0 引言
中国是全球第一大油气进口国,据统计,2018年中国石油对外依存度达72%,为近50年来最高;天然气对外依存度为43%。在这种情况下,大力勘探开发我国自己的石油资源,已成为当务之急。准噶尔盆地近年来陆续发现了玛湖砾岩油田和吉木萨尔油田2个10亿t级的油田,但新疆地区的石油资源勘探开发前景远不止于此,仍有大规模储量沉睡于地下,准噶尔盆地南缘山前地带就是其中的重点区域。中国石油在准噶尔盆地南缘部署的风险井高1井喜获高产油气流,创盆地单井日产量最高纪录,高1井的重大突破是准噶尔盆地油气勘探史上的重要里程碑,证实了准噶尔盆地南缘前陆大型油气富集区,勘探潜力巨大,对全面加快整个南缘地区规模勘探进程意义重大。但是该地区勘探难度大,特别是准噶尔盆地南缘山前地带,砾石层大量分布,埋深厚,部分地段埋深甚至达到1 km以上,对地震勘探及其他勘探方法,带来了极大挑战。
广域电磁法(wide field electromagnetic method,WFEM)是中南大学何继善院士提出的一种新的频率域可控源电磁法[1,2],该方法采用人工场源,通过测量电场,分析视电阻率等参量,研究地质结构构造和地质体的分布特征等。相较于可控源音频大地电磁法(controlled source audio frequency magnetotelluric method,简称CSAMT)电阻率定义不精确、勘探范围小、探测深度小、观测速度慢、施工效率低、信噪比低等缺陷和不足,广域电磁法严格从电磁波方程表达式出发,定义了广域电磁法电阻率参数,解决了勘探地球物理频率域有源电磁法的关键性理论和技术难题,并研制了相应的仪器装备。广域电磁法已经在金属矿产[3]、石油天然气勘探[4]、地热资源勘探[5]、页岩气探测[6,7]等方面开展了大量应用,取得了明显的应用效果。本文通过分析广域电磁法在准噶尔盆地南缘山前带砾石层的勘探应用效果,说明了电磁法在石油勘探中,能够弥补地震法对浅部地层及复杂地形地区的缺陷[8,9]。
1 地质及地球物理特征
1.1 区域构造
区域地质构造见图1,工区的构造主要为四棵树凹陷和齐古断褶带。
图1
四棵树凹陷:为天山以北山前坳陷多次下沉叠加而形成,凹陷内被第四系覆盖。
齐古断褶带:从北向南发育有1个背斜(S1)和1个向斜(S2)以及多条走向断层。
1.2 地层
区内重点含油目的层为吐谷鲁群所属小层清水河组,该层岩性中上部灰绿色、砂质泥岩与砂岩互层,夹褐色、紫红色砂质泥岩条带,下部以灰色灰质粉砂岩、粉—细砂岩为主,夹灰色粉砂质泥岩,底部为薄层绿灰色含砾细砂岩,与下伏侏罗系呈角度不整合接触。
1.3 地球物理特征
从表1统计结果可以看出,工作区存在3个比较明显的电性层,两个主要电性界面。第四系和独山子组为表层高阻,电阻率在2~220 Ω·m,均值为49.2 Ω·m;塔西河组到白垩系地层为低阻层,电阻率范围在1~16 Ω·m,均值为1.9 Ω·m;侏罗系相对第二电性层为相对高阻特征,电阻率在5~40 Ω·m之间,均值为20.6 Ω·m。在第四系、独山子组与塔西河组到白垩系地层之间存在一个主要电性界面,另一主要电性界面存在于侏罗系与白垩系之间,工区各电性分层电阻率具有差异性,具备进行广域电磁法勘探的地球物理条件。
表1 岩石电阻率值统计
Table 1
| 地层分层 | 电阻率范围 /(Ω·m) | 正态分布统计电阻率 平均值/(Ω·m) | 电阻率特征 |
|---|---|---|---|
| Q+N2d | 2~220 | 49.2 | 表层高阻 |
| N1t-K | 1~16 | 1.9 | 低阻 |
| J3q | 5~40 | 20.6 | 相对高阻 |
2 广域电磁法基本原理
广域电磁法是相对于传统的可控源音频大地电磁法(CSAMT)和磁偶极源频率测深法(MELOS)提出来的,所谓“广域”,就是指突破“远区”的局限,在包括远区,也包括非远区的广大地区进行测量,把电磁测深的观测范围扩大到包括非远区的广大区域。CSAMT采用了人工场源,克服了MT法信号随机性和信号弱的缺点,但是它沿用在远区测量一对正交电、磁分量,按远区近似公式计算电阻率的做法,在一定程度上限制了适用范围。MELOS方法突破了“远区”的限制,扩展了频率域电磁法的观测范围,相较于CSAMT法理论基础上已经取得了进步,但是它把非远区的测量结果“校正”到远区,会增加野外和室内的工作量。广域电磁法摒弃了CSAMT远区信号弱的劣势,扩展了观测适用范围,也摒弃了MELOS方法的校正方法,保留了电阻率计算公式中的高次项,既不是沿用卡尼亚公式,也不是把非远区校正到远区,而是适用于全域的公式计算电阻率,很大程度上扩展了人工源电磁法的观测范围,同时提高了观测速度、精度和野外效率。在均匀大地表面上水平电偶极源Ex的严格的、精确的表达式为[13,14,15]
式中:I为供电电流,dL为发射偶极距, σ为大地电导率,r为收—发距,φ为电偶极源方向和源的中点到接收点矢径之间的夹角,i为纯虚数, k为均匀半空间的波数,k2=-iμσω, ω为电流圆频率,μ为大地磁导率。
根据式(1)可以定义广域意义上的视电阻率:
式中:ρa 为广域电磁视电阻率;
式中:Ex为水平电偶极源产生的电场水平分量,MN为测量电极距。式(2)构成了广域电阻率的计算基础。
相对于天然场和常规的CSAMT法,广域电磁法有以下几点主要优势:发射信号强,可以很好地压制天然场噪声;由于采用不简化视电阻率计算公式,可以避免近场导致的虚假异常。
3 资料及成果解释
