陳 理 秦其明 王 楠 趙姍姍 張成業(yè) 惠 健

(①中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； ②自然資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室，北京 100083；③北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871； ④中國科學院電子學研究所，北京 100190)

1 引言

煤層氣作為一種高效、潔凈的非常規(guī)天然氣，已經(jīng)成為重要的補充和接替能源[1]。中國煤層氣資源豐富，但由于煤田地質條件復雜，煤層氣區(qū)域性差異較大，高產富集區(qū)預測不準確，勘探程度相對較低。目前，煤層氣富集區(qū)勘探主要采用鉆井、地震及測井技術，雖然精度高，但風險大、投入高且周期長[2-4]。隨著科學技術的飛速發(fā)展，非地震(重力、電法、磁法、化探和遙感等)勘探技術以其成本低、效率高、見效快等優(yōu)勢，在油氣勘探領域得到廣泛應用，取得了較好的成果，成為了地震勘探的重要補充[5]。但是，目前利用非地震勘探技術，尤其是電磁探測技術，開展煤層氣富集區(qū)探測的研究還相對較少[6-8]。

在煤層氣富集區(qū)，根據(jù)煤層氣藏動力學及煤巖流變電磁動力學理論，在動電效應、壓電效應、摩擦起電、巖體變形、裂隙產生及斯捷潘諾夫效應的作用下，含瓦斯煤層會產生大量電磁輻射，這是產生地表電磁異常的重要因素[8-10]。煤層中瓦斯氣體的流動及解吸是產生電磁輻射的原因之一，瓦斯壓力越大，流動速度越快，電磁輻射越強[11]。因此，煤層氣藏電磁輻射的特征(幅值及頻帶)與煤儲層的成分、含氣性、孔隙度及應力作用密切相關。李建等[12]發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯的存在使得超低頻電磁探測曲線呈高振幅異常特征，且隨壓力的增大而增大；蔣洪波等[13]通過多年對煤層氣排采井跟蹤實驗，也發(fā)現(xiàn)隨著煤層氣的動態(tài)排采，超低頻電磁探測曲線會產生一定規(guī)律的變化；王緒本等[8]曾利用可控源音頻大地電磁探測技術獲得較清晰準確的儲層信息，并依據(jù)電性特征提取了煤層埋深、厚度等物性參數(shù)；王楠等[14,15]基于天然源超低頻電磁探測技術，開展了煤儲層的識別研究，結合電性特征對煤儲層位置的探測精度進行了評價。然而，利用單一方法探測煤層氣仍然存在多解性和不確定性，迫切需要進行基于多元數(shù)據(jù)、從多角度開展煤層氣富集區(qū)電磁探測方法的綜合研究。

本文綜合音頻和超低頻大地電磁探測技術，分析這兩種方法的優(yōu)勢及數(shù)據(jù)處理方法的差異。利用V8-AMT多功能電法儀和BD-6超低頻電磁探測儀在沁水盆地胡底礦區(qū)開展同步探測試驗，利用多元數(shù)據(jù)、從多角度開展煤層氣富集區(qū)地質解譯、斷裂等構造解釋及煤儲層參數(shù)定量評估，實現(xiàn)對煤層氣富集區(qū)的探測。

2 煤層氣富集區(qū)電磁探測技術

基于大地電磁測深理論，天然源電磁探測技術通過采集電磁信號，獲得地下地質體的電性信息，從而達到了解地質構造及找礦等目的，其主要信號來源為“天電”、“地電”和人類生產生活中產生的電磁場。該技術具有裝置輕便、效率高、成本低、不受地形限制等優(yōu)點。由于該技術已相對成熟，其方法原理在此不做贅述，但是不同的電磁探測技術，在探測頻率范圍、儀器設備、采集方案、數(shù)據(jù)處理和探測效果等方面均存在一定差異。在此僅對本文涉及的兩種探測方法進行重點比較和分析。

