油气勘探中的航空地球物理数据解释

目前，油气勘探以主要通过地震勘探实现的构造法为主。然而，在许多地区，完全依据构造标准开展勘探的效果有限。因此，迫切需要扩展勘探方法组合，引入基于截然不同的物理—地质原理的方法。在这方面，成本低、机动性强的航空地球物理技术显得尤为有前景，既适用于已勘探数十年的地区，尤其适用于刚开始勘探的地区。最有前景的方向之一，是对大陆架广阔的浅水过渡区开展勘探；这些区域在俄罗斯联邦的研究程度极低，但具有潜在的油气资源。

用于油气勘探的航空地球物理方法组合已经基本形成，通常包括航空磁测、航空伽马能谱测量，以及测定近地面大气中甲烷和丙烷浓度的航空气体测量。近年来，随着现代软硬件开发使航空重力资料质量大幅提高，航空重力测量越来越多地被纳入其中。目前，以固定翼飞机为平台的航空重力测量可获得均方根误差为0.5 mGal的布格异常场，其资料质量和空间分辨率满足1:100,000比例尺地面测量的要求。

GNPP Aerogeofizika采用专门为油气勘探开发的综合航空地球物理数据实质性地质解释技术，研究油气远景区。该技术可解决一系列地质问题，首先是研究基底地质结构。这项任务包含两个方面：一方面，了解基底地质结构有助于正确认识沉积盖层的形成过程及其中油气藏的分布规律。沉积盖层中地质界面的起伏可能继承基底顶面的起伏。另一方面，在结晶基底上部岩石中发现了数十个大型和特大型油气田，包括越南白虎油田，表明基底本身具有现实的油气勘探前景。

磁法勘探是解决这一问题的主要方法，因为在地台地区，异常磁场的主要来源正是结晶基底岩石。实际上，在这些地区，航空磁测是研究基底结构的直接方法，所开发的技术可有效实现这一目的。同时，全面、完整地解决该问题必须结合重力资料，包括迅速发展的航空重力资料。本期另有一篇关于基底结构研究的专文，因此无须重复介绍这些技术。

航空地球物理方法在油气勘探中解决的另一组问题，是提取沉积盖层地质体产生的异常并进行定量解释。航空磁测在这方面也能提供丰富信息，其中最重要的解释程序是分离基底场与沉积盖层场。一般而言，由于众所周知的理论限制[6]，这一问题没有严格解。因此，只能尝试将原始场分为两个分量，使其中一个主要包含深部基底产生的场，而另一个保留其能量主要来自浅部地质体的分量。此处最重要的标准是使引入的畸变最小，也就是保证分离分量的保真程度。

分离基底场与沉积盖层场的传统方法，是在滑动窗口中进行滤波（频率选择）等各种变换；但我们认为，这是一条死路。无论解释人员多么喜欢某种变换结果，任何变换都不可避免地给分离分量引入根本性畸变，使原始函数转入完全不同的类别。实际上，变换结果代表完全不同的质量分布所产生的场，其重新分布规律可能很复杂，可简述如下：研究对象的每个点质量，按变换权重比例，在形状与变换滑动窗口相同、中心位于该质量点的水平区域内重新分布[1]。因此，实际应用变换后，无法进一步对分离分量进行定量解释。这些分量仅可对可能的场源作定性描述，而且并非总是可靠，因为所有变换无一例外都会产生大量附加的（通常称为虚假的）局部极值，这些极值与地质原因无关，仅由上述质量重新分布规律决定。此外，所有场变换均未考虑各场要素测点的实际高程，因此对其结果作定量解释不仅毫无意义，甚至可以说令人反感。

我们利用SIGMA-3D软件包实现的方法避免了变换所固有的根本缺陷。通常，只需从原始异常场中减去由ROMGAS和REIST构建、用于近似基底的近水平层模型场，即完成所谓基底影响的地质消除（这种模型的建立技术见本刊另一篇文章）。应指出，该技术原则上同样不能克服一般情况下，对基底和沉积盖层中不同深度场源所产生的场进行分离时存在的理论非唯一性。然而，很容易证明，就所得分量对被分离场源真实场的保真程度而言，这种方法合理得多。

毫无疑问，REIST构建的近水平层模型存在误差，将其场从观测场中减去后，这些误差也会出现在剩余异常中。在多种成因中，主要有两类：

1. 输入REIST的先验资料误差，特别是所模拟近水平层顶界和底界深度的误差；

2. 与所用模型特征有关的误差，即模型离散性、单元之间的垂直边界（近似误差）、所有单元磁化矢量共线，以及未考虑自身异常场中的退磁效应等[2]。

然而，这些误差不会像变换那样在剩余场中造成根本且显著的干扰。由于上述误差，剩余场中仍保留部分基底影响，但已极大减弱。对于所用模型，这种减弱已达到最大程度，因为在拟合过程中，REIST会自动消除原始场中一切可由近似基底模型各单元解释的部分[2]。与此同时，对于异常场函数奇异点位于沉积盖层内、即近水平基底模型之外的场源，其场完全不受畸变影响。与近水平层模型上方场源有关的任何奇异点，其位置和类型都不会改变；也不会产生变换必然引入的附加局部极值等。因此，SIGMA-3D软件包中REIST所得的剩余场，是畸变最小的沉积盖层场源场，可以进一步解释，包括定量解释。

