柴窝堡地区时频电磁测线解释研究

Interpretation of Time-Frequency Electromagnetic Survey Lines in the Chaiwopu Area

摘要: 准噶尔盆地柴窝堡地区具有较好的油气勘探前景，但该地区以往油气勘探程度较低，控制程度不均衡，存在地质结构、烃源层分布及构造特征等认识不清的问题，进而制约了对该地区的勘探潜力的认识。本文在建立地层电性模版的基础上，明确芦草沟组与下伏地层有明显电性界面，并对14条时频电磁测线进行处理解释研究，联合时间域与频率域进行优势互补，提高了目标探测能力，绘制芦草沟组底部埋深平面图，进一步指导柴窝堡地区的勘探方向。

Abstract: Chaiwopu area in the Junggar Basin has good oil and gas exploration prospects. However, the level of oil and gas exploration in the region was relatively low in the past and the degree of control was uneven. There were problems with unclear understanding of geological structure, distribution of hydrocarbon source layers, and structural characteristics, which further restricted the understanding of the exploration potential of the region. On the basis of establishing a stratigraphic electrical template, this article clarifies that there is a clear electrical interface between the Lucaogou Formation and the underlying strata. Processing and interpretation research were conducted on 14 time-frequency electromagnetic survey lines, combining the advantages of time and frequency domains to improve target detection capabilities. A plan of the burial depth at the bottom of the Lucaogou Formation was drawn to further guide the exploration direction in the Chaiwobao area.

1. 研究区概况

柴窝堡凹陷位于准噶尔盆地南部东段，乌鲁木齐市以南，夹持于博格达山及伊林黑比尔根山之间，现今地貌北高南低。中二叠统芦草沟组为主要的含油层系，其中邻区吉木萨尔凹陷已探明有丰富的油气储量，柴窝堡凹陷也获得了低产油气流 [1] [2] [3] 。区内以中二叠统芦草沟组为目的层的钻井共8口，其中1口获工业油气流。2019年完成时频电磁勘探测线14条，长度402.732 km，2020年采集三维地震299.78 km²。综合钻井、露头、地震及非震，落实了北部芦草沟组烃源岩超过200 m，估算资源量4.9亿吨，资源基础雄厚，潜力大。根据新采集的三维地震资料分析，受“南北对冲、多层滑脱”的构造影响，仅依靠地震识别地层展布特征难度较大，构造解释模式及地质结构不明确，需要开展时频电磁资料处理解释，辅助地震完成柴窝堡有利目标评价预测。

2. 建立地层电性模版

柴窝堡凹陷基底由前寒武纪结晶基底和前晚石炭世褶皱基底构成 [4] 。盖层主要由上石炭统、二叠系、三叠系、侏罗系、古近系、新近系构成。上石炭统为凹陷第一套沉积盖层，为残余海相沉积，其上陆续发育了二叠系、三叠系、侏罗系和第三系等4套陆源河、湖相盖层沉积。

2.1. 综合电性特征

通过对测井电阻率、井旁反演电阻率及岩石标本电阻率进行统计分析，建立综合电性变化直方图(图1)，从图中可以看出，第四系(Q)岩性以未胶结的砂砾岩为主，测井、反演电阻率均大于30 Ω∙m，两种电性均呈现中高阻特征，故Q属次高阻层；新近系—三叠系郝家沟组(N-T₃hj)岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩，测井与反演电阻率均小于10 Ω∙m，标本电阻率平均值小于50 Ω∙m，为低阻层。

三叠系黄山街组—克拉玛依组(T₃h-T₂k)岩性主要为砾岩、砂岩、粗砂、泥质粉砂岩、泥岩，测井、反演电阻率分别为12~26 Ω∙m，标本电阻率大于700 Ω∙m，三种电性均呈现中高阻特征，为中高阻层；三叠系上仓房沟群–二叠系芦草沟组(T₁ch-P₂l)岩性主要为细砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩，测井电阻率小于10 Ω∙m，反演电阻率为14 Ω∙m，与上覆及下伏地层电性有明显差异，标本电阻率约213 Ω∙m，三种电性均呈现中低阻特征，为中低阻层。二叠系井井子沟组–下二叠统(P₂j-P₁)岩性主要为粉砂岩、含砾砂岩、砂质泥岩，测井、反演电阻率分别为50.1 Ω∙m、49.7 Ω∙m，标本电阻率亦大于1000 Ω∙m，为高阻层；上石炭统–上泥盆统(C₃-D₃)岩性以砂岩、凝灰质砂岩、粉砂岩、安山岩为主，标本电阻率约3048 Ω∙m，为高阻层；二叠系闪长岩(Pδ)标本电阻率大于2000 Ω∙m，属高阻体。

