近地表岩溶探测方法

邓　宇　金留青　李万山　杨　荣　王俊华

(①贵州天然气能源投资股份有限公司，贵州贵阳 550081； ②长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100；③广西地球物理勘察院，广西柳州 545000； ④中海油田服务股份有限公司，河北廊坊065201)

1　引言

贵州是世界上喀斯特溶洞分布最广、发育最典型的地区之一，非常规天然气资源丰富,煤层气、页岩气资源储量大且分布广，全省煤层气地质资源量约为3.15×1012m3，居中国南方地区第一位，页岩气地质资源量为13.54×1012m3，居全国第三位[1-5]。贵州省天然气能源需求十分强劲，在高效勘探开发的现状下，必定要布设大量的探井、评价井、开发井组等。中国南方大部分地区为喀斯特地貌，灰岩出露，岩溶发育[6]，尤其贵州以喀斯特地貌为主，在近地表可能存在大量显露或未显露的岩溶，给钻井施工带来不便甚至灾难。

岩溶一般存在于灰岩地区，灰岩是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，地下水长期作用于灰岩裂隙，使岩溶或破碎带更加发育，形成地下溶洞[7]。岩溶作为一种典型的不良地质体，空间发育的不均一性、不规则性以及覆盖层性质的不确定性，对地质和工程勘探都是一项挑战，是当今世界性的难题[8-10]。岩溶在孕育阶段与发生坍塌填充后的地球物理特征是不同的[11]，这些物性差异就是岩溶探测的突破口。

物性差异是引起地球物理异常的基本条件，目前在岩溶探测中使用的物探方法有多种[12]。为降低单一物探方法的多解性，综合物探方法是岩溶调查的重要手段[6,13]，物探方法的选择与地质条件和地球物理条件密切相关[14]。以介质的物性差异为突破点，主要有电阻率法、电磁法、地震法和重力法等。地震法是基于岩溶与围岩的弹性参数的差异，通过观测和分析地震波在地下的传播规律，研究地下介质的地球物理方法。岩溶的上界面是一个良好的反射面，当入射波的波长大于岩溶体直径时，能量很少反射回地面，致使勘探效果不理想，成本较高；岩溶的上界面不是折射面，因此折射波法一般不用于岩溶探测；重力法是基于岩溶与围岩之间的密度差异，采用微重力仪进行测量，重力法一般用于地形相对平坦的地区，才能避免复杂地区地形校正不当而忽略真实异常或者出现假异常；电阻率法和电磁法以岩溶和围岩的电性差异为基础，一般情况下，碳酸盐岩地层电阻率较高，当发育岩溶时溶蚀空间充填了沉积物或水等介质时，其相对于围岩表现为低阻，当填充物为空气时，其相对于围岩表现为高阻体。这两种情况都适合用电法进行探测。电阻率法已成为探测岩溶最主要、最成熟的方法之一。电磁法能克服高阻屏蔽问题，勘探深度相对较大，对低阻体反应灵敏。结合工区实际情况以及分辨率、探测深度等因素综合分析考虑，此次探测首先采用瞬变电磁法进行探区小面积的电阻率扫描测量以圈定探区电性，然后采用对称四极法进行电阻率精测，并在合适位置加密电极距以确保资料的精度[6-14]。

2　工区地质与地球物理条件

工区位于贵州省西北部毕节市(图1红点处)，属毕节北东向构造变形区，地质概况及探区近地表地质预测如图1所示。根据该区地质勘查资料，勘查目标位于近地表300m范围内，地层自上而下主要岩性为：第四系(Q)浮土和砾石层，为坡积、残积、洪积和崩积物等，富水性弱，透水性强，厚约5～10m； 下三叠统永宁镇组(T1yn)灰岩、粉砂岩、细砂岩等，富水性强，含岩溶裂隙水，厚约260m，岩溶发育的可能性大； 下三叠统飞仙关组(T1f)粉砂岩、泥质粉砂岩，为相对隔水层，岩溶发育可能小。

