页岩气是中国能源保障战略性矿产的重要组成部分。南方地区古生界海相页岩常分布于碳酸盐岩下部或与碳酸盐岩互层, 碳酸盐岩与页岩间互发育是南方地区的基本地质特征,页岩气钻探工程中面临的碳酸盐岩岩溶问题突出^[1-2],常钻遇裂缝、溶洞及断层破碎带,出现漏失、废井、移井等问题。因此,开展钻前物探勘查,合理选择井位是十分必要的,可以保障井场安全,降低钻井工程风险。

近地表地球物理方法在高速公路、铁路、隧道、工业和民用建筑的地基勘探和寻找地热等方面得到了广泛应用^[3-10],但是在南方碳酸盐岩地区页岩气勘探井位选址方面的应用和研究还非常薄弱。高密度电阻率法是岩溶探测最有效的方法之一^[12-14],在浅部几十米以内具有较高的分辨率,但是深度相对较浅。音频大地电磁法不受高阻层屏蔽,对低阻层较敏感,探测深度大,能探测电阻率差异较大的高、低阻不均匀体^[15-17]。氡气测量不受电磁干扰影响,能够直接探测裂隙、破碎带、溶洞等地下构造^[18-19]。本文将上述3种方法综合应用于钻前井位选址工作,相互补充,相互印证,提高解释的准确性,取得了良好的效果。

高密度电阻率法以地质体的电性差异为基础,研究在施加电场的作用下,地下传导电流的变化分布规律,推断地下具有不同电性差异的地质体或构造的空间展布特征。与常规电阻率法相比,高密度电阻率法具有以下几方面的特点:①集中了常规电剖面法和电测深法的特点,不仅观测地下横向电性变化情况,还观测一定深度范围内纵向电性的变化;②电极布设一次性完成,减少因电极布置而产生的故障和干扰;③能有效进行多种电极排列方式的扫描测量,因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息;④野外数据采集实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快,而且避免了由于手工操作出现的错误;⑤与传统的电阻率法相比,该方法成本低、效率高,信息丰富,解释方便,勘探能力显著提高。

音频大地电磁法以天然电磁场信号作为场源,它主要由太阳风与地球磁层、电离层之间复杂的相互作用,以及雷电活动等天然交变电磁场叠加而成^[8]。该方法以卡尼亚大地电磁理论为依据,假设场源位于高空,地面电磁场为平面电磁波,地下介质在水平方向是均匀的,电磁波在地下介质传播中会衰减,振幅衰减到地面振幅的1/e的深度为趋肤深度,计算公式为:

式中:ρ为视电阻率,μ为磁系数,ω为角频。

因此,观测天然电磁场的时间序列信号,将时间序列数据转化为频率域数据,用不同频率的阻抗计算视电阻率,便可达到测深目的。视电阻率计算公式为:

式中:f为频率;Z代表介质阻抗,Z=E_x/H_y。

音频大地电磁法具有如下特点:①利用天然场源,无近场效应、过渡带效应影响;②仪器轻便,适用于地形、植被发育的山区;③观测频带宽,从0.1 Hz到100 kHz,探测深度可以从几米至2 000 m;④张量观测,采用TM、TE两种模式观测,能较真实地反映地质规律。

氡气测量法是使用测氡仪测量土壤、水及大气中氡气浓度,通过研究氡气浓度的分布特征来解决地质问题的一种放射性测量方法。地下深处产生的氡气通过岩石节理、裂隙向上运移,进入到地表覆盖层,在断裂破碎带、溶洞、采空区上方富集,形成放射性氡异常区域,而在其附近地段氡含量明显较少。因此,根据地表探测的氡气异常,可以分析确定溶洞、采空区以及断裂破碎带的位置与范围。氡气测量对观测场地的适应性很强,不受地电、地磁影响,具有直接、轻便、省时、价廉等优点。

研究区位于桂中坳陷柳城斜坡带上(图1),行政区划隶属于广西柳州市融安县。

桂中坳陷为晚古生代海相沉积坳陷,可划分为8个次一级构造单元:柳城斜坡、宜山凹陷、马山凸起、红渡凹陷、柳江凸起、象州凹陷,呈现“三凹两凸一斜坡”的构造格局(图1)。地层从老到新分别为元古宙变质岩、古生界寒武系、泥盆系、石炭系以及少量第四系,泥盆系主要分布于桂中坳陷东部和北部、南部边缘处,中部有零星出露,呈角度不整合于寒武系之上,石炭系在区内分布广泛,与下伏泥盆系地层整合接触,第四系为陆相碎屑堆积。

表1列出了研究区主要岩石的电性统计结果。第四系在区内分布较少,以黏土为主,电阻率值一般在1~100 Ω·m之间,呈现低阻特征;石炭系灰岩、白云岩电阻率值在9 000~12 000 Ω·m之间,泥盆系灰岩电阻率值在几百~几千欧姆米之间。石炭系、泥盆系的灰岩、白云岩是研究区岩溶地貌发育的主要物质基础,整体呈现高阻特征。根据以往钻井资料分析,桂中坳陷钻井发生漏失井深一般为420~873 m,见岩溶的层系为上泥盆统、石炭系,岩性为灰岩。灰岩、白云岩中断层破碎带、溶洞及裂隙被地下水或第四系黏土充填,相对围岩呈现低阻特征,这为研究区开展音频大地电磁和高密度电阻率法勘探提供了地球物理基础。

使用高密度电阻率法探测浅地表100 m以内的岩溶地质特征;音频大地电磁法的探测重点是中深层,探测地下1 000 m以内岩溶地质特征;氡气测量用于识别构造异常,对高密度电阻率法、音频大地电磁法探测结果进行验证,提高解释的准确性。

