川南地区页岩气井平台钻前电法勘探方法对比研究

时间：2024-05-22

余长恒, 张光大, 郑健, 王安平, 张旭林,杨扬, 刘磊, 李易

(1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川长宁天然气勘探开发有限责任公司，成都 610056；3.自然资源部复杂构造区页岩气勘探开发工程技术创新中心，成都 610072)

0 引言

四川南部宜宾地区属于页岩气优质区块，页岩气藏潜力巨大。但是由于该区地形地质条件、水文地质条件、地下岩溶发育等十分复杂，页岩气井平台在选址、施工过程中会遇到各种困难。常见的1 000 m以浅钻遇地层主要有沙溪庙组、自流井组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组和飞仙关组，岩性主要有砂岩、泥岩和盐酸盐岩。碳酸盐岩在川南地下岩溶、暗河十分发育，形成了错综复杂的地下管网，砂岩节理裂隙发育，富含水、导通性强。钻井平台在不同的开孔层位，地表水、地下水对井平台建设、钻井施工的影响程度各不相同，钻井液沿裂隙、裂缝、岩溶管道漏失的特征也各不一样。因此，在研究区开展钻前勘探具有十分重要的意义。

目前国内、外针对裂缝、洞穴、岩溶[4]的勘探方法较多，常规电法(直流电阻率法、高密度电法等)；频率域电磁法(瞬变电磁法、大地电磁法等)；弹性波法(浅层地震折射波和反射波法、地震波CT层析成像、井间超声波层析成像、瑞雷面波、地质雷达等)。在进行钻井平台勘探过程中，什么勘探方法最有效、施工周期最短、经济成本最低，将是本次研究工作的重点任务，研究区主在在宜宾地区兴文县、珙县、筠连县境内(图1)。

图1 研究区地质背景与地理位置图

1 钻前电法勘探的必要性

1.1 地形地质条件复杂

四川南部宜宾地区属于山区地形，沟壑纵横，地形切割较深，地貌以中～高山为主，砂泥岩出露区：砂岩节理裂隙发育，易形成陡坎、陡崖，崩塌、滑坡、松散堆积体等地质灾害发育；碳酸盐岩出露区：喀斯特地貌发育，井区的雷口坡组(T2l)和嘉陵江组(T1j)地层，沿岩层走向、倾向到处可见溶蚀槽谷和落水洞，岩溶十分发育。

1.2 水文地质条件复杂

研究区水系[5]特别发育，有南广河和长宁河两大水系，有38条主要支流，地下发育有2条地下暗河，1条伏流，13个下降泉，111个出水点；沉积岩以碎屑岩类为主[6]，碳酸盐岩类及泥岩类次之，裂隙和岩溶管道发育，具有丰富的红层水、碎屑岩孔隙裂隙水和岩溶水，形成了复杂的水文地质条件。

1.3 地下岩溶发育复杂

岩溶发育受气候、地下水、地质构造、岩性等因素的控制。研究区属亚热带气候，温暖潮湿，这种气候给岩溶发育创造了极为有利的条件。研究区岩溶在不同层位(主要是雷口坡、嘉陵江和飞仙关组地层)大量发育岩溶及岩溶管道，即使同层位地层的岩溶管道也存在有多期次发育特征。即先期(浅部)形成的溶洞已干涸，只有在雨后才有水流动，部分区域地下水的深循环作用，而导致岩溶在侵蚀面以下深部发育。

1.4 岩溶对钻井工程的影响

钻井过程中若遇到岩溶，容易引起卡钻、掉钻、钻井液漏失等问题。研究区岩溶发育具有不规则性、空洞大小变化很大，小到零点几米，大到几十米不等，当钻进至岩溶时，轻则出现放空现象，重则发生卡钻、掉钻等孔内事故。钻遇岩溶通道时，将会引起钻井液严重漏失，对工程施工造成损失，对生态环境造成影响。

1.5 钻井液漏失对环境的影响

钻井过程中遇裂隙破碎带、地下岩溶，极易发生钻井液漏失情况，对地下水及区域水环境造成一定影响，而且这些污染具有隐蔽性、延时性等特点，对环境生态的破坏影响较大。研究区部分钻井平台施工过程中，已经有钻井液严重漏失的情况，对生产施工及环境造成有一定的影响。

