极寒环境中广域电磁法勘探技术研究

图1 实验区位置示意

Fig.1 Location map of the test area

实验区位于松辽盆地中央坳陷区,勘探工作程度较高,也是大庆油田实现第二个一百年计划的深部重点勘探区。石炭—二叠系油气勘探是松辽盆地重要的后备领域^[4],二叠系粉砂岩裂缝中干沥青是由石炭系—二叠系本身生成的,在四深1井等钻井中在石炭—二叠系中发现油气,证实为烃源岩;实验区已有林深1井、林深2井、鱼2井和乌1井,实验段地质情况基本清楚(表1);实验剖面为已知地质剖面,具备了实验地质条件。实验区地表全部被第四系覆盖,地层主要由基底岩体、前古生界和上古生界以及中新生界盖层组成。

表1 实验区地层简表

Table 1 Main strata table in the test area

地层层序				厚度/m	标志性岩性
系	统	组	代号	厚度/m	标志性岩性
第四系				0~143	黏土与砂层、砂砾层,盆地北部有近代玄武岩喷发
新近系		泰康组	N₂t	0~165	上部灰黄-灰绿色泥岩和泥质粉砂岩,下部灰黄色砂砾层
新近系		大安组	N₁d	0~123	上部灰色泥岩、页岩夹砂岩,下部砂砾层
古近系		依安组	E₃y	0~250	泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,时夹薄层褐煤,底部砂砾岩
白垩系	上统	明水组	K₂m	0~624	上段为泥岩、砂质泥岩与灰绿色砂岩互层;下段灰黑、灰色泥页岩,灰绿、灰色泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩
		四方台组	K₂s	0~413	棕红、灰绿色泥岩、砂质泥岩夹棕红色砂岩、砂砾岩
		嫩江组	K₂n	157~1237	共分五段,主要岩性为砂岩、粉砂岩与泥岩等
		姚家组	K₂y	60~230	共分为三段,主要岩性为泥岩、粉砂岩,盆地中部有灰黑色泥岩、薄层油页岩。盆地边缘为厚层砂砾岩
		青山口组	K₂qn	78~716	共分为三段,盆地中部、东南部为灰黑色泥岩夹薄层粉砂岩,底部夹油页岩。盆地边缘为厚砂层砂砾岩
	下统	泉头组	K₁q	0~2154	共分为四段,主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等,第三段和第四段夹灰色、黑褐色含油粉砂岩
	下统	登娄库组	K₁d	0~1739	分为四段,主要岩性为泥岩、细砂岩、砂岩,底部见砾岩
二叠系	上统	林西组	P₃l		灰黑色砂泥质板岩、板岩,黑色板状千枚岩、变余粉砂岩、变质粉砂岩
	中统	哲斯组	P₂z		黑色泥板岩、变余砂砾岩、泥灰岩、石灰岩夹强碳酸盐化流纹岩互层及夹有安山岩
	下统	大石寨组	P₁d		上部以中性熔岩及凝灰岩为主,夹泥板岩、凝灰质砂岩等;下部以中酸性熔岩及凝灰岩为主
	下统	寿山沟组	P₁ss		粉砂岩、凝灰质砂岩、千枚岩
石炭系	上统	阿木山组	C₂a		一套海相碳酸盐岩及碎屑岩地层,中部和下部夹有少量砂岩、粉砂岩及泥岩
	上统	本巴图组	C₂b		以砂岩为主夹灰岩及火山岩组合
		色日巴彦敖包组	D₃-C₁		下部为紫灰色中细粒杂砂岩与钙质粉砂岩互层;上部为黄褐-紫灰色中细粒钙质长石石英砂岩与粉砂岩互层
前古生界			AnPz		花岗片麻岩、片麻状花岗岩、片岩类等

1.3 地层电阻率特征

统计了工作区钻孔测井电阻率(表2),结果表明该区电阻率整体较低,但各地层还是存在明显的电阻率差异,电磁法可以分辨。

表2 工作区钻孔测井电阻率统计

Table 2 Resistivity statistical results of borehole logging in working area

地层	岩性	电阻率/(Ω·m)
K₁q-Q	泥岩、砂岩、粉砂岩局部夹砾岩	30
P₂-P₃	板岩、千枚岩、变余砂岩等	15
AnC+γ	片岩、片麻岩及岩体	220
K₁h-K₁d	泥岩、粉砂岩夹油页岩	15
C-P₁		45

