川南地區頁巖氣井平臺鉆前電法勘探方法對比研究

余長恒, 張光大, 鄭 健, 王安平, 張旭林,楊 揚, 劉 磊, 李 易

(1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川長寧天然氣勘探開發有限責任公司，成都 610056；3.自然資源部復雜構造區頁巖氣勘探開發工程技術創新中心，成都 610072)

0 引言

四川南部宜賓地區屬于頁巖氣優質區塊，頁巖氣藏潛力巨大。但是由于該區地形地質條件、水文地質條件、地下巖溶發育等十分復雜，頁巖氣井平臺在選址、施工過程中會遇到各種困難。常見的1 000 m以淺鉆遇地層主要有沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組和飛仙關組，巖性主要有砂巖、泥巖和鹽酸鹽巖。碳酸鹽巖在川南地下巖溶、暗河十分發育，形成了錯綜復雜的地下管網，砂巖節理裂隙發育，富含水、導通性強。鉆井平臺在不同的開孔層位，地表水、地下水對井平臺建設、鉆井施工的影響程度各不相同，鉆井液沿裂隙、裂縫、巖溶管道漏失的特征也各不一樣。因此，在研究區開展鉆前勘探具有十分重要的意義。

目前國內、外針對裂縫、洞穴、巖溶[4]的勘探方法較多，常規電法(直流電阻率法、高密度電法等)；頻率域電磁法(瞬變電磁法、大地電磁法等)；彈性波法(淺層地震折射波和反射波法、地震波CT層析成像、井間超聲波層析成像、瑞雷面波、地質雷達等)。在進行鉆井平臺勘探過程中，什么勘探方法最有效、施工周期最短、經濟成本最低，將是本次研究工作的重點任務，研究區主在在宜賓地區興文縣、珙縣、筠連縣境內(圖1)。

圖1 研究區地質背景與地理位置圖

1 鉆前電法勘探的必要性

1.1 地形地質條件復雜

四川南部宜賓地區屬于山區地形，溝壑縱橫，地形切割較深，地貌以中～高山為主，砂泥巖出露區：砂巖節理裂隙發育，易形成陡坎、陡崖，崩塌、滑坡、松散堆積體等地質災害發育；碳酸鹽巖出露區：喀斯特地貌發育，井區的雷口坡組(T2l)和嘉陵江組(T1j)地層，沿巖層走向、傾向到處可見溶蝕槽谷和落水洞，巖溶十分發育。

1.2 水文地質條件復雜

研究區水系[5]特別發育，有南廣河和長寧河兩大水系，有38條主要支流，地下發育有2條地下暗河，1條伏流，13個下降泉，111個出水點；沉積巖以碎屑巖類為主[6]，碳酸鹽巖類及泥巖類次之，裂隙和巖溶管道發育，具有豐富的紅層水、碎屑巖孔隙裂隙水和巖溶水，形成了復雜的水文地質條件。

1.3 地下巖溶發育復雜

巖溶發育受氣候、地下水、地質構造、巖性等因素的控制。研究區屬亞熱帶氣候，溫暖潮濕，這種氣候給巖溶發育創造了極為有利的條件。研究區巖溶在不同層位(主要是雷口坡、嘉陵江和飛仙關組地層)大量發育巖溶及巖溶管道，即使同層位地層的巖溶管道也存在有多期次發育特征。即先期(淺部)形成的溶洞已干涸，只有在雨后才有水流動，部分區域地下水的深循環作用，而導致巖溶在侵蝕面以下深部發育。

1.4 巖溶對鉆井工程的影響

鉆井過程中若遇到巖溶，容易引起卡鉆、掉鉆、鉆井液漏失等問題。研究區巖溶發育具有不規則性、空洞大小變化很大，小到零點幾米，大到幾十米不等，當鉆進至巖溶時，輕則出現放空現象，重則發生卡鉆、掉鉆等孔內事故。鉆遇巖溶通道時，將會引起鉆井液嚴重漏失，對工程施工造成損失，對生態環境造成影響。

