油气勘探中的航空地球物理方法

近年来，在全球油气综合勘探工作中，航空地球物理方法所占比重有所增加。这首先源于航空地球物理技术进入新的发展阶段。如今，航空地球物理人员拥有现代高精度测量设备，以及对所得数据进行地球物理和地质解释的最新系统。随着航空重力测量的纳入，航空方法组合本身也显著扩大。所获成果使勘探技术得以优化，并尽量降低昂贵的地震勘探和钻探支出。

近几十年来，航空地球物理方法和技术已牢固融入全球油气远景区勘探前地质地球物理准备工作的实践。以航空磁力测量为主的航空地球物理测量，曾在不同时期覆盖世界各主要沉积盆地，其资料为采用地震勘探和钻探寻找油气的规划与组织提供了基础。主要油气开采及天然气公司资助了航空地球物理工作，从而降低并优化了寻找新矿藏的成本，大幅缩短了新勘探项目的实施周期。这些成果得益于航空地球物理技术特有的快速性、经济性、统一的方法体系、所得数据极高的统计代表性，以及环境友好性和几乎不受地域限制的可达性。

近年来，尽管世界主要油气盆地似乎已得到充分的航空方法研究（主要为磁力测量，伽马能谱测量较少），但在利用航空方法解决油气勘探任务方面仍出现了某种“热潮”，国外更为明显，俄罗斯联邦相对较弱。其表现既包括在数十年前已用航空方法研究过的传统油气产区开展新的综合航空地球物理测量，也包括在刚刚开展过测量的新地区进行大量测量。

这完全可以解释。在解决勘探任务时，石油和天然气公司负责人力求扩大航空地球物理测量规模，因为航空地球物理技术目前正经历一个新的、真正革命性的发展阶段，其特点包括：

• 现代测量设备质量达到根本不同的水平，并引入高精度卫星导航和测量定位系统；
• 航空地球物理方法组合本身得到扩展，纳入航空重力测量、热红外成像及航空气体测量；
• 采用根本性的新型地球物理和地质数据解释系统，其基础为现代高性能计算技术及先进的物理与地质理论。

现代航空地球物理方法与仪器。

航空磁力测量是为油气远景区地面勘探作准备的基本方法之一。到20世纪60年代末，国家航空磁测几乎覆盖了全国。然而，近年来仍持续在已研究地区采用该方法开展航空测量。对比上一代和当代航空磁力仪的技术计量特性，以及过去和目前所提取信息在质与量上的差异，即可理解重复测量的原因。

现代磁力仪具有极高的灵敏度（可达0.0005 nT，即纳特斯拉）和采集效率（每秒10次测量起）。这使得可以可靠地识别和分析强度为数nT及亚nT、在计量学上可信的异常。

卫星导航系统的引入对航空地球物理测量，包括航空磁力测量的质量产生了特别重要的影响。现代导航系统采用GPS（美国）+GLONASS（俄罗斯）联合星座接收机，使观测点坐标的实时确定精度达到10–20 m；在后处理中对导航数据进行差分改正，可达到小于1 m。这可将坐标确定误差引起的实测异常形态畸变降至最低。

不到十年间航空磁测野外作业质量特性的上述变化，使得能够研究异常磁场中与沉积盖层垂向和横向结构不均一性有关的极低反差效应，包括深度从数百米至数千米较浅范围的效应。

重力测量一直是沉积盆地地球物理研究的重要特殊组成部分。从物理基础上说，重力测量在形式上可视为地震勘探的类似方法，因为介质的弹性性质与组成岩石的密度之间存在直接相关关系。其应用范围仅受测量结果解释多解性较大的限制，而这种多解性源自该方法物理数学理论的特点。尽管如此，重力测量对于研究难以用地震勘探查明的地区，包括陆架，尤其是过渡带，其作用无论怎样强调都不为过。

自20世纪70年代起，俄罗斯国内及国外都曾尝试开发航空重力测量系统。然而，直到现代卫星导航系统投入实际应用后，才获得令人满意的结果。目前，若干国外公司（北美公司CARLSON和FUGRO）以及一家国内公司（Aerogeofizika）拥有性能大致相同、能够实际工作的系统。

按其技术指标，这些系统开展的航空测量符合1:200 000比例尺要求，但与相应地面测量不同，其特点是均匀覆盖整个区域。图1给出了白海水域附近地面及航空重力测量成果的比较。

