综合物探方法在有害地质体勘查方面的应用

古志文，贾建超，罗成果



综合物探方法在有害地质体勘查方面的应用

古志文，贾建超，罗成果

（四川中成煤田物探工程院有限公司 成都 610072）

通过四川盆地某地多种物探方法在页岩气钻前探测方面应用及效果的阐述，探讨了综合物探方法在岩溶、暗河以及破碎带等有害地质体勘查方面的应用效果。结果表明：若目的层以浅发育较厚碳酸盐岩地层，采用高密度电法、瞬变电磁法、音频大地电磁法、广域电磁法等物探方法，探测由浅到深的地质体空间展布情况，并结合地表地质调查，可对岩溶、暗河以及破碎带等不良地质体的发育情况进行较好的控制，能有效规避钻探过程中可能存在的风险。

综合物探；页岩气；探测；四川

页岩气是低碳、清洁的新兴能源，美国页岩气成功开发已经引发全球能源领域的一场革命。据国土资源部《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》初步成果显示，我国页岩气地质资源潜力134×1012m3，可采资源潜力25×1012m3，与我国陆域常规天然气相当。国内页岩气资源主要分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等含油气盆地。

表1 四川盆地某页岩气勘查区域地层简表

四川盆地页岩气资源丰富，盆内广泛发育三套页岩地层：下寒武系筇竹寺组（牛蹄塘组）、上奥陶系五峰组和下志留系龙马溪组，有机质含量丰富、类型好、演化程度高，通常已达到成熟阶段，寒武系沉积后，盆地经历了多期构造运动，形成了大量的裂隙、整合面和褶皱等，为页岩气的储集提供了充足的空间，页岩较低的孔渗性使得页岩层成为良好的盖层，多期次的构造运动未对海相沉积造成明显破坏，各项研究均显示四川盆地具有良好的页岩气勘探及开发前景。

近年来盆地内陆续开发了一系列页岩气井，并获得了高产，国家在页岩气勘探领域也大力投入。笔者有幸参与了岩气勘探钻前电法探测的若干项目，下文对某页岩气勘探区块钻前探测采用的物探方法及效果进行简要阐述并分析。

1 页岩气钻探潜在风险

四川盆地地处扬子地块，经历了2次大规模海侵，受加里东运动、燕山期运动等大规模地质运动，形成了大量构造，断层、岩溶、破碎带等广泛发育。

受2次大规模海侵的影响，区内大量分布碳酸盐岩沉积地层。含页岩气地层以上地层如：嘉陵江组（T1）、大冶组（T1）、长兴组（P3）、茅口组（P2）、栖霞组（P2）等碳酸盐岩地层广泛发育（表1），总厚度往往达1 000m以上，南方地区地表雨量充沛，因此地表地层遭受常年雨水琳滤，加之受到构造等影响，地下暗河、岩溶以及地层破碎带广泛发育。

在页岩气钻探施工过程中，地下暗河、岩溶以及地层破碎带往往是保障工程顺利施工，避免发生掉钻、孔漏等钻探风险的最大障碍，近年来一些页岩气钻探施工就因为钻遇上述不良地质体而造成了巨大的损失。为此，有必要在钻探工作之前对拟设钻孔下方的地层进行探测，尽最大可能规避钻探过程中可能钻遇这些不良地质体而带来的损失。

表2 各物探方法的地质任务

2 对策

根据上述分析，钻前工作的主要地质目的为探测碳酸盐岩地层范围内的岩溶、暗河、破碎带以及构造破碎带的分布情况。因此根据不同地区的含气地层深度，对勘探深度进行分析，有针对性的采取高密度电法、瞬变电磁法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法以及广域电磁法等物探方法，结合地面水文地质调查，进行综合解译。

