2016, Vol. 31
2. 北京大学地球与空间科学学院 遥感与地理信息系统研究所, 北京 100871
2. Institute of Remote Sensing and Geographic Information System, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
煤层气资源作为新兴的非常规能源之一，不仅是常规能源的有效补充，而且对全世界，特别是我国的能源结构改革产生革命性的影响(Flores，1998; Ayers，2002; Moore，2012).国家中长期发展计划纲要中更是将“大型油气田及煤层气开发”列为重大科技专项之一，其中煤层气领域关键问题之一是发展复杂地质环境下煤储层探测及动态监测技术.目前煤层气储层探测主要利用钻孔取芯、试井和测井等方法直接评价储层(Diamond and Schatzel，1998; Fu et al.，2009; Deng et al.，2013)，或利用生产数据结合预测模型分析排采状态(Zhou et al.，2012; Clarkson，2013).但是这些方法都存在费时费力、花费巨大的问题，不适合面积性原位探测.因此考虑利用煤层气富集区地球物理参数特征来评价煤储层.前人开展了储层地震属性分析、叠前AVO反演、方位AVO反演、波阻抗反演等研究(Ramos and Davis，1997; Peng et al.，2006; Qi and Zhang，2012; Gilliland et al.，2013).但是煤储层地震响应机制复杂，如何从地震属性参数中提取与煤层气富集有关的“岩石物理敏感因子”等问题仍然有待研究(Peng et al.，2006).也有学者尝试采用人工源电磁法，反演储层上覆低阻含水层间接实现储层探测(王绪本等，2013).上述勘探方法也存在成本高，复杂地形适应性差，不适合做动态监测等问题.目前能够经济、快速实现千米以浅的储层勘探和动态监测的方法主要是天然源音频大地电磁法(AMT)，但其在煤储层探测方面还少有研究，主要原因在于AMT反演解释合理性和薄电性层解译等问题尚未解决.考虑到计算成本，国内外往往关注大勘探尺度三维模型的大地电磁(MT)二维反演可行性(Ledo，2005)，如反演模式选择问题.有人认为TE模式对模型二维性要求高，对低阻层敏感，但容易出现假异常，受静位移影响大(Berdichevsky et al.，1998; Cai and Chen，2010)；也有人认为TM模式三维容忍度较高，对高阻体敏感，但垂向分辨率低(Ledo et al.，2002; Jones and Garcia，2003; Cai and Chen，2010)；还有研究发现TE & TM模式可以弥补单独模式反演的问题，反演效果更好(Berdichevsky et al.，1998; Martinelli et al.，2000).加入倾子(TP)资料进行TM & TP模式反演可能更适合三维模型反演，垂向分辨率较高(董浩等，2012).但是在三维畸变存在时，很难判断哪一种反演模式是合适的(Garcia et al.，1999; Ledo et al.，2002).尽管针对三维畸变校正也有很多方法问世(Sternberg et al.，1988; Jones，2011)，但是这些方法在实际勘探工作中规模推广的可行性不高.随着成熟、快速三维反演程序进入到工业化阶段，在一般的计算机上实现三维反演已经不再困难(Egbert and Kelbert，2012; Siripunvaraporn，2012; Siripunvaraporn et al.，2004).因此，可以考虑在AMT勘探中直接应用三维反演.
综上所述，大地电磁测深(MT)二维反演模式选择问题目前仍无定论.前人设计的模型多为几十甚至几百公里的尺度，与浅层勘探的AMT法并不匹配，鲜有人系统研究适合AMT法勘探尺度的三维模型设计、薄目标层识别、二维特别是三维反演的适用性等问题.针对煤层气勘探，也没有文献系统研究AMT法三维探测的可行性.本文将结合沁南煤层气成藏模式分析，依据地质、物探资料，设计匹配AMT法探测尺度的三维模型并计算AMT正演响应，利用Egbert和Kelbert(2012)开发的ModEM程序对模型响应进行二维、三维反演分析.结合沁水盆地南部胡底区块的实测资料反演解释，探讨了AMT三维反演在浅层储层勘探方面的可行性，为下一步储层动态监测奠定了基础.
