地震勘探一直是油气地球物理勘探中的主导技术。随着油气勘探程度的不断深入, 勘探难度越来越大, 对地震勘探的效果提出了更加严格的要求^[1-2]。重、磁、电地球物理方法虽然在精度和分辨率两方面都不及地震勘探, 但各种方法都有其自身的特点, 重磁方法横向分辨率较高; 电磁方法, 特别是大地电磁方法勘探深度大, 同时具有不受高阻屏蔽以及对低阻反映灵敏等优势^[3-6]。

近20年来, 综合地球物理技术在陆域山前构造、潜山构造、深层火山岩、黄土塬砂体岩性油藏检测以及海洋油气勘探等方面都取得了显著勘探效果^[7-10]。随着重磁电勘探技术的进步, 综合地球物理技术在油气勘探中正逐步由区域勘探走向目标勘探, 不断提高识别不同地质体的能力, 降低地球物理方法自身的多解性, 为进一步深入认识不同勘探目标拓展了更加广阔的空间。

位于柴达木盆地西部英雄岭褶皱冲断带西南缘的花土沟—狮子沟地区, 地表地形起伏剧烈, 沟壑纵横, 在400 km²的范围内, 海拔在2 800~3 700 m, 相对高差达900 m。由于受地表施工条件困难、主体构造复杂、地震资料信噪比极低等多重因素的制约, 该地区曾一度被视为地球物理勘探禁区^[11-12]。自20世纪50年代以来经历过多轮油气勘探和物探技术攻关, 一直未获重大突破, 主要原因是难以对深层构造开展有效评价。

2010年在该地区钻探的砂37井获得高产工业油气流, 打开了勘探新局面。2011—2012年在该地区实施的复杂山地三维勘探攻关, 地震资料品质得到了更大的提升, 准确发现和落实了多个勘探目标, 据此部署的预探井和评价井均获成功, 极大地推进了本地区的勘探步伐^[13]。

2006年在柴达木盆地西部花土沟—狮子沟地区实施了405 km²高精度重磁、三维大地电磁勘探工作, 这是将该地区作为目标靶区首次实施的三维重磁电采集、处理、解释一体化油气勘探攻关工作。经过本项工作, 深化了对该地区断裂构造、基底发育特征的认识, 研究分析了构造分布对油气圈闭的控制作用, 进一步落实了有利圈闭。

针对柴达木盆地西部山地地区所具有的典型地表、构造双重复杂特点, 研究总结重磁电一体化综合地球物理勘探技术在本地区油气勘探的应用效果, 具有重要的现实意义。

1 研究区岩石物性分析

对花土沟—狮子沟地区野外地面地层露头样品的采测、钻井岩心密度和磁化率进行实测, 对电阻率测井等资料进行综合分析研究, 得到本地区地层岩性、密度、磁化率、电阻率等参数值, 如表 1所示。

1) 密度。上油砂山组及更新地层平均密度不大于2.26 g/cm³, 下油砂山组地层平均密度为2.36 g/cm³, 上干柴沟组(N₁)平均密度为2.44 g/cm³, 下干柴沟组(E₃)以下地层平均密度不小于2.57 g/cm³。上、下干柴沟组之间的密度界面构成本区的主要密度分界面, 它们之间有0.13 g/cm³的密度差。古近系及中生界与古生界基底之间存在较明显的密度界面, 密度差达0.11 g/cm³, 是本区的另一个重要密度界面, 但是它埋藏深, 主要产生区域异常, 其局部凸起产生的局部异常幅度可能较上、下干柴沟组之间的密度界面要弱。另外, 下油砂山组与上干柴沟组之间有0.08 g/cm³的密度差, 为次要的密度分界面。

2) 磁化率。本区新生界和中生界沉积岩地层的平均磁化率均在30×10^-5 SI以下, 属无磁或弱磁性地层。前中生界结晶基底具有一定磁性, 为本区的磁性层。其中, 下元古界(Pt₁dk)中的片麻岩平均磁化率为177×10^-5 SI; 斜长角闪岩的平均磁化率为352×10^-5 SI; 奥陶系安山岩火成岩段的平均磁化率达到了534×10^-5 SI。另外, 本区发育的花岗岩磁化率一般小于2×10^-5 SI, 为无磁性岩石。