2.1 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法(Audio frequency Magnetote-llurics，AMT)利用天然源音頻大地電磁場，頻率范圍約為1～10000Hz，電磁信號主要由雷電引起，一般用于探測淺于1km的地質信息。該方法利用不同物性特征地層產生的電磁差異，從而實現(xiàn)地質體的識別，特別是在構造識別中應用較為廣泛，可有效查明斷層位置、寬度及走向等參數(shù)，為構造及巖性特征研究提供依據(jù)[16,17]。

多功能電法儀V8-AMT是目前較常用的音頻大地電磁探測設備。利用地面電磁場觀測值(Ex,Ey,Hx,Hy,Hz)計算地下巖石的電性參數(shù)?；诖蟮仉姶欧?，傳輸函數(shù)可表示為[18]

(1)

ρ=|Z|2/(ωμ)

(2)

AMT法具有張量測量、無近場效應及資料解釋方法較簡便等優(yōu)勢，其反演的視電阻率斷面對二維構造信息反映逼真。但由于天然源信號較弱，寬頻帶信號易受干擾，因此數(shù)據(jù)預處理是獲得最優(yōu)二維反演結果的關鍵。

2.2 超低頻電磁探測技術

超低頻(Super-low frequency，SLF)電磁波是指30～300Hz頻段的電磁波，該頻段電磁波具有穿透能力強、衰減慢、傳播過程中受高阻層屏蔽小、探測深度大且受地形影響弱等優(yōu)勢。該技術同樣利用煤儲層及頂?shù)装鍑鷰r的電磁特征差異，基于煤層氣富集區(qū)電磁場信號的異常特征，開展煤層氣富集區(qū)預測。不同于AMT在構造研究方面的優(yōu)勢，其在識別巖性界面、探測煤層氣資源量等方面具有應用潛力[12]。

天然源超低頻電磁探測儀BD-6由北京大學自主研制，利用高靈敏度磁探頭接收來自地下的天然電磁場信號，通過放大、濾波處理，將不同頻率對應的電磁波振幅轉換為不同深度的地質體電磁響應強度。探測深度(趨膚深度)δ與頻率f的經(jīng)驗公式為[18]

(3)

通過后續(xù)頻譜分析、處理與解釋，基于超低頻電磁異常獲得目標體的電性特征，從而實現(xiàn)對地下巖性界面的解譯及煤儲層參數(shù)的定量評估。

3 研究區(qū)概況及探測方案設計

3.1 研究區(qū)概況

沁水盆地是中國煤炭資源最豐富的區(qū)域之一，為煤層氣藏的形成提供了良好的物質基礎。研究區(qū)位于沁水盆地東南部，隸屬于山西省晉城市陽城縣胡底鄉(xiāng)。該區(qū)地形地貌[19,20]復雜，多低山、丘陵，呈現(xiàn)明顯的黃土地貌，屬于華北古生代克拉通盆地改造變形形成的沉積盆地，地層總體走向為NNE或N，地層平緩，傾角一般小于10°。該區(qū)地層自下而上為奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)、古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)。區(qū)內構造較簡單，以褶皺為主，斷裂稀少，無巖漿巖活動。含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，煤層埋深小于800m。主要可采煤層包括山西組3#煤層和太原組15#煤層，發(fā)育穩(wěn)定，含氣量較高，具有一定的巖性組合規(guī)律和地球物理特征，為該區(qū)主要目標煤層[14]。

3.2 野外電磁探測方案設計

以研究區(qū)地質資料為基礎，通過野外實地踏勘，設計施工方案，采用V8-AMT和BD-6兩種儀器同步測量。

具體工作流程包括：①準備工作，包括收集相關資料(地質、鉆井、物探和巖石物性等)，了解研究區(qū)施工條件(交通、地形和氣候等)，調查大地電磁信號的干擾源等；②野外實地踏勘，了解研究區(qū)地形、地質露頭、干擾源分布，提出確保觀測質量的措施、設計測點位置、點距、測線及方位等；③觀測裝置布設，野外觀測時除注意提高觀測質量，還應按照探測設備的要求嚴格布設。如V8-AMT在布設時應使各個測點上電磁場分量彼此正交等。

