頻譜激電法在天然氣水合物勘查中的應(yīng)用

武 斌，鄒 俊，馬代海，陳 寧，張 皓

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊(duì)，成都 610072）

?

頻譜激電法在天然氣水合物勘查中的應(yīng)用

武 斌，鄒 俊，馬代海，陳 寧，張 皓

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊(duì)，成都 610072）

摘要：利用頻譜激電法在青海沱沱河地區(qū)進(jìn)行天然氣水合物勘查，確定天然氣水合物的賦存地層和深度，并探討天然氣水合物的在沱沱河地區(qū)的賦存特點(diǎn)，為沱沱河地區(qū)天然氣水合物的勘查，提供了可靠的地球物理依據(jù)，為探測常年凍土層的厚度提供了一種有效的地球物理方法。

關(guān)鍵詞：頻譜激電法；天然氣水合物；常年凍土；沱沱河地區(qū)

全球天然氣水合物礦產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)與日俱增，截止目前，世界上已經(jīng)直接或間接發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的礦點(diǎn)共有123處，其中海洋及少數(shù)深水湖泊114處，陸地永久性凍土帶9處。直接見到天然氣水合物樣品的有24處，利用探測資料推斷天然氣水合物存在的有99處（海洋64處，陸地35處）。

天然氣水合的賦存主要受控于溫度、壓力、孔隙水鹽度和氣源等基本因素。首先溫度要低，以0～10℃為宜，最高20℃左右，再高天然氣水合物就被分解了；其次壓力要大，但也不能太大，0℃時(shí)，30MPa以上它就可以生成；第三，沉積物孔隙水鹽度對水合物的形成在一定程度上起到抑制作用；第四，要有充足的氣源，如西伯利亞的永凍土層則具備了天然氣水合物形成、穩(wěn)定的固態(tài)的條件，在海洋深層300～500的沉積物中也具備這樣的低溫高壓條件。

在天然氣水合物中，水分子構(gòu)成籠型多面體格架，以甲烷為主的氣體分子包裹于其中。由于天然氣中80%～99.9%的成份是甲烷，故也稱甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，似冰狀，易點(diǎn)燃，故也稱為“可燃冰”。

我國凍土帶面積達(dá)215×104km2，占國土總面積的22.4%(周幼吾等，2000)，是世界上僅次于俄羅斯、加拿大的第三凍土大國。國家相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對青藏高原凍土區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和遙感等方面的探索性調(diào)查和評價(jià)，初步研究結(jié)果顯示，青藏高原特別是羌塘盆地具備良好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景，其次是祁連山木里地區(qū)、東北漠河盆地和青藏高原的風(fēng)火山地區(qū)等。2008年11月和2009年6月，我國在青海天峻縣木里鎮(zhèn)永久凍土帶多次成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品，成為世界上第一次在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的國家，也是繼加拿大1992年在北美麥肯齊三角洲、美國2007年在阿拉斯加北坡鉆探發(fā)現(xiàn)天然氣水合物之后，第三個(gè)在陸域通過鉆探獲得天然氣水合物的國家。

青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的勘查主要依靠地震勘探、測井、色譜測定，還有音頻大地電磁測深等深部地球物理勘探方法。相繼開展的工作有祁連山凍土區(qū)DK-1鉆孔天然氣水合物測井響應(yīng)特征與評價(jià)（郭星旺，祝有海，2011）；祁連山凍土區(qū)天然氣水合物氣體組分的氣相色譜測定；祁連山及鄰區(qū)天然氣水合物資源地震勘查祁連山及鄰區(qū)天然氣水合物資源音頻大地電磁測深勘查。

頻譜激電法是工程地球物理勘探主要方法，是一種高密度幾何測深方法。在所測得的頻譜中包含了由導(dǎo)電性引起的近場區(qū)電磁譜（EM）和由電極化性引起的激電譜（IP）。兩種譜在頻帶上占據(jù)不同的位置，用不同的模型做實(shí)測視頻譜的擬合反演可以分離它們，進(jìn)而達(dá)到去電磁譜（EM）響應(yīng)并求取四個(gè)激電譜（IP）參數(shù)：金屬因子 (Js) 、視充電率（ms） 、視時(shí)間常數(shù)（τs） 、視頻率相關(guān)系數(shù)（Cs）。這四個(gè)激電譜參數(shù)反映了地下異常地質(zhì)體的導(dǎo)電和電極化的性質(zhì)，可以對異常的物質(zhì)屬性做出較準(zhǔn)確的判斷。