电性差异的大小直接影响方法的选取及勘探精度。一般情况下， 第四系岩层的电阻率小于100Ω·m，三叠系灰岩的电阻率相对较高(102～104Ω·m)。当溶蚀空间充水或泥，电阻率将快速下降；当溶蚀空间充空气，电阻率将快速上升，与围岩电性差异迅速增大，为本次电法探测地下岩溶分布提供了地球物理前提。

3　方法原理

3.1　瞬变电磁法

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Me-thod，TEM)是脉冲感应类的时间域电磁法。该方法由不接地回线向地质体发射一次脉冲场，关闭电源后，测量地质体在一次脉冲场的作用下产生的二次场随时间的变化，以此反演地质体的地球物理属性和空间分布。当岩溶为低阻时，在一次场的作用下会产生感应涡流，关闭场源后涡流磁场大致按指数规律衰减；若岩溶为高阻时，在一次场的作用下不会产生能量较大的感应涡流，因此切断场源后涡流磁场会快速衰减[6,7,12](图2)。

图2　瞬变电磁法(重叠回线装置)观测系统示意图

由于瞬变电磁法只观测二次场，对地质异常的研究更为方便[13]。采用不接地人工场源，保证了信号强度的同时也克服了人工场源的静态效应及近场效应的影响[12]。相对于直流电法，瞬变电磁法勘探具有深度大、体积效应小、地形影响小、对低阻有较高的分辨率等优点，因而广泛应用于资源勘探与工程物探领域。采用同点组合(重叠回线或中心回线)瞬变电磁法观测能与目标地质体的耦合最强，同时异常相对较强，分层能力也强。重叠回线为磁性发射源，避免了接地电阻的影响。根据本次探测的需要，采用3m×3m的重叠回线装置进行探测，以此控制探测精度和深度并尽量减小旁侧效应[13-25]。

瞬变电磁法观测各个测点不同时窗的感应电压，该电压与不同深度地质体的电阻率、上覆地层的电阻率相关。瞬变电磁法视电阻率通过下式计算得到

(1)

式中：ρt为晚期视电阻率；μ0为真空磁导率；t为观测时窗；m为磁性源发射线框磁矩；q为接收线圈的有效面积；V(t)为随时间变化的感应电压。

首先对测得的瞬变时间序列进行叠前和叠后处理，然后进行视电阻率转换，最后进行电阻率成像，这样就可以基于得到的电阻率数据并结合探区地质资料进行解释[6]。

3.2　对称四极测深法

图3　对称四极测深法基本原理示意图

(2)

对称四极法的视电阻率计算公式为

(3)

视极化率计算公式为

(4)

4　应用成果

本次岩溶探测工区为北东走向的沟谷平地，因此测线沿沟谷布置，尽量顺着岩层的走向，以确保勘探区域能够覆盖后期钻井开发的区域。现场踏勘时发现沿沟谷有高压电缆，钻孔可选择区域位于沿沟谷方向、高压电缆的南侧。由于高压电缆的干扰成正弦变化，且幅值与电流强度、电线高度以及测点距高压电缆的距离有关，所以一般情况下，测点与高压电缆相距70m以上就可以达到信噪比要求，若测量时再适当增加叠加次数，则能提高信噪比。

图4　近地表岩溶探测测线分布图

对采集数据进行处理并反演，得到一维和二维视电阻率反演结果(图5～图7)。

图5　测线1单点反演视电阻率曲线

图5为测线1的6个测点对称四极测深曲线，可以发现电阻率总体呈近45°上升，表明该工区地层相对完整，各条曲线仅在深度200～260m(图中黑色虚线)区间出现小幅下降，推测为电性分界面的反映；仅测点S-2和S-12的电阻率曲线局部(图中虚线圈)出现了电阻率异常，推测为异常体的反映。

