电性源瞬变电磁短偏移距页岩气探测前景探析

海四洋（河南理工大学，河南焦作454150；河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州450052）

电性源瞬变电磁短偏移距页岩气探测前景探析

海四洋（河南理工大学，河南焦作454150；河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州450052）

页岩气是一种蕴藏于页岩层中可开采的天然气资源。页岩气的形成和富集有其独特的特点。它往往分布在厚度大、分布广的页岩烃源岩中。初步估计中国页岩气可采资源量31兆立方米。在当前的国际形势下，清洁能源将逐步取代高污染、高耗能、成为未来的主要能源之一。中国页岩气勘探开发技术水平仍处于起步阶段。成熟应用在煤炭、石油等能源勘探的地球物理方法，从理论上讲在页岩气勘探中也是可行的，我们需要做较多的探索和研究。瞬变电磁法在煤矿开采中广泛应用，其高效、高一致性的数据质量，高电阻率异常分辨率等优点，得到市场的赞誉和认可。电性源瞬变电磁短偏移距的高信噪比和大深度等优点在富页岩气地层的埋藏深度、延伸情况、高低起伏等信息探测中将会有比较好的应用前景。

页岩气；探测；开发；技术水平；地球物理；瞬变电磁；电性源瞬变电磁；短偏移距；富页岩气地层；应用

页岩成因，按照传统的理论，页岩气是由古生物遗骸长期沉积地下，经过漫长地质年代变质裂解，生成的气态碳氢化合物。还有一种理论认为，天然气的基本成分碳和氢两种元素，早在地球形成过程中就大量存在，它们比较容易结合成甲烷即天然气。根据这一理论，天然气在岩石中应该是大量存在的。页岩气是一种非常规天然气，其资源前景十分远大。

页岩气一般埋深超过1000m甚至3000m，页岩气的勘探和开采，需要综合最先进的物探技术、控制技术、材料技术、机械技术等多种工业基础技术，这也将推动地质学、计算机科学等多门学科的发展。我国页岩气的勘探方法目前研究尚处于起步阶段，现成熟的地球物理勘探方法主要是地震测、井外等，还少有论述与瞬变电磁在页岩气勘探方面的探讨。

该文在前人研究的基础上，从富页岩气地层地质模型分析，系统地阐述了电性源瞬变电磁短偏移距在页岩气勘探和开发中的应用可能，提出了针对页岩气勘探和开发的地球物理方法和建议。

1　富页岩气地层分析

1.1富页岩气地层地质模型

地球物理方法找页岩气模型：而页岩气与常规气藏的主要区别：页岩气藏处于一个自给的系统中，页岩集烃源岩、储层、盖层于一体（图1）。

图1　页岩气地层地质模型

从页岩气地层地质模型分析，富气页岩层是一个较为低阻的地层电性特征；页岩层上覆地层为砂岩地层，在其自然状态下不考虑其较为富水情况，该层位是一个相对富气页岩层较为高阻地层；封闭层至地表地层一般情况地层较新，电性上也表现为较为低阻形态。据此分析，富气页岩层及其上覆地层整体表现为两低夹一高的电性特征，利用此地层电性特征使利用电法勘探页岩气层成为可能。瞬变电磁勘探是电法勘探较为优越的一种勘探方法，所以探讨分析该方法在页岩气探测中的应用是十分有意义的。

1.2电法在页岩气探测中应用简析

无论用什么样的地球物理勘探方法，目的是找到地下页岩的构造、埋藏深度、延伸情况、高低起伏等信息.理论上讲，页岩是低阻层，因此，能反映地面千米以下、不同电性分布层的地球物理勘探方法皆能被用于页岩气的勘探中，如音频大地电磁测深法、复电阻率法和电性源瞬变电磁。

2　电性源瞬变电磁

瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。接地导线通以脉冲电流，称为电性源；不接地回线通以脉冲电流，称为磁源。

以图2为电性源瞬变电磁探测的装置系统示意图，其装置比回线源瞬变电磁法易于施工，且探测深度和探测精度相对较高。

图2　电性源瞬变电磁探测装置示意图

2.1电性源瞬变电磁理论

电性源瞬变电磁法是以有限长接地导线为场源，在场源中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。目前电性源瞬变电磁法正演计算借用相应频率域正演电磁场计算方法，采用一定变换方法将频率域结果变换到时间域得到时间域电磁响应。

