2013, Vol. 56
2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司, 河北涿州 072751;
3. 江苏省有色金属华东地质勘查局八一四队, 南京 210007
, LIU Xue-Jun2, HE Lan-Fang2, HE Wei-Hui3, ZHOU Yin-Ming2, ZHU Yong-Shan2, CUI Zhi-Wei2, KUANG Xi-Han2
2. BGP, China National Petroleum Corporation, Hebei Zhuozhou 072751, China;
3. 814 Team, East China Mineral Exploration & Development Bureau, Nanjing 210007, China
页岩为典型的细粒沉积岩石，由粉砂和黏土级颗粒经压实作用而形成，是全球大多数常规油气藏的主要源岩或封盖层.页岩气产自极低孔渗的富有机质页岩储集系统中.页岩气于1821年在美国东部阿帕拉契亚盆地纽约州Chautauga县泥盆系Perrysbury组Dunkirk黑色富有机质页岩中被发现[1-2].页岩气开发，起源于美国，在美国成功实现产业化，正在不断显现出改变美国乃至世界能源供应结构、地缘政治格局的趋势.
我国在2011年底，已经将页岩气列为第172个独立矿种.逐步实现页岩气资源的有效开发，对于提高我国能源安全保障、优化能源供给配置结构、促进环境保护，都具有积极的现实意义.
页岩气勘探，是当今能源勘探领域的热点之一.与国外相比，我国还处于页岩气勘探起步阶段，目前在页岩气领域的工作内容，主要集中在资源调查评价、有利区优选、先导区试验.在当前乃至今后若干年时间内，我国页岩气工作的主要内容，仍然还是以进一步准确获得富有机质页岩层系分布的埋深、厚度、有机质丰度、有机质成熟度、含气性、页岩岩石力学性质、页岩物性、页岩矿物成分等关键地质要素作为主要重点.
由于我国复杂的地质背景，必然导致了页岩气形成与富集地质条件的复杂.针对我国地质条件开展页岩气地球物理勘探技术攻关，研究总结识别富有机质页岩层系的地球物理分布特征，无疑是做好资源调查评价、有利目标区优选工作的关键和重要基础.非地震勘探，特别是电法勘探技术在盆地基底结构研究、油气资源勘探、环境和工程领域等都发挥出了重要的作用.近二十年来，电法在油气勘探中正逐步由区域勘探走向目标勘探，并取得一系列可喜的成果[3-8].
北美地区，主要采取地震和钻井技术进行页岩气勘探.德国在北德盆地，尝试了利用大地电磁勘探直接获得页岩的分布，通过二维电阻率反演，在剖面北部近9km深度左右发现了低阻的页岩厚度及电性差异分布[9].南非在Karoo地区，采用大地电磁技术，对页岩的勘探也取得了较好的效果[10].
我国目前重点开展海相页岩气勘探的区域主要位于包括四川、重庆、贵州几个省区在内的上扬子地区.上述地区大多以山地地形为主，地质条件复杂多变，地震地质条件相对复杂，地面出露的岩层年代一般较老，主要为奥陶系、二叠系灰岩及上三叠统石英砂岩，激发条件较差，由于页岩层位上覆和下伏构造复杂，波阻抗差小，反射能量弱，共同导致我国目前所开展的页岩气地球物理勘探效果整体还不够理想，综合勘探成本还较高[11-15].我国如何在页岩气勘探的早期工作中检验电法勘探技术对富有机质页岩层系识别的有效性，充分发挥非地震勘探技术效率高、成本低的技术优势，是在页岩气勘探起步阶段亟待解决的重要问题之一.
“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选”项目，2011、2012两个年度在四川盆地南部筠连地区，相继开展了页岩气时频电磁法二维、三维勘探试验研究工作，所取得的成果表明，时频电磁法能够有效地应用于页岩气勘探.
2 勘探试验区地质特征勘探试验区位于四川盆地川南低陡褶皱带南缘(图 1).四川盆地属中国华南型地层，区域上地层发育完整，前震旦系至第四系均有出露，古生界-新生界沉积盖层厚度约为6000~12000 m，志留系现今残余厚度约为0~1200m[16].由于具有充足的烃源岩和良好的保存条件，四川盆地是我国西部重要的含油富气盆地，勘探潜力巨大[17].