1 沁南煤层气成藏模式 1.1 区域和水文地质概况沁水盆地位于晋东南部，是在印支运动，特别是燕山运动的作用下形成的一个晚古生界残留盆地，其南部形成了我国主要的煤层气富集区.富气区沿着次级向斜轴部展布，煤层气成藏主要受各类构造(如褶皱、封闭断层)和地下水动力封堵作用形成煤层气藏，富气区域水文地质剖面图如图 1a所示(Su et al.，2005).致密低渗的顶底板减少了煤层气逸散，如3号煤层顶板为厚度大于10 m的泥岩和粉砂泥岩，15号煤层顶板多为沉积稳定的海相灰岩.侧向则主要受边界断层和水动力封堵(Liu et al.，2014).地表水或降水通过补给区沿着渗透性良好的地层向深部运移，如黑色箭头所示，在滞留区对储层形成静水压力差，从而保证煤层气储存.煤层气藏边界区如图 1b所示，西部封闭性寺头断层的存在使得其两侧含气量差别明显，北部分水岭使得其两侧气藏分属于各自流动单元，地下水向南部径流.而东部和南部则为水动力封堵边界.地表水和降水由东部、南部向深部运移，西部被封闭的寺头断层阻挡，加上低渗顶底板的封堵，在低洼地区径流缓慢，利于煤层气富集.此外，沁南煤层气藏地下水化学类型主要为NaHCO3型，水矿化度为800~2400 mg/L，使含水层呈明显低阻.
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图 1 沁南储层压力剖面图和边界示意图(Su et al.，2005) (a)沁水南部水文地质图及石炭系太原组地下水位线；(b)沁南煤层气区域边界图. Figure 1 The reservoir pressure profile of Southern Qinshui Basin and its boundary map(Su et al.，2005) (a)Hydro-geological map of Southern Qinshui Basin and the water-table isohyps line of Taiyuan formation.(b)The display map of boundaries. |
为了实现储层探测，需要了解区域煤层气聚集的构造单元，即成藏模式.这可以提供勘探靶层或靶区，也为三维合成模型的设计提供依据.基于区域水文地质资料和实际观测经验，总结沁南主要煤层气成藏模式为断层-水动力封堵气藏，向斜水动力圈闭气藏，断层-背斜-水力圈闭气藏，分别如图 2a-c所示.
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图 2 沁南煤层气成藏模式示意图 (a)断层-水动力封堵煤层气藏;(b)向斜-水动力封堵煤层气藏;(c)断层-背斜-水驱圈闭煤层气藏.其中箭头指向为地下水运移方向，阴影区为煤层气富集区域.空白区域为上覆岩层分布. Figure 2 Coal-bed Methane accumulation patterns in southern Qinshui Basin (a)Fault-hydrodynamic sealing accumulation pattern;(b)syncline-hydrodynamic sealing accumulation pattern;(c)fault-anticline-water driven accumulation pattern. The arrows point at the direction of water flow. Shadow regions represent distributions of Coal-bed Methane reservoirs. The blank regions are distributions of overlying rocks. |
(1) 断层-水动力封堵气藏.地下水由地表补给区向深部储层运移，形成储层侧翼的水动力封闭.而另一侧则为封闭性断层或补给区开放性断层，上覆盖层厚度和岩性也利于煤层气富集，形成气藏；
(2) 向斜水动力圈闭.地表水沿着向斜构造两侧补给区向深部中心汇流，使中心处于地下水位闭合的滞流区内，地下水在向斜中心部位形成水动力封堵，静水压力较高，煤层气不易解吸逸散，从而形成煤层气富集区；
(3) 断层-背斜-水力圈闭气藏.处于背斜轴部的地下水由于重力作用向两侧深部运移，在断层边界处阻碍了煤层气沿断层向上逸散，对储层保持压力差，形成水动力封堵成藏.
结合成藏模式分析和前人研究经验(王绪本等，2013; Wang et al.，2014，2016)，提出探测方案如下：1)根据成藏模式、储盖关系和钻孔资料总结气藏电性特征，构建三维地电模型；2)计算三维模型正演响应，并通过二维和三维反演分析，最后确定合理的反演方案；3)对实际探测资料进行反演，提取低阻或高阻目标层分布，推断煤层气成藏模式；4)提取储层分布特征，结合地质和生产资料分析排采状态.
