地球深部页岩气储层的大地电磁响应特征

薛毛毛, 陈清礼, 吴娟, 白敏, 郑凯, 杨成坤, 叶甘

(长江大学地球物理与石油资源学院, 武汉 430000)

长期的开发利用使得地层浅部资源逐渐匮乏,矿产资源开发逐渐向地球深部转移,深海深地项目成为中国地学资源研究的重点和热点。为了缓解日益紧张的能源供需矛盾,对储量较大的深层页岩气进行勘探具有重要的现实意义[1-2]。目前页岩气勘探的主要手段仍是电法勘探和地震勘探[3-4]。地震勘探通过泥页岩地层与上、下围岩的地震传播速度差异,识别深部构造和富有机质泥页岩地层空间展布特征[4]。但对于一些地球深部的页岩气储层,由于地震波难以穿透高阻地质层,地震勘探效果有时不太理想。

大地电磁测深(magnetotelluric,MT)方法以天然电磁场为场源,不受高阻层屏蔽,对低阻敏感,具有勘探深度大、成本低的特点,是目前探测深部地质资源的最准确有效的地球物理方法之一[5-8]。对于MT探测方法分辨能力的研究，诸多学者采用了数值模拟的方法并验证了其有效性[9-16]。近年来，MT法广泛应用于地下深部探测研究,并取得较好的应用效果。赵国泽等[17]、詹艳等[18]利用MT资料得到了青藏高原东北缘区域深部地质电性结构,并对其地质构造成因进行了解释,揭示了其深部岩石圈的地质结构与演化过程。郝泽江等[19]利用MT资料进行中国东部华北克拉通南缘至华夏地块深部电性结构研究,获得了 100 km 深的电性结构模型。张优等[20]采用MT法对张掖地区进行探测,为该区研究提供电性资料支持。范祥泰等[21]采用MT法探测出山区深埋隧道前方与上方隐伏构造的位置与姿态,为隧道安全施工与地质灾害防治提供了重要的参考依据。杨震等[22]利用MT资料推断出个旧西区深部断裂构造,并圈定出成矿有利远景地段,为该地区深部找矿远景评价和找矿战略部署提供科学依据。在页岩气非震勘探领域,MT法也发挥了一些作用[23-27]。胡晓丽等[23]、田巍等[24]利用MT资料深入研究南鄱阳盆地和湘东南坳陷西南侧袁家复式向斜的地球物理特征,在此基础上推测了两地页岩气有利层段及区域的分布。杨剑等[27]利用MT资料获得四川盆地上三叠统须家河组地下电性分布,识别出地下较大厚度的富有机质页岩,划定了本区页岩气勘探的新区新层系,并且经钻孔得到了检验。

据美国能源信息署(Energy Information Administration，EIA)发布的页岩气报告,结合中国诸多学者的成果可知,中国页岩油气很多分布在地下3 000～4 000 m深,厚度为90～300 m,电性整体呈中、低阻[28-30]。由于页岩气储藏特点有别于其他油气藏,研究MT法对深部页岩气储层响应特征很有必要。为此,采用数值模拟的方法,通过构建模型研究了不同地电条件下存在页岩气储层和不存在页岩气储层时所造成的视电阻率曲线差异,从而得出大地电磁测深法对深部页岩气储层的分辨力能力的结论。从数值模拟的角度证明了大地电磁法可以有效识别地球深部页岩气储层。

1 MT法理论知识

电磁波的运动变化规律遵从麦克斯韦方程组[31]。大地电磁测深法工作的理论基础是电磁波的趋肤效应,即不同频率电磁波在地下的穿透深度不同。由麦克斯韦方程组推出趋肤深度计算公式[31]为

(1)

式(1)中：δ为穿透深度,m;f为电磁波频率,Hz;ρ为地下介质的电阻率,Ω·m;μ为磁导率,H/m,式(1)中取值为真空磁导率μ0=4π×10-7H/m。

由于趋肤效应,高频电磁波向下穿透深度小,低频电磁波向下穿透深度大。通过观测不同频率段的大地电磁信号,再经过数据分析处理,可得到不同深度范围内的视电阻率曲线。决定视电阻率大小的因素有:各岩层地质体的真电阻率以及它们的分布状态(厚度、形态、埋深)。因此视电阻率曲线可以反映地下不同深度范围内地质构造的电性分布,在此基础上进行地质解释工作。MT采集的有效频段,一般在320～0.001 Hz,主要针对深部结构探测。

由麦克斯韦方程经过推导可得的视电阻率计算公式[31]为

(2)

式(2)中：T为周期,s;Z为波阻抗。

对于n层介质中的层状模型,可以根据波阻抗的递推公式计算得到地面波阻抗Z1[即为式(2)中Z]。 波阻抗计算公式[31]为

(3)