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图 1 川南低陡褶带构造纲要及时频电磁试验区区域地质图 (a)川南低陡褶皱带构造纲要图；(b)2011年度时频电磁试验测线分布图. Fig. 1 Structural characteristics (a) and the TFEM exploration lines (b) at the southern Sichuan Basin |
2007年以来，包括国土资源部油气资源战略研究中心和中国地质大学在内的相关科研单位陆续在四川盆地开展了页岩气勘探工作.目前四川盆地页岩气勘探的区块主要集中在川南资阳-威远气区、川南宜宾-长宁地区、川东重庆-永川地区.通过浅井地质钻探并进行岩芯取样测试，获得了页岩气含气量、有机质丰度等相关地质评价参数，这些成果的取得，对于研究四盆地页岩气储层特征、资源状况、赋存规律均有重要作用[18].
采用时频电磁法进行页岩气勘探的研究区，位于四川盆地川南低陡褶皱带南缘，是华蓥山断褶带向西南延伸、呈帚状撒开的雁行式低背斜群，在加里东为坳陷区，印支期为泸州古隆起的主体部分，是中生代以来的隆起区.川南低陡褶皱带发育NE向、EW向和SN向3组构造，各组构造之间相互影响，呈反接或斜接复合[19].
在整个下古生代，川南地区长期处于川黔坳陷之中，北面为乐山-龙女寺古隆起，南面为黔中古陆.至志留纪末，受广西运动影响抬升为陆，遭受剥蚀，下古生界首次褶皱变形，成为后期古构造发展的雏形，并定型最后构造.现今构造以华蓥山背斜为主体，向南逐渐分支，包括温塘峡-临峰场、沥鼻峡-六合场、东山-坛子坝、西山-龙洞坪、古佛山-南井、螺观山-广福坪、青山岭-双河场等构造带.
滇黔北断褶带从印支期开始，随着上扬子地区持续褶皱抬升，滇东黔北地区逐渐形成由6个次级构造单元组成，南高北低的复杂断褶带，以背斜构造带为主体，向斜居次.在北部靠近四川盆地边缘区，构造基本呈东西走向.在中南部地区，构造总体呈北东-南西走向.另外，地表条件与两种构造类型相对应，宽缓背斜区一般为丘陵或平坝，窄陡向斜区一般为山地.
勘探研究区内地层自上而下分下三叠统飞仙关组和铜街子组，上二叠统峨眉山玄武岩组、下二叠统茅口组、栖霞组和梁山组，中志留统大路寨组、嘶风崖组和下志留统龙马溪组和黄葛溪组、上奥陶统五峰组、下奥陶统湄潭组.下志留统龙马溪组和上奥陶统五峰组是四川盆地开展页岩气勘探的主要目的层之一[20-22].
3 勘探研究区物性特征通过对研究区开展露头标本测定和钻孔资料分析，区内岩石物性特征1)见表 1，按地层统计后的地层物性特征如表 2所示.
1)张春贺，何兰芳，赵国等. 富有机质页岩层系非地震勘探技术2011年度研究成果报告. 国土资源部油气资源战略研究中心，2012.
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表 1 研究区不同岩石干岩样品的物性测定结果 Table 1 Measurement results of the physical properties of the different dry rock samples at the TFEM exploration area |
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表 2 研究区地层物性参数表 Table 2 The physical parameters of the formation at the TFEM exploration area |
从岩石物性特征上看，页岩相对灰岩、泥岩和玄武岩而言，具有典型的低密度、低磁性、低电阻特征，而页岩的高极化率特征可能是由于其富含有机质成分而产生的.可以看到，利用电磁法从电性和极化性两个方面研究页岩层的分布，进而研究富有机质层系的范围，具有很好的物性基础.
从地层的物性分析可以看出，研究区主要目的层志留系龙马溪组和奥陶系五峰组有以下特征：平均密度2.53g/cm3，平均磁化率28.9×10-5SI，干岩石平均电阻率287Ωm，百分频散率4.87.具有低密度、低磁化率、低电阻率、高极化率的特征.