2 三维理论模型的二维、三维反演 2.1 三维高、低阻目标层模型设计沁南煤层气区含煤地层沉积稳定，自上而下依次存在第四系(Q)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)等，特征标志层清晰.其中二叠系下石盒子组(P1x)底部砂岩层K8层位稳定，多富水结构.K7砂岩层为二叠系山西组(P1s)底部砂岩，层位稳定，其上3.2～9.7 m为3号煤层.K2灰岩层位于石炭系上统太原组(C3t)，是15号煤层顶板，厚度和岩性很稳定，易于识别.石炭系下统本溪组(C2b)为底板，奥陶系中统峰峰组(O2f)及以下为高阻基底.以本区ZK12-1作为基准孔，利用测井资料获得的主要煤层、标志层、岩层电性参数如表 1所示.其中，砂泥岩电阻率较低，一般在300 Ω·m以下，而石灰岩电阻率超过了900 Ω·m.煤岩电阻率变化范围较大，因此很难直接提取煤储层作为标志层.相反可以考虑提取那些沉积稳定、低阻或高阻特征明显的地层作为标志层.
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表 1 沁南煤层气区钻孔和测井揭示的电性参数及岩性特征 Table 1 Electrical parameters and lithological properties of southern Qinshui Basin revealed by dipoles and logging wells |
实际勘探过程中，经常会遇到浅表存在电性异常体的情况.考虑到AMT勘探线在几公里到几十公里，浅表异常体往往会小于或接近勘探线尺度，可以视为三维异常.此外，区域内储层围岩通常为沉积稳定的粉砂岩、砂泥岩等，电阻率相对均匀.本区大部分储层处于水力圈闭，低阻富水层可以作为目标层考虑.而15号煤层顶板为层位稳定的高阻石灰岩，也可以被视为高阻目标层.目标层往往只有几十米厚，相对埋深来说(一般“深度-厚度”比不小于10)为薄层.目标层沿着走向有足够的展布，因此可以视为二维结构.沉积稳定的围岩和基底则可以视为一维结构.本区储层埋深一般为500~700 m，目标层位厚度一般为10~50 m，浅表高低阻异常分布也在几十米厚.为了突出异常响应，浅表和目标电阻率值分别设置为1 Ω·m和1000 Ω·m，基底石灰岩设为3000 Ω·m.因此可以设计千米以浅勘探尺度的薄低、高阻目标层三维模型，如图 3a所示.Y为总体地层走向方向，在XOY剖面内Z=0地表处，感兴趣区域范围为5 km× 3 km，之中分别设置了1 km× 1 km的低阻(1 Ω·m)和高阻(1000 Ω·m)三维异常体.沿着Y=0的XOZ剖面，如图 3b所示，浅表三维异常体厚度各为50 m.在470 m深度处，存在一个3000 m× 30 m的1 Ω·m二维异常体，其沿着走向Y方向无限延伸，为勘探目标层.在目标层以下50 m处为3000 Ω·m的高阻基底.高阻目标层模型浅表结构设计与低阻模型一致，如图 3a所示.而从图 3c中显示的Y=0处XOZ剖面可以看出，在470 m深度处，其存在一个3000 m× 30 m的1000 Ω·m二维高阻异常体，其他模型部分与低阻模型一致.
