金顶山组、明心寺组和牛蹄塘组，上震旦统。其中下志留统龙马溪组和上奥陶统五峰组是四川盆地开展页岩气勘探的主要目的层系[16-18]。

2 时频电磁法勘探试验

2.1 富有机质页岩物性特征

开展以时频电磁法为主的综合勘探试验,首先需要详细了解试验区岩石物性特征。2011—2012年在试验区及周边进行了岩石物性标本采集和测试分析,并结合美国在主要页岩气产气盆地所取得的勘探认识和经验,对试验区主要目的层系几项关键地质要素归纳如下。

1) 有机质丰度:龙马溪组页岩有机碳含量总体表现为中等—较高水平,数值范围为0.16%～6.82%,平均1.55%,大多数已达到了页岩气生成的条件。

2) 干酪根类:龙马溪组干酪根类总体为Ⅰ型有机质,为生成页岩气有利的有机质类型。

3) 有机质成熟度:龙马溪组页岩地面样品的有机质成熟度约为2.79%～4.86%,达到了成熟—过成熟阶段水平。

4) 孔渗特征:四川盆地南部地区27个泥页岩岩样孔隙度为0.25%～9.20%,平均孔隙度为2.30%,平均渗透率(0.015～1.990)×10-3μm2。

5) 矿物组成:试验区龙马溪组主要为深水陆棚相沉积环境,页岩粘土矿物含量在14.6%～57.8%,平均为38.9%;石英和长石含量在24.6%～58.4%,平均为35.1%;碳酸盐矿物含量在10.8%～40.8%,平均为23.0%；脆性矿物含量较高,粘土含量相对较低。

试验区露头标本测定和钻孔资料分析获得的密度、磁性、电阻率、极化率等岩石物性特征统计结果见表1。

综合2011—2012年度的资料,进一步完善了试验区震旦系以上各套地层的物性参数,见表2。其中龙马溪组页岩平均密度为2.55g/cm3,平均磁化率为15.10×10-5SI,电阻率为30～50Ω·m,极化率值为17.5%～25.6%;寒武系牛蹄塘组的平均密度为2.56g/cm3,平均磁化率为17.47×10-5SI,电阻率为10～50Ω·m,极化率值39.8%～42.7%。这些物性参数为试验区综合勘探提供了基础数据支持。

表1 试验区不同岩石样品物性测试结果

从表2电阻率参数看，试验区各套地层的电阻率值变化较大，将相邻且电阻率值相近的地层划归为一套电性层，则地层由浅至深可划分成7个电性层。第一电性层为二叠系乐平组及其以上，显示为低阻—次高阻层；第二电性层为二叠系峨眉山玄武岩组至下二叠统，显示为高阻层；第三电性层为志留系罗惹坪组，显示为次高阻层；第四电性层为志留系龙马溪组至奥陶系五峰组，显示为低阻层；第五电性层为奥陶系中统组至寒武系金顶山组，显示为高阻层；第六电性层为寒武系明心寺组至寒武系牛蹄塘组，显示为低阻层；第七电性层为震旦系，虽无实测数据，但根据区域资料推测为高阻层。

从极化率特征看，寒武系牛蹄塘组极化率值明显高于上覆寒武系明心寺组和下伏震旦系岩层极化率值。连续两年在试验区的物性测试和综合勘探结果都表明，富有机质页岩层位具有较高的TOC值分布，与其同时所具有的极化率高值特性之间，存在较为显著的对应关系。

综合以上分析可知,试验区龙马溪组和牛蹄塘组两套富有机质页岩层系具有低密度、低磁性、低电阻率、高极化率和高TOC值的“三低、两高”特征。对物性样本进一步分类分析,我们发现一个值得注意的现象:虽然页岩层系整体呈现低阻特征,但其中龙马溪组黑色页岩电阻率值高于灰黑色页岩电阻率值,五峰组的电阻率值高于龙马溪组电阻率值,这种低阻中的电阻率局部升高与井下TOC值升高呈现正相关关系,即富含有机质的页岩层系可以进一步确定为低阻中的局部高阻特征。这一认识的取得,对于采用时频电磁法获取电阻率和极化率异常,进而预测目的层TOC高值分布区具有重要意义。