1.6 常见不良地质体及其钻井工程的影响

研究区岩溶、裂隙及破碎带为主要地质异常体[7]，钻遇该类异常时，易引起掉钻、卡钻、井液漏失等事故，特别是岩溶管道(地下暗河)发育极具隐蔽性，发生井液漏失导通性极强，对水源及环境影响巨大。其次是砂泥岩开孔地区，浅表坡积层较厚，大块孤石容易给钻井平台工程勘察造成误判，平台基础持力层难于进入基岩，在后期受钻井动荷载影响，钻井平台基础不均匀沉降，引起井架及钻井设施倾斜等事故。

2 技术路线与研究方法

2.1 物性特征分析

在收集研究区周边及以往工作邻区的测井、电性资料基础上，在研究区采集了300件岩样进行室内物性测试，统计结果见表1。

表1 工作区岩石电阻率物性参数统计表

通过物性测试统计结果可知：不同岩性之间存在较明显的电性差异[8]。泥岩电阻率最低，一般在80 Ω·m～180 Ω·m之间，在研究区属低电阻率；砂岩电阻率次之，一般在260 Ω·m～700 Ω·m之间，在研究区属中电阻率；灰岩电阻率最高，一般在2 000 Ω·m～6 300 Ω·m之间，在研究区属高电阻率。空洞不含水、无充填状态下，一般呈高电阻率；空洞充水或泥沙一般呈低电阻率。相邻地层自流井组和须家河，雷口坡组和嘉陵江组没有较明显的电性差异，而须家河组与雷口坡组有较明显的电性差异。综上所述，研究区具备开展电法工作的地球物理前提条件。

2.2 方法选择及参数

2.2.1 方法的有效性对比分析

在岩溶地区的物探勘查方法中主要有电阻率法、高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法、音频大地电磁法等。

1)电阻率法是早期岩溶勘察中运用最多的物探方法，它包括电剖面和电测深法。在岩溶勘察中更多的是使用电测深法进行勘探。电测深法对勘察隐伏浅层岩溶较为有效，它具有体积勘探效应，除探测测点下方垂线上的岩溶情况，同时还能探测邻区一定范围(与电场分布有关)地下岩石的电阻率异常信息，但电测深方法在山区施工效率低、分辨能力不足，不适合川南山区地形。

2)高密度电法在勘察溶洞、溶蚀裂隙、岩溶通道发育情况等方面，能取得较好的地质效果。高密度电法是一种快速、高效、经济的浅表岩溶构造勘察手段，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，较为准确地确定不良地质体存在的位置及大小。

3)地质雷达在探测岩溶方面是一种高效、直观、连续无破坏性物探方法，提供的资料图件为连续的平面和剖面形态，但对溶洞大小的预测比实际尺寸偏大，且存在线性相关关系，由于岩溶本身的空间形态发育非常复杂，大量溶蚀构造形态发育时，反射波电信号相互干扰、重叠、造成探测结果扩大化：此外，地质雷达在岩溶地区的探测还受到上覆土层厚度和地下水的影响，且探测深度较小，要求地形相对平坦，因此不适合在川南山区开展工作。

4)瞬变电磁法对高电阻率背景中低电阻率异常体具有灵敏地分辨能力，具有探测地下埋深100 m～400 m以浅不良地质体的能力。

5)音频大地电磁法。勘探深度范围大，采用天然场源，野外生产装备轻便，适应于地形条件较差的山区，能够快速有效地发现地下埋深1 000 m以浅的不良地质体。

6)浅层地震法。是通过研究人工震源激发所产生的地震波在地下介质中的传播规律来解决地质问题的一种物探方法。在浅层地震勘探技术中，常被用来勘察岩溶地质的勘察方法包括：地震波CT层析成像技术、井间超声波层析成像技术、瑞雷波面法等。钻前勘查均是在钻井之前施工，因此无井间施工条件，且川南浅部地层受地形切割、构造等影响，岩层破碎，地震反射条件差，因此浅层地震不适合川南山区地形。

综上所述，在岩溶地区，由于岩溶在空间上发育不均一性和岩溶水文地质条件的复杂性以及地形的多样性，一些常规物探方法(如电阻率法、地质雷达法、浅层地震法)一定程度上受到限制。因此，采用高密度电法、瞬变电磁法以及音频大地电磁测深法对地下岩溶进行多方法、多尺度的电法勘探，能够有效查明1 000m以浅溶洞、裂隙破碎带及其他不良地质体的发育情况，为钻探工作规避钻、孔漏等风险提供科学依据。