图1. 法耶改正重力场异常图（2000年8月；任意基准面）。
А—航空测量数据；В—1:50 000地面测量数据

近年来，世界主要石油企业逐渐形成了稳定趋势：在油气远景区研究初期，除航空磁测和重力测量外，还采用航空伽马能谱测量。据J. G. Morse等报道，1995年美国矿务局发布了关于伽马能谱测量用于油气勘探的信息通报。在分析的237个案例中，85%给出了不同程度得到验证的积极结果。辐射场结构不仅反映油气藏本身，也反映可能控制流体分布的断裂构造要素。
在地表地质体天然放射性背景造成的干扰下，有用异常水平很低，对所用仪器的性能提出了特殊要求。目前，俄罗斯及国外开展高质量测量通常采用数字式512–1024道能谱仪，配备总体积达52 L的Polyscin NaI(Tl)探测器，在0.662 MeV谱线处的能量分辨率不劣于9%。记录完整伽马射线能谱，不仅可确定天然放射性核素浓度，还可识别人为污染区域，并测定近地层大气中的氡浓度，进而为填绘活动断层提供可能。
航空电磁勘探用于油气勘探的最早经验，来自1985–93年在伏尔加—乌拉尔省若干目标区采用直升机瞬变电磁法（TEM）开展的方法试验。所获积极结果促成了试验性生产工作，但遗憾的是，这些工作因国家开始的转型而中断。不过，乌德穆尔特、鞑靼斯坦及东里海地区的成果，成为建议将航空电磁勘探纳入必需的先行工作组合的依据。
为评价填绘油气藏上方蚀变岩晕的可能性，Geoterrex公司（CGG的加拿大分部）在内华达州已知油田试验了加拿大GEOTEM航空瞬变电磁系统。结果以瞬变衰减时间常数分布图表示。发现该参数为正值的区域与生产井的空间位置吻合良好。
不同公司对利用热红外测量寻找油气藏的可能性持不同看法。有些公司，主要是国外公司，基于油气藏发育区异常温度逆转模型，尝试将该方法用于日常勘探；另一些公司将其视为辅助但非必需的方法；还有一类主要为国内公司，在工作中完全不考虑该方法的数据。
不讨论这一争论的实质，我们仅指出，在我们看来，该方法最有效的应用方向是对油气输送系统（输油和输气管线）进行监控和诊断，以及对油气开采区进行环境调查，包括水域中的石油产品泄漏区。
航空气体测量也可服务于类似目的。这种遥感观测利用专用开放光路气体分析仪，测定近地层大气中二氧化氮、二氧化硫、甲烷、丁烷及多种芳香烃等物质的浓度。已有将此类测量用于勘探并取得积极效果的经验（Krasnoyarskgeologiya生产地质联合体）。
上述油气远景区研究方法，可在极短时间、最低经费投入且不产生任何环境后果的条件下，获得在数据量、综合性和完整性方面独具特色的研究区数据库。随后开展的地质地球物理解释，最终可最大限度缩减成本与时间，并优化远景区的勘探技术。

基于航空方法成果的油气藏地质地球物理解释与预测新技术。

综合航空地球物理测量资料的地质地球物理解释，基于关于地下油气藏定位规律（找矿前提）的假设，以及油气聚集本身或其形成、变化和破坏所引起的现象在地质地球物理场中的表现形式（找矿标志）的假设。这些假设既包括已由事实确定并反复验证的认识，也包括尚停留在假说范围内的认识。
为依据已开展的航空地球物理工作资料识别和填绘预测找矿前提，已开发主要基于位场方法——磁力测量和重力测量——的解释技术。通常，其目标是将研究区岩石垂向剖面划分为不同的近水平组成单元，即标志层，这些单元在埋深、岩石磁性及密度特征方面有所不同。在古老沉积盆地条件下，主要标志通常是地台褶皱基底，更准确地说是其表面；反差较弱的标志则是几乎无磁性的碳酸盐岩或黏土质岩层中的弱磁性陆源碎屑岩夹层。因此，磁场地球物理解释的主要任务是识别标志面或标志层，并填绘其起伏。重力场解释技术也从同一角度考虑。
这样，标志层表面的起伏构造可指示各种油气构造圈闭，而对不同层位之间厚度的分析可识别某些非构造圈闭。
对所研究和应用的解释技术进行分析表明，古老沉积盆地褶皱基底本身的地质结构，是油气预测中一个非常重要的组成部分，也可通过磁力和重力数据的地质解释加以填绘。
对已发表资料中已知解释技术的分析，可在上述方法框架下区分出至少三类方案。第一类（主要见于国外文献）仅极少采用现代定量解释方法。通常，解释局限于最简单的变换，随后识别所得图像，并尝试进行区域构造分区。仅偶尔采用欧拉反褶积等简单奇异点分析方法估计场源深度。
位场解释的第二类和第三类方案之所以能够实现，一方面得益于野外测量极高的精度，另一方面得益于现代定量解释方法。二者的差异实际上在于：第二类以二维解释模型为主，第三类则基于三维解进行解释。这些差异既源于所用计算设备的能力，也源于是否具备可将现代物理数学成果应用于大规模生产作业解释的软件工具。

图2. 为填绘褶皱基底起伏及地质结构而进行的磁力和重力数据解释成果。1、2—分别为岩石磁化强度图和密度图；3—按岩石磁性特征进行的岩石分类；4—岩石磁性剖面图；5—埋深示意图；6—基底剖面上部地质构造图；7—起伏构造示意图。图3. 为填绘沉积盖层标志层起伏构造而进行的磁力数据解释成果。1、2—沉积盖层中磁性活跃层位М-1和М-2的构造图；3、4—М-1层位与基底之间、М-1与М2层位之间的厚度变化图；5—М-1层位岩石的有效磁化强度；6、7—参考磁性活跃层位的褶皱及断裂构造图

