電性源瞬變電磁短偏移距頁巖氣探測前景探析

海四洋（河南理工大學，河南焦作454150；河南省煤炭地質勘察研究總院，河南鄭州450052）

電性源瞬變電磁短偏移距頁巖氣探測前景探析

海四洋（河南理工大學，河南焦作454150；河南省煤炭地質勘察研究總院，河南鄭州450052）

頁巖氣是一種蘊藏于頁巖層中可開采的天然氣資源。頁巖氣的形成和富集有其獨特的特點。它往往分布在厚度大、分布廣的頁巖烴源巖中。初步估計中國頁巖氣可采資源量31兆立方米。在當前的國際形勢下，清潔能源將逐步取代高污染、高耗能、成為未來的主要能源之一。中國頁巖氣勘探開發(fā)技術水平仍處于起步階段。成熟應用在煤炭、石油等能源勘探的地球物理方法，從理論上講在頁巖氣勘探中也是可行的，我們需要做較多的探索和研究。瞬變電磁法在煤礦開采中廣泛應用，其高效、高一致性的數據質量，高電阻率異常分辨率等優(yōu)點，得到市場的贊譽和認可。電性源瞬變電磁短偏移距的高信噪比和大深度等優(yōu)點在富頁巖氣地層的埋藏深度、延伸情況、高低起伏等信息探測中將會有比較好的應用前景。

頁巖氣；探測；開發(fā)；技術水平；地球物理；瞬變電磁；電性源瞬變電磁；短偏移距；富頁巖氣地層；應用

頁巖成因，按照傳統(tǒng)的理論，頁巖氣是由古生物遺骸長期沉積地下，經過漫長地質年代變質裂解，生成的氣態(tài)碳氫化合物。還有一種理論認為，天然氣的基本成分碳和氫兩種元素，早在地球形成過程中就大量存在，它們比較容易結合成甲烷即天然氣。根據這一理論，天然氣在巖石中應該是大量存在的。頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，其資源前景十分遠大。

頁巖氣一般埋深超過1000m甚至3000m，頁巖氣的勘探和開采，需要綜合最先進的物探技術、控制技術、材料技術、機械技術等多種工業(yè)基礎技術，這也將推動地質學、計算機科學等多門學科的發(fā)展。我國頁巖氣的勘探方法目前研究尚處于起步階段，現成熟的地球物理勘探方法主要是地震測、井外等，還少有論述與瞬變電磁在頁巖氣勘探方面的探討。

該文在前人研究的基礎上，從富頁巖氣地層地質模型分析，系統(tǒng)地闡述了電性源瞬變電磁短偏移距在頁巖氣勘探和開發(fā)中的應用可能，提出了針對頁巖氣勘探和開發(fā)的地球物理方法和建議。

1　富頁巖氣地層分析

1.1富頁巖氣地層地質模型

地球物理方法找頁巖氣模型：而頁巖氣與常規(guī)氣藏的主要區(qū)別：頁巖氣藏處于一個自給的系統(tǒng)中，頁巖集烴源巖、儲層、蓋層于一體（圖1）。

圖1　頁巖氣地層地質模型

從頁巖氣地層地質模型分析，富氣頁巖層是一個較為低阻的地層電性特征；頁巖層上覆地層為砂巖地層，在其自然狀態(tài)下不考慮其較為富水情況，該層位是一個相對富氣頁巖層較為高阻地層；封閉層至地表地層一般情況地層較新，電性上也表現為較為低阻形態(tài)。據此分析，富氣頁巖層及其上覆地層整體表現為兩低夾一高的電性特征，利用此地層電性特征使利用電法勘探頁巖氣層成為可能。瞬變電磁勘探是電法勘探較為優(yōu)越的一種勘探方法，所以探討分析該方法在頁巖氣探測中的應用是十分有意義的。

1.2電法在頁巖氣探測中應用簡析

無論用什么樣的地球物理勘探方法，目的是找到地下頁巖的構造、埋藏深度、延伸情況、高低起伏等信息.理論上講，頁巖是低阻層，因此，能反映地面千米以下、不同電性分布層的地球物理勘探方法皆能被用于頁巖氣的勘探中，如音頻大地電磁測深法、復電阻率法和電性源瞬變電磁。

2　電性源瞬變電磁

瞬變電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法。其基本工作方法是：于地面或空中設置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流：斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。接地導線通以脈沖電流，稱為電性源；不接地回線通以脈沖電流，稱為磁源。

以圖2為電性源瞬變電磁探測的裝置系統(tǒng)示意圖，其裝置比回線源瞬變電磁法易于施工，且探測深度和探測精度相對較高。

圖2　電性源瞬變電磁探測裝置示意圖

2.1電性源瞬變電磁理論

電性源瞬變電磁法是以有限長接地導線為場源，在場源中心一定距離處同時觀測電、磁場參數的一種電磁測深方法。目前電性源瞬變電磁法正演計算借用相應頻率域正演電磁場計算方法，采用一定變換方法將頻率域結果變換到時間域得到時間域電磁響應。

