地层条件下富有机质页岩电磁响应机理与应用基础研究

Based on the rich-organic shale samples of outcrop widely collected from the favorable areas of shale gas in southern China and the man-made samples, measurement technology and methods for complex resistivity, permeability and velocity parameters of samples with low porosity and low permeability under the condition of high temperature and high pressure will be developed in this project by means of world's leading petro-physics system (Autolab 1000). With the help of the theory of double electric layers, the equivalent circuit method and the equivalent effective resistivity method, the IP mechanism of rich-organic shale will be studied combining the components analyzing and the measured physical properties results, especially complex resistivity parameter. Well-posed problem will be achieved according to the theory study of EM wave propagating in the multi-phase and heterogeneous medium, fast numerical modeling of low frequency EM field in the rich-organic shale, and the inversion for true spectrum parameters of IP will be reached, then a model of sweet spot testing with CSEM will be proposed, and finally a new method and technology of CSEM for shale gas exploration will be established. Field trial, in order to evaluate and improve the method, will be taken in the promising area of shale gas. The developed sweet spot testing technology will lay a solid theoretical and experimental foundation for the application and promotion of CSEM method in the exploration for unconventional oil and gas.

本项目以广泛采集的我国南方页岩气有利区富有机质页岩岩样和人工岩样为基础，以国际领先的高温高压岩石物理实验系统（AUTOLAB1000）为手段，开展高温高压条件下低孔低渗岩样复电阻率、渗透率和纵横波速度参数测量技术与方法研究。基于双电层结构理论、等效电路和等效电阻率方法，结合岩样组份分析和物性测量数据，特别是复电阻率参数，进行富有机质页岩极化机理研究，建立TOC与激电参数及储层参数的关系模型和复电阻率频散模型。通过对多相混合介质中低频电磁波传播理论研究，给出感应与极化同时存在时的电磁场定解问题，并实现富有机质页岩低频电磁场快速正演模拟和不同页岩储层模型的激电真参数反演，提出可控源电磁法页岩气甜点检测模式，形成一套可控源电磁法页岩气勘探新方法新技术，并选择页岩气有利区进行方法试验，评价和完善甜点检测方法与技术，为可控源电磁方法在非常规油气勘探与开发中的应用与推广奠定坚实的理论、实验与方法基础。

我国南方页岩气勘探中的甜点检测及深部油气勘探的地质目标深度大、异常小且构造复杂，给电磁勘探方法带来巨大挑战。为解决常规电磁勘探方法的反演与解释参数单一、多解性强与分辨能力不高等问题，拓展其应用领域，本项目首先从储层岩石电磁响应机理研究出发，收集了南方页岩气开发区不同岩性岩样50余块，以高温高压岩石物理实验系统（AUTOLAB1000）和开发的岩样驱替装置为手段，开展了致密岩样的复电阻率、渗透率等参数测量技术研究，实现了油水驱替条件下的复电阻率测量，发现了油水混合时激电效应增强这一物理现象，为电磁法油气检测提供了实验依据。基于等效电路和等效电阻率方法，比较研究Cole-Cole模型与广义等效介质模型（GEMTIP）后认为，GEMTIP在描述致密岩石激发极化现象方面具有明显优势。同时针对GEMTIP模型假设的局限性，通过实验研究与理论推导，提出了修正的GEMTIP模型。基于该模型，开展了地层条件对激电参数的影响规律研究，在实验基础上提出了致密岩石激电参数的深度校正方法和渗透率预测方法。结合岩样组份分析和反演的激电参数数据，发现富有机质页岩的黄铁矿富集区具有TOC含量高、极化率高和电阻率低的特征，说明以极化率和电阻率来进行TOC预测具有良好的实验基础。由此提出了电磁法页岩气甜点检测模式：即甜点区为高极化异常与低电阻率异常同源。将激电模型引入MAXWELL方程，推导出了极化介质条件下低频电磁场方程，并实现了一、二维正演，为激电勘探方法研究奠定了基础。项目最后完成了南方页岩气开发区可控源时域电磁法甜点检测试验。通过资料处理、反演，结合岩石物理研究成果，发现甜点异常两个，与实际地质资料吻合，证实了可控源电磁法页岩气甜点检测方法的有效性，展示了其广阔的应用前景。