复电阻率法在安徽南陵盆地海相页岩气勘探中的应用

殷启春，王元俊，周道容，张丽，孙桐

(1.中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016； 2.中国地质调查局 哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150081； 3.安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230041)

0 引言

电磁法相对目前页岩气勘探中主要运用的地震方法而言，具有勘探深度大、不受碳酸盐岩地层屏蔽、对低阻层分辨灵敏等特点[1]。近年来，以广域电磁法为代表的电磁法在南方海相页岩气勘探中取得了较好的效果[2-6]，但其只利用了电阻率特性，对极化率特性尚未充分应用。复电阻率法作为电磁法的一种，用于研究地下地质体的导电特性和激发极化特性，在探测金属矿领域获得了广泛应用[7-11]。在常规油气勘探中，许传建等[12]认为油气藏上方存在电性—电极化性异常，应用于直接探测油气藏效果较好。苏朱刘等[13-14]对800 m以浅的油气探井进行了对比，发现产油井相对干井而言具有>10%的高极化异常，并开展了2 600 m以浅的油气藏圈闭预测，取得了较好的成果。

复电阻率法应用在我国南方页岩气勘探中尚处于探索阶段。赵迪斐等[15]通过对四川盆地龙马溪组页岩储层特征和复电阻率特征研究后认为，龙马溪组页岩储层普遍含有可增强储层极化特征的黄铁矿，具备复电阻率勘探应用的基础。在涪陵地区开展了复电阻率法勘探页岩气的试验和初步定性识别工作[16]，但未做地质或油气工作的解释、验证。复电阻率法在页岩气勘探中的应用有待进一步开展。

南方海相页岩气勘探区具有如下地质—地球物理特点：①富有机质泥页岩与碳酸盐岩地层共生构成地层组合；②地表条件为基岩山区与中生代红盆区共存，红层厚度大、地层变化剧烈，造成了地面人工场源地震波传播衰减快；③地球物理方法往往无法有效直接识别南方地区普遍发育的低角度滑脱层。以上地质—地球物理特点导致地震资料信噪比低，使得海相页岩地层成像难度较大[17-20]。因此，目前以地震勘探为主的页岩气地球物理勘探迫切需要寻找新的勘探方法。

本次研究对比了南陵盆地盆外及盆内的复电阻率法勘探效果，以期查明富有机质页岩的电阻率特征和激发极化特征，从而了解埋深2 500 m以浅的地层与构造分布，预测富有机质泥页岩地层分布、埋深乃至页岩气藏情况，为后续南方海相地区特别是下扬子地区页岩气的勘探突破奠定基础。

1 复电阻率法

复电阻率法(complex resistivity method)也称为CR法，当地质体存在激电(IP)效应和电磁(EM)效应时，通过测量大地的视复电阻率频谱或激电场的衰减曲线，借助分析大地总电阻率的实分量和虚分量来研究大地的电性，因其测出的视电阻率是频率的复变函数，故称作复电阻率。相对常规激发极化法，CR法对频率域和时间域信息都予考虑，因此可对整个地电系统进行研究[21]。

在野外实测得到复电阻率频谱后，对其进行拟合反演，可分离出电磁谱(SEM)和激电谱(SIP)。这两种频谱参数在圈定异常方面各有特点：SEM谱由感应电流形成，有较高的灵敏度和几何分辨率，而SIP谱则直接反映了极化物质的体积含量和结构特性。根据实际点位对多个谱参数进行校正，编制拟剖面图，其中比较重要的参数为电磁电阻率ρω和视充电率ms。电磁电阻率ρω为用近区电磁场计算的平均电阻率，该参数对地下目标体的导电性变化有较高的电性和几何分辨率且形态单一，反演深度断面能够较全面地反映地下地质情况，对主要的电性/地层界面和深大断裂定量刻画效果较好，可用于地层与构造解释，绘制综合地质解释剖面。

视充电率ms与常规电法中的视极化率(ηs)的物理意义相同，但ms是全域的，是在极限条件下(低频趋于零、高频趋于无穷大)计算的视充电率。对于体极化目标体，ms的大小直接反映了勘探体积内极化物质体积含量的变化，可用于含有极化物质地层如岩体、矿体或富含黄铁矿的富有机质页岩地层的评价。

