CSAMT與CYT聯(lián)合探測法在深部鹽穴儲氣庫建設中的應用*

王志榮　王泉更　張利民

(①鄭州大學水利與環(huán)境學院　鄭州　450001) (②河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心　鄭州　450053)

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CSAMT與CYT聯(lián)合探測法在深部鹽穴儲氣庫建設中的應用*

王志榮①王泉更①張利民②

(①鄭州大學水利與環(huán)境學院鄭州450001) (②河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心鄭州450053)

針對深部鹽穴探測問題的特殊性，結(jié)合平頂山葉縣鹽田儲氣工程，簡要探討了可控源音頻大地電磁法(CSAMT)與大地電場巖性探測法(CYT)的理論基礎、探測原理以及解譯方法，并對試驗區(qū)鹽穴的幾何形態(tài)、空間分布以及物性信息反饋特征展開了研究。首先應用CSAMT法進行初探，大致圈定目標體的空間范圍； 其次在CSAMT法探測結(jié)果基礎上選擇有利地段，采用CYT法進行精探，詳細圈定目標體的空間形態(tài)。探測結(jié)果表明，試驗區(qū)鹽穴空間形態(tài)復雜，剖面上呈現(xiàn)不規(guī)則的空穴群，埋深大約為 -1400～-1000m； 但單個溶腔體積較小，半徑大致為8～60m。研究成果可用于指導地下鹽穴儲氣庫址的選擇和建設，為我國深部鹽穴探測方法和電場巖性解譯提供了參考。

平頂山鹽田CYT與CSAMT法鹽穴探測應用實例

0　引　言

電磁法是根據(jù)地下巖土層與目標體的電磁性差異，通過地面接收器獲取其場強與電磁場變化等信息，進而探測其空間分布的一種地面物探方法。除傳統(tǒng)的電剖面法與電測深法外，目前用途最廣的主要有瞬變電磁法、音頻大地電場法以及地質(zhì)雷達法等(李天斌等， 2009)。電磁法于20世紀50年代初開始在國外出現(xiàn)并得到快速發(fā)展，同時促進了其他傳統(tǒng)電、磁法的發(fā)展，衍生出包括可控源等方法在內(nèi)的多種新的電磁法技術。60年代我國開始發(fā)展大地電磁法，起初主要研究強震區(qū)深部結(jié)構(gòu)，后逐步發(fā)展成為探測包括深部結(jié)構(gòu)、油氣構(gòu)造、金屬礦床、地熱資源、地震和火山活動等眾多領域的重要地球物理方法(鄧居智等， 2001； 李建平等， 2005； 李術才等， 2008; 薛國強等， 2008a， 2008b)。

平頂山鹽田工業(yè)儲量十分豐富，經(jīng)過近20余年的深部開采，形成了眾多的采空溶腔，為地下儲氣庫建設提供了寶貴的空間資源。然而，與國外厚層鹽巖儲層條件相比，平頂山鹽田的地層結(jié)構(gòu)比較獨特，具有薄層狀鹽巖與薄層狀泥巖相間互層而且埋藏較深等特點，因而形成十分復雜的溶腔儲藏特征(丁國生等， 2010； 王志榮等， 2015)。本文研究內(nèi)容屬于西氣東輸二線—平頂山鹽穴儲氣庫建設的前期工作，應用大地電場巖性探測法(CYT)與可控源音頻大地電磁法(CSAMT)對平頂山地下鹽巖溶腔的空間形態(tài)、幾何大小與相互配置展開聯(lián)合探測，為建立地下復雜空間的數(shù)值計算模型提供地質(zhì)依據(jù)，進而指導鹽穴庫址的規(guī)劃和建設工作。

