广域电磁法在南华北盆地长山隆起页岩气资源潜力评价中的应用
[凌帆1, 2 
, 朱裕振3 , 周明磊3 , 田红军4 ]
, 朱裕振, 周明磊引用本文
凌帆, 朱裕振, 周明磊, 田红军. 广域电磁法在南华北盆地长山隆起页岩气资源潜力评价中的应用[J]. 物探与化探, 2017,41(2): 369-376.
LING Fan, ZHU Yu-Zhen, ZHOU Ming-Lei. Shale gas potential assessment of Changsan uplift area in southern North China basin by using wide field electromagnetic method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 369-376.
Doi:10.11720/wtyht.2017.2.28LING Fan, ZHU Yu-Zhen, ZHOU Ming-Lei. Shale gas potential assessment of Changsan uplift area in southern North China basin by using wide field electromagnetic method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 369-376.
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广域电磁法在南华北盆地长山隆起页岩气资源潜力评价中的应用
作者简介: 凌帆(1984-),男,博士,湖南长沙人,主要从事广域电磁法理论及应用研究工作。Email:168118792@qq.com
摘要
采用广域电磁法在南华北盆地长山隆起地区进行探测,基本查明了工作区内基底起伏、埋藏深度和地层在空间上的主要分布,揭示了低阻区域的埋藏深度和厚度,从而确定了寻找页岩层的有利地段,解释结果得到钻孔验证,取得了较好的地质效果。勘探成果为确定页岩气开采“靶区”和“甜点区”提供了极为有用的地质地球物理信息,同时验证了广域电磁法探测页岩气赋存地层的有效性。
关键词:
广域电磁法; 南华北盆地; 页岩气; 潜力评价
中图分类号:P631
文献标志码:A
文章编号:1000-8918(2017)02-0369-08
Shale gas potential assessment of Changsan uplift area in southern North China basin by using wide field electromagnetic method
Abstract
Using the Wide Field Electromagnetic Method, the authors ascertained the tectonic framework of the Changsan uplift area in southern North China basin. The relief and the burial depth of the basement, the main distribution of the strata in the work area were found out. The burial depth and the thickness of the low resistivity zone were determined so as to determine the favorable location of the shale layer. Interpretation results were verified by drilling recorder, and better geological achievement was gained. The results of the exploration provide very useful geological and geophysical information for the shale gas 'target' and 'dessert' area exploitation and show clearly the validity of the wide field electromagnetic method in detecting shale gas strata.
Keyword:
wide field electromagnetic method; southern North China basin; shale gas; potential assessment
0 前言
我国页岩气资源储量丰富, 开发潜力巨大, 近5年来, 中国页岩气勘探开发实现了跨越式发展, 成为继美国、加拿大之后第三个实现页岩气工业化生产的国家[1]。我国复杂的地质背景导致了页岩气形成与富集地质条件的复杂, 研究、总结识别富有机质页岩层系的地球物理分布特征, 具有重要的现实意义[2, 3, 4, 5]。非地震勘探, 特别是电法勘探技术, 在盆地基底结构研究、油气资源勘探、环境和工程领域等都发挥出了重要的作用。近年来, 因具有抗干扰能力强、工作效率高、测量精度高、成本低、勘探深度大等优点[6, 7, 8], 广域电磁法在探测页岩气方面取得了一系列可喜的成果[9, 10, 11, 12]。
南华北盆地是我国油气勘探历史较长、但仍未取得工业性突破的地区之一。2000年首次报道了华北盆地南缘发现寒武系烃源岩[13], 后来在马店组三段页岩中发现了较好的烃源岩显示, 对拓展该区的页岩气勘探新区新领域具有一定意义[14]。但目前油气地质条件研究主要依据露头研究, 而优质烃源岩出露点少, 导致调查研究程度较低, 对该区的中上元古界— 下古生界油气成藏规律和保存条件认识不足, 因而造成对整个地区油气勘探有利区带缺乏清晰的认识。
通过在南华北盆地南缘长山隆起区开展广域电磁法探测, 研究其深部电性结构, 进而推断研究区地层、构造分布特征, 指明了页岩气成藏有利区域, 为确定页岩气开采“ 靶区” 和“ 甜点区” 提供了极为有用的地质地球物理信息。
1 地质特征
研究区发育元古界青白口— 震旦系、下古生界寒武— 奥陶系、中生界侏罗— 白垩系、新生界新近— 第四系等多套地层。下寒武统马店组/东坡组— 辛集组是南华北地区烃源岩地球化学评价最好、油气显示最丰富的烃源岩, 其沉积时期南华北地区逐渐转化为成熟的被动大陆边缘, 南邻秦岭洋, 中北部为台地沉积, 二者之间为台缘斜坡过渡相区(图1)。马店组烃源岩主要为台缘斜坡过渡相的深灰— 灰黑色含磷泥页岩及灰黑色碳酸盐岩, 有效烃源岩残留分布在信阳— 合肥盆地北缘和周口盆地东南部。
 | 图1 南华北地区现今构造区划简图与马店组晚期沉积相 |
在长山隆起复向斜中, 西次级向斜的下古生界— 新元古界地层埋深较深。例如:西次级向斜东翼的周参6井钻达井深3 209.88 m, 证实寒武系顶界埋深 1 600 m; 在2 500 m左右钻遇马店组/东坡组— 辛集组烃源岩, 厚度53 m, 有很好的油气显示; 揭露的新元古界地层(未穿)厚634 m[15]。东次级向斜的新元古界— 下古生界地层埋深较浅, 推测最大埋深1 500 m。
南华北地区新元古界— 下古生界最有利烃源岩层段为寒武系马店组页岩和青白口系张渠组— 魏集组的泥灰岩; 热演化程度高, 处于过成熟阶段; 干酪根类型为腐泥型。
2 测区地质及地球物理特性
地层岩石的电性差异是引起电阻率异常的基本因素, 因此, 了解地层岩石的电阻率参数是做好广域电磁法资料解释工作的基础。测区位于河南省固始县, 由于工区内基岩出露较少, 主要依据工区内的长页1井电测井资料(表1)对电性进行分析。
本区馒头组、马店组三段的泥页岩与上覆的徐庄组、张夏组灰岩以及下伏马店组二段灰岩、元古界震旦系白云岩均有明显的电阻率差异, 灰岩的电阻率一般大于1 000 Ω · m, 表现为高阻, 泥页岩的电阻率一般小于200 Ω · m, 表现为相对低阻。不同地层岩性之间的电性差异为广域电磁法的应用提供了良好的地球物理前提。
 | 表1 长页1井初步地层划分及电性参数推断 |
 | 图2 河南省固始县测区物探测线布置示意 |
本次工作的主要目的是基本查明工作区内断层展布和构造格局及基底起伏和埋藏深度; 查明工作区内奥陶系下统馒头组、马店组泥页岩的厚度、埋深及分布范围等信息; 结合“ 长页1井” 成果, 初步评价南华北盆地长山隆起区页岩气资源潜力, 为圈定资源潜力远景区提供地球物理依据。为此, 布置了2条工程测线, 其中EW线长21.7 km, SN线长10.7 km, 2线呈十字交叉, 如图2所示。
3 方法与仪器
3.1 方法原理
广域电磁法是何继善院士相对于传统的可控源音频大地电磁法(CSAMT)和磁偶源频率测深法(MELOS)提出来的, 既继承了CSAMT使用人工场源克服场源随机性的优点, 也继承了MELOS方法非远区测量的优势, 用适合于全域的公式计算视电阻率, 大大拓展了人工源电磁法的观测范围, 提高了观测速度、精度和野外效率。
可控源音频大地电磁法要求在远区测量一对相互正交的电场、磁场分量, 同样计算二者之比(阻抗)来提取地下的视电阻率:
当观察点距离场源非常远, 近似地有
和
|Hr|≈
仿照MT的做法, 提取卡尼亚视电阻率
但是, 式(5)是个近似公式, 对于非“ 远区” , 将不能利用式(5)计算视电阻率。
为了在不满足“ 远区” 条件的广大区域能够进行电磁测深, 何继善院士提出广域电磁测深法。其算法是直接从式(1)、(2)出发, 或者转换到直角坐标:
式(6)是均匀大地表面上水平电偶极源的Ex的严格的、精确的表达式。根据式(6)可以定义广域意义上的视电阻率
式中:
在包括远区也包括部分非远区在内的广大区域进行测量, 观测人工源电磁场的一个分量, 计算广域视电阻率值, 这就是广域电磁法的基本原理。
3.2 观测装置
观测装置见图3所示, AB场源尽可能平行于测线方向布设, 方位误差小于1° 。对于长剖面线(EW 线, 见图2), 在保证一定的信噪比以及场源所覆盖25° 张角范围内, 布设2个场源来控制测线, 场源AB长度控制在1 km左右, 收发距r1≈ 16 km, r2≈ 15 km, 其中2个场源接头处重复测量的覆盖点为10个。SN线场源AB长度控制在1 km左右, 收发距r≈ 17 km。
3.3 仪器设备
野外采用湖南继善高科技有限公司最新研制开发的JSGY-2广域电磁仪(图4), 该仪器集自动化、小型化、轻便化、节能化于一身, 可广泛应用于油气藏、页岩气等探测领域。
 | 图3 电磁法供电接收系统 |
该仪器接收系统主机采用先进的军用笔记本, 方便携带, 同时, 通过高性能的计算机平台可轻松完成多个通道并行高速数据的实时采集、运算和处理, 系统携带的高亮触摸液晶显示屏和基于Windows的操作软件为用户提供了方便、友好的操作。
发送系统包括轻便的信号控制器和电源柜, 主要用于广域信号的发送。系统设计时严格将强电系统和控制系统分离, 既保证了操作人员的安全, 也减少了强电系统对控制系统的影响。高精度时钟源和数字信号合成技术确保发送信号频率准确无误, 搭载信号控制器可一次完成多个频率的发送, 工作效率高。
 | 图4 JSGY-2广域电磁仪系统 |
4 成果解释
4.1 EW线
EW线从西往东地表出露白垩系下段朱巷组(K1z), 寒武系下统毛庄组(∈ 1mz)、馒头组(∈ 1m)、猴家山组(∈ 1h)。整体上来看, 剖面线横穿一个不整合面以及剖面线南边断层发育较多, 多以正断层为主。EW线处理解释成果见图5。
根据图5c所示, EW线电阻率有以下特征。
1)整体上地层呈中低阻— 低阻— 中低阻及中高阻互存— 低阻— 中低阻— 髙阻6个电性特征层分布。
2)101~207点的浅部电性层近似水平状, 167~207点在深度1 400~1 800 m, 低阻体沿测线大号点方向呈倾斜变化, 基底埋藏在2 600 m左右, 沿测线大号点方向, 基底有抬升。
 | 图5 EW线处理解释剖面 |
3)217~317点, 浅部电性层近似水平状, 深度在600~800 m, 中低阻层沿测线大号点方向厚度变薄, 有起伏变化; 深度在1 200~1 500 m范围内, 低阻层有起伏变化, 呈零碎分布, 横向连续性较差, 在249~269点出现隆起; 沿测线大号点方向, 低阻层向下凹陷之后出现抬升的起伏变化, 其中大号点的基底埋藏在1 800 m左右。总体而言, 基底呈东高西低的起伏变化。
4)长页1井位置在221~222之间, 该井揭示目的层— — 寒武系下统馒头组、马店组位于1 200~1 400 m, 其中长页1井电阻率测井资料显示, 在 1 260~1 300 m, 电阻率值在100 Ω · m左右。
对EW线的地质解释见图5c。
1)测线上自上往下大体可以分为6个物性地质结构层。第一层, 总体表现为中— 低阻特征, 以230点为界, 两侧地层及其电阻率存在差异:230点以西为白垩系中统下符桥组和白垩系下统朱巷组, 含页岩、砂岩及煤层, 总体表现为中低阻与低阻互层的特征; 230点以东为寒武系毛庄组、馒头组、猴家山组, 主要含有白云质灰岩、页岩, 表现为中低阻电性与低阻。第二层为中阻— 中低阻特征。230点以西为侏罗系地层, 主要含有凝灰质砂砾岩、凝灰岩等, 表现为中阻特征; 230点以东为寒武系张夏组和崮山组, 主要含有页岩、灰岩, 由于崮山组厚度在10 m左右, 电性特征介于低阻与中阻之间。 第三层为寒武系中统张夏组, 下部有较薄的夹黄绿色页岩及少量竹叶状灰岩的泥质条带灰岩或薄板状泥质灰岩, 中上部一般为中厚至巨厚层鲕粒灰岩为主, 夹不等厚的薄层灰岩、泥质条带灰岩、黄绿色页岩, 表现为中阻电性特征。第四层为寒武系徐家庄组、毛家庄组、馒头组、猴家山组与马店组三段, 主要含有白云质灰岩、泥灰岩、粉砂质页岩、页岩, 以页岩与粉砂质页岩为主, 表现为低阻特征。第五层为马店组二、一段(∈ 2md1-2)和震旦亚界地层, 主要含有灰岩、泥质白云岩、砂岩, 表现为中高阻特征。第六层为下元古界地层, 主要以白云大理岩、角闪岩为主, 在地表没有出露, 埋藏较深, 表现为髙阻特征。
