四川盆地前寒武系重磁電物性特征與建模

向 葵 嚴良俊 胡 華 楊 輝 文百紅

（①油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室（長江大學(xué)），湖北武漢430100；②中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

0 引言

全世界的主力大油田經(jīng)長期開發(fā)，淺層油氣產(chǎn)量呈下降趨勢，深層油氣的勘探與開發(fā)日趨緊迫［1］。在一些國家已發(fā)現(xiàn)大量深層油氣藏，如美國油氣井的鉆探深度達到7500m；中國的深層油氣藏主要分布在四川盆地、塔里木盆地和準噶爾盆地，四川盆地和塔里木盆地少數(shù)鉆井深度超過8000m［2］。四川盆地安岳特大型氣田的發(fā)現(xiàn)，進一步證實了中國元古界—寒武系油氣前景廣闊，中國三大克拉通盆地內(nèi)的元古界也因此成為油氣勘探的新領(lǐng)域［3］。四川盆地震旦系發(fā)育多套烴源巖，是已被證實的含油氣層系；而南華系受裂陷盆地控制，發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，也成為潛在的深層油氣勘探領(lǐng)域。其中，南華系大塘坡組野外露頭剖面及巖石學(xué)測試分析結(jié)果證實，川中南華紀裂谷具有發(fā)育大塘坡組烴源巖的可能性，對深層油氣勘探具有重要參考價值［4-5］。四川盆地克拉通盆地中—新元古界具備油氣成藏條件，但由于鉆井資料缺乏和深層地震資料品質(zhì)差，油氣勘探及認識程度較低，油氣資源潛力及分布仍待進一步研究。

重、磁、電方法綜合應(yīng)用于深部結(jié)構(gòu)探測效果明顯，能夠在地震資料品質(zhì)不好的地區(qū)及深層目標(biāo)勘探區(qū)發(fā)揮重要作用［6］。在四川盆地新生界、中生界、古生界的油氣勘探中，前人建立了盆地后寒武系的物性模型，并基于物性成果開展了重磁電勘探。這些工作揭示了深部構(gòu)造特征，也發(fā)現(xiàn)了上揚子地區(qū)的油氣潛力［7-8］，在非常規(guī)油氣勘探及開發(fā)中發(fā)揮了重大作用［9-11］。在盆地深層結(jié)構(gòu)研究和油氣勘探中，電磁資料與重力、巖石物性成果相結(jié)合，揭示了慈利—保靖斷裂構(gòu)造的深部特征［12］；電磁資料與地震資料結(jié)合，可有效識別火山巖儲層［13］。但四川盆地的基底埋深和起伏有待在已有成果的基礎(chǔ)上綜合地質(zhì)、地震資料作進一步研究［14］。

在深層構(gòu)造研究及油氣勘探中，密度、磁化率、電阻率等物性特征仍然是重要基礎(chǔ)［15-16］。在四川盆地深部油氣勘探及評價中，目前鮮見針對前寒武系的密度、磁化率、電阻率等物性方面的系統(tǒng)研究，相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏整體性，深層鉆井資料也有限，未能建立該盆地完整的深層巖石物性模型。

本文基于四川盆地前寒武系地層730多塊露頭標(biāo)本，通過測試獲取了不同地層巖樣的密度、磁化率、復(fù)電阻率等原始數(shù)據(jù)，建立了前寒武系古老地層密度、磁化率、電阻率、極化率等巖石物性模型，為在四川盆地應(yīng)用重磁電方法進行深層油氣勘探提供了物性資料基礎(chǔ)。

1 前寒武系地質(zhì)概況

四川盆地作為中國三大克拉通盆地之一，是一個多層系的含油氣盆地，也是中國天然氣勘探開發(fā)最具潛力的區(qū)域之一［17］。前寒武系作為盆地的基底發(fā)育典型的二元結(jié)構(gòu)，包括太古代—早元古代形成的深部結(jié)晶基底，以及中—晚元古代形成的褶皺基底［18］。四川盆地前寒武系在不同地區(qū)存在巖性、厚度的明顯差異：川東地區(qū)以碎屑巖沉積為主，由東往西向盆地內(nèi)逐漸尖滅；川北地區(qū)大巴山一帶也以碎屑巖沉積為主，厚度變化較大，局部缺失；川西地區(qū)在西昌、涼山一帶，發(fā)育中基性—酸性火成巖和火山碎屑巖，近南北向分布，巖性復(fù)雜，厚度變化劇烈。

