利用时频电磁法识别辽河盆地东部凹陷火成岩油气目标

石艳玲，刘雪军，魏 强，索孝东，董卫斌，何展翔

1. 中国石油东方地球物理公司，河北 涿州 072751；2. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；3. 南方科技大学地球与空间科学系，广东 深圳 518055

0 前言

由于火成岩的屏蔽作用及其岩性的复杂多变，深层火成岩储层目标的识别一直是油田勘探难题. 面对这一难题，单纯依靠地震方法，勘探风险非常之大，人们一直试图使用更多的勘探方法［1-3］. 诸多的火山岩勘探实践表明，电磁勘探方法在火山岩目标研究中可以发挥重要作用［4-5］. 火成岩储层具有明显的电性和磁性，可以通过研究火山岩地层的电性特征提高火山岩储层识别的可靠性［6］. 张长江等通过研究发现火成岩良好的物性是电磁测深的基础，能够有效确定深部岩浆岩活动区及火山岩的分布［7］. 刘云祥等基于岩石磁性和电阻率差异，采用重磁电联合的方法划分火山岩岩性岩相，研究成果得到其他资料佐证［8-9］.

多年的勘探实践证明，辽河拗陷具有优越的石油地质条件［10-13］. 因目标层埋藏深度大、火成岩的屏蔽作用等影响，应用地震方法进行勘探时，中深部地层的成像精度有限，而电磁勘探受火山岩地层的影响相对较小. 近几年，应用时频电磁法在辽河盆地东部凹陷开展了大量工作，解决了该区沙河街组三段火成岩岩性岩相的圈定，以及HX 凹陷南侧东营组和沙一段油气分布等一系列问题.

时频电磁法（time-frequency eletromagnetic method，TFEM）是近年来发展起来的一种大功率可控源电磁勘探方法. 该方法采用类似非纵大偏移距地震勘探的工作方式，利用大功率发射源激发，在接收端同时采集时间域和频率域信号，具有激发信号强、探测深度大、应用效果好的特点［14-15］，在国内外得到了广泛的应用，成为油气勘探中的一种不可或缺的重要手段［14-17］. 特别是在我国塔里木盆地、准噶尔盆地的火山岩储层目标勘探中取得较好的应用效果［18-19］. 因此，应用时频电磁法解决HX 凹陷沙三段火成岩储层岩性、岩相及分布问题，并通过反演极化率直接检测油气，对中国东部探区火成岩油气藏的勘探具有重要意义. 本研究从统计研究区内电测井资料出发，通过将时频资料与已知油井出油情况对比，总结出一套极化率评价的分级标准，在该地区识别出多个油气有利区，并经后续钻探证实. 该方法亦可为类似地区油气评价提供借鉴.

1 物性特征分析

物性差异是地球物理勘探的基础. 电阻率统计分析工作是时频电磁法后续处理解释的关键步骤. 对研究区内24 口钻井进行了统计分析，得到以火山岩为主的新近系沙河街组三段（E3s3）整体表现为高阻特征.从部分钻井的沙三段岩性及电测井曲线柱状图（图1）可见，沙三段主要发育粗面岩、玄武岩、火山碎屑岩和沉积岩，其中粗面岩和玄武岩分布最广. 图2 是沙三段不同岩性测井电阻率散点图. 从图1、2 可看出，火成岩总体呈现高阻特征，粗面岩电阻率远大于火山碎屑岩、玄武岩以及沉积岩. 归纳认为，不同岩性电阻率特征表现为：粗面岩＞火山碎屑岩＞玄武岩＞沉积岩. 该统计结果为时频电磁反演识别出相对高阻储层提供了物性基础.