2 研究区地质和电性特征

2.1 研究区基本地质特征

研究区南陵盆地及其周缘位于南方海相页岩气勘探区内的下扬子地区，其地理位置位于长江下游(图1)。本区中—晚二叠世以深水陆棚—陆棚凹陷沉积相为主，广泛沉积了较厚的泥岩、页岩、碳质泥岩、硅质岩和硅质碳质页岩。二叠系大隆组和孤峰组泥页岩富含有机质，有机质成熟度适中，总体页岩气静态评价条件好，是下扬子地区页岩气勘探的重点目标[22-25]，其上下围岩均为巨厚的海相碳酸盐岩地层。

图1 南陵盆地CR法测点分布Fig.1 Distribution map of measuring points bycomplex resistivity method in the Nanling Basin

在研究区内，南陵盆地南东缘大致以白垩系陆相地层出露的南边界为界,盆地以南出露地层主要为位于孤峰向斜内的下志留统、上泥盆统—下三叠统海相地层。盆地深层的海相地层保存情况尚无钻孔揭露，需开展工作探索其页岩气资源潜力。

南陵盆地南东侧的孤峰向斜内泾页1井首次在下扬子皖南地区获得二叠系海陆过渡相页岩气发现[26]。邻近的港地1井在二叠系大隆组、龙潭组获得了页岩气、煤层气、致密砂岩气和页岩油“三气一油”发现[27]，但均未取得工业油气流。南陵盆地与孤峰向斜相邻，海相地层沉积环境一致，页岩气评价的静态地质条件如厚度、品质等相近，而盆地面积更大且构造保存条件可能会更好[28]，是值得进一步开展海相页岩气勘探工作的区域。

2.2 富有机质页岩地层特征

本区孤峰向斜内地层出露情况较好。根据向斜内昌桥实测剖面，大隆组富有机质泥页岩连续厚度达61.35 m，孤峰组连续厚度超过30 m，中—上二叠统泥页岩累计真厚度为229.09 m。周边WYD1井揭示中—上二叠统泥页岩视厚度为226 m。以上数据表明本区中—上二叠统大隆组、龙潭组和孤峰组的富有机质页岩累计厚度大，页岩气勘探前景较好。

黄铁矿为本区海相富有机质页岩中的主要极化物质，区内露头、岩心的二叠系泥页岩中均富含黄铁矿。在昌桥剖面龙潭组中发育黄铁矿结核(图2a)，宣城牛山剖面大隆组中可见晶型较好的黄铁矿体(图2b)，WXY1井大隆组泥页岩的扫描电镜下可见发育密集的草莓状黄铁矿(图2c)，粒间填充有机质，孔隙发育。对WXY1井大隆组、孤峰组(共30个样品)的泥页岩(挑除肉眼可见黄铁矿体)进行全岩X射线衍射分析，测试结果显示：大隆组页岩分散型黄铁矿含量可达9.4%，平均为5.9%；孤峰组页岩黄铁矿平均含量为2.68%。

图2 皖南地区二叠系泥页岩中黄铁矿分布照片Fig.2 Photos of pyrite distribution in Permian shale in southern Anhui Province

2.3 研究区电性特征

根据位于孤峰向斜东侧的WYD1井电阻率测井曲线(图3)，目的层二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组的泥页岩视电阻率均低于100 Ω·m。目的层上下地层主要岩性均为高阻灰岩，上覆三叠系和龙山组、殷坑组灰岩因含泥量相对较高、薄层发育，电阻率比目标层约高1个数量级，下伏栖霞组灰岩含泥量低、层厚大，电阻率比目标层约高1～2个数量级。

整体来看，二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组泥页岩明显低于上覆三叠系灰岩和下伏二叠系栖霞组灰岩。电阻率测井结果很好地反映了泥页岩地层及其与围岩电阻率的关系。