圖1 四川盆地地質(zhì)圖及采樣區(qū)分布

本次巖石采樣區(qū)主要分布于四川盆地的北部、西部和西南部。北部采樣區(qū)主要位于漢陰縣、城口縣、鎮(zhèn)巴縣、寧強縣和青川縣，采樣地層主要為上元古界的震旦系（Z）、南華系（Nh）、青白口系（Qb），中元古界（Pt2）、下元古界（Pt1）和上太古界（Ar3），火成巖主要出露流紋斑巖、輝綠玢巖、花崗巖、花崗斑巖、輝長巖等。西部采樣區(qū)主要位于雅安市、瀘定縣、康定市、漢源縣和甘洛縣，采樣地層主要為上元古界震旦系、南華系、下元古界和上太古界，巖漿巖主要出露花崗巖。西南部采樣區(qū)位于會理縣通安鎮(zhèn)，采樣地層主要為上元古界的震旦系和南華系以及中元古界，火成巖在本區(qū)出露花崗巖、輝長巖、閃長巖等。除盆地基底外，前寒武系地層主要包括元古界的震旦系、南華系、青白口系、薊縣系和長城系（圖1）。

2 巖樣采集與測試分析

2.1 前寒武系古老地層巖樣采集

本次物性采樣工作主要在四川盆地周緣古老地層出露區(qū)，主要巖性包括砂巖、灰?guī)r、凝灰?guī)r、白云巖、流紋巖、花崗巖、片巖、片麻巖、混合巖等，其統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2.2 巖樣物性測試與分析

測試前，對采集露頭標(biāo)本進行鉆取、切磨等加工處理，巖樣直徑為2.5cm，長度為2.5～5.0cm。在干燥條件下測量密度、磁化率，飽和鹽水浸泡后進行復(fù)電阻率測量，并對復(fù)電阻率測試數(shù)據(jù)進行處理，得到電阻率和極化率。密度、磁化率取3次測量平均值，復(fù)電阻率重復(fù)觀測2次且曲線平滑無異常后，保存數(shù)據(jù)。所有樣品測試完成后，抽取3%的樣品進行密度、磁化率、復(fù)電阻率質(zhì)量檢查。

2.2.1 密度測試

密度測量選用排水法，先用高精度天平測量干燥后的巖心質(zhì)量，然后將巖心浸入裝水的量筒，記錄浸入前后量筒的讀數(shù)差值，得到體積，最后根據(jù)質(zhì)量和體積計算巖樣的密度。

2.2.2 磁化率測試

巖石磁化率主要取決于巖石的礦物成分和礦物含量、巖石結(jié)構(gòu)以及礦物顆粒的大小和形狀等因素。巖石磁化率的測定選用捷克生產(chǎn)的KM-7高精度磁化率儀，靈敏度為1.0×10－6SI，可直接讀取樣品的磁化率。

2.2.3 復(fù)電阻率測試與數(shù)據(jù)處理

巖石復(fù)電阻率測試采用四極法，如圖2所示。測量電極為不極化電極，測量頻率范圍為0.01～10k Hz。測量前，采用標(biāo)準電阻R和標(biāo)準電容C制成RC并聯(lián)電路，對復(fù)電阻率測量系統(tǒng)及裝置進行標(biāo)定，測量的阻抗幅值和相位值與理論值之差應(yīng)滿足測量誤差要求。

表1 四川盆地前寒武系地層采樣統(tǒng)計表

測量時，通過供電電極A、B向巖石兩端供入不同頻率的交流電，由阻抗分析儀SI1260A 測量巖石兩端M、N 間的電位差（Δ～U）。測量完成后，得到測量頻率對應(yīng)的阻抗幅值|Z|（Z 為測量阻抗）和相位（φ）。巖樣的電阻率為

式中：S 為巖樣截面積；L 為巖樣長度。

圖2 巖樣復(fù)電阻率測量原理圖

Cole-Cole模型是描述巖石復(fù)電阻率特性的基本模型，采用零頻電阻率、極化率、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)等4個參數(shù)定量表征［19］。模型復(fù)電阻率為

