联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法与流程

本发明涉及页岩气钻前勘探领域，尤其是一种联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法。

背景技术：

中国的页岩气主要在四川盆地，产量占全国的60％，目前页岩气产地主要集中在四川南部地区，2014年开始页岩气规模性开发，2016年已建成30亿立方米页岩气生产能力。“四川省川南地区页岩气勘查开发试验区”和“四川长宁—威远国家级页岩气示范区”已成为国家级试验区和示范区。

四川省南部属于中-高山地区，地形切割深、高差大，页岩气开发目的层一般埋深2000-3500米，钻井平台从自流井组到茅口组地层都有开孔，不同的开孔层位，平台下伏地层岩性的组合特征不同，钻进风险不同。碳酸盐岩地区岩溶极发育，具有多期性、复杂性，有充水岩溶、干枯岩溶，容易引起掉钻、卡钻事故。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。

页岩气开发进程中为了规避以上风险，急需对井口到1000米深度的地层岩溶发育形态进行精细解释及预测钻井风险。目前，国内外现有技术中多采用单一的地质调查方法、地球物理勘探方法或者简单的物探+地质方法进行页岩气钻前岩溶勘探，仍然存在探测深度、识别分辨率和解释准确度方面的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术方案存在的上述不足，本发明提供一种有效识别页岩气钻前勘探岩溶发育范围的联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法，包括：

步骤一，以探测目标为中心，规划踏勘区域，在所述踏勘区域内开展工程地质踏勘和水文地质踏勘获取研究区综合地质信息；

步骤二，将所述探测目标的地下空间由浅至深划分为第一埋深区间、第二埋深区间和第三埋深区间，根据所述工程地质信息和水文地质信息设计物探数据集成观测系统；所述物探数据集成观测系统包括用于探测所述第一埋深区间的高密度电法观测系统，用于探测所述第二埋深区间的瞬变电磁法观测系统，以及用于探测所述第三埋深区间的音频大地电磁法观测系统；

步骤三，根据所述物探数据集成观测系统分别进行：

高密度电法数据采集和数据处理反演，获取第一视电阻率剖面；

瞬变电磁法数据采集和数据处理反演，获取第二视电阻率剖面；

音频大地电磁法数据采集和数据处理反演，获取第三视电阻率剖面；

步骤四，根据所述第一视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第一埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第二视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第二埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第三视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第三埋深区间内的岩溶发育范围；

步骤五，综合所述第一埋深区间内的岩溶发育范围、第二埋深区间内的岩溶发育范围和第三埋深区间内的岩溶发育范围，以及所述综合地质信息确定所述第三埋深区间以浅的岩溶发育范围。

所述探测目标为井平台。所述踏勘区域为以平台为中心1～2km²的范围。

进一步地，所述步骤四为：根据所述第一视电阻率剖面以及所述第二视电阻率剖面和所述第三视电阻率剖面中的至少一个，再结合所述综合地质信息确定所述第一埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第二视电阻率剖面以及所述第三视电阻率剖面，再结合所述综合地质信息确定所述第二埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第三视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第三埋深区间内的岩溶发育范围。

进一步地，所述第一埋深区间为地表以下0～100m，所述第二埋深区间为地表以下100～400m，所述第三埋深区间为地表以下400～100m。选择100m和400m作为埋深区间划分的界限，一方面考虑了三种物探方法的探测有效深度区间，另一方面考虑了山区井平台对于三种物探方法观测系统的空间限制。因此，100m和400m的区间划分是适宜且具有施工便捷性的。

进一步地，所述综合地质信息包括地表岩溶发育地层及其产状、岩溶埋深、岩溶类型和岩溶发育主方向。所述岩溶发育主方向为三种物探方法观测系统的有效布置提供了依据，为高精度解释岩溶电性异常区提供了基础，岩溶类型对于根据三种物探方法的组合识别电性异常区提供了有力依据，有助于降低地球物理反演多解性。此外，三种物探方法组合识别地下电性异常区需要结合地下地质构造和岩性特征，综合地质信息提供的地层发育及其产状和研究区岩层信息同样为解释地下地质构造和识别电性异常区提供了依据。