1.5 鉆井液漏失對環境的影響

鉆井過程中遇裂隙破碎帶、地下巖溶，極易發生鉆井液漏失情況，對地下水及區域水環境造成一定影響，而且這些污染具有隱蔽性、延時性等特點，對環境生態的破壞影響較大。研究區部分鉆井平臺施工過程中，已經有鉆井液嚴重漏失的情況，對生產施工及環境造成有一定的影響。

1.6 常見不良地質體及其鉆井工程的影響

研究區巖溶、裂隙及破碎帶為主要地質異常體[7]，鉆遇該類異常時，易引起掉鉆、卡鉆、井液漏失等事故，特別是巖溶管道(地下暗河)發育極具隱蔽性，發生井液漏失導通性極強，對水源及環境影響巨大。其次是砂泥巖開孔地區，淺表坡積層較厚，大塊孤石容易給鉆井平臺工程勘察造成誤判，平臺基礎持力層難于進入基巖，在后期受鉆井動荷載影響，鉆井平臺基礎不均勻沉降，引起井架及鉆井設施傾斜等事故。

2 技術路線與研究方法

2.1 物性特征分析

在收集研究區周邊及以往工作鄰區的測井、電性資料基礎上，在研究區采集了300件巖樣進行室內物性測試，統計結果見表1。

表1 工作區巖石電阻率物性參數統計表

通過物性測試統計結果可知：不同巖性之間存在較明顯的電性差異[8]。泥巖電阻率最低，一般在80 Ω·m～180 Ω·m之間，在研究區屬低電阻率；砂巖電阻率次之，一般在260 Ω·m～700 Ω·m之間，在研究區屬中電阻率；灰巖電阻率最高，一般在2 000 Ω·m～6 300 Ω·m之間，在研究區屬高電阻率。空洞不含水、無充填狀態下，一般呈高電阻率；空洞充水或泥沙一般呈低電阻率。相鄰地層自流井組和須家河，雷口坡組和嘉陵江組沒有較明顯的電性差異，而須家河組與雷口坡組有較明顯的電性差異。綜上所述，研究區具備開展電法工作的地球物理前提條件。

2.2 方法選擇及參數

2.2.1 方法的有效性對比分析

在巖溶地區的物探勘查方法中主要有電阻率法、高密度電法、地質雷達、瞬變電磁法、音頻大地電磁法等。

1)電阻率法是早期巖溶勘察中運用最多的物探方法，它包括電剖面和電測深法。在巖溶勘察中更多的是使用電測深法進行勘探。電測深法對勘察隱伏淺層巖溶較為有效，它具有體積勘探效應，除探測測點下方垂線上的巖溶情況，同時還能探測鄰區一定范圍(與電場分布有關)地下巖石的電阻率異常信息，但電測深方法在山區施工效率低、分辨能力不足，不適合川南山區地形。

2)高密度電法在勘察溶洞、溶蝕裂隙、巖溶通道發育情況等方面，能取得較好的地質效果。高密度電法是一種快速、高效、經濟的淺表巖溶構造勘察手段，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，較為準確地確定不良地質體存在的位置及大小。

3)地質雷達在探測巖溶方面是一種高效、直觀、連續無破壞性物探方法，提供的資料圖件為連續的平面和剖面形態，但對溶洞大小的預測比實際尺寸偏大，且存在線性相關關系，由于巖溶本身的空間形態發育非常復雜，大量溶蝕構造形態發育時，反射波電信號相互干擾、重疊、造成探測結果擴大化：此外，地質雷達在巖溶地區的探測還受到上覆土層厚度和地下水的影響，且探測深度較小，要求地形相對平坦，因此不適合在川南山區開展工作。

