0 引言

近年,我国南方页岩气勘探开发取得重大突破,针对上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩,在重庆涪陵、四川威远—长宁等区块实现了商业开发,2016年页岩气产量达到了78.82亿m^3[1-5]。勘探实践的成功经验表明,深水陆棚相沉积环境和良好的构造保存条件是页岩气“成藏控产”的关键^[6-8]。渝东北巫山地区同时具备较好的沉积和构造保存条件,是重要的页岩气勘探远景区,但勘探程度低,目前仅完成二维地震勘探150 km,地质调查井1口。临区钻探的巫溪2井揭示上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩厚达89.8 m,笔石带发育齐全,富有机质页岩段从奥陶系凯迪阶上部上延到下志留统特列奇阶下部,沉积厚度及时间远超四川盆地其他区域,页岩最高实测含气量超8 m³/t^[9-11]。

此次针对巫山地区勘探程度较低的特点,选用成本较低、测量精度较高的广域电磁法开展该区的页岩气有利区预测及评价,初步查明了巫山地区目的层富有机质泥页岩层电磁分布规律及分布特征,证实和优选了一批页岩气富集有利区,表明广域电磁法勘探用于页岩气勘探具较好的应用效果。

1 工作原理与工作方法

广域电磁法^[12-13](WFEM)是基于传统的音频^[14]和磁偶源频率测深法^[12,15]提出来的一种人工源频率域电磁测深方法,它破除了国际上将电磁波划分为“近区”、“过渡区”和“远区”的理论禁锢,首次严格从电磁波方程表达式出发,定义了适用于全区的视电阻率及相关参数。该方法采用超大功率人工源激发电磁波,具有信号强、频带宽、探测深度大的优点,可通过获取地下页岩层系电阻率、极化率的响应信息,快速识别富有机质泥页岩进而刻画“甜点”区^[16-20]。应用此方法,只需测量一个电磁分量,再通过迭代的方式就能获得广域视电阻率。根据以往的页岩气勘探经验,低电阻率和高极化率是页岩气层的重要电性特征,通过相关电性参数的获取,广域电磁法可以有效获取富有机质页岩空间展布特征^[12]。该方法在湘西、重庆、四川等地震勘探难以开展的南方山地的页岩气勘探工作中得到应用,取得了较好的应用效果。

在充分收集和研究前人的地质、地球物理等资料的基础上,优选重庆巫山地区进行广域电磁法勘探。该区构造位置处于渝东北南大巴山前缘褶皱带内,构造变形相对较强,以褶皱构造为主,褶皱轴线走向均呈NE—SW,褶皱轴部宽坦,两翼倾角较陡,局部发生地层倒转。历经加里东、海西期、印支、燕山、喜山等构造运动,形成现今山谷相间的地貌特征。

本次在区内共部署3条广域电磁勘探测线,包括2条垂直构造走向测线(WFEM-1线、WFEM-2线)和1条平行构造走向测线(WFEM-3线),测线长度分别为35 km、35 km和20 km。测点距100 m,收发距20~25 km,场源AB长度控制在1 km左右,具体场源和测点布设位置见图1(图中每10个测点显示1个)。采用E-E_x广域电磁法生产,将一对接地电极形成的电流源作为场源,测量电场的水平分量与供电电极方向平行的E_x分量。使用水平电缆接地源发射信号,电流约130 A,频率范围0.01~8 192 Hz,频点数40个。

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图1   研究区场源、测点布设示意

   

2 岩石物理与测井数据分析

研究区内主要出露上二叠统至中三叠统巴东组地层,为掌握各地层岩石电阻率特征,采集地表样品43块。电阻率测试分析表明,巴东组1段(T₂b¹)、嘉陵江组(T_1-2j)及大冶组(T₁d)样品电阻率为相对高阻,电阻率值介于2 000~9 000 Ω·m;巴东组2段(T₂b²)、3段(T₂b³)、4段(T₂b⁴)样品电阻率为相对低阻,电阻率值介于200~300 Ω·m;二叠系龙潭组和吴家坪组(P₂l+w)样品电阻率为中阻,电阻率在1 800 Ω·m左右(表1)。