依据研究区地层的电性特征，研究区奥陶系往上分为五个电性层，分别为：第一电性层：包括三叠系铜街子组(Tj)、三叠中下统地层、二叠系上统等三套地层，表现相对低阻特征，其中铜街子组地层干岩样为高阻特征，但本套岩溶发育、厚度较小，在第一电性层中主要表现为低阻特征.第二电性层：包括二叠系中下统灰岩和玄武岩等3套地层，表现相对高阻特征，其中二叠系玄武岩在整个第二电性层中电阻率相对较低.第三电性层：志留系罗惹坪组一段和二段，一段地层主要为低阻地层，二段电阻率相对较高，整体上第三电性层表现为相对低阻.第四电性层：包括志留系龙马溪组和奥陶系五峰组地层，本层是本研究区的主要目的层，具有明显的低阻和高极化特征，具有良好的时频电磁法勘探前提.第五电性层：包括奥陶系中下统和寒武系上统灰岩，电性特征为高阻特征.
4 电性异常数值模拟1)为研究电法勘探探测深埋富有机质页岩的可行性，研究电磁勘探法对低阻薄层有较强的识别能力，我们依据本区地层的电性结构特征，设置了3个不同的数值模拟模型，分别为：
模型1：发育牛蹄塘、龙马溪组页岩(包含两套低阻页岩)；
模型2：发育龙马溪组，不发育牛蹄塘页岩(包含一套低阻页岩)；
模型3：不发育牛蹄塘、龙马溪组页岩(不发育低阻页岩).
所有模型的背景特征为：总体上为包含两条低幅断裂的背斜模型，共包含7个主要电性层：第一电性层，电阻率100Ωm，中心位置厚度700m，代表三叠系和二叠系上统砂岩地层；第二电性层，电阻率20Ωm，中心位置厚度200 m，代表二叠系上统煤层；第三电性层，电阻率1500 Ωm，中心位置厚度700m，代表二叠系中下统火成岩和灰岩层；第四电性层，电阻率20Ωm，中心位置厚度200m，代表志留系罗惹坪组上段泥页岩；第五电性层，电阻率100Ωm，中心位置厚度200 m，代表志留系罗惹坪组下段砂岩；第六电性层，中心位置厚度200 m，代表志留系上统，本套地层在模型1和模型2中的电阻率为10Ωm，代表龙马溪组，在模型3中，电阻率为100Ωm，为假定不发育龙马溪组替代发育的砂岩；第七电性层，为奥陶系和寒武系灰岩(本次模拟基底地层)，电阻率为1000Ωm，在模型1中，夹一套厚约300m的寒武系牛蹄塘组页岩，电阻率为10Ωm.
图 2为一维模拟结果，如图所示，模拟电阻率曲线中，模型3和模型2、模型1的模拟结果曲线形态有明显的差异，表明电磁勘探法对低阻薄层有较强的识别能力.模型1和模型2的模拟结构形态和数值比较接近，表明电磁勘探法不易分辨多套薄层低阻页岩.
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图 2 研究区不同地电模型的一维模拟结果 Fig. 2 The simulations of different geoelectric models (1D) at the TFEM exploration area |
图 3为二维模拟结果.从结果可以看出，模拟计算的剖面整体形态(图 3b)和模型的形态(图 3a)基本一致，表明数值模拟结果总体可靠.在模型中加入龙马溪组页岩(模型2)后，模拟结果中出现两套明显的低阻电性层，低阻层的埋深比模型设置的电性层埋藏深度低约200 m，在电磁测深法的深度误差范围内.
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图 3 研究区不同地电模型的二维模拟结果 上为模型3及正演结果，中为模型2及正演结果，下为模型1及正演结果. Fig. 3 The simulations of different geoelectric models (2D) at the TFEM exploration area Upper:Model 3 and the forward result, middle:Model 2 and the forward result, below:Model 1 and the forward result. |
差分处理(图 4右上)结果表明：2000m埋深的200m厚的10Ωm的低阻层(相对于研究区龙马溪组)能形成3倍以上的地面观测异常.模拟结果揭示，在设置了龙马溪组低阻地层的模型中加入寒武系牛蹄塘组页岩，能引起一定的电阻率异常，但异常的规模不大，差分处理(图 4右下)结果表明：在以模型2为背景模型的基底灰岩中加入埋深为3000m，厚度为200m、电阻率为10Ωm的低阻页岩引起的电阻率相对异常规模为20%~30%.
