南方碳酸鹽巖地區(qū)頁巖氣鉆探井位選址中的綜合物探方法應用

羅衛(wèi)鋒，胡志方，甘伏平，張慶玉，康海霞，張云梟

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083； 2.中國地質科學院 巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

頁巖氣是中國能源保障戰(zhàn)略性礦產的重要組成部分。南方地區(qū)古生界海相頁巖常分布于碳酸鹽巖下部或與碳酸鹽巖互層, 碳酸鹽巖與頁巖間互發(fā)育是南方地區(qū)的基本地質特征，頁巖氣鉆探工程中面臨的碳酸鹽巖巖溶問題突出[1-2]，常鉆遇裂縫、溶洞及斷層破碎帶，出現(xiàn)漏失、廢井、移井等問題。因此，開展鉆前物探勘查，合理選擇井位是十分必要的，可以保障井場安全，降低鉆井工程風險。

近地表地球物理方法在高速公路、鐵路、隧道、工業(yè)和民用建筑的地基勘探和尋找地熱等方面得到了廣泛應用[3-10]，但是在南方碳酸鹽巖地區(qū)頁巖氣勘探井位選址方面的應用和研究還非常薄弱。高密度電阻率法是巖溶探測最有效的方法之一[12-14]，在淺部幾十米以內具有較高的分辨率，但是深度相對較淺。音頻大地電磁法不受高阻層屏蔽，對低阻層較敏感，探測深度大，能探測電阻率差異較大的高、低阻不均勻體[15-17]。氡氣測量不受電磁干擾影響，能夠直接探測裂隙、破碎帶、溶洞等地下構造[18-19]。本文將上述3種方法綜合應用于鉆前井位選址工作，相互補充，相互印證，提高解釋的準確性，取得了良好的效果。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法以地質體的電性差異為基礎，研究在施加電場的作用下，地下傳導電流的變化分布規(guī)律，推斷地下具有不同電性差異的地質體或構造的空間展布特征。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法具有以下幾方面的特點：①集中了常規(guī)電剖面法和電測深法的特點，不僅觀測地下橫向電性變化情況，還觀測一定深度范圍內縱向電性的變化；②電極布設一次性完成，減少因電極布置而產生的故障和干擾；③能有效進行多種電極排列方式的掃描測量，因而可以獲得較豐富的關于地電斷面結構特征的地質信息；④野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅采集速度快，而且避免了由于手工操作出現(xiàn)的錯誤；⑤與傳統(tǒng)的電阻率法相比，該方法成本低、效率高，信息豐富，解釋方便，勘探能力顯著提高。

1.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法以天然電磁場信號作為場源，它主要由太陽風與地球磁層、電離層之間復雜的相互作用，以及雷電活動等天然交變電磁場疊加而成[8]。該方法以卡尼亞大地電磁理論為依據(jù)，假設場源位于高空，地面電磁場為平面電磁波，地下介質在水平方向是均勻的，電磁波在地下介質傳播中會衰減，振幅衰減到地面振幅的1/e的深度為趨膚深度，計算公式為：

(1)

式中：ρ為視電阻率，μ為磁系數(shù)，ω為角頻。

因此，觀測天然電磁場的時間序列信號，將時間序列數(shù)據(jù)轉化為頻率域數(shù)據(jù)，用不同頻率的阻抗計算視電阻率，便可達到測深目的。視電阻率計算公式為：

(2)

式中：f為頻率；Z代表介質阻抗，Z=Ex/Hy。

音頻大地電磁法具有如下特點：①利用天然場源，無近場效應、過渡帶效應影響；②儀器輕便，適用于地形、植被發(fā)育的山區(qū)；③觀測頻帶寬，從0.1 Hz到100 kHz，探測深度可以從幾米至2 000 m；④張量觀測，采用TM、TE兩種模式觀測，能較真實地反映地質規(guī)律。

1.3 氡氣測量

氡氣測量法是使用測氡儀測量土壤、水及大氣中氡氣濃度，通過研究氡氣濃度的分布特征來解決地質問題的一種放射性測量方法。地下深處產生的氡氣通過巖石節(jié)理、裂隙向上運移，進入到地表覆蓋層，在斷裂破碎帶、溶洞、采空區(qū)上方富集，形成放射性氡異常區(qū)域，而在其附近地段氡含量明顯較少。因此，根據(jù)地表探測的氡氣異常，可以分析確定溶洞、采空區(qū)以及斷裂破碎帶的位置與范圍。氡氣測量對觀測場地的適應性很強，不受地電、地磁影響，具有直接、輕便、省時、價廉等優(yōu)點。

