广域电磁法在保靖页岩气勘探中的应用

符　超，袁　博,李学兰,李军广

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100085；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)



广域电磁法在保靖页岩气勘探中的应用

符超1，袁博2,3,李学兰2,3,李军广2,3

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100085；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

在我国南方地区，复杂的地形和地下构造限制了常规地震勘探方法在页岩气勘探中的使用，如何充分、合理地发挥非地震勘探方法的技术优势，是页岩气勘探中必须面对的问题。为此在湖南保靖地区使用广域电磁法，以龙马溪组和牛蹄塘组为目的层，进行页岩气勘探，并对勘探成果进行解释，确认了该地区页岩气目的层具有低电阻的特征，基本查明了该地区页岩气主要目的层的分布规律。勘探结果表明，龙马溪组和牛蹄塘组具有使用电磁法勘探的电性基础；广域电磁法作为一种非地震的电磁勘探方法，具有在复杂地形和地下构造地区进行页岩气勘探的能力。该结果为电磁勘探方法在页岩气勘探中的应用提供了重要依据，促进了我国南方页岩气勘探方法技术的完善。

广域电磁法；页岩气勘探；非地震勘探；龙马溪组；牛蹄塘组

1　引　言

页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于泥页岩层的非常规天然气，其全球含量与常规天然气相当甚至超出，是一种新型且有价值的油气勘探资源。页岩气的勘探与开发在国内的研究尚处于起步阶段，目前认为南方海相页岩地层、北方湖相页岩地层和广泛分布的海陆交互相地层等将会是今后页岩气勘探的主要领域[1-4]。

常规地震勘探是页岩气勘探的主要方法，主要用于页岩储层分布、厚度以及页岩储层物性、含气性等方面的研究。但是在我国南方地区，复杂的地形和地下构造限制了常规地震勘探的使用。而电磁勘探作为常规地震勘探的补充，具有勘探深度大、不受高阻层屏蔽、对低阻层反映灵敏等优点，在我国南方地区的页岩气勘探中发挥着日益重要的作用[5-13]。

广域电磁法是相对于传统的可控源音频大地电磁法和磁偶源频率测深法提出来的一种新的电法勘探方法，它继承了可控源音频大地电磁法使用人工场源克服场源随机性的优点和磁偶源频率测深法非远区测量的优势，其勘探的效率和精度都有明显的优势[14]。

保靖区块目的页岩层有两层，分别为志留系龙马溪组与寒武系牛蹄塘组，具备高生烃潜力，有机碳含量和热演化程度相对较高，厚度较大,具有良好的页岩气生成条件和页岩气富集成藏条件，是国内开展页岩气勘探和研究的有利区域之一，有很高的勘探价值和研究价值。

2　区域地质

保靖区块位于扬子陆块(地台)东南缘，毗邻华南陆块(华南活动带)，属二者过渡地带，跨越武陵、雪峰两个地块(图1)。区内主要经历了加里东运动、海西—印支运动、燕山运动及喜山运动等多次构造运动，出露地层主要为寒武系至下三叠统，各组之间均为整合或假整合接触。

该区块具有良好的页岩气生成条件。其下寒武统黑色泥页岩的有机质类型为Ⅰ型，是以海洋菌藻类为主的生源组合，其原始组分属富氢、富脂质，具备高生烃潜力；有机碳含量相对较高，平均达到4%左右；热演化程度也较高，已普遍达到高-过成熟阶段；厚度较大，平均在250 m以上。

该区块横跨两向斜，主要位于两向斜的转折端，为应力集中区，泥页岩裂缝可能较发育，且除花垣—桑植大断裂经过该区外，区内无其他大的断裂构造，有利于页岩气的富集成藏。但该区块下寒武统牛蹄塘组的泥页岩埋藏深度相对较大，平均埋深大于2 000 m，特别是向斜核部泥页岩的埋深最高可达4 000多米，较不利于页岩气开采。

图1　保靖区块范围示意图Fig.1　The position of Baojing block

3　区域物性特征

根据保参1井了解龙马溪组及围岩的部分特征，统计结果如表1所示。由表1 可知，龙马溪组页岩层电阻率为低阻或者中低阻，上覆地层新滩组电阻率同样为低阻或中低阻，两者差异不大，下伏地层宝塔组为奥陶纪灰岩地层，电阻率显示为高阻，岩性为灰岩。