4)瞬變電磁法對高電阻率背景中低電阻率異常體具有靈敏地分辨能力，具有探測地下埋深100 m～400 m以淺不良地質體的能力。

5)音頻大地電磁法。勘探深度范圍大，采用天然場源，野外生產裝備輕便，適應于地形條件較差的山區，能夠快速有效地發現地下埋深1 000 m以淺的不良地質體。

6)淺層地震法。是通過研究人工震源激發所產生的地震波在地下介質中的傳播規律來解決地質問題的一種物探方法。在淺層地震勘探技術中，常被用來勘察巖溶地質的勘察方法包括：地震波CT層析成像技術、井間超聲波層析成像技術、瑞雷波面法等。鉆前勘查均是在鉆井之前施工，因此無井間施工條件，且川南淺部地層受地形切割、構造等影響，巖層破碎，地震反射條件差，因此淺層地震不適合川南山區地形。

綜上所述，在巖溶地區，由于巖溶在空間上發育不均一性和巖溶水文地質條件的復雜性以及地形的多樣性，一些常規物探方法(如電阻率法、地質雷達法、淺層地震法)一定程度上受到限制。因此，采用高密度電法、瞬變電磁法以及音頻大地電磁測深法對地下巖溶進行多方法、多尺度的電法勘探，能夠有效查明1 000m以淺溶洞、裂隙破碎帶及其他不良地質體的發育情況，為鉆探工作規避鉆、孔漏等風險提供科學依據。

圖3 5 A發射電流采集原始曲線

圖4 10 A發射電流采集原始曲線

2.2.2 野外作業參數試驗與對比

1)高密度電法。選擇在已知溶蝕塌陷地方(圖2)分別進行了裝置變換試驗、道間距選擇試驗、淺表電性不均勻性處理試驗、提高分辨率處理試驗、高密度電法剖面層數等參數試驗[9]，結果得出最優的巖溶勘查效果參數如下：①采用溫納裝置；②道間距5 m；③對淺表數據的選擇性篩選刪除和改變阻尼系數；④精細網格處理；⑤在120道的情況下選擇剖面數為36剖面層數。

圖2 已知溶蝕塌陷區溫納裝置反演成果圖

2)瞬變電磁法。發射電流大小是影響勘測深度及接收信號質量好壞的一個主要因素，電流越大，一次場的影響越深，激發的二次場的強度也越大，探測深度也越深，信號質量越好。本次工作開展進行了5 A、10 A及12 A電流試驗工作：

對比圖2～圖5可知，發射電流較大時，原始曲線更為光滑，5 A不能滿足要求，數據質量差，而10A及12 A數據質量基本一致，低頻信號數據質量更好，因此本次工作采用10 A及更大發射電流。

圖5 12 A發射電流采集原始曲線

接收時間長短能影響疊加次數，疊加次數的增加能有效壓制隨機干擾。本次工作采用的儀器只需要給定總的采集時間和最低頻率的最少采集時間后，儀器自動進行疊加。在進行試驗時，選擇了1 min、3 min、5 min，測試原始曲線如圖6、圖7、圖8。

圖6 1 min接收時間采集原始曲線

圖7 3 min接收時間采集原始曲線

圖8 5 min接收時間采集原始曲線

對比圖6～圖8可知，1 min原始曲線由于采集時間較短，導致疊加次數較少，數據質量不佳，而3 min及5 min采集時間，數據質量差別不大，因此在采集3 min的基礎上可盡可能加大采集時間。

由試驗工作，最終確定研究區瞬變電磁法采集參數：發射電流≥10 A；采集時間≥3 min；發射頻率為25 Hz和5 Hz；發射邊長為400 m*400 m；接收框面積為100 m2。

3)音頻大地電磁法。在同一無電磁干擾點位用同一儀器進行了極距試驗，其目的是為確定較合理的極距長度，為井區提供統一的極距參數。本次研究工作進行了10 m、20 m、40 m及60 m極距試驗。