2 應用實例

2.1 區(qū)域地質地球物理特征

研究區(qū)位于桂中坳陷柳城斜坡帶上(圖1)，行政區(qū)劃隸屬于廣西柳州市融安縣。

桂中坳陷為晚古生代海相沉積坳陷，可劃分為8個次一級構造單元：柳城斜坡、宜山凹陷、馬山凸起、紅渡凹陷、柳江凸起、象州凹陷，呈現(xiàn)“三凹兩凸一斜坡”的構造格局(圖1)。地層從老到新分別為元古宙變質巖、古生界寒武系、泥盆系、石炭系以及少量第四系，泥盆系主要分布于桂中坳陷東部和北部、南部邊緣處，中部有零星出露，呈角度不整合于寒武系之上，石炭系在區(qū)內分布廣泛，與下伏泥盆系地層整合接觸，第四系為陸相碎屑堆積。

表1列出了研究區(qū)主要巖石的電性統(tǒng)計結果。第四系在區(qū)內分布較少，以黏土為主，電阻率值一般在1～100 Ω·m之間，呈現(xiàn)低阻特征；石炭系灰?guī)r、白云巖電阻率值在9 000～12 000 Ω·m之間，泥盆系灰?guī)r電阻率值在幾百～幾千歐姆米之間。石炭系、泥盆系的灰?guī)r、白云巖是研究區(qū)巖溶地貌發(fā)育的主要物質基礎，整體呈現(xiàn)高阻特征。根據(jù)以往鉆井資料分析，桂中坳陷鉆井發(fā)生漏失井深一般為420～873 m，見巖溶的層系為上泥盆統(tǒng)、石炭系，巖性為灰?guī)r?；?guī)r、白云巖中斷層破碎帶、溶洞及裂隙被地下水或第四系黏土充填，相對圍巖呈現(xiàn)低阻特征，這為

表1 研究區(qū)巖石物性統(tǒng)計

研究區(qū)開展音頻大地電磁和高密度電阻率法勘探提供了地球物理基礎。

2.2 勘察方案

使用高密度電阻率法探測淺地表100 m以內的巖溶地質特征；音頻大地電磁法的探測重點是中深層，探測地下1 000 m以內巖溶地質特征；氡氣測量用于識別構造異常，對高密度電阻率法、音頻大地電磁法探測結果進行驗證，提高解釋的準確性。

研究區(qū)隸屬于廣西柳州市融安縣。沿研究區(qū)中部布設一條測線，方向SWW—NEE(圖2)，測線總長430 m。為縮短勘探時間，降低施工成本，首先開展音頻大地電磁測量，探測范圍為樁號30～430；在音頻大地電磁反演處理結果的基礎上開展高密度電法和氡氣測量，氡氣測量范圍為樁號125～325，高密度電法探測范圍為樁號0～300。

圖2 測線布設

高密度電阻率測量采用重慶奔騰數(shù)控技術研究所生產的WGMD-3型高密度電阻率測量系統(tǒng)，最大供電電壓為400 V，滾動覆蓋，確保滿足100 m的勘探深度和精度要求；探測點距5 m,采集裝置為溫納裝置，該裝置的垂向分辨率相對較高，對地質體垂向分布的反應有較高的靈敏度。數(shù)據(jù)處理采用瑞典res2dinv軟件對采集的視電阻率原始數(shù)據(jù)進行預處理、數(shù)據(jù)格式轉換及地形校正，最后進行反演迭代處理，獲得反演電阻率剖面。

音頻大地電磁法采用美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制的EH-4連續(xù)電導剖面儀，觀測交變電磁場互相垂直的電場分量Ex、Ey和磁場分量Hx、Hy，有效觀測頻率范圍為10 Hz～100 kHz，探測深度約為1 000 m,測量點距10 m。對音頻大地電磁測量的原始時間序列信號首先進行人工編輯，剔除畸變信號及個別跳躍頻點，通過傅里葉變換轉換為頻域信號，然后經(jīng)過濾波、放大處理，最后利用IMAGEM軟件進行二維反演，得到二維反演電阻率剖面圖，結合地質資料對剖面進行解釋。