为了进一步研究岩石真电阻率，实测了本区露头、岩心标本，地层电阻率统计结果见表1。

1) 第四系—白垩系(Q—K)：岩性以砂砾岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主，标本平均电阻率为182.3Ω·m，为低阻层。其地层厚度特征为盆缘较薄，盆地沉积中心较厚，据区域地质资料记载，最厚处可达2 km以上。

图3 WYD1井电阻率测井曲线Fig.3 Resistivity logging curve of Well WYD1

表1 研究区地层综合电性分层统计

2) 三叠系(T)：岩性以灰岩为主，平均电阻率为848 Ω·m，为高阻层。其初始地层累计厚度大于2 km，因在隆起期普遍遭遇剥蚀导致残留厚度变化差异大。

3) 中—上二叠统的孤峰组、龙潭组、大隆组(P2-3)：岩性以泥岩、页岩、碳质泥岩、硅质岩和硅质碳质页岩、粉砂岩、细砂岩等为主，局部夹煤层，电阻率值均较低，平均电阻率为132 Ω·m，呈现低阻特征，故属低阻层。其地层厚度累计约229 m，在研究区内厚度变化不大。

4) 石炭系—二叠系栖霞组(C—P1)：以灰岩为主，电阻率平均为1 780 Ω·m，属高阻层。其地层厚度累计约300～500 m，下部以巨厚的五通群砂岩和高家边组砂泥岩为主，分别为中阻和低阻层。

总体来看，该区主要相关地层由下而上、由老至新电性差异明显，由志留系至第四系，电阻率表现出“低—高—低—高—低”的特征。

在南方海相泥页岩极化率研究方面，向葵等[29]对上扬子川黔地区龙马溪组4块泥页岩样品进行了测试，电阻率均值为150.4 Ω·m，黄铁矿含量均值为2.9%，极化率平均值稳定在21.7%左右，表明黄铁矿是南方海相泥页岩低阻和激电效应较强的主要原因之一。本区二叠系大隆组的黄铁矿含量明显高于上扬子龙马溪组，孤峰组黄铁矿含量与上扬子龙马溪组相当。

上述地层组合出现物性差异的原因在于：碳酸盐岩成分含量高时电阻率较高；碎屑岩地层因泥质含量高使得电阻率相对较低；海相泥岩富含有机质(碳质)以及陆相砂砾岩含水时电阻率都降低，二者的区别在于极化率，因为富有机质泥岩中伴生黄铁矿，极化率相对较高，而中生代红盆内碎屑岩基本不含黄铁矿，极化率总体较低；在构造因素方面，断裂带表现为高角度的低阻带。

以上岩性—电性规律结合区域地层、构造认识，可作为本区地球物理解释的依据。

3 数据采集与工作量

本项研究的单条剖面长20 km，于2019年5～8月完成野外数据采集，于2019年底前完成处理、解释工作，根据解释结果，于2020年实施了皖南地2井钻探验证工作。

3.1 测线布置

为对比盆地内外的勘探效果，测线横跨研究区2个不同的构造单元，且测线右侧经过泾页1井(图1)。研究区南东侧盆外基岩区地貌以丘陵和山地为主，海拔40～200 m；北西侧盆内覆盖区地貌以平原为主，间有低矮丘陵，海拔20～30 m。

3.2 仪器设备

测量采用加拿大凤凰公司的大功率V8系列数据采集系统。观测频带为28～2-6Hz，扫频步长为20.5Hz。采用GPS卫星同步(同步误差为±0.2 μs)，接收精度0.005 mV，采集系统中各仪器在相隔数百米内均可进行无线数据通讯。T200发射机发射功率达200 kW，最大供电电流可达150 A。

3.3 观测系统

本次观测采用偶极—偶极装置形式。偶极—偶极是CR法剖面测量最常采用的排列形式，此种装置的特点是电磁耦合干扰较小(图4)。

图4 仪器与观测系统配置Fig.4 Instrument and observation system configuration diagram

偶极—偶极排列的极距r计算公式为：

式中：N为隔离系数；k为供电电极系数；供电电极距AB=ka；a为偶极距。

要根据探测目标层的深浅、目标规模以及各测量道上的讯号强度(不小于0.01 mV)来选择偶极距a、隔离系数N和供电电极系数k。V8接收机共有多个测量道接收来自地下的信息，每一道对应一个探测深度，共同构成一个窗口。探测深度H和窗口深度范围ΔH分别为：