根据龙山地区了解牛蹄塘组及围岩的物性特征，统计结果如表2所示。由表2可知，牛蹄塘组页岩与上覆的明心寺组砂质页岩、细砂岩以及下伏的震旦系上统灰岩、白云岩均有明显的电阻率差异，灰岩的电阻率一般大于1 000 Ω·m(均值约为1 500 Ω·m)，表现为相对高阻，页岩的电阻率一般小于150 Ω·m(均值约为90 Ω·m)，表现为相对低阻。

综上所述，保靖区块两套目的层，龙马溪组与下伏地层、牛蹄塘组与上覆及下伏地层均存在明显的电性差异，不同地层岩性之间的电性差异为广域电磁法的应用提供了良好的地球物理前提。

表1　龙马溪组及围岩物性参数

表2　牛蹄塘组及围岩物性参数

4　工作原理及方法

广域电磁法是一种人工源频率域电磁勘探方法，通过发送与接收不同频率的信号来探测不同深度的地电信息。其基本原理是，在包括远区和部分非远区在内的广大区域进行测量，观测人工源电磁场的一个分量(不是彼此正交的一组电、磁分量)，计算广域视电阻率值。广域视电阻率只需要测量电磁场的一个分量，如电场的水平分量Ex、磁场的垂直分量Hz等，单点成本降低，并能够实现大规模三维电磁勘探，极大地提高了电磁法勘探效率。广域视电阻率的计算公式很严格，没有近似舍弃的，可以在非远区工作，大大减小了

收发距离，同时由于信号衰减速度极快，在获得同样信号大小的情况下，所需发送的电流大大减小，因此所使用的设备更加轻便，或者说勘探深度更大。

本次广域电磁法的野外数据采集工作，采用以一对接地电极形成的电流源作为场源，来测量电场的水平分量中与供电电极方向平行的Ex分量的方法，即广域电磁法的E-Ex方法。工区共布置6条广域电磁法测线，测线1、3、5线长度均为20 km，测线2、4、6线长度均为10 km，测线总长度为90 km(图2)；频率范围为0.011 7～8 192 Hz，共计40个频点；在收发距方面，1、2、5、6线收发距为15 km，3、4线收发距为13 km；供电电流为160 A；接收端点距为100 m。

图2　湖南保靖页岩气广域电磁法探测测线位置Fig.2　The position of survey lines in Baojing block

5　勘探成果分析

首先对广域电磁法资料进行常规处理，如静态校正、飞点剔除等，并绘制视电阻率拟断面图进行分析，初步确定断层系统的划分，同时确定原始数据与构造区域的对应关系。然后建立合理的地质模型，进行一维连续介质反演，并以一维连续介质反演的结果为基础进行二维反演。最后采用一维反演结果进行断层系统划分，二维连续介质反演结果进行地层划分，并结合已有资料，对工区进行综合地质解释。

从整体来看，保靖地区的基底构造由澄江运动前的震旦系地层构成，盖层为澄江运动后的包括寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系在内的沉积物。基底构造为明显的高阻带，盖层构造多表现为低阻带间或夹有少量中阻带特征。但由于该区发生过多次构造运动，褶皱断裂都比较发育，一般表现为背斜核部震旦系地层整体上升，地表剥蚀严重，地下5 000 m之内牛蹄塘组广泛存在，龙马溪组仅存在背斜两翼(如1线、2线、4线)；向斜两翼震旦系地层整体上升，地下5 000 m之内牛蹄塘组仅存在背斜两翼，龙马溪组广泛存在(如5线)。以下取典型测线(1线、3线、5线)说明勘探成果。

1线：图3为1线剖面的二维反演和地层结构图。由图3可知，测线自起始端到结束端，穿过该区域内背斜构造，中间为老地层，两侧为新地层，但受构造作用影响，构造应力发生变化产生 断层，地层出现明显错断，地层产状发生变化，测线中间部位地层大幅抬升。整体来讲，10 000～19 000 m区间位于背斜北西翼，20 000～30 000 m区间位于背斜南东翼，19 000～20 000 m区间为背斜核部，该地区有明显断裂，且有河流冲刷情况出现。

