綜合物探方法在鉆井平臺裂隙勘探中的應用

王安平 周 昊 王 強

（1.四川中成煤田物探工程院有限公司，四川 成都 610072；2.四川長寧天然氣開發有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

高密度電法實際上是一種陣列勘探方法，20 世紀80 年代中期，日本地質計測株式會社實現了野外高密度電阻率法的數據采集，但并沒有充分發揮高密度電阻率法的優越性。20 世紀80 年代后期至今，中國地礦部系統率先開展了高密度電阻率法及其應用技術研究，從理論與實際相結合的角度進一步探討并完善了方法理論及有關技術問題。隨著技術的發展，新一代高密度電法儀多采用分布式設計，相對于集中式設計而言，是將電極轉換功能放在電極上。分布式智能電極器串聯在多芯電纜上，地址隨機分配，在任何位置都可以測量，實現滾動測量和多道、長剖面的連續測量。20 世紀60 年代Berdichevski 等，提出了音頻大地電磁法（AMT），從儀器采集系統和資料處理方式劃分為3個發展階段：20世紀50-60 年代為手工量板階段；20 世紀70 年代至今為數字化階段；可視化階段正在興起。工區開孔層位為上三疊統須家河組地層，須二段、須四段、須六段細粒—中粒砂巖孔隙裂隙含水層，砂巖裂隙廣泛發育。各類裂隙中又以層面裂隙及因層間滑動所引起的扭裂最為發育，有著良好的透水性能和儲水空間。高密度電法對于地下埋深100 m以淺裂隙勘探效果較好，AMT 對于地下埋深100～1 000 m 裂隙勘探效果較好。這兩種方法都是通過研究地電斷面中視電阻率的分布情況進而對裂隙及其他不良地質體做出科學解釋的一種地球物理勘探方法［1～8］。

1 工區概況

1.1 地質概況

工區埋深1 000 m以淺依次為須家河組、雷口坡組、嘉陵江組地層。須家河組為一套湖泊、河流相沉積的細—中粒石英砂巖及黑灰色頁巖不等厚互層夾薄煤層。雷口坡組為一套潟湖—淺海相碳酸鹽巖沉積，上部以深灰色、黃灰色泥質灰巖、石灰巖為主夾白云質灰巖、白云巖及角礫狀灰巖，下部為白云質灰巖及頁巖夾粉砂巖，底部為灰綠色水云母黏土巖與下伏嘉陵江組石灰巖呈整合接觸。嘉陵江組為一套淺海—潟湖相碳酸鹽巖沉積，底為過渡層，即銅街子段，與下伏飛仙關組為連續沉積。

1.2 地球物理特征

為了更準確了解區內各地層巖性的電性特征，對擬施工測量的主要巖性，在露頭通過采用對稱四極直接測量的方法進行物性測試統計。不同巖性的電阻率值見表1，從表1可以看出，不同巖性之間存在著一定的電性差異，巖層中泥巖電阻率最低，一般在44～290 Ω·m，為低電阻率；石灰巖電阻率最高，一般在1 070～3 523 Ω·m，為高電阻率；砂巖電阻率一般在81～583 Ω·m，為中電阻率；裂隙若充水，一般充水裂隙視電阻率在1～40 Ω·m，屬于低視電阻率；若裂隙不含水，視電阻率相對于圍巖則呈現相對高阻，一般在6 731～10 892 Ω·m，視電阻率與上述不同巖性電阻率差異明顯。因此，工區具備開展高密度電法及AMT的地球物理前提條件。

表1 電阻率物性統計表

2 綜合物探方法原理

2.1 高密度電法

高密度電法勘探原理是以巖層介質的電性差異為基礎，研究在人工施加電場的作用下，地下傳導電流的分布規律。由于其勘探過程屬于二維勘探，因此可以通過二維成像軟件對數據進行處理成像，進而直觀地顯示地電斷面中視電阻率的分布情況，通過對斷面作出解釋，完成查明裂隙等工程地質勘查任務。該方法勘探深度較淺，是一種快速、高效、經濟的淺表裂隙構造勘察手段，這種方法能夠有效地發現地下埋深100 m以淺的不良地質體，并較為準確地確定不良地質體存在的位置及大小。

高密度電法是用直流供電來測量大地電阻率的方法，通過兩個電極向大地發射電流，電流產生等位線分布，從而用另外兩個電極來測量電位差。其視電阻率定義為：

式中，ρs為視電阻率，Ω·m；K 為電極裝置系數，m；V為電壓，mV；I為電流，mA。

其中，K只與野外的電極幾何排列有關，可以寫成：

式中，AM 為A 到M 的距離，m；AN 為A 到N 的距離，m；BM 為B 到M 的距離，m；BN 為B 到N 的距離，m。

2.2 音頻大地電磁法

AMT 是大地電磁法的一個分支，它是利用天然的大地電磁場作為場源來測定地下巖石的電性參數，并通過研究地電斷面的變化來達到解決地質問題的一種地球物理勘探方法。該方法勘探深度范圍大，野外生產裝備輕便，適用于地形條件較差的地區，能夠有效發現地下埋深100～1 000 m 的不良地質體。

理論的基本模型是假設場源位于高空，地面電磁場為平面電磁波，地下介質在水平方向是均勻的。定義電磁波在地下介質傳播中，振幅衰減到地面振幅的深度為趨膚深度或穿透深度。觀測電場Ex和與之垂直的磁場Hy來計算卡尼亞視電阻率：