1　沱沱河地區(qū)地形地質(zhì)及地球物理特征

沱沱河盆地位于青藏高原腹地，該區(qū)多年凍土區(qū)從北往南依次存在著三套主要沉積建造：即分布于不凍泉—五道梁地區(qū)的以第三系灰白色灰?guī)r為主的沉積；沱沱河地區(qū)二疊系黑色含煤系地層；雁石坪—安多地區(qū)的侏羅系海相地層為。其中，在雁石坪—安多地區(qū)，侏羅系海相地層主要為一套砂巖夾深灰色含生物碎屑灰?guī)r，局部如土門格拉地區(qū)還含有一套三疊系煤系地層。在這三套主要沉積建造中，二疊系含煤地層、三疊系含煤地層、侏羅系灰?guī)r是該地區(qū)潛在天然氣水合物的有利氣源生烴層系。

采用頻譜激電率法勘查，是結(jié)合了該地區(qū)近幾年已經(jīng)開展的音頻大地電磁測深、地質(zhì)雷達(dá)，大功率激電測深的基礎(chǔ)上進(jìn)行的地球物理勘查研究。2013年和2014年對287塊巖性標(biāo)本進(jìn)行了面團(tuán)法和水槽法測量，總結(jié)了該區(qū)的物性特點(diǎn)，從而為頻譜激電法的開展提供了理論基礎(chǔ)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)資料，通過標(biāo)本物性測試，對區(qū)內(nèi)主要地層巖石視電阻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表）。表中可以看出，區(qū)內(nèi)第四紀(jì)全新統(tǒng)風(fēng)積層（Qheol）、晚更新世沖洪積（Qp3pal）巖性主要為砂礫巖、粉砂巖及泥巖；古近紀(jì)漸新世-古新世沱沱河組（Et）、新近紀(jì)中-漸新世雅西措組（E3N1y）地層巖性主要為砂巖、礫巖、泥灰?guī)r夾鈣質(zhì)細(xì)砂巖或泥巖，表現(xiàn)為中低阻特征；區(qū)內(nèi)晚三疊世結(jié)扎群（T3j）、晚二疊世烏麗群那益雄組（P3n）等地層巖性主要為石英砂巖、泥晶灰?guī)r、石英質(zhì)礫巖等，為中高阻，所雜細(xì)砂巖、泥鈣質(zhì)板巖、碳質(zhì)頁巖及煤線等為低阻。并且，該區(qū)巖漿巖的極化率較高，烴源地層的極化率次之，灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖和泥巖的極化率最低。

沱沱河地區(qū)標(biāo)本物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

此前雖然取得了大量的物性資料，但采集的標(biāo)本多是地表，風(fēng)化、氧化比較嚴(yán)重，所以測得的電阻率（ρ）偏小。因?yàn)槁懵兜臒N源地層，天然氣水合物已經(jīng)散失，所以測得的物性電阻率偏低，對解釋會產(chǎn)生偏差。本次采用新的電法參數(shù)（視頻散率Ps）同樣存在這樣的問題，所測極化率（Ps）偏大，在資料的分析研究中要特別注意。建議收集些鉆孔中的新鮮烴源地層，但必須在低溫下保存；但經(jīng)常鉆機(jī)在取芯的時(shí)候?qū)λ灿衅茐淖饔?。該區(qū)巖石致密和裂隙發(fā)育，決定了研究區(qū)是裂隙型的天然氣水合物為主，孔隙型的天然氣水合物次之。對我們研究頻譜激電的激電譜（IP）參數(shù)：Js(金屬因子)、ms（視充電率）、τs（視時(shí)間常數(shù)）、Cs（視頻率相關(guān)系數(shù)）提供了基礎(chǔ)。

2　頻譜激電法方法技術(shù)