3) 电阻率。由露头测定结果得出研究区的电阻率有如下特征:第四系(Q)及新近系狮子沟组(N₂³)为表层高阻, 受西北地区干燥气候的影响, 第四系平均电阻率高于1 000 Ω·m, 主要烃源岩为相对低阻, 基底地层电阻率超过5 000 Ω·m, 火成侵入岩电阻率超过10 000 Ω·m。测井电阻率统计结果表明:下干柴沟组(E₃)平均电阻率为40 Ω·m, 为相对高阻; 上干柴沟组(N₁)平均电阻率为23 Ω·m, 为次高阻; 油砂山组(N₂¹, N₂²)平均电阻率小于10 Ω·m, 表现出低阻特征(图 1)。

本地区的物性特征可以概括为:① 烃源岩盖层(Q+N₂³)表现为低密度、低磁性、高电阻率特征; ② 烃源岩总体上表现为中等密度、低磁性、低电阻率特征, 其中, 路乐河组(E₁₊₂, 非烃源岩)和下干柴沟组(E₃)密度、电阻率较高, 和上覆地层之间存在明显的密度和电性界面; ③ 基底表现为高密度、中等磁性、高电阻率特征。

2 数据采集与处理

在研究区完成405 km²高精度重磁及三维电法勘探工作。重力、磁力测线67条, 剖面总长807.4 km, 物理点4 104个; 电法测线70条, 累计长度843.6 km, 物理点1 711个。采用Trimble 4 600 lsGPS定位仪和快速静态法进行测点定位。

2.1 数据采集

本研究工作中, 重力和磁法采用面元采集方式, 施测测网为0.5 km×0.2 km。重力使用4台高精度LCR-G/D型重力仪, 磁法使用6台G-856/858型铯光泵磁力仪。仪器投入使用前, 按规范要求进行了静态、动态和一致性试验。重力普线施工前, 在研究区中西部和东南部布设了重力基线网, 形成3个闭合圈, 北部施工时, 由于地形条件异常复杂, 基点随施工逐步延伸, 形成第4个闭合圈。基点重力值引自柴达木盆地Ⅰ级重力基点网的CDM-G45, CDM-G46两个重力基点。普点观测面元采用单日单次观测当日闭合基点的方法进行施测。为克服复杂地形的影响, 对所有测点均使用森林罗盘测量了测点8个方位的高度角, 经转换求取测点8个方位的高差, 据此求取测点的近区地形改正值。磁法在测区共设立1个磁力日变站, 有效控制半径40 km。磁力测点采用单日单次观测法施测, 探头高度1.5 m。仪器的动态观测精度均小于设计要求的0.030×10^-5 m/s², 动态性能良好。

大地电磁资料采集, 采用小面元三维采集技术^[14](图 2), 显示出了良好的勘探效果。本方法的布极方式为:电场的布极采用2×2或3×3电极首尾相接的阵列展开, 采集站之间以GPS实现同步, 小面元大小根据采集站数量和地形条件而定, 采集站个数少及地形差时, 可以只布设2×2面元, 即4个电场采集站和一个磁场采集站。由于电场同步连续采集, 因此, 可以在时间域实现面元内数据噪声分析和静态效应的三维校正处理。同样, 磁场也可以做类似的分析和处理。这种方法较电磁法具有更强的抗干扰能力, 能有效提高资料采集质量。

2.2 数据处理

针对研究区复杂地表和地质条件, 首先采用了变密度中间层地形改正技术。由于近地表地层密度不同以及地形起伏, 若使用全区统一的常密度中间层及地形改正时, 会引起山形异常或镜像异常等虚假重力异常。变密度重力外部改正技术可消除近地表密度与地形变化引起的虚假重力异常, 应用该项技术较好地消除了本区近地表地形变化与密度变化引起的重力异常畸变。

其次, 针对勘探目标层采用了异常剥离技术。由于布格重力异常、剩余重力异常(常规处理)、重力垂直二次导数异常均不易将深、浅层构造的影响较好地分离开, 使得在研究中分析古近系目标构造特征存在一定困难。异常剥离技术的应用能将与目标层构造因素无关的重力异常剥离开去, 使剥离出的重力异常尽可能地降低受其它层位地质因素影响的程度, 突出目标层构造对应的重力异常。