进一步地，所述高密度电法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设主方向，在所述布设主方向布设3～6条测线，测线间距为20m；在所述岩溶发育主方向布设1条测线；每条测线道间距6m，至少同时布置120道。高密度电法观测系统呈十字型布设，以便于有效确认岩溶发育的实际主方向，并有效圈定岩溶发育在长轴方向和短轴方向的范围。

进一步地，所述瞬变电磁法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设方向，布设9条测线，测线长度400m，测线间距10m，测点间距5m；所述瞬变电磁法的发射边框边长为400m，发射频率为25hz，发射电流不低于15a。沿岩溶发育的长轴方向布设较为密集的瞬变电磁法测线，能够控制岩溶沿长轴方向的若干剖面图，以形成岩溶发育拟三维效果预测图。

进一步地，所述音频大地电磁法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设主方向，布设3条测线：中间主测线长度为2000m，两侧辅助测线长度为1000m，点距40米，线距40米；在所述岩溶发育主方向布设1条测线，测线长度2000m，点距40m；所述音频大地电磁法的采集最低频率为0.1hz，采集时间大于30min。音频大地电磁法观测系统也是呈十字型布置，以获取岩溶沿长轴方向和短轴方向的较深深度范围的电性剖面信息。

进一步地，步骤五还包括：确认地表岩溶类型，在所述第一视电阻率剖面、第二视电阻率剖面和第三视电阻率剖面中分别识别对应该地表岩溶的第一异常区、第二异常区和第三异常区，根据所述第一异常区、第二异常区和第三异常区确认该地表岩溶的发育范围。三种物探方法结合两种地质方法综合确认地下岩溶异常时，对于有地表岩溶出露的目标，首先从地表地质岩溶信息出发，在三种物探方法获取的视电阻率剖面中分别识别出对应该地表岩溶的地下电性异常区，如此能够在保证电性剖面解释以工区地质概况为依据的基础上，合理且全深度范围地识别出该地表岩溶对应的地下岩溶发育情况。

进一步地，步骤五还包括：首先通过第一视电阻率剖面识别所述第一异常区，再通过第二视电阻率剖面识别所述第二异常区，最后通过所述第三视电阻率剖面识别所述第三异常区。由于高密度电法具有有效探测范围较浅但反映异常精度较高的特点，以地表出露岩溶为基础，由浅至深分别利用高密度电法、瞬变电磁法和音频大地电磁法获取地表岩溶在地下的分布范围，能够进一步提升地下岩溶分布的识别准确度，有效预测钻井风险。

进一步地，根据所述工程地质信息和/或通过视电阻率剖面确认该地表岩溶在剖面的发育范围之后，通过输出沿岩溶发育主方向的连续瞬变电磁视电阻率剖面图，得到该地表岩溶的立体分布范围。由于瞬变电磁法采用均匀网度观测系统，能够快速进行平面网度测量，能够有效地控制岩溶异常在平面和深度上的发育情况。

进一步地，若岩溶类型为干枯岩溶，则根据所述第一视电阻率剖面和所述第三电阻率剖面重合的高阻异常区识别为干枯岩溶发育范围。瞬变电磁法能够有效探测高阻异常中的低阻异常，但对于低阻异常中的高阻异常识别效果低于高密度电法。因此，对于干枯岩溶等高阻异常，采用高密度电法结合音频大地电磁法重合剖面进行对比分析识别，能够达到更好的识别准确度。

本发明的有益效果：

本发明提供联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法实现了采用三种物探方法在由浅至深的三段埋深区间分段识别地下岩溶异常区，拓展了采用单一物探方法进行岩溶勘探的探测深度局限问题，实现了满足页岩气钻井钻前风险预测的风险识别范围，降低了相关钻探风险。同时，三种物探方法之间在识别准确度上形成互补，相互印证，进一步提高了对于岩溶探测的准确度。

此外，综合工程地质踏勘成果和水文地质踏勘成果一方面对三种物探方法的观测系统设计提供了理论支撑，也对三种物探方法的成果解译提供了依据，降低了三种物探方法的反演多解性，最终实现了页岩气钻井预测下伏1000m以浅的地层钻井风险识别。