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图 3 薄低阻、高阻目标层三维模型 (a)两个模型Z=0处XOY剖面示意图；(b)低阻目标层Y=0处XOZ剖面；(c)高阻目标层Y=0处XOZ剖面. Figure 3 Three dimensional models with resistIve and conductive objective layers (a)XOY profile of two models(Z=0);(b)XOZ profile of the low resistive objective model(Y=0);(c)XOZ profile of the high resistive objective model(Y=0). |
考虑到沿着电性主轴方向(倾向)进行二维反演效果较好(董浩等，2012)，选取XOY平面上Y=0的一条横跨各个不均匀体的典型测线，如图 4a所示.经过三维正演计算，给出该测线20个测点的阻抗张量和倾子响应.对于每一个响应分量，分别加入5%的随机噪声模拟实测数据，做为反演的初始数据文件(Egbert and Kelbert，2012).利用ModEM系统(Kelbert et al.，2014)分别对该测线进行二维TE、TM和TE & TM模式的反演，以及三维阻抗张量反演.反演初始模型和先验模型皆为100 Ω·m的均匀半空间，三维网格为24×32×28，空气层剖分了7个网格.在感兴趣区域水平网格剖分都是250 m.垂向方向对浅表和目标层以10 m网格剖分，而围岩层则以25~100 m不等的网格剖分，基底深度满足边界条件的要求.二维反演对感兴趣区采用了32×28个网格剖分，其他部分的剖分方法与三维网格剖分一致.二维TE模式反演，经过了78次迭代，初始RMS为15.22，迭代收敛时RMS为1.64；二维TM模式反演，经过了84次迭代，初始RMS为14.77，迭代收敛时RMS为1.81；二维TE & TM模式反演，经过了97次迭代，拟合RMS为14.97，迭代收敛时RMS为2.24；而三维反演经过了62次迭代，初始RMS为18.10，最终收敛时的RMS为1.17.上述最终反演模型的响应与模型理论响应都拟合较好.二维反演结果如图 4b~图 4d所示.可以看出，TE模式反演会因为浅表低阻异常体的影响而产生垂向上明显的低阻假异常，而且低阻异常之下的目标层完全无法反演出来.浅表高阻异常则基本可以圈出轮廓，但其下目标层则存在明显垂向假异常；TM模式反演则很好地圈出浅表的低阻和高阻异常，但对目标层反演也存在垂向分辨率低的问题；TE & TM模式反演则相当于TE、TM模式反演的一种折中，浅表低阻体没有TE模式的垂向假异常大，但是不如TM模式的结果.且较TE模式可以提取更多目标层异常，垂向上分辨率较TM也稍高.综合来看，对三维模型而言，仍然需要根据勘探目标的具体情况来选择合适的二维反演模式.对所有测点进行三维张量阻抗反演，得到同一条测线的三维反演剖面，如图 4e所示.可以看出浅表异常都可以被准确圈出轮廓，低阻目标体得到了明显突出，垂向分辨率较二维反演要高.但是目标层仍然存在部分垂向假异常分布，可能与浅表异常过厚，电阻率过低，垂向影响范围过大有关.总体来说，如果计算资源允许，对于存在浅表三维畸变的薄低阻目标层AMT勘探，最好选择三维反演，能够尽可能突出目标层信息，减少假异常影响.
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图 4 低阻目标层模型剖面示意图及反演结果图 (a)三维模型表面X方向一条典型剖面.其中红色框圈出分别圈出不同深度的浅表和目标低阻体(1 Ω·m)，蓝色框圈出浅表高阻体(1000 Ω·m)；(b)二维TE模式反演；(c)二维TM模式反演；(d)二维TE & TM模式反演；(e)三维阻抗张量反演.黑色框为模型中真实异常体的位置. Figure 4 Profile of objective low resistive model and its inversion section maps (a)Typical profile in the X direction of the model. The red rectangles are near-surface and objective low resistive anomalies(1 Ω·m)in different depths，and the blue represents the near-surface high resistive anomaly(1000 Ω·m);(b)two dimensional inversion in the TE mode;(c)two dimensional inversion in the TM mode;(d)two dimensional inversion in the TE & TM mode;(e)three dimensional inversion of impedance tensor. The black rectangles are real anomalies. |
高阻目标层反演模型设计与计算流程与2.2所述一致.典型探测线如图 5a所示由20个测点组成(黑色点所示).二维TE模式反演，经过了97次迭代，初始目标函数拟合RMS为12.64，迭代收敛时RMS为2.15；二维TM模式反演，经过了93次迭代，初始目标函数拟合RMS为13.34，迭代收敛时RMS为1.86；二维TE & TM模式反演，经过了113次迭代，初始RMS为13.02，迭代收敛时RMS为2.58.反演剖面如图 5b~d所示.TE模式反演中浅表低阻体仍然存在垂向假异常，其下的高阻异常可以略微识别.浅表高阻体则基本可以圈出，但是其下的目标层则很难分辨；TM模式反演可以圈出浅表异常，但是基本提取不出目标体信息；TE & TM反演则可以看成是TE、TM模式反演的折中，浅表低阻体垂向分辨能力高于TE模式，但低于TM模式.可以如TE模式那样识别部分目标体，但垂向假异常突出.三维阻抗张量反演迭代了94次，初始RMS为13.28，最后迭代收敛时的RMS为1.62，结果如图 5e所示.可以看出对于浅表异常体，无论是电阻率分布还是边界都可以准确提取，但对于高阻目标层也很难分辨.也就是说在实际AMT探测时无论二维反演或者三维阻抗张量反演都是很难提取高阻薄层，我们把高阻薄层作为目标层进行探测是不合适的.
