基于宽频大地电磁法的页岩气探测实践——以川西南沐川地区须家河组为例

杨 剑，王 桥，刘 伟，夏时斌，张 伟，廖国忠，李 华，高 慧

（中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081）

0 引言

四川盆地为中上扬子板块之上的多重叠合盆地（刘树根等，2011），现今在地貌上被龙门山、米仓山、大巴山、武陵山、大娄山和大凉山所围限（刘池洋等，2007；刘树根等，2020；图1a）。深部地震勘探资料显示四川盆地基底非常稳定（罗志立，1998；钟勇等，2013；Gao et al.，2016），基底之上沉积了多套富有机质页岩（刘树根等，2008；马永生等，2010；王学军等，2015；何江林等，2017），探明并发现了多个常规和非常规天然气田（图1a）。非常规天然气中页岩气具有巨大潜力（张金川等，2008；Potter，2018；刘树根等，2020），据中国石油“十三五”油气资源评价结果，四川盆地累计探明页岩气地质储量超过44.03×1012m3（李国辉等，2022），重点建成了重庆涪陵、四川长宁—威远及滇黔北昭通3个国家级页岩气示范区（马新华等，2018）。然而，这些页岩气示范区主要产气层位是下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组海相页岩层系（汪正江等，2020；周业鑫等，2021），对于陆相页岩层系研究工作相对薄弱（梁家驹，2014；刘树根等，2016）。近些年，四川盆地上三叠统须家河组也见到了良好的油气显示，在川西、川西南、川东北等多个地区的须家河组页岩中，测试获得数千立方米至数万立方米的工业气流（邹才能等，2009；陈冬霞等，2013），油源分析显示这些规模的油气资源均来自须家河组陆相富有机质页岩。为此，持续开展四川盆地陆相页岩层系研究有可能实现页岩气新的突破，尤其是川西南一带。地震资料显示川西南乐山—沐川地区三叠系地层连续完整（Hubbard et al.，2009；陈竹新等，2020；图1b）。上三叠统陆相须家河组发育厚度达数百米的暗色泥页岩，特别是须一段发育良好的烃源岩（邹才能等，2009），这些都是乐山—沐川等新区新层系页岩气勘探的有利条件。

图1 四川盆地气田分布、地震剖面解释及沉积层系柱状图Fig.1 Gas field distribution，seismic section interpretation map and sedimentary histogram of Sichuan Basin

目前，地震勘探依然是页岩气勘探的主要方法，通过泥页岩地层与上、下围岩的地震传播速度差异，识别深部构造和富有机质泥页岩地层空间展布特征（刘振武等，2011；刘祜等，2015）。然而，随着页岩气勘探的深入，勘探范围已由原来的无人区深入到人口相对密集的村镇，炸药震源的安全性以及对房屋的破坏性等因素使得地震勘探施工难度进一步加大，再加上地震勘探的巨大投入，因此，开展一些经济、高效、安全、无损的非震物探方法来查明富有机质页岩深度、厚度等关键地质要素是在页岩气勘探阶段亟待解决的重要问题之一。在非震勘探中，大地电磁测深法在盆地深部结构研究、识别富有机质页岩层厚度等方面发挥了重要作用（郝天珧等，2008；杨辉等，2011）。但是，常规音频大地电磁测深（AMT）采集的有效频段，一般在10000～3Hz，主要针对浅层勘探（深度1km以浅）；常规大地电磁测深（MT）采集的有效频段，一般在320～0.001Hz，主要针对深部结构探测（深度大于5km）（晋光文，1991）。而在川西南乐山—沐川地区，前人研究认为目标层系须家河组埋深介于2000～3000m，采用AMT探测深度不够，采用MT探测浅部分辨率不足，无法达到3000m以浅的有效探测深度和分辨率（杨剑等，2022）。因此，本文探索新一代宽频大地电磁测深技术（BMT）在页岩气探测中的应用效果，其核心是加拿大凤凰公司最新研制的MTC-150磁传感器，采样频率为10400～0.01Hz，同时兼具了AMT浅表分辨率高和MT有效探测深度大的优点（张伟等，2020）。笔者在四川盆地三叠系须家河组沉积岩相古地理特征、有机地球化学特征等研究基础上，确定了川西南沐川地区页岩气新区新层系的探测区块，根据研究区的地层构造特点构建理论电性模型并开展数值模拟试验，同时利用研究区“已知”钻孔试验，分析了宽频大地电磁方法（BMT）在新区新层系探测的可行性和有效性。在此基础上，再重点研究区部署了一条宽频大地电磁测深剖面，建立研究区的深部电性结模型，并配合地质资料提供了综合地质解释方案。经钻孔揭示研究区须家河组具有良好的页岩气显示，认为沐川地区上三叠统须家河组一段、二段作为页岩气勘探的新区新层系具有良好的前景。同时，推广了一种非震地球物理勘探方法以解决3000m以浅的页岩气探测问题。