Figure 1. Comprehensive electrical change histogram

图1. 综合电性变化直方图

2.2. 二叠系电性特征

Figure 2. Histogram of resistivity changes in the Permian strata

图2. 二叠系地层电阻率变化直方图

二叠系地层自上而上分别为下仓房沟群(P₃ch)、红雁池组(P₂h)、芦草沟组(P₂l)、井井子沟组(P₂j)、乌拉泊组(P₂w)及下芨芨槽子群(P₁jj)，岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩为主，三种电性均显示二叠系地层电性为上低下高(图2)。P₃ch测井、反演电阻率分别为7.2 Ω∙m、8.3 Ω∙m，为二叠系电性最低的层；P₂h-P₂l测井电阻率为11.5 Ω∙m，反演电阻率略高，达到19.2 Ω∙m，但低于下伏地层；P₂w-j测井、反演电阻率分别为33.6 Ω∙m、49.7 Ω∙m，为中高阻层；P₁测井电阻率达到74.8 Ω∙m，为二叠系电性最高的地层。

综上所述，柴窝堡地区综合电性特征为：总体呈现“次高–低–中高–中低–高”的特征。二叠系地层电性为上低下高，芦草沟组与下伏地层有较大的电性界面，为电法识别芦草沟组底界面提供依据。

3. 时频电磁资料处理解释

时频电磁资料同时研究时间域磁场Hz和频率域电场Ex，时间域Hz对低阻体反映灵敏，频率域Ex对高阻体反映灵敏，两者联合优势互补，提高了目标探测能力，可以较好的识别山前带深层地层结构、断裂发育特征。

3.1. 数据预处理

对野外采集到数据采用转换程序进行数据转换，得到对应的电流数据文件和接收数据文件，再采用信号显示程序对时间序列信号进行回放和分析，最后经过去噪、归一化等一系列的处理后得到时间域和频率域的相关数据 [5] 。

3.2. 时频转换

时频电磁发射的是不同频率的方波信号电流。在观测点接收的是按时间序列采样的电磁信号，并且在发射回路中采集了实际供入地下的电流信号。所以要对实测信号进行傅立叶时频转换。在频谱分析和滤波之后，我们要对数据进行叠加和FFT变换，为后期资料处理做准备。

3.3. 频率域数据处理

这一步骤主要包括：频率域数据库的建立、归一化处理、编辑去噪、定性异常的求取与分析等。时频电磁法资料处理解释主要应用的是全区视电阻率(简称视电阻率)，分析视电阻率–频率断面，可以定性地了解测线上的电性分布、基底的起伏、断层的分布、电性层的划分等断面特征。一般而言，在深部(低频)高视电阻率等值线的起伏形态与基底起伏相对应，而视电阻率等值线密集、扭曲和畸变的地方又往往与断层有关，断层越浅，这种特征越明显。

3.4. 时间域数据处理

时间域数据的处理分为以下几个步骤：原始信号分析、数据库的建立、数据电流归一、数据去噪处理、总纵电导和视电阻率的求取。

着重介绍一下总纵电导和视电阻率的求取。通过信号的同步叠加，对每一记录道中固有的、由放大器滤波器等非线性电路引起的过渡过程进行改正，方法是与实时记录的阶跃脉冲响应进行反褶积，得到标准化曲线 $F\left(t\right)$ ， $F\left(t\right)$ 的计算公式如下式：

$F\left(t\right)=K\cdot t\cdot E(\; t\; )$

式中K是装置系数， $t$ 是时间， $E\left(t\right)$ 电场的衰减值， $F\left(t\right)$ 是去掉系统响应、装置响应及各种干扰后结果 [6] ，它的曲线示意图见图3。

将初步处理结果汇集成 $\lg F\left(t\right)$ 函数形式的数据集，并在空间域内对同一时刻的函数值采用样条平滑，以进一步减小高频噪声和处理误差，从而确保了数据的高品质。

Figure 3. F (t) curve schematic diagram

图3. F(t)曲线示意图

接下来求算每个测点的综合地电参数，即确定任意源区的视电阻率 $\rho \left(t\right)$ 和纵向电导 $S\left(t\right)$ 。将 $F\left(t\right)$ 曲线转换为以和 $\partial \lg F\left(t\right)/\partial \lg t$ 为坐标轴的曲线，在以 $\lg F\left(u\right)$ 和 $\partial \lg F\left(u\right)/\partial \lg \left(1/u^2\right)$ 为坐标轴的坐标系中，计算出参数 $1/u^2$ 和 $r/h_1$ ，然后用下式算出综合地电参数：

