综合物探方法在钻井平台裂隙勘探中的应用

综合物探方法在钻井平台裂隙勘探中的应用
王安平;周昊;王强
【摘要】为了有效探测钻井平台1000 m以浅裂隙破碎带及其他不良地质体的发育情况,为后期优化钻井设计、建设及运行期的环境管理提供科学依据,以四川盆地川南地区页岩气钻井平台为研究对象,通过综合物探方法的应用实践,分析了钻井平台下方裂隙破碎带的电性特征,指出了在钻井过程中遇裂隙破碎带易发生钻井液漏失,对地下水及区域水环境造成一定的影响.研究结果表明:① 采用高密度电法、音频大地电磁法对裂隙进行立体勘探,预测钻井施工对环境的影响,效果较好;② 高密度电法对于地下埋深100 m以浅裂隙勘探效果较好,音频大地电磁法探测深度较大,对于地下埋深100～1000 m裂隙勘探效果较好.结论认为:综合物探方法能够有效探测钻井平台1000 m以浅裂隙破碎带及其他不良地质体的发育情况,可以为钻探工作规避风险提供依据,有助于实现经济建设与环境保护协调发展.
【期刊名称】《天然气技术与经济》
【年(卷),期】2019(013)004
【总页数】6页(P17-21,68)
【关键词】高密度电法;音频大地电磁法;裂隙勘探;环境保护;优化钻井
【作者】王安平;周昊;王强
【作者单位】四川中成煤田物探工程院有限公司,四川成都 610072;四川长宁天然气开发有限责任公司,四川成都 610000;四川中成煤田物探工程院有限公司,四川成都 610072
【正文语种】中文
0 引言
高密度电法实际上是一种阵列勘探方法，20 世纪80 年代中期，日本地质计测株式会社实现了野外高密度电阻率法的数据采集，但并没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。

20 世纪80 年代后期至今，中国地矿部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究，从理论与实际相结合的角度进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题。

随着技术的发展，新一代高密度电法仪多采用分布式设计，相对于集中式设计而言，是将电极转换功能放在电极上。

分布式智能电极器串联在多芯电缆上，地址随机分配，在任何位置都可以测量，实现滚动测量和多道、长剖面的连续测量。

20 世纪60 年代Berdichevski 等，提出了音频大地电磁法（AMT），从仪器采集系统和资料处理方式划分为3个发展阶段：20世纪50-60 年代为手工量板阶段；20 世纪70 年代至今为数字化阶段；可视化阶段正在兴起。

工区开孔层位为上三叠统须家河组地层，须二段、须四段、须六段细粒—中粒砂岩孔隙裂隙含水层，砂岩裂隙广泛发育。

各类裂隙中又以层面裂隙及因层间滑动所引起的扭裂最为发育，有着良好的透水性能和储水空间。

高密度电法对于地下埋深100 m以浅裂隙勘探效果较好，AMT 对于地下埋深100～1 000 m 裂隙勘探效果较好。

这两种方法都是通过研究地电断面中视电阻率的分布情况进而对裂隙及其他不良地质体做出科学解释的一种地球物理勘探方法［1～8］。

1 工区概况
1.1 地质概况
工区埋深1 000 m以浅依次为须家河组、雷口坡组、嘉陵江组地层。

须家河组为一套湖泊、河流相沉积的细—中粒石英砂岩及黑灰色页岩不等厚互层夹薄煤层。

雷口坡组为一套潟湖—浅海相碳酸盐岩沉积，上部以深灰色、黄灰色泥质灰岩、
石灰岩为主夹白云质灰岩、白云岩及角砾状灰岩，下部为白云质灰岩及页岩夹粉砂岩，底部为灰绿色水云母黏土岩与下伏嘉陵江组石灰岩呈整合接触。

嘉陵江组为一套浅海—潟湖相碳酸盐岩沉积，底为过渡层，即铜街子段，与下伏飞仙关组为连
续沉积。

1.2 地球物理特征
为了更准确了解区内各地层岩性的电性特征，对拟施工测量的主要岩性，在露头通过采用对称四极直接测量的方法进行物性测试统计。

不同岩性的电阻率值见表1，从表1可以看出，不同岩性之间存在着一定的电性差异，岩层中泥岩电阻率最低，一般在44～290 Ω·m，为低电阻率；石灰岩电阻率最高，一般在1 070～3 523 Ω·m，为高电阻率；砂岩电阻率一般在81～583 Ω·m，为中电阻率；裂隙若充水，一般充水裂隙视电阻率在1～40 Ω·m，属于低视电阻率；若裂隙不含水，视电阻
率相对于围岩则呈现相对高阻，一般在6 731～10 892 Ω·m，视电阻率与上述不
同岩性电阻率差异明显。