图3 5 A发射电流采集原始曲线

图4 10 A发射电流采集原始曲线

2.2.2 野外作业参数试验与对比

1)高密度电法。选择在已知溶蚀塌陷地方(图2)分别进行了装置变换试验、道间距选择试验、浅表电性不均匀性处理试验、提高分辨率处理试验、高密度电法剖面层数等参数试验[9]，结果得出最优的岩溶勘查效果参数如下：①采用温纳装置；②道间距5 m；③对浅表数据的选择性筛选删除和改变阻尼系数；④精细网格处理；⑤在120道的情况下选择剖面数为36剖面层数。

图2 已知溶蚀塌陷区温纳装置反演成果图

2)瞬变电磁法。发射电流大小是影响勘测深度及接收信号质量好坏的一个主要因素，电流越大，一次场的影响越深，激发的二次场的强度也越大，探测深度也越深，信号质量越好。本次工作开展进行了5 A、10 A及12 A电流试验工作：

对比图2～图5可知，发射电流较大时，原始曲线更为光滑，5 A不能满足要求，数据质量差，而10A及12 A数据质量基本一致，低频信号数据质量更好，因此本次工作采用10 A及更大发射电流。

图5 12 A发射电流采集原始曲线

接收时间长短能影响叠加次数，叠加次数的增加能有效压制随机干扰。本次工作采用的仪器只需要给定总的采集时间和最低频率的最少采集时间后，仪器自动进行叠加。在进行试验时，选择了1 min、3 min、5 min，测试原始曲线如图6、图7、图8。

图6 1 min接收时间采集原始曲线

图7 3 min接收时间采集原始曲线

图8 5 min接收时间采集原始曲线

对比图6～图8可知，1 min原始曲线由于采集时间较短，导致叠加次数较少，数据质量不佳，而3 min及5 min采集时间，数据质量差别不大，因此在采集3 min的基础上可尽可能加大采集时间。

由试验工作，最终确定研究区瞬变电磁法采集参数：发射电流≥10 A；采集时间≥3 min；发射频率为25 Hz和5 Hz；发射边长为400 m*400 m；接收框面积为100 m2。

3)音频大地电磁法。在同一无电磁干扰点位用同一仪器进行了极距试验，其目的是为确定较合理的极距长度，为井区提供统一的极距参数。本次研究工作进行了10 m、20 m、40 m及60 m极距试验。

由图9可见，10 m、20 m的极距曲线在中低频不连续、不平滑，说明其采集到的数据不稳定，信号强度弱，压制随机干扰和噪声的能力弱。而40 m、60 m极距的曲线在全频段均连续平滑，说明40 m和60 m极距的采集数据中，其电道和磁道的采集信号强且稳定，能得到可靠的数据。

图9 不同电极距测试曲线对比图

综上所述，10 m、20 m极距不能满足数据质量要求，而40 m、60 m极距均能采集到可靠的数据，兼顾施工进度和效率，最终选择极距长度为40 m。最终确定本研究区音频大地电磁法采集参数：接收电极距为40 m，采集频率为0.35 Hz～10 400 Hz,张量采集。

2.3 地质体电性识别

岩溶勘查重点探测井区岩溶、溶蚀塌陷、裂缝的分布特征，也就是重点研究视电阻率低/高阻异常特征，因此在地面已知岩溶、溶蚀塌陷及裂缝处进行了测试，并进行了资料处理反演。

2.3.1 岩溶电性识别特征

1)干枯岩溶。通过在研究区已知干枯岩溶(地名大牛洞，图10)位置测量所得的高密度数据经过处理反演后，反映出干枯岩溶的视电阻率值为20 000 Ω·m～120 000 Ω·m(104.3-105.1)，属于高视电阻率范围，该区干枯岩溶高阻电性特征明显。

图10 干枯岩溶电性识别成果图

2)含水岩溶。通过在研究区已知含水岩溶(地名大龙眼，图11)位置测量所得的高密度电法后，反映出含水岩溶高密度电法视电阻率值为20 Ω·m～100 Ω·m(101.3-102)，属于低视电阻率范围，该区含水岩溶[11]低阻电性特征明显。

图11 含水岩溶电性识别成果图

2.3.2 裂缝电性识别特征

通过在已知充水裂缝(图12)位置测量所得的高密度电法后，反映出充水裂缝视电阻率异常呈条带状形态，视电阻率值为2 Ω·m～10 Ω·m(100.2-101)，属于低视电阻率范围，该区充水裂缝低阻电性特征明显。

图12 充水裂隙电性识别成果图

通过在研究区已知干枯裂缝(图13)位置测量所得的高密度电法后，反映出干枯裂缝视电阻率异常亦呈条带状形态，视电阻率值为12 000 Ω·m～20 000 Ω·m(104.1-104.3)，属于中高视电阻率范围，该区含干枯裂缝中高阻电性特征明显。

