综合物探技术在河套盆地深层油气勘探中的先导性应用：以临河坳陷为例

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Technology in Deep Oil and Gas Exploration in Hetao Basin: Taking Linhe Depression as an Example

摘要

河套盆地勘探程度低，有利勘探层系埋藏深，40余年未获突破，为实现河套盆地油气勘探快速突破，整体开展了高精度重磁和时频电磁勘探工作. 针对盆地主力生烃区不清、构造难以厘定的问题，应用基于有限井震资料松约束多界面反演、基底背景密度法正演剥层为核心的深层目标重力异常提取技术，对临河坳陷的地质结构重新进行了认识，快速圈定了主力生烃凹陷分布，指出坳陷北部巴彦淖尔凹陷的淖西深洼槽为最有利的生烃区，新发现黄河断陷槽及淖西深洼槽周缘分布的中央兴隆断垒式潜山披覆构造带、吉西凸起东翼鼻状潜山披覆构造带等近源油气有利勘探目标，引导了地震针对性快速高效部署和钻探. 针对成藏目标不清、突破井位难以落实的问题，提出并应用了基于井震模拟目标层靶向采集、电磁井震联合约束反演等提高深层勘探分辨率及油气储层预测精度的时频电磁勘探配套技术，快速锁定了JHZK2井、吉华2x及临华1x等有利目标靶区，为河套盆地油气勘探高效突破发挥了关键先导性作用，为类似复杂区特别是盆地深层油气勘探提供了成功范例与技术方法.

关键词

高精度重力多界面约束反演 / 时频电磁 / 目标层靶向采集 / 电磁井震联合约束反演 / 地球物理

Key words

high precision gravity survey / loosely constrained gravity multi interface inversion / time-frequency electromagnetic survey(TFEM) / target layer targeted acquisition / electric-magnetic-well-seismic joint constrainted inversion / geophysics

河套盆地油气勘探始于20 世纪70 年代末期，历经40余年油气勘探历程，经历了石油普查勘探阶段、油气探索阶段（张以明等，2018）. 由于目的层埋藏较深，钻探困难，地震资料少、品质差、测网密度稀，加之对石油地质条件的认识不够全面，钻井部署缺乏依据，未取得油气实质性发现，勘探一直未获突破.

临河坳陷位于河套盆地的西部，东北方向长约320 km，西北方向宽约70 km，面积为22 400 km²（图1）. 勘探工作者认为河套盆地临河坳陷具备形成规模富集油气藏的良好地质条件，始终坚定找油的信念，为此做了大量的研究工作. 赵重远等（1984）、郭忠铭等（1990）基于地面地质及早期地震资料对河套盆地弧形构造特征和演化机制进行了研究，认为河套弧形地堑是新生代断陷盆地，具有油气生成、聚集和保存的构造环境，其中吉兰泰坳陷的石炭-二叠系和侏罗-白垩系及临河坳陷的下白垩统和渐新统是有勘探前景的层系；门相勇等（2006）、付锁堂等（2018）利用钻井、地震资料对河套盆地临河坳陷石油地质特征及勘探前景进行了分析研究，认为临河坳陷具备有利的石油地质条件，北部深凹陷生烃条件相对有利，勘探目的层以下白垩统和渐新统为主. 孙六一等（2018）根据露头、钻井和地震等资料，通过地层对比、地震相和烃源岩展布等综合研究，认为河套盆地吉兰泰凹陷有利生烃和勘探区应位于埋深较大的北部深凹带. 杜晓宇等（2019）采用Hubbert流体势模型，对河套盆地临河坳陷流体势特征及油气运聚进行了分析，认为河套盆地流体势总体表现为由西北坳陷中心向东南斜坡带逐渐降低的分布规律. 河套盆地重磁电等非地震勘探程度很低，2017年前全区仅有1∶（50~100）万的重力资料和1∶50万航磁资料，仅少部分地区有1∶20万重力资料，因此，与重磁电资料相关的研究文献极少（张永谦等，2013）. 总结分析已往研究成果，认为河套盆地具有巨大的油气勘探潜力，蕴藏丰富的油气资源，系统梳理河套盆地油气勘探久攻不克和钻探井失利的主要原因，聚焦制约勘探的关键问题，一是勘探程度低，二维地震测网稀（4 km×6 km~16 km×20 km），资料品质较差，构造及地层难以落实（张以明等，2018）；二是盆地性质及演化存有争议（赵重远等，1984；郭忠名和于忠平，1990），生烃中心分布及资源潜力认识不清（门相勇等，2006；付锁堂等，2018；孙六一等，2018；杜晓宇等，2019），勘探方向不明；三是有利勘×探层系埋藏深，成藏规律及成藏目标不清（张永谦等，2013；张昊祉，2015），勘探信心不足，难以落实突破性井位.