2 广域电磁法方法与技术

2.1 基本原理

广域电磁法是相对于传统的可控源音频大地电磁法和磁偶源频率测深法(MELOS)提出来的一种人工源电磁法。假如地球是均匀大地,采用水平接地电偶极源作为场源^[5,6]:

(1)

E_{φ} = \frac{Iρ d L \sin φ}{2 π r^{3}} [2 - e^{- i kr} (1 + i kr)],

(2)

\begin{array}{l} H_{r} = - \frac{I d L}{4 π r^{2}} \sin φ \{6 I_{1} (\frac{i kr}{2}) K_{1} (\frac{i kr}{2}) + i kr (\frac{i kr}{2}) K_{0} (\frac{i kr}{2}) - I_{0} (\frac{i kr}{2}) K_{1} (\frac{i kr}{2})\} 。 \end{array}

式中:I为电流,dL为发射源长度,i为纯虚数,r为收发距,φ为r与发射源的夹角,ρ为大地电阻率,k= $\sqrt[]{- i ωμ / ρ}$ ,μ为导磁率,Ι₀、Ι₁和Κ₀、Κ₁分别为以ikr/2为变量的0阶、1阶和第一类、第二类修正贝塞尔函数。直接从式(1)和式(2)出发,或者转换到直角坐标:

(3)

E_{x} = \frac{I d L}{2 π σ r^{3}} [1 - 3 si n^{2} φ + e^{- i kr} (1 + i kr)] 。

式(3)是均匀大地表面上水平电偶极源的E_x的严格的、精确的表达式。根据式(3)可以定义广域意义上的视电阻率:

(4)

ρ_{a} = K_{E - E_{x}} \frac{Δ V_{MN}}{I} \frac{1}{F_{E - E_{x}} (i kr)} 。

式中: $K_{E - E_{x}}$ = $\frac{2 π r^{3}}{d L \cdot MN}$ ,ΔV_MN=E_x·MN。

式(4)构成了广域电阻率的计算基础,通过特殊的迭代技术就可以计算出广域电阻率。

2.2 方法技术要求

广域电磁法测量系统主要由发射和接收两部分组成,要想获得可靠真实的广域电磁信号,地表条件必须满足发射和接收的布设要求。根据相关行业规范,广域电磁法的发射场源布设和接收布设满足相关条件能取得良好品质的资料。

发射布设应符合以下技术要求:①场源易布设在构造简单、电性均匀的地方,尽量避开明显的干扰源,尽量减少场源影响;②采取各种措施降低发射电极接地电阻,一般应降到20 Ω以下,使得尽可能增加发射供电电流,增加发射信号;③场源宜布设在与目标体走向正交的方向上,收发距应大于最大探测深度的3倍以上。

接收布设应符合以下技术要求:①接收电极MN与土壤接触良好,两电极埋置条件基本相同,通过各类手段尽量降低接地电阻,接地电阻应小于 2 kΩ,如遇基岩裸露等特殊地区,可适当放宽,但不应大于10 kΩ;②接收电极不能埋在树根处、水流旁等,同时应避免沟、坎边,MN方位误差应小于1°。

3 研究技术路线

极寒条件下施工主要有以下几个影响因素:①极寒条件下地表浅部会形成2~4 m的冻土层,土层结冰后电阻率急剧升高,导致发射电极的接地电阻率高,发射电流小,影响发射功率;②极寒条件影响仪器的正常工作,接收机电脑、发射控制器等电子设备会无法正常启动,电池损耗增加,造成设备损坏等;③冻土层的浅部高阻同时也会提高接收端的接地电阻;④极寒条件会使得路面结冰,影响行车安全,隐含交通隐患,同时低温对施工人员也有影响。

