綜合地球物理方法在黔西頁(yè)巖氣勘探中的應(yīng)用

李家斌， 屈念念

(1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴陽(yáng) 550018； 2.貴州省地質(zhì)物探開(kāi)發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550018)

0 引言

美國(guó)頁(yè)巖氣突破與工業(yè)化生產(chǎn)，開(kāi)啟了“非常規(guī)油氣革命”，深刻改變了全球油氣供給格局，相較而言，中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查工作起步較晚，頁(yè)巖氣勘探尚處在合作借鑒與探索評(píng)價(jià)階段[1]，頁(yè)巖氣勘探方法技術(shù)尚不成熟，諸多技術(shù)問(wèn)題尚待進(jìn)一步突破，如何應(yīng)用好適宜的物探方法是頁(yè)巖氣勘探中尚待研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。大地電磁法是頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查工作中常用的物探方法，但由于單方法具有局限性，且物探推斷解釋結(jié)果具有多解性，造成大地電磁法的推斷解釋結(jié)果常與實(shí)際情況不符，因此，在推斷解釋中可先利用區(qū)域重力資料對(duì)研究區(qū)及周邊斷裂構(gòu)造、地層等地質(zhì)要素進(jìn)行推斷解釋，結(jié)合地質(zhì)成果，從宏觀上掌握研究區(qū)及周邊地區(qū)的基本構(gòu)造格架，同時(shí)利用異常分離技術(shù)，對(duì)目的層區(qū)域重力異常進(jìn)行提取[2-3]，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)地層進(jìn)行物性界面反演，建立目標(biāo)地層初始模型。在構(gòu)造基本格架與地層初始模型的基礎(chǔ)上，對(duì)大地電磁資料進(jìn)行約束反演，利用反演結(jié)果，結(jié)合高精度重力資料對(duì)推斷解釋結(jié)果進(jìn)行重力、電磁的2.5維反演，在2.5維反演基礎(chǔ)上重塑目標(biāo)地層形態(tài)。這一推斷解釋流程加入?yún)^(qū)域重力資料及高精度重力資料對(duì)推斷解釋結(jié)果的約束，使大地電磁推斷解釋結(jié)果更為合理可靠，進(jìn)而使物探工作達(dá)到綜合推斷解釋的目的。本文利用重力、大地電磁以及地質(zhì)綜合推斷的方法對(duì)黔西頁(yè)巖氣勘探開(kāi)展物探方法技術(shù)綜合應(yīng)用研究，建立了可靠的地質(zhì)-地球物理模型，為下一步頁(yè)巖氣物探工作的開(kāi)展提供可借鑒的應(yīng)用案例。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

黔西地區(qū)位于貴州省西南部，大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子陸塊江南造山帶興義隆起區(qū)(圖1)，石炭系以下地層出露零星，石炭系—三疊系地層出露較廣，全區(qū)地層以海相沉積為主，少部分為陸相沉積，沉積環(huán)境及沉積類型多樣[4]。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育二疊系龍?zhí)督M富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層，龍?zhí)督M厚度在100～500 m，下部為碳質(zhì)泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)(含粉砂)泥巖、粉—細(xì)砂巖夾煤層，上部為泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。龍?zhí)督M地層是區(qū)內(nèi)主要的含氣地層，近年來(lái)，針對(duì)龍?zhí)督M富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層已經(jīng)實(shí)施了少量頁(yè)巖氣調(diào)查井，均顯示了較好的含氣性，是貴州省頁(yè)巖氣主要含氣地層之一，該層具厚度大、分布廣的特點(diǎn)，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層位多深埋保存，后期勘探潛力較大。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，期次較多，雪峰運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)、海西—印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)均對(duì)區(qū)內(nèi)地層有不同程度的影響。

圖1 黔西地區(qū)大地構(gòu)造位置

1.2 物性特征

地層物性參數(shù)(表1)表明，龍?zhí)督M地層巖石密度相對(duì)較低，除地表第四系外，為研究區(qū)內(nèi)二疊系以上密度最小地層。從地層電性參數(shù)看，夜郎組灰?guī)r視電阻率最高，其平均值達(dá)8 248.3 Ω·m，第四系覆土視電阻率值最低，視電阻率平均值為157.3 Ω·m； 除地表第四系覆土外，龍?zhí)督M與飛仙關(guān)組地層表現(xiàn)為低電阻率，其視電阻率平均值分別為369.5 Ω·m、467.23 Ω·m。

從地層巖石密度、電阻率的物性差異看，研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)地層巖石密度、電阻率與其相鄰近地層物性差異較大，具有重力與電法工作的物性前提，存在對(duì)研究區(qū)地質(zhì)信息進(jìn)行有效劃分的基礎(chǔ)。本次研究的目標(biāo)為黔西地區(qū)青山向斜富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的上二疊統(tǒng)上部的龍?zhí)督M(P3l)地層層位，為一低密度、低電阻率的地質(zhì)體。