为激发老区勘探新活力，中国石油天然气集团有限公司于2017年8月将河套盆地矿权流转给华北油田，为了在矿权流转区块有限的勘探时限内，快速取得勘探突破，针对河套盆地长期以来所面临的对生烃中心分布认识不清，构造及地层难以落实，成藏规律及成藏目标不明等三大关键科学难点问题，分步科学实施了1∶5万高精度重磁、时频电磁及电法CEMP等勘探工作. 2017~2019年先后完成1∶5万高精度重磁力19 928 km²，测网密度为500×500 m，吉西潜山、临深3井区等重点目标区完成时频电磁测线5条. 开展了重磁电采集处理解释技术公关，提出并形成了低勘探程度新区油气目标综合物探配套技术，提高了深层勘探分辨率与成果精度，取得盆地结构、局部潜山构造与目标储层油气预测等方面技术及应用成果新认识，为河套盆地油气勘探高效突破发挥了关键先导性作用，助推了油气大发现. 技术及应用成果对其他类似复杂地区，特别是盆地深层油气勘探具有一定的借鉴和指导价值，提供了成功范例与技术方法.

1 勘探新区综合物探配套技术

1.1　深层目标重力异常提取技术

针对低勘探程度新区已知资料少、分布零散，盆地结构及有利潜山构造目标不落实等问题，采用了以有限地震、钻井等资料松约束的中浅层多界面反演、基底背景密度法正演剥层为核心的深层目标重力异常提取技术，获得了主要反映勘探目标层白垩系结构及厚度分布的剥层剩余重力异常，然后，通过重力反演与解释，快速落实了河套盆地临河坳陷主力生烃凹陷分布及有利勘探构造目标，引导地震实现了针对性快速高效部署. 包括区域重力场去除、中浅层有限资料松约束多界面重力反演、中浅层基底背景密度法正演剥层、局部重力异常提取等主要技术步骤.

1.1.1　区域重力场去除

布格重力异常是盆地沉积层及基底以下深部地质因素共同作用产生的重力异常，为研究盆地结构及沉积地层需要去除深部地质因素引起的重力异常. 基底以下深部地质因素埋藏深度大，表现为区域性变化特征，通过布格重力异常数据处理可获得区域重力异常，然后从布格重力异常中减去，实现区域重力场的去除. 区域重力场求取通常采用向上延拓法或滤波处理等方法（严良俊等，2006）. 向上延拓法适用于勘探面积大、构造相对复杂的地区（刘芬等，2019），不同上延高度的重力异常定性反映不同深度的区域重力异常特征，与布格异常相减获得不同深度地质意义的剩余重力异常（张振宇等，2021），用来宏观地定性反映盆地的基底结构与沉积盖层发育情况.

基于本研究区面积巨大，约20 000 km²，针对本区盆地结构研究采用了向上延拓法求取区域重力异常，先后分别求取了向上延拓1 km、3 km、5 km、7 km、10 km、15 km、20 km等不同高度的重力异常. 对比分析各延拓高度的重力异常认为，延拓高度小于5km的上延重力异常含有较多的局部异常信息，不宜做区域场，延拓高度为5 km及5 km以上各高度的重力异常，变化趋势基本稳定，局部重力异常基本消失，最后确定以上延5 km的重力异常作为区域场. 布格重力异常减去上延5 km区域重力异常后得到的研究区剩余重力异常（图2a），与已有的地震、钻井等资料揭示的盆地结构一致，它宏观地反映了临河坳陷的构造格局及中新生界盖层的发育情况，研究区北部北东向的重力异常低带显示临河坳陷主沉积凹陷分布.

1.1.2　中浅层有限资料松约束多界面重力反演

研究区基底之上发育有新近系、古近系、白垩系等地层，区内仅有十几口钻井，最深钻至白垩系，基本未钻至基底，早期采集的地震和电法测线分布局限，难以建立起全区的中浅层构造地质模型，为此以有限已知资料做约束构建中浅层模型，通过重力多界面反演，获得全区较可靠的中浅层构造地质模型，为中浅层盖层剥层进行深层结构研究提供重力资料信息.

反演方法. 采用Parker界面反演方法，该方法以其快速、稳定的特点，在密度界面反演中广泛应用（王万银等，1993；杜威等，2002；肖鹏飞等，2007；冯娟等，2014；谷文彬等，2016；韩波等，2020）. 以往Parker界面反演算法多属于单界面反演算法，可以进行少量控制点的单个密度界面的约束反演，但在反演收敛性、稳定性和精度等各个方面都有待提高（杜威等，2002；肖鹏飞等，2007）. 王万银等（1993）发展了基于Parker算法的双界面反演算法，在此基础上进一步发展出了多界面反演算法（冯娟等，2014；韩波等，2020），谷文彬等（2016）在反演过程中利用多个和为1的权来控制各界面在反演中的比例，取得了一定的地质效果. 本文利用上述多界面反演算法（冯娟等，2014；韩波等，2020），通过约束建模、界面加权开展重力反演. 基于Parker单界面反演公式（王万银等，1993；谷文彬等，2016），对于两层以上的密度界面模型，且界面间起伏具有一定的相关性，密度差为常数，那么把多个单界面重力反演加入一定的界面权系数，就可实现一次反演多层界面，计算公式为：

