刘 伟，甘伏平，张庆玉，潘晓东，何长响，淡 永
(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004；
2.自然资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；
3.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210046)
当前，我国经济发展与能源供需矛盾凸显，经济社会可持续健康发展和生态文明建设对油气资源的需求日益旺盛，国家急需清洁和高效的新型能源。在此背景下，近几年来我国南方地区的页岩气资源勘探开发工作如火如荼(苑坤等，2017；
符超，2018；
许露露等，2018；
李希建等，2019)。
南方地区是我国典型的岩溶地区，在岩溶地区地表或近地表裂隙、溶洞、地下河极其发育，钻井揭露此类不良地质体时，容易发生突水和漏浆事故(袁道先，2014；
陈紫云等，2017)，极大影响了油气工程的进度和开发成本。如川东南岩溶地区钻页岩气井时，在表层二叠系-三叠系碳酸盐岩层中常钻遇溶洞、暗河管道等，导致钻井施工过程中泥浆井漏、出水等复杂地质问题；
如2013年中石化丁页1HF井在井深15 m处钻遇溶洞，多次漏失导致导管施工达22天之多；
又如焦页4HF井从22～95 m钻遇裂缝，出现间断性恶性井液漏失，漏失泥浆1900 m3，不仅造成经济损失，而且延误工期达20天，此类施工事故的不断涌现，严重制约和影响了页岩气资源勘探开发的进程。本次研究以2019年分别在贵州都匀和广西融安实施的两个油气钻探靶区为实例，运用高密度电阻率成像法、音频大地电磁法和氡气测量法，对近地表(500 m以浅)的地质结构构造进行了探测识别研究，以探索可靠的地球物理物理技术方法或方法组合，为页岩气靶区优选钻孔避开近地表强岩溶发育带和断层破碎带提供强有力的技术支撑。
1.1 高密度电阻率成像法(ERT)
1.1.1 方法原理
高密度电阻率成像法是以岩、土体之间存在电性差异为其物理前提，采用多芯电缆和多道电极人工建立地下稳定直流电场，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，实现供电和测量电极的自动跑极、自动供电、自动观测和自动记录、自动计算和自动存储，获取地下介质的电阻率分布规律，进而推断地下的地质结构和构造以解决水文与工程地质问题的方法(刘伟等，2019)。
1.1.2 数据处理
对单独测量的一条测线采用二维反演，对多条紧密测线则可以联合起来进行三维反演，二维数据和三维数据处理软件分别采用Res2dinvx32 ver.3.71和Res3dinvx64 ver.3.09，数据处理流程为：导入野外实测数据→跳点剔除→正演计算→反演成像→地质推断解译。初始模型为均质模型，以实测视电阻率的平均值作为初始电阻率值，模型正演计算采用有限单元法，设置两电极间水平方向网格数为4，垂直方向网格选择精细网格剖分，反演算法为光滑约束的阻尼最小二乘法(Ellis and Oldenburg，1994)，设置初始阻尼系数为0.25以压制噪声，最小阻尼系数为0.02以稳定反演过程，收敛极限设置为5%，反演时选择robust模型限制以适应岩溶区电阻率的强烈变化(Loke et al.,2003)，通过自动迭代得到地下介质电阻率的变化规律。本次野外数据采集仪器为重庆奔腾数控生产的WGMD-3型高密度电阻率测量系统。
1.2 音频大地电磁法(AMT)
1.2.1 方法原理
音频大地电磁法是大地电磁法(MT)的一个分支，属于频率域电磁法，探测深度随频率降低而增大，它利用雷电活动所引起的天然音频大地电磁场作为场源，观测互相垂直的两个方向上若干频率的电场和磁场之比，通过研究地电断面的变化来达到了解地质构造、找矿、找水等地质目的的一种地球物理勘探方法(刘祜等，2015)。
1.2.2 数据处理
数据处理采用可视化大地电磁资料处理和解释集成系统(陈小斌等，2004)。数据处理流程为：读入原始时间域谱信号→频率域电阻率和相位曲线→跳点剔除→静校正→一维自适应正则化反演→二维反演成像→地质推断解译。初始模型为电阻率 100 Ω·m 的均质半空间，模型正演计算采用有限单元法，反演算法为非线性共轭梯度法(NLCG)(Rodi and Mackie,2001)，横向和垂直方向网格大小都为 10 m，设置正则化因子λ为30，反演收敛极限为5%，通过自动迭代得到地下介质卡尼亚电阻率的变化规律。本次野外数据采集仪器为美国Geometrics公司和EMI公司联合生产的EH4连续电导率剖面仪。
1.3 氡气测量法
1.3.1 方法原理
在构造带中，氡不仅易溶于水，而且能吸附于固体表面，随着地下水的升降活动，氡不断地从地下被搬运到地表富集，形成局部的氡气高异常晕，岩石破碎、断层、地下裂隙等均为氡气的运移提供了良好的赋存空间，氡气测量法被广泛地用于探测基岩裂隙带和隐伏断层(程业勋等，2005；