研究区隶属于广西柳州市融安县。沿研究区中部布设一条测线,方向SWW—NEE(图2),测线总长430 m。为缩短勘探时间,降低施工成本,首先开展音频大地电磁测量,探测范围为桩号30~430;在音频大地电磁反演处理结果的基础上开展高密度电法和氡气测量,氡气测量范围为桩号125~325,高密度电法探测范围为桩号0~300。

高密度电阻率测量采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-3型高密度电阻率测量系统,最大供电电压为400 V,滚动覆盖,确保满足100 m的勘探深度和精度要求;探测点距5 m,采集装置为温纳装置,该装置的垂向分辨率相对较高,对地质体垂向分布的反应有较高的灵敏度。数据处理采用瑞典res2dinv软件对采集的视电阻率原始数据进行预处理、数据格式转换及地形校正,最后进行反演迭代处理,获得反演电阻率剖面。

音频大地电磁法采用美国EMI公司和Geometrics公司联合研制的EH-4连续电导剖面仪,观测交变电磁场互相垂直的电场分量E_x、E_y和磁场分量H_x、H_y,有效观测频率范围为10 Hz~100 kHz,探测深度约为1 000 m,测量点距10 m。对音频大地电磁测量的原始时间序列信号首先进行人工编辑,剔除畸变信号及个别跳跃频点,通过傅里叶变换转换为频域信号,然后经过滤波、放大处理,最后利用IMAGEM软件进行二维反演,得到二维反演电阻率剖面图,结合地质资料对剖面进行解释。

氡气测量仪器为重庆奔腾数控研究所生产的FFA-1快速α数字闪烁辐射仪,采用短期累积法测量土壤样品中的α射线强度,测量深度为地下70 cm,测量点距 10 m。氡气测量数据采用数理统计方法进行处理。对所有数据计算平均值(X-)和标准偏差(σ),去掉(X--3σ,X-+3σ)范围以外的测量数据,再次计算平均值(X1¯)和标准偏差(σ₁),定义X1¯为背景值RnB,阈值RnF=X1¯+1.5σ₁,最后绘制氡气测量异常曲线,超出异常阈值部分即为异常段。

高密度电阻率剖面全长295 m,其反演电阻率剖面(图3c)显示,表层大部分表现为低阻,往下电阻率增大,分层明显。桩号50~100、深度0~38 m区域出现中低阻异常,电阻率值在20~100 Ω·m,异常两侧曲线不连续,推测为断层破碎带F₁,倾向SW;桩号100~200处,表层为厚度0~20 m的第四系低阻黏土,其下为高阻异常区(GZYC1),电阻率值为200~1 000 Ω·m,应为石炭系灰岩的反映;另在桩号120~140、180~200处均有向下凹陷的弱低阻;桩号200~240、深度0~24 m区域存在向下凹陷低阻异常,电阻率值为10~150 Ω·m,推测为断层破碎带F₂,断层倾向SW。

音频大地电磁剖面全长400 m。在中深度及以下范围内,音频大地电磁测深有较好的探测分辨率,弥补了高密度电阻率法在中深部探测方面的不足。从音频大地电磁测深反演剖面(图3b)来看,断层破碎带F₁、F₂及中部高阻异常(GZYC1)向下延伸很远,异常延伸方向与高密度电阻率法反映方向一致。图3b中,桩号230~280、深度0~1 031.5 m区域存在高阻异常(GZYC2),电阻率在40~140 Ω·m,为石炭系灰岩的反映;桩号280~360、深度0~1 032.9 m区域存在低阻异常,电阻率在4~40 Ω·m,推测为断层破碎带F₃,倾向NE;桩号360~430、深度0~1 028.9 m区域存在高阻异常(GZYC3),电阻率值在40~1 580 Ω·m,为石炭系灰岩的反映。

氡气测量剖面全长200 m。氡气测量参与计算数据23个,计算氡气异常背景值RnB=为176.14 Bq/m³,阈值RnF=484.49 Bq/m³。氡气测量曲线形态高低错落,异常高低分明(图3a)。桩号130~210区域有大于阈值的峰值异常,最大异常值为711.0 Bq/m³,推测深部存在断层破碎带;但是断层破碎带位置与氡气浓度峰位不完全对应,分析认为:由于地下对流的影响,使氡浓度异常与断层位置出现了偏差,该断层破碎带与音频大地电磁剖面上断层破碎带F₂为同一断层。桩号260~300区域有大于背景值RnB的峰值异常,但是小于阈值RnF。桩号330以后没有采集数据,所以附近区域没有进行氡气异常分析。

综合3种方法的勘察成果,推荐桩号130~160、桩号250~280两处为桂融页1井建议井位,最终井位选择在桩号150处。桂融页1井完钻井深3 305 m,开孔层位为石炭系罗城组,完钻层位为寒武系清溪组,在近地表没有钻遇断层破碎带,与综合物探解释成果基本吻合。

1) 南方碳酸盐岩地区页岩气钻探工程中面临的碳酸盐岩岩溶问题突出,因此开展钻前近地表地球物理勘查,合理选择井位,能有效避开近地表断层、溶洞及裂隙发育区,可以保障井场安全,降低钻井工程风险。

2) 与传统工程物探勘查不同,页岩气钻探井位选择不仅要查明地表几十米以内的岩溶地质情况,还需要查明地下千米以内断裂、溶洞的发育情况,因此要综合选择物探方法,深浅兼顾。

3) 单一物探方法存在局限性,综合物探勘查可以相互补充、相互印证,减少多解性,提高解释的准确性。