表1 研究區(qū)地層物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 1∶20萬(wàn)區(qū)域重力資料推斷解釋

對(duì)研究區(qū)內(nèi)1∶20萬(wàn)區(qū)域重力資料再次處理解釋分析。在布格重力異常圖上，研究區(qū)位于貴州省西部、大型重力梯級(jí)帶內(nèi)，屬SN向龍門(mén)山重力梯度帶的南延部分，為貴州高原向云南高原過(guò)渡的反映。本文利用優(yōu)選向上延拓[5-7]及歸一化總水平導(dǎo)數(shù)、垂向?qū)?shù)[8]等方法，通過(guò)異常分離、異常顯示等處理手段，提取研究區(qū)重力水平一階導(dǎo)數(shù)、垂向二階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模中的重力線性異常特征線，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，綜合推斷研究區(qū)及鄰區(qū)斷裂構(gòu)造(圖2)。結(jié)果顯示，研究區(qū)斷裂主要有3條，斷裂走向以NE向?yàn)橹鳌?/p>

(a) 布格重力異常圖 (b) 水平一階導(dǎo)數(shù)(135°)

(c) 垂向二階導(dǎo)數(shù) (d) 水平總梯度模

圖2研究區(qū)及鄰區(qū)斷裂構(gòu)造推斷解釋

Fig.2Deductionandinterpretationofthefaultsinthestudyareaanditsadjacentareas

3 1∶20萬(wàn)區(qū)域重力資料定量反演

研究區(qū)地層密度分布相對(duì)簡(jiǎn)單，三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)至三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)地層密度相對(duì)較高，三疊系飛仙關(guān)組(T1f)至二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)地層密度相對(duì)較低，飛仙關(guān)組與永寧鎮(zhèn)組為一密度界面。根據(jù)物性參數(shù)，利用Parker密度界面反演法[9]，選取這一密度界面密度差參數(shù)為0.08～0.16 g/cm3，界面深度參數(shù)選取0～1 500 m，通過(guò)反演，研究區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)組頂界深度如圖3所示。對(duì)比界面深度零值線與飛仙關(guān)組地層出露界限，二者位置基本吻合。研究區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)組頂界從西南向北東總體呈“W”狀起伏，北西翼密度界面較深，南東翼相對(duì)較淺，且北西翼密度界面變化較陡，南東翼密度界面變化相對(duì)較緩。

圖3 飛仙關(guān)組(T1f)地層頂界面深度

4 大地電磁資料分析

研究區(qū)地層電性結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，龍?zhí)督M及其上覆飛仙關(guān)組地層電阻率相對(duì)較低，龍?zhí)督M和飛仙關(guān)組的相鄰(近)地層永寧鎮(zhèn)組、關(guān)嶺組、茅口組、棲霞組等地層電阻率較高，從電性結(jié)構(gòu)看，呈現(xiàn)出“三高夾兩低”的電性特征。圖4至圖7為研究區(qū)內(nèi)1線至4線大地電磁電阻率反演異常圖，反演方法采用波斯迪克反演方法，數(shù)據(jù)模式采用TE、TM、TEM模式，反演過(guò)程中利用區(qū)域重力推斷的斷裂構(gòu)造及界面深度成果進(jìn)行約束。從各模式縱向電阻率異常展布形態(tài)看，各剖面異常展布趨勢(shì)相似，從高程2 km的淺表至高程-3 km的深部區(qū)域，其縱向電阻率總體呈“高—低—高—低—高”的異常展布趨勢(shì)，與研究區(qū)內(nèi)“三高夾兩低”的電性特征相吻合。據(jù)此，分析淺部第1層電阻率高值異常主要由出露地表的永寧鎮(zhèn)組和關(guān)嶺組引起； 淺部第2層電阻率低值異常主要由部分出露地表的龍?zhí)督M和飛仙關(guān)組引起； 淺部第3層電阻率高值異常主要由部分出露地表的石炭系擺佐組至二疊系峨眉山玄武巖引起； 在石炭系擺佐組之下，泥盆系火烘組至石炭系打屋壩組地層為一套黑色泥頁(yè)巖系，從電性特征看該組地層具電阻率低值異常特點(diǎn)，因此，剖面電阻率異常中第4層電阻率低值異常由埋藏較深的泥盆系火烘組層至石炭系打屋壩組引起； 泥盆系火烘組地層之下為一套以灰?guī)r、白云巖為主的寒武系、奧陶系地層，因此，第5層電阻率高值異常由電阻率相對(duì)較高的寒武系、奧陶系引起。從反演結(jié)果看，研究區(qū)從高程2 km的淺表至高程-3 km的深部區(qū)域具5層電性結(jié)構(gòu)。