電性源瞬變電磁的兩種主要模擬方法，G-S變換和余弦變換，G-S變換結果精度較余弦變換精度要高。電性源赤道裝置與偶極裝置的對比，赤道裝置可以對地下結構取得較好的探測效果，偶極裝置可以取得較高噪比的數據。

在電性源瞬變電磁測深中，雖然可以觀測Ex、Ey、Hx、Hy、Hz等五個分量，但Ey、Hx、Hy對地層信息的分辨能力較差，主要觀測水平電場分量Ex，和垂直磁場分量Hz均勻半空間上階躍激勵源下的場表達式（方文藻等，1993）為：

目前，電性源瞬變電磁在石油地球物理勘探中發(fā)揮著越來越重要的作用，其最早由前蘇聯在20世紀50年代提出，探測深度為1～10km電性源瞬變電磁具有勘探深度大、垂向分辨率高、對電阻率異常體探測靈敏的特點。通過對Hz場和Ex場的研究表明，Hz場在小收發(fā)距時即可進行大深度探測，并具有較高的信噪比，Ex場則對高阻體探測效果非常突出。

2.2電性源瞬變電磁偏移距距富頁巖氣地層探測分析、研究

長偏移距瞬變電磁法是一種應用較多的電源瞬變電磁法。長偏移距要求場點到源點距離大于4～6倍的探測深度。長偏移距瞬變電磁法國外研究較多，在中國的長偏移距瞬變電磁技術已經得到了一定的研究，利用這些研究成果，促進了電性源瞬變電磁法的發(fā)展。但由于對源點的大型觀測區(qū)之間的距離點的要求距離大；而隨接收和發(fā)射距離的增加，信號強度急劇下降，信噪比降低，影響探測深度；而且收、發(fā)之間可能跨越多個構造單元，其間的地質構造、地形起伏等引起電性變化，不利于精細探測，使得長偏移距瞬變電磁法廣泛應用于地質構造簡單，地形平坦地區(qū)。

20世紀60年代以后，前蘇聯學者建立了近場建場的方法。由于它具有更大的檢測深度和更好的探測分辨率，因此它已引起了廣泛的關注。A LUMBAUGH提出了短偏移距的方法，并用該方法進行高阻目標探測；CUEVAS等研究了短偏移情況下瞬變電磁法對深部高阻層的探測，認為近區(qū)探測具有可行性。

理論上，擴散深度定義為給定時間內TEM渦流場極值所能達到的最大深度，SPIES給出的擴散深度d公式為：

式中：t為時間；σ為電阻率。由式（3）可見，擴散深度主要與時間及地電結構有關，與場源類型和偏移距離無關。在理論研究中，大多根據式（3）來計算特定地電結構情況下電磁場在某一時刻的擴散深度。

當偏移距和目標體深度比在0.7～1時，探測深度較大。在實際應用中，對于有效探測深度，往往要考慮設備的功能及接收儀器的靈敏度、測量精度、噪聲強度和地電參數等因素。TEM的實際探測深度定義為信號衰減到噪聲電平時的擴散深度。近場區(qū)探測深度dn，采用以下公式進行計算：

式中：η為儀器最小可分辨電壓；ρ為地層電阻率；I為發(fā)送電流；AB為發(fā)射線長度。給定發(fā)射電流和AB長度，采用進場區(qū)探測深度公式進行近場區(qū)探測深度dn計算，計算結果可以分析出：近場探測深度3000m的AB長度時，可以確保探測到埋深4km的目標體。我國四川盆地頁巖氣埋藏深度，一般在2000～3000m之間，4km的探測深度完全能滿足在我國大部分地區(qū)頁巖氣探測的需要。一些特殊地區(qū)埋藏深度會達到5000m上下，理論上講只要η的分辨率足夠高，選擇合理的AB長度，就能夠達到10km深度目標體的探測的可能。按照我國頁巖氣埋藏深度情況分析，探測深度達到6km已基本滿足富頁巖氣地層的探測需求，以上電性源瞬變電磁短偏移距的計算數據分析，足夠滿足我國頁巖氣目標體探測的需求。

3　結論

電性源瞬變電磁短偏移距探測裝置及方法系統(tǒng)，能夠滿足頁巖氣探測的深度和電性物理特征的高分辨率判別。接地線源短偏移瞬變電磁法比回線源瞬變電磁法易于施工，且探測深度和探測精度相對較高?？梢允褂枚鄧L試該方法在頁巖氣探測方面的研究應用，進一步創(chuàng)新和完善其應用思路。

同時電性源瞬變電磁也具有物探方法的多解性，資料處理與解釋時一定要緊密結合相關地質資料，減少或排除多解的可能，使成果盡可能的貼合實際，真正的指導生產。

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P631.325

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2095-2066（2016）26-0108-02

2016-9-2