h_{\mathrm{1}(i)} ( x , y ) = F^{-\mathrm{1}} \{ \frac{\phi B(\omega )}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }G{\rho }_{\mathrm{1}}{\lambda }_{\mathrm{1}}} {\mathrm{e}}^{\omega z_{\mathrm{1}}} F [ \mathrm{\Delta } g ( x_{\mathrm{0}} , y_{\mathrm{0}} , z_{\mathrm{0}} ) ] - {\displaystyle \sum _{n=\mathrm{2}}^{nm}} \frac{\mathrm{1}}{n!}{\omega }^{n-\mathrm{1}}•F[h_{\mathrm{1}(i-\mathrm{1})}^n(x,y)]\}，（1）

h_{\mathrm{2}(i)} ( x , y ) = F^{-\mathrm{1}} \{ \frac{\phi B(\omega )}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }G{\rho }_{\mathrm{2}}{\lambda }_{\mathrm{2}}} {\mathrm{e}}^{\omega z_{\mathrm{2}}} F [ \mathrm{\Delta } g ( x_{\mathrm{0}} , y_{\mathrm{0}} , z_{\mathrm{0}} ) ] - {\displaystyle \sum _{n=\mathrm{2}}^{nm}} \frac{\mathrm{1}}{n!}{\omega }^{n-\mathrm{1}}•F[h_{\mathrm{2}(i-\mathrm{1})}^n(x,y)]\}，（2）

式中：h _{1（ i ）}（x，y）和h _{2（ i ）}（x，y）为第一和第二反演目标层界面第i次反演的深度，Δg（x ₀ ，y ₀ ，z ₀）为实测的重力异常；ρ ₁和ρ ₂为第一和第二反演目标层界面的密度差；λ ₁和λ ₂为第一和第二反演目标层界面的权系数；φ为加权因子；B（ω）为低通滤波器；nm为一足够大的正数；i=1，2，……，i _max为迭代次数.

初始模型构建. 为提高反演精度和反演结果的可靠性和稳定性，利用已知资料通过空间插值建立初始构造地质模型. 约束信息可包括拟反演界面的地层缺失边界、钻井分层、地震剖面成果、电法剖面成果等资料. 在本区共采用12口钻井、7条二维地震剖面和2条CEMP剖面成果（位置见图7），通过网格化插值，分别获得了古近系和新近系底界面初始深度地质模型. 12口钻井中松探2、临深1、临深2、临深3及隆1井等完钻于白垩系，ZK230完钻于太古界，其余钻井都完钻于古近系. 地震剖面虽然深层白垩系资料品质较差，但中浅层新近系、古近系界面反射特征较为清楚，能够满足控制约束精度要求.

界面权系数确定. 界面权系数综合考虑界面密度差和已知资料的可靠性确定. 通过测井密度及区内露头、岩心实测密度的综合统计分析，新近系密度为2.12 g/cm³，古近系密度为2.21 g/cm³，白垩系密度为2.43 g/cm³，太古界密度为2.71 g/cm³，由此确定了本区的密度界面主要有新近系底面、古近系底面和白垩系底面，3个界面建模的密度差分别为0.09 g/cm³、0.22 g/cm³及0.28 g/cm³. 综合考虑界面埋深、界面起伏和密度差值大小，3个界面的密度差权重系数分别赋以0.2、0.35和0.45. 资料可靠性权重系数，按照已知资料可靠性程度和与已知资料的距离分别赋值. 在已知资料区根据不同的资料属性和可靠性赋以一个固定值，在插值区按距离反比衰减，衰减到0.5之下按0.5赋值. 地面地质露头和钻井成果的约束强度取1.0，地震成果视资料可靠程度在数据区内的约束强度取0.95~0.80，电法成果视资料可靠程度在数据区内的约束强度取0.85~0.70，其他精度低、可靠性差的成果不作为约束信息，约束取背景值0.5. 以界面密度差权重乘以已知资料可靠性权重作为约束反演的界面权系数，开展重力多界面松约束反演. 通过这种松紧有度的三维重力密度界面约束反演，把地震、钻井、电法和重力资料有机结合起来，取长补短，降低了界面反演的多解性和不确定性，使反演结果更客观可靠，提高了低勘探程度区重力勘探的成果精度. 以位场分离得到的1∶5万高精度剩余重力异常数据为基础（图2a），通过重力多界面反演得到了临河坳陷新近系底界埋深和古近系底界埋深（图2b）. 通过正演上述新近系和古近系的重力异常与输入剩余重力异常对比，两者形态一致，异常范围吻合接近，图3为新近系和古近系两个反演界面拟合残差等值线分布图，不难看出，大部分地区拟合残差介于-0.10~0.10 mGal之间，计算拟合均方误差为±0.023 mGal，小于±0.10 mGal重力行业规范要求，表明反演结果可靠.

