大地电磁测深法在慈页1井定位中的应用
高远, 董旭, 申建平
湖南省煤炭地质勘查院,湖南 长沙 410014
作者简介:高远(1985-),男,工程师,硕士,毕业于中南大学,主要从事电法、测井的理论与应用研究。Email:gyuan998@163.com
摘要

在灰岩发育地区进行钻探作业时经常会遇到溶洞,给钻探带来不小的风险。为了减小钻探风险,可以采用探测深度大、对溶洞识别能力强的大地电磁测深法进行溶洞探测,确定钻孔的有利位置。本文以慈页1井的钻孔定位研究为例,通过在井场开展大地电磁测深工作,查明井场下方可能有溶洞发育的区域,最终确定了孔位的有利位置,在实际钻进过程中并未遇到溶洞发育段,说明通过大地电磁测深法布置的孔位合理,保证了钻探的安全施工。

关键词: 大地电磁测深法; 钻孔定位; 慈页1井; 溶洞; 灰岩
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)04-0689-05
The application of magnetotelluric sounding method to locating of Ciye No. 1 well in the limestone area
GAO Yuan, DONG Xu, SHEN Jian-Ping
Coal Geological Exploration Institute of Hunan Province, Changsha 410014, China
Abstract

Drilling in limestone areas often meets karst caves, which may be a big risk. For the purpose of reducing the risk, the magnetotelluric sounding method can be used to detect the karst cave so as to determine the right drilling location. This paper describes the selection of right location of Ciye No. 1 well. By conducting magnetotelluric sounding in the well site, the area containing karst cave under the well site can be detected. Ciye No. 1 well was placed in the area without karst cave, and hence it doesn't meet karst cave during drilling. So, the place of Ciye No. 1 well selected by magnettelluric sounding is right. The right place ensures the safety of the drilling.

Keyword: magnetotelluric sounding; drilling location; Ciye No. 1 well; karst cave; limestone
0 引言

钻探是一种非常重要的探矿手段, 在地质勘查中发挥着举足轻重的作用。钻探分为地质钻探、水文水井钻探、工程勘察钻探、油气钻探等, 其主要目的都是要揭穿目的层位或目标体, 完成相应的地质任务。当在上覆地层为灰岩的地区进行钻探时, 往往要考虑该地区的溶洞发育情况, 当目标体不是溶洞时, 孔位的布置应尽量避开溶洞发育区段, 以保证钻探施工的安全进行。从地球物理的角度考虑, 溶洞一般表现为低阻特性, 而大地电磁测深法具有探测深度大、对低阻体的识别能力较强的特点, 且大地电磁法理论研究较成熟 18, 经常用于金属矿勘查、构造调查、采空区探测、岩溶及地下水勘查等 915, 是一种非常有效的物探手段。因此, 可以考虑在钻孔定位时采用大地电磁测深法对井场进行探测, 查明井场可疑溶洞发育区, 为钻探孔位确定有利位置。

1 项目概况

慈页1井位于湖南省张家界市慈利县附近, 钻探的目的是确定湘西北下寒武统牛蹄塘组的含气性, 研究其页岩气形成条件及富集规律。

工作区及周缘大地构造位置上属于中扬子地块的江南断隆带(江南构造活化带), 古生代时属中扬子地块, 中新生代属洞庭坳陷的一部分, 同时也处于中扬子地块的湘鄂西冲断褶皱带和江南雪峰推覆隆起带的结合部。湘鄂西褶皱带的一级构造单元为云贵构造活化区, 该区北东以天阳坪— 监利断裂为界与江汉平原分隔, 西北以齐岳山断裂为界与四川盆地相接, 东南以慈利— 保靖断裂为界与江南雪峰推覆隆起区相接。根据野外地质调查与区域地质资料, 勘查区块基地为元古界板溪群浅变质岩, 上覆盖层自下而上依次为震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系中上统、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系, 局部覆盖第四系。