因此，工区具备开展高密度电法及AMT的地球物理前提条件。

表1 电阻率物性统计表系统地层组主岩要性岩／样件数电最阻小率值常／～见（最值Ω大·m值）上统须家河组泥砂岩岩3 4 1 2 4 8 4 1～1～3 3 0 2 0 5 9 9 8 0 3三叠系中统雷口坡组石泥灰灰质岩岩3 3 6 7 1 5 0 0 7 110～8 ～2 1 8 1 3 1 1 2 5 5 2 8 9嘉陵江组石灰岩331 19 2 5 ～4 4 3 5 523下统飞仙关组石泥
灰岩岩3 4 7 11 8 4 87 25～1 ～3 7 8 2 9 2 8 8 5 891充水裂隙1～2040干枯
裂隙6 731 8～ 97 1 10 892
2 综合物探方法原理
2.1 高密度电法
高密度电法勘探原理是以岩层介质的电性差异为基础，研究在人工施加电场的作用下，地下传导电流的分布规律。

由于其勘探过程属于二维勘探，因此可以通过二维
成像软件对数据进行处理成像，进而直观地显示地电断面中视电阻率的分布情况，通过对断面作出解释，完成查明裂隙等工程地质勘查任务。

该方法勘探深度较浅，是一种快速、高效、经济的浅表裂隙构造勘察手段，这种方法能够有效地发现地下埋深100 m以浅的不良地质体，并较为准确地确定不良地质体存在的位置及大小。

高密度电法是用直流供电来测量大地电阻率的方法，通过两个电极向大地发射电流，电流产生等位线分布，从而用另外两个电极来测量电位差。

其视电阻率定义为：
式中，ρs 为视电阻率，Ω·m；K 为电极装置系数，m；V为电压，mV；I为电流，mA。

其中，K只与野外的电极几何排列有关，可以写成：
式中，AM 为A 到M 的距离，m；AN 为A 到N 的距离，m；BM 为B 到M 的距离，m；BN 为B 到N 的距离，m。

2.2 音频大地电磁法
AMT 是大地电磁法的一个分支，它是利用天然的大地电磁场作为场源来测定地下岩石的电性参数，并通过研究地电断面的变化来达到解决地质问题的一种地球物理勘探方法。

该方法勘探深度范围大，野外生产装备轻便，适用于地形条件较差的地区，能够有效发现地下埋深100～1 000 m 的不良地质体。

理论的基本模型是假设场源位于高空，地面电磁场为平面电磁波，地下介质在水平方向是均匀的。

定义电磁波在地下介质传播中，振幅衰减到地面振幅的深度为趋
肤深度或穿透深度。

观测电场Ex和与之垂直的磁场Hy来计算卡尼亚视电阻率：
式中，ρk 为卡尼亚视电阻率，Ω·m；Ex为电场分量，mV／km；Hy为磁场分量，nT；f为频率，Hz。

根据电磁波的趋肤效应理论，可导出了趋肤深度公式：
式中，δ为探测深度，m；ρ为电阻率，Ω·m。

从上式（4）可见：高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深。

频率较高的数据反映浅部的地层电性特征，频率较低的数据反映较深的地层电性特征。

在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，可确定大地的地电特征和地下构造。

3 方法应用研究
3.1 处理解释思路
总体遵循综合研究、面上控制、重点异常查证、点上突破、由已知到未知、由浅入深、循序渐进的原则开展资料解释工作：①在全面收集工区以往地质、地球物理勘探及其他资料的基础上，系统分析和综合研究勘探区内的地质特征。

②电性差异是开展物探工作的前提，是电法观测结果进行解释推断的依据。

全面收集和测量工区不同岩石电性参数，为研究异常性质打好基础。

③运用合理有效的技术、方法对电法资料进行精细处理，获得可靠的物探成果。

④基于已知地质资料及地质露头等对电法剖面进行层位标定，结合本区岩石电性特征，研究物探异常与地层、构造的关系，确立以电法信息为主的地质异常物探特征。

⑤异常划定标准为通过岩性及地质异常体的物性统计及反演结果，与实测地质资料相结合，得出该工作区视电阻率异常大小的划分标准。

3.2 成果解释
1）高密度电法。

过某井3 条平行高密度电法反演剖面如图1、图2、图3 所示，其电性特征基本一致，共圈定出3 个低阻异常带，分别为g1、g2 及g3异常。

剖面南东端（大号里程方向）地形较平坦，地表出露岩性为石英砂岩，浅表层呈现高阻特征；剖面北西端（小号里程方向）地形坡度较大，浅表层呈现不均匀电性特征
（图1～图3）。