表1

表1   研究区地表岩石标本电性特征

   

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对于深层岩石电阻率特征,本次根据邻区LC2井电阻率测井曲线,目的层上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩层为明显低阻特性,电阻率值在150~200 Ω·m;志留系马脚冲组二段(S₁m²)灰岩层为明显高阻特征,该段地层厚度68 m,电阻率最高达10 000 Ω·m(图2)。

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图2   LC2井电阻率测井曲线

   

根据该电测资料,总结出上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组及其上下围岩电阻率分布特征(表2),按照地层岩性电阻率高低排序:炭质泥页岩<硅质岩与硅质泥岩<白云岩<灰岩,随着灰质成分增多电阻率逐渐增大。整体上,上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩电阻率明显低于上覆三叠系、二叠系地层及下伏奥陶系地层,与顶板志留系新滩组及底板奥陶系宝塔组地层电阻率差异明显。页岩层的这种明显低阻特征及与上下围岩存在的明显电性差异,使得本次利用广域电磁法查明富有机质页岩分布特征成为可能,为获得效果良好的电磁剖面奠定了基础。

3 理论模拟

根据研究区地层介质纵向电性差异和物性特征,设计了三层地电模型(图3a)。第一层为震旦系、寒武系、奥陶系中下统地层的高阻层,第二层为上奥陶统五峰组(O₃w)及下志留统地层(S₁)的低阻层,第三层为中志留统、泥盆系至三叠系地层构成的中高阻层。组成第二物性地质构造层的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组岩性以灰黑色炭质页岩、粉砂质页岩、炭硅质页岩为主,是本次研究的目标层;通过二维反演模拟,该层表现为低阻特征,剖面上该低阻带连续分布,埋藏深度与展布形态与实际情况相符(图3b、c)。该模型的建立能够为页岩空间分布特征的精细刻画搭建合理的框架。

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图3   地球物理模型(a)及一维反演(b)、二维反演(c)结果

   

4 资料处理与解释

广域电磁数据资料的处理解释工作依托“重磁电三维反演成像解释一体化系统”^[16]完成。在对数据进行常规处理的基础上,确定原始数据与区域构造的对应关系,明确断层系统的划分。建立合理的地质模型,进行一维连续介质反演,并以一维反演结果为基础进行二维反演。最终解释成果采用一维反演结果进行断层系统划分,二维反演结果进行地层划分,再结合已有钻井资料对工区资料进行综合地质解释。

结合区域地质及周边钻井等资料,在二维反演的基础上,对3条测线进行了综合地质解释并提取极化率信息。在WFEM-1剖面上( 图4)共解释断层7条,断层性质以逆断层为主,其中位于测点号20、93、160、240及267处的F_1-1、F₂、F₃、F₄及F₆ 5条断裂将该区分割成隆、凹相间分布的6个地质体,形成“三隆三凹”的构造格局。目的层上奥陶统五峰组—下志留统泥页岩层(第二物性地质构造层)在剖面上表现为明显低阻(1~200 Ω·m),埋深在800~4 000 m之间,在官渡向斜和巫山向斜区埋深相对较浅。从图4b看,极化率异常高段主要位于剖面南端段的官渡向斜区,基本达到10%以上;巫山向斜区段和部分七曜山背斜段的极化率亦较高,达到5%以上,巫山向斜区段页岩层埋深相对适中,而七曜山背斜段埋深相对较大。

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图4   WFEM-1线反演电阻率断面(a)及极化率曲线(b)

   