前期在工作区开展了大量的地质调查工作, 并做了4条地震勘探剖面(两横两纵D1、D2、L1、L2线), 以查明工作区牛蹄塘组的埋深情况及厚度, 并初步选定井位位于D2线与L1线的交叉位置1号点位或2号点位, 根据地震处理得出的层速度(见表1), 计算得出1号点位牛蹄塘组底界埋深在 2 800 m左右, 满足设计要求。且经过现场踏勘, 发

表1 1号点位预测地层埋深

现1号点位交通位置及地表情况较好, 最终确定了井场位置选在1号点位附近。

依据二维地震剖面并参考野外地质调查, 综合分析推断慈页1井的地层如表2, 从表中可以看出, 目的层牛蹄塘组埋藏较深(井深2 250~2 780 m), 因此设计慈页1井井深2 800 m。同时, 从表中可以看出奥陶系多为灰岩、泥灰岩、泥质灰岩等, 且厚度较大, 根据以往经验, 这些灰岩地层可能发育有溶洞, 如果慈页1井孔位定在溶洞上方, 将会造成掉钻、埋钻、漏水等事故, 将对钻探不利。由于前期的地震勘探点距较大, 不好对井场的溶洞发育情况做解释, 因此有必要采用探测深度大、对低阻体识别能力强的大地电磁测深法对井场进行溶洞探测。

表2 慈页1井推断分层数据
2 工作方法
2.1 工作布置

慈页1井井场附近多为丘陵, 离城镇较远, 方圆1 km内无人居住, 无输电线经过, 人文干扰小, 适合开展大地电磁测深法。

本次大地电磁测深法所用仪器为德国Metronix公司生产的GMS-07综合电磁法仪; 工作采用张量测量, 即同时测量ExEyHxHy4个相互正交的电磁场分量; 根据井深设计, 采用频率为0.1~56 kHz; 线距40 m, 点距20 m, 电极距20 m, 在包含井场的范围内布置了正南正北向的测线4条, 共计68个大地电磁测深点, 测线测点布置如图1。

图1 大地电磁测深法测网布置示意

2.2 岩石标本测试

大地电磁法是以地质体电阻率的差异为物性条件, 实现识别岩性、划分地层、探测岩溶等勘探目标。在开展工作前, 先对区内出露的主要岩性(泥岩、页

岩、灰岩、泥灰岩、泥质灰岩、白云岩)进行了采样, 对每种岩性分别采集10块岩石标本, 测试其电阻率, 统计结果见表3。通过对岩石标本电阻率的测量, 为后面的解释工作提供依据。

表3 工区岩石标本电阻率统计结果
2.3 数据采集

在设计的测点上开展天然场的MT电磁测深测量, 采用张量测量, 即同时测量ExEyHxHy4个相互正交的电磁场分量。

电极的布置技术:共用4个电极, 每2个电极组成一个电偶极子, 为了便于对比监视电场信号, 其长度都为20 m。为保证Y-Dipole电偶极子的方向与X-Dipole相互垂直, 用罗盘仪确定方向, 误差不超过± 1° ; 电偶极子的长度用测绳测量, 误差在± 0.5 m内。

磁棒布置技术:磁棒离仪器大于10 m, 用地质罗盘定方向使其相互垂直, 误差控制在± 2° 以内且保持水平。所有的工作人员离开磁棒至少10 m, 在远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

为了获得低频数据, 增加采样时间, 单点采样时间大于30 min。 考虑到该井的设计深度为 2 800 m, 工作频率选择0.1 Hz~56 kHz。

2.4 数据反演

大地电磁数据反演本身是一个非线性问题, 非线性反演方法较多, 如遗传算法、蒙特卡洛法、人工神经网络法、模拟退火法等, 但是由于计算能力的制约, 目前在大地电磁高维反演中还没有得到实际应用, 而线性或拟线性反演技术在大地电磁高维反演中依然占据着统治地位[12]。当前主流的二维反演算法有快速松弛反演(RRI)、奥克姆反演(OCCAM)、共轭梯度反演(NLCG)等。RRI法反演速度很快, 但效果一般; OCCAM反演过程稳定, 结果可信度高, 但速度很慢; NLCG既有较快的反演速度, 又有较好的稳定性和可靠性, 是当前应用最多的反演算法。2013年, 叶涛、陈小斌等[5]通过模型对比NLCG和OCCAM 的反演结果, 证明NLCG反演结果优于OCCAM。

