大地电磁测深法勘探深层页岩气的数值模拟分析

李万山，陈清礼，张双源，邓 宇，周锦钟，贾 毅

(1. 长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 3. 贵州天然气能源投资股份有限公司，贵州 贵阳 550081； 4. 中国石油青海油田勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736202； 5. 成都理工大学 地球物理学院，四川 成都 610059)



大地电磁测深法勘探深层页岩气的数值模拟分析

李万山1，陈清礼1，张双源2，邓 宇3，周锦钟4，贾 毅5

(1. 长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 3. 贵州天然气能源投资股份有限公司，贵州 贵阳 550081； 4. 中国石油青海油田勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736202； 5. 成都理工大学 地球物理学院，四川 成都 610059)

证实了大地电磁测深法在深层页岩气资源勘探可发挥其优势，实现精细勘探。采用数值模拟结合富有机质页岩电阻率数据统计，建立两种不同深度同规模的背斜储层三维模型，对所获得两个模型的视电阻率资料进行了分析。研究结果表明，两种模型的电阻率响应存在可识别差异，为大地电磁法用于深层页岩气资源勘探提供可靠依据。

页岩气；大地电磁测深；三维数值模拟

页岩气资源被认为是自石油以来最重要的非常规能源，中国富有机质页岩的储量可观，由于起步较晚且未形成完备适用的勘察体系，因此页岩气勘察技术面临革新的挑战。针对中国目前页岩气藏复杂的地质条件，需要地球物理方法多学科的综合运用实现技术突破[1-3]。国内外主要采用地震方法识别页岩气藏，但是中国页岩埋藏深度与国外相比普遍较大，因此重视发展非地震方法，充分利用各项技术的特点，才能攻关我国页岩气藏的特殊性，实现工业化生产。

目前地球物理方法中的大地电磁测深法技术成熟，且已经在常规能源领域取得了显著成果，较之其他地球物理方法，大地电磁测深法具有成本低、勘探深度大等优势，切合我国页岩油气勘察工作中面对的技术革新挑战的状况。通过对富有机质页岩资源的电阻率特征的分析，发现其电阻率均值高于一般围岩电阻率。以松辽盆地矿区为例，有机质含量高的油页岩显示的电阻率均值一般大于700 Ω·m，而黏土岩和泥岩的电阻率均值小于100 Ω·m，砂岩和砾岩的电阻率值介于200～600 Ω·m之间。可见利用电阻率法分辨页岩油气资源简单科学[4]。因此本文结合页岩油气的电阻率数据建立同规模不同深度的两个三维模型，经计算得到两种模型的大地电磁测深响应，从获得的视电阻率资料出发分析了两种模型的异常差异，数据证实大地电磁测深法可以做到精细的页岩油气勘探[5]。

1 模型的建立

1.1初始模型的建立

为了模拟计算大地电磁测深对有机质页岩在不同深度的精细勘探能力，依据某地实测数据的整理结果，规范先后建立两个如图1所示规模相同的三维初始模型。

图1 初始模型

首先进行网格剖分确立模型的初始规模，选定初始模型围岩电阻率为100 Ω·m，设立13层空气层，为符合有机质页岩油气层的地质特征，将最大层厚设置为1 000 m。考虑中国页岩油气多数埋藏较深，选择延展至10 000 m有效深度，最终建立整理后数据标准约束下的理想初始模型[6-7]。

1.2理想模型的建立

在已建立的初始模型中逐层填充两种同参数不同埋深的背斜构造模型(见图2～3)，共20层。20层为了让测线刚好覆盖的同时控制模拟页岩气层厚。依据页岩油气层电阻率数据设置模型电阻率为500 Ω·m。一个模型顶面深度1 000 m，底部深度2 500 m，另一个模型顶部深度3 500 m，底部深度5 000 m。底部埋深2 500 m模型的设置考虑到页岩油气藏的一般埋深情况而且在这此埋深范围大地电磁测深已经运用在页岩气勘探，并取得了一定成果，将其模拟结果与建立埋深大的模型相对比，具有实际意义。

图2 埋深2 500 m背斜构造

如图4可以看到背斜构造建立完成后在三维模型剖面的分布。

图4 不同深度背斜模型在三维模型分布

2 数值模拟结果

通过数值模拟计算出两种模型20个测点的视电阻率曲线，根据视电阻率曲线绘制出视电阻率剖面图如图5和图6所示。

图5 底部埋深2 500 m模型视电阻率响应

图6 底部埋深5 000 m模型视电阻率响应

经过正演计算得到两个模型的视电阻率响应，模拟结果整体上一致，在图两侧都分别出现明显的低阻异常和高阻异常，异常的相对幅度达到24%。左侧均在1 127号测点到1 128号测点之间有规模较大的背斜低阻异常体。相比较两个异常体，图5低阻异常体周期范围在1～100 s间，与图6在周期零点几秒到1秒范围内存在明显差异；右侧均在1 112号测点到1 115号测点间有周期范围在零点几秒至一百秒的背斜高阻异常体，同样异常体的幅度有差别。且图5与图6最大的视电阻率等值线分别为396 Ω·m和382 Ω·m。从模拟的结果表明，两个模型响应在背斜高、低阻异常体的规模和最大电阻率等值线值上都存在明显差异。