2.3 效果分析

高密度電阻率剖面全長295 m，其反演電阻率剖面(圖3c)顯示，表層大部分表現(xiàn)為低阻，往下電阻率增大，分層明顯。樁號50～100、深度0～38 m區(qū)域出現(xiàn)中低阻異常，電阻率值在20～100 Ω·m，異常兩側曲線不連續(xù)，推測為斷層破碎帶F1，傾向SW；樁號100～200處，表層為厚度0～20 m的第四系低阻黏土，其下為高阻異常區(qū)(GZYC1)，電阻率值為200～1 000 Ω·m，應為石炭系灰?guī)r的反映；另在樁號120～140、180～200處均有向下凹陷的弱低阻；樁號200～240、深度0～24 m區(qū)域存在向下凹陷低阻異常，電阻率值為10～150 Ω·m，推測為斷層破碎帶F2，斷層傾向SW。

音頻大地電磁剖面全長400 m。在中深度及以下范圍內，音頻大地電磁測深有較好的探測分辨率，彌補了高密度電阻率法在中深部探測方面的不足。從音頻大地電磁測深反演剖面(圖3b)來看，斷層破碎帶F1、F2及中部高阻異常(GZYC1)向下延伸很遠，異常延伸方向與高密度電阻率法反映方向一致。圖3b中，樁號230～280、深度0～1 031.5 m區(qū)域存在高阻異常(GZYC2)，電阻率在40～140 Ω·m，為石炭系灰?guī)r的反映；樁號280～360、深度0～1 032.9 m區(qū)域存在低阻異常，電阻率在4～40 Ω·m，推測為斷層破碎帶F3，傾向NE；樁號360～430、深度0～1 028.9 m區(qū)域存在高阻異常(GZYC3)，電阻率值在40～1 580 Ω·m，為石炭系灰?guī)r的反映。

圖3 綜合物探成果

氡氣測量剖面全長200 m。氡氣測量參與計算數(shù)據(jù)23個，計算氡氣異常背景值RnB=為176.14 Bq/m3，閾值RnF=484.49 Bq/m3。氡氣測量曲線形態(tài)高低錯落，異常高低分明(圖3a)。樁號130～210區(qū)域有大于閾值的峰值異常，最大異常值為711.0 Bq/m3，推測深部存在斷層破碎帶；但是斷層破碎帶位置與氡氣濃度峰位不完全對應，分析認為：由于地下對流的影響，使氡濃度異常與斷層位置出現(xiàn)了偏差，該斷層破碎帶與音頻大地電磁剖面上斷層破碎帶F2為同一斷層。樁號260～300區(qū)域有大于背景值RnB的峰值異常，但是小于閾值RnF。樁號330以后沒有采集數(shù)據(jù)，所以附近區(qū)域沒有進行氡氣異常分析。

2.4 鉆孔驗證情況

綜合3種方法的勘察成果，推薦樁號130～160、樁號250～280兩處為桂融頁1井建議井位，最終井位選擇在樁號150處。桂融頁1井完鉆井深3 305 m，開孔層位為石炭系羅城組，完鉆層位為寒武系清溪組，在近地表沒有鉆遇斷層破碎帶，與綜合物探解釋成果基本吻合。

3 結論

1) 南方碳酸鹽巖地區(qū)頁巖氣鉆探工程中面臨的碳酸鹽巖巖溶問題突出，因此開展鉆前近地表地球物理勘查，合理選擇井位，能有效避開近地表斷層、溶洞及裂隙發(fā)育區(qū)，可以保障井場安全，降低鉆井工程風險。

2) 與傳統(tǒng)工程物探勘查不同，頁巖氣鉆探井位選擇不僅要查明地表幾十米以內的巖溶地質情況，還需要查明地下千米以內斷裂、溶洞的發(fā)育情況，因此要綜合選擇物探方法，深淺兼顧。

3) 單一物探方法存在局限性，綜合物探勘查可以相互補充、相互印證，減少多解性，提高解釋的準確性。