WFEM-2线与WFEM-1线平行且线距仅为5 km,2条地质解释剖面具相似性。WFEM-2剖面上(图5),可在测点19、33、86、153、241及246处识别出断层6条,分别为F_1-1、F_1-2、F₂、F₃、F₄及F₅,其中F_1-2、F₂和F₄对应于土地岭断裂、三河溪断裂和七曜山断裂。目的层上奥陶统五峰组—下志留统泥页岩层同样表现为低阻,极化率分布特征与WFEM-1线有相似之处,官渡向斜、巫山向斜区段和部分七曜山背斜段同样达到5%以上,与WFEM-1线差异处在于剖面最北端同样具高极化特征,最高可达10%。在WFEM-3剖面上(图6),高、低阻层的层间分界线舒缓、连续。目的层上奥陶统五峰组—下志留统页岩层低电阻特征明显,埋藏深度范围在2 000~4 500 m之间,极化率较高段集中分布在测点5~30和100~175两段,前者位于测线西南端,后者基本位于与WFEM-2线交点处及东北,埋深均较大,断裂在该平行构造方向上不发育。

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图5   WFEM-2线反演电阻率断面(a)及极化率曲线(b)

   

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图6   WFEM-3线反演电阻率断面(a)及极化率曲线(b)

   

5 页岩气有利区预测

在南方碳酸盐岩海相地层发育区,页岩层系普遍具有以下电磁属性及规律:泥页岩不含气时通常表现为低阻,含气时或富含有机质时可能表现为局部的横向电阻增大;富有机质页岩层系表现为高极化,高极化率与高TOC含量有较好的对应关系,当泥页岩中含有黄铁矿成份或裂缝发育,极化特性会更加明显^[20]。

利用巫山地区广域电磁勘探取得的成果资料,解释出低阻层在平面上电阻率、极化率分布及底界埋深变化情况。

1) 从电阻率分布特征(图7a)看,低电阻率是上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩发育的反映,研究区目的层电阻率值整体变化范围在10~500 Ω·m之间,低阻区域主要位于WFEM-1和WFEM-2线南北两端,电阻率值主要在10~70 Ω·m之间;相对低阻区域主要位于测线交点七曜山背斜区及巫山向斜区,电阻率值主要在70~300 Ω·m之间。

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图7   研究区目的层电阻率(a)、极化率(b)、底界埋深(c)及有利区预测结果(d)

   

2) 从极化率分布特征看(图7b),研究区内极化率整体变化范围介于0%~11%,高极化率异常区主要位于测线交点七曜山背斜及巫山向斜区,极化率均在5%以上,高极化区占整个工区范围的近70%,反映该区页岩有机碳含量相对较高。

3) 页岩埋深直接影响页岩气开发的难易,一般认为埋深低于1 000 m页岩气保存条件相对变差,国内3 500 m以深核心勘探开发技术与装备尚未突破,开发成本居高不下。因此,当前条件下认为1 000~3 500 m为较适中的埋深。解释成果(图7c)揭示研究区内上奥陶统五峰组页岩整体埋深范围在800~4 800 m之间,其中巫山向斜区埋深适中,介于1 500~3 000 m之间。

综上分析,在研究区内预测出页岩气有利区3个(图7d),分别为:巫山向斜区(测点号100~150区段)、官渡向斜区(测点号10~50区段)和WFEM-2线北端区(测点号300~340区段)。有利区内页岩埋藏深度适中,电性均表现为明显的相对低阻和高极化特征,反映富有机质页岩发育,页岩气勘探前景较好。

6 结论

1)重庆巫山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质泥页岩,表现为低阻特征。该页岩与顶板志留系新滩组及底板奥陶系宝塔组地层电性差异明显,具备在该区开展电磁法勘探工作的物性条件。

2)通过电磁资料初步查明了重庆巫山地区“隆凹相间”的构造格局,断裂性质主要为逆断层;目的层上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质泥页岩连续稳定分布,低阻特征明显,埋深范围在800~4 800 m之间。综合考虑目的层页岩电阻率、极化率、埋深等因素,预测出页岩气有利区3个,区内富有机质页岩发育,页岩气勘探前景较好。

(本文编辑:沈效群)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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