ΔH=Hmax-Hmin，

式中：Hi表示第i道的探测深度；Ni表示第i道的隔离系数；Hmax、Hmin分别为Ni取最大值、最小值时的探测深度。

一般情况下，为获得较好的地质效果，应把探测目标放在探测窗口的中部或中偏下部位。在同一条剖面上，如果目标体深度变化不大，可以用一种窗口深度来控制，若目标体埋深变化较大，则需要用多种窗口深度来控制。本次CR法勘探根据研究区盆内外不同地质特征设定了2种窗口深度：针对孤峰向斜内相对浅层目标，设定点距200 m，偶极距200 m，供电极距400 m，15道采集，隔离系数N=1～15，勘探窗口250～1 650 m；针对南陵盆地内较深目标，设定点距300 m，偶极距300 m，供电极距600 m或900 m，15道采集，隔离系数N=3～17，勘探窗口450～2 550 m。

4 资料处理及解释

4.1 数据处理过程

将研究区野外采集的资料转录后，用V8配套软件进行预处理，如果发现当天曲线有畸变，则第二天重新野外采集；统计各测点、剖面及全区的观测质量；剔除不合格曲线[30]，然后开展谱曲线反演工作。数据处理流程图如图5所示。

图5 CR法数据处理流程Fig.5 Complex resistivity method data processing process

应用Cole-Cole模型拟合激电谱[21]，用Brown模型拟合电磁谱[31]，二者相乘为总谱的表达式[13]：

ρs(ω)=ρ0(1-mF1)(1-m2F2+jωτ3) ，

式中：ρs(ω)是既包括激电效应又包括电磁效应的复视电阻率；ρ0是角频率ω趋于0时的直流电阻率；m为充电率；j为单位复数；τ为时间常数；c为频率相关系数；ρ0(1-mF1)表示激电效应的Cole-Cole模型；1-m2F2+jωτ3表示电磁效应的Brown模型。

通过上述模型对实测频谱进行反演拟合，分离电磁谱(SEM)和激电谱(SIP)，求取相应的谱参数，使用的数学计算方法是高斯—牛顿最小二乘法，目标函数的迭代收敛精度为1%。用求解出的谱参数绘制各参数断面图。本次研究选取成图的谱参数主要为近区场电磁电阻率ρω和视充电率ms，编制出综合谱参数的拟剖面图。反演软件采用Phoenix Geophysics Limited的SFIPX-SW V2.0软件系统，适用于V8仪器系统以偶极—偶极剖面测深装置的反演。

4.2 剖面电性与地质特征

从电磁电阻率ρω反演结果(图6)来看，将属于盆外基岩区的孤峰向斜和南陵盆地内部相比，二者反演特征有较大的差异，大致以分隔南陵盆地和孤峰向斜的周王断裂(F2)为界，反演剖面上整体呈现出电磁电阻率“北西低、南东高”的特征。周王断裂本身为规模最显著的高角度低阻带。剖面线左端即断层F3以北西的高阻部分与航磁资料中的强磁场一致，该强磁场与盆地西侧的丫山推覆体强磁场区连片并呈半岛状伸入盆地内，推测为受岩体扰动的地层，与本次研究无关，故不予进一步解释。