选背斜高阻异常上方1112号测点，作出两个模型TM极化视电阻率、相位随频率变化数据表(见表1)。

如表1所示，随频率由72.485 2 Hz减小至0.01 Hz，两个模型视电阻率和相位数据随之变化，并列出两种模型同一频率下视电阻率的相对误差便于分析。底部埋深2 500 m模型在频率逐渐减小时，TM极化视电阻率从最小172.845 1 Ω·m增加到209.646 8 Ω·m，呈逐渐增加趋势；底部埋深5 000 m模型在频率逐渐减小时，视电阻率从最小170.451 2 Ω·m增加到198.216 1 Ω·m，也呈逐渐增加趋势。同时，随频率的逐渐减小，两个模型的视电阻率相对误差整体呈增加趋势，尤其低频时即频率在1 Hz减小至0.01 Hz时，视电阻率相对误差最小为4.900%，最大达到5.185%。

表1 视电阻率和相位数据

埋深浅和埋深深两个模型TM极化视电阻率随频率变化的对比图如图7所示，可清楚看到同一频率下视电阻率的差异比较大，表明同测点条件不同埋深同规模的两个模型出现明显的可识别异常，平均相对误差为3.640 3%。

1 底部2500米埋深； 2 底部5000米埋深

对数值模拟理论计算出视电阻率曲线形成的相对异常偏差进行对比分析，底部埋深2 500 m的背斜构造可形成约7.1%相对异常幅度，而底部埋深5 000 m的背斜构造可形成约12.2%的相对异常幅度，同时两个模型TM极化模式下的视电阻率曲线平均误差3.640 3%，最大相对误差达到5.185%。结合某地实测MT资料见表2，噪声可导致最大误差为2.310%，这一数据远远小于两个模型响应5.185%的相对误差，加之该地区的电阻率远大于模拟中围岩电阻率100 Ω·m。进一步说明大地电磁测深对符合含有机质页岩特点的两种模型可实现有效识别，能提供可靠的解释依据。

表2 某地实测数据

3 结 语

采用数值模拟方法研究大地电磁测深对埋深大的有机质页岩储层是一种很好的方法，建立符合页岩气地质特征的三维模型，理论计算得出的两种模型视电阻率响应相对差异远大于实测数据噪声产生误差，说明在一定范围内，大地电磁测深可对富含有机质页岩储层进行有效识别。且大地电磁测深法技术成熟，勘探成本低，有助于中国页岩气资源勘查体系发展。

[1] 张抗, 谭云冬. 世界页岩气资源潜力和开采现状及中国页岩气发展前景[J]. 当代石油石化, 2009, 17(3): 9-12.

[2] 江怀友, 宋新民, 安晓璇, 等. 世界页岩气资源与勘探开发技术综述[J]. 天然气技术, 2008, 2(6): 26-30.

[3] 戴春雷, 付晓飞, 陈哲. 浅析松辽盆地北部青山口组页岩气资源潜力[J]. 科学技术与工程, 2012, 12(17): 4134-4140.

[4] 冯薇澍, 薛海涛, 李吉君, 等. 齐家—古龙凹陷青一段页岩气有利区预测及资源潜力评价[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(9): 2331-2338.

[5] 张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气工业, 2004, 24(7): 15-18.

[6] 陈乐寿, 王光鄂. 大地电磁测深法[M]. 北京: 地质出版社, 1990.

[7] 徐建华. 层状媒质的电磁场与电磁波[M]. 北京: 石油工业出版社, 1997.

NumericalSimulationAnalysisofDeepShaleGasExplorationCapabilitybyMagnetotelluricSounding

LI Wanshan1, CHEN Qingli1, ZHANG Shuangyuan2, DENG Yu3, ZHOU Jinzhong4, JIA Yi5

(1.SchoolofGeophysicsandPetroleumResources,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 2.SchoolofGeosciences,Yangtzeuniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 3.GuizhouGasEnergyInvestmentCo.,Ltd.,UnconventionalOilandGasResourcesinGuizhouProvinceEngineeringTechnologyResearchCenter,GuiYang,Guizhou550081,China; 4.ChinesePetroleumQinghaiOilFieldExplorationandDevelopmentResearchInstitute,Dunhuang,Gansu736202,China; 5.CollegeofInformationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

This article will be about the magnetotelluric sounding verified for shale gas exploration ability. We know organic-rich shale resistivity data statistics, including the establishment of two different sizes anticline reservoir depth with a three-dimensional model, the numerical simulation method to calculate the apparent resistivity data obtained two models. The results show the theoretical response of the two models there are of differences, in which we can learn the magnetotelluric observation instruments will effectively identify such relative deviation for the magnetotelluric method to be applied to shale oil and gas exploration in reliable basis.

Shale gas；Magnetotelluric sounding；Three-dimensional numerical simulation

2016-09-03

李万山(1990-)，男，山东聊城人，在读硕士研究生，研究方向：地球探测与信息技术，手机：15272483304,E-mail：1614722533@qq.com；通讯作者：张双源(1992-)，女，山东聊城人，研究方向：地质工程，手机：13429802116，E-mail：570028627@qq.com.

P631.3+25

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.014