井场位于须家河组地层，岩性以砂岩为主，且井场位于向斜轴部，裂隙构造较为发育，地表水沿裂隙下渗，推测3个低阻异常带为须家河组六段裂
隙较为发育的充水砂泥岩地层所引起，富水性较强。

高密度电法主要控制工区埋深100 m 以浅的地质异常体，可得出以下结论：①剖面电性特征是须家河组地层的
反映，岩性以砂泥岩为主；②由于须家河组砂岩为含水层，节理裂隙发育，地表水沿裂隙下渗，在剖面上呈现浅表层电阻较高，其下有一层中低阻层的含水显示。

图1 M1线视电阻率反演剖面图
图2 M2线视电阻率反演剖面图
图3 M3线视电阻率反演剖面图
2）音频大地电磁法。

过某井3 条平行音频大地电磁法反演剖面如图4、图5、图
6所示。

该3条平行剖面的电性特征基本一致，浅部须家河组地层整体呈现中低视电阻率的电性特征，属于须家河组巨厚砂岩及裂隙的综合电性反映。

中深部因雷口坡组地层厚度仅105 m，电性反映较弱，因此该段电性主要为雷口坡组及嘉陵江
组石灰岩的中高阻电性反映。

3条剖面共圈定出6 个低阻异常带，h1、h3 及h5
异常带呈条带状，该区域为须家河组六段地层，h2、h4及h6 异常带为须家河组
四段地层，这两段地层均为细粒—中粒砂岩孔隙裂隙含水层，富水性中等，透水
性较强，为主要含水层。

推测低阻异常带由裂隙较为发育的充水砂泥岩地层所引起。

钻井平台下方埋深428 m至深部电性曲线较为完整，呈现中高阻的电性特征，证
明地层较为完整，未发现有明显的异常。

结合地面地质调查分析，南广河海拔
380 m，若存在断裂构造，河流可能沿构造带径流。

因此，综合推断雷口坡组至深部1 000 m以浅存在不良地质体的可能性较小。

综合得出音频大地电磁法成果如下：①钻井钻遇地层为须家河组、雷口坡组及嘉陵江组对应的电性特征与地层岩性相一致，通过剖面电性特征能够对须家河组及其下伏地层进行大致分层。

②通过AMT剖面推断须家河组底界面埋深平均约430 m，电性呈现中低阻形态。

雷口坡
组地层厚度约105 m，由于地层厚度较薄，与嘉陵江组地层电性区别不大，因此雷口坡组与嘉陵江组地层综合呈中高阻反映。

③须家河组地层有两层低阻条带，推断为须四段、须六段的孔隙裂隙含水层。

④调查钻井平台周围雷口坡组地层，未发现溶洞、溶蚀漏斗及暗河出口，与电性呈中高阻特征相一致。

图4 L1线视电阻率反演剖面图
图5 L2线视电阻率反演剖面图
3.3 高密度电法+AMT综合运用效果分析
图6 L3线视电阻率反演剖面图
通过高密度电法反演成果，发现在地表下方存在一处视电阻率低阻异常带，推断为裂缝含水引起。

通过AMT 共发现两处低阻异常带，浅部的低阻异常带与高密度电法成果吻合性较好，深部的低阻异常带推测为须家河组四段的孔隙裂隙含水层。

通过高密度电法与AMT 对比分析可以得出，钻井平台下方裂隙较为发育，高密度电法控制深度较浅，而AMT 控制深度较深。

两种方法互相参照、互为补充、综合分析，效果较好。

4 结论
1）在钻井平台施工前围绕井平台开展综合物探工作，采用高密度电法（针对于埋深100 m 以浅）、AMT（针对于埋深100～1 000 m），能够有效查明钻遇地层裂隙发育的情况，预测钻井施工对环境的影响，为钻井设计提供了支撑。

2）高密度电法控制深度较浅，而AMT控制深度较深。

两种方法互相参照、互为补充、综合分析，效果较好。

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