物探工作的原则及思路为：以寻找不良地质异常体为目的，遵循综合研究、由已知到未知、由浅入深、循序渐进的原则，有序的开展施工、处理及解释工作。

1）做好地表已知不良地质体的调查记录，以便给物探解释推断提供参考。

2）根据由浅至深的探测思路，分别采取高密度电法、瞬变电磁法及音频大地电磁法等物探方法，探测不同深度的不良地质体发育情况（表2）。

3）地下岩溶及暗河往往充水，反映在物探工作成果中即为视电阻率比相对完整的围岩低，若暗河或岩溶横穿探测剖面，则形成封闭低阻异常区。

4）若地下岩溶在探测时间段内未充水，其视电阻率比围岩高，在解释成果中不便识别，则应结合已知地质资料及调查成果进行综合分析。

5）地下暗河河道是导水通道，其地下轨迹及路径往往将各个岩溶连接起来，因此可通过对岩溶的发育的识别，大致将暗河河道进行连接并推断解释。

2.1 高密度电法

高密度电法勘探原理是以岩矿石介质的电性差异为基础，研究在人工施加电场的作用下，地下传导电流的分布规律。由于其勘探过程属于二维勘探，因此可以通过二维成像软件对数据进行成像处理，进而直观的显示地电断面中视电阻率分布情况，通过反演成果分析，可达到探测浅部地层不良地质体的任务（图1）。

图1 高密度电法工作原理示意图

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法（简称TEM）是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减），二次场的大小与地下地质体的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以解决地层中深部如断层、地下暗河、溶洞等地质体的探测问题（图2）。

图2 瞬变电磁法生产模式示意图

2.3 （可控源）音频大地电磁法及广域电磁法

（可控源）音频大地电磁法及广域电磁法（CSAMT、AMT、WFEM）。它是利用（人工）天然的大地电磁场作为场源，来测定地下岩石的电性参数，并通过研究地电断面的变化来达到解决地质问题的一种地球物理勘探方法。音频大地电磁法（AMT）所利用的场源主要是由远处的雷电活动所引起的频率约为几至几千赫兹的音频大地电磁场；可控源音频大地电磁法及广域电磁法（CSAMT、WFEM）主要是利用人工的电磁场作为场源，在工业电流等干扰较强的区域开展工作，它们的勘探深度相对较深，一般用于探测一千米及以浅的地质构造、岩溶及暗河等地质体（图3、图4）。

图3 AMT生产模式示意图

图4 CSAMT、WFEM生产模式示意图

3 应用效果

3.1 水文地质调查

水文地质调查与正常生产施工同时进行。图5上方为探测区谷歌地形截图，结合已有地质资料，初步认识如下：

整体地形东西两侧高、中部低，北西高、南东低，为一明显的槽谷地形，通过实地调查走访得知，虽然探测区常年雨水充沛，但并无地表径流，因此地表汇水必然通过地下管道排泄，暗河发育的可能性极大。

根据已有地质资料，该槽谷为一向斜构造，向斜核部即位于槽谷底部位置，地表向下发育地层为大冶组（T1）、长兴组（P3）、茅口组（P2）、栖霞组（P2）地层，均为碳酸盐岩地层。

图5 地面调查成果

图6 原设计钻孔瞬变电磁法反演水平切片图

3.2 物探成果综合解释

3.2.1瞬变电磁法

以中浅部地层为主要探测目的，选取50m、75m、100m、125m、150m深度对瞬变电磁探测区域进行了水平切片，并合成三维切片图，可以看出，钻孔位置在其地表以下至150m深度，岩体相对完整，钻孔周围岩体相对周围较为完整，岩层含水性弱-中等。

地面调查发现2处较大规模溶蚀塌陷负地形及若干小规模塌陷，2处负地形主要位于工区南西方向，负地形1直径约为200m，负地形2直径约100m，其连线为北东-南西走向，与本区整体地势较为吻合，其余一系列小型塌陷均位于该走向上，推测地下暗河主河道从两处已知负地形下方流过的可能性较大。

3.2.2 音频大地电磁法

音频大地电磁法工程布置以纵向及垂向地层布置测线对拟设钻孔地表以下地层进行探测，垂向布设为主测线，主要探测构造、地层的空间展布特征，垂向布设测线为联络测线，主要探测沿地形方向水流的展布特征。