以下考察利用航空地球物理测量资料，对古老沉积盆地结构进行三维填绘的若干解释方案实例。
在这种技术流程中，第一个重要环节通常是确定地台区褶皱基底、有时为变质基底的埋深，并对基底剖面上部进行地质填图。解决这一任务的第一部分，可采用GNPP Aerogeofizika开发的ROMGAS技术等方法。该技术基于位场的频谱表示，可估计磁性活跃（产生重力效应）界面的埋深，在多数情况下，该界面可与基底埋深相对应。
任务的第二部分采用REIST技术解决，其通过拟合组成基底岩石的有效磁化强度，对基底磁场进行建模。同一方法也用于重力场解释，以获取基底岩石密度特征分布模型。
图2给出了某油气远景区古老沉积盆地褶皱基底构造及表面填绘成果。将估算的基底埋深与已有钻探资料比较，通常得到约5–10%的平均相对误差。
为研究沉积盖层结构特征，分离出与盖层内部垂向和横向不均一性有关的剩余重力场和磁场，再对这些场进行分析，以识别并填绘这些不均一性。
此处地质任务的性质与基底地质研究中需要解决的问题（划分、填图等）相差不大。但从方法和技术上看，这是一个显著更复杂的问题。首先，沉积盖层中的构造和地质体对总磁场的贡献，远小于基底中类似目标的贡献。例如，上述实例中用REIST技术得到的基底磁模型解释了原始场，使剩余场标准差降至12 nT。考虑到原始场标准差约为300 nT，可以认为沉积盖层地质体的贡献约占总场能量的0.16%。
这一情况首先对原始资料质量提出了极为严格的要求，并决定了以往年份的测量资料不能用于解决该任务。
计算剩余场最严谨的途径，是从原始场中扣除基底模型场；后者可利用类似REIST的技术获得。
在有利条件下，可用ROMGAS技术估计沉积盖层中参考层位的表面起伏。通常，当较薄岩层（数十米）的磁化率差为数十个10-5 SI单位时，即可填绘其埋深。

图3给出了此类估算结果。在地质解释中，对识别出的磁性活跃层位进行岩性地层归属判定，并编制褶皱和断裂构造图。解释的另一重要环节，是分析所识别岩性地层单元（标志层）之间的厚度，从而按年龄和形成条件对识别出的构造分类。在某些碳酸盐岩剖面中，可发现陆源碎屑岩标志层之间厚度异常增大，这往往与礁体有关。
地质地球物理解释所得的基底地质图、基底表面起伏图及沉积盖层构造图，可用于建立古老沉积盆地地质结构模型，并确定其形成过程中的若干重要阶段。这些数据对识别油气构造和非构造圈闭（预测找矿前提）均十分重要，随后可据此优化地面地球物理及勘探钻井工作设计。
油气藏的找矿标志尚未得到充分研究。对于航空方法测量的场，目前尚未确定能够明确指示油气藏、且可被无歧义理解和解释的直接标志。所谓间接标志，是指油气藏及其伴生现象在地质地球物理场中的表现形式，而这些表现也可能反映与油气聚集无关的其他地质体。目前已识别出相当多的此类间接标志。
识别矿藏间接找矿标志的基础，通常是油气迁移导致其上覆岩石中发生特定后生过程的模型。一些研究者认为，这些过程的特殊异常表现大致与油气藏边界重合；另一些认为与油气田边缘部分重合；还有一些认为与构造裂隙较发育的区段重合。
许多研究者指出，垂向渗流的液态流体可能改变油气藏上覆地层的物理性质。他们认为，油气流体可能显著降低容矿围岩的磁性，并可利用航空磁力测量识别这些异常带。这为通过联合分析沉积盖层构造图及参考层位磁化强度分布数据，依据航空磁测数据预测油气藏提供了可能。图3.5给出了由航空磁测资料获得的此类异常实例。
对于放射性地球化学方法，假定油气藏形成时伴随叠加分散晕的形成，这些晕由可迁移形态金属的远距离迁移产生。在西西伯利亚、白俄罗斯和伏尔加—乌拉尔地区的已知油气田上方，曾研究过此类异常。
尽管该方法所依据的假设具有争议性和推测性，但在研究石油喷泄、溢油及污水泄漏所致环境灾难后果的大规模试验中，这种地球化学转化模式表现得十分明显。就遥感方法而言，地球化学场结构反映在天然放射性核素（U、Th、K）异常的特定表现中。

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综述所列资料，以及在广泛的地质研究和生产实践中，包括油气勘探任务中，多年应用航空地球物理技术的经验，使我们有理由预计，这些技术在研究古老沉积盆地含油气性方面的有效性将继续提高。