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图 4 研究区不同地电模型的模拟变化结果 上：模型3相对模型2；中：模型3相对模型1；下：模型2相对模型1. Fig. 4 The change simulations of different geoelectric models at the TFEM exploration area Upper:model 3 vs.2;middle:model 3 vs.1;below:model 2 vs.1. |
时频电磁法(Time-frequency electromagnetic methods)，是在可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)和长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)的基础上发展起来的一类电磁勘探法.时频电磁法的优势是将时间域与频率域电磁勘探方法结合在一起，其工作方式类似于地震勘探，分发射和接收两部分.发射端采用长导线源，利用大功率发电机供电，具有大功率激发探测深度大、信噪比高的特点，特别是采用大功率长周期信号激发有利于研究油气目标的极化响应.接收端利用采集站连续高频采样，同时采集电场和磁场信号，经过傅里叶分析获得频率域信息，其中的低频信号可以进行时间域处理，低频时间衰减曲线记录了测点处由浅至深的电性变化信息，一次性采集到的时间域和频率域信号，为两者联合处理解释，进而提取和探测目标层位的电阻率和激电异常特征信息提供了最佳可能.
依据发射点和接收点布设的空间相对关系，可将时频电磁法分为地面时频电磁法、井-地时频电磁法、地-井时频电磁法和井间时频电磁法四类.发射源与接收站的距离即偏移距(又称收发距)与要探测的目标深度及研究区地质条件有关，根据技术规程要求本研究区为5~10km，接收系统采用排列式接收，每个排列为12~24道，利用250kw发电机供电，野外施工布置见图 5[23-25].
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图 5 时频电磁法野外工作示意图 Fig. 5 The acquisition sketch map of TFEM exploration |
野外共完成时频电磁法测线2条，剖面总长20km，物理点202个，勘探试验野外采集布设如图 1b所示.
数据采集工作包括现场数据处理、后期资料处理两部分.
现场数据处理在研究区野外采集小组营地完成.每天的采集工作结束后，资料采集人员将采集到的数据交给资料现场处理人员，处理员将资料进行原始数据备份、现场资料处理.现场处理主要分以下几个部分：(1)资料准确性校对；(2)资料预处理；(3)数据去噪.
后期资料处理又分为时间域资料处理和频率域处理两大部分，图 6为资料处理流程：
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图 6 时频电磁法资料处理技术流程图 Fig. 6 The data processing flow of the TFEM exploration |
时间域数据处理主要分为初步处理、求取地电参数、反演及地质层位标定等几个阶段：
(1)初步处理：包括对记录信号进行回放显示、频谱分析和同步叠加.通过回放显示，可以了解野外记录的数据品质和噪声水平.
(2)求取地电参数：求算每个测点的综合地电参数，即确定任意源区的视电阻率ρ(t)和纵向电导S(t).
(3)反演处理及地质层位标定：对所获得的视电阻率数据进行深度反演，获得电阻率信息，可以给出地下介质电阻率随深度的变化规律，提供了地层纵横向定量的电性变化规律，较准确地反映了地层起伏形态和地电结构的变化规律.
解释时频电磁资料前，需要利用已知资料对电阻率反演结果和各种异常信息进行地质层位标定，其目的是建立已知资料-反演结果-电性异常-地质层位之间的关系.
频率域资料处理分为三个阶段：
(1)数据预处理：包括对记录信号进行回放显示、频谱分析和同步叠加.通过回放显示，可以了解野外记录的数据品质和噪声水平，进行去噪处理.同时对数据进行格式转换，建立测区数据库.
(2)异常信息提取：在数据库的基础上，利用激发电流数据对数据进行归一化处理，去除干扰频点和畸变点，求取各点振幅和相位，并进一步利用振幅和相位数据处理振幅异常和相位异常.
(3)利用地震层位约束进行电阻率反演和极化率反演.
6 勘探效果分析1) 6.1 电阻率(R)异常特征分析图 7和图 8为对01线和02线的约束反演剖面，剖面总体电性异常有如下特征：第一，电性层总体上变化平缓，界面连续，说明本区地层、特别是浅部地层发育平稳.第二，两条剖面总体电性结构具有类似的特征，自上而下总体上表现出高低相间的电性结构，自南向北高阻基底逐渐抬升.第三，在-2000高程以下，两条剖面电性结构特征有明显的差异，主要是02线深部高阻在北段急剧抬升，1线中部高阻自南向北逐步抬升，没有突变抬升.考虑到2线北端已进入煤矿开采区，预计受到了一定的干扰.
