铜川地区油页岩地层电性断面特征及勘查*

2014-06-07 05:59唐圣松

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年3期

关键词：油页岩电性鄂尔多斯

王凯，张旭，唐圣松，姜亭

西安地质矿产研究所，陕西西安 710054

铜川地区油页岩地层电性断面特征及勘查*

王凯，张旭，唐圣松，姜亭

西安地质矿产研究所，陕西西安 710054

为了研究电阻率测深方法在油页岩地区的适用性及分辨率，在鄂尔多斯盆地南缘铜川地区开展了电阻率测深工作。结合钻孔录井和见矿情况，分析了油页岩地段两种勘查方法获得的电阻率断面特征，在电性断面上圈定了油页岩层的特定部位。油页岩层厚度相对埋深而言属薄层、高阻目标体，其厚度与埋深纵向比小，在获得的电阻率测深断面上，高阻电性的油页岩层在电阻率测深断面上分辨率不清晰，其层位与电阻率等值线梯度变化带对应较好，从而间接指示了油页岩层位置。同时，通过岩性与测井参数综合分析，认为测深断面上这种电阻率值随深度的渐变特征，从电性角度描述了油页岩层由浅湖沉积环境到半深湖环境的变迁过程，提出电阻率测深方法可以达到勘查油页岩层之目的。

电阻率测深；电阻率梯度带；油页岩；浅湖相沉积；鄂尔多斯盆地

王凯，张旭，唐圣松，等．铜川地区油页岩地层电性断面特征及勘查[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（3）：59–67．

Wang Kai,Zhang Xu,Tang Shengsong,et al．Resistivity Section Characteristics and Exploration of the Oil Shale Layer in Tongchuan Area[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：59–67．

引言

随着能源需求形势变化，油页岩作为一种非常规能源，其资源开发被提高到了新的战略高度。鄂尔多斯盆地是中国重要的非常规能源基地，具有巨大资源勘探潜力[1]。铜川地区位于鄂尔多斯盆地南缘，是晚三叠世延长期沉积中心的南部。该区油页岩形成于中生代湖相沉积环境，分布范围广泛。受沉积相制约，油页岩矿层产状平缓，层位相对稳定，因此一般具有较大的规模。其中，三叠系延长组第二岩性段（T3y2）上部油页岩层厚度大，含油率高，可形成大型—特大型油页岩矿床[2]。该岩性段以中厚层状长石粉砂岩与泥岩互层为主，油页岩赋存于该岩性段顶部。测井结果显示，油页岩地层具有高电阻率特征，其他如砂岩、粉砂岩和泥岩则电阻率值较低，这是电阻率法评价油页岩资源地球物理前提。

1 鄂尔多斯盆地油页岩地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北地台的西部，是多旋回演化、多沉积类型的大型盆地[3-4]。在三叠世经历了湖盆形成、发展与消亡等3个演化过程，在晚三叠世中—晚期构造运动强烈[5]，特别是在盆地边缘，碎屑物沉积作用强烈[6-8]。鄂尔多斯盆地南缘油页岩主要分布在三叠系延长组（T3y）和侏罗系安定组、延安组，其中三叠系延长组的长7、长9、长1油组是油页岩发育的主要层段（图1）。地层产状平缓，总体位于向北西西向微倾的单斜构造上。受岩相古地理环境控制，湖相沉积形成的油页岩广泛发育，在成矿空间上，油页岩展布又严格受基底差异运动形成的构造拗陷盆地所控制。

图1 鄂尔多斯盆地三叠系油页岩分布示意图Fig.1 The Triassic oil shale distribution sketch map in Ordos Basin

长7期是湖盆发育的鼎盛时期，也是形成油页岩矿床的主要时期。受沉积相控制，长7期湖盆面积最大，基本覆盖了整个盆地。研究区西北的吴旗—庆阳湖盆中心地区，深湖相油页岩一般20～30 m，最厚处可达40 m；陕北东部浅湖区，油页岩厚度一般小于10 m[9]。研究表明，研究区铜川地区靠近湖盆中心，主要为浅湖—半深湖区[10]，油页岩厚度较大（厚度一般在10～20 m），含油率较高。

延长组长7油组为典型的致密砂岩储层，粒度细，填隙物含量高，物性差[11-12]。研究区主要为长7亚组，岩性为细砂岩、砂质泥岩、中厚层状粉砂岩。区内收集到石油钻井多在三叠系延长组中、下部完钻，更老的地层出露于盆地周边。

根据大量钻井及野外踏勘，可将鄂尔多斯盆地内侏罗系、三叠系含油地层分布及形成条件归纳于表1中。

表1 陕北含油页岩地层分布特征及形成条件Tab.1 Distribution characteristics and formation conditions of oil shales in northern Shaanxi

2 油页岩地层电性特征

油页岩矿区以沉积岩为主，从全国有代表性的油页岩矿区采集岩石标本测定（表2）[13]表明，黏土、泥岩的电阻率最低，均值小于100 Ω·m，富含有机质的油页岩电阻率均值大于700 Ω·m，其他岩石如砂岩、粉砂岩电阻率为200～600 Ω·m[3]。