對于天然源超低頻電磁探測儀BD-6而言，暫無勘探規(guī)程，測點主要以排采井分布為依據(jù)，盡量位于高產排采井附近，避開公路、河流及居民區(qū)等區(qū)域，磁探頭的擺放應盡量遠離高壓輸電線，減少外界電磁干擾的影響[18]。測點通常等間距分布，點距在一定程度上影響探測結果的橫向分辨率，在煤層氣排采井或地質條件較復雜(斷裂構造)區(qū)應適當加密，測線方向一般與相鄰兩口排采井的連線方向一致(圖1)。

圖1 超低頻電磁探測方案示意圖

在BD-6儀器探測方案設計中，采集參數(shù)的設置對采集數(shù)據(jù)的質量及后續(xù)分析尤為重要。其主要參數(shù)包括探測深度、垂向采樣步長及放大倍率等。

(1)探測深度: 根據(jù)研究區(qū)地質資料分析探測目標的埋深范圍，盡可能避開工頻干擾影響的深度范圍。以該研究區(qū)為例，探測深度為300～1000m。

(2)垂向采樣步長: 與信號的頻率相關，采樣步長越小，采樣的頻點數(shù)越多，垂向分辨率越高，獲得的地下信息也越豐富，但是相同深度范圍的探測時間及數(shù)據(jù)冗余也隨之增加。通常根據(jù)不同的探測深度及目標體的垂向電性結構確定，比如1000m的探測深度，一般設定2～3m步長為宜。

(3)放大倍率: 在設備的磁探頭和主機上分別設置了兩級放大，應根據(jù)實地電磁信號的強度通過反復試驗選擇合適的前置及后置放大倍率，在有效增強信號的同時減少噪聲的影響。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)處理流程

目前AMT數(shù)據(jù)處理流程已相當完備，包括：野外數(shù)據(jù)解編、導入并編輯數(shù)據(jù)文件(TBL文件)、傅里葉變換、編輯平滑、極化模式識別、測點處理、靜校正、空間濾波、二維反演及地質解釋等。與AMT數(shù)據(jù)相比，超低頻電磁探測數(shù)據(jù)的處理僅需要數(shù)據(jù)格式(RAW文件)轉換、去噪、測線數(shù)據(jù)生成及反演解譯。為了提高數(shù)據(jù)信噪比及后續(xù)反演解譯精度，去噪是這兩種數(shù)據(jù)處理都不可或缺的重要步驟。

4.2 噪聲去除

由于探測儀接收的是一種綜合的寬頻電磁信號，具有非穩(wěn)定時變、有用信息微弱的特征，野外觀測中不可避免存在各種干擾。其中，AMT觀測數(shù)據(jù)為時間域信息，數(shù)據(jù)去噪處理可以在時間域和頻率域分別進行，以消除不同來源的噪聲，增強地質體的分辨效果。具體去噪處理手段包括：①利用頻譜分析、時空變化濾波消除50Hz及其諧波的工頻干擾噪聲，從時間序列中提取有用的電磁場頻譜信息；②利用張量阻抗估計的Robust方法獲得張量阻抗元素，同時有效壓制數(shù)據(jù)中的非高斯型噪聲，降低非構造因素的影響；③對野外觀測的單點數(shù)據(jù)進行“飛點”剔除處理。