1 页岩气选区依据及地质背景

1.1 页岩气有利区的选择

页岩气地质综合评价是开展页岩气有利区优选的基础和依据。首先开展区域地质研究，分析研究区地层构造和沉积演化；在此基础上主要研究页岩的TOC、RO、岩石矿物成分和含气页岩分布、厚度、埋深、纵向和横向变化规律等，优选页岩气勘探有利区（邹才能等，2010；李玉喜等，2012）。

基于页岩气成藏及赋存上的地质特殊性，页岩气又被描述为主体上以吸附和游离状态同时赋存于暗色泥／页岩、高碳泥／页岩及其间夹层状发育的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩甚至砂岩中，以自生自储为成藏特点的天然气聚集（张金川等，2003，2004）。因此，页岩气勘探首先要寻找有利的构造-沉积背景，优选出发育优质页岩的有利相带（郭旭升等，2016）。四川盆地于晚三叠世早期结束周缘前陆盆地海相沉积演化史，于中、晚期进入极其重要的类前陆盆地陆相沉积演化阶段（刘和甫等，1994；郑荣才等，2008；戴朝成等，2010）。自盆缘物源区到盆地沉积中心，沉积体系主要由冲积扇、扇三角洲、河流相过渡到沼泽及湖泊相，沉积中心主要位于川西龙门山山前一带（高红灿等，2005；陈果等，2019）。其中，在须家河时期，整个盆地为湖侵期，大部分为滨浅湖沉积（图2a），沉积物以细粒泥岩、页岩为主，局部地区出现薄煤层少，部分地区发育三角洲，沉积物以砂岩为主。须一段主要为暗色页岩，夹薄层煤线、粉砂岩、粉砂质页岩等，是须家河组重要的生烃层位（朱如凯等，2011；郑荣才等，2015）。虽然研究区受晚新生代印亚板块碰撞的影响（Burchfiel et al.，1995），但是地震资料揭示研究区主体为一单斜地层，且倾向西，地层总体上较为稳定连续分布，构造相对不发育（Hubbard et al.，2009）。综合上述前人的研究成果，认为四川盆地西南缘上三叠统须家河组具备形成页岩气的基本地质条件。

图2 四川盆地上三叠统须家河组沉积岩相古地理、烃源岩TOC含量和厚度等值线图Fig.2 Sedimentary facies and palaeogeography，TOC contents and thickness of hydrocarbon source rock of the Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin

1.2 研究区地质背景

研究区构造位置处于四川盆地川西南低缓构造西南端五指山-天宫堂构造带，发育的褶皱主要有五指山背斜、荞坝-中都复向斜、天宫堂背斜、建全—龙华复向斜等，构造相对稳定，断裂主要有利店逆断层。褶皱的主要特征是背斜紧密、向斜宽缓，复式变形特征明显。古生代以海相沉积为主，层序发育不完整，中生代陆相地层层序完整，地层主要为二叠系、三叠系、侏罗系，局部为白垩系（图3a）。

研究区常规油气勘探重点层系为震旦系、二叠系、三叠系。邻区宜宾大塔场、观音场、麻柳场等构造在二叠系—三叠系均获得工业油气发现。页岩气领域主要针对龙马溪组海相页岩气开展勘探评价，针对陆相页岩气探索较少。近些年调查研究发现在须家河时期，整个四川盆地为湖侵期，大部分为滨浅湖沉积，沉积物以细粒泥岩、页岩为主，局部地区出现薄煤层少，部分地区发育三角洲，沉积物以砂岩为主，厚度达300m，呈由北西到南东逐渐减薄趋势（关旭等，2022；图2c）。陆相页岩总有机碳（TOC）含量通常大于1.0%就被认为是有利页岩，大于2.0%则认为是优质页岩。四川盆地须家河组页岩TOC含量整体较高，但各层段差异较大，从须家河组一段TOC等值线图可知，该段TOC大于2.0%的区域主要分布在川东南涪陵—万县一带及川西南雅安—乐山一带，面积约3.1×104km2（陈果等，2019；图2b），这些表明研究区具备页岩气形成良好的物质条件。本次研究区沐川一带三叠系须家河组岩性包括深灰色砂岩、粉砂岩、碳质泥页岩等，厚度20～120m（图3b），须家河组覆盖于雷口坡组之上，雷口坡组中部以灰岩为主，上部为白云岩、含石膏白云岩夹膏溶角砾岩，作为须家河组地层底板具有较好的封闭特性。须家河组上覆地层为侏罗系自流井组和沙溪庙组，主要为灰褐色砂泥岩，该岩性段封闭性较好，能对须家河组地层内烃源岩形成有效封盖（王桥等，2022）。为了探索五指山-天宫堂构造带须家河组陆相页岩气资源潜力，中国地质调查局成都地质调查中心部署了页岩气调查井“川沐地1井”，实钻结果与上述认识基本一致，并在须家河组一段—二段发现页岩气显示，目的层系埋深深度为2000m左右。

