电磁—地震联合研究深层火山岩储层——以辽东凹陷火山岩勘探为例

徐桂芬 何展翔 石艳玲 董卫斌

(①东方地球物理公司综合物化探处,河北涿州 072751；②河北工业大学电气工程学院，天津 300401；③南方科技大学前沿与交叉科学研究院，广东深圳 518055；④南方科技大学地球与空间科学系，广东深圳 518055)

0 引言

近年来，深层火山岩勘探屡获突破，已成为油气储量的重要增长点，火山岩勘探成为石油勘探领域的热点。火山岩勘探实践表明，综合物探方法预测深层火山岩较为有效，可从重力、磁性、电性不同侧面获取火山岩的地球物理信息，研究火山岩地层的岩性并进行岩相划分、火山口识别、火山岩厚度及分布规律的研究，辅助地震勘探增强火山岩识别的可靠性[1-2]。

学者们在重磁电震综合研究火山岩方面进行了大量的探索。刘云祥等[3-4]提出利用重力异常剥离、磁异常分离与弱信号处理、建场测深反演与异常提取等关键技术，从高精度重磁力资料和建场测深资料中分离、提取与火山岩有关的重磁电异常，综合解释火山岩岩性，进行岩相划分；杨辉等[5]研究松辽盆地徐家围子断陷火山岩岩性时，提出利用重力—地震剥层技术宏观预测火山岩岩性；王玉华等[6]在研究松辽盆地古龙断陷深层火山岩气藏时，采用重磁力弱信息提取、重力异常剥离、重磁震联合反演解释等技术，分离重磁异常、提取并增强与火山岩有关的重磁异常信息，实现了火山岩的综合地质解释。徐礼贵等[7]提出了利用综合地球物理资料解释叠合盆地深层火山岩的思路：基于高精度重磁勘探和电法资料研究盆地深部结构和深大断裂，缩小并锁定深层火山岩地震勘探的有利靶区；利用地震相分析、地震属性解释、地震反演和综合评价等主要技术，实现深层火山岩从定性到定量的识别和预测，落实深层火山岩有利勘探目标。索孝东等[8-9]提出利用重磁电震异常综合进行岩性识别的方法：根据岩石物性差异，建立不同岩性的重磁电异常和地震相特征模板，基于高精度重磁资料预测火山岩的平面分布，利用电法测深电阻率剖面和地震剖面对深层岩性垂直定深的优势，综合确定火山岩的空间位置、形态，利用重、磁、电、震多参数精细识别不同类型火山岩体。

时频电磁(TFEM)勘探方法是中国石油集团东方地球物理公司自主研发的一项电磁勘探技术[10]，它将可控源音频大地电磁(CSAMT)与瞬变电磁法(TEM)合并在一套系统中，一次采集即可获得时间域和频率域信号，改变了常规电磁法时、频域分离作业的模式，提高了采集效率和探测效果，形成了激发脉冲多样、多分量采集、多参数研究、勘探目标多样化的新型高精度大功率电磁测深方法。TFEM法与其他电磁法相比，优势主要体现于采集方法和采集参数。随着TFEM勘探技术的快速发展，勘探领域已从地质普查发展到深层目标勘探，例如深层火山岩及裂谷的分布等[11-12]。

辽河盆地是中国较早发现火山岩油气藏并获得大规模油气储量的地区[13]，自1996年在辽东凹陷欧利坨子地区古近系粗面岩中获高产油气流以来，探明了共计数千万吨的油气储量，其中绝大部分富集在粗面岩中[14]，表明辽东凹陷火山岩具有良好的勘探潜力。目前针对辽东凹陷火山岩进行了较为深入的研究，主要涉及火山喷发旋回和期次划分[15]、火山岩岩相分类[16]、火山体结构研究[17-18]、粗面岩成因及喷发模式[19-20]、断裂与火山岩分布的关系[21]、成藏条件分析与成藏模式[22-25]等。钻井揭示辽东凹陷古近系火山岩有11种类型，其中最主要的是火山碎屑岩、粗面岩和玄武岩，兼具喷出和侵入、陆上与水下堆积特征的多层系、多类型火山岩组合[19]。由于火山岩多期次发育，总厚度大，对地震信号的屏蔽作用强，使深层火山岩地震资料成像精度低，多呈空白或杂乱反射，导致火山岩解释结果可靠性差，阻碍了深层火山岩储层的油气勘探进程。常规重磁电联合能够解决火山岩的平面分布，但对于沙三内幕这类多期次叠置的复杂火山岩目标难以有效辅助地震进行高精度识别。