式中：ω 為角頻率；ρ0為零頻電阻率；m 為極化率；τ為時間常數(shù)；c為頻率相關(guān)系數(shù)。在單一形式的Cole-Cole模型基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種改進模型，如Dias模 型、Debye 模 型、多 個 或 復(fù) 合Cole-Cole 模型［20-21］。多個Cole-Cole模型相加的表達式為

式中n是Cole-Cole模型的總個數(shù)。本文采用2個Cole-Cole模型（n＝2），其復(fù)電阻率為

式中m1、τ1、c1和m2、τ2、c2分別表示激電效應(yīng)和電磁效應(yīng)的頻譜參數(shù)，即極化率、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)。對式（4）進行反演可獲得頻譜參數(shù)，即零頻電阻率ρ0、極化率m1、時間常數(shù)τ1和頻率相關(guān)系數(shù)c1。這4個頻譜參數(shù)反映了巖石的激發(fā)極化特性。采用Cole-Cole模型和雙Cole-Cole模型分別對南華系砂巖和震旦系砂巖反演其復(fù)電阻率，復(fù)電阻率幅值對比見圖3 和圖4。對比可見，對于雙Cole-Cole模型，電阻率幅值在整個測量頻率范圍內(nèi)擬合效果較Cole-Cole模型更接近于真實數(shù)據(jù)，表明其反演結(jié)果更可靠。

2.2.4 物性參數(shù)統(tǒng)計方法

對測量和處理的巖樣密度、磁化率、電阻率、極化率參數(shù)進行統(tǒng)計，繪制頻數(shù)分布直方圖進行分析，可獲取不同地層、不同巖性標(biāo)本物性參數(shù)的分布范圍及均值，并在此基礎(chǔ)上建立巖石物性模型。這種統(tǒng)計方法在儲層孔隙度、滲透率和巖石重磁電物性參數(shù)等統(tǒng)計中應(yīng)用廣泛［22-23］。這些參數(shù)均服從正態(tài)分布或近似正態(tài)分布。

圖3 南華系砂巖復(fù)電阻率幅值反演擬合結(jié)果

圖4 震旦系砂巖復(fù)電阻率幅值反演擬合結(jié)果

假設(shè)隨機變量X 服從一個數(shù)學(xué)期望為μ、方差為σ2的正態(tài)分布，記為X～N（μ，σ2），則X 的概率密度函數(shù)為

3 重、磁、電巖石物性特征

采集的前寒武系古老地層測試巖樣共730 塊次，對樣本的物性進行統(tǒng)計與分析，得到上元古界、中元古界、下元古界和上太古界不同地層物性參數(shù)的正態(tài)分布特征，依照不同地層對密度、磁化率、電阻率和極化率等4個參數(shù)進行統(tǒng)計，獲取各層位物性參數(shù)的均值及其分布范圍，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，上元古界南華系的密度為2.26～3.00g／cm3；中元古界薊縣系、長城系密度為2.10～3.10g／cm3，分布范圍大；其他地層密度分布相對集中。前寒武系巖石密度平均值范圍為2.58～2.80g／cm3；震旦系陡山沱組砂巖、南華系砂巖密度相對較低；震旦系燈影組灰?guī)r、中元古界及上太古—下元古界火成巖、變質(zhì)巖密度較高。

因不同地層巖性的差異，磁性差異明顯，變化范圍較大：中元古界武當(dāng)山群、通木梁群地層磁化率為（0.1～3700.0）×10－5SI，均值達323.0×10－5SI；上太古—下元古界康定群地層磁化率較高，為（4.0～5000.0）×10－5SI，均值達329.0×10－5SI；上元古界地層磁化率為（1.0～10.0）×10－5SI，屬于弱磁或無磁性。