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图 5 高阻目标层模型剖面示意图及反演结果图 (a)三维模型表面X方向一条典型剖面.其中红色框圈出浅表低阻体(1 Ω·m)，蓝色框圈出浅表和深部不同深度处高阻体(1000 Ω·m)的分布；(b)二维TE模式反演；(c)二维TM模式反演；(d)二维TE & TM模式反演；(e)三维阻抗张量反演.黑色框为模型中真实异常体的位置. Figure 5 Profile of objective high resistive model and its inversion section maps (a)Typical profile in the X direction of the model. The red rectangle is near-surface low resistive anomalies(1 Ω·m)，and the blue ones represent the near-surface high resistive anomalies(1000 Ω·m)in different depths;(b)two dimensional inversion in the TE mode;(c)two dimensional inversion in the TM mode;(d)two dimensional inversion in the TE & TM mode;(e)three dimensional inversion of impedance tensor. The black rectangles are real anomalies. |
结合AMT法勘探尺度和实际勘探情况看，不能简单地说哪一种二维反演方法更为合适，因为三维异常的影响是必须要考虑的.这样就有必要直接利用三维反演的手段.AMT法三维反演不仅可以圈出浅层异常，而且可以更准确地提取低阻体分布，但是其同样很难分辨薄高阻目标层.所以用AMT法识别薄高阻层要非常慎重，可以说其并不适合提取高阻目标体.对于上述三维模型，我们也进行了三维反演的稳定性测试，包括三维全信息(阻抗张量+倾子)反演，以及不同初始模型的反演测试.研究发现倾子的加入并没有改善反演结果，而初始模型对三维反演却有很大影响.通常选取均匀半空间模型作为初始模型(Egbert and Kelbert，2012; Rodi and Mackie，2001; Xiao et al.，2011)，或者根据原始探测数据一维反演结果插值获得初始模型(Chen et al.，2014).在音频大地电磁探测尺度范围内，还没有充分证据说明哪类初始模型更好.我们设计了不同的初始模型作为算例，结果表明在三维反演中加入模型约束条件，反演结果都会有不同程度的改善，但仍然不能完全聚焦真实目标层.在音频大地电磁探测范围内，模型垂向分布基本在公里级尺度.而对于几十米至百米的目标层，其反演结果会受到反演算法、计算精度和浅表异常的多重影响，即使在比较理想的情况下，也极可能造成反演目标层存在纵向几米甚至十几米的偏差，这也是实际应用中无法回避的.
因此综合以上讨论，如果初始模型选取得当，尽可能约束电性结构，那么三维反演会给出更准确的目标层探测结果，即使是薄高阻层也可能反演出来.在背景信息不足时，较稳健的方法仍是选择均匀半空间模型作为初始模型.总体上看，在计算资源可以满足的情况下，利用三维反演提取低阻目标层是实际AMT法野外工作中最佳探测方式.
