近地表巖溶探測方法

鄧　宇　金留青　李萬山　楊　榮　王俊華

(①貴州天然氣能源投資股份有限公司，貴州貴陽 550081； ②長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢 430100；③廣西地球物理勘察院，廣西柳州 545000； ④中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊065201)

1　引言

貴州是世界上喀斯特溶洞分布最廣、發(fā)育最典型的地區(qū)之一，非常規(guī)天然氣資源豐富,煤層氣、頁巖氣資源儲量大且分布廣，全省煤層氣地質(zhì)資源量約為3.15×1012m3，居中國南方地區(qū)第一位，頁巖氣地質(zhì)資源量為13.54×1012m3，居全國第三位[1-5]。貴州省天然氣能源需求十分強勁，在高效勘探開發(fā)的現(xiàn)狀下，必定要布設(shè)大量的探井、評價井、開發(fā)井組等。中國南方大部分地區(qū)為喀斯特地貌，灰?guī)r出露，巖溶發(fā)育[6]，尤其貴州以喀斯特地貌為主，在近地表可能存在大量顯露或未顯露的巖溶，給鉆井施工帶來不便甚至災(zāi)難。

巖溶一般存在于灰?guī)r地區(qū)，灰?guī)r是以方解石為主要成分的碳酸鹽巖，地下水長期作用于灰?guī)r裂隙，使巖溶或破碎帶更加發(fā)育，形成地下溶洞[7]。巖溶作為一種典型的不良地質(zhì)體，空間發(fā)育的不均一性、不規(guī)則性以及覆蓋層性質(zhì)的不確定性，對地質(zhì)和工程勘探都是一項挑戰(zhàn)，是當(dāng)今世界性的難題[8-10]。巖溶在孕育階段與發(fā)生坍塌填充后的地球物理特征是不同的[11]，這些物性差異就是巖溶探測的突破口。

物性差異是引起地球物理異常的基本條件，目前在巖溶探測中使用的物探方法有多種[12]。為降低單一物探方法的多解性，綜合物探方法是巖溶調(diào)查的重要手段[6,13]，物探方法的選擇與地質(zhì)條件和地球物理條件密切相關(guān)[14]。以介質(zhì)的物性差異為突破點，主要有電阻率法、電磁法、地震法和重力法等。地震法是基于巖溶與圍巖的彈性參數(shù)的差異，通過觀測和分析地震波在地下的傳播規(guī)律，研究地下介質(zhì)的地球物理方法。巖溶的上界面是一個良好的反射面，當(dāng)入射波的波長大于巖溶體直徑時，能量很少反射回地面，致使勘探效果不理想，成本較高；巖溶的上界面不是折射面，因此折射波法一般不用于巖溶探測；重力法是基于巖溶與圍巖之間的密度差異，采用微重力儀進(jìn)行測量，重力法一般用于地形相對平坦的地區(qū)，才能避免復(fù)雜地區(qū)地形校正不當(dāng)而忽略真實異?；蛘叱霈F(xiàn)假異常；電阻率法和電磁法以巖溶和圍巖的電性差異為基礎(chǔ)，一般情況下，碳酸鹽巖地層電阻率較高，當(dāng)發(fā)育巖溶時溶蝕空間充填了沉積物或水等介質(zhì)時，其相對于圍巖表現(xiàn)為低阻，當(dāng)填充物為空氣時，其相對于圍巖表現(xiàn)為高阻體。這兩種情況都適合用電法進(jìn)行探測。電阻率法已成為探測巖溶最主要、最成熟的方法之一。電磁法能克服高阻屏蔽問題，勘探深度相對較大，對低阻體反應(yīng)靈敏。結(jié)合工區(qū)實際情況以及分辨率、探測深度等因素綜合分析考慮，此次探測首先采用瞬變電磁法進(jìn)行探區(qū)小面積的電阻率掃描測量以圈定探區(qū)電性，然后采用對稱四極法進(jìn)行電阻率精測，并在合適位置加密電極距以確保資料的精度[6-14]。

2　工區(qū)地質(zhì)與地球物理條件

工區(qū)位于貴州省西北部畢節(jié)市(圖1紅點處)，屬畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，地質(zhì)概況及探區(qū)近地表地質(zhì)預(yù)測如圖1所示。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)勘查資料，勘查目標(biāo)位于近地表300m范圍內(nèi)，地層自上而下主要巖性為：第四系(Q)浮土和礫石層，為坡積、殘積、洪積和崩積物等，富水性弱，透水性強，厚約5～10m； 下三疊統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)灰?guī)r、粉砂巖、細(xì)砂巖等，富水性強，含巖溶裂隙水，厚約260m，巖溶發(fā)育的可能性大； 下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，為相對隔水層，巖溶發(fā)育可能小。