復(fù)電阻率測量數(shù)據(jù)經(jīng)反演，提取了電阻率、極化率等多個電性參數(shù)。根據(jù)電阻率統(tǒng)計結(jié)果，震旦系燈影組、中元古界、下元古界—上太古界地層具有高電阻率特征，均值達2800～4900Ω·m；震旦系陡山沱組、南華系、青白口系地層具有中—低阻特征。極化率是評價巖石激電特性的關(guān)鍵參數(shù)，采樣地層中，僅陡山沱組（Z1）砂巖地層具有較高的極化率均值，達23.2%，屬于高極化層；其他地層巖石極化率均值相對穩(wěn)定，均在10%左右，屬于低極化。

表2 研究區(qū)密度、磁化率、電阻率、極化率統(tǒng)計表

4 重、磁、電巖石物性建模

基于表2，建立了前寒武系主要地層物性柱狀圖和重、磁、電物性模型，如圖5所示。

地層巖石物性特征表明，前寒武系地層可劃分為2個密度界面、1 個磁性界面及3 個電性界面（表3）。第一密度界面位于震旦系燈影組與陡山沱組之間，第二密度界面位于南華系與青白口系之間；磁性界面位于青白口系與中元古界之間；第一電性界面位于震旦系燈影組與陡山沱組之間，第二電性界面位于南華系與青白口系之間，第三電性界面位于青白口系與中元古界之間，其中，震旦系陡山沱組砂巖極化率明顯高于燈影組的灰?guī)r、白云巖和南華系的砂泥巖，這也是一個電性參考界面。

圖5 四川盆地前寒武系地層柱狀圖及重磁電物性模型

表3 研究區(qū)物性特征及界面關(guān)系表

前寒武系沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖之間的物性參數(shù)存在較大差異，物性界面較清楚。由此可見，盆地的演化過程控制了前寒武系巖石物性的變化，盆地明顯的物性界面與盆地結(jié)晶基底和沉積褶皺基底之間界面一致。物性成果與模型為深入開展疊合盆地重、磁、電場結(jié)構(gòu)特征研究，進行克拉通盆地重磁電資料處理及綜合解釋提供了物性資料基礎(chǔ)。

5 前寒武系重點層位巖石復(fù)電阻率響應(yīng)特征及勘探意義

5.1.2 陡山沱組砂巖復(fù)電阻率特性

本次震旦系陡山沱組砂巖巖樣共33塊，具有低阻、高極化的電性特征，標(biāo)本極化率為6.7%～36.8%，其中，20塊標(biāo)本極化率超過29%，均值大于23%，屬于高極化，其電性異常特征明顯，統(tǒng)計結(jié)果見圖6。

為進一步分析高極化的原因，選取6塊砂巖標(biāo)本進行礦物全巖組分分析，礦物成分及含量如表4所示。可見砂巖礦物成分中普遍含有黃鐵礦，而且最高含量達到3.6%。圖7和圖8分別為這6塊砂巖的復(fù)電阻率幅值和相位測量結(jié)果，可見在低

5.1 前寒武系重點層位的地球物理認識

5.1.1 震旦系物性特征

震旦系燈影組（Z2）呈現(xiàn)高密度、高電阻率和低極化率特征，而陡山沱組（Z1）的密度和電阻率相對較低，極化率較高，這兩套地層的密度、電阻率、極化率差異明顯。目前，陡山沱組是深層古老層系的潛在烴源巖層系，震旦系已成為四川盆地深層天然氣的有效儲層，同時也是未來勘探開發(fā)的潛力地層，其物性特征為重力和電法勘探提供了很好的物性條件，但仍需進一步加深勘探和認識的程度。頻段（0.01～100Hz），電阻率幅值隨頻率的降低而增大，表現(xiàn)出較強的頻散現(xiàn)象；相位變化幅度明顯，尤其是編號為S24-018 的砂巖，低頻相位最大，表現(xiàn)出較強的激發(fā)極化效應(yīng)。