图3 沐川地区五指山-天宫堂构造地质简图（a）及须家河组一段—二段煤系页岩等厚图（b）Fig.3 Geological map and isopach map of shale from the Xujiahe Formation first-second Member in Wuzhishan-Tiangogtang tectonic zone in Muchuan area

2 岩石物性特征

为了开展地球物理探测查明目标地层深部结构，首先需要对研究区岩石物性特征进行分析。以研究区主要的岩石单位为对象，以钻孔岩心标本采集为主（川沐地1井钻孔岩心），岩石露头标本采集为辅，按照不同时代的地层分类采集，每个采样点单个地层的采样数大于30块，共采集到标本203块，电性测量采用加拿大生产的SCIP样品岩心IP测试仪。根据测得电性分布规律以及目标层位的探测精度，将研究区的岩石电性分布规律统计分为三类，包括砂泥岩，煤及碳质泥页岩、白云岩，三类岩石各用30块标本进行物性测量成图（图4）。煤及碳质页岩电阻率是本次研究的重要目标层位，其电阻率测量值也是三类岩性中最低的，电阻率测量值分布范围为1～48.2Ω·m，68%的样品的电阻率测量值低于20Ω·m（图4b）。砂岩、泥岩是研究区分布范围最广的岩石类型，电阻率的测量值分布6.5～321Ω·m，85%的样品电阻率测量值低于200Ω·m（图4a），该类岩石的电阻率为中低阻异常。须家河组下伏地层为雷口坡组白云岩，电阻率测量普遍大于1000Ω·m，是典型的高电阻率异常（图4c）。

图4 沐川地区岩石标本电阻率统计图Fig.4 Resistivity statistical diagrams of rock samples of Muchuan area

3 宽频大地电磁法有效性分析

3.1 数值模拟分析

为了验证BMT探测方法的有效性，需要进行可靠的数值正演模拟，模拟采样频率为10400～0.01Hz（图5a），通过正演数值模拟目标地层的电性特征，分析探测方法对地质模型的响应，获得可靠的理论支持（王桥等，2022）。根据研究区的构造特征和“已知钻孔”（图5b）确定了正演模型构造样式为低缓的褶皱形态，物性统计结果认为研究区的电性结构整体上呈现三分异常特征“中低—低—高”，根据电性异常特征确定模型参数。将侏罗系砂岩作为第一电性层，将上三叠统须家河组3～6段的砂泥岩地层作为第二电性层，须家河组1～2段的煤及炭质页岩作为第三电性层，须家河组下部的雷口坡组灰岩作为第四电性层（表1）。各层的厚度以须家河组底界面埋深图为基础，辅以研究区沐地1井柱状图的标定，确定各层位的埋深，基本上可以确定合理有效的理论计算模型（图6a）。

表1 沐川地区模型参数Table 1 Model parameter of Muchuan area

图5 大地电磁测深法频段分布（a）及沐地1井实钻柱状图（b）Fig.5 Band distribution map of BMT and lithology column of Mudi 1 borehole

本文采用的是有限单元法进行数值模拟，频率分布3000～0.01Hz，合计42个频点。从模型的正演结果来看，宽频大地电磁测深（BMT）对模型的电性层位有良好的响应，四个层位基本能够很好地反映。选取一个典型的频点（红色△）正演测深曲线（图6b），TE与TM两个模式的视电阻率和相位均呈现基本相似的形态特征，仅在幅值大小上存在一定的差别（图6b、6c），视电阻率曲线位K型曲线特征，相位曲线位Q型曲线特征。对数频率范围4～1.5，对数视电阻率幅值为2，相位分布在40°～50°，对数频率范围1.5～0.5，视电阻率则呈现了一个电阻率异常，这对应了低电阻率的第二电性层位，频率为1左右的时候呈现了视电阻率极小值，随着频率范围的逐渐降低，视电阻率始终呈现为上扬的形态。频率1.5以下的相位曲线正好与视电阻率曲线呈现相反的特征。视电阻率剖面图和相位剖面图能更直观地反映整个模型的正演效果，特别是视电阻率剖面图。图6d与图6e，视电阻率剖面图仍然呈现与单点测线曲线类似的形态特征，在幅值为1有一层低电阻率层，更低频存在高电阻率异常，是第四层电性层的反映。TM模式视电阻率在低频段存在多个局部“扰动”假异常，例如0～5km、15～20km一带，但总体上与TE模式一样，都能够很好地反映理论模型的电性层位。如前所述，宽频大地电磁法（BMT）可以有效地揭示理论模型的电性层位和结构特征，特别是深部隐伏的具有低电阻率性质的富有机质页岩层位。