表2 油页岩矿区岩石标本电阻率测定结果Tab.2 Oil shale mine rock specimen resistivity measurement results

铜川—地区第四系覆盖广泛，出露地层以三叠系延长组和纸坊组砂岩为主。主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩粉砂质泥岩，页岩炭质页岩、沥青质页岩、油页岩。不同地层电性参数统计见表3。

泥岩、泥岩和细砂岩互层电阻率最低，均值为18.00～20.00 Ω·m，砂岩及粉砂岩电阻率一般不超过100.00 Ω·m，油页岩电阻率最高，数值上幅值变化大，均值为420.00 Ω·m。

表3 铜川油页岩矿区岩石电阻率测定结果Tab.3 Rock resistivity measurement results of oil shale mining area in Tongchuan

3 油页岩电阻率测深断面分析

3.1 研究区域与勘查方法选择

研究区选择在铜川地区焦坪镇附近。试验剖面位于前烈桥—红柳沟ZK01两侧（图2，剖面编号I）。资料显示[14-17]，该带出露地层以三叠系上统第延长组二—第四岩性段砂岩为主，北东向褶皱和断裂发育。试验段油页岩钻探揭示，油页岩顶板埋深252 m，厚度21 m，顶部为一套浅灰色粉砂岩、细砂岩，局部夹薄层泥岩。地表为第四系覆盖，通视条件好，适合方法开展。电阻率测深选择直流激电测深和瞬变电磁测深两种方法，观测装置为对称四极和中心回线。

3.2 电阻率断面特征分析

瞬变电磁通过特定时间段内的连续观测，获取地下不同深度的电性信息，推断电性结构与地层、岩相变化等地质模型[18-20]。从获取参数意义上讲，瞬变电磁和激电测深方法均为电阻率测深。

图2 研究区地质简图Fig.2 Geological sketch map of the study area

图3 试验段瞬变电磁和激电测深电阻率断面图Fig.3 Test of transient electromagnetic and IP sounding resistivity section

试验段的两种测深方法对比分析（图3）表明，瞬变电磁和激电测深获得的电阻率断面变化趋势基本相同。纵向上随着深度增加，瞬变电磁电阻率断面有高—低—高变化特征，浅部0～150 m为高阻层，电阻率值为38～42 Ω·m；中间200～300 m为低阻层，形态上向北西侧伏，电阻率值为26～32 Ω·m；深部有两个高阻隆起，分别位于2 400点和3 400点附近；电阻率测深断面呈现两个电性层，浅部为低阻层，为30～40 Ω·m，深度在0～200 m附近，深部为高阻，电阻率梯度变化带位于200 m附近，两个高阻隆起异常分别位于2 600和3 400附近。不同之处是瞬变电磁断面浅部低阻带拉长，深度下延到300～400 m一带，其原因是瞬变电磁观测衰减二次场的感应信号，有低阻阴影效应。

已终孔钻井位于延长组第三岩性段，测井资料（表4）揭示，该段属于延长组第三段长7岩性段。油页岩上部灰黑色泥岩和页岩发育，细砂岩、粉砂岩等泥质成分较多，电阻率值不大于100 Ω·m，均值在40 Ω·m左右，具有较低电阻率特征。油页岩层页岩富含动植物化石，有机质丰度高，是该区最重要的生油层。在测井曲线上的高自然伽马、高声波时差、高电阻率、低密度的“三高一低”特征极易划分，沉积厚度30～50 m左右[2]。对比测井资料，油页岩层位于电性断面梯度带上。

表4 铜川油页岩矿区井中岩石电阻率统计结果Tab.4 Rock resistivity of drilling statistical results in oil shale mining area in Tongchuan

为了进一步对电阻率断面进行分析，根据钻井资料构建了油页岩地层一维地电模型，并对该模型进行了正演计算和反演拟合。

根据录井岩性和测井数据，可构建6层水平层状模型。该模型正演测深曲线和实测测深数据反演模型见图4。

图4 孔旁测深正演模型计算与反演拟合Fig.4 Forward and inversion model calculation fitting beside borehole sounding

孔旁对称四极测深最大供电极距 AB为2 000.0 m（实测数据见表5）。正演计算（图4a，图4c）表明，浅部理论计算测深数值较为接近，正演曲线近似水平直线，AB/2大于200.0 m以后出现洼陷，类型上为H型。实测曲线形态上由浅到深出现先抑后扬，AB/2大于100.0 m后实测电阻率值缓慢抬升，Rs最大值接近100.0 Ω·m，曲线类型为H型。

表5 ZK01钻井旁测深数据表Tab.5 Sounding data beside borehole ZK01

为了提高拟合精度，按供电极距大小，将测深数据分为浅部和深部两段分别进行拟合，分段极距为AB/2=0～100.0 m、AB/2=50.0～1 000.0 m，拟合精度分别达到4.4%、6.9%。反演计算结果（图4b，图4d）显示，拟合电性断面为二层地电模型，0～255 m等效电阻率为63 Ω·m，大于255 m深部为高阻，计算电阻率＞260 Ω·m。浅部为黏土和砂岩风化界面，电阻率值在47～21 Ω·m。