1　鹽田地質(zhì)背景

勘探資料表明，工作區(qū)可采鹽層賦存于古近系核桃園組(E2h)，為灰色泥巖、鹽巖與含石膏泥巖相間互層，總厚度為489～1070m，可劃分為22個鹽群組合。鹽田內(nèi)鹽層層數(shù)最多達61層，其中單層厚度最高達27.7m(602井，核十四段)，最薄不足1m，單層厚度大多集中在10m以內(nèi)。鹽層間距小，對應的夾層以厚度薄、層數(shù)多為特點，平均為2.8m，最大為12.32m，厚度普遍在5m以內(nèi)，泥巖夾層總厚度約占互層狀鹽巖總厚度的30%左右。平頂山鹽田位于豫西舞陽凹陷西部，新生代形成的舞陽凹陷屬斷陷式構(gòu)造盆地，一系列傾向北東的大型正斷層構(gòu)成階梯狀斷層組合，上盤依次斷陷控制著鹽田的內(nèi)、外邊界。斷塊內(nèi)含鹽地層產(chǎn)狀平緩，大致呈單斜構(gòu)造，傾向南東，傾角9°～17°(圖1)。

圖1　舞陽凹陷斷裂構(gòu)造綱要圖Fig. 1　Fault structure section of Wuyang depression1.地層界線； 2.地層時代； 3.正斷層

中鹽皓龍馬莊礦段年產(chǎn)2×106t液體鹽，采區(qū)面積約1.01km2。鹽巖呈互層狀，賦存在古近系核桃園組中，巖性主要為鹽巖夾泥巖，埋深均為1000～2000m(圖2)。由于中鹽皓龍馬莊五里鋪鹽礦段(以下簡稱：馬莊礦段)的勘探程度較高，均已探明其地層分布及構(gòu)造特征。礦區(qū)地質(zhì)條件簡單，面積大小適宜(1km2)，是進行地面物探的相對理想場所。故選擇該礦段內(nèi)典型的系列井(孔)，作為地面物探進行鹽穴探測的試驗靶區(qū)，進而建立地下三維鹽穴的地質(zhì)、力學立體計算模型(趙志成等， 2004； 郤寶平等， 2008； 班凡生等， 2012)。

圖2　中鹽皓龍采區(qū)鹽井地質(zhì)剖面圖Fig. 2　Section of salt wells in Gaolong Mining areas of China Salt Corporation

根據(jù)試驗要求，本次地面物探分為初查與精查兩個階段，共布置測線4條，其中CSAMT法測線3條，呈“廿”字狀分布，測點55個，剖面長2080m； 由于在CSAMT法L1、L2、L3測線上發(fā)現(xiàn)大批視電阻率低值區(qū)，又加設CYT法測線1條實施精確探測，測點24個，剖面長920m(圖3)。

圖3　電磁法測線平面布置圖Fig. 3　Plane setting map of probe line of EM

2　CSAMT地下溶腔探測方法

CSAMT又稱可控源音頻大地電磁法，目前廣泛應用于各種地質(zhì)災害超前預報與礦產(chǎn)勘查中(葛純樸等， 2007； 黃力軍等， 2007a，2007b； 李堅等， 2009； 宋國陽等， 2009)。本文通過河南葉縣鹽巖溶腔儲氣工程實例，對深部(深度近2000m)復雜地下空穴的探測做了初步的嘗試。

2.1CSAMT工作原理

CSAMT法是基于大地中普遍存在的電磁波傳播規(guī)律，即趨膚效應。對于這一自然現(xiàn)象，下式可以反映它們在不同頻率的視電阻率分布狀況。

(1)

式中，ρ為視電阻率值(Ω·m)； Ex為接收電極距(m)； Hy為接收磁極距(m)。利用式(2)可求取它們相對應頻率的傳播深度：

(2)

在實際物探工作中，一般利用1個發(fā)射源，并且在測線上使用1組與供電電場平行的接收電極(Ex)來接收電信號，同時使用1個與電場正交的磁探頭(Hy)來接收磁信號。

2.2CSAMT工作方法

一般條件下，接收-發(fā)射距離要求大于探測深度的4倍。為了達到較大的探測深度，本次勘探采用的接收-發(fā)射距離為6000m，可對2000m深度的地質(zhì)目標體實現(xiàn)有效控制。測線布置則根據(jù)試驗區(qū)條件而定，測點間距暫定為40m，測試深度為2000m(圖4)。

圖4　旁側(cè)排列裝置示意圖Fig. 4　The flanking collating unit

為了保證深部探測的可行性與精確性，本次CSAMT法探測試驗采用目前國際上公認的，由美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法儀。野外數(shù)據(jù)采集完成后，進行相應的一維和二維反演程序計算，最終獲得相應的地球物理參數(shù)。