最后, 针对三维地质目标采取三维数据反演技术。采用相对密度差反演方法和多次迭代逐次逼近的方式以及极值范围、反演空间范围约束等方法对三维地质目标体进行反演。图 3a为反演模型的重力异常, 可以看到, 反演结果较好地拟合了目标重力异常(图 3b), 拟合精度达到0.10×10^-5m·s^-2。

在研究区三维电法勘探现场进行的处理工作与常规预处理和二维电法勘探类似。针对所实施的三维电法勘探, 所采用的特殊处理技术主要包括两方面:① 三维规则化插值, 在复杂山区施工过程中, 有时需要采用不规则面元, 但在数据后期处理中需要使用规则化后的数据, 因而需要对非节点上的不规则面元采集数据进行规则化处理, 三维插值在充分考虑了近区规则点和不规则测点实际值的基础上, 在三维空间进行由高频至低频的插值计算; ② 三维静校正处理, 采用空间域低系数三维统计滤波静校正方法, 考虑了平面上局部不均匀体的影响和分布。对比静校正前、后的视电阻率异常断面(图 4)可以看到, 静位移引起的断面上局部直立和锯齿状异常(图 4a), 在静校正后的视电阻率异常断面上(图 4b)得到了有效压制, 表明了三维空间域统计滤波静校正方法的有效性。

三维反演问题是电法勘探中最具挑战性的问题之一。20世纪70年代三维问题就已经被提出, 进入21世纪以来, 随着计算机技术的发展特别是计算机集群的出现, 三维电法勘探技术取得了实质性的进展。本项研究工作与二维MT/CEMP勘探的主要区别是实现了三维反演处理。核心算法是基于正演模拟算子的拟线性近似^[15], 形成一个修正的电导率张量线性方程, 修正的电导率张量、反射率张量和复杂的异常体电导率成正比, 利用正则化共轭梯度法解线性方程。具体实现采用非线性共轭梯度法大地电磁拟三维反演^[16-20], 该方法选取共轭梯度反演算法为拟三维反演的核心, 在计算灵敏度矩阵时, 借鉴近似灵敏度矩阵思想, 采用一维灵敏度矩阵来代替三维灵敏度矩阵, 并对非测点的灵敏度元素提出一种近似方法。在第一次反演之后, 采用拟牛顿法更新灵敏度矩阵。

在三维反演实现过程中, 全区均一网格的MT测点结果都参与反演, 反演结果无测线之间闭合差问题, 避免了二维反演时主测线与联络测线反演结果不闭合、忽略旁侧效应影响等局限性(图 5)。

对比研究区MT22线二维反演(图 6a)与三维反演(图 6b)切片, 可以看到, 两者都存在电性层构造异常分布, 但在三维反演结果中, 电性层构造异常形态及特征更为突出, 能够为构造解释工作提供重要依据。

在三维反演中考虑了各测点的体积效应, 对局部构造异常反应更为灵敏, 对局部构造刻画更精细, 反演的基底电性结构更为合理。图 7为过狮23井等多口井的三维反演断面, 沿断面各口井揭示的地层起伏与反演电性层起伏相关性良好, 三维反演结果与钻井揭示的地层起伏趋势一致。

研究区所获得的三维反演结果表明, 三维反演优势较之二维明显, 充分体现了三维反演的先进性。三维反演结果为进一步的资料综合解释奠定了基础。

3 应用效果及地质意义

图 8a为三维重力反演得到的密度平面分布, 反映了古近系顶面至基底顶面之间密度界面的起伏变化, 与常规处理得到的剩余重力异常相比, 消除了其它地质因素的影响。研究区中部目标层密度切片中存在一个南北向高密度异常带, 与电法显示的构造带对应, 而西北角的局部高密度也代表了古近系顶面局部构造的存在, 油砂山构造一带存在局部高密度带, 显示了油砂山深层存在构造。