资料处理解释根据已收集地质、测井等资料,进行综合分析,是一个多次反复、逐渐加深的过程,资料处理流程见图2。
图2
此外,广域电磁法资料处理过程可以通过拟地震图、等频率曲线图、视深度图等对处理过程进行相应的处理,以便更好地提高反演成果可靠性。
3.1 浅部砾岩层勘探成果
浅部砾岩层的推断解释见图3。砾岩层的解释以广域电磁法电阻率反演成果为基础,结合测井资料进行综合分析,充分运用地层和电阻率的追溯对比方法。经与测井及岩性资料的对比,反演电阻率大致以50 Ω·m等值线以浅对应高速砾岩层底界面,该线大致以地面里程167号点为界,砾石层出露并向大号点方向(北)砾石层逐渐加厚,最大深度在255号点附近,厚度约1 700 m,过高1井处砾石层深度达1 165 m。
图3
图3
1线反演电阻率断面砾岩层标定解释成果
Fig.3
Conglomerate calibration interpretation results of line 1 inversion resistivity section
3.2 深部隐伏构造研究
深部隐伏构造的研究工作依据广域电磁法电阻率反演断面图及一次、二次导数的高分辨剖面(图4~6),一次导数表征电阻率纵向变化特征,变化最剧烈的位置可以有效指示高阻与低阻的分界面;二次导数表征电阻率纵向变化率的特征,变化最剧烈的位置可以有效指示高阻或者低阻的中心埋深位置,可以辅助地层的划分,减轻大范围高阻区域对低阻层识别造成的影响。
从1线成果可以看出:剖面测点160~475段电阻率分布特征为:纵向总体表现为高—中—低—中的电性特征;高阻层(Q)分布在海拔1090~-30 m范围,电阻率范围为251~1 584Ω·m左右,横向地层起伏较大;中阻层(Q)分布在海拔380~-570 m范围,电阻率变化范围为50~251Ω·m,横向地层起伏大,小号点埋深较大,往大号点缓慢抬升;中阻层(N2d)分布在海拔240~-2 260 m范围,电阻率变化小,范围为32~40Ω·m,横向地层起伏大,小号点埋深大,往大号点缓慢抬升;低阻层(N1t~E1-2z)分布在海拔110~-6 250 m范围,电阻率变化范围为3~11Ω·m,地层横向连续性较好,为3 000 m左右。其下的地层为白垩系和侏罗系(K~∈),电阻率表现为中阻,电阻率变化范围为40~158Ω·m。
图4
图4
1线广域电磁法反演电阻率断面与地质解释推断
Fig.4
WFEM inversion resistivity section in line1 and geological interpretation inference
图5
图5
1线广域电磁法反演电阻率一次导数高分辨率成图
Fig.5
High resolution mapping of first derivative of inversion resistivity by WFEM in line 1
图6
图6
1线广域电磁法反演电阻率二次导数高分辨率成图
Fig.6
High resolution mapping of second derivative of resistivity by WFEM in line 1
断层推断解释主要依据广域电磁法电阻率一次、二次导数的高分辨剖面图(图5~6)。剖面推断了8条断层,编号分别为F1至F8,其中,F1为地质上已知断层,位于105~139号点之间,为逆断层,出露于地表;F2位于147~185号点之间,为隐伏逆断层,断层顶部止于高速砾石层下方;F3位于192~212号点之间,断层顶部止于独山子组地层以下,为隐伏逆断层;F4断层位于285~328号点之间,断层顶部止于塔西河组地层内,为隐伏逆断层;F5断层位于308~388号点范围之间,该断层横穿高1井下方,断层底部交于F4断层之上,顶部止于塔西河组地层内,为隐伏逆断层;F6断层位于328~362号点范围之内,纵向上位于F5断层之下,下部交于F4断层,为隐伏逆断层;F7断层位于415~423号点之间,顶部止于塔西河组,底部交于F8断层之上,为隐伏逆断层;F8断层位于421~469号点之间,为逆断层。
4 结论
根据本次勘探成果,广域电磁法较好地推断解释了浅部砾岩层及深部隐伏构造的地质问题,且与已知资料吻合程度高,得到如下结论:
1) 广域电磁法探测深度深,本次最大探深达8 km,且兼顾浅部,是一种深浅兼顾的电磁勘探方法。
2) 广域电磁法探深大,精度高,适合在复杂山区地形等难于取得较好地震资料的区域开展工作,能较好地弥补地震等其他物探方法的缺陷,有广阔的应用前景。
参考文献
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探析广域电磁法在隐伏矿产资源勘查中的应用
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Application of wide field electromagnetic method to the hydrocarbon exploration in a basin of south Jiangxi
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用广域电磁法勘查深层地热资源
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广域电磁法在保靖页岩气勘探中的应用