图13 干枯裂隙电性识别成果图

2.3.3 溶蚀塌陷电性识别特征

通过在研究区已知溶蚀塌陷(图2)位置测量所得的高密度电法后，反映出溶蚀塌陷视电阻率异常呈现浅部低阻、中深部呈现中高阻的形态，该区溶蚀塌陷异常特征明显。

2.4 组合探测方法试验与应用

2.4.1 含水裂缝组合探测方法

图14为属于同一地表裂隙上的高密度电法、瞬变电磁法及音频大地电磁测深法视电阻率反演剖面图。

通过高密度电法反演成果，发现在地表裂缝下方存在一处视电阻率低阻异常，推断为裂缝深部含水引起，该裂缝影响深度约地下120 m，通过高密度电法、瞬变电磁法与音频大地电磁法相重合剖面(图14)对比分析可以得出，地下裂隙含水带在深部沿地层走向发育。

图14 含水裂缝高密度、音频大地电磁法、瞬变电磁法反演成果对比图

通过在已知充水裂缝位置(图15)进行瞬变电磁的网度布置，TEM法能快速的平面网度测量，所得的瞬变电磁法成果(图16)，可以有效地控制充水裂隙异常在平面及深度上发育情况。

图15 含水裂缝瞬变电磁法测线布置图

图16 含水裂缝瞬变电磁法反演成果图

2.4.2 干枯岩溶组合探测方法

图17为高密度电法、瞬变电磁法及音频大地电磁测深法视电阻率反演剖面图。

通过高密度电法与音频大地电磁法相重合剖面(图17)对比分析可以发现，两种方法对地下同一干枯岩溶反映的电性特征较吻合，均表现出视电阻率高阻异常。

图17 干枯高密度、音频大地电磁法、瞬变电磁法反演成果对比图

结合同位置所测得的瞬变电磁法反演剖面，对地下干枯岩溶反映不是很明显，仅对含水异常反映较明显[12]，因此TEM法能有效的探测高阻中的低阻异常，但在干枯岩溶异常识别方面低于高密度电法和AMT法。

2.5 电法成果三维可视化立体显示

通过各岩性及地质异常体的物性统计及反演结果，换为三维的模型数据，通过三维图像信息提供直观的地球物理信息[10]，可较好突显异常体在空间位置上的展布形态，直观性和立体型较强，相对于二维反演图更直观，立体显示物探成果，为钻井设计提供有效的地质依据。

3 应用效果与经济价值

在页岩气钻井前，应用上述多尺度组合物探方法，能够有效地查明拟钻井位置深部的岩溶、暗河、煤矿、采空区、岩石裂隙以及断层破碎带等不良地质体的规模、位置和发育情况，目前该组合探测技术，现已成为川南地区页岩气井位部署、钻井设计、措施制定等关键技术环节的重要支撑手段。

3.1 井身结构优化

开孔在碳酸盐、须家河、龙潭等地层时，钻井浅部常见岩溶管道、煤矿采空区等不良地质现象，造成掉钻、井液泄露，不但影响钻井工期，还会对周边水源造成影响，因此在此地质类型开孔平台，井身结构设计时，一般采用4层～5层套管设计。

在开展钻前组合物探方法技术后，可以对地表到1 000 m深度的暗河、煤矿采空区、地下水、浅表堆积层、岩溶形态作出精细解释，根据探测成果对原井身结构进行优化，井身结构优化可分为两个方面：①探测成果显示岩溶管道不发育、煤矿采空区不涉及、水源无影响的钻井平台，其井身结构可适当简化，即减少原井身设计套管层数，从而降低了成本开支，节约了施工周期；②在探测成果显示平台下伏地层电性异常明显平台，对井身结构调整，以防止工程事故、水体污染等事故的发生。

3.2 平台位置优选

川南地区，人居密集，饮用水保护区多，社会和环境敏感程度高。通过该组合探测技术能够查明钻井周边出水点类型(碳酸盐类裂隙溶洞水、碎屑岩类孔隙裂隙水)，摸清主要排泄点水源的主要来源方向、地下径流主通道位置，与钻井之间水源连通关系，为页岩气钻井平台选址提供环境安全区域，避开影响水资源的补给通道，为钻井平台环境影响评价报告提供水源连通性评价的重要科学依据，为当地水资源保护与经济建设协调发展中起到了重要支撑作用。

图18 研究区某平台音频大地电磁法三维立体效果图1

图19 研究区某平台音频大地电磁法三维立体效果图2