DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.019

基于CSAMT结果的川东大池干井构造浅部电性结构特征分析

栾晓东^{1, 2, 3}，底青云^{1, 2, 3}，安志国^{1, 2, 3}，许诚^{1, 3}，王显祥^{1, 3}，张文伟^{1, 2, 3}

(1. 中国科学院 地质与地球物理研究所，北京，100029；

2. 中国科学院 地球科学研究院，北京，100029；

3. 中国科学院大学，北京，100049)

摘要：为揭示川东大池干井构造的浅部地质构造及岩石的电性特征和电磁响应规律，探索电磁法在油气探测中的应用，将可控源音频大地电磁法(CSAMT)应用于大池干井构造油气区，采用多种新技术进行CSAMT数据处理，获得地下电性体真实的电阻率特征，揭示该区的构造具有横向分段、纵向分层的电性特征。研究结果表明：东南部高陡背斜核部表现出相对高阻，此部分侏罗系地层较薄，主要是三叠系和二叠系地层呈层性分布；控制背斜的断层在电阻率上表现出次低阻的特性；西北翼表现出大范围低阻特性，主要是相对较厚的侏罗系上统和中统地层；在中部明显反映出单斜存在，主要表现为次高阻的侏罗系下统和三叠系上统地层。通过CSAMT法研究电性差异并结合地质构造可达到探测油气藏的目的。本工作可为大池干井构造地区从电性资料识别油气构造圈闭提供参考。

关键词：川东油气区；大池干井构造；CSAMT；浅部电性结构

中图分类号：P139.1⁺2        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)05-1169-10

Shallow electric structure character analysis of Dachiganjing structure in east Sichuan based on CSAMT results

LUAN Xiaodong^{1, 2, 3}, DI Qingyun^{1, 2, 3}, AN Zhiguo^{1, 2, 3}, XU Cheng^{1, 3}, WANG Xianxiang^{1, 3}, ZHANG Wenwei^{1, 2, 3}

(1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;

2. Institutions of Earth Science, Chines Academy of Sciences, Beijing 100029, China;

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract: In order to study the shallow geoelectric structure of Dachiganjing structure in east Sichuan and the electrical characteristics and electromagnetic response laws of rocks, as well as explore the application of electromagnetism in oil and gas detection, the controlled source audio-frequency magneto-telluric (CSAMT) survey over the Dachiganjing area was carried out and resistivity characteristics of underground electrical bodies were obtained by processing CSAMT data using variety of new techniques. The transverse section of study area showed bed-delineating electric characteristics and piecewise distribution laterally were revealed. The results show that the resistivity of steeply dipping anticline in southeastern part of the study area is relatively high, which means that the Jurassic stratum in this place is relatively thin and the main stratums are Triassic and Dyas. The fault controlled anticline is characterized as second-rate low-resistivity layer. The upper-middle Jurassic series, which mainly locate in the northwestern part of the study area, present as a large low-resistivity zone. There exists an obvious homocline in the middle part of the study area, showing a second-rated high resistivity and it can be inferred from the lower Jurassic and upper Triassic stratum. The potential region of oil and gas accumulation can be detected from subsurface electrical characteristics by combining a priori information of geological structure with CSAMT survey results. This work provides a way to recognize the structural traps, which is related to gas and oil accumulation through the resistivity structure of Dachiganjing area.

Key words: oil and gas area in east Sichuan; Dachiganjing structure; CSAMT; shallow electric structure

川东地区是四川盆地内大、中型气田最多的地区^[1]，由一系列NE-NNE向格挡式褶皱组成^[2-3]。大池干井构造处于川东褶皱带的东部，发育许多不同类型的良好圈闭^[4-6]。位于大池干井构造东北部的石宝寨地区逆冲断层发育，构造复杂，经20多年的勘探证实，本区及邻区高陡背斜大部为含气构造，主要储气地层是二叠系长兴组和石炭系黄龙组，其地层构造特征属于典型的大池干井储气构造。为研究大池干井的浅部地质构造及岩石的电性特征和电磁响应规律，探索电磁法在油气探测中的应用，本文作者在石宝寨地区开展可控源音频大地电磁法(CSAMT)的探测研究工作，结合2D反演结果分析该地区由浅至深的电阻率变化规律，以期了解工作区内石炭系储层上覆岩层的岩性分布、产状及断裂构造情况的电性特征。