图6 理论模型正演计算结果Fig.6 Forward calculation results of the oretical model

3.2 方法试验效果

为了进一步探索宽频大地电磁法在页岩气探测中的有效性，厘定研究区一带3000m以浅的深部结构，部署了一条穿越“已知”钻孔的BMT剖面，剖面方向为南北向，全长8km，40个测点，点距200m按照均匀网格分布，钻井“沐地1井”位于剖面4km处。数据采集使用加拿大凤凰公司MTU-5A大地电磁仪和MTC-150磁探头，布极方式为正南北与正东西，每个测点观测时间2小时。全部测点的时间序列数据进行快速傅里叶变换，计算获得电、磁场自互功率谱；通过Robust估计（Egbert，1997；陈小斌等，2014，2017）估算获得各测点的阻抗张量；利用MT Editor软件对各测点的功率谱进行自动／手动挑选，删除质量较差的功率谱，以改善视电阻率和阻抗相位曲线的光滑度。经过上述处理，获得了频率范围介于0.01～3000Hz的有效数据。反演采用Rodi and Mackie（2001）提出的非线性共轭梯度算法NLCG，该算法具有快速、稳定及收敛等优点。对40个测点的数据进行了精细的反演处理，获得地下深度3000m的电性结构剖面（图7a）。

从试验剖面电性结构来看，全区电性结构可以分为三个近似连续可追踪的电性层位，四个电性异常体，各电性体相对完整连续，断层不发育。利用已知钻孔沐地1井的实钻资料，解译出各电性层位（图7b），1km深处为侏罗系与三叠系层位界线，1.5km深度为三叠系须家河组3～6段与1～2段层位界线，2km深度处为三叠系须家河组与三叠系雷口坡组层位界线，须家河组1～2段岩性为炭质泥页岩局部夹煤层，是典型的低阻电性层，钻探显示该层位有不同级别的气显，是本次研究的主要目标层位。

图7 沐川地区BMT试验剖面B—B’电性解译图Fig.7 Electrical interpretation of BMT B-B’test section in Muchuan area

通过上述理论模型正演分析和“已知”区方法试验，表明宽频大地电磁法（BMT）能够揭露3000m以浅的地质结构，可以有效识别碳质泥页岩或煤层，解译结果与实钻吻合度高，可以用于本区页岩气探测，为页岩气选区及井位论证提供深部依据。

4 应用效果及讨论

上述“沐地1井”在2000m处遇三叠系须家河组富有机质泥页岩并有不同级别的气显，页岩厚度260～390 m，TOC介于0.6%～2.0%，有机质成熟度RO大于1.3%，属于中等—好的烃源岩，这也证明了沐川地区三叠系陆相须家河组页岩也同样有着很好的成藏条件，五指山-天宫堂构造是有利的页岩气勘探靶区。为了进一步评价五指山-天宫堂构造带页岩气潜力，借鉴前人龙马溪组勘探经验，宽缓平台、单斜、向斜核部等构造部位有利于形成“连续性”页岩气甜点（葛祥英等，2021），那么沐川背斜东南方建全—龙华复向斜是否同样有着良好的页岩气成藏条件？笔者在前期方法试验的基础上，穿越建全—龙华复向斜部署了一条BMT剖面，剖面方向近东西向，全长5.3km，共完成24个测点，点距200～300 m按照不均匀网格分布。对24个测点数据进行了精细反演处理，获得地下深度3000m的电性结构剖面（图8a）。从整个电性剖面上来看，0～4km由浅至深电性层位表现出较好的继承连续性，大体可以分为五个近似连续可追踪的电性层位（C1、C2、C3、C4、C5）和两个电性异常体（A1、A2），A1、A2电性异常体两侧具有明显的电性异常差异，结合地表认识推测为两条断层F1、F2，两条断裂对研究区一带电性结构具有显著的控制作用。其中F2断裂将研究区的地层分为两个部分，断裂以西沉积了侏罗系—三叠系的碎屑岩，地层稳定连续，断裂以东地层破碎，显然该断裂不仅控制了该区的构造格架，还对地层的分布具有一定的控制作用。F1断层以西的沉积稳定区（里程0～4km），电性结构主要为5个电性层位，电阻率幅值差异较大，五个电性层位为“中低电阻率层位C1—梯度变化层位C2—中高电阻率层位C3—低电阻率层位C4—高电阻率层位C5”。其中C5电性层电阻率幅值Lg（ρ）＞2.6，推测是三叠系雷口坡组碳酸盐岩；C4层位电阻率幅值Lg（ρ）＜1.4，可能是碳质泥页岩引起的低阻异常，结合“沐地1井”的BMT剖面解译结果，推测深度2000m的C4与C5的交界面可能是目的层位须家河组1～2段的富有机质页岩。