1.1.3　中浅层基底背景密度法正演剥层

布格重力异常包含了地下所有密度不均匀体的重力异常效应，重力与地震联合剥层是定量或半定量提取与深层目的层有关的重力异常信息有效的方法. 现有重力剥层采用的是递推法（严良俊等，2006），主要以地质界面的构造埋深数据作为控制，采用各地质界面上、下地层之间的直接密度差正演计算盖层的重力异常效应，其得到的剥层剩余重力异常主要是反映深部目标现今地质界面起伏的信息，不能直接用于研究深部目标层厚度及其盆地结构. 我们提出了一种基于基底背景密度分布的重力剥层方法，改进了传统递推法剥层采用的参数和正演方式，以盖层各地层顶界面、底界面构造埋深数据作为控制，采用盖层各地层密度相对基底背景密度的归一化密度差正演计算盖层的重力异常效应，从布格重力异常中减去并去除深层重力区域场后，获得深部目标层的剥层剩余重力异常. 模型正反演剥层结果表明，采用本方法得到的剥层剩余重力异常，能够直观地反映深部目标层厚度分布信息. 图4为不同剥层方法获得的剥层重力异常与深层目标层相关关系模型论证，根据研究区各地层的密度分布设计地质-地球物理剖面模型，基底背景密度为2.71 g/cm³，图4a模型中填充的密度值为各地层相对基底背景密度差，图4b显示传统递推法剥层重力异常曲线主要反映白垩系目标层底界面的起伏变化，图4c不难看出，基底背景密度法剥层剩余重力异常曲线与白垩系目标层厚度变化具有明显的相关性，随着目标层厚度的增大，异常幅值降低.

由于研究区勘探程度低，地震测线稀疏，不能连片地进行地震构造成图建立中浅层地质构造模型，为了提高低勘探程度区重力深层勘探的成果精度，减少重力反演存在的多解性等问题，本文根据具有相对较强约束和可靠性较高的新近系底界和古近系底界埋深，采用基底背景密度法重力剥层方法，开展剥层研究. 以重力多界面反演得到的新近系、古近系底界埋深数据建立中浅层地质-密度模型，采用新近系密度、古近系密度相对基底背景密度的归一化密度差正演第三系盖层的重力异常效应，然后从布格重力异常中减去，再去掉深层重力区域场后得到了反映深层目标层白垩系厚度分布的剥层剩余重力异常（图5a）. 根据剥层剩余重力异常数据，以剖面联合反演成果做控制，通过平面反演得到了白垩系厚度分布（图5b）. 重力密度界面反演及剥层成果，明确了临河坳陷北部北西向断裂控制了古近系及白垩系主力凹陷分布，在坳陷南部斜坡带新发现黄河断陷，控制了中央兴隆断垒式潜山披覆构造带的形成与发育，指出了临河坳陷北部1 750 km²的深凹陷为最有利的生烃凹陷，为后续勘探油气大发现发挥了重要导向作用.

1.1.4　局部重力异常提取

局部构造是油气的赋存空间，局部构造带是油气勘探的重要研究任务. 由于重力方法存在明显的体积效应，造成发育于深部的局部构造重力异常效应较弱，叠加到布格重力异常或剩余重力异常后存在仅显示为等值线的局部扭曲现象，难以识别和研究. 重力异常的垂直导数有较高的分辨率，利用它可以从复杂的叠加异常中提取出目标异常，一般利用重力垂直二次导数异常解释局部构造（陈超等，2021）. 为了快速搜索本区有利潜山构造目标的分布，对剩余重力异常进行了垂直二次导数处理，得到了局部重力异常，为潜山构造带的解释研究提供了基础信息（图9，图10）.

1.2　时频电磁深层目标油气检测配套技术

针对研究区成藏目标不清、突破井位难以落实的问题，完善形成了基于井震模拟目标层靶向采集、电（E_x ）磁（H_z ）井震联合约束反演等时频电磁深层目标储层油气检测配套技术，提高了深层电性分辨率和油气检测精度，快速锁定有利靶区，为临河坳陷吉华2X、临华1X等钻井的油气高效突破与重大发现发挥了关键先导性作用.

1.2.1　基于井震模拟的时频电磁目标层靶向采集

目前陆上应用于深层目标探测的可控源电磁勘探方法主要是长导线源的WFEM法和TFEM法（何展翔等，2019，2020），前者是频率域方法，主要测量水平电场E_x，进行全区视电阻率的计算和反演，不需要考虑远区、近区问题；后者是时间域—频率域一体化方法，主要测量水平电场分量E_x 和垂直磁场分量H_z，无需考虑远区、近区的区别，采用这两个分量直接进行联合反演，获得电阻率和极化率，有效提高了对目标的识别能力.