式中，ρk為卡尼亞視電阻率，Ω·m；Ex為電場分量，mV／km；Hy為磁場分量，nT；f為頻率，Hz。

根據電磁波的趨膚效應理論，可導出了趨膚深度公式：

式中，δ為探測深度，m；ρ為電阻率，Ω·m。

從上式（4）可見：高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深。頻率較高的數據反映淺部的地層電性特征，頻率較低的數據反映較深的地層電性特征。在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可確定大地的地電特征和地下構造。

3 方法應用研究

3.1 處理解釋思路

總體遵循綜合研究、面上控制、重點異常查證、點上突破、由已知到未知、由淺入深、循序漸進的原則開展資料解釋工作：①在全面收集工區以往地質、地球物理勘探及其他資料的基礎上，系統分析和綜合研究勘探區內的地質特征。②電性差異是開展物探工作的前提，是電法觀測結果進行解釋推斷的依據。全面收集和測量工區不同巖石電性參數，為研究異常性質打好基礎。③運用合理有效的技術、方法對電法資料進行精細處理，獲得可靠的物探成果。④基于已知地質資料及地質露頭等對電法剖面進行層位標定，結合本區巖石電性特征，研究物探異常與地層、構造的關系，確立以電法信息為主的地質異常物探特征。⑤異常劃定標準為通過巖性及地質異常體的物性統計及反演結果，與實測地質資料相結合，得出該工作區視電阻率異常大小的劃分標準。

3.2 成果解釋

1）高密度電法。過某井3 條平行高密度電法反演剖面如圖1、圖2、圖3 所示，其電性特征基本一致，共圈定出3 個低阻異常帶，分別為g1、g2 及g3異常。剖面南東端（大號里程方向）地形較平坦，地表出露巖性為石英砂巖，淺表層呈現高阻特征；剖面北西端（小號里程方向）地形坡度較大，淺表層呈現不均勻電性特征（圖1～圖3）。井場位于須家河組地層，巖性以砂巖為主，且井場位于向斜軸部，裂隙構造較為發育，地表水沿裂隙下滲，推測3個低阻異常帶為須家河組六段裂隙較為發育的充水砂泥巖地層所引起，富水性較強。高密度電法主要控制工區埋深100 m 以淺的地質異常體，可得出以下結論：①剖面電性特征是須家河組地層的反映，巖性以砂泥巖為主；②由于須家河組砂巖為含水層，節理裂隙發育，地表水沿裂隙下滲，在剖面上呈現淺表層電阻較高，其下有一層中低阻層的含水顯示。

圖1 M1線視電阻率反演剖面圖

圖2 M2線視電阻率反演剖面圖

圖3 M3線視電阻率反演剖面圖

2）音頻大地電磁法。過某井3 條平行音頻大地電磁法反演剖面如圖4、圖5、圖6所示。該3條平行剖面的電性特征基本一致，淺部須家河組地層整體呈現中低視電阻率的電性特征，屬于須家河組巨厚砂巖及裂隙的綜合電性反映。中深部因雷口坡組地層厚度僅105 m，電性反映較弱，因此該段電性主要為雷口坡組及嘉陵江組石灰巖的中高阻電性反映。3條剖面共圈定出6 個低阻異常帶，h1、h3 及h5 異常帶呈條帶狀，該區域為須家河組六段地層，h2、h4及h6 異常帶為須家河組四段地層，這兩段地層均為細粒—中粒砂巖孔隙裂隙含水層，富水性中等，透水性較強，為主要含水層。推測低阻異常帶由裂隙較為發育的充水砂泥巖地層所引起。鉆井平臺下方埋深428 m至深部電性曲線較為完整，呈現中高阻的電性特征，證明地層較為完整，未發現有明顯的異常。結合地面地質調查分析，南廣河海拔380 m，若存在斷裂構造，河流可能沿構造帶徑流。因此，綜合推斷雷口坡組至深部1 000 m以淺存在不良地質體的可能性較小。綜合得出音頻大地電磁法成果如下：①鉆井鉆遇地層為須家河組、雷口坡組及嘉陵江組對應的電性特征與地層巖性相一致，通過剖面電性特征能夠對須家河組及其下伏地層進行大致分層。②通過AMT剖面推斷須家河組底界面埋深平均約430 m，電性呈現中低阻形態。雷口坡組地層厚度約105 m，由于地層厚度較薄，與嘉陵江組地層電性區別不大，因此雷口坡組與嘉陵江組地層綜合呈中高阻反映。③須家河組地層有兩層低阻條帶，推斷為須四段、須六段的孔隙裂隙含水層。④調查鉆井平臺周圍雷口坡組地層，未發現溶洞、溶蝕漏斗及暗河出口，與電性呈中高阻特征相一致。

圖4 L1線視電阻率反演剖面圖

圖5 L2線視電阻率反演剖面圖

3.3 高密度電法+AMT綜合運用效果分析

圖6 L3線視電阻率反演剖面圖

通過高密度電法反演成果，發現在地表下方存在一處視電阻率低阻異常帶，推斷為裂縫含水引起。通過AMT 共發現兩處低阻異常帶，淺部的低阻異常帶與高密度電法成果吻合性較好，深部的低阻異常帶推測為須家河組四段的孔隙裂隙含水層。通過高密度電法與AMT 對比分析可以得出，鉆井平臺下方裂隙較為發育，高密度電法控制深度較淺，而AMT 控制深度較深。兩種方法互相參照、互為補充、綜合分析，效果較好。

4 結論

1）在鉆井平臺施工前圍繞井平臺開展綜合物探工作，采用高密度電法（針對于埋深100 m 以淺）、AMT（針對于埋深100～1 000 m），能夠有效查明鉆遇地層裂隙發育的情況，預測鉆井施工對環境的影響，為鉆井設計提供了支撐。

2）高密度電法控制深度較淺，而AMT控制深度較深。兩種方法互相參照、互為補充、綜合分析，效果較好。