综合地球物理方法在黔西页岩气勘探中的应用

李家斌， 屈念念

(1.贵州省地质调查院，贵阳 550018； 2.贵州省地质物探开发应用工程技术研究中心，贵阳 550018)

0 引言

美国页岩气突破与工业化生产，开启了“非常规油气革命”，深刻改变了全球油气供给格局，相较而言，中国页岩气地质调查工作起步较晚，页岩气勘探尚处在合作借鉴与探索评价阶段[1]，页岩气勘探方法技术尚不成熟，诸多技术问题尚待进一步突破，如何应用好适宜的物探方法是页岩气勘探中尚待研究的热点问题。大地电磁法是页岩气地质调查工作中常用的物探方法，但由于单方法具有局限性，且物探推断解释结果具有多解性，造成大地电磁法的推断解释结果常与实际情况不符，因此，在推断解释中可先利用区域重力资料对研究区及周边断裂构造、地层等地质要素进行推断解释，结合地质成果，从宏观上掌握研究区及周边地区的基本构造格架，同时利用异常分离技术，对目的层区域重力异常进行提取[2-3]，进而对目标地层进行物性界面反演，建立目标地层初始模型。在构造基本格架与地层初始模型的基础上，对大地电磁资料进行约束反演，利用反演结果，结合高精度重力资料对推断解释结果进行重力、电磁的2.5维反演，在2.5维反演基础上重塑目标地层形态。这一推断解释流程加入区域重力资料及高精度重力资料对推断解释结果的约束，使大地电磁推断解释结果更为合理可靠，进而使物探工作达到综合推断解释的目的。本文利用重力、大地电磁以及地质综合推断的方法对黔西页岩气勘探开展物探方法技术综合应用研究，建立了可靠的地质-地球物理模型，为下一步页岩气物探工作的开展提供可借鉴的应用案例。

1 研究区概况

1.1 地质概况

黔西地区位于贵州省西南部，大地构造位置属扬子陆块江南造山带兴义隆起区(图1)，石炭系以下地层出露零星，石炭系—三叠系地层出露较广，全区地层以海相沉积为主，少部分为陆相沉积，沉积环境及沉积类型多样[4]。区内广泛发育二叠系龙潭组富有机质页岩层，龙潭组厚度在100～500 m，下部为碳质泥页岩、粉砂质(含粉砂)泥岩、粉—细砂岩夹煤层，上部为泥晶灰岩、泥质灰岩夹泥岩、粉砂质泥岩。龙潭组地层是区内主要的含气地层，近年来，针对龙潭组富有机质页岩层已经实施了少量页岩气调查井，均显示了较好的含气性，是贵州省页岩气主要含气地层之一，该层具厚度大、分布广的特点，富有机质页岩层位多深埋保存，后期勘探潜力较大。该区地质构造复杂，期次较多，雪峰运动、加里东运动、海西—印支运动、燕山运动、喜山运动、新构造运动均对区内地层有不同程度的影响。

图1 黔西地区大地构造位置

1.2 物性特征

地层物性参数(表1)表明，龙潭组地层岩石密度相对较低，除地表第四系外，为研究区内二叠系以上密度最小地层。从地层电性参数看，夜郎组灰岩视电阻率最高，其平均值达8 248.3 Ω·m，第四系覆土视电阻率值最低，视电阻率平均值为157.3 Ω·m； 除地表第四系覆土外，龙潭组与飞仙关组地层表现为低电阻率，其视电阻率平均值分别为369.5 Ω·m、467.23 Ω·m。

从地层岩石密度、电阻率的物性差异看，研究区内目标地层岩石密度、电阻率与其相邻近地层物性差异较大，具有重力与电法工作的物性前提，存在对研究区地质信息进行有效划分的基础。本次研究的目标为黔西地区青山向斜富含有机质页岩的上二叠统上部的龙潭组(P3l)地层层位，为一低密度、低电阻率的地质体。

表1 研究区地层物性参数统计表

2 1∶20万区域重力资料推断解释

对研究区内1∶20万区域重力资料再次处理解释分析。在布格重力异常图上，研究区位于贵州省西部、大型重力梯级带内，属SN向龙门山重力梯度带的南延部分，为贵州高原向云南高原过渡的反映。本文利用优选向上延拓[5-7]及归一化总水平导数、垂向导数[8]等方法，通过异常分离、异常显示等处理手段，提取研究区重力水平一阶导数、垂向二阶导数、水平总梯度模中的重力线性异常特征线，结合区域地质资料，综合推断研究区及邻区断裂构造(图2)。结果显示，研究区断裂主要有3条，断裂走向以NE向为主。

(a) 布格重力异常图 (b) 水平一阶导数(135°)

(c) 垂向二阶导数 (d) 水平总梯度模

图2研究区及邻区断裂构造推断解释

Fig.2Deductionandinterpretationofthefaultsinthestudyareaanditsadjacentareas

3 1∶20万区域重力资料定量反演

研究区地层密度分布相对简单，三叠系中统杨柳井组(T2y)至三叠系下统永宁镇组(T1yn)地层密度相对较高，三叠系飞仙关组(T1f)至二叠系上统龙潭组(P2l)地层密度相对较低，飞仙关组与永宁镇组为一密度界面。根据物性参数，利用Parker密度界面反演法[9]，选取这一密度界面密度差参数为0.08～0.16 g/cm3，界面深度参数选取0～1 500 m，通过反演，研究区内飞仙关组顶界深度如图3所示。对比界面深度零值线与飞仙关组地层出露界限，二者位置基本吻合。研究区内飞仙关组顶界从西南向北东总体呈“W”状起伏，北西翼密度界面较深，南东翼相对较浅，且北西翼密度界面变化较陡，南东翼密度界面变化相对较缓。