对于测线右侧的孤峰向斜，根据“从已知到未知”的原则，本次工作部署经过中国地质调查局油气资源调查中心实施的泾页1井。该井于三叠系南陵湖组开孔，钻遇三叠系南陵湖组、龙山组、殷坑组和二叠系大隆组、龙潭组，井口处海拔100 m，井深1 247.30 m，钻遇大隆组和龙潭组泥页岩含气性较好[26]。泾页1井周边反演电阻率曲线从上到下呈“高—低—高”特征(图7a)。埋深450 m以浅位于探测窗口外，埋深450～1 200 m范围内电阻率大于600 Ω·m，为高阻层，对应三叠系灰岩，其中于殷坑组顶部位置附近电阻率达到最高值，往下降低，反映了灰岩中随着泥质含量的增高电阻率减低。-1 200 m以深为低阻区，为本区勘探目标地层二叠系富有机质泥页岩的反映；该低阻区总体为向斜形态，很好地对应于地质图上的孤峰向斜[32-33]。285点处推测为向斜的轴部(见图6a)，核部地层为三叠系，三叠系灰岩之下的低阻层总体厚度超过200 m，与二叠系中—上统泥页岩厚度相当。孤峰向斜左窄右宽，右侧明显电阻率偏低且厚度偏大，结合地质图推测为右翼存在复杂断块。泾页1井下方存在一高角度低阻层带，结合实钻龙潭组地层倾角极大、近垂直产状、地层破碎，推测为底部构造因素导致，可能发育揉皱甚至断层。258～270点处存在一个正断层带(F1)，经实地踏勘，认为因测线走向与正断层走向夹角较小，导致该正断层对测线影响较大。

图6 CR法反演电磁电阻率(a)、充电率(b)断面及地质解释Fig.6 Inversion and geological interpretation sections of electromagnetic resistivity and visual charge rate of CR method

图7 泾页1井周边反演电阻率剖面(a)及反演充电率剖面(b)Fig.7 Inversion characteristics of electromagnetic resistivity(a) and apparent charge rate(b) around well Jingye 1

从充电率断面(图7b)上看，孤峰向斜ms>6%的高极化率分布与低电磁电阻率分布一致，符合低阻、高极化率异常组合特征(图6b中1#区)，且埋深1 200 m以深的高充电率范围与泾页1井全烃高值区对应。此外，泾页1井左下部的高阻、高充电率异常推测为岩体影响。测线北西侧南陵盆地总体从上到下呈“上低—中高—下次低”三层电阻率结构，分别对应上部的白垩系砂泥岩低阻层、中部的三叠系灰岩高阻地层和下部的二叠系碎屑岩次低阻地层，同时，剖面左侧135～170点处埋深约2 100～2 300 m存在一显著高ms值区(图6b中2#区)，与低阻区分布基本一致。该低阻、高ms值异常相对孤峰向斜内异常，幅度相对较弱，但需考虑有上覆巨厚低阻地层屏蔽因素对异常幅值的压制因素。该异常分布范围大、产状平缓、顶板条件好、位于逆断层下盘，具有较好的保存条件，推测为页岩气有利区。此外，位于F1和F2之间反演剖面底部存在大面积高ms区(图6b中3#区)，结合地层解释，推断为高家边组底部—五峰组富有机质泥页岩异常。

海相复杂构造区海相页岩气勘探对地球物理勘探提出的要求，首先是寻找具有大面积的、保存条件较好，特别是构造条件较好的富有机质泥页岩[34-35]，此类区域可推断为有利的页岩气预测区。在页岩气地质综合研究基础上[23]，以本次工作解释结果为主要井位部署依据，以在泾页1井取得页岩气发现的二叠系富有机质泥页岩为目标层位，对盆地内有利预测区实施了地质调查井——皖南地2井。该井揭示：在1 550 m以浅为白垩系地层，1 550 m钻遇到三叠系灰岩，至井底2 011.52 m处层位为三叠系和龙山组灰岩，钻遇情况与物探推测基本一致。该井因工程原因在三叠系灰岩地层即提前终止。

皖南地2井为南陵盆地内第一口以海相页岩气勘探为目标的钻井，揭露了上古生界海相页岩气地层组合的上部地层，验证了CR法在巨厚红盆下探测海相地层的有效性，在探索南陵盆地内二叠系页岩气资源潜力工作中起到了先导作用。