结合构造条件及地质风险分析，考虑F1、F2断层的安全距离，优选了有利区并提供了建议钻孔位置（沐地2井建议井位；图8b）。该钻井开孔于上侏罗统遂宁组，终孔于2400m下三叠统嘉陵江祖，获得多层页岩气、天然气显示（具体指标参数暂不予公布）。通过BMT剖面获得的电性资料揭示出稳定的富有机质层位的分布以及良好的钻井气显，说明五指山—天宫堂构造带低缓褶皱连片成藏的潜力很大，为陆相页岩气新区新层系的探索打下了坚实的基础。

图8 沐川地区BMT C—C’剖面电性解译图Fig.8 Electrical interpretation of BMT C-C’section in Muchuan area

宽频大地电磁法（BMT）可以利用其高效、经济以及“全频段”的优势，定性地给出深部目标层位展布情况，这在理论模型试算和“已知”区试验结果中有清晰地显示。显然，该方法能够直观有效地识别3000m以浅的地层结构，虽然该方法可能并不能像地震勘探一样定量地刻画目的层的具体深度、厚度，但是该方法快速、经济、无损，可以有效确认目的层的上覆地层和下伏地层之间的界面，为页岩气前期勘探提供先导依据。此外，探测案例表明，含气性好的页岩地层常常具有完整、连续分布或带状的低电阻率异常特征，而断裂构造发育，破碎带明显的地层其深部电性结构往往是不连续的、高低相间的块状电阻率异常。因此，在页岩气钻井选址时，应该避开这些不连续的电性异常区，尽可能地选择在连续分布的条带状低阻异常区。

5 结论

对于四川盆地盆缘城镇、人口密集地区的页岩气勘探地区，宽频大地电磁法（BMT）的高效、经济以及“全频段”的优势在面向3000m以浅富有机质页岩层系勘探工作中所发挥到的作用，有望实现页岩气前期勘探的先导技术。本文通过区域页岩气成藏潜力分析以及宽频大地电磁测深法（BMT）有效性试验得到以下结论：

（1）四川盆地西南缘沐川地区上三叠统须家河组作为四川盆地陆相页岩气勘探的新区新层系，具有良好页岩气资源前景。通过对前人资料的综合研究，优选了新区新层系的有利区，应用宽频大地电磁（BMT）探测揭示了研究区深部的结构是较为稳定的，层位连续、断裂不发育，结合钻井资料认为须家河组在全区稳定连续分布，须一段、须二段富有机质页岩有较大的厚度并且具有良好的页岩气显示，全区可能具有良好的页岩气资源前景。

（2）宽频大地电磁法（BMT）在新区新层系的探测中取得了非常好的应用效果。在物性分析研究的基础上进行了理论模型正演数值模拟，通过“已知”钻孔标定方法试验，确定了该方法的适用性和有效性。进一步利用宽频大地电磁法（BMT）剖面拟定了研究区的深部构造格局和层位空间展布，给出了目的层须家河组的埋深，解译结果得到了钻孔资料的验证。同时，证实了在3000m以浅页岩气探测方法中，宽频大地电磁法（BMT）可以有效识别富有机质页岩层深度、厚度等空间展布特征，是一种快速、经济、无损有效的页岩气探测方法，可以为页岩气勘探提供决策依据，同时也为同类地质情况页岩气探测提供应用示范。

致谢：感谢中国地质调查局成都地质调查中心余谦教授级高级工程师对本文的指导，感谢匿名审稿老师提出的宝贵意见以及编辑部的大力支持。值此成都地质矿产研究所建所60年之际，笔者也将此文献给老一辈的地质工作者，祝愿成都地质矿产研究所永远辉煌。