同时该地区由于受构造挤压作用影响，存在多个逆断层，12 000 m位置的逆断层，走向近南东， 倾向东，倾角为80°；19 000 m位置的逆断层，

图3　1线二维反演和地质解释Fig.3　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 1

图4　1线目的层位置(黄色为龙马溪组，紫色为牛蹄塘组)Fig.4　The position of Longmaxi formation (yellow) and Niutitang formation (purple) in survey line 1

走向北东28°，倾向南东，倾角70°；24 200 m位置的逆断层，倾角80°；28 000 m位置的逆断层，走向北东33°，倾向南东，倾角80°。

图4为1线对目的层的识别结果。由图4可知，龙马溪组仅存在于测线两端，在测线10 000～12 000 m位置，存在于地下300 m左右位置；在测线245 000～30 000 m位置，龙马溪组地层埋深从出露地表到地下1 000 m左右变化，同时存在起伏。

牛蹄塘组大范围存在，在测线10 000～21 000 m位置，一低阻层埋藏最深达地下3 800 m，随测线向背斜核部靠近，该低阻层埋藏深度降至地下1 400 m，根据地层分布，推断该层为目标层牛蹄塘组；在测线25 000～29 000 m位置，同样存在一低阻层，埋藏深度在地下2 500～3 000 m之间，推断为牛蹄塘组。

3线：图5为3线剖面的二维反演图和地层结构图。由图5可知，测线整体上位于向斜南东翼，地层自北西往南东，地层埋深逐渐变浅。3线有两条断层出露地表，24 000 m位置的逆断层，走向北东31°，倾向北西，倾角45°； 27 500 m位置的逆断层，走向北东44°，倾向南东，倾角45°。

图6为3线对目的层的识别结果。由图6可知，在测线12 000～24 000 m位置，浅部有一稳定低阻层，根据地表地层出露及钻孔资料信息，推断为龙马溪组，自起始端开始，地层埋深从1 500 m变化到500 m，地层变化平缓；在测线28 500～32 000 m位置，龙马溪组埋深从750 m变化到500 m。

牛蹄塘组整体埋深较大，在测线12 000～24 000 m位置，牛蹄塘组埋藏在地下4 000 m至4 500 m之间；在测线29 500～32 000 m位置，受构造影响分布有两层牛蹄塘组，浅层埋深在2 500 m左右，深层埋深在4 500 m左右。

5线：图7为5线剖面的二维反演图和地层结构图。由图7可知，5线经过区块内向斜构造，向斜的北西翼和南东翼方向地层埋深均为缓慢上升，这与5线的构造框架是很吻合的。3条逆断层把5线分成四个部分，中间部分为向斜核部，两侧部分为向斜两翼。13 000 m位置的逆断层，走向北东51°，倾向近直立，倾角85°；18 000 m位置的逆断层，走向北东60°，倾向南东，倾角75°；20 500 m位置的逆断层，走向北东62°，倾向南东，倾角75°。

图8为5线对目的层的识别结果。由图8可知，在测线10 000～13 000 m位置，龙马溪组地层平缓，埋深变化不大；在13 000～18 000 m位置，龙马溪组受向斜构造影响，中间地层埋藏深，两侧地层埋藏浅；在18 500～30 000 m位置，龙马溪组埋深由深及浅，埋深最深2 000 m，最浅地表有出露。

图5　3线二维反演和地质解释Fig.5　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 3

图7　5线二维反演和地质解释Fig.7　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 5

图8　5线目的层位置(黄色为龙马溪组，紫色为牛蹄塘组)Fig.8　The position of Longmaxi formation (yellow) and Niutitang formation (purple) in survey line 5

在测线10 000～12 500 m位置，牛蹄塘组埋深2 700 m左右，地层平缓，埋深变化不大；在测线19 000～27 000 m位置，牛蹄塘组埋深整体由浅及深，从地下4 500 m变化到地下5 000 m左右。

6　结　论

1)湖南保靖地区两套页岩层龙马溪组和牛蹄塘组均呈现低阻的电性特征，具有使用电法勘探的良好物理前提，有利于采用广域电磁法进行勘探，也为湘西其他地区的地电模型的建立提供了参考依据。