图6为测线1对称四极数据的反演剖面。由图可见：电阻率剖面(图6a)上平距20m处电阻率等值线在埋深180～300m出现“V”字型的异常(图中黑色虚线圈)，横向电阻率变化明显，该异常在测点S-2和S-12的电阻率曲线(图5)上也表现得较明显；极化率剖面(图6b)上，以平距40m处为界，左侧幅值相对较低，右侧相对较高，且局部存在一定异常；K剖面(图6c)即视电阻率剖面的一次微分结果，相当于对视电阻率曲线进行一次高通滤波，目的是突出视电阻率曲线的变化，即突出局部异常而压制低频背景。综合电阻率剖面、极化率剖面和K剖面，推测在平距为10～30m、深度为180～300m剖面范围为岩溶发育或岩石破碎区； 平距为0～6m、深度为255～270m以及平距为25～50m、深度为20～40m的剖面范围为岩溶发育或岩石破碎区域；电性分界面位于深度200～250m范围。利用对称四极法对工区进行探测，该地区的电性情况基本确定。

将三条测线的瞬变电磁数据反演结果与测线1对称四极数据的反演结果进行综合分析，发现测线1采用两种方法进行岩溶探测的结果基本相近(图7)，但相对而言，瞬变电磁法能更清楚地展示异常。三条测线瞬变电磁数据处理结果所展现的近地表异常也能相互验证，图7中的异常①表现为低阻异常，在3条测线上均有体现且相互连通，深度约为160～300m，推测为岩溶发育或岩石破碎区； 异常②(图7c)为高阻异常，仅在测线2有较明显的显示，深度约为110～160m，推测为小规模岩溶的反映。

图6　测线1电性反演剖面

图7　电阻率反演剖面

分别对对称四极数据(测线1)和瞬变电磁数据(测线1～测线3)进行处理，得到各测线的电性异常，将异常在平面图上投影并连接起来得到岩溶异常平面图(图8)。图中红色为较强异常区域，大部分区域在深部(150m深度以下)表现为低阻异常，而测线2的测点8～测点10区域在深度100～190m范围内还出现了高阻异常团块，异常主要来自永宁镇组地层，因此推断该地层内岩溶发育的可能性较大；图中蓝色区域表示异常相对较弱，因此建议设计钻孔位置由测点3-10(测线1与测线3的相交处)沿测线1东移15m至测点10号处，同时注意钻孔位置在深度25～35m、235～245m处也存在低阻异常，存在岩溶发育的可能性，在钻井施工前应做好预防工作。

图8　岩溶异常平面图

根据解释结果，为尽量避开近地表300m范围内的岩溶及其他不良地质体，在建议钻孔位置进行了钻井施工并做好了相应防护工作，施工过程中未钻遇岩溶，也未出现塌孔、卡钻等情况。

5　结束语

实践表明，应用物探方法进行近地表岩溶探测，并指导设计井位，可降低近地表岩溶对油气井钻井施工可能产生的威胁。地球物理方法各有优势与不足，要根据工区实际情况及探测目标的电性、埋深等条件综合考虑，选择合适的方法以达到最佳的岩溶探测效果，本文采用瞬变电磁法和对称四极测深法取得了较好的近地表岩溶探测效果。

地球物理异常存在多解性，因此异常的解释与实际情况不一定吻合，需要结合地质等资料信息进行综合解释。

长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室陈清礼教授和贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院提供了宝贵建议和帮助，在此表示衷心感谢！

[1]向葵,胡文宝,严良俊等.川黔地区页岩复电阻率的频散特性.石油地球物理勘探,2014,49(5):1013-1019.

Xiang Kui,Hu Wenbao,Yan Liangjun et al.Complex resistivity dispersion characteristics of shale samples in Sichuan and Guizhou area.OGP,2014,49(5):1013-1019.