圖6 陡山沱組砂巖極化率分布直方圖

表4 震旦系陡山沱組砂巖礦物及含量表

圖7 震旦系陡山沱組砂巖復(fù)電阻率幅值曲線

圖8 震旦系陡山沱組砂巖復(fù)電阻率相位曲線

有學(xué)者對富有黃鐵礦的礦藏和油氣藏進行了研究，均認為黃鐵礦與沉積環(huán)境密切相關(guān)，而且是還原環(huán)境下的特征礦物。目前，在油氣研究領(lǐng)域，研究者通過富含黃鐵礦頁巖的電性響應(yīng)特征尋找或圈定富有機質(zhì)頁巖甜點區(qū)［24-26］；對于砂礫巖儲層，通過砂巖儲層中的黃鐵礦指示含油砂體的分布，并指出黃鐵礦的形成與油氣運移有關(guān)［27］。含油氣盆地中的成巖礦物通常具有一定的示烴意義，如鐵白云石、鐵方解石、高嶺石和黃鐵礦等，它們是在油氣生成、運移和聚集過程中形成的，能夠反映油氣的活動方式和賦存狀態(tài)［28］。

陡山沱組砂巖黃鐵礦存在富集現(xiàn)象，因此極化現(xiàn)象顯著。這為重磁電勘探發(fā)掘了新的評價參數(shù)，為深部油氣勘探提供了新思路。

5.2 前寒武系含油氣地層與志留系、奧陶系油頁巖物性對比與認識

根據(jù)筆者在川黔地區(qū)的物性研究成果［25-26］，下古生界五峰組—龍馬溪組頁巖具有低密度、無磁、低阻、高極化的物性特征，且頁巖普遍含黃鐵礦，具備低阻高極化的電性特征。而上元古界古老地層物性統(tǒng)計成果（表3）表明，震旦系燈影組的灰?guī)r、白云巖具有高密度、無磁、高阻、低極化的物性特征。志留系五峰—龍馬溪組屬于非常規(guī)油氣，震旦系燈影組為常規(guī)天然氣，兩者密度、電阻率、極化率差異明顯，物性對比鮮明。震旦系陡山沱組泥頁巖作為優(yōu)質(zhì)烴源巖，富含特征礦物黃鐵礦，與下古生界多套頁巖層一樣，具有低密度、無磁、低阻、中—高極化的物性特征［29］。

此外，前震旦南華系包括南沱組、大塘坡組、古城組和蓮沱組，發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，被認為是間冰川期含油氣系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，大塘坡組含有錳碳酸鹽巖和黑色碳質(zhì)頁巖，頁巖礦物組成包括黏土礦物、石英、長石、碎屑石英、巖屑、方解石、白云母、黃鐵礦等，主要為一套陸源碎屑沉積組合，是潛在的油氣勘探領(lǐng)域［5］。南華系露頭標(biāo)本以砂泥巖為主，具有中低密度、弱磁、低阻、低極化的物性特征，該套地層沒有發(fā)生變質(zhì)或為淺變質(zhì)，進一步表明該區(qū)存在深層—超深層天然氣資源的潛力。

6 結(jié)論

本文圍繞中西部地區(qū)前寒武系油氣勘探重大需求，以四川盆地為重點，基于古老地層密度、磁化率、復(fù)電阻率等巖石物性研究，建立了前寒武系盆地重、磁、電巖石物性模型，為發(fā)揮巖石復(fù)電阻率在油氣勘探中的獨特作用提供了基礎(chǔ)。具體來說，可以得出如下結(jié)論：

（1）開展四川盆地前寒武系古老地層巖石物性標(biāo)本的采集與測試工作，較全面地獲取了不同地層、不同巖性標(biāo)本的密度、磁化率和復(fù)電阻率原始數(shù)據(jù)，完善了四川盆地前寒武系重、磁、電勘探的基礎(chǔ)資料。

（2）基于密度、磁化率、電阻率和極化率參數(shù)的統(tǒng)計與分析成果，總結(jié)了前寒武系的巖石物性及界面特征，建立了四川盆地前寒武系的重、磁、電物性模型，為該盆地重磁電資料處理及綜合解釋提供了有效的巖石物性數(shù)據(jù)。

（3）首次發(fā)現(xiàn)四川盆地下震旦統(tǒng)陡山沱組砂巖具有高極化的特征。研究證實，黃鐵礦是砂巖產(chǎn)生高極化的原因，由于黃鐵礦的形成及其電性異常特征與油氣運移有關(guān)，據(jù)此可判斷曾經(jīng)發(fā)生過油氣生成、運移和聚集。該發(fā)現(xiàn)為進一步將復(fù)電阻率數(shù)據(jù)應(yīng)用于該區(qū)油氣勘探提供了新的思路。