为了解极寒条件对数据采集质量的影响,寻找极寒条件下施工的工艺流程,采取措施保障数据采集质量,开展了以下研究:①开展实验段16个测点所在剖面10 km春季数据的正反演研究分析,为实验提供依据;②开展同16个测点的同发射位置、同接收位置和同电流大小的极寒条件(未揭穿冻土层)和春季条件下(以前在春夏采集过广域电磁数据)对比实验;③开展同16个测点的同发射位置、同接收位置和同电流大小的极寒条件下发射电极揭穿冻土层和未揭穿冻土层对比实验。

为了减少极寒条件对仪器设备和安全等造成的影响,根据多年的施工经验和实验过程中出现的各种问题,采取了如下措施:

1)所有施工车辆必须进保暖车库,同时每天必须进行设备安全性检查。生产用的所有仪器包括发射和接收电极线必须进保暖仓库。

2)电子仪器设备配备保暖箱,防止因温度过低电子元件失灵,保证仪器设备的正常运行,发射配备保暖帐篷。

3)购置一定数量的气钻机和电钻机,用于挖掘冻土层,便于布设接收和发射电极。

4)早上在车开出暖库之前先在库内开启燃油加热器30 min,等水温上升到80 ℃左右,再启动发电机预热40 min,在施工过程中发电机零负载情况下不停机,保证发射系统正常工作。

5)为了降低发射接地电阻,尽量多布发射极,发射坑挖到30 cm以后,放置铝板,撒盐水,用冻土掩盖好,在发射之前先供电预热2 h左右,利用其发射自身的能量使其冻土层融化,降低接地电阻。

6)发射及接收车辆做好防滑措施,发射点预先设计,预先踏勘,设计好发射车辆运输路线,对各个接收点预先踏勘,做好各类安全措施,预防事故发生。施工人员做好防寒保暖措施,穿防风衣服,穿防滑鞋子等,每人配备热水袋和手套等保暖装备。

4 实验结果分析

实验剖面16个点(见图1),剖面方向24.1°,点距100 m,剖面长1.5 km,剖面为已知地质典型剖面。发射AB距1.1 km,AB方向25.6°,收发距18.1 km,发射电流80 A,实验过程中接收电极MN位置不变,发射AB位置不变,保证统一的发射和接收地质条件,便于对比实验。

4.1 反演结果分析

根据区内已知钻孔资料进行了10 km的春季数据反演(图2)。从反演断面来看,156~171号反演电阻率比较低,与物性资料相符,区分了5套地层,深部埋深3 000 m,发现有一套约350 m厚的低阻带清晰反映,低阻连续,反应了P₂—P₃地层稳定,并且连续存在,该地层为工作区目标层,烃源岩地层。

图2

图2 实验段二维反演综合地质断面

Fig.2 Comprehensive geological section based on 2D resistivity inversion of the test section

4.2 不同季节的实验结果

极寒条件下在春季发射同一位置布设发射,发射坑深度30 cm,未揭穿冻土层。经过预发射2 h预热后,发射接地电阻降低为15 Ω,发射电流80 A,达到了技术规范要求,仪器各项指标正常,接收接地电阻1.5~20 kΩ,一个排列接收时间2 h,高频叠加30次以上,低频叠加6次以上。表2给出了两次施工的参数,可见只有发射接地电阻和接收接地电阻有差异,其余与春季参数是一致的。发射接地电阻通过增加发射电极数量和预热融化冻土层等措施使得发射接地电阻最大程度地降低,以达到和春季一样的发射电流,满足技术规范要求;接收电极通过4根电极并联等方法尽量降低接地电阻,以满足技术规范要求。接收电极端未采取预热降低电阻的方式,是因为在实际数据采集过程中接收端数量较大,通过预热的方式不现实,不符合实际情况。

表2 春季与极寒条件下未揭穿冻土层施工参数对比

Table 2 Comparison of construction parameters of unexposed permafrost under spring and extreme cold conditions

类别	发射接地电阻	发射电流	接收接地电阻	高频叠加次数	低频叠加次数	采集时间
极寒条件未揭穿冻土层	15 Ω	80 A	1.5~20 kΩ	30次以上	6次以上	2 h
春季	8.9 Ω	80 A	200~900 Ω	30次以上	6次以上	2 h