时频电磁数据采集通过激发和接收一系列不同频率（周期）的脉冲方波信号，实现了多个频点连续激发（王志刚等，2016），在一定深度范围内，激发频点越多，采集信息越丰富. 为了增大深部目标层采集信息量，根据不同构造区域目标层深度范围，通过井震建模正演模拟，可确定深部目标层频率响应范围，确定合理激发周期及激发频率参数，加密采集频点，目标层采集频点可由以前的5~10个加密到40~60个，从而使有效探测深度由4~5 km增加到8~10 km，克服了传统电磁法深层采集信息量不足对后续反演分辨率产生的影响，有效提高了深层资料品质.

针对临河坳陷目标层深度范围3~6 km，依据地震、电测井资料建立地电模型，通过正演模拟确定深部目标层（3~6 km）激发频段窗口为0.10~1.05 Hz，常规采集激发频点为10个；然后针对深部目标层激发频段范围，加密目标层激发频点，由原来的10个加密到36个，激发频点为原来的3.6倍，实现深部目标层内密集采样. 图6a和图6b为某测线段深部目标层靶向加密采集前后视电阻率曲线对比，不难看出：加密频点采集后深部目标层视电阻率曲线层位增多，异常信息丰富，目标层分辨能力明显提高.

1.2.2　电（E_x ）磁（H_z ）井震联合约束反演油气检测技术

时频电磁法用于油气检测与评价的电磁属性参数主要包括电阻率、极化率、双频振幅和双频相位等，其中双频振幅、双频相位属定性参数，可直接通过计算得到. 时频电磁数据反演主要是电阻率和极化率定量反演，极化率是目标层含油气性预测的关键定量参数，电阻率参数主要用来解释地层与构造，但电阻率反演的电性分层精度对极化率反演精度会产生明显的影响.

（1）　电阻率异常信息反演时频电磁法在远区观测水平电场分量E_x 和垂直磁场分量H_z，由于H_z 对低阻薄层反映敏感、E_x 对高阻薄层反映敏感，采用电（E_x ）磁（H_z ）分量联合反演不但能够识别低阻薄层，还能识别高阻薄层，使反演精度大幅提高. 为了平衡不同分量之间的差异，在反演过程中增加了动态平衡系数，校正迭代搜索方向和模型更新步长. 时频电磁多分量联合反演采用的目标函数为

E ( m ) = \parallel \partial m {\parallel }^{\mathrm{2}} + {\xi }^{-\mathrm{1}} [ \parallel W d_{Ex} - W f ( m ) {\parallel }^{\mathrm{2}} + \beta \parallel W d_{\mathrm{H}\mathrm{z}} - W f ( m ) {\parallel }^{\mathrm{2}} - {\chi }^{\mathrm{2}} ],(1)

式中：∂为正则化反演模型稳定器，一般为加权求导矩阵算子形式；m为反演模型参数；d为参与反演的观测数据；f为正演响应函数；W为观测数据权重；ξ为拉格朗日乘子；β为不同分量平衡因子，一般采用统计方法估算；χ为期望拟合差.

目前采用的自由反演方法主要有广义逆反演、OCCAM反演等（王志刚等，2016），但这些方法在反演时常常遇到S等值现象，造成随着厚度的改变，电阻率也发生改变. 因此，所求得的反演电阻率剖面电性分层精度不高，对深层反映不灵敏. 为此，在电（E_x ）磁（H_z ）联合反演的基础上，提出并完善了基于井震控制的模拟退火约束反演方法.

模拟退火算法（何展翔等，2019）（simulated annealing，SA）来源于固体退火原理，升温过程中，分子无序，内能增加；降温过程中，分子逐渐有序，最后达到一个平衡状态，内能最小. 根据这个原理，上世纪50年代提出了模拟退火的算法，在80年代应用到地球物理数据处理中. 它以优化问题的求解与物理系统退火过程的相似性为基础，利用 Metropolis算法（索孝东等，2021）并适当地控制温度的下降过程实现模拟退火，其能概率性地跳出局部最优解从而达到求解全局优化问题的目的. 在实际应用中，我们可以将内能E模拟为目标函数值f，将温度T模拟为控制参数，然后从一给定解开始，从其邻域中随机产生一个新解，接受准则允许目标函数在一定范围内接受使目标函数恶化的解，算法持续进行“产生新解计算目标函数差判断是否接受新解-接受或舍弃”的迭代过程，对应着固体在某一恒定温度下趋于热平衡的过程. 经过大量的解变化后，可以求得给定控制参数T值的时候优化问题的相对最优解. 然后减小控制参数T的值，重复执行上述迭代过程. 当控制参数逐渐减小并趋于零时，系统也越来越趋于平衡状态，最后系统状态对应于优化问题的整体最优解.

