廣域電磁法在武陵山區(qū)頁(yè)巖氣勘探中的探索應(yīng)用
——以黔北桐梓地區(qū)為例

李帝銓?zhuān)粽衽d，胡艷芳，王涵，蘇煜堤

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1-2]。我國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量巨大，具有含氣面積廣、資源量大和開(kāi)采周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)也是能源需求大國(guó)，清潔能源的使用是行業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)尤為重要[3-4]。

自安頁(yè)1井[5-6]獲得了油氣重大突破后，證明了武陵山區(qū)具備巨大的頁(yè)巖氣資源潛力，由此自然資源部加大了對(duì)武陵山區(qū)7 800 km2殘留向斜頁(yè)巖氣及油氣勘查開(kāi)發(fā)。桐梓地區(qū)地處武陵山區(qū)，頁(yè)巖油氣與致密砂巖油氣資源儲(chǔ)存潛力巨大。桐梓位于黔北山地與四川盆地的銜接地帶，構(gòu)造體系復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地勢(shì)呈東北高、西南低形狀，巖溶廣布，石峰林立，洼地、漏斗、豎井、盲谷比比皆是，暗河、溶洞十分發(fā)育[7-9]。五峰—龍馬溪組是勘探目的層，其頁(yè)巖埋藏深度大，平均超過(guò)1 300 m，常規(guī)電法勘探難以滿足要求。為了更好地明確五峰—龍馬溪組泥頁(yè)巖的空間展布、埋深、厚度等信息，落實(shí)區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造特征，優(yōu)選頁(yè)巖氣富集有利區(qū)，在該區(qū)開(kāi)展了廣域電磁法勘探，聯(lián)合電阻率和埋深參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)識(shí)別和勘探，建立了研究區(qū)內(nèi)含氣特征模型，查明了桐梓地區(qū)從東北向西南呈“凹隆相間”的構(gòu)造格局，圈定出4處頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)，為我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)、地表?xiàng)l件的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖電磁法識(shí)別與預(yù)測(cè)提供參考[10]。

1 廣域電磁法基本原理

廣域電磁法是相對(duì)于傳統(tǒng)的CSAMT法和MELOS方法提出來(lái)的，使用人工場(chǎng)源發(fā)射電流，采用單分量或多分量測(cè)量和適合于全域的公式來(lái)計(jì)算廣域視電阻率，供電頻率的帶寬選擇較大，適合大深度勘探[11]。

廣域電磁法測(cè)量方式靈活多變，根據(jù)場(chǎng)源激發(fā)方式不同分為水平電流源和垂直磁場(chǎng)源[12]。水平電流源采用一對(duì)接地雙極源供電，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)有多個(gè)可觀測(cè)的分量，每個(gè)分量均可以使用迭代或逆樣條插值的方法求出廣域視電阻率。理論分析與試驗(yàn)表明，觀測(cè)水平電流源激發(fā)的場(chǎng)Ex分量,以其野外敷設(shè)和收攏方便、移動(dòng)靈活、信號(hào)強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際勘探中更為實(shí)用。此次研究采用E-Ex觀測(cè)方式，計(jì)算廣域視電阻率，依據(jù)頁(yè)巖層低電阻率電性特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行分析，獲取富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的空間展布，達(dá)到勘探目的。

2 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

研究區(qū)地處貴州高原北部向四川盆地過(guò)渡地帶，地勢(shì)西北高東南低，屬黔北高原峽谷、丘陵盆地地貌，海拔800～1 800 m，以峽谷溶蝕地貌為主。構(gòu)造上位于黔北斷褶帶，受東邊遵義—南川斷裂、北部齊岳山斷裂和南部赫章—金沙斷裂控制，屬大婁山構(gòu)造體系(圖1)。研究區(qū)及周邊廣泛發(fā)育隔槽式褶皺，向斜軸部為三疊系，背斜核部由寒武系組成，奧陶系、志留系地層沿褶皺翼部呈環(huán)形分布，背斜構(gòu)造帶相伴生的斷層發(fā)育普遍，斷層的發(fā)育對(duì)地層分布的控制作用明顯[13-14]。地層由寒武系中統(tǒng)高臺(tái)組至三疊系下統(tǒng)茅草鋪組組成，其中缺失泥盆、石炭系及上三疊統(tǒng)，其余均有沉積。此外，尚有古近系及第四系零星分布。地表出露地層以寒武系、奧陶系、志留系和二疊系發(fā)育最全，分布區(qū)域最廣。

圖1 工區(qū)測(cè)線布置示意Fig.1 Layout of survey line in study area

工區(qū)內(nèi)共布設(shè)廣域電磁法測(cè)線6條，L1線貫穿研究區(qū)南北，L2線布設(shè)在研究區(qū)東南部，與構(gòu)造走向平行，L3、L4、L5、L6線都垂直構(gòu)造走向布設(shè)(見(jiàn)圖1)，測(cè)線總長(zhǎng)140 km，點(diǎn)距100 m，點(diǎn)號(hào)北小南大，西小東大。采用E—Ex觀測(cè)方式，共布設(shè)4個(gè)場(chǎng)源(圖2)，覆蓋所有測(cè)線范圍，收發(fā)距12～20 km,發(fā)射電流120 A。