1）D1线成果；D1线平行于本区构造布设，小号点向大号点方向为南西-北东向，整体地形为北东高，南西低，反演剖面图见图7。图中红色标注孔位为原设计钻井孔位，可以看出：

①该剖面内分布若干小型封闭低阻异常区，其标高由大号点向小号点方向逐渐降低，结合已知资料，推断该几处低阻异常区为岩溶发育的可能性较大，可能为地下暗河河道横穿本断面造成的异常反映。按照埋深不同的编号次序，依次对本断面明显的封闭低阻异常编号为H1、H2、H3、H4。

②剖面中部（14~23号点）视电阻率较高，反映出该段岩体较为完整及含水性较弱；

③原设计孔位在地表以下，以标高400m为中心发育一处封闭低阻异常区H2，而此段地层发育岩性主要为长兴组灰岩，因此该异常为岩溶发育的可能性较大。

2） D2线成果：D2线与已知地质剖面大致平行，从剖面浅部向深部依次为大冶组、长兴组、吴家坪组、茅口组及栖霞组地层（图8），均以灰岩为主要岩性，可以看出：

图7 D1线AMT视电阻率反演剖面图

图8 某区D2线AMT视电阻率反演剖面图

①物探反演剖面反映构造特征明显，整体电性特征呈上部视电阻率高，下部视电阻率低，且高视电阻率呈向斜形态。

②剖面内73号点向大号点方向发育一条条带状低阻异常，推断为向斜轴部在剖面内的反映。

③反演剖面内分布4处封闭低阻异常区，按照从小号点往大号点依次编号为H8、H9、H10及H11。

④原设计孔位从H9中心异常穿过，异常中心在标高403m，而此异常在D1线上亦有反映，根据已知资料，推断H9及H10异常为长兴组灰岩发育的岩溶，H8及H11为茅口组及栖霞组石灰岩内部发育的岩溶。因此，原设计钻孔若以此点打钻，钻遇岩溶的可能性较大，经与业主沟通，对原设计钻孔进行了及时变更，方案变更后的钻井孔位从H9及H10两处异常之间穿过，在400m标高附近距离H9异常140m左右，在标高300m附近距离H10异常65m左右，风险较小。

3.2.3成果验证

钻孔孔位方案变更后，施工单位进行了钻探工作，钻至H9、H10异常中间范围时，岩层较充水，但并未钻遇大规模岩溶及破碎带，钻井工作顺利穿过碳酸盐岩发育地层，钻至目的层。

4 结论

在页岩气勘探等深孔钻探工作中，若目的层以浅发育较厚碳酸盐岩地层，则采用高密度电法、瞬变电磁法、音频大地电磁法、广域电磁法等物探方法，探测由浅到深的地质体空间展布情况，并结合地表地质调查，可对岩溶、暗河以及破碎带等不良地质体的发育情况进行较好的控制，能有效规避钻探过程中可能存在的风险。

[1] 李金铭. 电法勘探[Z]. 2005. [3]

[2] 何继善.可控源音频大地电磁法.中南工业大学出版社，1990

The Application of Comprehensive Geophysical Methods to the Harmful Geological Body Exploration

GU Zhi-wen JIA Jian-chao LUO Cheng-guo

(Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering Co., Ltd, Chengdu 610072)

This paper has a discussion on the application of comprehensive geophysical method to harmful geological body exploration based on the results of shale gas geophysical exploration. The results indicate that high-density electrical method, transient electromagnetic method, audiomagnetotelluric method and wide field electromagnetic method are effectively applied to the exploration of harmful geological bodies such as karst, underground river and fractured zone.

comprehensive geophysical method; harmful geological body; shale gas; exploration

P631

A

1006-0995（2017）03-0490-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.032

2016-11-07

古志文（1983-），男，四川中江县人，工程师，主要从事地面电法研究