裝置選擇頻譜激電測量最常用，也是最有效的偶極—偶極裝置（圖1）。本次選用電道數(shù)為12道，每個(gè)電道控制深度為30m，合為180～460m，加上地表有120m的隔離帶，底部延展帶60m（即如果激化體也會反映到上面電道中去），總體探測深度在120～520m之間，電道設(shè)置滿足探測深度要求。為盡可能使探測深度達(dá)到這個(gè)范圍，并充分考慮分辨率及儀器設(shè)備自身施工要求，決定在垂向及縱向上數(shù)據(jù)間距定為30m一個(gè)，對應(yīng)的接收極距為60m。通過野外試驗(yàn)，最終選擇5倍接收極距，即300m的發(fā)射極距。分別選擇1倍、2倍、3倍接收極距，這樣也可將數(shù)據(jù)層從460m擴(kuò)大至520m，達(dá)到地質(zhì)要求。頻率設(shè)置一般選擇在2的整冪數(shù)倍，本次物探勘查選擇0.031 25～256HZ較寬的區(qū)域進(jìn)行測量。為了保證果數(shù)據(jù)平滑可靠，排除自然人為干擾，對每個(gè)頻率都給了4次讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)0.031 25～256HZ的頻率域，最終每個(gè)排列測量的時(shí)間需要31分鐘。

圖1　頻譜激電測量偶極-偶極裝置

主要測量地下地質(zhì)體的金屬因子（Je），視頻散率（Ps），視電阻率（rs）。同時(shí)測量反應(yīng)電極排列勘探體積內(nèi)的可極化物質(zhì)體積含量正相關(guān)的視充電率（mS），反應(yīng)電極排列勘探體積內(nèi)的可極化物質(zhì)的粒度大小等結(jié)構(gòu)信息的視時(shí)間常數(shù)（tS），反應(yīng)電極排列勘探體積內(nèi)的可極化物質(zhì)混合分布均勻性的視頻率相關(guān)系數(shù)（сS）。獲得上述物理參數(shù)后，充分研究天然氣水合物與這些物理特征的相關(guān)性。頻譜激電法工作的三個(gè)參數(shù)ms、ts、cs主要反應(yīng)了巖層中電子導(dǎo)電礦物含量高低、顆粒大小及各種構(gòu)造特征，通過研究這些特征找出與天然氣水合物運(yùn)移儲集地質(zhì)條件的關(guān)聯(lián)性。

3　頻譜激電法資料分析研究

通過多次反演資料分析，得出如下結(jié)論：天然氣水合物的儲集地層為炭質(zhì)泥巖，其晶體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，電離常數(shù)低于冰，其電阻率值一般大于100Ω ?m，與圍巖電阻率差異較明顯，因此推斷存在天然氣水合物規(guī)模性儲集的地段其電阻率值不應(yīng)太低。天然氣水合物本身不產(chǎn)生IP效應(yīng)，其儲集地段的IP效應(yīng)主要來自于地層中的炭質(zhì)或鹵水，因此其Je﹑Ps和ms三個(gè)參數(shù)的斷面圖會顯示出相對高值。反之，在天然氣水合物規(guī)模性儲集的地段其Je﹑Ps和ms值低。需要特別說明的是，ms參數(shù)與反應(yīng)IP效應(yīng)的Je﹑Ps參數(shù)不同，當(dāng)Je﹑Ps參數(shù)值較低時(shí)，表明IP效應(yīng)不明顯，而ms參數(shù)仍能指示出可極化物質(zhì)的空間分布，與地層中極化物質(zhì)的連通性較差等因素有關(guān)。ts值越小的區(qū)域，其石墨含量較低或可極化物質(zhì)的連通性較差，與天然氣水合物規(guī)模性儲集地層的物性特征較為相似。根據(jù)天然氣水合物生成的地質(zhì)條件及成礦特點(diǎn)分析，天然氣水合物形成后會使炭質(zhì)泥巖地層產(chǎn)生不均勻性，其Cs值應(yīng)偏低。本次主要采用rs、ms、ts、Cs四個(gè)電性參數(shù)研究。

綜上所述，在天然氣水合物探測領(lǐng)域，我們總結(jié)出了新的“一高三低”的多類電性譜參數(shù)組合特征，即高視電阻率﹑低充電率﹑低時(shí)間常數(shù)﹑低視頻率相關(guān)系數(shù)。根據(jù)這樣的特征，在圖2中劃出了天然氣水合物最有可能的儲集區(qū)域。同時(shí)，我們可以看出，天然氣水合物的上部，就是常年凍土層。