1  研究区地质和地球物理特征

大池干井构造带为长条形高陡背斜，呈北北东—南南西向展布，延伸达110 km左右，宽约10余km，东南翼陡，西北翼缓。在浅层，陡缓两翼通过陡倾带过渡到向斜带；在中深层(中三叠—中上寒武统)，陡缓两翼对应浅部构造的倒转带和陡倾带，均形成了倾轴逆断层。从地面到地下的纵向剖面上，浅层构造以宽大隆起为主，地层弯曲倒转；中层(嘉四—石炭系)褶皱断层发育，石炭系储层即位于该层，分布稳定，它与下伏直流暗色泥质烃源岩及上覆下二叠统底部泥质岩构成完整的生、储、盖组合；深层(志留系以下)构造起伏较缓。在大池干井构造的主体部位浅层的背斜轴恰好对应石炭—二叠系的主断凹，尤其在构造倾末端(即测区所在位置)，垂向变异基本属于同心等厚褶皱，中层构造与浅层构造对应良好，构造完整，闭合范围较大^[6]，为该地区通过研究浅层构造揭示石炭系油气藏提供了可能。

石宝寨测区位于大池干井构造带东北部(见图1^[7])，其西北翼缓，地层倾角小于20°，顶部平缓，东南翼陡，地层倾角为35°，向东北端逐渐变得平缓，圈闭线最低海拔为-2 600 m，高点在西南端，海拔为-2 280 m^[8]。横向主要岩性(见表1)：北部为侏罗系蓬莱镇组(J₃p)、沙溪庙组(J₂s)和自流井组(J₁z)砂岩、砂泥岩，电阻率较低，约为100 Ω·m；中部为凉高山组(J₁l)石英砂岩，含少量大安寨(J₁dn)灰岩，电阻率相对较高，为300~500 Ω·m，地面和浅层(下三叠统以上)为向斜或单斜，二叠系及以下存在构造高带；南部为构造的核心，主要出露侏罗系、须家河组(T₃x)石英砂岩、砂泥岩和大安寨(J₁dn)段灰岩、三叠系嘉陵江组(T₁j)、雷口坡组(T₂l)灰岩，为相对高阻，可达1 000 Ω·m左右。南部方斗山构造带地层破碎，断层发育。该地区已有研究者对一些物性参数进行了研究^[8-14]，统计结果如表1所示。表1揭示出含油气的石炭系黄龙组为数kΩ·m的高阻，其上覆二叠系盖层为相对次高阻，整个地区在电阻率上表现出呈层性的差异分布，为CSAMT法的应用提供了物理基础。

2  CSAMT探测有效性分析

据区域内的已知地质结果和物性参数资料(见表1)，建立测区的南部油气地带地质地球物理模型(见图2(a))：第1层为第四系浮土和侏罗系砂岩，厚度h₁为300 m，电阻率ρ₁为100 Ω·m；第2层为须家河组石英砂岩，厚度h₂为500 m，电阻率ρ₂为500 Ω·m；第3层为三叠系灰岩、二叠系碳酸盐岩等，一直延伸到底层，电阻率ρ₃为1 000 Ω·m；在埋深2 800 m处，有一厚度为50 m、高度H为400 m的储层，一直延伸到地下3 200 m，储层顶部长×宽为1 300 m×1 300 m，底部长×宽为1 600 m×1 600 m，电阻率ρ_a为10 kΩ·m。收发距R_x为11 800 m，发射偶极长1 800 m，发射频率为2^-3~2¹³ Hz，发射电流I为30 A，在地表储层正上方布置一长为2 km的测线，点距为40 m。