電性差異的大小直接影響方法的選取及勘探精度。一般情況下， 第四系巖層的電阻率小于100Ω·m，三疊系灰?guī)r的電阻率相對較高(102～104Ω·m)。當(dāng)溶蝕空間充水或泥，電阻率將快速下降；當(dāng)溶蝕空間充空氣，電阻率將快速上升，與圍巖電性差異迅速增大，為本次電法探測地下巖溶分布提供了地球物理前提。

3　方法原理

3.1　瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Me-thod，TEM)是脈沖感應(yīng)類的時間域電磁法。該方法由不接地回線向地質(zhì)體發(fā)射一次脈沖場，關(guān)閉電源后，測量地質(zhì)體在一次脈沖場的作用下產(chǎn)生的二次場隨時間的變化，以此反演地質(zhì)體的地球物理屬性和空間分布。當(dāng)巖溶為低阻時，在一次場的作用下會產(chǎn)生感應(yīng)渦流，關(guān)閉場源后渦流磁場大致按指數(shù)規(guī)律衰減；若巖溶為高阻時，在一次場的作用下不會產(chǎn)生能量較大的感應(yīng)渦流，因此切斷場源后渦流磁場會快速衰減[6,7,12](圖2)。

圖2　瞬變電磁法(重疊回線裝置)觀測系統(tǒng)示意圖

由于瞬變電磁法只觀測二次場，對地質(zhì)異常的研究更為方便[13]。采用不接地人工場源，保證了信號強度的同時也克服了人工場源的靜態(tài)效應(yīng)及近場效應(yīng)的影響[12]。相對于直流電法，瞬變電磁法勘探具有深度大、體積效應(yīng)小、地形影響小、對低阻有較高的分辨率等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于資源勘探與工程物探領(lǐng)域。采用同點組合(重疊回線或中心回線)瞬變電磁法觀測能與目標(biāo)地質(zhì)體的耦合最強，同時異常相對較強，分層能力也強。重疊回線為磁性發(fā)射源，避免了接地電阻的影響。根據(jù)本次探測的需要，采用3m×3m的重疊回線裝置進(jìn)行探測，以此控制探測精度和深度并盡量減小旁側(cè)效應(yīng)[13-25]。

瞬變電磁法觀測各個測點不同時窗的感應(yīng)電壓，該電壓與不同深度地質(zhì)體的電阻率、上覆地層的電阻率相關(guān)。瞬變電磁法視電阻率通過下式計算得到

(1)

式中：ρt為晚期視電阻率；μ0為真空磁導(dǎo)率；t為觀測時窗；m為磁性源發(fā)射線框磁矩；q為接收線圈的有效面積；V(t)為隨時間變化的感應(yīng)電壓。

首先對測得的瞬變時間序列進(jìn)行疊前和疊后處理，然后進(jìn)行視電阻率轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行電阻率成像，這樣就可以基于得到的電阻率數(shù)據(jù)并結(jié)合探區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行解釋[6]。

3.2　對稱四極測深法

圖3　對稱四極測深法基本原理示意圖

(2)

對稱四極法的視電阻率計算公式為

(3)

視極化率計算公式為

(4)

4　應(yīng)用成果

本次巖溶探測工區(qū)為北東走向的溝谷平地，因此測線沿溝谷布置，盡量順著巖層的走向，以確?？碧絽^(qū)域能夠覆蓋后期鉆井開發(fā)的區(qū)域。現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)沿溝谷有高壓電纜，鉆孔可選擇區(qū)域位于沿溝谷方向、高壓電纜的南側(cè)。由于高壓電纜的干擾成正弦變化，且幅值與電流強度、電線高度以及測點距高壓電纜的距離有關(guān)，所以一般情況下，測點與高壓電纜相距70m以上就可以達(dá)到信噪比要求，若測量時再適當(dāng)增加疊加次數(shù)，則能提高信噪比。

圖4　近地表巖溶探測測線分布圖

對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反演，得到一維和二維視電阻率反演結(jié)果(圖5～圖7)。

圖5　測線1單點反演視電阻率曲線

圖5為測線1的6個測點對稱四極測深曲線，可以發(fā)現(xiàn)電阻率總體呈近45°上升，表明該工區(qū)地層相對完整，各條曲線僅在深度200～260m(圖中黑色虛線)區(qū)間出現(xiàn)小幅下降，推測為電性分界面的反映；僅測點S-2和S-12的電阻率曲線局部(圖中虛線圈)出現(xiàn)了電阻率異常，推測為異常體的反映。