圖2 工區(qū)場(chǎng)源布置示意Fig.2 Layout of field source in study area

研究區(qū)主要出露二疊系和三疊系地層，利用雙頻激電儀對(duì)研究區(qū)出露地層電阻率進(jìn)行小四極測(cè)量，獲得巖石樣品的電阻率特征(圖3)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：上奧陶統(tǒng)五峰組巖層的電阻率集中在10～100 Ω·m之間，志留系石牛欄組(S1sh)與奧陶系湄潭組(O1m)地層電阻率相對(duì)較高，分別介于500～5 000 Ω·m和1 000～9 000 Ω·m之間。

圖3 地層標(biāo)本電阻率測(cè)量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Stratum specimen resistivity measurement chart

對(duì)于研究區(qū)深部巖層的電阻率分布特征，根據(jù)鄰區(qū)丁頁(yè)3井和丁頁(yè)1井的電阻率測(cè)井曲線(圖4)，認(rèn)為志留系地層表現(xiàn)為明顯的低阻特征，電阻率集中在10～100 Ω·m，二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組電阻率相對(duì)較高，達(dá)到10 000 Ω·m，奧陶系中統(tǒng)寶塔組、十字鋪組地層電阻率甚至超過(guò)10 000 Ω·m。根據(jù)地表巖石樣品電阻率測(cè)量特征及鄰區(qū)電阻率測(cè)井曲線分析，總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)各地層物性特征(表1)，表明泥質(zhì)灰?guī)r和頁(yè)巖與圍巖存在明顯的電性差異，這為電磁法勘探提供了可靠的物性基礎(chǔ)。

表1 五峰—龍馬溪組及圍巖電阻率數(shù)值統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of physical properties of Wufeng-Longmaxi Formation and surrounding rocks

3 資料處理與解釋

廣域電磁法資料處理解釋以巖石導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)飛點(diǎn)剔除、靜態(tài)校正等預(yù)處理并結(jié)合原始數(shù)據(jù)“頻率—視電阻率”曲線完成定性分析，因?yàn)閺V域視電阻率與MT視電阻率在曲線形式上相似，可以在帶源反演之前先進(jìn)行MT反演來(lái)建立一個(gè)合理的初始模型，通過(guò)使用非線性最小二乘法完成反演計(jì)算。反演過(guò)程可以結(jié)合已有的地震及測(cè)井資料進(jìn)行約束反演計(jì)算，有效降低反演的多解性[15]。

可以根據(jù)視電阻率曲線圖的橫向變化和擬地震剖面圖的同相軸的連續(xù)性來(lái)判斷構(gòu)造的發(fā)育情況。圖5為L(zhǎng)6線的原始數(shù)據(jù)曲線與擬地震剖面，圖中126～136點(diǎn)、162～172點(diǎn)的中頻段視電阻率曲線變化紊亂，擬地震圖同相軸明顯錯(cuò)斷，推測(cè)這兩段內(nèi)可能存在斷層發(fā)育。圖6為L(zhǎng)6線原始數(shù)據(jù)等頻率曲線，可以定性地了解測(cè)線電性分布、基底起伏、斷層分布、電性層劃分等斷面特征，判斷目的層的起伏形態(tài)，圖中在130～150點(diǎn)范圍內(nèi)中低頻有明顯凹陷特征，往后逐漸趨緩。

圖5 L6線原始數(shù)據(jù)曲線(a)與擬地震剖面(b)Fig.5 Raw data graph of L6 line (a) and quasi-seismic profile of L6 line(b)

圖6 L6線等頻率視電阻率曲線Fig.6 Equal frequency apparent resistivity curve of L6 line

圖7a是對(duì)L6線原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一維井震約束反演成像結(jié)果，反演擬合差為7.89%。由反演結(jié)果可知，測(cè)線控制范圍內(nèi)電性特征在縱向上主要表現(xiàn)為高—低—高—低—高5個(gè)階段。深部低阻地層的起伏形態(tài)與圖5原始數(shù)據(jù)中低頻曲線起伏形態(tài)相似，在126～136點(diǎn)和162～172點(diǎn)，電阻率曲線分別在海拔300 m和-50 m附近沿測(cè)線方向出現(xiàn)明顯畸變，推測(cè)這兩處存在斷層發(fā)育。中間地層整體呈凹陷形態(tài)，根據(jù)物性特征劃分出志留系層位的埋深位置，從而判斷出上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的埋深信息，其埋深位置及起伏形態(tài)與地震解釋剖面基本一致(圖7b)。由地質(zhì)解釋結(jié)果(圖8)可知，F(xiàn)1斷層自二疊系茅口組、棲霞組向北傾斜穿過(guò)志留系地層，與向南傾斜的逆斷層F2共同將剖面劃分成3段。北段113～121號(hào)點(diǎn)可見(jiàn)出露的志留系泥質(zhì)砂巖、頁(yè)巖，向深部延伸與F1斷層下盤(pán)接觸，斷距較?。籉2斷層在162號(hào)向南傾斜，穿過(guò)志留系延伸至奧陶系地層南段上盤(pán)志留系泥質(zhì)頁(yè)巖，向測(cè)線方向前部延伸；L6線中部目的層形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，地層連續(xù)性較好，構(gòu)造作用小，埋藏深度較大，層厚100～300 m。沉積較穩(wěn)定的140～190點(diǎn)之間為頁(yè)巖氣富集有利區(qū)段，埋深為海拔-700～-200 m。