5 问题与讨论

从测线反演结果与已有钻井、区域地质图对比发现，反演剖面总体上很好地显示了地层、构造情况，实现了页岩气有利区预测的基本目标，但仍存在一些值得探讨的问题。

5.1 盆内外探测效果对比

孤峰向斜内碳酸盐岩反演电阻率范围为600～1 400 Ω·m，泥页岩反演电阻率中心低值约在150 Ω·m，二者接触面位于等值线变化梯度带。泾页1井处钻遇地层、含气性显示和反演剖面基本一致，证实了CR法在基岩山区具有较高的分辨率，反演电阻率与地层真电阻率也一致。南陵盆地内皖南地2井所揭示的碳酸盐岩地层CR法反演电磁电阻率仅为100 Ω·m，其与上部红盆的不整合面位于反演电阻率增加的梯度带上，与富有机质泥页岩的岩性分界面位于反演电阻率减少的梯度带上，说明上部巨厚的红盆低阻层整体拉低了灰岩地层的反演电阻率。

但是，从上到下“低—高—低”电阻率特征依然比较显著，符合物性特征研究中的红盆—三叠系灰岩—二叠系富有机质页岩地层组合的总体变化特征。皖南地2井证实了红盆底界位于由低值向高值转换的梯度带位置，并可进一步推测更深部的由高值向低值的梯度带位置即为富有机质页岩地层。同时,反演充电率剖面则在对应深度对富有机质泥页岩地层有指示性反应，增加了这一推断的可靠程度。可见本次研究因盆地内外同步采集采用2种不同的窗口造成了分辨率差异，有待进一步加强定量反演、解释配套技术，为后期进行精准井位部署、层位预测服务。

5.2 关于周王断裂的认识

区域地质资料上认为周王断裂(F2)为南陵盆地的南部边界断裂，同时也是分隔下扬子前陆带和江南隆起带的大型断裂[33]，为一个大型、较宽的构造角砾岩带，可能为一条隐伏的壳深断裂[36]。

本次工作中对分割南陵盆地和孤峰向斜的区域主要隐伏断裂周王断裂(F2)有较好的反映，揭示了周王断裂两侧断距极大，两侧海相地层存在巨大的剥蚀差异，其深部断裂带影响宽度约为1 km，断层主倾向为NW向。这一认识可以深化本区区域地质研究中对周王断裂的深部研究。

5.3 CR法的独特性

南方海相地区，特别是下扬子地区，常发育低角度滑脱断层，导致勘探主要目标泥页岩地层缺失，这种情况在地震剖面上常常因滑脱层为低频强振幅反射而被误判为泥页岩地层的反射，此外，在地层组合方面，同为碎屑岩沉积的含水砂砾岩地层为低阻且呈层状分布。以上2种情况常常给地震、MT、CSMT、广域电磁法等普遍运用于油气、页岩气勘探的地球物理方法解释带来多解性，为油气、页岩气井部署带来了非常大的风险。而基于富有机质泥页岩中极化物质的极化率异常探测，可以降低以上地球物理资料的多解性乃至直接用于判断页岩气藏。CR法是解决以上多解问题的有效地球物理勘探手段，为降低井位部署风险提供了可选的地球物理方法。

6 结论

1) 在安徽南陵盆地周边地区开展二叠系页岩气CR法探测研究，揭示了研究区二叠系海相富有机质泥页岩碳质含量高、富含黄铁矿颗粒，具有明显的“低电阻率、高极化率”特征，可以有效与其围岩区分，有利于采用CR法进行勘探。

2) 探索了安徽南陵地区不同覆盖条件下的CR法采集、处理和综合解释方法，发现红盆下海相地层反演电磁电阻率和视充电率与出露区相比均整体降低，但其变化规律一致，仍可以识别有效异常。总体而言，CR法探测深度大、空间分辨率高，可以获取复杂构造区富有机质泥页岩分布范围、埋深，且其激发极化参数直接和页岩气藏关联，是电磁法勘探中唯一能直接指示页岩气藏的方法。

3) 根据本次研究结果，实施了南陵盆地内第一口以探索盆下海相页岩气为目标的地质调查井皖南地2井，首次揭露了南陵盆地红盆下存在对海相页岩气勘探有利的地层组合，为该区二叠系页岩气资源评价和页岩气井位部署提供了重要依据，也进一步为我国南方海相地区页岩气地球物理勘探提供了参考。