刘菁华等，2006；
甘伏平等，2012；
沈晓明和罗先熔，2013)。
1.3.2 数据处理
对一条测线上测量得到的各氡气浓度值采用Grapher软件制作成散点曲线，氡气浓度显著的极大值区段可能指示着地下断裂破碎带或强岩溶发育区的存在。需要说明的是，影响地表测量氡气浓度的因素较多，如覆盖层的厚度、地下空隙度和湿度等，氡气浓度曲线可作为辅助曲线来判别地下结构和构造的属性，如地下低阻带是炭质或泥质岩石抑或是断裂破碎引起。本次野外数据采集仪器为成都核盛科技生产的HS02测氡仪。
贵州都匀和广西融安两个页岩气靶区内完整碳酸盐岩和破碎碳酸盐岩、碳酸盐岩与碎屑岩之间存在电性差异，为开展高密度电阻率成像法和音频大地电磁法工作提供了地球物理探测前提。
2.1 贵州都匀油气井场(贵都地1#)
图1 贵州都匀靶区地质简图和物探测线布置图Fig.1 Geological sketch and geophysical profile of the Duyun target area in Guizhou Province1-上寒武统娄山关组下段;2-中寒武统石冷水组上段;3-中寒武统石冷水组下段;4-中寒武统高台组;5-下寒武统清虚洞组上段;6-地层界线;7-断层;8-岩层倾向与倾角;9-物探测线及编号1-lower member of Upper Cambrian Loushanguan Formation;2-upper member of Middle Cambrian Shilengshui Formation;3-lower member of Middle Cambrian Shilengshui Formation;4-Middle Cambrian Gaotai Formation;5-upper member of Lower Cambrian Qingxudong Formation;6-stratigraphic boundary;7-fault;8-inclination and dip of strata;9-geophysical line and number
在区域断层往背斜轴方向垂直于地层走向布置了1条长900 m的物探测线，高密度电阻率成像法测点距10 m(500～1090 m测点段)，采用α2装置；
音频大地电磁法测点距10 m(500～1400 m测点段)。测量频率范围为10 Hz～100 kHz；
测氡法测点距 10 m(730～1080 m测点段)，每个点测量时间20分钟(净化10分钟，吸气5分钟，测量5分钟)，野外测点定位采用广州思拓力测绘科技有限公司生产的思拓力RTK测量仪。物探地质综合成果图如图2所示。
音频大地电磁法电阻率反演断面(图2c)在950～1100 m测点、高程650～830 m区间的电阻率值明显偏低，低阻带往深部向大号点方向延伸，结合氡气剖面曲线(图2a)，在该测点区间存在的两段突出异常(该段氡浓度平均值超过了40 KBq/m3，远远高于其它测点)，排除了该段可能存在的炭质或泥质夹层的干扰，推断950 m测点沿地表往深部发育一向大号点倾斜的断层。还可看到1310～1400 m测点段在高程740～830 m区间也存在相对低阻带，结合地质资料，推断该低阻区为背斜轴部裂隙发育引起。
高密度电阻率成像法对地表50 m以浅探测分辨率较音频大地电磁法高，由高密度电法电阻率反演断面推断了浅部两处强岩溶发育带的存在(图2b)。
物探建议钻井布置在500～650 m、770～820 m、1130～1280 m测点段可避开近地表强岩溶发育带和断层带的影响。最终贵都地1井打在测线800 m处，最终完钻井深1350 m，全井揭露岩石都较为完整，钻探过程中无涌水和漏浆事故。
同时也注意到该实例中高密度电阻率成像法和音频大地电磁法不能对各不同成分的白云岩地层进行区分，图2b、图2c中的地层划分是依据钻井揭露的地质资料。
图2 贵州都匀靶区物探地质综合成果图Fig.2 Comprehensive geophysical and geological profiles of the Duyun target area in Guizhou Provincea-氡气剖面曲线;b-高密度电法电阻率反演断面;c-音频大地电磁法电阻率反演断面及贵都地1井钻孔揭露岩性a-radon profile;b-inversion section of ERT resistivity section;c-inversion resistivity section of AMT,and lithology exposed by borehole Guidudi 1 on the right
2.2 广西融安油气井场(桂融页1#)