时频电磁多分量联合模拟退火约束反演的基本步骤如下：

①给定模型空间的约束范围［X_i ^min，X_i ^max］，在模型空间中随机地产生初始模型X₀，令X _best=X ₀，并按照公式（1）计算目标函数值E（X ₀ ）；

②设置初始温度T（0）=T ₀，迭代次数i=1；

③对当前最优解X _best按照某一邻域函数，产生一个新的解X _new. 计算新的目标函数值E（X _new ），并计算目标函数值的增量△E=E（X _new ）-E（X _best ）；

④如果△E<0，则X _best=X _new；

⑤如果△E>0，先计算接收概率P=exp［-△E/T（i）］，如果P>random［0，1］，则X _best=X _new，否则X _best=X _best；

⑥返回到第③步，直到目标函数E达到期望值结束.

另外，为了充分利用已知信息，使用了时频电磁井震联合约束反演. 首先利用钻井、地震资料建立中浅层几何模型，参考OCCAM自由反演结果及其他资料建立深层的几何模型，根据电测井资料赋予各层一个初始电阻率值. 然后，针对深层基于目标层段高密度频点采集信息进行模拟退火约束反演，反演时可设置层状模型的各层厚度和电阻率值变化范围，一般情况下，厚度变化范围根据地震资料可靠性在5%~30%内选择，电阻率值变化范围需要参考自由反演和物性统计结果. 该方法较好地解决了传统电阻率反演方法的S等值效应问题，提高了深部目标层分辨率，获得了高分辨率精细地电结构分层信息. 为了验证反演方法的可靠性，我们进行了OCCAM自由反演和井震约束模拟退火反演对比研究. 模拟退火反演的初始退火温度T ₀=50 ℃，最大迭代次数为5 000，在每一温度下对模型参数进行30次扰动，两种反演方法的目标函数拟合终止条件均为△E<1.0×10^-3. 图7a为时频电磁电阻率自由反演结果，数据拟合残差在0.02~0.05之间，反演的电性结构层较为宏观，电性分辨率较低，特别是对深部结构层反映不够清晰；图7b为时频电磁井震联合模拟退火约束反演结果，数据拟合残差在0.01~0.03之间，小于0.05行业规范要求，且拟合情况优于自由反演，采用同一网格剖分参数（100 m×100 m）成图后，纵向电性分层更为精细，分辨率明显提高，特别是在深层可识别出多套低阻或高阻薄层，明显提高了深层分辨率.

（2）　极化率异常信息反演

极化率异常信息反演首先计算所有频点振幅和相位，形成剖面数据，然后根据Cole-Cole模型算法（王志刚等，2016；何展翔等，2019）对整个剖面数据进行激发极化信息反演. 极化率反演需要先依据二维反演电阻率断面构建初始的几何电阻率模型，在反演时通过固定几何电阻率模型反演出介质的极化率. 由于极化率反演的精度对初始几何电阻率模型有较强的依赖性，因此，针对时频电磁极化率反演，提出了基于精细地电结构模型的约束反演技术路线，依据前述电（E_x ）磁（H_z ）井震联合模拟退火约束反演电阻率异常剖面建立高分辨率精细地电结构模型，用于极化率反演的过程控制，在很大程度上克服了由于地电结构模型电性分层不够精细，从而影响极化率异常的反演精度和归位不准问题，提高了目标储层油气预测的精度.

2 应用结果与讨论

2.1　盆地结构与有利凹陷分布

新的处理解释研究成果明确并突破了以往对临河坳陷地质结构的认识，提出临河坳陷具有“南北分区、东西分带”的构造格局，坳陷中部存在北西西向的断裂构造变换带，将坳陷分为南、北两个凹陷（图8）. 河套盆地历经40多年的勘探，勘探工作者始终认为临河坳陷具备形成规模富集油气藏的良好地质条件（门相勇等，2006；付锁堂等，2018），但由于勘探程度较低，地质结构复杂认识不清，主力生烃灶展布范围、规模、生烃潜力始终未获证实，导致成藏富集规律及成藏目标认识不清，难以落实突破性井位. 本次高精度重力异常特征揭示临河坳陷发育北东向、北西西向两组断裂，其中北东向断裂控制坳陷的构造展布及地层沉积发育. 在吉兰泰北存在北西西向的断裂构造变换带，在变换带上重力异常可见明显的扭动、走向改变及异常幅值剧烈变化（图9），推断变换带发育北西西向具走滑调节性质的断裂. 以该变换带为界，将临河坳陷分为南、北两个凹陷区，以北地区为巴彦淖尔凹陷，以南地区为吉兰泰凹陷. 南、北两个凹陷的基底埋深和地层沉积发育具有明显的差异，北部巴彦淖尔凹陷主洼槽区基底埋深可达万米以上，白垩系厚度可达2 000~3 000 m，而南部吉兰泰凹陷主洼区基底埋深仅3 000~4 500 m，白垩系厚度仅1 500 m左右. 重力异常特征显示南、北两个凹陷东西向均具有“凹凸相间”的构造格局，表现为重力异常高、低相间成排成带规律性分布，结合白垩系、古近系及新近系的发育分布，将北部的巴彦淖尔凹陷进一步划分为淖西洼槽、中央断垒式潜山构造带和黄河洼槽，南部的吉兰泰凹陷划分为吉西洼槽和吉东斜坡，同时划分了吉西凸起和磴口凸起（图8）.