根据上述模型，首先开展正演模拟和反演计算以确定如何由CSAMT的观测资料解释地下电性结构分布的方法。实际地质空间为3D结构，而采集数据的方式为2D标量CSAMT，故采集到的数据实际为2D模式下的3D地电结构响应数据。为更准确模拟实际野外工作，采用3D正演结果作为模拟观测数据。为此，先采用3D积分方程法对上述模型进行正演，将得到的正演结果作为观测数据再进行2D反演，采用的反演软件为Zonge公司研发的Scs2D软件，得到如图2(b)所示的反演结果(为反演得到的电阻率)。从图2(b)可见：上覆地层在-300 m和-800 m有明显分界，与模型一致；在地下-2 800 m处可见高阻异常中心的存在，从直观上反映出储层存在，且储层位置被准确圈定；受高阻储层影响，储层上覆地层的电阻率反演结果相对较高，从而间接反映出储层位置。此结果表明，对于所研究工区，石炭系储层在地下3 000 m左右的位置，采用CSAMT的方法可以直接或间接探测到气藏的存在。

图1  测区地质图

Fig. 1  Geologic map of survey area

表1  物性参数统计表

Table 1  Rock physical parameters table

图2  CSAMT 3D模型分析结果

Fig. 2  3D forward model and inversion result of CSAMT

3  CSAMT法工作参数

测线布置如图3所示，沿北西—南东方向共设计了6条CSAMT测线，测线L1~L6的长度分别为15 320，15 440，14 960，15 080，15 360和15 280 m，点距为40 m，物理测点数为2 286个。发射偶极位于测区西南部，偶极距长为2.2 km，与最近的L1线的收发距为11 070 m，与最远的L6线的收发距为17 140 m。发射频率为0.125~9 600 Hz，最大发射电流为30 A。采集设备为加拿大凤凰公司V8多功能电法仪器，在多条测线的多个测点用自主研制设备CLEM电磁法系统进行了复测对比。在测量过程中，先用V8仪器进行第1轮采集，采集完成后紧接着用CLEM仪器进行第2轮采集，为得到更为准确的对比结果，CLEM仪器与V8仪器共用1套接收线、不极化电极及磁传感器，具体采集方式如图4所示。

图3  测线示意图

Fig. 3  Sketch map of survey lines

图4  V8仪器与CLEM仪器采集方式示意图

Fig. 4  Sketch map of acquisition way of V8 apparatus and CLEM apparatus

4  CSAMT数据处理及结果分析

4.1  CSAMT的数据处理

对CSAMT数据的处理，包括野外数据预处理和资料后期处理2个部分。预处理包括干扰校正、近场校正、静态校正；后期处理主要是多次的反演拟合。

4.1.1  干扰校正

由于测线穿过村庄、道路及民用线，外界干扰是非稳态的。为压制这种非稳态干扰，对干扰点采用希尔伯特-黄变换(HHT)^[15-17]法进行干扰校正。HHT是一种针对非线性、非稳态信号自适应处理的方法，广泛应用于语音、地震、水声等信号处理^[18-20]。

在这一理论中，引入固有模函数(IMF)的概念，每个模函数都有其控制频率。通过经验模态分解(EMD)，可将原始信号自适应分解为有限个IMF和1个表征信号趋势变化的残余信号。对每个IMF进行HHT变换，得到瞬时频率，从而将信号表示成频率-时间-能量的分布，称为Hilbert谱。为压制干扰噪声，一方面，剔除受噪声干扰较强的IMF；另一方面，在Hilbert谱上选择干扰噪声最小、有用信号最强的时间窗进行信号分析，最大限度地降低噪声的干扰。

以L4线7 020 m点的电场信号为例，此段信号的发射频率为32 Hz。该点位于110 kV高压线附近，旁边有几户农家的村庄(图3中L4线过高压线位置)，原始信号受50 Hz干扰严重，能量主要集中在50 Hz附近，通过HHT变换，得到Hilbert谱(见图5)，此处用了前12个IMF。从图5可见：第1个IMF主要受50 Hz干扰控制，第2个IMF则显示出所发射的32 Hz的有用信号，其他IMF则受更低频率干扰源的影响。