为说明上述方法的效果，以西西伯利亚亚马尔—涅涅茨自治区某区提取沉积盖层场源磁异常为例。图1将消除古生代基底模型影响后的剩余磁场，与地震资料编制的Б反射层位图进行比较。可见，提取的剩余异常振幅较小，约为5 nT；但对于使用灵敏度阈值不超过0.001 nT的铯磁力仪的现代航空磁测，这些异常完全可靠。此外，图上可清楚追踪道路、输电线、管道等人为源产生的干扰性线性异常。需要强调，该区观测ΔT场主要来自古生代岩石，异常振幅约500 nT，而上述技术能够在这一背景下较稳定地提取盖层场源的微弱异常。图1表明，剩余磁异常中最强的局部极大值对应地震勘探识别出的背形。在该区，这些背形对应大型天然气和凝析气田。所识别的局部异常看来与沉积岩有关，其磁化强度在运移油气的影响下发生了改变。

地质学家、地球物理学家和地球化学家对油气引起的沉积岩次生蚀变及据此寻找矿藏的可能性，已讨论了整整一个世纪。早在1908年，G. Harris就在路易斯安那州盐丘相关油藏的上覆岩石中发现了黄铁矿和其他硫化物。1922年，F. Reeves在研究俄克拉何马州Cement油田时发现，油气可使沉积岩改变颜色，特别是由红色变为灰色。此后，Cement油田实际上成为天然实验室，各专业石油研究人员持续在此开展研究。上世纪70年代，高精度量子磁力仪出现后不久，磁法勘探人员也加入了研究。到1979年，T. Donovan及其同事已查明，运移油气对沉积岩的次生蚀变可显著改变其磁化强度，产生可通过航空磁测有针对性寻找的局部磁异常[8]。Donovan发表的一系列文章推动了世界各地地球物理学家将航空磁测用于油气勘探。在我国，V. M. Berezkin及其同事[4,5]，以及V. G. Mavrichev领导的圣彼得堡地球物理研究组[7]，长期研究这些问题。后者引入了“矿藏型异常”（ATZ）一词，我们认为这一术语并不妥当，但它已被较广泛使用。目前，全球广泛开展对运移油气蚀变沉积岩所产生局部磁异常的寻找。次生蚀变的性质仍在研究，其主要进展可参见D. Schumacher的著名综述[10]。

世界各地大多数地球物理学家在为油气勘探解释航空磁测资料时，使用二维技术，仅分析剖面（航线）信息，再将结果汇总到平面图上。国外最流行的是R. Foote开发的SRM/MBS技术[9]。两个缩写分别表示“Sedimentary Residual Magnetic”（SRM），即“沉积物剩余磁场”，以及“Magnetic Bright Spot”（MBS），即“磁亮点”，后者借用了著名地震技术的名称。采用该二维技术的Geoscience & Technology公司对其效果作出如下说明：

1. 56%的已发现油气田上存在MBS异常；

2. 97%的已识别MBS异常与油气田相关；

3. 引入SRM/MBS技术可使勘探效果提高到两倍以上。

俄罗斯地球物理学家也采用名为SPAN（数据频谱—空间分析）的二维技术研究局部异常（ATZ）。

SIGMA-3D软件包为解释人员提供这类异常的三维分析能力，进一步提高综合勘探的效果。DVOP程序提供的功能之一是所谓解释层析成像，其名称源于希腊语tomos（切片、部分、层）和grapho（书写、绘制、描画），是一种根据重力场或磁场研究地质结构并获得逐层图像的系统[3]。目前，不同研究者已提出多种方法，尽管并非所有人在论文中都明确将其研究归于层析成像。这些方法可分为逼近和滤波两类，SIGMA-3D均已实现。

图2展示了通过解释层析成像获得的里海西北部Oleynikovskoye和Kaspiyskoye两个油田的磁化强度分布三维模型。模型以立体块图表示，包含蚀变岩石磁化强度等值面的局部。图中可见，在Oleynikovskoye油田，油气引起的沉积岩次生蚀变使磁化强度局部升高，而在Kaspiyskoye油田则使其降低。变化性质主要取决于受油气影响的沉积岩组成，因而可能非常多样[10]。

为识别可能的油气运移通道，可采用差分形式的逼近型解释层析成像，对异常磁场进行专门建模。该技术利用REIST程序依次将磁场拟合到相邻层位，层位间距例如为1000 m，然后根据层位间磁化强度分布的差值综合建立三维模型。计算所得差值赋予被分析层的中部。图3以南北向和东西向有效磁化强度垂直剖面，展示了罗斯托夫州某勘探区在-1.5 km至-4.5 km深度区间的建模结果。图中可清楚看到，在研究区中央一条西北走向带内，存在类似垂直运移通道的异常区。

图3. 罗斯托夫州某区采用差分形式的逼近型解释层析成像获得的三维模型，其有效磁化强度东西向（а）和南北向（б）剖面：层位从-1.5至-4.5 km；南北向剖面的顶部位于左侧