电性源瞬变电磁的两种主要模拟方法，G-S变换和余弦变换，G-S变换结果精度较余弦变换精度要高。电性源赤道装置与偶极装置的对比，赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果，偶极装置可以取得较高噪比的数据。

在电性源瞬变电磁测深中，虽然可以观测Ex、Ey、Hx、Hy、Hz等五个分量，但Ey、Hx、Hy对地层信息的分辨能力较差，主要观测水平电场分量Ex，和垂直磁场分量Hz均匀半空间上阶跃激励源下的场表达式（方文藻等，1993）为：

目前，电性源瞬变电磁在石油地球物理勘探中发挥着越来越重要的作用，其最早由前苏联在20世纪50年代提出，探测深度为1～10km电性源瞬变电磁具有勘探深度大、垂向分辨率高、对电阻率异常体探测灵敏的特点。通过对Hz场和Ex场的研究表明，Hz场在小收发距时即可进行大深度探测，并具有较高的信噪比，Ex场则对高阻体探测效果非常突出。

2.2电性源瞬变电磁偏移距距富页岩气地层探测分析、研究

长偏移距瞬变电磁法是一种应用较多的电源瞬变电磁法。长偏移距要求场点到源点距离大于4～6倍的探测深度。长偏移距瞬变电磁法国外研究较多，在中国的长偏移距瞬变电磁技术已经得到了一定的研究，利用这些研究成果，促进了电性源瞬变电磁法的发展。但由于对源点的大型观测区之间的距离点的要求距离大；而随接收和发射距离的增加，信号强度急剧下降，信噪比降低，影响探测深度；而且收、发之间可能跨越多个构造单元，其间的地质构造、地形起伏等引起电性变化，不利于精细探测，使得长偏移距瞬变电磁法广泛应用于地质构造简单，地形平坦地区。

20世纪60年代以后，前苏联学者建立了近场建场的方法。由于它具有更大的检测深度和更好的探测分辨率，因此它已引起了广泛的关注。A LUMBAUGH提出了短偏移距的方法，并用该方法进行高阻目标探测；CUEVAS等研究了短偏移情况下瞬变电磁法对深部高阻层的探测，认为近区探测具有可行性。

理论上，扩散深度定义为给定时间内TEM涡流场极值所能达到的最大深度，SPIES给出的扩散深度d公式为：

式中：t为时间；σ为电阻率。由式（3）可见，扩散深度主要与时间及地电结构有关，与场源类型和偏移距离无关。在理论研究中，大多根据式（3）来计算特定地电结构情况下电磁场在某一时刻的扩散深度。

当偏移距和目标体深度比在0.7～1时，探测深度较大。在实际应用中，对于有效探测深度，往往要考虑设备的功能及接收仪器的灵敏度、测量精度、噪声强度和地电参数等因素。TEM的实际探测深度定义为信号衰减到噪声电平时的扩散深度。近场区探测深度dn，采用以下公式进行计算：

式中：η为仪器最小可分辨电压；ρ为地层电阻率；I为发送电流；AB为发射线长度。给定发射电流和AB长度，采用进场区探测深度公式进行近场区探测深度dn计算，计算结果可以分析出：近场探测深度3000m的AB长度时，可以确保探测到埋深4km的目标体。我国四川盆地页岩气埋藏深度，一般在2000～3000m之间，4km的探测深度完全能满足在我国大部分地区页岩气探测的需要。一些特殊地区埋藏深度会达到5000m上下，理论上讲只要η的分辨率足够高，选择合理的AB长度，就能够达到10km深度目标体的探测的可能。按照我国页岩气埋藏深度情况分析，探测深度达到6km已基本满足富页岩气地层的探测需求，以上电性源瞬变电磁短偏移距的计算数据分析，足够满足我国页岩气目标体探测的需求。

3　结论

电性源瞬变电磁短偏移距探测装置及方法系统，能够满足页岩气探测的深度和电性物理特征的高分辨率判别。接地线源短偏移瞬变电磁法比回线源瞬变电磁法易于施工，且探测深度和探测精度相对较高。可以使用多尝试该方法在页岩气探测方面的研究应用，进一步创新和完善其应用思路。

同时电性源瞬变电磁也具有物探方法的多解性，资料处理与解释时一定要紧密结合相关地质资料，减少或排除多解的可能，使成果尽可能的贴合实际，真正的指导生产。

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P631.325

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2095-2066（2016）26-0108-02

2016-9-2