$\rho \left(t\right)=\frac{4\pi \times {10}^{-7}\cdot R^2}{2\cdot t}\cdot \frac{1}{u^2}$ ，

$H\left(t\right)=R/\left(r/h_1\right)$ ，

$S\left(t\right)=H\left(t\right)/\rho \left(t\right)$ ，

式中：R为收发距，t为时间。

通过上述公式计算，可以计算出总纵向电导和视电阻率剖面曲线，结合总纵电导曲线图和视电阻率曲线图，总体把握本工区的地下电性宏观规律。

3.5. 电阻率反演

Figure 4. 2D inversion resistivity cross Section in TFEM08 line

图4. TFEM08线二维反演电阻率断面图

二维反演是假定大地电性结构为二维的，即地下介质的电性在垂直于勘探剖面的方向上不变，而沿剖面方向和随深度发生变化的一种反演方法。与一维反演相比，二维反演的假设更接近于真实的地电情况 [7] [8] 。

二维反演考虑模型的二维特性，同时通过综合建模，层状介质反演，参考了旁侧电性影响横向连续性较好，深度更加真实准确，深部低阻特征更加明显，信息更丰富，反映了剖面的地质构造特征与结构，是地质解释主要依据图件，图4为TFEM08线二维反演电阻率断面图，与一维反演电阻率断面图基本相似，二维反演因为增加了先验信息约束，考虑了旁侧电性影响，层信息和横向连续性更好，地质构特征更加明显。

3.6. 电阻率剖面综合地质解释

对时频电磁资料进行精细的处理与反演，以物性为基础，以时频二维反演电阻率断面图为依据，结合地表地质、钻井、重磁平面异常特征，进行综合地质解释，包括断裂确定、地层分层、泥质岩分布预测等 [9] 。

据电法反演断面图中的电性异常特征，进行地电分层和岩性推断。纵观二维反演电阻率断面图，自上而下电性层或呈“次高–低–中高–中低–高”交替。这些电性结构及其在横向上的分布与起伏直观反映了本区剖面沿线的构造–沉积格局、地层分布与埋深起伏等 [10] 。结合地层层序及其电性特征，本次剖面分层方案如下(图5)：

第一套：Q，次高阻层，为表层高阻壳。反演电阻率断面图中的浅部薄层次高阻主要反映第四系地层分布，厚度小于150 m，在有钻井揭露区域，钻孔岩性可起电性层的地质识别与标定作用。

第二套：N-T₃hj，低阻层。反演断面浅部层状低阻主要反映了N-T₃hj地层的分布。

第三套：T₃h-T₂k，中高阻层。反演断面中部层状中高阻反映了T₃h-T₂k地层的分布。

第四套：T₁-P₂l，中低阻层，T₁-P₃电性低于P₂h-P₂l。电法剖面中部位置的低阻–中低阻一般反映为T₁-P₂l地层。

第五套：P₂j-D，高阻层。电法剖面深部中高阻主要反映了P₂j-D地层的分布。

Figure 5. Electrical layer division diagram of resistivity profile

图5. 电阻率剖面电性层划分图

3.7. 数据预处理

根据统计的地层物性模板可知，芦草沟组与下伏地层有明显的电性界面，因此预测了芦草沟组底界面，绘制其埋深平面图(图6)。从图中可以看出，工区南部芦草沟组埋深大，最大处埋深5500 m，工区向北埋深变浅。根据已有测井资料统计，达1井在3361 m钻穿芦草沟组，柴1HF井在3431 m钻穿芦草沟组，柴参1侧1在3639 m钻穿芦草沟组，从预测图上，达1井到柴1HF到柴参1侧1埋深厚度逐渐增大，实钻结果与预测结果一致。

Figure 6. Prediction of bottom burial depth of Lucaogou Formation in Chaiwobao area

图6. 柴窝堡地区芦草沟组底埋深预测图

4. 结论

本文通过对测井电阻率、井旁反演电阻率及岩石标本电阻率进行统计分析，获取地层的电性特征，建立综合电性模版，在此基础上对时频电磁资料进行处理解释，再结合地震资料开展联合解释，克服单一地球物理资料的多解性，建立精细的地质解释模型，成功预测了芦草沟组底界面埋深厚度，进一步指导柴窝堡地区的勘探方向。