针对研究区沙三内幕多层叠置的火山岩期次划分和岩性、岩相识别等勘探难题，本文提出电磁—地震联合反演及多重约束反演解释等技术，取得良好效果，对类似复杂火山岩油气目标的研究具有一定的借鉴和指导意义。

1 电磁—地震联合探测的可行性分析

辽河凹陷位于渤海湾盆地的东北部，属典型的中新生代发育的大陆裂谷盆地。在郯庐断裂多期活动以及印度和太平洋板块斜向俯冲的叠加作用下，自中生代以来发生了多期岩浆活动，新生代火山活动尤为频繁，以辽东凹陷火山活动最为强烈，期次多、持续时间长、火山岩层分布广泛。由于火山岩厚度大，对地震信号屏蔽作用强，深层火山岩地震信息不足，对期次划分和岩性、岩相分布不清楚。根据已有的地质资料及地震解释成果，部署了7条TFEM测线，其中包括6条主测线和1条联络线，工区位置和测线分布见图1。此次研究的目的是探索联合电磁、地震勘探解决深层多期叠置的复杂火山岩储层分布问题。

1.1 电性特征分析

岩石物性是联系地质与地球物理之间的纽带，因此地层(岩石)的地球物理特征是研究地质问题的基础。通过研究区24口井的测井曲线(图2)及三界泡地区的电性测试资料，综合分析沙三内幕不同岩性的电阻率特征，为TFEM资料处理和解释提供依据。

沙三段火山喷发旋回和期次研究表明：沙三段构成一个火山喷发旋回，内部可划分为5个期次，自下而上依次为：qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。根据钻井资料，期次界面表现为沉积夹层或岩性组合及岩相组合的突变。

根据钻井统计，沙三段主要岩性有粗面岩、玄武岩、蚀变玄武岩、凝灰岩、角砾岩和沉积岩，含少量闪长岩和辉绿岩。针对主要岩性分别进行电测井数据统计，直方图统计结果(图3)显示：沉积岩电阻率最低，约为1～8Ω·m，主值为5Ω·m；火山岩电阻率整体偏大，不同岩性之间电阻率差异较大。粗面岩电阻率最大，为30～90Ω·m，主值为65Ω·m；玄武岩和蚀变玄武岩电阻率为2～20Ω·m，主值为10Ω·m；火山角砾岩和凝灰岩电阻率为10～30Ω·m，主值为20Ω·m。主要岩性的电阻率特征可归纳为：粗面岩>火山碎屑岩(角砾岩、凝灰岩)>玄武岩(包含蚀变玄武岩)>沉积岩。上述统计结果为电法反演识别高阻粗面岩储层提供了物性基础。这些电性特征可概括为：沉积岩为低阻，粗面岩为高阻，其余火山岩为中等，因此在横向和纵向上可形成明显的电性异常。

在沙三段内部5个期次中，火山岩喷发特征的差异形成以沉积岩为背景的5套高阻层，同时，由于岩性的变化形成了电阻率节律特征差异，可见电性分析为TFEM资料识别高阻粗面岩储层提供了有效的电性模型。

1.2 可行性论证

针对沙三内部火山岩埋藏深(普遍大于4km)、多层叠置分布，岩性、岩相复杂，区分难度大等难点，根据该区地震解释及电性特征，在地质分析基础上，建立包括3套沉积层的火山岩模型(图4a)，火山岩电阻率为70Ω·m，最小厚度为50m，埋深为2300～3300m。先进行正演，获得模型仿真数据，再进行反演。图4b的反演结果很好地恢复了火山岩薄层模型，分辨出三套高阻目标层，同时也清晰地反映了地层电性纵横向上的变化规律，表明电磁勘探在该区可以区分不同期次、具有一定厚度的火山岩。

图1 研究区位置示意图(左)和TFEM测线部署图(右)