式(3)中：hm为第m层的厚度，m=1,2,…,n；km为第m层的复波数；Zm为第m层的波阻抗；Z0,m为第m层的特征波阻抗。

2 中国页岩气藏地质特征

据美国能源信息署(EIA)发布的页岩气报告,结合张金川等[28]的研究结论,中国具有丰富的页岩气资源潜力,可采资源总量约为26×1012m3。

根据区域地质特征,中国的页岩气发育区可划分为东北地区、华北地区、南方地区、西北地区和青藏地区几大区块[32]。主要分布于以下7个盆地 : 四川、塔里木、准噶尔、松辽、扬子地台、江汉和苏北盆地。其中,南方四川盆地、扬子地台区和准噶尔盆地页岩气资源及其地质特征如表1所示。

表1 中国部分区域页岩气储层特性Table 1 Characteristics of shale gas reservoirs in some regions of China

3 模型构建

为了降低正演的复杂性,仅研究均匀半空间模型,模型如图1所示。模型中设定三层地质体,其中，第一、三层均为围岩,第二层为目标页岩气储层,分别用Ω1、Ω3、Ω2表示。

为了定量研究不同深度和规模以及不同地电条件下页岩气储层的大地电磁响应特征。将3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 m设为目标页岩气储层埋深,每种深度条件下设定11种围岩电阻率(3、5、25、35、70、100、200、300、500、800、1 200 Ω·m)，6种目标页岩气储层电阻率(10、15、20、30、40、50 Ω·m)，4种目标页岩气储层厚度(50、100、180、300 m),共建立1 320 种地电模型。

x轴为水平面；z轴为深度;ρi和hi分别为第i层的电阻率和厚度图1 模型图Fig.1 Model diagram

上述模型中,目标页岩气储层的埋深和厚度设置参考中国页岩气藏地质特征,电阻率设置参考向葵等[30]总结出的地层条件下页岩气储层岩石电性变化规律。即:地球深部页岩气储层处于高温高压环境下,此时其电阻率值较常温常压下大幅减小。

4 结果与分析

在实际的MT观测资料中,根据勘探环境的不同,噪声一般可导致3%～8%的误差,当异常差异大于噪声引起的误差时,就认为出现了可识别异常。将5%作为阈值,即当存在页岩气储层时和不存在页岩气储层时的视电阻率差异相差5%以上,就认为此时大地电磁测深法对页岩气储层具有较好的分辨能力[12-13](此处忽略了仪器等引起的误差)。

对于上述的共1 320 种地电模型,运用数值模拟的方法,根据地面波阻抗递推公式、视电阻率公式分别计算出存在页岩气储层和不存在页岩气储层时的视电阻率值随频率变化数据,并画出两条视电阻率曲线,进行差异比较。

参考表1中准噶尔盆地页岩气储层的地质特征，设置埋深3 000 m,围岩层电阻率100 Ω·m,页岩气储层电阻率20 Ω·m,厚度200 m的地电模型,求出视电阻率随频率变化的数据如表2所示。

由表2可以看出,3 000 m深100 Ω·m围岩层下不存在目标页岩气储层时视电阻率是常数;当存在200 m厚20 Ω· m的页岩气储层时,随着频率改变,视电阻率值由100 Ω· m增加到103.279 3 Ω·m,然后再减小到88.354 2 Ω·m。中间有部分频点处出现了较大的差异,最终差异又消失。在频率为0.562 5 Hz处,最大差异值为11.65%。根据表2数据画出的视电阻率差异曲线如图2所示。

由图2可以看出,存在页岩气储层和不存在页岩气储层时得到的两条视电阻率曲线不完全重合,中间部分出现明显偏差,表明出现了可识别异常。

以上1 320 种模型的数值模拟结果可列出多个表格,由于篇幅有限,以下仅展示其中一个。当埋深为4 000 m,围岩层电阻率为100 Ω·m时,改变页岩气储层电阻率和厚度,计算得出的视电阻率差异值如表3所示。

表3展示了24种模型结果。可以看出,每种模型下存在页岩气储层和不存在页岩气储层时得到的最大视电阻率差异值不一,有些模型下最大差异值大于5%,能够较好的被识别。而有些小于5%,识别能力较差。