对极寒条件下和春季的频率电阻率信息绘制成双对数坐标的频率—电阻率曲线,以连续两个点170、171号点为例(图3)。通过对比实验,发现两次频率—电阻率曲线类型一致,两次曲线一致性良好,总均方误差小于5%,反映两次电磁响应是一致的,高频部分极寒条件下同频率电阻率略大于春季的电阻率,推测应是冻土层高阻的反映。实验证明,极寒条件下和春季施工能达到同样的效果,都能满足技术规范要求。

图3

图3 春季与极寒条件未揭穿冻土层频率—电阻率曲线

Fig.3 Comparison of frequency-resistivity curves of unexposed permafrost under spring and extreme cold conditions

4.3 冻土层的影响

为了对比极寒条件下未揭穿冻土层和揭穿冻土层广域电磁法采集信息的差异,在同一位置用挖掘机挖掘深度2.2 m,完全揭穿冻土层,布设发射电极后再覆盖,保证发射电极为无冻土层状态(图4b)。发射极接地电阻为7.1 Ω,发射电流80 A,仪器各项指标正常;接收极接地电阻1 000~2 000 Ω,一个排列接收时间2 h,高频叠加30次以上,低频叠加6次以上,施工参数(表3),揭穿冻土层以后发射接地电阻达到了与春季一个数量级的电阻率,其余参数与未揭穿冻土层一致,具备了对比的条件。

图4

图4 未揭穿(a)与揭穿冻土层(b)

Fig.4 Unexposed (a) and exposed permafrost (b)

表3 极寒条件下揭穿与未揭穿冻土层采集参数

Table 3 Collection parameters of exposed and unexposed permafrost under extremely cold conditions

类别	发射接地电阻	发射电流	接收接地电阻	高频叠加次数	低频叠加次数	采集时间
极寒条件未揭穿冻土层	15 Ω	80 A	1.5~20 kΩ	30次以上	6次以上	2 h
极寒条件揭穿冻土层	7.1 Ω	80 A	1.5~20 kΩ	30次以上	6次以上	2 h

将2种情况下的电阻率信息绘制成双对数坐标的频率—电阻率曲线,以连续160、161号点为例(图5)。通过对比实验,发现两次频率—电阻率曲线类型一致,同时两次曲线一致性较好,均方根误差都小于5%,也说明揭穿冻土层和未揭穿冻土层广域电磁响应是一致的,在实际数据采集过程中未揭穿冻土层只要采取相应降低发射接地电阻的措施,满足技术要求能达到同样的勘探效果。

图5

图5 极寒条件未揭穿冻土层与揭穿冻土层频率—电阻率曲线

Fig.5 Comparison of frequency-resistivity curves between unexposed and exposed permafrost under extremely cold conditions

5 结论

实验证明广域电磁法能在极寒环境下开展工作。在极寒条件下对仪器要采取保暖措施,在野外给仪器设备放入保暖箱或空调环境,配备应急电源设备防止极寒条件设备电池损耗快,只要采取有效的对仪器设备的保暖措施,能保证仪器能正常工作;夜间所有仪器设备包括车辆等进保暖库,早上在车库内预热发电设备。

通过发射预热等方法融化冻土层降低发射接地电阻,使得发射接地电阻达到规范技术要求。极寒条件下安全为第一位,要加强对人员、仪器、车辆等的安全检查,采取各类安全措施,预防安全事故的发生。发射位置及测线点位位置一定要提前预勘查,规划人员车辆的路线,配备防冻防滑装备,了解干扰、地形等情况,保证人员仪器安全。

极寒条件形成的冻土层与春季相比为高阻,电磁信号可以穿透高阻层,接收电极能接收到电磁信号,从实验结果来看极寒条件与春季电阻率曲线一致性较好,仪器设备运行良好。极寒条件下因为要采取很多措施存在施工效益比较低,同时安全风险比较大,为了安全尽量在地形条件比较好的地区开展施工,同时对施工人员和仪器都是严峻的考验。广域电磁法能在极寒条件下开展工作,并且能取得良好的勘探效果。

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