李帝銓，汪振興，胡艷芳，王涵，蘇煜堤

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室(中南大學(xué))，湖南 長沙 410083； 3.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探測湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1-2]。我國的頁巖氣儲量巨大，具有含氣面積廣、資源量大和開采周期長等優(yōu)點。我國也是能源需求大國，清潔能源的使用是行業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，頁巖氣的勘探與開發(fā)尤為重要[3-4]。

自安頁1井[5-6]獲得了油氣重大突破后，證明了武陵山區(qū)具備巨大的頁巖氣資源潛力，由此自然資源部加大了對武陵山區(qū)7 800 km2殘留向斜頁巖氣及油氣勘查開發(fā)。桐梓地區(qū)地處武陵山區(qū)，頁巖油氣與致密砂巖油氣資源儲存潛力巨大。桐梓位于黔北山地與四川盆地的銜接地帶，構(gòu)造體系復(fù)雜，構(gòu)造運動強烈，地勢呈東北高、西南低形狀，巖溶廣布，石峰林立，洼地、漏斗、豎井、盲谷比比皆是，暗河、溶洞十分發(fā)育[7-9]。五峰—龍馬溪組是勘探目的層，其頁巖埋藏深度大，平均超過1 300 m，常規(guī)電法勘探難以滿足要求。為了更好地明確五峰—龍馬溪組泥頁巖的空間展布、埋深、厚度等信息，落實區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造特征，優(yōu)選頁巖氣富集有利區(qū)，在該區(qū)開展了廣域電磁法勘探，聯(lián)合電阻率和埋深參數(shù)，實現(xiàn)頁巖氣儲層關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)識別和勘探，建立了研究區(qū)內(nèi)含氣特征模型，查明了桐梓地區(qū)從東北向西南呈“凹隆相間”的構(gòu)造格局，圈定出4處頁巖氣勘探有利區(qū)，為我國復(fù)雜地質(zhì)、地表條件的富有機質(zhì)泥頁巖電磁法識別與預(yù)測提供參考[10]。

1 廣域電磁法基本原理

廣域電磁法是相對于傳統(tǒng)的CSAMT法和MELOS方法提出來的，使用人工場源發(fā)射電流，采用單分量或多分量測量和適合于全域的公式來計算廣域視電阻率，供電頻率的帶寬選擇較大，適合大深度勘探[11]。

廣域電磁法測量方式靈活多變，根據(jù)場源激發(fā)方式不同分為水平電流源和垂直磁場源[12]。水平電流源采用一對接地雙極源供電，產(chǎn)生的電磁場有多個可觀測的分量，每個分量均可以使用迭代或逆樣條插值的方法求出廣域視電阻率。理論分析與試驗表明，觀測水平電流源激發(fā)的場Ex分量,以其野外敷設(shè)和收攏方便、移動靈活、信號強度大等優(yōu)勢在實際勘探中更為實用。此次研究采用E-Ex觀測方式，計算廣域視電阻率，依據(jù)頁巖層低電阻率電性特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料對反演結(jié)果進行分析，獲取富有機質(zhì)頁巖的空間展布，達(dá)到勘探目的。

2 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

研究區(qū)地處貴州高原北部向四川盆地過渡地帶，地勢西北高東南低，屬黔北高原峽谷、丘陵盆地地貌，海拔800～1 800 m，以峽谷溶蝕地貌為主。構(gòu)造上位于黔北斷褶帶，受東邊遵義—南川斷裂、北部齊岳山斷裂和南部赫章—金沙斷裂控制，屬大婁山構(gòu)造體系(圖1)。研究區(qū)及周邊廣泛發(fā)育隔槽式褶皺，向斜軸部為三疊系，背斜核部由寒武系組成，奧陶系、志留系地層沿褶皺翼部呈環(huán)形分布，背斜構(gòu)造帶相伴生的斷層發(fā)育普遍，斷層的發(fā)育對地層分布的控制作用明顯[13-14]。地層由寒武系中統(tǒng)高臺組至三疊系下統(tǒng)茅草鋪組組成，其中缺失泥盆、石炭系及上三疊統(tǒng)，其余均有沉積。此外，尚有古近系及第四系零星分布。地表出露地層以寒武系、奧陶系、志留系和二疊系發(fā)育最全，分布區(qū)域最廣。

圖1 工區(qū)測線布置示意Fig.1 Layout of survey line in study area

工區(qū)內(nèi)共布設(shè)廣域電磁法測線6條，L1線貫穿研究區(qū)南北，L2線布設(shè)在研究區(qū)東南部，與構(gòu)造走向平行，L3、L4、L5、L6線都垂直構(gòu)造走向布設(shè)(見圖1)，測線總長140 km，點距100 m，點號北小南大，西小東大。采用E—Ex觀測方式，共布設(shè)4個場源(圖2)，覆蓋所有測線范圍，收發(fā)距12～20 km,發(fā)射電流120 A。