圖6為測線1對稱四極數(shù)據(jù)的反演剖面。由圖可見：電阻率剖面(圖6a)上平距20m處電阻率等值線在埋深180～300m出現(xiàn)“V”字型的異常(圖中黑色虛線圈)，橫向電阻率變化明顯，該異常在測點S-2和S-12的電阻率曲線(圖5)上也表現(xiàn)得較明顯；極化率剖面(圖6b)上，以平距40m處為界，左側(cè)幅值相對較低，右側(cè)相對較高，且局部存在一定異常；K剖面(圖6c)即視電阻率剖面的一次微分結(jié)果，相當(dāng)于對視電阻率曲線進(jìn)行一次高通濾波，目的是突出視電阻率曲線的變化，即突出局部異常而壓制低頻背景。綜合電阻率剖面、極化率剖面和K剖面，推測在平距為10～30m、深度為180～300m剖面范圍為巖溶發(fā)育或巖石破碎區(qū)； 平距為0～6m、深度為255～270m以及平距為25～50m、深度為20～40m的剖面范圍為巖溶發(fā)育或巖石破碎區(qū)域；電性分界面位于深度200～250m范圍。利用對稱四極法對工區(qū)進(jìn)行探測，該地區(qū)的電性情況基本確定。

將三條測線的瞬變電磁數(shù)據(jù)反演結(jié)果與測線1對稱四極數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)測線1采用兩種方法進(jìn)行巖溶探測的結(jié)果基本相近(圖7)，但相對而言，瞬變電磁法能更清楚地展示異常。三條測線瞬變電磁數(shù)據(jù)處理結(jié)果所展現(xiàn)的近地表異常也能相互驗證，圖7中的異常①表現(xiàn)為低阻異常，在3條測線上均有體現(xiàn)且相互連通，深度約為160～300m，推測為巖溶發(fā)育或巖石破碎區(qū)； 異常②(圖7c)為高阻異常，僅在測線2有較明顯的顯示，深度約為110～160m，推測為小規(guī)模巖溶的反映。

圖6　測線1電性反演剖面

圖7　電阻率反演剖面

分別對對稱四極數(shù)據(jù)(測線1)和瞬變電磁數(shù)據(jù)(測線1～測線3)進(jìn)行處理，得到各測線的電性異常，將異常在平面圖上投影并連接起來得到巖溶異常平面圖(圖8)。圖中紅色為較強異常區(qū)域，大部分區(qū)域在深部(150m深度以下)表現(xiàn)為低阻異常，而測線2的測點8～測點10區(qū)域在深度100～190m范圍內(nèi)還出現(xiàn)了高阻異常團(tuán)塊，異常主要來自永寧鎮(zhèn)組地層，因此推斷該地層內(nèi)巖溶發(fā)育的可能性較大；圖中藍(lán)色區(qū)域表示異常相對較弱，因此建議設(shè)計鉆孔位置由測點3-10(測線1與測線3的相交處)沿測線1東移15m至測點10號處，同時注意鉆孔位置在深度25～35m、235～245m處也存在低阻異常，存在巖溶發(fā)育的可能性，在鉆井施工前應(yīng)做好預(yù)防工作。

圖8　巖溶異常平面圖

根據(jù)解釋結(jié)果，為盡量避開近地表300m范圍內(nèi)的巖溶及其他不良地質(zhì)體，在建議鉆孔位置進(jìn)行了鉆井施工并做好了相應(yīng)防護(hù)工作，施工過程中未鉆遇巖溶，也未出現(xiàn)塌孔、卡鉆等情況。

5　結(jié)束語

實踐表明，應(yīng)用物探方法進(jìn)行近地表巖溶探測，并指導(dǎo)設(shè)計井位，可降低近地表巖溶對油氣井鉆井施工可能產(chǎn)生的威脅。地球物理方法各有優(yōu)勢與不足，要根據(jù)工區(qū)實際情況及探測目標(biāo)的電性、埋深等條件綜合考慮，選擇合適的方法以達(dá)到最佳的巖溶探測效果，本文采用瞬變電磁法和對稱四極測深法取得了較好的近地表巖溶探測效果。

地球物理異常存在多解性，因此異常的解釋與實際情況不一定吻合，需要結(jié)合地質(zhì)等資料信息進(jìn)行綜合解釋。

長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室陳清禮教授和貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院提供了寶貴建議和幫助，在此表示衷心感謝！

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