3 煤层气藏AMT三维探测实例 3.1 研究区地质概况研究区沁南胡底区块，如图 6中左图红色五角星所示，位于晋获褶断带西侧，局部构造方向与区域构造方向基本一致，整体地层产状平缓.由东南向西北依次出露奥陶系、石炭系和二叠系.第四系广泛覆盖于上述地层之上，总厚约30 m.研究区内沿地层倾向与走向存在褶曲叠加，少量断裂发育或为封闭断层，或为开放性断层，造成该区煤层气分布并不均匀.如图 6中3号煤层含气量分布图所示，由于封闭性的固县河西侧断层F1边界的存在，在其两侧形成不同的含气性分布，断层西北部形成一个高含气区，平均含气量在25 m3/t.而中部偏南，在F2和F3断层之间则存在一个含气低谷，平均含气量10~15 m3/t，可能因为F2、F3中有开放性断层所致.研究区东侧则为一个低含气区，平均含气量在10 m3/t以下，推断F3断层边界为开放性边界.该区多年排采施工使得地层水动力连通普遍，围岩层都可能有裂隙水富集.储层上覆厚度较大的稳定含水盖层，往往呈现明显低阻，可以作为AMT法三维反演解释的目标层.结合反演推断的成藏模式间接识别储层.因此，该区具有开展AMT法三维探测的地质条件.
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图 6 研究区3号煤储层含气量分布图及AMT勘探示意图 Figure 6 Gas content distribution map of the No.3 coal layer in the study area and exploration map using the AMT method |
2014年6月到9月间，按照图 6右图中红点所示点位开展了AMT探测试验.所用仪器为加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪AMT模块，采集频率从10400～0.35 Hz，每个测点平均采集时间约1个小时.在研究区方圆几公里范围内，测点之间保证50～200 m的点距，尽可能均匀分布.保持与生产设备及周边电干扰源30～50 m远，在有特殊构造的地方适当加密测点，干扰强时适当延长采集时间.采用参考道Robust数据处理方法计算阻抗张量，经过手动编辑，获得平滑的阻抗估计.实测阻抗张量数据误差保证在10%以内(Arango et al.，2009; Egbert and Kelbert，2012; Kelbert et al.，2014)，去除工频和“死频”频段附近存在较大误差棒的数据(Garcia and Jones，2008).各测点数据与前人采集的电磁响应数据特征基本一致(王绪本等，2013).图 7为部分测点视电阻率和相位数据，AMT响应大致趋势一致，推断存在三层或四层稳定沉积的电性层.测点1-3和2-9的中低频部分可能受到了浅表不均匀体的影响.考虑到研究区较小且地貌复杂，最后选择数据质量较高的18个测点数据(大致分布在两条测线上)参与三维反演.
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图 7 两条勘探线的部分测点AMT响应 Figure 7 Real AMT response data of two measuring lines |
三维反演在构建的模型数据中加入测点高程信息，实现带地形反演.初始模型和先验模型均采用100 Ω·m的均匀半空间.对不同误差棒、不同网格剖分、不同初始正则化因子的情况进行三维反演测试，异常体结构基本稳定.最后反演采用了26×34×50的网格剖分，其中勘探区经度方向(Y方向)上按照200 m间隔进行剖分，纬度方向(X方向)上按照300 m间隔进行剖分.垂向上(Z方向)在700 m以上每隔20 m进行网格剖分，700 m以下则按照1.5倍距下延15个网格，保证下边界条件得以满足.空气层剖分7个网格，满足上边界条件.三维反演初始RMS为6.47，经过66次迭代，收敛时的RMS为2.24，基本满足反演目标函数拟合的精度要求.选择具有代表性的测线1和测线2反演切片进行分析，两反演剖面尽可能通过多数生产井(well).
3.3.1 测线1的三维反演解释如图 8a上图所示，在500~700 m之间存在一个明显的低阻层分布，推断为富水层，这与前人在山西组和太原组地层推断的低阻分布结果一致(王绪本等，2013).已有勘探资料证实在图中最左侧Well 1-1附近存在一个呈圆柱形的固县口隐伏陷落柱，3号煤层埋深处上圆半径约135 m，而15号煤层埋深处半径约160 m，陷落高度为130 m.从反演切片图中也可以看出两个低阻层明显断开，其横截面也接近100 m，上小下大(红色虚圆圈出)，证实该陷落柱的存在(黑色虚曲线圈出).进一步抽取Well 1-1和Well 1-4附近三维反演电阻率随深度变化的曲线，如图 8b所示.找到两条曲线电阻率最低的位置(蓝色实虚线圈出)，第一个低阻带的深度与3号煤层位置相近，断距约100 m，与已知130 m的断距基本一致.而第二个低阻带断距约200 m，因此推断隐伏陷落柱向深部延伸，导致15号煤层存在约200 m的断距.陷落柱常使煤储层封闭性遭到破坏，造成煤层气失压解吸.另一方面，也使煤层中的地下水易于排泄，煤层气会在水驱下逸散.因此陷落柱的存在可能是该处存在含气低谷的主要原因之一.