图1 钻井沙三段岩性及电测井曲线柱状图Fig. 1 Lithology columns and electric logging curves of E3s in drillhole

图2 沙三段不同岩性测井电阻率散点图Fig.2 Logging resistivity scatter diagram of different lithology in E3s

2 针对火成岩目标的时频电磁技术

油气成藏后会引起储集层周围及上方介质物理、化学和其他响应的异常，特别是电异常和电化学异常，这是电磁勘探的理论基础.

电磁勘探不是检测油气藏中的烃类成分，而是直接探测到了油气藏本身，它通过探测油气藏的电和电化学异常来确定含油气状况，因此电磁方法具有其他非震方法所不可比拟的优势. 时频电磁法的特点在于激发信号强，形成对油气藏强而有效的激发，因此，TFEM是地面油气检测技术中最有潜力的方法之一［20-21］.

针对深层火成岩目标，时频电磁法采用大功率、长偏移距、多频采集方法，提高了勘探深度和资料信噪比.

研究区浅层地震资料反射特征清晰，但沙河街组及以下地层反射模糊，深部目标识别困难. 采用大功率时频电磁能够探测到沙河街组及以下地层电性结构. 电磁法勘探是体积勘探，自由反演存在多解性，难以精确反演出目标界面和电阻率，因而在反演过程中需尽可能利用先验信息，减少未知反演参数，提高深部目标区的反演精度. 在资料处理中，为获得精确的电阻率成像，开展了井震建模二维时频电磁约束反演.

图3 为井震建模约束反演的流程图. 根据已知地质、钻井和地震浅层信息确定剖面初始地质模型浅层层位（图1），再依据钻井统计物性结果给定电阻率值，然后反演浅层地电结构，经过多次迭代反演，找到最小拟合差，完成浅层反演（如图3b）. 最后固定浅层层位和电阻率值，重点反演深层地电结构，经多次迭代反演，寻找深部最小拟合误差，建立深层地电结构模型，最终得到时频电磁约束反演剖面（如图3c）.

图3 约束反演方法流程图Fig. 3 Process of constrained inversion method

通过W1 井、W9 井电性特征可以看出，从浅到深，电阻率的整体变化与测井曲线一致，细节清晰. 说明通过地震层位约束，反演结果更精细. 从整体上看，通过层位约束，目标层位归位良好，电性变化更符合地质认识.

3 深层火成岩储层分布特征

在TFEM-03 线时频电磁约束反演电阻率剖面和地质解释剖面（图4）中，沙河街组5 个期次火山岩分别用qc1、qc2、qc3、qc4、qc5 表示. 从图4 中可见，反演电阻率剖面不仅对断裂特征、隆拗格局、主要地层分界有揭示，对沙河街组内部的各种岩性也有较好的反映.依据前述物性统计结果和钻井资料，综合解释各时频电磁反演电阻率剖面，沙河街组共识别出5 个期次火山岩，自下向上火山活动呈现“弱—强—强—弱—弱”特征. qc1、qc4、qc5 火山活动较弱，厚度自南西向北东减薄；qc2、qc3 火山活动强、分布广、厚度大，粗面岩发育.

图4 TFEM-03 线反演电阻率及综合解释剖面Fig. 4 Resistivity inversion and comprehensive interpretation profile along TFEM-03 line

综合研究区6 条时频电磁反演剖面，对qc3 的两套粗面岩的厚度进行了推断解释（如图5、6）. 从图5、6 看，受南北两个断裂带控制，沙三段主要发育2 排火山喷发相带；粗面岩主要为溢流相和爆发相，火山口附近爆发相较发育. 多条剖面及图5 显示，粗面岩Ⅰ发育深度3.25～3.34 km，平面上有2 排、3 个厚度中心，沿驾掌寺断裂发育一排，W2—W4 沿线发育一排，W5—W6 井间厚度超过350 m. 粗面岩Ⅱ比粗面岩Ⅰ分布范围更广，东部凹陷内基本均有分布，厚度更大，多为300～600 m. 从图5、6 看，两套粗面岩呈NE 向、条带状展布. 在W2 钻井附近新设一口钻井，钻探结果显示，该处火成岩发育，在沙三段有油气显示，与时频勘探结果较吻合.