由圖9可見，10 m、20 m的極距曲線在中低頻不連續、不平滑，說明其采集到的數據不穩定，信號強度弱，壓制隨機干擾和噪聲的能力弱。而40 m、60 m極距的曲線在全頻段均連續平滑，說明40 m和60 m極距的采集數據中，其電道和磁道的采集信號強且穩定，能得到可靠的數據。

圖9 不同電極距測試曲線對比圖

綜上所述，10 m、20 m極距不能滿足數據質量要求，而40 m、60 m極距均能采集到可靠的數據，兼顧施工進度和效率，最終選擇極距長度為40 m。最終確定本研究區音頻大地電磁法采集參數：接收電極距為40 m，采集頻率為0.35 Hz～10 400 Hz,張量采集。

2.3 地質體電性識別

巖溶勘查重點探測井區巖溶、溶蝕塌陷、裂縫的分布特征，也就是重點研究視電阻率低/高阻異常特征，因此在地面已知巖溶、溶蝕塌陷及裂縫處進行了測試，并進行了資料處理反演。

2.3.1 巖溶電性識別特征

1)干枯巖溶。通過在研究區已知干枯巖溶(地名大牛洞，圖10)位置測量所得的高密度數據經過處理反演后，反映出干枯巖溶的視電阻率值為20 000 Ω·m～120 000 Ω·m(104.3-105.1)，屬于高視電阻率范圍，該區干枯巖溶高阻電性特征明顯。

圖10 干枯巖溶電性識別成果圖

2)含水巖溶。通過在研究區已知含水巖溶(地名大龍眼，圖11)位置測量所得的高密度電法后，反映出含水巖溶高密度電法視電阻率值為20 Ω·m～100 Ω·m(101.3-102)，屬于低視電阻率范圍，該區含水巖溶[11]低阻電性特征明顯。

圖11 含水巖溶電性識別成果圖

2.3.2 裂縫電性識別特征

通過在已知充水裂縫(圖12)位置測量所得的高密度電法后，反映出充水裂縫視電阻率異常呈條帶狀形態，視電阻率值為2 Ω·m～10 Ω·m(100.2-101)，屬于低視電阻率范圍，該區充水裂縫低阻電性特征明顯。

圖12 充水裂隙電性識別成果圖

通過在研究區已知干枯裂縫(圖13)位置測量所得的高密度電法后，反映出干枯裂縫視電阻率異常亦呈條帶狀形態，視電阻率值為12 000 Ω·m～20 000 Ω·m(104.1-104.3)，屬于中高視電阻率范圍，該區含干枯裂縫中高阻電性特征明顯。

圖13 干枯裂隙電性識別成果圖

2.3.3 溶蝕塌陷電性識別特征

通過在研究區已知溶蝕塌陷(圖2)位置測量所得的高密度電法后，反映出溶蝕塌陷視電阻率異常呈現淺部低阻、中深部呈現中高阻的形態，該區溶蝕塌陷異常特征明顯。

2.4 組合探測方法試驗與應用

2.4.1 含水裂縫組合探測方法

圖14為屬于同一地表裂隙上的高密度電法、瞬變電磁法及音頻大地電磁測深法視電阻率反演剖面圖。

通過高密度電法反演成果，發現在地表裂縫下方存在一處視電阻率低阻異常，推斷為裂縫深部含水引起，該裂縫影響深度約地下120 m，通過高密度電法、瞬變電磁法與音頻大地電磁法相重合剖面(圖14)對比分析可以得出，地下裂隙含水帶在深部沿地層走向發育。

圖14 含水裂縫高密度、音頻大地電磁法、瞬變電磁法反演成果對比圖

通過在已知充水裂縫位置(圖15)進行瞬變電磁的網度布置，TEM法能快速的平面網度測量，所得的瞬變電磁法成果(圖16)，可以有效地控制充水裂隙異常在平面及深度上發育情況。