2.3CSAMT探測結(jié)果

平頂山鹽田馬莊井田D系列井區(qū)域作為CSATM溶腔測試試驗首選區(qū)，共布置測線3條：L1線、L2線、L3線，合計測點55個，點距40m。為了初步查明地下溶腔的大致空間范圍， 3條剖面線總體成十字交叉布置，即L1與L2平行，呈南北向； L3與L1、L2垂直成十字交叉，呈東西向，測線總長2080m (圖3)。

從L1、L2、L3線在-1000～-1400深度的視電阻率 (圖5)對比情況看，三線視電阻率背景值均較低，大約為0～16Ω·m，總體反映了較大范圍內(nèi)鹽巖的低異常特征。而L1與L2線在該深度橫向上出現(xiàn)明顯梯度，即 L1北部和L2南部分別存在一個不連續(xù)的低阻區(qū)。造成短距離內(nèi)視電阻率出現(xiàn)較大差異的原因，通常是地下水作用的結(jié)果，故推測為疑似地下含水溶腔群。L3線呈現(xiàn)大面積低阻，表明鹽田在該方向存在條帶狀溶腔群。值得注意的是，L1、L2、L3剖面的低阻區(qū)均延伸至第四系，說明古近系巖鹽溶腔及局部圍巖的空隙特征與第四系土壤相同，今后應注意氣體滲透問題(陳衛(wèi)忠等， 2009)。

3　CYT地下溶腔探測方法

大地電場巖性探測法(CYT)(以下簡稱：CYT)是我國具有自主知識產(chǎn)權的，一種利用天然大地單一電磁場場量進行勘測的頻率域電磁法(楊慶錦等， 1999； 陳志平等， 2010)，其使用場源與MT、AMT相同，均為交變電磁場。探測原理也較為簡單，即根據(jù)交變電磁場在地層中的傳播趨膚效應，利用不同頻率電磁波具有不同穿透能力的特性，首先在地面進行觀測接受信息，然后經(jīng)計算來查明地層視電阻率ρ的垂向變化，以此推測地下巖性與構(gòu)造等地質(zhì)狀況。

眾所周知，一定頻率的電磁波場具有一定的穿透能力：高頻電磁場穿透能力弱，平均效應涉及范圍??； 低頻電磁場穿透能量強，平均效應涉及范圍大。CYT利用的是頻率在0.001～1000Hz長波部分。由趨膚深度理論確定的深度與電阻率及頻率(周期)關系式：

(3)

式中，H為深度(km)；K為常數(shù)；ρ為視電阻率(Ω·m)；T為周期(s)；f為頻率(Hz)。式(3)就是CYT等電磁類物探方法探測地下電性與深度關系的物理基礎。

因CYT具有探測深度大，不易受高阻層屏蔽，對低阻層特別敏感等特點，除廣泛應用于我國油氣部門外，近年來在眾多地下工程領域得到重視并取得較好效果。毋庸置疑，CYT是一種電信分辨率高，且能夠相對準確確定含水層層位、厚度及埋藏深度的地面物探方法。在本次鹽穴勘查實踐中，根據(jù)測試數(shù)據(jù)能精確圈畫出鹽穴的幾何形態(tài)、空間組合以及邊界條件，并為建立巖鹽溶腔的地質(zhì)、物理力學三維立體計算模型提供強有力的地質(zhì)保障。

圖5　CSAMT測線視電阻率剖面圖(單位：Ω·m)Fig. 5　The profiles of apparent resistivity of CSAMT

3.1工程布置

根據(jù)試驗要求，對CSAMT最大異常區(qū)L1線進行進一步勘探。共布設一條CYT精細測線，長度為920m，測點共計24個，測點間距為40m。測點編號由南向北依次為：A1、A2、……A24(圖3)。

測線A1點位于D1-1孔南側(cè)，A24點靠近KY1孔附近，其間跨越有D1-1單井、D2-1～D2-2對井、XL3-7～XL3-8對井、XL3-5～XL3-6對井和KY1～KY4對井。數(shù)據(jù)采集使用CYT-Ⅳ型儀器，測試深度1500m，采樣步長為2m。