[2]闵刚,王绪本,张兵等.AMT法在黔东北岑巩地区的页岩气勘探试验.石油地球物理勘探,2014,49(4):815-823.

Min Gang,Wang Xuben,Zhang Bing et al.A shale gas exploration test with AMT method in Cengong area,northeast Guizhou.OGP,2014,49(4):815-823.

[3]何继善,李帝铨,戴世坤.广域电磁法在湘西北页岩气探测中的应用.石油地球物理勘探,2014,49(5):1006-1011.

He Jishan,Li Diquan,Dai Shikun.Shale gas detection with wide field electromagnetic method in North western Hunan.OGP,2014,49(5):1006-1011.

[4]李建忠,董大忠,陈更生等.中国页岩气资源前景与战略地位.天然气工业,2009,29(5):11-16.

Li Jianzhong,Dong Dazhong,Chen Gengsheng et al.Prospects and strategic position of shale gas resources in China.Natural Gas Industry,2009,29(5):11-16.

[5]张大伟.加速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想.石油与天然气地质,2010,31(2):135-139.

Zhang Dawei.Strategic concepts of accelerating the survey,exploration and exploitation of shale gas resources in China.Oil and Gas Geology,2010,31(2):135-139.

[6]严良俊,陈清礼,胡文宝等.灰岩溶洞发育区浅层瞬变电磁法找水效果.工程地球物理学报,2004,1(1):83-90.

Yan Liangjun,Chen Qingli,Hu Wenbao et al.Exploration trials for underground water in karst caverns by shallow transient electromagnetic method.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2004,1(1):83-90.

[7]朱亚军,王艳新.高密度电法和瞬变电磁法在地下岩溶探测中的综合应用.工程地球物理学报,2012,9(6):738-742.

Zhu Yajun,Wang Yanxin.The application of high density resistivity and TEM method to underground karst detection.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2012,9(6)：738-742.

[8]陈清礼,严良俊,胡文宝等.瞬变电磁法探测水库坝基溶洞的效果,长江大学学报,2005,2(7):201-203.

Chen Qingli,Yan Liangjun,Hu Wenbao et al.Effect of transient electromagnetic method (TEM) for probing karst cave in dam foundation.Journal of Yangtze University,2005,2(7):201-203.

[9]潘友宏，杨乃磊，张言林.复杂岩溶的地球物理异常特征及分布区探测.山东水利,2007(7):36-39.

Pan Youhong,Yang Nailei,Zhang Yanlin.Geophysical abnormal characteristics and distribution area of complex karst.Water Resources Scientific Technique,2007(7):36-39.

[10]沙丽.复杂条件下岩溶探测技术研究[学位论文].湖北武汉：长江大学地球物理与石油资源学院，2015.

Sha Li.Under The Condition Of Complex Karst Detection Research[D].School of Geophysics and Oil Resources,Yangtze University,Wuhan,Hubei,2015.

[11]方大为.岩溶及土洞地球物理探测的应用研究[学位论文].湖南长沙：中南大学地球科学与信息物理学院,2011.

Fang Dawei.Research of Karst and Soil Caves Exploration With Geophysical Method[D].School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha,Hu’nan,2011.

[12]杨金凤,庞炜,王世杰等.瞬变电磁法在城市岩溶探测中的应用.工程勘察,2014,42(12):88-93.

Yang Jinfeng,Pang Wei,Wang Shijie et al.Application of transient electromagnetic method to detect karst in the urban area.Geotechnical Investigation & Surveying,2014,42(12):88-93.

[13]朱铭.综合物探技术在隐伏岩溶探测中的应用.湖南交通科技,2011,37(2):119-167.

Zhu Ming.The application of comprehensive geophy-sical prospecting technical to covered karst testing.Hunan Communication Science and Technology,2011,37(2):119-167.

[14]高建华,蔡耀军,魏岩峻等.综合物探在南水北调中线工程岩溶探测中的应用.工程地球物理学报,2014,11(4):533-536.