圖7 L6線反演斷面(a)和地震解釋剖面(b)Fig.7 Inversion cross-section of L6 line(a) and seismic interpretation section(b)

圖8 L6線地質(zhì)解釋剖面Fig.8 Geological interpretation profile of line L6

4 有利區(qū)預(yù)測(cè)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含氣量是頁(yè)巖氣富集的體現(xiàn)，頁(yè)巖層系的含氣與否，表現(xiàn)出的電磁特性也不同，所以可以通過(guò)分析含氣量與TOC及視電阻率的關(guān)系來(lái)建立含氣特征模型。圖9a反映了鄰區(qū)丁頁(yè)3井五峰組—龍馬溪組含氣量與TOC的關(guān)系，可見(jiàn)五峰組—龍馬溪組含氣量和TOC含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。圖9b反映了丁頁(yè)3井五峰組—龍馬溪組含氣量與視電阻率的關(guān)系，分析可知，當(dāng)含氣量為0.5～4.5 m3/t時(shí)，視電阻率變化范圍在50～250 Ω·m，整體表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。據(jù)此建立以電性為表征的含氣性特征模型，進(jìn)而為圈定廣域電磁法勘探有利區(qū)提供參考依據(jù)，評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集特征。分析獲得研究區(qū)內(nèi)含氣性特征模型參數(shù)為：電阻率范圍5～100 Ω·m，埋深1 000～2 400 m，離主要斷裂的距離大于1 km，厚度適當(dāng)。

圖9 丁頁(yè)3井五峰組—龍馬溪組含氣量與TOC(a)及視電阻率(b)的關(guān)系Fig.9 Relationship between gas content, TOC(a) and apparent resistivity(b) of Wufeng Formation—Longmaxi Formation in Well Dingye3

根據(jù)總結(jié)的含氣特征模型，解釋出研究區(qū)的電阻率有利區(qū)、埋深有利區(qū)及綜合勘探有利區(qū)。從電阻率有利區(qū)平面展布圖(圖10a)可知，測(cè)區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組有利區(qū)電阻率范圍分布在5～100 Ω·m之間，電阻率較低區(qū)域主要在測(cè)區(qū)的東北、中部和西南部，電阻率在5～50 Ω·m之間，也是泥頁(yè)巖富集地區(qū)。

從目的層埋深有利區(qū)平面展布圖(圖10b)可知，測(cè)區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組有利區(qū)的埋深在1 000～2 400 m之間，在測(cè)區(qū)的東北、中部和西南部埋藏深度相對(duì)更大，達(dá)到2 000 m，目的層在測(cè)區(qū)東北部呈向斜形態(tài)，中部局部隆起，形成從東北向西南“凹隆相間”的構(gòu)造格局。

綜上所述，在測(cè)區(qū)內(nèi)預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)4處(圖10c)，即測(cè)區(qū)東北部1處，中部1處，西南部2處。綜合分析，五峰—龍馬溪組視電阻率相對(duì)較低，埋深相對(duì)較大，且遠(yuǎn)離斷層發(fā)育，反映富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育，推測(cè)頁(yè)巖氣勘探前景較好。

圖10 勘探區(qū)目的層電阻率(a)、埋深(b)、綜合有利區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果(c)Fig.10 Target area resistivity (a), buried depth (b), comprehensive favorable area prediction result in exploration area (c)

5 結(jié)論

1)黔北桐梓地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖電性相對(duì)底板奧陶系臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r表現(xiàn)為明顯的低阻特征，具備開(kāi)展廣域電磁勘探的物性條件，可以通過(guò)尋找臨湘組的頂板直接找出五峰組—龍馬溪組的埋藏位置。

2)查明了桐梓地區(qū)東北和西南呈現(xiàn)凹陷展布，中部局部隆起，斷裂多為逆斷層，五峰組—龍馬溪組地層較穩(wěn)定連續(xù)；推斷了頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)4處。

3)將廣域電磁法應(yīng)用于桐梓地區(qū)頁(yè)巖氣勘探靶區(qū)的預(yù)測(cè)是一個(gè)探索，是在綜合分析廣域電磁法數(shù)據(jù)解釋與地震對(duì)比研究的基礎(chǔ)上得出了推測(cè)性結(jié)論，目前本區(qū)并無(wú)鉆井資料驗(yàn)證。此次探測(cè)成果有望助力實(shí)現(xiàn)武陵山區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)由點(diǎn)到面的突破，促進(jìn)沿江清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略提供支撐。