綜合物探方法在鉆井平臺裂隙勘探中的應(yīng)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(fā)有限責(zé)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(zhì)計測株式會社實現(xiàn)了野外高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集，但并沒有充分發(fā)揮高密度電阻率法的優(yōu)越性。20 世紀80 年代后期至今，中國地礦部系統(tǒng)率先開展了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究，從理論與實際相結(jié)合的角度進一步探討并完善了方法理論及有關(guān)技術(shù)問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代高密度電法儀多采用分布式設(shè)計，相對于集中式設(shè)計而言，是將電極轉(zhuǎn)換功能放在電極上。分布式智能電極器串聯(lián)在多芯電纜上，地址隨機分配，在任何位置都可以測量，實現(xiàn)滾動測量和多道、長剖面的連續(xù)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(tǒng)和資料處理方式劃分為3個發(fā)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(shù)字化階段；可視化階段正在興起。工區(qū)開孔層位為上三疊統(tǒng)須家河組地層，須二段、須四段、須六段細?！辛Ｉ皫r孔隙裂隙含水層，砂巖裂隙廣泛發(fā)育。各類裂隙中又以層面裂隙及因?qū)娱g滑動所引起的扭裂最為發(fā)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(zhì)體做出科學(xué)解釋的一種地球物理勘探方法［1～8］。

1 工區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

工區(qū)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(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r為主夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖及角礫狀灰?guī)r，下部為白云質(zhì)灰?guī)r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?guī)r呈整合接觸。嘉陵江組為一套淺?！獫暫嗵妓猁}巖沉積，底為過渡層，即銅街子段，與下伏飛仙關(guān)組為連續(xù)沉積。

1.2 地球物理特征

為了更準確了解區(qū)內(nèi)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(tǒng)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?guī)r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(xiàn)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(qū)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(tǒng)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(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)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(shù)據(jù)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(zhì)勘查任務(wù)。該方法勘探深度較淺，是一種快速、高效、經(jīng)濟的淺表裂隙構(gòu)造勘察手段，這種方法能夠有效地發(fā)現(xiàn)地下埋深100 m以淺的不良地質(zhì)體，并較為準確地確定不良地質(zhì)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(fā)射電流，電流產(chǎn)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(shù)，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(guān)，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(shù)，并通過研究地電斷面的變化來達到解決地質(zhì)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(chǎn)裝備輕便，適用于地形條件較差的地區(qū)，能夠有效發(fā)現(xiàn)地下埋深100～1 000 m 的不良地質(zhì)體。

理論的基本模型是假設(shè)場源位于高空，地面電磁場為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的。定義電磁波在地下介質(zhì)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(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可導(dǎo)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(shù)據(jù)反映淺部的地層電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)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(gòu)造。

3 方法應(yīng)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(qū)以往地質(zhì)、地球物理勘探及其他資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析和綜合研究勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)特征。②電性差異是開展物探工作的前提，是電法觀測結(jié)果進行解釋推斷的依據(jù)。全面收集和測量工區(qū)不同巖石電性參數(shù)，為研究異常性質(zhì)打好基礎(chǔ)。③運用合理有效的技術(shù)、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(zhì)資料及地質(zhì)露頭等對電法剖面進行層位標定，結(jié)合本區(qū)巖石電性特征，研究物探異常與地層、構(gòu)造的關(guān)系，確立以電法信息為主的地質(zhì)異常物探特征。⑤異常劃定標準為通過巖性及地質(zhì)異常體的物性統(tǒng)計及反演結(jié)果，與實測地質(zhì)資料相結(jié)合，得出該工作區(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(gòu)造較為發(fā)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(fā)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(qū)埋深100 m 以淺的地質(zhì)異常體，可得出以下結(jié)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(jié)理裂隙發(fā)育，地表水沿裂隙下滲，在剖面上呈現(xiàn)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(xiàn)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?guī)r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(qū)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?！辛Ｉ皫r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(fā)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(xiàn)中高阻的電性特征，證明地層較為完整，未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常。結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查分析，南廣河海拔380 m，若存在斷裂構(gòu)造，河流可能沿構(gòu)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(zhì)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(yīng)的電性特征與地層巖性相一致，通過剖面電性特征能夠?qū)毤液咏M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(xiàn)中低阻形態(tài)。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(qū)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(diào)查鉆井平臺周圍雷口坡組地層，未發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(jié)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(fā)育的情況，預(yù)測鉆井施工對環(huán)境的影響，為鉆井設(shè)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。