图2 研究区内主要井的电测井曲线

图3 研究区岩性—电阻率直方图

图4 基于地震—测井资料建立的火成岩模型及反演结果

2 电磁—地震联合勘探技术

2.1 电磁—地震综合研究技术路线

在TFEM资料预处理和常规处理的基础上，依据浅层可靠的地震资料建立浅层模型，反演浅层地电模型，在此基础上固定浅层，重点反演深层目标；通过钻井、电阻率剖面和地震剖面的综合对比分析，互相约束，进行火山岩期次的划分和横向对比追踪；总结不同岩性、岩相的电性异常特征和地震响应特征，对各期火山岩进行岩性、岩相综合解释。具体研究思路和技术流程见图5。

图5 深层火山岩电磁—地震联合研究技术流程

具体来说，包括以下4个步骤。

(1)如果地震资料在浅层碎屑岩中具有较好的分辨率，应首先通过地震资料解释构建浅层构造模型，通过钻井的层位、岩性和电性曲线信息，获得不同岩性地层的电阻率，一方面可以建立火山岩模型，通过正演和反演进行电法可行性分析，另一方面可以构建浅层地电结构，通过迭代反演，获得浅层地电模型。

(2)通过TFEM资料的预处理，获得综合地电参数，固定浅层几何参数和电阻率数据，重点反演深层地电结构，经过迭代反演建立深层地电结构模型。

(3)通过钻井火山岩期次界面和岩相界面的识别，地震剖面和电阻率剖面相结合，进行剖面上火山岩期次的划分和对比追踪；以钻井岩性、岩相标定做约束，建立不同岩性、岩相的地震相和电阻率剖面特征识别模板，二者互相约束、互为补充，完成各期次火山岩结构、火山岩相的识别。

(4)进行剖面综合解释，完成不同期次火山岩岩相平面分布和不同期次粗面岩储层在平面上分布特征的研究。

上述步骤中电磁—地震联合处理和电性节律编码解释技术是解决问题的关键，下面重点介绍。

2.2 电磁—地震联合反演技术

研究区的浅层地震资料具有较高的分辨率，为了获得高分辨率的电阻率成像，采用基于井震建模的模拟退火反演算法进行约束反演[26]。

其基本思想是将待反演模型的每个参数看作是熔化物体的每一个分子，将目标函数看作是熔化物体的能量函数，通过缓慢减小一个模拟温度的控制参数进行迭代反演，使目标函数最终达到全局极值点。L2范数情况下非线性的TFEM地球物理反演问题的目标函数为

φ(m)=[d-A(m)]H*[d-A(m)]

(1)

式中：d表示数据矩阵；A表示模型正演矩阵；m表示模型参数向量；上标H表示共轭转置，当观测数据为实数时，共轭转置退化为转置；“*”表示褶积运算。

将TFEM约束反演问题的每一个模型参数向量mi等效为物体的某种状态ri，将目标函数φ(m)等效为物体的能量函数Ei，引入一个随迭代次数变化的控制参数T模拟物体的温度，就可以得到TFEM的非线性反演的Metropolis接受准则

P(mi→mj)

(2)

式中：kb是Boltzmann常数，在时频电磁反演过程中可设为1；T表示温度。

利用地震和电阻率测井信息确定地质解释剖面(主要是沙三段以上的浅层)，建立初始模型，对关键地质层位进行控制。

以TFEM-04线为例，约束反演具体步骤如下：

(1)根据地震剖面建立浅层模型(图6a)。为了得到较准确的浅层地电模型，依据地震资料求得浅层构造的层数和厚度，各层的电阻率依据电测井曲线求得。

(2)反演浅层电阻率 (图6b)。首先反演浅层地电结构，经过迭代反演，找到最小拟合差，完成浅层反演。

(3)建立深层地电模型(图6c)。固定浅层几何参数和电阻率数值后，利用拟二维反演结果构建全剖面的初始地电结构模型，最终反演深层地电结构。需多次反演，直到拟合误差达到预设值，最终建立深层地电模型。

从反演剖面来看，由于建立了精确的浅层地电模型，反演参数减少，因而降低了反演的多解性，反演结果的深层纵向分辨率得到大幅度提高。

2.3 火山岩岩性节律解释技术

对研究区岩石物性分析认为，该区5个期次火山活动强弱差异明显，表现出“弱—强—强—弱—弱”的特征。在角砾岩和凝灰岩含量高时电阻率较低，粗面岩含量高时电阻率较高，但均明显高于沉积岩电阻率。因此，认为电阻率剖面纵向存在反映火山岩喷发特征的节律，并按照下列原则进行编码：火山岩喷发强、粗面岩含量高时编码为2；火山岩喷发弱、角砾岩和凝灰岩含量高时编码为1；无火山岩、主要为沉积碎屑岩时，编码为0。据此可对该区火山岩地层以编码1-0-2-0-2-0-1-0-1-0进行描述。