(a) 波斯迪克TE模式一維反演圖

(b) 波斯迪克TM模式一維反演圖

(d) 地質(zhì)剖面圖

圖4 1線MT剖面推斷解釋圖

(a) 波斯迪克TE模式一維反演圖

(b) 波斯迪克TM模式一維反演圖

(c) 波斯迪克TEM模式一維反演圖

(d) 地質(zhì)剖面圖

圖5 2線MT剖面推斷解釋圖

(a) 波斯迪克TE模式一維反演圖

(b) 波斯迪克TM模式一維反演圖

圖6-1 3線MT剖面推斷解釋圖

(c) 波斯迪克TEM模式一維反演圖

(d) 地質(zhì)剖面圖

圖6-2 3線MT剖面推斷解釋圖

(a) 波斯迪克TE模式一維反演圖

(b) 波斯迪克TM模式一維反演圖

(c) 波斯迪克TEM模式一維反演圖

(d) 地質(zhì)剖面圖

圖7 4線MT剖面推斷解釋圖

5 高精度重力2.5維正演擬合

從大地電磁反演結(jié)果所推斷的5層電性結(jié)構(gòu)所含地層的密度看，飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M、打屋壩組、火烘組地層密度相對(duì)較低，其鄰近地層密度相對(duì)較高，呈現(xiàn)出“三高夾兩低”的密度分布特點(diǎn)。根據(jù)這一密度分布特點(diǎn)，將研究區(qū)內(nèi)地層按表2進(jìn)行劃分，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地層組密度值，計(jì)算出表2中重力2.5維反演參數(shù)。以大地電磁反演結(jié)果為基礎(chǔ)，區(qū)域重力所推斷的區(qū)域構(gòu)造、地層為背景，按表2中反演參數(shù)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)1線至4線開(kāi)展2.5維高精度重力反演工作，各剖面反演結(jié)果如圖8至圖11所示。圖8至圖11中各圖下部為反演模型，上部為實(shí)測(cè)曲線與理論曲線的擬合情況，從擬合情況看，實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線擬合較好。從正演模型看，正演模型的地層、構(gòu)造與區(qū)域重力、大地電磁所推斷的地層、構(gòu)造吻合較好，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)重力正演模型結(jié)果可信度較高，各方法間能夠相互印證。

表2 重力2.5維反演參數(shù)

(a) 重力異常擬合曲線圖

(b) 重力異常正演模型圖

圖8 1線高精度重力反演剖面

(a) 重力異常擬合曲線圖

(b) 重力異常正演模型圖

圖9 2線高精度重力反演剖面

(a) 重力異常擬合曲線圖

(b) 重力異常正演模型圖

圖10 3線高精度重力反演剖面

(a) 重力異常擬合曲線圖

(b) 重力異常正演模型圖

圖11 4線高精度重力反演剖面圖

6 鉆探驗(yàn)證

2016年貴州省地質(zhì)調(diào)查院在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)頁(yè)巖氣調(diào)查井1口，通過(guò)該調(diào)查井，揭示該調(diào)查井位置龍?zhí)督M鉆遇深度為1 073.00～1 344.36 m，鉆厚271.36 m，真厚度為264.45 m。根據(jù)表3對(duì)比高精度重力、大地電磁綜合反演推斷解釋結(jié)果，鉆探鉆遇深度、厚度與推斷解釋結(jié)果吻合較好，從龍?zhí)督M鉆厚與真厚情況看，與所推斷解釋的地層變化較緩的推斷也吻合。

表3 鉆探驗(yàn)證情況對(duì)比

7 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)研究成果與鉆遇情況對(duì)比，研究區(qū)內(nèi)所推斷的目標(biāo)地層深度、厚度均與實(shí)際情況相吻合，說(shuō)明這一推斷解釋與綜合分析研究過(guò)程正確、合理，研究成果可靠。

(2)在掌握研究區(qū)區(qū)域重力資料所反映出的構(gòu)造、地層等信息的基礎(chǔ)上,開(kāi)展大地電磁反演、推斷解釋工作能取到較好的應(yīng)用效果，反映出地球物理推斷解釋遵循“由面到點(diǎn)、由輪廓到精細(xì)”這一規(guī)律,結(jié)論具有較為重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

(3)基本掌握了研究區(qū)內(nèi)主要含氣地層的基本展布形態(tài)，以及對(duì)頁(yè)巖氣成藏環(huán)境可能造成破壞的斷裂構(gòu)造分布，為頁(yè)巖氣賦存優(yōu)選區(qū)的圈定提供了可靠的地球物理分析應(yīng)用成果。

(4)本次研究?jī)H針對(duì)頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查工作開(kāi)展，其余地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作的實(shí)際應(yīng)用效果尚待進(jìn)一步嘗試與驗(yàn)證，建議地球物理工作者廣泛開(kāi)展此類綜合研究工作。