Gao Jianhua,Cai Yaojun,Wei Yanjun et al.The application of comprehensive geophysical prospecting to karst detection in south-to-north water diversion middle route project.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2014,11(4):533-536.

[15]朱成,李桐林,杨海斌等.带地形频率域可控源电磁法三维反演研究.石油地球物理勘探,2016,51(5):1031-1037.

Zhu Cheng,Li Tonglin,Yang Haibin et al.3D controlled source electromagnetic inversion with topography in the frequency domain.OGP,2016,51(5):1031-1037.

[16]欧阳芳,戴世坤,张钱江等.层状单轴各向异性介质中长导线源电磁响应的快速计算.石油地球物理勘探,2016,51(5):1012-1020.

Ouyang Fang,Dai Shikun,Zhang Qianjiang et al.A fast calculation method for electromagnetic fields ge-nerated by finite-length wire sources in stratified uniaxial anisotropic medium.OGP,2016,51(5):1012-1020.

[17]李建慧,刘树才,焦险峰等.地—井瞬变电磁法三维正演研究.石油地球物理勘探,2015,50(3):556-563.

Li Jianhui,Liu Shucai,Jiao Xianfeng et al.Three-dimensional forward modeling for surface-borehole transient electromagnetic method.OGP,2015,50(3):556-563.

[18]裴建国,刘鸿福.瞬变电磁法圆形和方形线框发射效果的比较.石油地球物理勘探,2012,47(增刊1):156-161.

Pei Jianguo,Liu Hongfu.TEM with rectangle transmitting loops and circle loop.OGP,2012,47(S1):156-161.

[19]胡祖志,石艳玲,何展翔等.瞬变电磁法在西部黄土层勘探中的应用.石油地球物理勘探,2016,51(增刊):131-135.

Hu Zuzhi,Shi Yanling,He Zhanxiang et al.Transient electromagnetic exploration in loess layer,Western China.OGP,2016,51(S):131-135.

[20]赵越,许枫,李貅等.中心回线海底三维瞬变电磁响应规律分析.石油地球物理勘探,2017,52(5):1093-1101.

Zhao Yue,Xu Feng,Li Xiu et al.Characteristics of 3D TEM response on seafloor with the central loop configuration.OGP,2017,52(5):1093-1101.

[21]王洪亮,董浩斌,王军民等.井中过金属套管瞬变电磁脉冲采集单元研究.石油地球物理勘探,2013,48(5):804-808.

Wang Hongliang,Dong Haobin,Wang Junmin et al.Cased-hole transient electromagnetic acquisition unit.OGP,2013,48(5):804-808.

[22]王志刚,何展翔,覃荆城等.时频电磁技术的新进展及应用效果.石油地球物理勘探,2016,51(增刊):144-151.

Wang Zhigang,He Zhanxiang,Qin Jingcheng et al.Advances of TFEM technique and its application.OGP,2016,51(S):144-151.

[23]周建美,李貅,戚志鹏.浅水域各向异性地层中的瞬变电磁响应分析.石油地球物理勘探,2016，51(4):821-829.

Zhou Jianmei,Li Xiu,Qi Zhipeng.Transient electromagnetic response analysis for anisotropic media in shallow water.OGP,2016,51(4):821-829.

[24]易兵,曾昭发,李恩泽等.电法探测城市活断层的应用.吉林大学学报(地球科学版),2005(增刊1):115-118.

Yi Bing,Zeng Zhaofa,Li Enze.The survey and research for alive fault in city by electrical prospecting.Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2005(S1):115-118.

[25] 杨怀杰,潘和平,孟庆鑫等.导电围岩对井中三维瞬变电磁响应的影响规律研究. 石油物探, 2016,55(2):288-293.

Yang Huaijie,Pan Heping,Meng Qingxin et al.Influence laws of conductive host on borehole 3D transient electromagnetic responses.GPP,2016,55(2):288-293.