針對BD-6采集的超低頻電磁探測數(shù)據(jù)，通常其有用信號與噪聲都是相互獨立的，利用獨立成分分析(ICA)[17]可以有效地將各個獨立信號源從觀測信號中分離出來，對工頻噪聲的去除效果尤為顯著。然而，局部仍存在游散電流產生的隨機脈沖噪聲，利用具有多分辨率及局部顯微特性的小波變換可以在有效剔除高頻噪聲的同時較好地保留有用信息。因此，采用ICA和小波變換相結合的方法進行超低頻電磁探測數(shù)據(jù)的噪聲去除，即利用DB4小波基將Fast-ICA濾波后的信號分解為高頻部分和低頻部分，并通過自適應閾值對小波系數(shù)進行處理，再對信號重構，從而達到有效去除“毛刺”，保留細節(jié)信息的效果，更易于后續(xù)地質解譯。超低頻電磁探測曲線去噪效果如圖2所示。

圖2 超低頻電磁探測數(shù)據(jù)去噪結果對比

從圖2可以看出，通過ICA處理后的曲線，150Hz和250Hz的工頻干擾基本被壓制，兩個高振幅異常得以凸顯。在此基礎上，經(jīng)線性平滑濾波的結果過于平滑，剔除了很多有用信息，而自適應閾值的小波變換處理結果則在對隨機脈沖噪聲有效壓制的同時，保留了更多的有用信息，更易于地層信息的提取。

5 結果與分析

5.1 地質解譯

不同地層具有不同的物性特征，這是電壓幅值差異存在的關鍵，電壓幅值的變動能反映地層間的地質界面。研究區(qū)地層表現(xiàn)出如下的巖性特征(圖3)[21]：①奧陶系石灰?guī)r致密均勻，呈現(xiàn)特高電阻率、高密度和較低自然伽馬的特征，超低頻電磁探測曲線上往往表現(xiàn)為簡單且均勻平穩(wěn)的高幅值特征；②二疊系砂巖多破碎呈角礫狀，其超低頻電磁探測曲線波形均質性較差，整體呈低幅值特征；③煤層多以中—高電阻率、中密度和低自然伽馬為特征，視電阻率、自然伽馬曲線常有大小不等的起伏，在超低頻電磁探測曲線上則表現(xiàn)為較高的幅值異常，且波形緊密而均勻。

圖3 煤層局部測井曲線與超低頻電磁探測曲線對比

利用不同地層的電性特征不僅可以有效劃分不同年代的地層界面，也使一些巖性界面得以識別。由于第四系黃土層電磁響應特征不顯著，根據(jù)實際地質資料，選擇300～1000m深度為主要研究對象。某排采井地層(300～600m)柱狀圖與該排采井附近測點的超低頻電磁探測曲線對比如圖4所示。

圖4 排采井地層柱狀圖與超低頻電磁探測曲線對比

從圖4可以看出，經(jīng)過ICA和小波變換綜合處理后的超低頻電磁探測曲線，基本消除了工頻干擾及隨機噪聲的影響，較好地保留了細節(jié)信息。圖4超低頻探測曲線中兩條虛線處均呈現(xiàn)相對高振幅異常特征，分別對應山西組3#煤層和太原組15#煤層，其異常振幅中心深度分別為452m和550m，與實際煤層埋深對應較好。由于3#煤層上覆為松散砂巖地層，故上部異常的幅值較低且均質性差，而15#煤層底板為致密石灰?guī)r，幅值相對較高，變化較小且波形緊密均勻。根據(jù)以上特征，圖4中兩條實線標志層位置被劃分為該測點的主要地質界面，與實際地層位置基本吻合。

5.2 構造解釋

由于AMT法在斷裂等構造解釋方面的優(yōu)勢，在研究區(qū)開展BD-6探測的同時，進行了V8-AMT探測。L01測線長度約為2km，共布設12個測點，該測線向東橫穿研究區(qū)中部，經(jīng)過多口煤層氣排采井，利用共軛梯度法進行測線視電阻率二維反演[22，23]，結果如圖5a所示。該測線附近與其平行的二維測線d1的地震剖面見圖5b。