3.2曲線異常分析

3.2.1層位確定

根據(jù)CYT測試數(shù)據(jù)進行層位標定，就是將鉆孔旁測試數(shù)據(jù)對照鉆探揭露巖層埋深或標高資料，在某巖層埋深處查看對應曲線特征。本次CYT測線通過處有多個鉆孔資料可用于層位標定，為數(shù)據(jù)解釋奠定了良好基礎。

以D1-1孔為例。該孔揭露新近系上寺組底埋深420m； 古近系廖莊組底埋深1066.5m； 古近系核桃園組含膏泥巖底埋深1110.7m； 含膏泥巖下為近290m的鹽巖與泥巖互層，是馬莊礦區(qū)主要的開采層段，其埋深在1110.7～1400m左右。都為較松散、固結(jié)程度相對差的第三紀、第四紀巖層。

從距D1-1孔約22m的A6點測試曲線看，在420m附近曲線存在一低頻波峰，其上波形相對圓滑，其下波形相對為折線狀，圓滑成分較低。由此作為劃分新近系與古近系的分界特征。按此模式對其他層段巖層進行標定，均可在層段界面處發(fā)現(xiàn)有明顯的頻率差異現(xiàn)象。根據(jù)曲線中頻率變化，確定了各主要巖層的曲線特征和分界面特征。

3.2.2層位追蹤

依據(jù)CYT曲線特征，可進行層位追蹤與解釋。由于本次測線穿越段附近有多個鉆孔資料可以輔助進行層位標定，為鹽穴的準確定位和追蹤，起到了很好的指導和校正作用，保證了層位追蹤的準確性和可靠性。

3.2.3鹽穴的識別

鹽穴的識別是在鹽巖層解釋基礎上進行的。本次試驗表明，鹽巖溶腔及其圍巖電磁信息反饋的數(shù)據(jù)具有一定規(guī)律性，即鹽巖與泥巖互層，其完整性與巖體質(zhì)量較好，ρs值可達40～15Ω·m； 鹽巖和含水鹽穴一般表現(xiàn)為電阻率的低異常，ρs值僅為0～5Ω·m； 無水鹽穴則表現(xiàn)為視電阻率的略低異常，為5～15Ω·m。考察垂向上的連續(xù)探測曲線，在鹽巖賦存層位對應處，若曲線頻率變低、振幅增高、曲線變圓滑，則該段為鹽穴，其波形與正常鹽巖層曲線特征——低振幅、折線狀特征是不一致的。

3.3鹽穴異常解譯

針對鹽田鹽穴特征對5個(D1-1、D2-1～D2-2、XL3-5～LX3-6、XL3-7～LX3-8、KY1～KY4)采井附近的曲線分析后認為，有10個測點曲線有鹽穴特征。受頁面限制剖面不能按比例顯示，為看清異常細部，刪去了含膏泥巖以上層段，并對保留層段曲線縱向拉伸，這使曲線頻率人為改變顯得較低，特此說明。

3.3.1鹽穴水平范圍

測線控制范圍，共跨越或靠近5個單井或?qū)?。鹽穴或?qū)}穴通道半徑為22～60m，其中，D1-1井的鹽穴半徑為22m～48m變化，特征是上部(深度為1147～1278m)鹽穴半徑小于下部(1300～1363m)； D2-1井的鹽穴半徑為8m～32m間變化，鹽穴上部(深度為1176～1309m)空穴厚度較大； LX3-7井鹽穴半徑在15m～53m間變化，鹽穴特征為各鹽穴層厚度不大，較為分散，相對講中部(深度為1278～1358m)的鹽穴厚度較大； XL3-6井鹽穴半徑為27～32m，該鹽穴特征為鹽穴層分散、厚度?。?KY1井鹽穴半徑為30～60m，特征是鹽穴層厚度小，層位分散，有向A24點方向增厚的趨勢。

3.3.2鹽穴深度范圍

D1-1井的鹽穴深度為1148～1369m，高度大于220m； D2-1～D2-2對井的鹽穴深度為1176～1409m，高度大于233m； LX3-7～XL3-8對井的鹽穴深度為1193～1424m，高度大于231m； XL3-6～XL3-5對井鹽穴深度為1196～1356m，高度大于160m； KY1～KY4對井的鹽穴深度為1252～1405m，高度大于153m。