圖15 含水裂縫瞬變電磁法測線布置圖

圖16 含水裂縫瞬變電磁法反演成果圖

2.4.2 干枯巖溶組合探測方法

圖17為高密度電法、瞬變電磁法及音頻大地電磁測深法視電阻率反演剖面圖。

通過高密度電法與音頻大地電磁法相重合剖面(圖17)對比分析可以發現，兩種方法對地下同一干枯巖溶反映的電性特征較吻合，均表現出視電阻率高阻異常。

圖17 干枯高密度、音頻大地電磁法、瞬變電磁法反演成果對比圖

結合同位置所測得的瞬變電磁法反演剖面，對地下干枯巖溶反映不是很明顯，僅對含水異常反映較明顯[12]，因此TEM法能有效的探測高阻中的低阻異常，但在干枯巖溶異常識別方面低于高密度電法和AMT法。

2.5 電法成果三維可視化立體顯示

通過各巖性及地質異常體的物性統計及反演結果，換為三維的模型數據，通過三維圖像信息提供直觀的地球物理信息[10]，可較好突顯異常體在空間位置上的展布形態，直觀性和立體型較強，相對于二維反演圖更直觀，立體顯示物探成果，為鉆井設計提供有效的地質依據。

3 應用效果與經濟價值

在頁巖氣鉆井前，應用上述多尺度組合物探方法，能夠有效地查明擬鉆井位置深部的巖溶、暗河、煤礦、采空區、巖石裂隙以及斷層破碎帶等不良地質體的規模、位置和發育情況，目前該組合探測技術，現已成為川南地區頁巖氣井位部署、鉆井設計、措施制定等關鍵技術環節的重要支撐手段。

3.1 井身結構優化

開孔在碳酸鹽、須家河、龍潭等地層時，鉆井淺部常見巖溶管道、煤礦采空區等不良地質現象，造成掉鉆、井液泄露，不但影響鉆井工期，還會對周邊水源造成影響，因此在此地質類型開孔平臺，井身結構設計時，一般采用4層～5層套管設計。

在開展鉆前組合物探方法技術后，可以對地表到1 000 m深度的暗河、煤礦采空區、地下水、淺表堆積層、巖溶形態作出精細解釋，根據探測成果對原井身結構進行優化，井身結構優化可分為兩個方面：①探測成果顯示巖溶管道不發育、煤礦采空區不涉及、水源無影響的鉆井平臺，其井身結構可適當簡化，即減少原井身設計套管層數，從而降低了成本開支，節約了施工周期；②在探測成果顯示平臺下伏地層電性異常明顯平臺，對井身結構調整，以防止工程事故、水體污染等事故的發生。

3.2 平臺位置優選

川南地區，人居密集，飲用水保護區多，社會和環境敏感程度高。通過該組合探測技術能夠查明鉆井周邊出水點類型(碳酸鹽類裂隙溶洞水、碎屑巖類孔隙裂隙水)，摸清主要排泄點水源的主要來源方向、地下徑流主通道位置，與鉆井之間水源連通關系，為頁巖氣鉆井平臺選址提供環境安全區域，避開影響水資源的補給通道，為鉆井平臺環境影響評價報告提供水源連通性評價的重要科學依據，為當地水資源保護與經濟建設協調發展中起到了重要支撐作用。

圖18 研究區某平臺音頻大地電磁法三維立體效果圖1

圖19 研究區某平臺音頻大地電磁法三維立體效果圖2

4 結論

由于川南地區地質的復雜性，必須采用多種物探方法相結合的方式，才能獲取到與實際地質背景相符的信息。根據不同地層、地質條件等綜合因素，合理制定勘查方案是頁巖氣鉆井平臺鉆前電法勘探的關鍵。

通常情況下，通過地質調查+高密度電法+瞬變電磁法(TEM)+音頻大地電磁法(AMT)的組合勘查方法能夠有效查明鉆井平臺下方1 000 m以淺各類不良地質體，為鉆井平臺的選取，為環境影響評價和優化鉆井施工設計提供借鑒。