临河坳陷北部巴彦淖尔凹陷的淖西洼槽是白垩系及古近系最有利的主力生烃深洼区，在以往认识的临河坳陷北部南斜坡带新发现黄河断陷槽，控制了中央兴隆断垒式潜山构造带的发育与分布. 淖西洼槽受盆地边界北东向的狼山断裂控制，重力异常、电法剖面电性异常均显示深层具有明显的双断地堑结构，这里是河套盆地重力异常幅值最低的区域，重力与地震联合反演揭示基底埋深可达10 000~12 000 m左右，是河套盆地最大幅度的中、新生界沉降沉积中心. 已有研究成果表明（罗丽荣等，2019；张锐锋等，2020）临河坳陷北部深坳区下白垩统固阳组一、二段，沉积有较厚的半深湖相深灰黑色泥岩、泥质粉砂岩，有机质丰富，北部深坳区渐新统较南部斜坡区沉积水体加深、地层加厚，烃源岩有变好的趋势. 临河坳陷近10口钻井测井电阻率统计结果表明，新近系与古近系电阻率一般仅3~10 Ω•m白垩系泥岩电阻率一般5~10 Ω•m、砂岩-砂砾岩电阻率一般15~60 Ω•m，太古界基底电阻率一般可达数百欧姆米，因此，新近系、古近系与白垩系相对于基底均具有明显的低阻特征. 横跨淖西洼槽与吉西凸起的时频电磁电阻率反演剖面（图10）揭示，深层白垩系低阻层厚度可达2 000~2 500 m，古近系低阻层厚度可达1 300~1 500 m，且往北东方向淖西洼槽深洼区分布更厚，重力与地震联合反演揭示上述两套地层厚度深洼区均可达3 000 m以上，且时频电磁剖面反演的低阻层电阻率值极低，仅几个Ω•m，反映淖西洼槽白垩系、古近系低阻泥质烃源岩非常发育且厚度大，具有巨大的生烃潜力，预测洼槽主力生烃灶面积达1 750 km². 剩余重力异常及白垩系剥层剩余重力异常（图2、图5）都显示在以往认识的临河坳陷北部南斜坡带存在北东向的重力异常低带，揭示有断陷槽发育分布，即前已述及的黄河洼槽. 因此，临河坳陷北部由西向东平面上形成低、高、低相间的重力异常结构特征，显示具有“两凹夹一凸”的地质结构，而并非简单的“一凹一斜坡”. 黄河洼槽现有地震资料由于反射品质不好，反映的不够清晰，重力反演主洼区基底埋深可达5 500~6 500 m，推测白垩系、古近系都有较厚发育，由于目前勘探程度较低，其生烃潜力有待进一步落实，但其对于中央兴隆断垒潜山构造带的形成发育及油气聚集的控制作用毋庸置疑.

2.2　构造目标油气检测与高效突破

围绕临河坳陷北部淖西主力深洼槽周缘分布的潜山披覆构造带为油气勘探有利的目标区带. 通过迭代滤波进行位场分离得到的局部重力异常（图9），发现淖西主力生烃洼槽周缘发育吉西潜山披覆构造带、磴口北潜山披覆构造带及中央兴隆断垒式潜山披覆构造带等多个近源构造带，这些构造带近邻有利生烃区，油气运移距离短，发育了潜山披覆构造、断块和岩性等多种圈闭类型，具有源内或源边断裂垂向—储层侧向运聚模式（张锐锋等，2020），成藏条件十分有利.