本次资料处理中采用博斯蒂克(Bostick)反演进行一维反演, Bostick反演结果作为二维反演的初始模型, 然后采用NLCG 算法进行二维反演解释。

3 探测结果

4条大地电磁测深剖面的反演解释结果见图2。经过岩石样本测试(见表3)可知, 完整灰岩电阻率大于1 800 Ω · m, 白云岩、泥灰岩、泥质灰岩相对较低, 泥岩、页岩电阻率更低, 因此推测图2中相对低阻的灰岩层为岩溶发育区或低阻体夹层, 累计解释出4处异常区域。

图2 大地电磁测深法探测结果

1号异常位于25线与27线, 标高-130~-185 m处, 地形较为平缓, 地表多为挖掘平台, 浅部岩石强烈风化。结合区域地质资料, 本段基岩以页岩为主。反演电阻率断面显示浅层电阻率普遍较低, 表明岩石强烈风化、破碎; 中部以高阻为背景(灰岩电性反映), 局部呈低阻凹陷、低阻团块, 表明围岩破碎、岩溶发育。如图2中黑色线圈所示, 为低阻凹陷区、低阻团块区, 推测为节理裂隙、岩溶发育区, 围岩破碎、含水。由于是在浅部发育, 对深孔施工影响不大, 但不排除施工过程中发生次级灾害。

2号异常位于23线、25线、27线、29线, 标高-400~-450 m处, 呈低阻凹陷, 在25线贯穿整条测线, 向东西两侧规模减小; 电阻率偏低, 与上下侧电性存在明显差异, 推测是顺层发育岩溶, 可能增加钻井施工难度, 需在施工过程中引起注意。

3号异常区位于23线、25线及27线, 标高-750~-780 m; 4号异常区位于25线100~380号点, 标高-550~-610 m。这2个异常区均呈层状特征, 电阻率偏低, 与上下侧电性存在差异, 推测可能是顺层发育的岩溶, 也可能是泥岩、页岩等低阻地层的反映。需在施工过程中引起注意。

通过推断解释, 最后划分出一个建议区作为慈页1井的最终孔位区域(图3)。建议区域内电阻率较高, 低阻异常规模和幅度较小, 推测岩溶不发育, 岩体完整, 为井场及附近风险较低的区域。

根据大地电磁测深法给出的钻孔建议区域, 结合实际地面及地质情况, 钻孔位置最终确定在27线300号测点位置附近, 比原计划孔位往北偏东方向偏移了20多米。由于钻探目的层为深部的牛蹄塘组, 牛蹄塘组产状平缓, 钻孔挪动这一距离对钻探目的及结果几乎无影响。

图3 慈页1井最终孔位示意

实际钻进过程中并未遇到溶洞或溶蚀孔洞发育区, 揭露的牛蹄塘组底部埋深为2 747 m, 与设计地层2 780 m较接近, 钻遇牛蹄塘组黑色页岩层8层/81 m, 解析含气量最高达0.95 m3/t, 可见牛蹄塘组黑色页岩较发育, 含气量可观。

4 结论

通过在灰岩地区开展大地电磁测深工作, 查明了地下岩溶、破碎带、富水区域等的空间分布, 查明了井场范围内不利于开井的存在因素, 为后续的钻井工作提供了可靠依据, 保障了后续钻探工作的顺利进行。在大地电磁测深法的辅助下, 慈页1井的钻探工作顺利完成。因此, 在灰岩地区开展钻探工作前, 布置一定的大地电磁测深法工作来查明地下岩溶发育情况是有必要的, 能够为钻探孔位的确定提供更有利的区域。

The authors have declared that no competing interests exist.

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