2)通过勘探，基本查明了保靖地区两套页岩目的层的分布范围和埋藏深度，得出在地下5 000 m范围内，背斜处牛蹄塘组和向斜处龙马溪组广泛分布；非构造处两套目的层埋深稳定，龙马溪组埋深大部分在地下2 000 m以内，牛蹄塘组在背斜核部埋深较浅，最浅在地下1 000 m左右，向斜核部埋深较深，在地下4 000 m到4 500 m之间。上述成果对保靖地区页岩气勘探的下一步工作具有指导意义，是湘西地区的页岩气勘探成果的重要组成部分。

3)广域电磁法在页岩气勘探工作中，不仅具有一般电磁方法不受复杂地表条件和高陡构造地层影响、不受高阻的碳酸盐岩地层影响的优点，而且还具有勘探深度大、分辨能力强、抗干扰能力强等优点，可以正确地反演得到地下电性体真实的电阻率特征，为页岩气的勘探工作做出重要贡献。

[1]滕吉文,刘有山.中国油气页岩分布与存储潜能和前景分析[J].地球物理学进展，2013,28(3):1 083-1 108.

[2]张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业,2004,24(7):15-18.

[3]张金川,姜生玲,唐玄,等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业,2009,29(12):109-114.

[4]张金川,汪宗余,聂海宽,等.页岩气及其勘探研究意义[J].现代地质,2008,22(4):640-645.

[5]袁桂琴,孙跃,高卫东,等.页岩气地球物理勘探技术发展现状[J].地质与勘探,2013,49(5):945-950.

[6]唐新功,胡文宝,苏朱刘,等.我国南方地区页岩气电磁勘探技术初探[J].长江大学学报(自然科学版),2011,8(11):33-34.

[7]董大忠,邹才能,杨桦,等.中国页岩气勘探开发进展与发展前景[J].石油学报,2012,33(1):107-114.

[8]邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发,2010,37(6):641-652.

[9]董大忠,程克明,王世谦,等.页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用[J].天然气工业,2009,29(5):33-39.

[10]聂海宽,唐玄,边瑞康.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J].石油学报,2009,30(4):484-490.

[11]李新景,胡素云,程克明.北美裂缝性页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发,2007,34(4):392-400.

[12]李鹏飞,严良俊,余刚.南方页岩岩芯的复电阻率测试与分析[J].工程地球物理学报,2014,11(3):383-386.

[13]蒙应华,汪玉琼,杨仕欲.AMT法与TEM法在黔南页岩气勘查中的综合应用[J].工程地球物理学报,2015,12(5):627-632.

[14]何继善.广域电磁法和伪随机信号电法[M].北京:高等教育出版社,2010.

The Exploration of Wide Field Electromagnetic Method on Shale Gas

Fu Chao1,Yuan Bo2,3,Li Xuelan2,3,Li Junguang2,3

(1.ShenhuaGeologyExplorationCo.,Ltd.,Beijing100085,China; 2.SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China; 3.KeyLaboratoryofMetallogenicPredictionofNonferrousMetalsandGeologicalEnvironmentMonitoring,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China)

In southern China, the use of conventional seismic exploration method in shale gas exploration is limited because of complex topography and subsurface structure. How to make full use of the advantage of non-seismic exploration is a problem we must face in shale gas exploration. In Baojing area, wide field electromagnetic method is used to find Longmaxi formation and Niutitang formation in shale gas exploration. It's certain that the resistivity of target strata is low and the distribution rules of target stratum is found out. The result shows that electromagnetic exploration method can be used to find Longmaxi formation and Niutitang formation. As a non-seismic exploration method and an electromagnetic exploration method, wide field electromagnetic method can be used in shale gas exploration in areas of complex terrain and underground structure, which has a good effect. It is an important example of electromagnetic exploration method used in shale gas exploration and promotes the improvement of shale gas exploration technology in south China.

wide field electromagnetic method; shale gas exploration; non-seismic exploration; Longmaxi formation; Niutitang formation

1672—7940(2016)04—0416—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.003

国家自然科学基金(编号：41227803)；湖南省重点实验室开放基金(编号：E21424)

符超(1983-)，男，博士，工程师，主要从事地球物理勘查工作。E-mail：fuchao@mail.igcas.ac.cn

袁博(1990-)，男，博士研究生，主要研究方向为电磁法研究及应用。E-mail：ynbo7182006@126.com

P631.3

A

2016-04-29