了解各測點曲線特征后，進一步實施分段追蹤解釋，則得到相應的巖電剖面 (圖6)。圖6 顯示，CYT測線A控制段(核桃園組)巖層向北傾斜，鹽穴的空間形態(tài)極其復雜，剖面上呈現(xiàn)若干不規(guī)則的空穴群，單個溶腔體積較小，且沒有呈現(xiàn)典型的向頂部收斂的壺穴狀。運用CYT法解釋的含鹽巖地層及鹽穴的分布與鉆孔揭露的互層地質(zhì)情況基本吻合，為建立巖鹽溶腔的計算模型提供了強有力的地質(zhì)保障。由此可知，CYT能較細致地反映出鹽巖溶腔位置及范圍，若采用較為密集的測網(wǎng)，預計能勾繪出更精確的鹽穴三維立體形態(tài)。

4　結(jié)　論

(1)應用電磁法對平頂山葉縣鹽田地下鹽穴進行探測，實踐證明，“大地電場巖性探測法(CYT)”與“可控源音頻大地電磁法(CSAMT)”聯(lián)合工作，不失為一種較好的深部空穴探測方法。CSAMT作為一種便利高效與輔助驗證的地面物探方法，可大致推測地下深部空穴的分布范圍，尤其是對充滿地下水的空穴，其探測效果則更好。

(2)CYT作為一種精細探測手段，對地下鹽穴甚至深部大型空穴探測顯示出巨大的優(yōu)越性，展示出其良好的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。本次試驗表明，研究區(qū)CYT測線A控制段(核桃園組)巖層向北傾斜，鹽穴的空間形態(tài)極其復雜，剖面上呈現(xiàn)若干不規(guī)則的空穴群，單個溶腔體積較小，且沒有呈現(xiàn)典型的向頂部收斂的壺穴狀。運用CYT法解釋的含鹽巖地層及鹽穴的分布與鉆孔揭露的互層地質(zhì)情況基本吻合，可以為進一步建立地質(zhì)模型與計算模型提供技術支持。

(3)CSAMT作為一種探測精度較低的初探方法，對現(xiàn)場及周邊環(huán)境非常敏感，首先就是地下一些金屬結(jié)構(gòu)比如鋼拱架、錨桿等對測量結(jié)果影響較大，然后就是發(fā)射圈和接收圈之間的相互感應對測量精度也有影響。CYT在含鹽地層解釋中，需投入大量人力與物力，且客觀上需要其他勘探手段指導與驗證，因此應用聯(lián)合探測法能取得較為理想的互補地質(zhì)效果。

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APPLICATION OF BOTH CSAMT AND CYT ELECTROMAGNETIC METHOD TO DETECTION OF DEEP SALT CAVES

WANG Zhirong①WANG Quangeng①ZHANG Limin②

(①SchoolofWaterConservancyandEnvironmentEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001) (②InvestigationCenterofResourceandEnvironmentofHenanBureauofCoalGeology，Zhengzhou450053)

This paper is based on the particularity in exploration of deep salt caves. The theoretical foundation， detection principle and interpretation methods of earth electric field lithology detection(CYT) and Controlled source audio magnetic telluric(CSAMT) are discussed using the Yexian salt field gas storage project in Pingdignshan. The geometry， space distribution and feedback physical information of salt caves are studied as well． Firstly， the spatial range of target body is confirme-droughly with CSAMT method. Then the spatial form is determined in detail with CYT method on the basis of CSAMT results in favorable area. Exploration results show that the spatial form of salt cave is complex. The irregular holes appear on the geological section with depth of-1000～-1400m. But the single cavern is small and the radius is about 8～60m. The research results can be used to guide the site selection and construction of underground salt cavern gas storage， and provide some reference for deep salt caves detection and interpretation of lithology electric fields．

Pingdingshan salt field， CYT and CSAMT detection， Salt rock cavity detection，Application example

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.018

2014-11-26;

2015-09-01.

王志榮(1963-)，男，博士，教授，主要從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災害防治研究. Email：wangzhirong513@sina.com

P631.3

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