图 8b为三维磁力反演得到的等效磁化率分布, 分析岩石磁性得出, 该磁化率切片主要反映前中生界基底磁性差异变化, 这种变化与基底结构有关。

图 9a为三维反演电阻率为16 Ω·m的海拔埋深平面图, 反映了本区低阻沉积地层底界的分布特征和厚度变化。主要特征为, 在工作区中部沿跃36井区至狮20井区近南北向为低阻层沉积较薄的区域, 底界埋深达1 300~2 600 m, 低阻沉积地层较厚的区域位于研究区东部、西部, 底界埋深超过4 500 m。

图 9b为反演电阻率为60 Ω·m的海拔埋深平面图, 基本反映了本区深层高阻基底顶面的起伏形态。主要特征与低阻层底界埋深类似, 研究区中部沿跃36井区至狮20井区为近南北向展布的高阻基底隆起区, 在该隆起区上, 分别以狮25井、游深3井北和建参1井北区域为中心, 形成3个明显的高点圈闭范围, 其高点埋深分别约为4 400, 4 400, 5 000 m, 反映了该隆起带上深层构造较发育的特点。

图 10展示了三维重磁电和地震资料综合解释的结果。图 10a为利用地震剖面进行建模得到的综合解释结果, 其保留了地震反映清楚的中浅层信息, 对不同的地层填充密度值, 然后在综合解释平台上进行重力反演, 通过反复拟合, 逐步修订深层模型, 当计算重力异常曲线和实测重力曲线拟合很好时, 获得了深层地质模型, 这一步骤综合了地震和重力的信息, 为解决深层目标结构提供了有效的途径; 图 10b展示了利用三维重磁电资料综合解释的N₁底构造, 从图中可知, 狮子沟构造带受滑脱断裂影响, 其上、下构造层有一定的差异, 上构造层形成4个断鼻构造而下盘形成4个完整的局部构造; 图 10c的三维重力反演高密度体非常明显地体现了狮子沟构造带上具有4个单独的局部构造, 向南延伸至油砂山; 图 10d是根据重磁电综合建模信息开展三维地震攻关后获取的T2层构造图, 从图中可以看出, 三维地震揭示的地质结构和前期开展的三维重磁电成果(图 10b, 图 10c)具有很好的可比性。

综合研究表明, 研究区基底岩性主要由花岗岩和古生界浅变质岩组成, 花岗岩分布于研究区中部, 周围为古生界浅变质岩, 这种基底结构特征对研究区的沉积岩分布和构造发育有重要控制作用。研究区以油砂山—狮子沟大断裂为界, 分布深、浅两套构造层, 深层构造主要有两个构造带, 一个为沿花土沟—游园沟—建设沟近南北向展布的构造带, 深浅层构造有较好的继承性; 另一个沿狮35—狮15井北展布的北西向构造带, 基底表现为凹陷特征, 上部构造具有继承性。浅构造层受油砂山—狮子沟大断裂控制, 形成4个断鼻。

综合评价表明, 干柴沟—游园沟—建设沟近南北向构造带是进一步勘探的有利构造带, 游园沟高点为该构造带进一步勘探的有利目标; 狮北构造带是研究区较有利的勘探构造带。

4 结束语

1) 在柴达木盆地西部复杂地区开展三维重磁电综合勘探攻关, 采用小面元电法采集、变密度地形校正、重力异常剥离、三维MT插值、三维空间域统计滤波静校正等处理技术, 配合三维重磁电综合反演解释, 有效地克服了复杂地形、静态效应等因素的影响, 取得了较好的应用效果。

2) 三维MT勘探相对于二维MT而言, 测点分布均匀, 能够更有效地通过反演获得研究区深、浅层的构造形态。三维MT反演考虑体积效应, 其结果比二维MT结果对构造的刻画更精细, 在反映深层构造形态和基底电性合理分布方面具有突出的优势。将重磁电资料与地震资料在统一平台上进行三维显示与解释, 增强了三维MT资料解决中深层构造的能力, 进一步提高了研究成果的客观性、可靠性。

3) 在类似复杂地区开展油气资源调查评价、勘探工作中, 三维重磁电一体化勘探技术可作为地震勘探技术的重要补充, 配合地震开展构造研究, 提供有利勘探目标。

致谢: 感谢中国石油天然气集团公司高瑞祺、查全衡两位专家对本文工作的支持、指导和帮助。