表2 试验区各套地层物性参数

2.2 时频电磁资料采集

2011年,在试验区部署了2条二维时频电磁测线,总长20km,物理点202个[10]。2012年,在试验区开展了面积时频电磁法勘探试验,部署测线9条,测线总长51.3km,测线距1.08km,点距100m,坐标点522个,勘探面积60km2。图2 为试验区时频电磁法勘探试验测线部署图。两个年度的综合处理解释工作选择2011年01线和2012年9条线联合进行。

2.3 基于地震资料建模的时频电磁资料电性和极化性异常提取

在时频电磁数据处理过程中,可以采用频率域资料提取双频相位,表征激发极化的定性异常。其常规做法是基于物探资料建立探区地电模型,通过正演模拟选取能直接反映目标层系的频点,按(1)式求取双频相位:

图2 2011—2012年四川盆地南部时频电磁法勘探试验测线部署

(1)

式中:φ(ω2)和φ(ω1)是当频率分别为ω1和ω2时场源电场的绝对相移。

为了进一步提取定量异常,我们引入了拟合激发极化效应的Cole-Cole模型,通过反演求取目标层系的极化率值,即：

(2)

式中:ρs(iω)为复电阻率;ρ0表示频率为0时的岩石电阻率;η为极化率;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。在反演过程中,我们采用了基于地震资料建模的时频电磁约束反演方法。

由2.1节分析可知,页岩层系表现为低阻、高极化特征,通过定性处理和常规反演能够大致圈定页岩层系的分布。而有机质丰度较高的层段表现为相对高阻、高极化特征,我们尝试采用对地层界面反映更为清晰的地震资料建立比较准确的地下模型,对时频电磁资料进行约束反演,获取目标层系电阻率和极化率的横向变化规律,进一步通过寻找低阻页岩层系中富含有机质后的局部电阻率高值异常区,结合极化率高异常,共同预测TOC高值分布区。

基于地震资料建模的时频电磁约束反演流程如下:

1) 对时间域磁场分量数据进行常规电阻率反演成像;

2) 利用常规电阻率反演剖面、地震层位及已知钻井(测井)资料,构建综合地电模型(图3a);

3) 利用上述模型和时频电磁勘探采集的频率域电场分量数据,进行二维约束反演成像(图3b),获取目标层系横向电阻率和极化率。

从反演结果可以看出,总有机碳含量较高的地层具有相对高阻、高极化的特征,与物性分析结果一致。

图3 基于地震资料建模的时频电磁约束反演电阻率(a)与极化率(b)成像断面

3 勘探试验区富有机质页岩层系识别

3.1 电性异常分布特征

图4为采用时频电磁法所获得的试验区电阻率异常分布图,可以看出龙马溪组整体具有明显的低阻异常特征,水平方向连续性好,表现为层状分布,深度和厚度变化不大,呈低缓的起伏特征。

图5为龙马溪组、牛蹄塘组两套页岩层系的3D电阻率分布切片。由图5可见，在01和02测线附近、04至05测线附近以及08和09测线的北段,龙马溪组页岩层系电阻率值更低,这些区域的地层厚度有可能增大。

图4 试验区3D电阻率异常分布

图5表明,牛蹄塘组埋藏深度较大,低阻层整体的连续性相对较差,异常分布相对零散,推测其在横向上分布不连续,或者是岩性和岩相在横向上存在变化。牛蹄塘组页岩层系低电阻层主要发育在03线和04线之间以及05线以东区域。

图5 试验区3D电阻率切片

3.2 极化率异常特征分析

图6为采用时频电磁法所获得的试验区极化率异常分布图,可以看出，浅层龙马溪组和五峰组为平面上连续分布的高极化异常特征,局部可见异常幅度降低。深部牛蹄塘组的高极化异常分布较为零散,明显具有不连续性,可能与地层在横向上的变化有关。

图6 试验区3D极化率异常分布

图7为试验区龙马溪组、牛蹄塘组两套页岩层系的3D极化率分布切片,可以清晰地看出龙马溪组和五峰组高极化异常在全区普遍分布;牛蹄塘组高极化异常幅度较低,在横向上分布不连续。

3.3 目的层系分布特征

图8为勘探试验区龙马溪组与五峰组页岩层系平面分布图。在试验区中东部，07线、08线处的分布相对较厚,最厚处达230m；其它区域略薄,最薄处位于09线南端和10线北端,为170m。最大厚度差约60m。图8总体表明,试验区内,龙马溪组与五峰组页岩层系分布较为稳定。