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图 7 01线电阻率约束反演与叠合解释剖面图 Fig. 7 The constraints inversion of Resistivity and overlapping explain profiling (line 01) |
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图 8 02线电阻率约束反演与叠合解释剖面图 Fig. 8 The constraints inversion of resistivity and overlapping explain profiling (line 02) |
电阻率反演剖面(图 7，图 8)显示电性层从上至下依次呈现为次高-低-次高-低-高-低-高，变化规律与电测井曲线反映的趋势基本一致，三叠系铜街子组高于下三叠系、上二叠系电阻率，下二叠表现为次高阻，志留系罗惹坪组上段表现为低阻、下段表现为高阻，主要勘探目的层志留系龙马溪组和奥陶系五峰组表现为低阻，奥陶系往下整体为高阻，但有巨厚的低阻夹层，推测为寒武系泥页岩的电性反映.反演电阻率剖面揭示电性层变化规律与物性资料一致.
区内主要断层在01线和02线的电性剖面上都有明显的表现，主要表现为电阻等值线扭曲和相对低阻异常.
6.2 激电(IP)异常特征分析时频电磁法的优势之一就是能够在提供探测目标电阻率信息的同时，还能提供探测目标的激电异常分布.
图 9和图 10为01线和02线层约束后的激电异常剖面.通常，激电异常反映的深度为视深度，和电性层的深度有关，但并非严格对应.两条剖面总体激电异常特征为：第一，激电异常横向变化相对平缓，界面较连续，说明各电性层具有类似的激电特征.第二，两条剖面激电异常结构具有类似的特征，总体上有纵向分层的特点.自上而下表现为高低相间的激电异常结构，自南北向盆地中心，激电异常升高.激电异常剖面和电阻率反演剖面(图 7、图 8)有一定的对应关系，二叠系玄武岩、志留系罗惹坪组上段表现为中等激电异常，下三叠系泥岩、下二叠灰岩、奥陶系和寒武系灰岩表现为低极化异常特征，而勘探目的层志留系龙马溪组和奥陶系五峰组表现为极高的极化率.
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图 9 01线极化率反演剖面 Fig. 9 The inversion profiling of induced polarization (line 01) |
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图 10 02线极化率反演剖面 Fig. 10 The inversion profiling of induced polarization (line 02) |
与常规激电勘探方法不同，时频电磁法分析探区由浅至深的激电异常，通过异常的相对变化判定富有机质页岩或含油气岩体的有机质相对富集情况.虽然这类方法在多个探区有不少成功的案例，但总体上，基于时频电磁法的激电异常分析页岩层系富有机质的分布还有许多理论和实践问题有待深入研究.
采用电磁勘探法对低阻地质体具有较强的发现能力，由于富有机质页岩具有较低的电阻率和相对较高的激电率，因而具备了较好的时频电磁法工作前提.同时由于时频电磁采用大功率发射系统，相对于被动源电磁勘探法，采集数据具有较高的信噪比，有利于区分地下目标的激电异常特征.因而，时频电磁法能够在富有机质页岩勘探试验中取得较好的效果.
7 结论对于还同时具备其它相关参考资料，特别是油气地震资料约束的勘探地区，电法勘探的体积效应能得到最大程度的克服，由此，时频电磁法在面向富有机质页岩层系勘探工作中所发挥到的作用，有望实现从区域勘探过度为目标勘探的转换，即可用于直接含油气性探测.相对于大地电磁法近50年的发展历程，时频电磁法仅有不超过10年的发展过程，本方法在油气勘探效果和应用领域上，还有较大的发展潜力.
采用时频电磁法在四川盆地南部地区开展的富有机质页岩层系勘探试验表明：(1)富有机质页岩层系的时频电磁异常模式为低阻-高极化模式；(2)时频电磁法不仅能获得反映地电结构的电阻率反演剖面，还可以同时获得反映页岩层系有机质富集程度的激发极化异常；(3)研究区内部分地段龙马溪组(含奥陶系五峰组)电阻率相对异常大于20%，激电率异常大于20%，埋深约2000m，初步可以评价为富有机质页岩有利分布区.
本项工作在2011年度取得上述研究认识的基础上，于2012年度在同一地区，按照三维思路，继续系统开展了时频电磁法勘探试验.根据三维勘探试验，在试验区富有机质页岩层系分布、有利目标区分布预测两方面，都取得了进一步的成果认识.可以预见，采用时频电磁法技术在进行富有机质页岩层系勘探中，可能将会发挥出较大的实际应用效果.
致谢感谢中国石油天然气集团公司高瑞祺、中国石化石油勘探开发研究院王庭斌两位教授级高级工程师对本项工作的支持、指导和帮助.
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