孔旁测深正演计算和反演拟合表明，薄层高阻的油页岩在反演拟合时等效模型为中等电阻率。

4 勘查实例

根据孔旁测深得到的结论，在研究区部署了两条测深剖面（图2，编号I、II）。其中I号剖面位于前烈桥—红柳沟一带，是在试验剖面（ZK01附近）上向两端延伸，剖面总长5.2 km。II号剖面位于哭泉镇—四郎庙一带，剖面总长11.3 km，走向北西向，与盆地南缘三叠世沉积地层走向相切，剖面南部有油页岩层出露地表。

前烈桥—红柳沟（I）剖面电阻率测深断面反映，剖面浅部为低阻层，产状较平稳，深部整体为高阻。在剖面600～2 200点和3 600～5 200点，分别存在两处低阻凹陷，2 400～3 300点深部发现一向上隆起高阻异常（图5）。

图5 前烈桥—红柳沟（I号）剖面电阻率断面及解释Fig.5 Resistivity section and interpretation of Qianlieqiao–Hongliugou（I#）profile

结合地质情况，认为剖面范围发育两个向斜、一个背斜构造，背斜核部位于高阻隆起位置。油页岩层位于电阻率梯度变化界面上，其展布形态随着背斜构造面起伏，背斜核部埋藏较浅，向斜核部埋藏较深，约500～700 m。

钻孔ZK02完钻深度500 m，钻遇油页岩深度162.7～191.1 m，与解释深度基本一致。

鄂尔多斯盆地南缘区域地质资料[19]研究表明，该区地层产状平缓，局部背斜向斜构造发育，断裂发育。

哭泉镇—四郎庙（II）剖面可控源音频大地电磁测深电阻率断面（图6）反映，剖面南部地层电阻率较高，浅部为低阻且厚度较小。随着剖面向北西向延伸，低阻层逐渐增厚。下部为高阻层，并向北西向侧伏。电阻率由低—高变化带在剖面南部较浅，向北逐渐变深。根据I号剖面试验结论，该梯度带即为油页岩层的赋存层位。10 500点附近深部有一高阻隆起，推测该处存在深部背斜构造，高阻异常北侧低阻“凹陷”可能为断裂引起。

图6 哭泉镇—四郎庙（II号）剖面推断成果Fig.6 Interpretation result of Kuquan-Silang temple（II#）profile

油页岩层上部即长71+2岩性以泥岩、泥岩与砂岩互层为主。测井结果显示，其电性上为相对低阻，具浅湖相沉积特点。油页岩层下部即长8、长9油组，岩性以细砂岩、粉砂岩为主，有机质含量相对减少，测井曲线反映具高阻特征，地层形成于浅湖—半深湖相沉积环境。电阻率测深断面纵向上的这种变化特点，反映了油页岩沉积环境的变迁及形态。

钻孔ZK9完钻深度1 291 m，钻遇油页岩深度700～750 m，与推断深度基本吻合。

5 结论

（1）在成矿环境上，油页岩层处于浅湖相—半深湖相变迁特定地质时期，因有机质含量差异，电阻率断面在纵深上具有由低—高变化特征，在电性断面上形成易识别的梯度变化带，间接指示了油页岩层赋存层位。

（2）在有效勘探深度范围内，电阻率测深断面反映了地下不同电性特征的地质体展布形态，结合钻孔资料对比分析，可以达到油页岩勘查之目的。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Resistivity Section Characteristics and Exploration of the Oil Shale Layer in Tongchuan Area

Wang Kai,Zhang Xu,Tang Shengsong,Jiang Ting
Xi′an Institute of Geology and Mineral Resources，Xi′an，Shaanxi 710054，China

In order to study the suitability and resolution of resistivity sounding method in oil shale region，we carried out the resistivity sounding in Tongchuan Area，the south of Ordos Basin.Combined with drilling mud logging and discovery ore situation，analysis of the oil shale section resistivity features by two methods is made，and the specific areas of oil shale layer in the electrical section are selected.Oil shale layer thickness is thin and high resistance layer in target body，compared to bury depth.In the obtained electrical section，the resolution of high resistance electrical oil shale layer is not very clear，but resistivity isoline change of gradient zone corresponds well to oil shale layer position，indicating the oil shale layer position indirectly. And through the comprehensive analysis of lithology and logging parameters，we think the gradient changes of resistivity values with depth changes resistivity value with depth describes from electrical aspect the evolution of oil shale layer from shallow lake sedimentary environment to half deep lacustrine environment.Therefore we conclude that resistivity sounding method can achieve the purpose of the exploration of oil shale layer.

resistivity sounding method；gradient zone of resistivity isoline change；oil shale；shallow lake sedimentary；Ordos Basin

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2012.10.11.04.html