圖2 工區(qū)場源布置示意Fig.2 Layout of field source in study area

研究區(qū)主要出露二疊系和三疊系地層，利用雙頻激電儀對研究區(qū)出露地層電阻率進行小四極測量，獲得巖石樣品的電阻率特征(圖3)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明：上奧陶統(tǒng)五峰組巖層的電阻率集中在10～100 Ω·m之間，志留系石牛欄組(S1sh)與奧陶系湄潭組(O1m)地層電阻率相對較高，分別介于500～5 000 Ω·m和1 000～9 000 Ω·m之間。

圖3 地層標(biāo)本電阻率測量統(tǒng)計Fig.3 Stratum specimen resistivity measurement chart

對于研究區(qū)深部巖層的電阻率分布特征，根據(jù)鄰區(qū)丁頁3井和丁頁1井的電阻率測井曲線(圖4)，認(rèn)為志留系地層表現(xiàn)為明顯的低阻特征，電阻率集中在10～100 Ω·m，二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組電阻率相對較高，達(dá)到10 000 Ω·m，奧陶系中統(tǒng)寶塔組、十字鋪組地層電阻率甚至超過10 000 Ω·m。根據(jù)地表巖石樣品電阻率測量特征及鄰區(qū)電阻率測井曲線分析，總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)各地層物性特征(表1)，表明泥質(zhì)灰?guī)r和頁巖與圍巖存在明顯的電性差異，這為電磁法勘探提供了可靠的物性基礎(chǔ)。

表1 五峰—龍馬溪組及圍巖電阻率數(shù)值統(tǒng)計Table 1 Statistical table of physical properties of Wufeng-Longmaxi Formation and surrounding rocks

3 資料處理與解釋

廣域電磁法資料處理解釋以巖石導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過對原始數(shù)據(jù)飛點剔除、靜態(tài)校正等預(yù)處理并結(jié)合原始數(shù)據(jù)“頻率—視電阻率”曲線完成定性分析，因為廣域視電阻率與MT視電阻率在曲線形式上相似，可以在帶源反演之前先進行MT反演來建立一個合理的初始模型，通過使用非線性最小二乘法完成反演計算。反演過程可以結(jié)合已有的地震及測井資料進行約束反演計算，有效降低反演的多解性[15]。

可以根據(jù)視電阻率曲線圖的橫向變化和擬地震剖面圖的同相軸的連續(xù)性來判斷構(gòu)造的發(fā)育情況。圖5為L6線的原始數(shù)據(jù)曲線與擬地震剖面，圖中126～136點、162～172點的中頻段視電阻率曲線變化紊亂，擬地震圖同相軸明顯錯斷，推測這兩段內(nèi)可能存在斷層發(fā)育。圖6為L6線原始數(shù)據(jù)等頻率曲線，可以定性地了解測線電性分布、基底起伏、斷層分布、電性層劃分等斷面特征，判斷目的層的起伏形態(tài)，圖中在130～150點范圍內(nèi)中低頻有明顯凹陷特征，往后逐漸趨緩。

圖5 L6線原始數(shù)據(jù)曲線(a)與擬地震剖面(b)Fig.5 Raw data graph of L6 line (a) and quasi-seismic profile of L6 line(b)

圖6 L6線等頻率視電阻率曲線Fig.6 Equal frequency apparent resistivity curve of L6 line

圖7a是對L6線原始數(shù)據(jù)進行一維井震約束反演成像結(jié)果，反演擬合差為7.89%。由反演結(jié)果可知，測線控制范圍內(nèi)電性特征在縱向上主要表現(xiàn)為高—低—高—低—高5個階段。深部低阻地層的起伏形態(tài)與圖5原始數(shù)據(jù)中低頻曲線起伏形態(tài)相似，在126～136點和162～172點，電阻率曲線分別在海拔300 m和-50 m附近沿測線方向出現(xiàn)明顯畸變，推測這兩處存在斷層發(fā)育。中間地層整體呈凹陷形態(tài)，根據(jù)物性特征劃分出志留系層位的埋深位置，從而判斷出上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的埋深信息，其埋深位置及起伏形態(tài)與地震解釋剖面基本一致(圖7b)。由地質(zhì)解釋結(jié)果(圖8)可知，F(xiàn)1斷層自二疊系茅口組、棲霞組向北傾斜穿過志留系地層，與向南傾斜的逆斷層F2共同將剖面劃分成3段。北段113～121號點可見出露的志留系泥質(zhì)砂巖、頁巖，向深部延伸與F1斷層下盤接觸，斷距較??；F2斷層在162號向南傾斜，穿過志留系延伸至奧陶系地層南段上盤志留系泥質(zhì)頁巖，向測線方向前部延伸；L6線中部目的層形態(tài)相對穩(wěn)定，地層連續(xù)性較好，構(gòu)造作用小，埋藏深度較大，層厚100～300 m。沉積較穩(wěn)定的140～190點之間為頁巖氣富集有利區(qū)段，埋深為海拔-700～-200 m。

