電法組合勘探在頁巖氣平臺采空區勘查中的應用

周慧瑩 劉金輝 陳杰

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610072）

0.引言

近年來，四川盆地威遠區塊龍馬溪組頁巖氣開發效果好，作為國家頁巖氣開發試點區，是全國頁巖氣勘探開發的主戰場。此區塊的須家河組地層發育多套煤層，威遠區塊中部至北部區域由于須家河組地層埋深較淺，煤礦開采較普遍，且有較普遍的私挖亂采無相應開采手續的現象，造成煤礦采空區展布情況不明，可能給后續鉆探帶來工程風險及生態環境風險。為了詳細勘查和落實頁巖氣平臺周邊煤礦采空區的分布情況，尤其是煤礦坑道、規模和走向，規避鉆井及環保風險，本次工作選擇高密度電法、瞬變電磁法和音頻大地電磁法3 種方法相結合的方式探測，結合一定工作量的地質調查工作查明平臺及周邊地下煤礦采空區、斷層破碎帶、巖溶、暗河及裂隙發育情況，通過一定程度的水文地質調查工作查明泉、井、池塘、地下水等水文地質情況，為鉆探施工規避鉆漏風險提供設計依據，也為后期的工程設計、建設及運行期的環境管理提供科學依據，做到經濟建設與環境保護協調發展。

1.工區概況

工區內頁巖氣鉆井平臺鉆孔目的層為志留系下統龍馬溪組，鉆遇地層自上至下依次為下沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組、長興組、龍潭組、茅口組、棲霞組、梁山組及龍馬溪組。平臺預設井口位置地表出露地層為侏羅系下沙溪廟組砂泥巖互層，預設井口位置1000m 以淺下伏地層由上至下主要為：下沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組和嘉陵江組。工作區內，含煤地層主要分布在須家河組內，可進行商業開采煤層分布于須家河組一、三、五段，本區主要開采煤層為須家河組五段的高炭煤層，高炭煤層為復煤層厚度為0.8m ～1.5m，一般由三層煤和兩層矸石組成，結構穩定，總厚度在0.4m ～1.3m。

2.地球物理特征

工作區出露主要巖層有第四系的粘土、下沙溪廟組、自流井組、須家河組。根據實地測量視電阻率統計值及收集資料情況，砂巖、泥巖、灰巖等巖性的視電阻率值詳見表1。

表1 巖石電阻率值統計匯總表

通過對表1 中各地層不同巖性的視電阻率特征進行總結分析，同時結合以往鄰區工作成果中對已知采空區的特征描述，能夠得出以下兩點認識[1]：

（1）泥巖的視電阻率相對較低，其電阻率分布范圍通常為22Ω·m ～163Ω·m，在工作區內相對圍巖電阻率偏低；灰巖的視電阻率相對較高，其電阻率分布范圍通常為1400Ω·m ～5000Ω·m，在工作區內相對圍巖電阻率偏高；地層中采空區在充水條件下視電阻率會偏低，充水后其電阻率分布范圍通常為1Ω·m ～40Ω·m，在工作區內的電阻率最低；地層中采空區在不充水條件下視電阻率會偏高，高于灰巖的視電阻率值，其電阻率通常在8000Ω·m以上。（2）通常，采空區、巖溶發育區、斷層破碎帶、構造發育區等與完整巖層的導電性能不同，造成電性響應特征的差異，即電法勘探所獲得的視電阻率存在差異，可以利用這樣的差異來查明采空區、巖溶等特殊地質體。地球物理勘探的本質是探測目標體與環境的地球物理響應特征差異，以上兩點物性差異為工作區內部署高密度電法、瞬變電磁法以及音頻大地電磁法提供了前提條件。

3.成果剖面

通過在已知采空區測量所得的瞬變電磁法經過處理反演后，反映出充水采空區視電阻率值大致在為3Ω·m ～40Ω·m 范圍，與物性測試及反演成果異常劃分標準基本符合，并與實測的地質資料相結合，綜合分析圈定采空區異常。已知充水采空區的電性特征明顯，主要呈現兩點電性特征：（1）采空區范圍內存在延伸的低阻條帶狀異常特征；（2）采空區附近視電阻率等值線發生擾動，等值線不連續且急劇變化[2-3]。

如圖1 所示，通過L1 線AMT 視電阻率反演剖面可以看出：整體反演剖面電性特征反映明顯，成層性較好，自上而下依次呈現下沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組地層電性特征，視電阻率等值線形態反映出地層向南東方向傾斜，與地表地質調查較吻合。L1測線在里程0m ～300m、海拔0m ～200m 存在一明顯的M1 異常,該異常呈中低阻條帶狀電性特征，結合地質資料綜合分析，推測M1 中低阻異常亦由須家河組五段高炭已知采空充水引起。中深部雷口坡組及嘉陵組地層視電阻率等值線亦較為均勻，未發現明顯電性異常。

圖1 音頻大地電磁法L1線視電阻率反演剖面綜合推斷圖

4.地質成果

（1）通過高密度電法、瞬變電磁法及音頻大地電磁法經過處理反演后，反映出下沙溪廟組地層視電阻率為中低阻、須家河組地層視電阻率為中阻、雷口坡組地層視電阻率為中高阻、嘉陵江組地層視電阻率為高阻，整體呈現中低—中—中高—高的電性變化規律，與物性測試反映出的地電信息吻合性較好，依據充分，反映可靠。（2）根據收集的鄰區資料以及地質露頭等資料數據對電阻率反演斷面進行標定，分析已知采空區電阻率反演剖面上的特征，同時結合工作區內巖石的物性（電性）特征，綜合分析研究電性異常響應特征與地層、構造之間的關系，確定各類地質異常引起的電性異常響應特征。對電法資料，運用合理有效的技術、方法進行精細處理，獲得可靠的物探成果，解釋結果與實際地質資料吻合性較好，符合地質規律。（3）瞬變電磁法及音頻大地電磁法推測的M1 異常為須家河組五段高炭已知采空充水所引起，相互驗證平臺下方無采空。

5.結語

本次工作采用“3+2”的組合勘探方法，即采用高密度電法、瞬變電磁法（TEM)和音頻大地電磁法（AMT）3 種物探方法，結合地質調查及水文地質調查，進行綜合勘探，圈定了采空區范圍，經鉆孔驗證成果可靠，為頁巖氣平臺預測了鉆井風險，又節約了成本，取得了良好的效果。