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图 8 测线1的三维反演综合解释图 (a)测线1三维反演断面图.黑色倒三角为测点位置，黑色箭头为生产井位置，测线与生产井分布线近似平行.黑色虚曲线和红色圆圈代表陷落柱，黑色虚方框为与勘探解释图对比区域；黑色竖直线为Well 1-5的钻孔示意图；(b)Well 1-1和Well 1-4反演解释曲线对比图；(c)Well 1-5反演解释曲线对比图. Figure 8 Comprehensive three dimensional interpretation map of line 1 (a)Three dimensional inversion section map of line 1. The black nablas are sites，and arrows point at wells. The measuring line is parallel with the line of wells. The dotted line and red circles are collapse columns，and dotted rectangle is what could be compared with exploration map. The vertical line is the dipole of Well 1-5;(b)Comparative inversion curves of Well 1-1 and Well 1-4;(c)Comparative map of the inversion curve and the dipole result of Well 1-5. |
与图 8a上图的黑色虚方框圈出的部分对应，间距几公里处也有一条近平行的勘探解释剖面，如图 8a下图所示.三维反演结果显示电性层变化趋势与勘探解释成果一致.勘探解释剖面中断层走向约20°，倾向SE，倾角约45°，为正断层.而F2为固县河东侧断层，走向10°~25°，断层面倾向SE，倾角45°，可以推断其也为正断层，进而推断F3为逆断层.图中黑色竖直线代表了Well 1-5的钻孔结果，如图 8c所示.通过抽取Well 1-5附近的三维反演曲线，可以看出低阻带的最低点正好对应的是15号煤层的位置.现场踏勘显示该井15号储层生产过程中不仅采气，也将大量的地下水抽采到地面，推测15号储层含水量是很大的，很可能也为低阻带.所以目标低阻层不仅有含水盖层，也包括了排采煤储层.考虑到测线1地表水量丰富，形成地下水补给区.这样由F2和F3补给区开放性断层，包括它们之间500 m以浅的低阻带形成了一个断层-背斜-水驱圈闭气藏.而在相邻右侧区域，顶板封盖条件较好，与F3和F4一起近似构成了一个向斜-水动力封堵气藏，地下水沿着补给区F3，F4断层渗流到深部滞留区形成煤层气富集.这些褶曲富气构造说明了煤层气成藏的复杂性.地下水通过F4断层向深部运移，阻止煤层气逸散.由F4断层和右侧盖层则构成了一个断层-水动力封堵气藏.根据现场调查，Well 1-1，Well 1-4，Well 1-5和Well 1-9井基本停产，推断这些井只产水不产气，因此逐渐被关停，储层处呈现明显低阻；而Well 1-6，Well 1-7和Well 1-8井则仍处于生产状态，推断它们产水量相对少，储层电阻率会更高一些，这也从图 8a上图中可以看出来.因此，AMT三维反演不仅可以推断气藏分布，也可以帮助分析排采井储层生产状态.