圖2　天然氣水合物儲集區(qū)域推斷成果圖

4　結(jié)論

本次工作采用頻譜激電法進(jìn)行天然氣水合物的勘查是一次成功的嘗試。天然氣水合物是一種剛被人們認(rèn)識和研究的能源，我國對它的勘探和開發(fā)都處于探索階段，頻譜激電法無疑給天然氣水合物的勘探研究提供了一個(gè)有效的手段和方法。同時(shí)，天然氣水合物處在常年凍土層的下部，也是為探測常年凍土層的深度提供了一種有效的地球物理方法。

在天然氣水合物探測領(lǐng)域，我們總結(jié)出了新的“一高三低”的多類電性譜參數(shù)組合特征，即高視電阻率﹑低充電率﹑低時(shí)間常數(shù)﹑低視頻率相關(guān)系數(shù)。由于天然氣水合物以固態(tài)為主，亦存在游離性氣體。

頻譜激電法設(shè)備龐大，需要的人員配合也比較多，在地形較差的地區(qū)開展這樣的工作比較困難。在勘探面積大的地區(qū)，使用該種地球物理方法其經(jīng)濟(jì)效益和效率受到影響，但對天然氣水合物勘查仍具有獨(dú)特的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐華寧，楊勝雄，鄭曉東，等.南中國海神狐海域天然氣水合物地震識別及分布特征[J].地球物理學(xué)報(bào).2010.53（7）：1691～1698.

[2]武斌，易攀，鄒俊，張皓.青海沱沱河地區(qū)天然氣水合物地球物理勘查研究[D]: 四川省地礦局.

[3]盧振權(quán)，Sultan Nabil，金春爽,等.青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物形成條件模擬研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(1)：157～168.

[4]Sloan E D J r.Clatheate Hydrates of N atural Gases[M ].Edition II.N ew Yo rk:M arcel Dekker,Inc.,1998.

[5]Paull C K,U sseler W III,D illion W P.Is the extent of glaciation lim ited bymarine gas hydrate[J].Geophysical Research L etter,1991,18(4): 432～434.

[6]N eue H.M ethabe em ission from rice fields: W etland riceields may make a majo r contribution to global warming[J].Bio Science,1993,43 (7):466～473.

[7]Co llett T S,Ginburg G D.Gas hydrates in theM essoyakha gas field of thewast Siberian basic2A exterm ination of the geologic evidence[C ]??P roceedings of 7th International Offsho re and Po lar Engineering Conference.1997: 96～103.

[8]潘彤，王秉璋，李善平，王欽元.從構(gòu)造背景論青藏高原天然氣水合物找礦遠(yuǎn)景[J〕.青?？萍?2009.06（6）.

[9]堅(jiān)潤堂，王造成.青藏高原多年凍土區(qū)活動帶天然氣水合物地球化學(xué)特征[J].甘肅冶金，2006，28(2)：33～35.

[10]祝有海,張永勤,文懷軍,盧振權(quán)，王平康.祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物及其基本特征[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2010.31(1):7-16.

[11]庫新勃，吳青柏，蔣觀利.青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物可能分布范圍研究[J].天然氣地球科學(xué)，2007，18(4)：588～592.

[12]吳自成，呂新彪，王造成.青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成及地球化學(xué)勘探[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2006，25(4)：9～14.

[13]崔先文，何展翔，劉雪軍，羅延鐘，等.頻譜激電法在大港油田的應(yīng)用[J].石油地球物理勘探,2004.39（增刊）:101～105.

The Application of Spectrum Induced Polarization to Gas Hydrate Exploration

WU Bin ZOU Jun MA Dai-hai CHEN Ning ZHANG Hao
(Geophysical Exploration Team,SBGEEMR,Chengdu 610072)

Abstract:This paper deals with the basic principles and technical method of the application of spectrum induced polarization method to gas hydrate exploration.The method was used to determine the occurrence and depth of gas hydrate in the Tuotuo River region.Several electrical property parameters can be obtained by the use of the spectrum induced polarization method.The exploration depth of this method is large.This method provides reliable geophysical basis for the exploration of gas hydrate and an effective geophysical technique for detection of the thickness of the permafrost layer in the Tuotuo River region.

Key words:spectrum induced polarization method; gas hydrate; permafrost layer; Tuotuo River region.

作者簡介：武斌（1971-），男（漢族），山西臨猗人，高級工程師，地球物理學(xué)博士，現(xiàn)在從事地球物理及科研工作

收稿日期：2015-01-14

DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2016.01.030

中圖分類號：P631.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0995（2016）01-0135-04