图9为勘探试验区明心寺组和牛蹄塘组页岩层系的分布图,可以看出两套层系的整体厚度变化不明显,厚度范围410～500m。

图7 试验区3D极化率切片

图8 试验区龙马溪组+五峰组厚度分布

图9 试验区明心寺组+牛蹄塘组厚度分布

4 勘探试验区TOC高值分布区初步预测

在取得富有机质页岩层系识别成果的基础上[10],研究探索了试验区有机质页岩层系的TOC高值分布区。图10和图11分别为试验区基于地震建模约束反演所获得的电阻率和极化率异常分布图。在龙马溪组+五峰组、牛蹄塘组页岩层系的低电阻率异常背景中,还分布有一套相对高的电阻率异常(图10),与该异常分布所对应的是高极化率异常分布(图11)。这表明,通过电阻率异常中的相对高异常与所对应的高极化率异常在平面上的分布特征相结合,可以较好地圈定、预测出勘探试验区TOC高值的分布区。

图12和图13分别为龙马溪组目的层局部高阻分布区与高极化率分布区平面图。图14是图12 高阻和图13高极化率两种异常分布叠加后所获得的“综合异常”图,可以明显看出电阻率异常和极化率异常的平面变化特征整体较为一致。我们将高电阻率和高极化率的重叠区域确定为高值TOC分布区，该区可分为东、西两个主要区域,东部区域范围较大,西部区域范围相对较小。

图10 约束反演得到的电阻率异常分布

图11 约束反演得到的极化率异常分布

图12 龙马溪组目的层电阻率平面分布

图13 龙马溪组目的层极化率平面分布

图14 龙马溪组目的层电阻率异常与极化率异常叠合显示

5 结束语

时频电磁法勘探试验研究表明，富有机质页岩层系具有“两低、两高、一相对高”的物性特征。在页岩气分布有利目标区进行时频电磁勘探,结合探区内的地震、测井、钻井等资料进行联合反演,能够进一步对TOC有利区一定深度范围和横向的展布进行预测,为下一步地震勘探部署提供有利靶区。

致谢:感谢中国石油天然气集团公司高瑞祺、查全衡以及中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院王庭斌、张抗对本文试验工作的指导与帮助。

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(编辑:戴春秋)

A step forward study for the exploration of organic-rich shale by using time-frequency electromagnetic method (TFEM)

Zhang Chunhe1,2,Liu Xuejun3,Zhou Hui1,2,He Lanfang3,He Weihui4,Zhou Yinming3,Zhu Yongshan3

(1.OilandGasResourcesResearchCenter,ChinaGeologicalSurvey,Beijing100029,China;2.KeyLaboratoryofUnconventionalPetroleumGeology,OGS,CGS,Beijing100029,China；3.BGP,CNPC,Zhuozhou072751,China;4.Team814,EastChinaMineralExploration&DevelopmentBureau,Nanjing210007,China)

In order to verify the availability of electric exploration technique as well as to exert the advantages of high-efficiency and low-cost of integrated exploration techniques,typical organic-rich shale in Longmaxi Formation of Silurian System,Wufeng Formation of Ordovician System and Niutitang Formation of Cambrian System in Southern Sichuan Basin are selected as the shale gas exploration test area in 2011 and 2012 respectively.We firstly analyze and summarize the petrophysical features of gas shale,then conduct the lithology investigation and TFEM test work.This paper releases a step forward test results in 2012.The physical property data of the test area illustrates that the organic-rich shale in Longmaxi Formation,Wufeng Formation and Niutitang Formation shows low density,low magnetic susceptibility,high polarization ratio,high TOC and relative high resistivity (two-lows,two-highs and one relative high).Both the linear TFEM test in 2011 and the area TFEM test in 2012 show high polarization ratio and relative high resistivity in Longmaxi Formation and Wufeng Formation at the area.Based on the TFEM test data in 2012,the high TOC area is preliminarily evaluated and predicted to the target Longmaxi-Wufeng Formation and Niutitang Formation.

shale gas exploration,TFEM,resistivity,polarization ratio,high TOC,Sichuan Basin

2015-01-04;改回日期:2015-04-24。

张春贺(1966—),男,教授级高级工程师,现从事页岩气勘查技术研究工作。

中国地质调查局地质矿产调查评价专项项目(12120114020001)、全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选项目(2009GYXQ15)联合资助。

P631

A

1000-1441(2015)05-0627-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.016