图5 qc3 粗面岩I 厚度分布图Fig. 5 Thickness distribution of trachyte I in the third stage

图6 qc3 粗面岩II 厚度分布图Fig. 6 Thickness distribution of trachyte II in the third stage

4 研究区油气分布特征

通过对区内所有测线电阻率和极化率进行反演，极化率异常主要分布在东营组、沙一段和沙三段. 通过分析钻井出油气情况，依据剖面上激发极化率异常数值大小，与已知钻井资料的对应关系，确立了本地区油气激发极化率异常分级评价模板（图7）.

图7 极化率分级评价统计散点图Fig. 7 Scatter diagram of polarization anomaly grading evaluation

通过与已知探井的对比得出，研究区极化异常大于0.2 时相对有利；振幅异常、相位异常和电阻率异常正相关性越好，则目标越有利. 依据这个标准对J34 井进行了预测，从极化率反演剖面（图8）看，J34 井极化异常数值达0.24，非常有利.

图8 TFEM-04 测线极化率剖面Fig. 8 Polarizability profile along TFEM-04 line

从电阻率反演剖面（图9）上看，极化异常体所对应的位置，电阻率相对围岩呈明显高阻，解释为粗面岩，综合分析其为一级有利目标. 后续油田对该井进行了试油，在4 665～4 710 m 井段发现两段、累计厚度45 m 的油层.

图9 2016TFEM-04 测线电阻率剖面Fig. 9 Resistivity profile along 2016TFEM-04 line

其他测线的极化异常特点与此类似. 2017TFEM-01 线极化率反演剖面（图10）显示，高极化率异常主要分布在东营组和沙一段. 东营组内有两个强极化异常，130—166 号测点之间的异常体长度约3.6 km，极化异常值0.19～0.23，174—198 号测点之间的异常体长度约2.4 km，极化异常值0.19～0.22，两个异常疑似联通. 对应地震剖面和电阻率反演剖面显示，东营组这两个极化异常与有利构造叠合得非常好，异常体刚好位于背斜顶部及背斜翼部之上. 综合各评价指标分析，将其评价为一级有利目标.

图10 2017TFEM-01 测线极化率剖面Fig. 10 Polarizability profile along 2017TFEM-01 line

沙一段内有3 个强极化异常. 其中143—167 号测点之间的异常位于沙一段的顶部，长度约2.4 km，极化异常值0.19～0.23；134—162 号测点之间的异常位于沙一段的底部接近沙三段顶的位置，长度约2.8 km，极化异常值0.19～0.21；173—191 号测点之间的异常也是位于沙一段的底部接近沙三段顶的位置，长度约1.8 km，极化异常值0.19～0.21. 综合各评价指标分析，将其评价为一级有利目标.

5 结论

通过分析电测井资料，建立了研究区的火成岩物性数据库，为时频电磁勘探识别高阻粗面岩和相对低阻的玄武岩提供了物性基础. 时频电磁反演电阻率剖面所揭示的电性结构能有效识别新生界各主要地层，井震-时频联合，进一步落实构造特征，对沙河街组火成岩内幕刻画更清晰. 通过综合解释揭示HX 地区沙三段粗面岩广泛发育，主要为溢流相和爆发相，认为爆发相的粗面岩厚度大、分布广，勘探潜力大. 通过时频电磁勘探提高了对火成岩储层的识别精度，在类似复杂火山岩勘探领域具推广价值.

反演极化率异常对研究区油气分布有较好的揭示. 区内纵向上发育多层极化异常，DPF 地区主要分布在东营组和沙一段.

大功率时频电磁勘探实现了电阻率-极化率参数联合直接油气检测，解决了单一电阻率参数储层目标及油水识别精度低的难题，是一种行之有效的油气预测方法.