圖7 L6線反演斷面(a)和地震解釋剖面(b)Fig.7 Inversion cross-section of L6 line(a) and seismic interpretation section(b)

圖8 L6線地質(zhì)解釋剖面Fig.8 Geological interpretation profile of line L6

4 有利區(qū)預(yù)測

頁巖氣儲層的含氣量是頁巖氣富集的體現(xiàn)，頁巖層系的含氣與否，表現(xiàn)出的電磁特性也不同，所以可以通過分析含氣量與TOC及視電阻率的關(guān)系來建立含氣特征模型。圖9a反映了鄰區(qū)丁頁3井五峰組—龍馬溪組含氣量與TOC的關(guān)系，可見五峰組—龍馬溪組含氣量和TOC含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。圖9b反映了丁頁3井五峰組—龍馬溪組含氣量與視電阻率的關(guān)系，分析可知，當(dāng)含氣量為0.5～4.5 m3/t時，視電阻率變化范圍在50～250 Ω·m，整體表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。據(jù)此建立以電性為表征的含氣性特征模型，進而為圈定廣域電磁法勘探有利區(qū)提供參考依據(jù)，評價頁巖氣儲集特征。分析獲得研究區(qū)內(nèi)含氣性特征模型參數(shù)為：電阻率范圍5～100 Ω·m，埋深1 000～2 400 m，離主要斷裂的距離大于1 km，厚度適當(dāng)。

圖9 丁頁3井五峰組—龍馬溪組含氣量與TOC(a)及視電阻率(b)的關(guān)系Fig.9 Relationship between gas content, TOC(a) and apparent resistivity(b) of Wufeng Formation—Longmaxi Formation in Well Dingye3

根據(jù)總結(jié)的含氣特征模型，解釋出研究區(qū)的電阻率有利區(qū)、埋深有利區(qū)及綜合勘探有利區(qū)。從電阻率有利區(qū)平面展布圖(圖10a)可知，測區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組有利區(qū)電阻率范圍分布在5～100 Ω·m之間，電阻率較低區(qū)域主要在測區(qū)的東北、中部和西南部，電阻率在5～50 Ω·m之間，也是泥頁巖富集地區(qū)。

從目的層埋深有利區(qū)平面展布圖(圖10b)可知，測區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組有利區(qū)的埋深在1 000～2 400 m之間，在測區(qū)的東北、中部和西南部埋藏深度相對更大，達(dá)到2 000 m，目的層在測區(qū)東北部呈向斜形態(tài)，中部局部隆起，形成從東北向西南“凹隆相間”的構(gòu)造格局。

綜上所述，在測區(qū)內(nèi)預(yù)測頁巖氣勘探有利區(qū)4處(圖10c)，即測區(qū)東北部1處，中部1處，西南部2處。綜合分析，五峰—龍馬溪組視電阻率相對較低，埋深相對較大，且遠(yuǎn)離斷層發(fā)育，反映富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育，推測頁巖氣勘探前景較好。

圖10 勘探區(qū)目的層電阻率(a)、埋深(b)、綜合有利區(qū)預(yù)測結(jié)果(c)Fig.10 Target area resistivity (a), buried depth (b), comprehensive favorable area prediction result in exploration area (c)

5 結(jié)論

1)黔北桐梓地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖電性相對底板奧陶系臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r表現(xiàn)為明顯的低阻特征，具備開展廣域電磁勘探的物性條件，可以通過尋找臨湘組的頂板直接找出五峰組—龍馬溪組的埋藏位置。

2)查明了桐梓地區(qū)東北和西南呈現(xiàn)凹陷展布，中部局部隆起，斷裂多為逆斷層，五峰組—龍馬溪組地層較穩(wěn)定連續(xù)；推斷了頁巖氣勘探有利區(qū)4處。

3)將廣域電磁法應(yīng)用于桐梓地區(qū)頁巖氣勘探靶區(qū)的預(yù)測是一個探索，是在綜合分析廣域電磁法數(shù)據(jù)解釋與地震對比研究的基礎(chǔ)上得出了推測性結(jié)論，目前本區(qū)并無鉆井資料驗證。此次探測成果有望助力實現(xiàn)武陵山區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)由點到面的突破，促進沿江清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略提供支撐。