圖5 視電阻率反演結果與地震剖面對比

結合煤層氣排采井地質資料，400m以淺為上石盒子組和下石盒子組地層，主要為砂巖泥巖互層，視電阻率反演結果呈明顯低阻，并向東逐漸抬升變淺； 400～600m主要為山西組和太原組可采煤層，位于視電阻率逐漸升高部位，呈現(xiàn)明顯的向斜特征；600m以下為奧陶系石灰?guī)r，呈明顯高阻特征，電阻率有逐步升高的趨勢。

依據(jù)不同地層的電阻率特征，在圖5a中解釋了不同地層(包括上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組和奧陶系)及煤層界面，與該處煤層氣排采井柱狀圖對應較好。由于高含氣量的煤儲層顯示出高幅值異常特征，且向斜部位為煤層氣富集的有利部位，故向斜部位兩翼區(qū)域為含氣量較高的異常區(qū)，該部位兩個已知排采井的實測煤儲層含氣量分別達到18m3/t和17m3/t，也證實了這一解釋。局部地區(qū)仍存在低阻異常，主要與局部構造(如陷落柱、斷層等)及地層富水性相關。該區(qū)構造主要包括橫穿測線的固縣口隱伏陷落柱(DX1)和固縣河東側斷層(DF1) 。圖5a測線中部的視電阻率呈明顯低阻特征，在二維地震剖面(圖5b)的相同位置同樣出現(xiàn)了明顯的錯動現(xiàn)象，推測可能是陷落柱導致的，但低阻范圍明顯大于陷落柱實際范圍，初步分析可能是陷落柱充水所致，相比而言地震數(shù)據(jù)可以更準確地確定陷落柱的位置及范圍。但對于陷落柱東側的斷層，地震數(shù)據(jù)錯動范圍較小，變化微弱，而視電阻率反演結果則存在顯著的低阻異常特征，錯動明顯。相關地質資料表明，該斷層為固縣河東側斷層，其作為研究區(qū)的重要邊界，形成斷層—水動力封堵型煤層氣富集區(qū)段，特別在局部的向斜部位形成了煤層氣的相對富集區(qū)。整體上，反演結果與研究區(qū)實際地質、鉆井及地震資料吻合較好，通過剖面形式能夠更直觀、有效地分析斷裂構造和高含氣量煤儲層的分布特征及展布規(guī)律，尤其是視電阻率二維反演結果對小斷層的識別效果較好。

5.3 煤儲層參數(shù)定量評估

通過定性分析可以確定超低頻電磁探測曲線的異常信息與煤儲層物性參數(shù)(埋深、厚度及含氣量)密切相關，尤其是超低頻電磁探測曲線的異常中心深度與煤儲層埋深存在一定的對應關系。本文選取沁水盆地胡底煤層氣示范區(qū)的8口排采井，獲取相應超低頻電磁探測曲線的異常特征參數(shù)(異常中心深度、異常范圍寬度及異常幅值均值)，結合實際鉆井資料，通過統(tǒng)計分析超低頻電磁探測曲線異常特征指標與煤儲層物性參數(shù)的相關性，有效實現(xiàn)對煤儲層物性參數(shù)(煤儲層埋深、厚度及含氣量)的定量評估。各個排采井3號煤儲層物性參數(shù)及超低頻電磁探測曲線異常特征參數(shù)如表1所示。

根據(jù)定量統(tǒng)計分析，異常中心深度與煤儲層埋深的相關性最高，達到0.94，兩者具有明顯的線性關系，相關系數(shù)R2為0.893，線性回歸方程為

y=0.928x+26.949

(4)

煤儲層厚度也是影響煤層氣富集程度的重要參數(shù)，但往往由于煤儲層較薄而難以定量研究。將超低頻電磁探測曲線的異常幅值范圍寬度與煤儲層實際厚度進行相關分析，相關性達到0.82，其線性方程為

表1 3號煤儲層物性參數(shù)及超低頻電磁探測曲線異常特征參數(shù)

y=33.098x-90.656

(5)

