电法组合勘探在页岩气平台采空区勘查中的应用

周慧莹 刘金辉 陈杰

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610072）

0.引言

近年来，四川盆地威远区块龙马溪组页岩气开发效果好，作为国家页岩气开发试点区，是全国页岩气勘探开发的主战场。此区块的须家河组地层发育多套煤层，威远区块中部至北部区域由于须家河组地层埋深较浅，煤矿开采较普遍，且有较普遍的私挖乱采无相应开采手续的现象，造成煤矿采空区展布情况不明，可能给后续钻探带来工程风险及生态环境风险。为了详细勘查和落实页岩气平台周边煤矿采空区的分布情况，尤其是煤矿坑道、规模和走向，规避钻井及环保风险，本次工作选择高密度电法、瞬变电磁法和音频大地电磁法3 种方法相结合的方式探测，结合一定工作量的地质调查工作查明平台及周边地下煤矿采空区、断层破碎带、岩溶、暗河及裂隙发育情况，通过一定程度的水文地质调查工作查明泉、井、池塘、地下水等水文地质情况，为钻探施工规避钻漏风险提供设计依据，也为后期的工程设计、建设及运行期的环境管理提供科学依据，做到经济建设与环境保护协调发展。

1.工区概况

工区内页岩气钻井平台钻孔目的层为志留系下统龙马溪组，钻遇地层自上至下依次为下沙溪庙组、自流井组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组及龙马溪组。平台预设井口位置地表出露地层为侏罗系下沙溪庙组砂泥岩互层，预设井口位置1000m 以浅下伏地层由上至下主要为：下沙溪庙组、自流井组、须家河组、雷口坡组和嘉陵江组。工作区内，含煤地层主要分布在须家河组内，可进行商业开采煤层分布于须家河组一、三、五段，本区主要开采煤层为须家河组五段的高炭煤层，高炭煤层为复煤层厚度为0.8m ～1.5m，一般由三层煤和两层矸石组成，结构稳定，总厚度在0.4m ～1.3m。

2.地球物理特征

工作区出露主要岩层有第四系的粘土、下沙溪庙组、自流井组、须家河组。根据实地测量视电阻率统计值及收集资料情况，砂岩、泥岩、灰岩等岩性的视电阻率值详见表1。

表1 岩石电阻率值统计汇总表

通过对表1 中各地层不同岩性的视电阻率特征进行总结分析，同时结合以往邻区工作成果中对已知采空区的特征描述，能够得出以下两点认识[1]：

（1）泥岩的视电阻率相对较低，其电阻率分布范围通常为22Ω·m ～163Ω·m，在工作区内相对围岩电阻率偏低；灰岩的视电阻率相对较高，其电阻率分布范围通常为1400Ω·m ～5000Ω·m，在工作区内相对围岩电阻率偏高；地层中采空区在充水条件下视电阻率会偏低，充水后其电阻率分布范围通常为1Ω·m ～40Ω·m，在工作区内的电阻率最低；地层中采空区在不充水条件下视电阻率会偏高，高于灰岩的视电阻率值，其电阻率通常在8000Ω·m以上。（2）通常，采空区、岩溶发育区、断层破碎带、构造发育区等与完整岩层的导电性能不同，造成电性响应特征的差异，即电法勘探所获得的视电阻率存在差异，可以利用这样的差异来查明采空区、岩溶等特殊地质体。地球物理勘探的本质是探测目标体与环境的地球物理响应特征差异，以上两点物性差异为工作区内部署高密度电法、瞬变电磁法以及音频大地电磁法提供了前提条件。

3.成果剖面

通过在已知采空区测量所得的瞬变电磁法经过处理反演后，反映出充水采空区视电阻率值大致在为3Ω·m ～40Ω·m 范围，与物性测试及反演成果异常划分标准基本符合，并与实测的地质资料相结合，综合分析圈定采空区异常。已知充水采空区的电性特征明显，主要呈现两点电性特征：（1）采空区范围内存在延伸的低阻条带状异常特征；（2）采空区附近视电阻率等值线发生扰动，等值线不连续且急剧变化[2-3]。

如图1 所示，通过L1 线AMT 视电阻率反演剖面可以看出：整体反演剖面电性特征反映明显，成层性较好，自上而下依次呈现下沙溪庙组、自流井组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组地层电性特征，视电阻率等值线形态反映出地层向南东方向倾斜，与地表地质调查较吻合。L1测线在里程0m ～300m、海拔0m ～200m 存在一明显的M1 异常,该异常呈中低阻条带状电性特征，结合地质资料综合分析，推测M1 中低阻异常亦由须家河组五段高炭已知采空充水引起。中深部雷口坡组及嘉陵组地层视电阻率等值线亦较为均匀，未发现明显电性异常。

图1 音频大地电磁法L1线视电阻率反演剖面综合推断图

4.地质成果

（1）通过高密度电法、瞬变电磁法及音频大地电磁法经过处理反演后，反映出下沙溪庙组地层视电阻率为中低阻、须家河组地层视电阻率为中阻、雷口坡组地层视电阻率为中高阻、嘉陵江组地层视电阻率为高阻，整体呈现中低—中—中高—高的电性变化规律，与物性测试反映出的地电信息吻合性较好，依据充分，反映可靠。（2）根据收集的邻区资料以及地质露头等资料数据对电阻率反演断面进行标定，分析已知采空区电阻率反演剖面上的特征，同时结合工作区内岩石的物性（电性）特征，综合分析研究电性异常响应特征与地层、构造之间的关系，确定各类地质异常引起的电性异常响应特征。对电法资料，运用合理有效的技术、方法进行精细处理，获得可靠的物探成果，解释结果与实际地质资料吻合性较好，符合地质规律。（3）瞬变电磁法及音频大地电磁法推测的M1 异常为须家河组五段高炭已知采空充水所引起，相互验证平台下方无采空。

5.结语

本次工作采用“3+2”的组合勘探方法，即采用高密度电法、瞬变电磁法（TEM)和音频大地电磁法（AMT）3 种物探方法，结合地质调查及水文地质调查，进行综合勘探，圈定了采空区范围，经钻孔验证成果可靠，为页岩气平台预测了钻井风险，又节约了成本，取得了良好的效果。