依据航空地球物理数据通过解释层析成像获得的三维模型，使地质学家能够解决较精细的问题。例如，在里海地区Karpinsky山脊附近，通过分析密度和磁性三维建模结果，将褶皱古生界划分为若干物质复合体（图4）。由于缺少先验钻探资料，目前尚无法具体确定其岩性和地层归属，但建模结果已能揭示其内部结构。它们显然形成一组向南倾伏、向北抬升的构造推覆体。山脊不同部位存在3—4个此类推覆体，每个厚度为数千米。航空地球物理数据推测的推覆—褶皱构造外缘，与钻探确定的位置吻合良好。这些结果也与近年来在Karpinsky山脊东部深钻研究褶皱古生界所得资料相关吻合。钻孔揭露了一系列相互叠置的构造推覆体，其间以向南缓倾的逆冲面分隔。

值得注意的是，解释层析成像绘制的构造推覆体覆盖了阿斯特拉罕隆起南翼及其泥盆纪—石炭纪沉积盖层，覆盖距离可达70 km。这些资料提示，阿斯特拉罕市以南地区可能存在被褶皱古生界推覆体掩埋的逆冲断层下天然气和凝析油气藏。为进一步明确逆冲面底界形态及潜在含油气层系的埋深，看来还需要更详细的重磁和地震勘探。

图5. 采用主成分法对气体浓度数据滤波的结果：
А—甲烷，Б—丙烷，В—氡；1—第一分量，2—第二分量。

油气勘探的一项重要任务，是绘制沉积盖层内的断裂构造。显然，存在合适构造或发现油气向其中运移的迹象，都不能保证存在油气藏。如果已识别构造内可追踪到大量断裂，则该构造中的油气很可能未能保存。

宜通过剩余磁场结构的线性构造分析解决这一问题，例如采用主成分法滤波。然而，如果有航空气体测量或航空伽马能谱资料，也可用同一技术分析气体组分分布特征。依据如下：普遍认为，放射性气体氡与深部源有关，经薄弱带进入大气，首先是氡形成时具有气体渗透性的断裂。与油气藏具有成因联系的挥发性烃类——丙烷和甲烷——应沿相同通道进入大气。因此，对这些组分开展综合线性构造分析，首先可绘制沉积盖层内的断裂系统，其次可将断裂划分为流体可能继续运移的活动断裂，以及没有这种现象的愈合断裂。图5为对航空气体测量资料及氡局部分量分布资料共同进行主成分滤波的实例。不同气体组分的滤波结果具有明显相似性。还应指出，航空伽马能谱资料也可用于发现运移油气引起的近地表岩石蚀变晕。

在建模中引入详细、高精度重力资料，可显著提高对沉积盖层结构的解释效果。需要指出，传统上仅以重力结合地震资料模拟盖层而不考虑磁法资料，通常会将基底密度不均一性的影响“扫入”沉积盖层。由此，盖层密度模型发生严重畸变，其计算场开始与磁场高度相关，而磁场的主要来源显然正是在基底中。将磁法加入地震—重力方法组合，可避免这种几乎不可避免且不合理的“扫入”，从而消除地球物理解释中的典型错误。

因此，对现代航空地球物理测量数据进行解释，可解决油气地质中的多种问题，从而提高综合勘探的总体效果。

参考文献

1. Andreev B. A.、Klushin I. G. 重力异常的地质解释。列宁格勒：Nedra，1965年，495页。

2. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. 利用磁法和重力资料研究地台区结晶基底结构。Geofizika，2003年第6期，第55—58页。

3. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. SIGMA-3D软件包中基于重力和磁法资料的解释层析成像。载《重力场、磁场和电场地质解释的理论与实践问题：第31届D. G. Uspensky国际研讨会论文集》。莫斯科：俄罗斯科学院OIFZ，2004年，第11页。

4. Berezkin V. M.、Loshchakov A. M.、Nikolaev M. I. 磁法勘探在油气勘探中的应用。Prikladnaya Geofizika，1982年，第103辑，第128—136页。

5. Berezkin V. M.、Budagov A. G.、Filatov V. G.等。油气地质勘探过程中的航空磁测。Geologiya Nefti i Gaza，1993年第10期，第26—30页。

6. Blokh Yu. I. 重力和磁异常的探测与分离。莫斯科：MGGA出版社，1995年，80页。

7. Kulikov G. N.、Mavrichev V. G. 面向油气勘探的航空磁测。Geofizika，1995年第2期，第37—42页。

8. Donovan T.J., Forgey R.J., Roberts A.A. Aeromagnetic detection of diagenetic magnetite over oil fields // AAPG Bulletin. 1979. v. 63, p. 245–248.

9. Foote R.S. Relationship of near-surface magnetic anomalies to oil- and gas-producing areas // AAPG Memoir 66: Hydrocarbon migration and its nearsurface expression. 1996. p. 111-126.

10. Schumacher D. Hydrocarbon-induced alteration of soils and sediments // AAPG Memoir 66: Hydrocarbon migration and its nearsurface expression. 1996. p. 71–89.