图3 飞仙关组(T1f)地层顶界面深度

4 大地电磁资料分析

研究区地层电性结构相对简单，龙潭组及其上覆飞仙关组地层电阻率相对较低，龙潭组和飞仙关组的相邻(近)地层永宁镇组、关岭组、茅口组、栖霞组等地层电阻率较高，从电性结构看，呈现出“三高夹两低”的电性特征。图4至图7为研究区内1线至4线大地电磁电阻率反演异常图，反演方法采用波斯迪克反演方法，数据模式采用TE、TM、TEM模式，反演过程中利用区域重力推断的断裂构造及界面深度成果进行约束。从各模式纵向电阻率异常展布形态看，各剖面异常展布趋势相似，从高程2 km的浅表至高程-3 km的深部区域，其纵向电阻率总体呈“高—低—高—低—高”的异常展布趋势，与研究区内“三高夹两低”的电性特征相吻合。据此，分析浅部第1层电阻率高值异常主要由出露地表的永宁镇组和关岭组引起； 浅部第2层电阻率低值异常主要由部分出露地表的龙潭组和飞仙关组引起； 浅部第3层电阻率高值异常主要由部分出露地表的石炭系摆佐组至二叠系峨眉山玄武岩引起； 在石炭系摆佐组之下，泥盆系火烘组至石炭系打屋坝组地层为一套黑色泥页岩系，从电性特征看该组地层具电阻率低值异常特点，因此，剖面电阻率异常中第4层电阻率低值异常由埋藏较深的泥盆系火烘组层至石炭系打屋坝组引起； 泥盆系火烘组地层之下为一套以灰岩、白云岩为主的寒武系、奥陶系地层，因此，第5层电阻率高值异常由电阻率相对较高的寒武系、奥陶系引起。从反演结果看，研究区从高程2 km的浅表至高程-3 km的深部区域具5层电性结构。

(a) 波斯迪克TE模式一维反演图

(b) 波斯迪克TM模式一维反演图

(d) 地质剖面图

图4 1线MT剖面推断解释图

(a) 波斯迪克TE模式一维反演图

(b) 波斯迪克TM模式一维反演图

(c) 波斯迪克TEM模式一维反演图

(d) 地质剖面图

图5 2线MT剖面推断解释图

(a) 波斯迪克TE模式一维反演图

(b) 波斯迪克TM模式一维反演图

图6-1 3线MT剖面推断解释图

(c) 波斯迪克TEM模式一维反演图

(d) 地质剖面图

图6-2 3线MT剖面推断解释图

(a) 波斯迪克TE模式一维反演图

(b) 波斯迪克TM模式一维反演图

(c) 波斯迪克TEM模式一维反演图

(d) 地质剖面图

图7 4线MT剖面推断解释图

5 高精度重力2.5维正演拟合

从大地电磁反演结果所推断的5层电性结构所含地层的密度看，飞仙关组、龙潭组、打屋坝组、火烘组地层密度相对较低，其邻近地层密度相对较高，呈现出“三高夹两低”的密度分布特点。根据这一密度分布特点，将研究区内地层按表2进行划分，结合研究区内地层组密度值，计算出表2中重力2.5维反演参数。以大地电磁反演结果为基础，区域重力所推断的区域构造、地层为背景，按表2中反演参数，对研究区内1线至4线开展2.5维高精度重力反演工作，各剖面反演结果如图8至图11所示。图8至图11中各图下部为反演模型，上部为实测曲线与理论曲线的拟合情况，从拟合情况看，实测曲线与拟合曲线拟合较好。从正演模型看，正演模型的地层、构造与区域重力、大地电磁所推断的地层、构造吻合较好，说明研究区内重力正演模型结果可信度较高，各方法间能够相互印证。

表2 重力2.5维反演参数

(a) 重力异常拟合曲线图

(b) 重力异常正演模型图

图8 1线高精度重力反演剖面

(a) 重力异常拟合曲线图

(b) 重力异常正演模型图

图9 2线高精度重力反演剖面

(a) 重力异常拟合曲线图

(b) 重力异常正演模型图

图10 3线高精度重力反演剖面

(a) 重力异常拟合曲线图

(b) 重力异常正演模型图

图11 4线高精度重力反演剖面图

6 钻探验证

2016年贵州省地质调查院在研究区内布设页岩气调查井1口，通过该调查井，揭示该调查井位置龙潭组钻遇深度为1 073.00～1 344.36 m，钻厚271.36 m，真厚度为264.45 m。根据表3对比高精度重力、大地电磁综合反演推断解释结果，钻探钻遇深度、厚度与推断解释结果吻合较好，从龙潭组钻厚与真厚情况看，与所推断解释的地层变化较缓的推断也吻合。

表3 钻探验证情况对比

7 结论与建议

(1)通过研究成果与钻遇情况对比，研究区内所推断的目标地层深度、厚度均与实际情况相吻合，说明这一推断解释与综合分析研究过程正确、合理，研究成果可靠。

(2)在掌握研究区区域重力资料所反映出的构造、地层等信息的基础上,开展大地电磁反演、推断解释工作能取到较好的应用效果，反映出地球物理推断解释遵循“由面到点、由轮廓到精细”这一规律,结论具有较为重要的实际应用意义。

(3)基本掌握了研究区内主要含气地层的基本展布形态，以及对页岩气成藏环境可能造成破坏的断裂构造分布，为页岩气赋存优选区的圈定提供了可靠的地球物理分析应用成果。

(4)本次研究仅针对页岩气地质调查工作开展，其余地质矿产调查工作的实际应用效果尚待进一步尝试与验证，建议地球物理工作者广泛开展此类综合研究工作。