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The exploration of wide field electromagnetic method on shale gas
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广域电磁法在湘西北海相页岩气勘探中的应用
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Marine shale gas exploration with wide field electromagnetic method in north-western Hunan
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多种电磁法在某金矿的野外勘探应用
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可控源音频大地电磁法深部找矿实验效果
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铜矿体上进行了实验工作。实验结果表明地电异常显示了矿体、断层以及岩层接触带的分布。在矿体埋藏深度小于500 m、矿层较厚时，地电异常十分明显；若矿体埋藏深度大于1 000 m，地电异常主要反应了控矿、容矿构造。]]>
The test result of the controlled source audio-frequecy magnetotelluric method in the prospecting for deep ore deposits
[J].the authors conducted two tests in two known buried iron and copper ore deposits by using Controlled Source AudiofrequencyMagnetotelluric Method (CSAMT). The two known ore bodies have the buried depths of about 500 m and 1 100 m, respectively. Theresults of the tests show that the geoelectrical anomalies can indicate the distribution of ore bodies, faults and lithologiccontact zones. When the buried depth of the ore body is less than 500 m and the ore bed is relatively thick, the geoelectricalanomaly is very obvious. When the buried depth of the ore body is more than 1 000 m, the geoelectrical anomaly mainly reflectsthe orecontrolling and orehosting structure.]]>
广域电磁法深部找矿实验效果
[J].介绍了广域电磁法的基本原理、特点及广域视电阻率的定义。在内蒙古自治区某银铅锌矿进行了实验勘探工作,解释和推断了地电异常,并和可控源音频大地电磁法的效果进行了对比。研究结果表明:广域电磁法可以用较小的发收距获得较大的探测深度,勘探效率和精度较高,用于寻找深部金属矿的效果明显。
The experimental application of wider field electromagnetic method to the prospectiang for deep ore deposits
[J].This paper describes the basic principles and characteristics of the wider field electromagnetic method and the definition of apparent resistivity of the wider field. Exploration work was carried out in a silver, lead and zinc ore deposit of Inner Mongolia, including the deduction and interpretation of the anomaly. The result compared with CSAMT shows that the wider field electromagnetic method can achieve a larger exploration depth as well as higher exploration efficiency and precision with a smaller distance between transmitting and receiving. Hence the method has obvious effect in search for deep metallic ore deposits.