靶区位于广西省柳州市融安县潭头乡，主要地层出露由新到老依次为：上石炭统大埔组(C2d):厚层状白云岩，厚度23 m；
下石炭统罗城组(C1l)：中厚层状生物碎屑灰岩、泥质灰岩，厚度85～215 m；
下石炭统寺门组(C1s)：页岩、炭质页岩，厚度38～500 m；
下石炭统黄金组(C1h)：中厚层状灰岩、泥质细晶灰岩夹砂页岩，厚度290～1103 m；
下石炭统英塘组(C1yt)：中层状灰岩，局部含燧石团块或条件，厚度177～1006 m；
下石炭统尧云岭组(C1y)：中厚层状灰岩、泥质灰岩、生物碎屑灰岩，厚度53～245 m。
图3 广西融安靶区地质简图(a)和初选井场(b)、最终井场(c)物探测线布置图Fig.3 Geological sketch(a)and geophysical profiles of primary site(b)and ultimate site(c)in the Rong’an target area in Guangxi1-中石炭统大埔组;2-下石炭统罗城组;3-下石炭统寺门组;4-下石炭统黄金组;5-下石炭统英塘组;6-下石炭统尧云岭组;7-地层界线;8-断层;9-井场位置;10-水库;11-物探测线及编号1-Dapu Formation of Middle Carboniferous;2-Luocheng Formation of Lower Carboniferous;3-Simen Formation of Lower Carboniferous;4-Huangjin Formation of Lower Carboniferous;5-Yingtang Formation of Lower Carboniferous;6-Yaoyunling Formation of Lower Carboniferous;7-stratigraphic boundary;8-fault;9-borehole site location;10-reservoir;11-geophysical line and number
靶区初选井位在芦洞水库往南约220 m处，测线布置图如图3b所示，地层为下石炭统黄金组(C1h)，附近出露灰岩、泥质灰岩，地下水位埋深小于20 m，黄金组中的灰岩、泥质灰岩中易发育强岩溶带，成为页岩气钻孔的隐患。物探从北向南依次布置了6条295 m长的高密度测线构成三维测网(60～355 m)，测点距为5m,线距间隔为10 m，并辅以氡气测量，氡气测量布置在3线(100～300 m测点段)，测点距为10 m，异常处加密到5 m。物探综合成果如图4所示。
图4 广西融安靶区物探综合成果图ⅠFig.4 Comprehensive map Ⅰ of geophysical results of target area in Rong’an City,Guangxi Provincea-电阻率三维反演影像图;b-X-Z方向电阻率切片图;c-氡气剖面曲线;d-X-Y方向电阻率切片图a-3D inversion image of resistivity;b-X-Z directional slice of resistivity;c-radon profile;d-X-Y directional slice of resistivity
由图4a、4b、4d可以看出：在各测线的160～240 m测点段从地表往深部垂直方向存在一显著的低阻条带，结合第3测线氡气剖面曲线(图4c)，在该测点区间存在的氡气高值异常(该段氡浓度平均值超过了35 KBq/m3，远远高于其它测点)，推断地下发育一南北走向的直立断层破碎带，该破碎带与地表水库距离较近，且向着水库方向发育，在该处打井有可能钻遇地下强径流带，引起水库水倒流，发生大量涌水事故并影响生态环境，物探建议更换井口位置并尽量远离水库区。
第二次井位选择在距初选井场南西方向约1.75 km的平地范围开孔(图3a)，测线布置图如图3c所示。该处出露地层为下石炭统寺门组(C1s)，地下水位埋深小于50 m，其下伏地层黄金组为强岩溶易发育地层。垂直于地层走向布置了物探第7测线，高密度电阻率成像法测点距5 m，测线长度295 m(170～465 m测点段)；
音频大地电磁法测点距10 m(200～600 m测点段)；
测氡法测点距10 m(300～500 m测点段)。物探地质综合成果图如图5所示。
图5 广西融安靶区物探综合成果图ⅡFig.5 Comprehensive map Ⅱ of geophysical and geological results of target area in Rong’an City,Guangxi Provincea-氡气剖面曲线;b-高密度电法电阻率反演断面;c-音频大地电磁法电阻率反演断面及桂融页1井钻孔揭露岩性a-radon profile;b-inversion resistivity section of ERT;c-inversion resistivity section of AMT,and lithology exposed by borehole Guirongye 1 on the right