图5  Hilbert谱

Fig. 5  Hilbert spectrum

为剔除干扰，仅选用第2个IMF作为有用信号，重建信号，如图6所示。由图6可见：经过HHT变换后，在频谱上50 Hz的信号被完全压制，32 Hz信号的能量比其他频率信号的能量高。对磁场亦进行类似处理，最后重新计算视电阻率。经过干扰校正后，视电阻率曲线的连续性比原始曲线的好(见图7)，基本能反映地下地电结构的变化，说明干扰噪声得到有效压制。

图6  处理后电场信号

Fig. 6  Electric signal after conduction

图7  干扰校正前、后视电阻率对比

Fig. 7  Comparison of apparent resistivity before and after noise correction

4.1.2  近场校正

CSAMT定义的视电阻率为卡尼亚视电阻率，在远区，能够客观地反映电断面的垂向变化。而在过渡区和近区，由于不满足场垂直入射的原理，卡尼亚视电阻率将发生严重的畸变，不能正确地反映电断面特征，这种现象称为近场效应^[21-22]。因此，为得到合理的反演结果，必须对近场效应进行校正。传统的“倒三角形”法^[23]与场值校正法^[24]仍有一定误差，且场值定义的视电阻率与卡尼亚视电阻率有差别；汤井田等^[25-26]提出采用场值定义新的全区视电阻率以解决此问题，由于场值受干扰影响大，会使定义的视电阻率受到较大干扰。基于李鹤等^[27]的工作，本文作者提出基于牛顿迭代法的视电阻率定义法来校正CSAMT近场效应。

图8  L1线1 000 m点视电阻率近场校正前、后对比

Fig. 8  Comparison of apparent resistivity before and after near field correction at 1 000 m in L1

图9  L1线静态校正结果对比

Fig. 9  Comparison of static correction results in L1

在均匀半空间，水平电偶源激励产生的电磁场分量为：

      (1)

               (2)

式中：E_x为x方向电场强度；H_y为y方向磁场强度；为均匀半空间电阻率；i为虚数单位；I为电流；L_d为发射偶极子长度；φ为水平夹角；r为发射点到接收点的距离；k为电磁波波数；I₀，I₁和K₀，K₁分别为第1类和第2类以ikr/2为宗量的虚宗量贝塞尔函数，0和1表示阶数。构建如下关于校正电阻率ρ^c的方程：

          (3)

式中：为待求解关于校正电阻率的函数； 为实测视电阻率；和分别为将代入式(1)与式(2)所得的电场与磁场；ω为介电常数；μ为磁导率。由式(3)构建关于待求校正电阻率的牛顿迭代公式：

             (4)

式中：n为迭代次数。

迭代收敛条件为前、后2次的校正电阻率误差小于预定数值或达到一定迭代次数。相比传统方法，此方法能够准确收敛到真实值。图8所示为L1线1 000 m点实测数据近场校正前、后对比。由图8可见：在校正前，视电阻率从2 Hz开始明显进入近场，呈45°直线上升，当视电阻率为0.125 Hz时，达1 000 Ω·m，产生假高阻异常；经牛顿迭代法改正后，高频数据与原始数据一致，低频数据平缓收敛到100 Ω·m。

4.1.3  静态校正

当地表有不均匀体时，由于产生电荷积累，使电场发生畸变，视电阻率曲线在f-ρ双对数坐标中表现为沿视电阻率轴的平行移动，称为静态效应，若不校正，则将在最后解释结果剖面上产生陡立的假异常。目前，一般采用加汉宁窗的空间滤波法^[28-30]进行校正，然而，受输入参数的影响，会产生校正不足或过校正的现象。本文作者提出Fourier域内鲁棒加权局部最小二乘回归的方法，具体步骤为：将采集到的视电阻率看作一种“信号”，将此“信号”进行Fourier变换；由静态效应所产生的视电阻率平行移动可看作Fourier域内“直流”分量，提取各测点的“直流”分量组成“直流”分量曲线，通过鲁棒加权局部最小二乘回归对“直流”分量曲线进行圆滑，可剔除静态效应的影响。为得到更好的结果，对变换后的其他频率分量亦可进行相似的处理。图9所示为L1线用此方法进行静态校正的视电阻率拟断面前、后对比图，为方便进行数据处理与对比，图9中为取对数后归一化的视电阻率，即