表2 视电阻率随频率变化数据Table 2 Data of apparent resistivity variation with frequency

图2 视电阻率曲线差异图Fig.2 Diagram of apparent resistivity curve difference

表3 视电阻率最大差异Table 3 The maximum difference of apparent resistivity

将计算得出的视电阻率最大差异结果绘制平面等值线图,如图3所示。所有模型中有4个变量:埋深H、围岩层电阻率ρΩ1,3、页岩气储层电阻率ρΩ2、页岩气储层厚度h。依据控制变量法,分别改变其中两个变量,可将数值模拟结果分为六类：①固定埋深和页岩气储层电阻率,改变围岩层电阻率、页岩气储层厚度,得到视电阻率差异值(单位:%)，可作30 个平面等值线图，图3(a)为埋深3 500 m,页岩气储层电阻率30 Ω·m时的情况；②固定埋深和页岩气储层厚度,改变围岩电阻率和页岩气储层电阻率,得到视电阻率差异值，可作出20 个图，图3(b)为埋深3 500 m,页岩气储层厚度180 m时的情况；③固定埋深和围岩电阻率,改变页岩气储层电阻率和厚度,得到视电阻率差异值,可作55 个平面等值线图，图3(c)为埋深3 500 m,围岩电阻率200 Ω·m时的情况；④固定页岩气储层电阻率和厚度,改变埋深和围岩电阻率,得到视电阻率差异值,可作24 个平面等值线图。图3(d)为页岩气储层电阻率30 Ω·m,页岩气储层厚度180 m时的情况；⑤固定页岩气储层电阻率和围岩电阻率,改变埋深和页岩气储层厚度,得到视电阻率差异值,可作66 个平面等值线图，图3(e)为页岩气储层电阻率30 Ω·m,围岩电阻率200 Ω·m时的情况；⑥固定页岩气储层厚度和围岩层电阻率,改变埋深和页岩气储层电阻率,得到视电阻率差异值,可作44 个平面等值线图，图3(f)为页岩气储层厚度180 m,围岩电阻率200 Ω·m时的情况。

图3 视电阻率差异平面等值线图Fig.3 Plane contour map of apparent resistivity difference

图3(a)中,上方等值线的值大于下方等值线的值,说明当围岩电阻率大于目标页岩气储层电阻率时,围岩电阻率越大,视电阻率差异越大,分辨力越好。各条等值线之间的距离(从左往右)不断缩小，说明页岩气储层越厚,这种规律越明显。左下角空白，说明当围岩层电阻率小于或者接近目标页岩气储层时,差异值不会随围岩层电阻率的变化而有明显变化。由于目标页岩气储层在地球深部处于高温高压环境本身呈现低阻特性,当围岩与其电性差异不大时,引起的差异比较小。从左到右看,等值线整体呈下降趋势,右边出现水平线，说明一般情况下,随着目标页岩气储层厚度增加,分辨力会明显变大。但当厚度达到一定值时,这种效果不再明显，由于厚的低阻目标页岩气储层吸收了部分电磁能量。

图3(b)中,上方等值线的值大于下方等值线的值,等值线(从左往右)呈上升趋势,各条等值线(从左往右)间距逐渐变大,说明围岩电阻率和页岩气储层电阻率电性差异越大,视电阻率差异越大,分辨力越明显。

图3(c)中,上方等值线的值小于下方等值线的值,说明页岩气储层电阻率越大,引起的差异越小。从左到右看,等值线整体呈上升趋势,说明页岩气储层越厚,引起的差异越大。左上角空白,说明当页岩气储层太薄时,引起的差异很小。

图3(d)中,上方等值线的值大于下方等值线的值,说明围岩电阻率越大,引起的差异值越大,分辨力越好。右边等值线水平,说明当埋深达到一定值,这一规律不再明显。由于电磁信号在地层中逐渐衰减,对深处电性反映较差。等值线(从左往右)总体呈上升趋势。说明埋深越小,差异值越大。

图3(e)中,上方等值线的值大于下方等值线的值,等值线(从左往右)呈上升趋势,说明页岩气储层厚度变大,差异值变大,分辨力越好。埋深越大,差异值越小。右下角空白，说明当埋深达到一定值且页岩气储层厚度不大时,差异值很小,分辨力较差。

图3(f)中,上方等值线值小于下方等值线值,等值线(从左往右)呈下降趋势,右上角空白，说明页岩气储层电阻率越小,差异值越小，埋深越大,差异值越小。当埋深达到一定值且页岩气储层电阻率大时,差异值很小,分辨力较差。

5 结论

基于以上实验结果,得出如下结论。

(1)当围岩电阻率大于目标页岩气储层电阻率时,围岩与目标页岩气储层电性差异越大,存在目标页岩气储层引起的差异越大,分辨力越好。MT方法对高阻体包围的低阻页岩气储层勘探效果良好。

(2)当围岩电阻率接近或小于目标页岩气储层时,存在目标页岩气储层引起的差异较小,分辨力较差。由于浅部的厚低阻围岩吸收了大量电磁能量,并且围岩与目标页岩气储层电性差异小,两者难以分辨。此时,利用MT法进行有效勘探时,对于勘探环境要求较高。

(3)目标页岩气储层的厚度越大,引起的视电阻率差异越大,但是厚度达到一定值时,这种规律不明显。由于厚的低阻页岩气储层会吸收部分电磁能量。

(4)一般来看,目标页岩气储层埋深越大,引起的视电阻率差异越小,分辨力明显降低。但达到一定高电阻率的围岩或达到一定厚度的目标页岩气储层会弥补这一不足。