2)寒武系中下统徐庄组、毛庄组、馒头组、侯家山组、马店组三段地层, 低阻区域主要含有以黄绿色页岩、紫色(夹少量灰绿色)页岩、紫红色页岩夹泥质灰岩和薄层灰岩, 没有明显的电性分界面, 很难划分出目的层, 即馒头组与马店组页岩层。
3)加里东运动强烈, 寒武系地层褶皱发育, 并伴生褶皱翼部断裂发育, 褶皱翼部地层缺失, 地层重复。122F1、205F2、230F3断裂为正断层。另有一倾角较小的断裂构造F5隐伏于地下, 与剖面线方向有较小夹角。
4)EW向剖面230F3以东地段, 断层F5以下的寒武系地层厚度采用1:20万区域地质报告中的地层厚度作为参考依椐, 寒武系厚度约为1 140 m, 但剖面上寒武系地层厚度明显增加, 这是因为F5上下寒武系地层重复所至。上层寒武系产状与下层存在差异。寒武系地层的褶皱是加里东运动的产物, 不可能影响到燕山期侏罗系地层, 故F5之下的地层仅有寒武系, 不可能存在侏罗系地层。
5)F5与230F3是有重大地质意义的断裂。 F5隐伏于地下, 且走向上与剖面线方向有个极小夹角, 走向上与区域性寒武系构造线方向基本一致, 在剖面上以低阻线的近水平状产出而显现。该断层在地质图上可能为一正断层, 其下盘上升, 造成241~317点寒武系地层以低角度的形式在图面上出现于寒武系之上, 该断层止于230F3。F5之上的寒武系微倾西侧, 与其下的寒武系倾角不同。推断图2中的S’ N’ 线地质剖面如图6所示。
 | 图6 S’ N’ 线推断地质剖面 |
230F3是一个影响基底的断裂构造, 并在长页1井中1 100~1 140 m深有所反映。其证椐为:这一深度上电性曲线突变, 岩心采取率极低。电测剖面上, 它与205F2之间的基底有抬升。230F3以东、西两侧寒武系地层电阻率值有差异。西侧ρ s≤ 50 Ω · m, 厚度在400 m左右, 东侧ρ s≈ 100 Ω · m, 连续性较差, 厚度在200 m左右。 西侧比东侧更有利于寻找页岩层。
4.2 SN线
SN线处理解释成果见图7。整体上来看, SN剖面线穿过地层未出露, 主要被第四系所覆盖。
1)整体上地层呈中低阻— 中高阻— 低阻— 中低阻— 髙阻5个电性特征层分布。
2)101~133点的浅部电性层近似水平状, 在深度400 m~1 800 m处, 低阻体沿测线大号点方向略出现倾斜变化, 小号点基底埋藏在3 000 m 左右, 沿测线大号点方向, 基底略有抬升。
3)136~207点电性层近似水平状, 在深度200~400 m处, 中高阻层沿测线大号点方向厚度变薄甚至消失; 深度1 000~1 800 m处, 低阻层呈团块状变化, 横向上连续性较差, 基底埋藏在2 600 m左右, 呈平缓趋势。总体而言, 基底呈平缓变化。
对SN线的地质解释见图7c。
1)测线上大体可以分为6个物性地质结构层, 这6层与EW剖面上230点以西的物性地质结构层相似。
2)寒武系中下统徐庄组、毛庄组、馒头组、侯家山组、马店组三段地层低阻区域主要含有以黄绿色页岩、紫色(夹少量灰绿色)页岩、紫红色页岩夹泥质灰岩、薄层灰岩为主, 没有明显的电性分界面, 很难进一步细分划分出目的层馒头组与马店组页岩层。
 | 图7 SN线处理解释剖面 |
3)推测存在断层121F6, 断层164F1 是EW线断层122F1的延伸。
4)SN线基底埋藏深度在2 600 m以下, ρ s≥ 1 000 Ω · m, 基底起伏平缓。
5 结论
采用广域电磁法在南华北盆地南缘长山隆起开展碳质页岩探测研究, 首次揭示了测区内的构造格架, 基本查明了工作区内基底起伏、埋藏深度和地层在空间上主要分布, 揭示了低阻区域的埋藏深度和厚度:EW线低阻区域的埋藏深度约为1 200 m, 厚度在200~600 m; SN线低阻区域的埋藏深度在1 000~1 200 m, 厚度约为500 m。初步推断该低阻区域含有目的层— — 馒头组和马店组, 从而确定了寻找页岩层的有利地段。
通过本次工作, 形成了适用于该地区页岩气勘探的广域电磁法数据采集及处理方法, 表明广域电磁法是获取页岩分布范围和埋深的一种有效探测手段, 对该地区的页岩气资源潜力评价提供了重要依据。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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