3.3.2 测线2的三维反演解释测线2的反演切片如图 9a所示，在500~700 m深处也存在一个明显的低阻层.抽取Well 2-1 的三维反演曲线，与该井的钻孔结果对比，如图 9b所示.低阻带最低电阻率对应深度正好是15号煤层的深度，低阻带本身不仅包括上覆含水层，也包括了15号排采储层，再次证实了测线1推断的结果.测线2跨过了两条断层，通过反演剖面中低阻带的分布，推断F5为逆断层，断距很小，而倾角接近80°，可能为本区多次褶曲叠加造成的.F6断层倾角在45°~60°，断距也较小.考虑到储层上覆盖层稳定沉积，封盖性良好，两条断层之间形成了断层-背斜-水驱圈闭气藏.根据现场踏勘发现地表多为河流，利于形成地下水补给区，判断F5和F6为补给区开放性断层，地表水可以从断层处流入深处形成有效封堵.在F5左侧和F6右侧则分别形成了断层-水动力封堵气藏.在图 9a最右侧，地下水经F6断层运移到滞留区封堵煤层气，粗虚线圈出的气藏推断为向斜-水动力封堵气藏.Well 2-1井已经被废弃，Well 2-2、Well 2-3、Well 2-4和Well 2-5井也已经停产，可能因为储层中含水量过大，只排水不产气.反演断面揭示这些井储层位置都显示为明显低阻.而Well 2-6，Well 2-7，Well 2-8和Well 2-9井则都处于生产状态，从反演断面图中可以看出储层位置电阻率较高，含水量可能很低，可以继续采气.但是Well 2-6和Well 2-8井将逐渐进入生产后期，因为水力补给的存在。同时推断储层及围岩电阻率也有降低的趋势.相对而言，Well 2-7和Well 2-9井还可以继续采气.上述分析可以看出AMT三维反演不仅可以通过提取低阻目标层间接识别储层，也可以用于推断排采储层状态.
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图 9 测线2的三维反演综合解释图 (a)测线2三维反演断面图.黑色倒三角为测点位置，黑色箭头为生产井位置，测线与生产井排列线近似平行.黑色虚线圈出推断的向斜构造，黑色竖直线为Well 2-1的钻孔示意图；(b)Well 2-1反演解释曲线对比图. Figure 9 Comprehensive three dimensional interpretation map of line 2 (a)Three dimensional inversion section map of line 2. The black nablas are sites，and arrows point at wells. The measuring line is parallel with the line of wells. The dotted lines show the interpreted syncline structures. The vertical line is the dipole of Well 2-1;(b)Comparative map of the inversion curve and the dipole result of Well 2-1. |
本文综合分析沁南煤层气成藏模式，设计匹配AMT勘探尺度的三维合成模型并进行了二维、三维反演计算.合成模型反演结果表明：AMT法对薄低阻层较为敏感.二维反演会受到三维畸变效应不同程度的影响，很难判断哪种模式反演更有效.相比而言，三维反演则具有浅表异常识别准确，低阻体分辨率更高的优势.随着快速、并行三维反演系统的推广应用，低阻目标层的AMT法三维反演解释成为实际勘探首选.沁南研究区AMT实测数据三维反演表明，可以将薄低阻富水层做为间接识别储层的标志层.选择典型反演剖面进行分析，通过与钻孔资料比对，推断围岩与储层存在水力补给，导致储层和盖层都呈现出低阻特征.验证了隐伏陷落柱的存在，也揭示了研究区存在的三种煤层气成藏模式.随着排采的进行，地层之间水力连通会造成排采井逐渐减产甚至停产，影响了排采储层的产能，该结论与现场调查和实际生产数据揭示的结果相互验证.
4.2AMT法三维探测为下一步储层连续动态监测奠定了基础，但还需要对三维模型精细设计、反演稳定性分析和更多实测数据支持等问题开展深入的研究.
致谢 感谢国家科技重大专项子课题项目(2011ZX05034-02)和中国国家留学基金委项目提供的资金支持，感谢各地质单位提供的实际地质、物探和生产资料.同时，感谢美国俄勒冈州立大学的Gary Egbert教授提供的ModEM代码支持和大量的建设性意见，感谢中国地质大学(北京)董浩博士提供的三维数据可视化工具.特别感谢匿名审稿人和编辑部细致的评审和建设性的修改意见！| [] | Arango C, Marcuello A, Ledo J, et al .2009. 3D magnetotelluric characterization of the geothermal anomaly in the Llucmajor aquifer system (Majorca, Spain)[J]. Journal of Applied Geophysics, 68 (4) : 479–488. DOI:10.1016/j.jappgeo.2008.05.006 |
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