             (5)

在校正前(见图9(a))，数据受静态影响比较大，拟断面图上有多条纵向“直线”；经校正后(见图9(b))，静态效应被剔除，而且很好地保留了高阻异常。最后对校正后的数据根据式(5)还原幅值。

4.1.4  反演拟合分析

对数据进行各项校正后，再进行2D圆滑反演，用计算得到的反演结果和原始曲线进行拟合分析，根据拟合差判断前期处理结果的合理性。若拟合误差较大，则说明数据处理存在问题，要重新进行校正与处理，如此反复多次，直到反演结果与原始曲线拟合差达到反演结果合理要求为止。图10所示为反演处理结果的对比。由图10可见：在0 m附近、4 500~7 000 m、8 000~12 000 m以及地表出现不正常的假高阻异常；经过1次处理后，0 m附近高阻异常消失，4 500~7 000 m的异常回归正常，但仍残留部分地表及9 000~12 000 m的假高阻异常；再进一步进行反复多次处理后，地表上kΩ·m的假高阻异常消失，相比于原始数据，8 000~12 000 m的高阻异常回归正常形态。

4.2  浅层地电结构分析

采用上述2D圆滑反演方法对6条测线进行了2D圆滑反演，在反演剖面上进行地质分层及成果推断解释。图11所示为L2线的2D反演及推断解释断面图。L2测线剖面上明显分为5个部分。

距离0~2 000 m为第1部分，此区域呈现出大面积的低阻，电阻率低于150 Ω·m，分为上、下层：第1层厚度约为400 m，电阻率为100 Ω·m左右；第2层一直延伸到底部，电阻率在50 Ω·m以下。从地质资料可以推断：此区域为侏罗系砂岩，第1层可推断为侏罗系上统，主要是遂宁组和地表的蓬莱镇组；第2层推断为侏罗系中统沙溪庙组，在北端厚度可达1 000 m以上，向东南方向逐渐变薄，与该地区西北翼平缓的地质结构相吻合。

图10  L2线2D圆滑反演处理结果对比

Fig. 10  Comparisons of 2D smooth inversion results in L2

图11  L2线的2D反演及推断地质解释断面图

Fig. 11  2D inversion result and deduced geologic interpretation of cross-section in L2

距离2 000~5 600 m为第2部分，此部分为明显的单斜。电阻率剖面上显示出2段次高阻：第1段电阻率为400~500 Ω·m，总厚度约为700 m，根据地质资料，推断为侏罗系下统，主要是凉高山组的砂岩和自流井组大安寨段的部分灰岩。由于夹杂灰岩，电阻率相对下段稍高；紧接着第2段次高阻，电阻率约为300 Ω·m，厚度约为400 m，可推断为三叠系上统须家河组。