高精度重力、时频电磁勘探成果为临河坳陷快速高效油气勘探指明了方向，为快速实现油气大发现发挥了重要先导性作用. 华北油田通过前期矿权缩减、区带优选论证，首先在吉西凸起及周缘部署了高精度重磁及时频电磁勘探. 针对资料精度低，吉西凸起潜山形态不清晰，2017年底完成高精度重磁869 m²，3条时频电磁测线共计69 m. 高精度重力局部异常较清晰反映了吉西凸起潜山的形态、结构与规模，整体的基底凸起背景上发育多排断裂控制的局部重力异常高带（图9，图10a），推测潜山可能整体含油、局部高点富集；时频电磁剖面上分布的极化参数异常展示了潜山整体含油的态势，与重力的预测结果吻合. 特别注意到吉西凸起的东翼分布鼻状潜山披覆构造重力异常高（图10a），向东倾入临河坳陷北部淖西深洼槽内，近源成藏有利. 北东向的TFEM02测线穿过吉西凸起及其东翼鼻状潜山披覆构造（测线位置见图9），极化率反演发现该鼻状构造分布有多层系极化异常，显示了多层系含油的态势，其中白垩系极化异常规模最大、幅值最高，双频振幅、双频相位两个油气电磁属性定性参数也发现很强的异常显示（图10b）. 通过与电阻率反演剖面对比发现极化异常主要分布于两条东掉的同向断层之间，且相应部位白垩系、古近系电阻率值较邻区升高. 因此，多个油气电磁属性参数异常都指向吉西凸起东翼断鼻状潜山披覆构造是有利的成藏目标. 上述勘探成果引导华北油田快速决策钻探了JHZK2井与吉华2X井. 2018年4月在吉西凸起潜山构造首钻的JHZK2井于变质岩潜山段672.1~728.6 常规试油获日产油2.84 ³，对上部447.8~599.9 井段压裂获日产21.59 ³高产油流. 紧接着在吉西凸起东翼断鼻状潜山构造钻探吉华2X，以古近系、白垩系为目的层，该井在2 00 井段内发现了Ⅰ+Ⅱ类油层192.8，对其中白垩系37 厚油层试油，日产纯油10.26 ³，发现了一个埋藏浅、油层厚度大的富集油藏. 自2018年1月正式取得矿权，到当年7月引导地震部署及再钻探吉华4X、吉华8X井获自喷日产200~300 m³高产工业油流，仅用7个月时间就打破了河套盆地2万多平方公里找油40余年沉寂的局面，取得了油气勘探高效重大突破.

临河坳陷北部南斜坡黄河断陷槽的发现，揭示了巴彦淖尔凹陷中央兴隆断垒式潜山披覆构造带的存在与分布. 后经地震解释该构造带发育深层顺向断鼻构造、反向断块构造、断垒及滚动背斜构造等有利成藏的圈闭类型（张锐锋等，2020）. 构造带北侧紧邻淖西主力生烃深洼槽区，流体势处于油气运移指向区（杜晓宇等，2019），具有源内或源边断裂垂向—储层侧向运聚模式. 2020年，中央兴隆断垒式潜山披覆构造带在时频电磁发现的强极化异常区（图11），引导配合地震部署钻探了风险探井临华1X和重点预探井兴华1井，穿过这两个井点的时频电磁剖面（位置见图9）上发现了2个强极化参数异常分布区段（图11），为钻井部署提供了重要油气线索. 通过试油，临华1X井在深层古近系获日产自喷超300 m³高产油流，兴华1井在深层古近系获日产纯油274 m³的高产油流，继吉华2X井突破之后再次获得了油气勘探重大发现，打开了临河坳陷北部油气勘探新局面. 后续在中央兴隆潜山构造带南部又相继钻探了吉华19X、扎格1及河探1等井（图9），同样获得了高产工业油流，显示该构造带可能整体含油，具有建成亿吨级油田的资源潜力.

3 结论

（1）以基于有限井震资料松约束中浅层多界面反演、基底背景密度法重力正演剥层为核心的深层目标重力异常提取技术，应用于低勘探程度新区，可以快速有效落实盆地结构及有利凹陷分布，搜索发现有利的构造目标区带、锁定勘探目标，在河套盆地的应用明显提高了深层勘探的成果精度，快速指明了进一步勘探的方向.

（2）基于井震模拟目标层靶向采集、电（E_x ）磁（H_z ）井震联合约束反演等时频电磁深部目标配套油气检测技术，提高了深层勘探的分辨率及油气储层预测精度，解决了传统电磁法制约深层勘探分辨率的技术瓶颈，在河套盆地的应用，快速锁定了有利靶区，为油田决策部署钻探JHZK2井、吉华2X和临华1X等高产油气井提供了依据，发挥了关键先导性作用.

（3）综合物探技术在河套盆地高效油气勘探中发挥了不可替代的重要作用，取得了明显效果，应用成果指出临河坳陷北部淖西深洼槽为主力生烃区，面积可达1 750 km²，临河坳陷南斜坡发育黄河断陷槽，控制了中央兴隆断垒式潜山披覆构造带的形成与发育，围绕临河坳陷北部淖西主力深洼槽周缘分布的多个近源潜山披覆构造带为油气勘探有利的构造区带，具有巨大的油气勘探潜力.

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基金资助

中国石油集团公司课题：物探采集处理解释关键技术研究——复杂区深层及火成岩重磁电震一体化关键技术研究(2021DJ3706)