音频大地电磁法电阻率反演断面较好地划分了浅地表电性差异明显的寺门组页岩、炭质页岩和黄金组(顶部为灰岩、泥质灰岩)地层的分界线(图5c)。该平地范围氡浓度值相对较低(图5a)，7线300～500 m测点段氡浓度值都在1 KBq/m3以下，可排除地下断层破碎带的存在。高密度电阻率反演断面(图5b)无明显异常，315～335 m测点段地下约8～23 m深度范围的相对高阻区可能为不含炭质且致密的页岩或泥灰岩孤石。
最终桂融页1井打在了7线435 m附近，完钻井深3305 m，全井揭露岩石都较为完整，钻探过程中无涌水和漏浆事故。
高密度电阻率成像法和音频大地电磁法是基于地下介质电阻率差异前提的地球物理方法，当浅地表地下介质电性差异明显时，如碳酸盐岩中发育强岩溶带或断裂破碎(图2b、2c、图4a、4b、4d)，如页岩、炭质页岩和灰岩、泥质灰岩的分界线(图5b、5c)，高密度电阻率反演断面或音频大地电磁法反演断面能对其进行很好的识别。高密度电阻率成像法探测深度较浅，探测深度受限于总排列长度和供电电压，一般小于100 m，其对地下50 m以浅地质结构的识别精度明显优于音频大地电磁法(如图2b和2c、图5b和5c的对比)，在图2b中，高密度电阻率法在地下约20～30 m深度圈定了两处低阻岩溶带，而图2c中的音频大地电磁法在相同空间段却无明显异常；
图5b中高密度电阻率法对40 m深度内上覆炭质页岩地层里的电性结构的区分度明显更好，而根据音频大地电磁法仅能划分炭质页岩和下伏灰岩的界线。
音频大地电磁法作为一种天然源频率域测深方法，探测深度随接收频率的降低而增大，一般小于1000 m，但天然场低频受电磁干扰严重，接收频点频率的间隔又较大，越往深探测分辨率越低，本次探测仅对地下500 m以浅地下介质进行了电阻率反演成像，即使是这样，音频大地电磁法电阻率反演断面(图2c、图5c)依然不能对各地层层位进行很好的划分。一方面是由于地层间电阻率差异不大，如靶区1中各地层岩性基本都以白云岩为主(图2c)，岩石成分差异不大导致电阻率不会有显著差异；
另一方面是音频大地电磁法往深部探测分辨率降低的缘故，如靶区2中对黄金组地层中存在的砂页岩夹层无法有效识别(图5c)，一是由于碳酸盐岩主要以泥质为主，使电阻率值降低，砂页岩与含泥质碳酸盐岩的差异远不如与纯碳酸盐岩的差异显著，二是砂页岩夹层较薄且埋深较大(靶区2中桂融页1井处页岩最浅深度约150 m，厚度小于10 m)，音频大地电磁法受采样频点间隔大的限制很难对这类地质体进行划分。虽然音频大地电磁法对地下介质分辨率偏低，但其仍然有着高密度电阻率无法比拟的优势，最显著的就是探测深度较大，对往地下深部延展的低阻构造带(如隐伏断层)具有很好的识别度，这在图2c中得到了很好的体现。
氡气测量是基于地下岩石破碎、断层发育引起氡气沿裂隙上移而富集于地表，从而导致氡浓度高，其地表探测受覆盖层的厚度、地下空隙度和湿度的影响。两个靶区均为浅覆盖岩溶区，测量也在天气晴朗环境下进行，氡气测量虽无深度信息，但在条件有利时能很好地反映地下断层破碎的存在，从而对高密度电阻率成像法和音频大地电磁法划分的低阻带进行属性识别，排除炭质或泥质夹层的干扰，反过来也可以说是排除断层破碎带的存在，本次两个实例的氡气测量结果为页岩气钻孔最终定位提供了良好的依据。
总体来说，应用于两个页岩气靶区的三种探测技术各有其优缺点，三者组合探测时的效果远远大于单一方法的效果。如图2中仅依据高密度电阻率法无法识别深部构造信息，仅依据音频大地电磁法无法识别往深部延伸的低阻是否因为断层破碎引起，而仅依据测氡法则无法确定隐伏断层的空间展布特征，更无法识别非构造影响下浅部强岩溶发育带的相关信息，三种探测方法能形成较好的优势互补。
(1)高密度电阻率成像法和音频大地电磁法能有效确定近地表碳酸岩盐中低阻构造的位置、宽度和产状，并能对浅地表碳酸盐岩和碎屑岩进行有效区分。
(2)高密度电阻率成像法对地下50 m以浅地质结构分辨率更高，是探测该深度范围地下构造高效的地球物理方法。音频大地电磁法探测深度较大，但对地下层间介质分辨率较低。
(3)测氡法虽然无深度信息，但在判别低阻异常属性方面具有独到的优势，在条件有利时，断裂破碎带地表附近的氡气浓度显著高于其它地区，该方法是识别断层的有效手段。
(4)高密度电阻率成像法、音频大地电磁法与测氡法三者优势互补，能组成有效识别岩溶区近地表地质结构构造的地球物理技术方法体系，可为南方岩溶区页岩气钻井避开近地表强岩溶发育带、断层破碎带提供可靠的技术支撑。
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