距离5 600~8 800 m为第3部分，根据已知的地质资料，此区域的低阻反映的是控制背斜的大断层。

距离8 800~13 600 m为第4部分，该区域为高陡构造核部，有明显的成层性分布。为对该部分进行准确分层，根据本文反演出的电性结构差异并结合表1的物性参数、当地的地质结构，可分析出该部分的地质结构如下：从地表到海拔200 m段，电阻率约为100 Ω·m，显示为低阻，推断为侏罗系砂岩地层；海拔高程为-300~200 m，电阻率为300~500 Ω·m，显示为次高阻，推断为三叠系上统须家河组石英砂岩。下伏地层仅显示出明显高阻，电阻率在900 Ω·m以上，单从电阻率断面上难以划分。但由表1可知，嘉陵江组的电阻率稍高于上覆的雷口坡组和下伏的飞仙关组的，可进行如下解释：海拔高程为-500~-300 m，电阻率为1 000~1 400 Ω·m，推断为三叠系雷口坡组；海拔高程为-1 300~-500 m，电阻率为1 400~1 800 Ω·m，推断为三叠系嘉陵江组；海拔高程为-1 700~-1 300 m，电阻率稍降低，约为900 Ω·m，推断为三叠系飞仙关组；海拔高程为-2 200~-1 700 m，推断为二叠系；在最底部-2 300~-2 200 m，电阻率升高，为1 500 Ω·m以上，推断为石炭系黄龙组的顶层。

距离13 600 m至末端为第5部分。此部分呈现从高阻逐渐向低阻过渡的特征，根据图3中测线位置可看出，该处测线的地质结构从侏罗纪过渡到三叠纪，结合实际地质资料可知在背斜南部断层发育，故推断此处为控制背斜核部南侧的大断层，该断层与第3部分的断层相呼应，控制了整个高陡核部。由于断层断距较大，测线未能跨过此断层，因此，只隐约表现出渐变过渡的特征。

对其他测线都进行了相似的解释工作，形成了1组垂直切片图，如图12所示。从图12可以看出：在横向剖面上，6条测线反演剖面表现出一致的特性。在北端表现为侏罗系的低阻地层；中段为次高阻单斜的特征；南段为构造核部，显示出高阻特性。在西南部的L1与L2线隐约可见石炭系黄龙组引起的高阻异常，但到东北部已无法看到，说明石炭系地层由西南向东北逐渐加深。另外南部的高陡背斜区，电阻率由西南向东北逐渐趋于平缓，变化幅度较小，说明此部分地层向东北端趋于平缓。以上所揭示出的地电结构特征均与前述地质结构一致。此次CSAMT法仅揭示了浅部的电性构造，对于更深层的构造，可开展大地电磁法(MT)等勘探深度较大的电磁方法。

图12  CSAMT反演垂直切片图

Fig. 12  Vertical slice maps of CSAMT inversion

5  结论

1) 对干扰噪声，采用HHT变换的方法，通过经验模态分解，压制了非稳态的干扰信号，尤其对50 Hz工频干扰的压制效果明显。

2) 提出了基于牛顿迭代法的近场校正方法，避免了传统方法的校正不足或过校正，使近场校正到合理范围。

3) 提出了基于Fourier变换的静态校正方法，能够有效压制静态效应，凸显深部异常特征。

4) CSAMT反演结果与已知的地质特征相吻合，揭示试验区的大池干井构造具有横向分段、纵向分层的电性特征。南部高陡背斜核部表现出相对高阻，侏罗系地层较薄，主要是三叠系和二叠系地层呈层性分布；控制背斜的断层在电阻率上表现出次低阻的特性；西北翼表现出低阻特性，主要是相对较厚的侏罗系上统和中统地层；在中部明显反映出单斜的存在，主要表现为次高阻的侏罗系下统和三叠系上统的地层。

5) 对于CSAMT等电磁类方法，直接识别储层可能比较困难，可采用地质结构结合电性差异的方法来间接达到推断地层，寻找储层的目的。

6) 本次CSAMT结果获得了大池干井石宝寨地区浅部电性结构以及地质结构，为此区域从CSAMT资料识别与油气有关的油气构造圈闭提供了可借鉴的 结果。

致谢：

感谢国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-05)和国家重大科技基础设施建设项目(WEM)工程地下资源探测分系统的资助，以及有关人员对本文做出的贡献。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2017-05-13；修回日期：2017-07-03

基金项目(Foundation item)：国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-05) (Project(ZDYZ2012-1-05) supported by the National Major Scientific Equipment Research)

通信作者：底青云，博士，研究员，从事地球电磁数据正反演、电磁仪器及随钻测井仪器装备技术研发；E-mail: qydi@mail.iggcas.ac.cn