當煤儲層較薄時，超低頻電磁探測曲線的異常幅值范圍寬度與煤儲層厚度實測值之間的線性關系不顯著； 隨著厚度的增加，兩者的線性關系逐漸明顯，相關系數(shù)R2為0.671。

除了煤儲層埋深及厚度外，煤儲層含氣量被稱為評價煤層氣富集程度最關鍵的指標。根據(jù)超低頻電磁探測曲線異常特征參數(shù)與煤儲層含氣量的相關分析，異常幅值均值與煤儲層含氣量的相關性最高，達0.81，其線性回歸方程為

y=0.448x+5.989

(6)

但其線性關系并不顯著，相關系數(shù)R2僅為0.648。因此，基于異常中心深度、范圍寬度和異常幅值均值三個特征參數(shù)，采用支持向量機算法構建煤儲層含氣量的多元評估模型。

本文利用LibSVM軟件包，基于徑向基核函數(shù)，采用網(wǎng)格劃分法尋找最優(yōu)參數(shù)，構建評估模型。為了定量評價預測精度，分別采用相對誤差和絕對誤差進行精度評價，其公式分別為

Δ=|V-Vgas|

(7)

δ=Δ/Vgas×100%

(8)

式中：V為預測含氣量；Vgas為實測含氣量；Δ為絕對誤差；δ為相對誤差。預測結果如表2所示。從表2可以發(fā)現(xiàn)：模型預測的煤儲層含氣量與實測值基本吻合，預測精度達到87.33%；在驗證樣本中，預測值與實測值最大絕對誤差為0.31m3/t，平均誤差為0.17m3/t，最大相對誤差僅1.72%，整體評估效果良好，可以滿足煤層氣富集區(qū)煤儲層含氣量的定量評估要求。由于已知含氣量的排采井較少，而且分布相對集中，雖然在小樣本數(shù)據(jù)下，支持向量機獲得了較好的評估結果，但該模型的普適性還有待進一步驗證。

表2 含氣量預測結果及誤差

6 結論

利用音頻及超低頻兩種低頻電磁探測技術，基于多元數(shù)據(jù)，從多角度在煤層氣富集區(qū)開展應用研究，主要結論如下。

(1)基于超低頻及音頻電磁探測技術，開展煤層氣富集區(qū)野外探測方案的設計及數(shù)據(jù)處理，針對超低頻電磁探測數(shù)據(jù)綜合利用獨立成分分析及小波變換的方法進行噪聲去除，在抑制工頻噪聲及隨機噪聲的同時，較好地保留了細節(jié)信息。

(2)在地質解譯方面，超低頻電磁探測數(shù)據(jù)具有顯著優(yōu)勢，依據(jù)不同巖性地層具有不同的電性特征可有效劃分標志層界面。

(3)在斷裂等構造解釋方面，基于音頻大地電磁探測數(shù)據(jù)獲取的視電阻率二維反演結果，直觀、有效地展示了研究區(qū)地層、斷裂及高含氣量煤儲層的分布特征和展布規(guī)律，與地震數(shù)據(jù)基本吻合，對小斷層識別效果較好，但對充水的陷落柱范圍較難確定。

(4)在煤儲層參數(shù)定量評估方面，通過相關分析發(fā)現(xiàn)，超低頻電磁探測曲線異常幅值對應的中心深度、范圍寬度及異常幅值均值，分別與煤儲層埋深、厚度及含氣量具有較高相關性，采用支持向量機算法進行含氣量的定量評估，預測精度達到87.33%。

基于多元電磁探測數(shù)據(jù)可以有效實現(xiàn)多角度煤層氣富集區(qū)應用研究，但是由于構建模型的實測數(shù)據(jù)較少，煤儲層含氣量的定量評價還不夠完善，仍有較多參數(shù)值得開展研究。后續(xù)將增加排采井數(shù)量，并在不同研究區(qū)域驗證該模型的普適性，進一步優(yōu)化模型參數(shù)，提高預測精度。