以TFEM-03线为例。根据这个节律在GeoEast软件系统中对剖面进行解释，见图7。在图7b所示的反演电阻率剖面上，在沙三内部依据编码1-0-2-0-2-0-1-0-1-0组合变化特征情况，识别出5期火山喷发岩，自下而上依次为qc1、qc2、qc3、qc4、qc5。研究区内钻井完钻层位较浅，只钻到粗面岩段。qc5与qc4之间以碎屑岩为界；qc4与qc3之间的界面是岩相组合突变面，界面之上以玄武岩和沉凝灰岩为主，界面之下以粗面岩和粗面质角砾岩为主。

根据节律的横向变化可以进行断裂划分。在图7b的电阻率反演剖面上，130～160号测点之间1-0-2-0-2-0-1-0-1-0电阻率编码节律特征明显，170～195号测点之间1-0-2-0-2-0-1-0-1-0电阻率编码节律特征明显，其余部分则显然没有这一特征。因此，认为这两段受到两组断裂控制，分别形成了两个多期次、复杂叠置的火山岩储层带，在平面上形成了两个有利目标区。

根据节律特征认为：qc1、qc2粗面岩以爆发相为主；qc3粗面岩与低阻蚀变玄武岩呈互层，在地震剖面上为中强振幅，连续性较好，推测为溢流相，靠近断层的火山口附近粗面岩呈高阻团块状，在地震剖面上为杂乱反射，推测为爆发相；qc4以蚀变玄武岩为主，地震剖面上分层性强，振幅能量强，推测为溢流相；qc5以沉积岩为主，局部发育玄武岩夹层。

3 效果分析

从TFEM-03线反演结果(图7)来看，驾东断裂(F2)以及早期深部的边界控洼断裂(F3)有很好的显示。与地震剖面(图7a)对比发现，断裂的位置基本能够归位。在地震剖面上两条主控断层(F2、F3)之间，根据地震反射特征可分为弱振幅—弱连续和强振幅—中连续两种地震相类型；通过与钻井岩性剖面对比可以发现，地震相的分布并不能准确地反映岩性的变化。

由图7可见，电法反演剖面能够较好地反映地层整体的电性结构，并且在沙三内部电阻率变化信息非常丰富。在电阻率剖面上进行期次界面识别和横向对比追踪，发现电阻率反演剖面对5个期次的分布特征有较清晰的揭示，呈现1-0-2-0-2-0-1-0-1-0电阻率编码节律特征，qc1、qc4和qc5火山活动较弱，qc2和qc3火山活动强。剖面上红33井和红25井的电阻率测井曲线与反演结果对应关系良好，例如红33井4100m以下沙三段粗面岩与红25井沙一段2830～2930m、4300m以下沙三段的粗面岩均表现为明显高阻，说明了反演结果的准确性。另外根据TFEM-05线的反演结果(图8)可见，爆发相角砾岩和上部溢流相粗面岩组成的火山机构清楚，于73井粗面岩1和粗面岩2之间的低阻夹层反映清楚，与电阻率测井结果一致。

图8 TFEM-05测线约束反演电阻率剖面及岩性解释剖面叠合图

4 结束语

针对研究区火山岩的勘探难点，采取电磁—地震联合勘探有效提高了深层火山岩解释的准确性。针对火山岩多层叠置的复杂情况，提出的电磁—地震联合研究技术总路线，特别是电磁—地震联合反演提高了纵向分层能力；根据岩性电性特征提出的节律编码解释技术可有效识别火山岩储层。

研究表明，结合钻井和地震资料对电阻率剖面综合分析、电磁—地震联合反演及岩性电性节律编码解释技术能够有效识别火山岩机构，落实断层分布，对火山岩内部进行精细刻画。本文方法和思路对于类似地震反射品质较差的深层复杂火山岩目标是一项非常有效的技术，具有良好的推广应用前景。