附图说明

图1为本发明实施例1的物探数据集成观测系统示意图；

图2为本发明实施例1高密度电法勘探流程图；

图3为本发明实施例1高密度电法数据处理流程图；

图4为本发明实施例1瞬变电磁法大定源回线装置示意图；

图5为本发明实施例1瞬变电磁法数据处理流程图；

图6为本发明实施例1音频大地电磁野外工作示意图；

图7为本发明实施例1音频大地电磁法数据处理流程图；

图8为本发明实施例1的物探解释成果一；

图9为本发明实施例1的物探解释成果二；

图10为本发明实施例1的物探解释成果三。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

实施例1提供一种联合三种物探方法和两种地质方法的岩溶探测方法，包括：

步骤一，以探测目标为中心，规划踏勘区域，在所述踏勘区域内开展工程地质踏勘和水文地质踏勘获取研究区综合地质信息；

步骤二，将所述探测目标的地下空间由浅至深划分为第一埋深区间、第二埋深区间和第三埋深区间，根据所述工程地质信息和水文地质信息设计物探数据集成观测系统；所述物探数据集成观测系统包括用于探测所述第一埋深区间的高密度电法观测系统，用于探测所述第二埋深区间的瞬变电磁法观测系统，以及用于探测所述第三埋深区间的音频大地电磁法观测系统；

步骤三，根据所述物探数据集成观测系统分别进行：

高密度电法数据采集和数据处理反演，获取第一视电阻率剖面；

瞬变电磁法数据采集和数据处理反演，获取第二视电阻率剖面；

音频大地电磁法数据采集和数据处理反演，获取第三视电阻率剖面；

步骤四，根据所述第一视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第一埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第二视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第二埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第三视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第三埋深区间内的岩溶发育范围；

步骤五，综合所述第一埋深区间内的岩溶发育范围、第二埋深区间内的岩溶发育范围和第三埋深区间内的岩溶发育范围，以及所述综合地质信息确定所述第三埋深区间以浅的岩溶发育范围。

所述探测目标为井平台。所述踏勘区域为以平台为中心1～2km²的范围。

所述第一埋深区间为地表以下0～100m，所述第二埋深区间为地表以下100～400m，所述第三埋深区间为地表以下400～100m。选择100m和400m作为埋深区间划分的界限，一方面考虑了三种物探方法的探测有效深度区间，另一方面考虑了山区井平台对于三种物探方法观测系统的空间限制。因此，100m和400m的区间划分是适宜且具有施工便捷性的。

所述综合地质信息包括地表岩溶发育地层及其产状、岩溶埋深、岩溶类型和岩溶发育主方向。所述岩溶发育主方向为三种物探方法观测系统的有效布置提供了依据，为高精度解释岩溶电性异常区提供了基础，岩溶类型对于根据三种物探方法的组合识别电性异常区提供了有力依据，有助于降低地球物理反演多解性。此外，三种物探方法组合识别地下电性异常区需要结合地下地质构造和岩性特征，综合地质信息提供的地层发育及其产状和研究区岩层信息同样为解释地下地质构造和识别电性异常区提供了依据。

所述工程地质踏勘具体包括以下内容：

①确定探测目标周围地层划分，开始地质测量；②在野外对岩石进行观测，研究岩层顺序，成因、结构、产状、厚度、岩性和褶皱类型，断层性质等。且对每一岩层特征详细描述，如：颜色、层次、组成成分，颗粒形状与大小，分选程度，岩相变化，化石的种属和分布情况，岩石的胶结程度。结核的性质和分布，上下地层的接触关系，岩石节理，裂隙的形状和发育程度，矿化程度及风化现象等；③进行地质构造测绘；④通过地面观察，研究岩溶发育与岩性、层理、褶皱、断裂破碎带，以及新的构造关系等；⑤调查溶洞大小、形状、高程、育填物以及其它各种溶蚀现象的特征；⑥对每种典型的地貌单元都应进行形态描述和测量，如：阶地宽度、阶地台面倾斜方向及角度，阶地前缘高度；冲沟宽度(顶宽、底宽)及深度，山坡倾斜方向及坡度，山脊走向，相对高差等；⑦确定第四纪沉积物的分布规律及成因类型，查明不同成因类型第四纪沉积物的地层层序及时代，了解第四纪沉积物的成分，结构及厚度变化，确定岩相变化的规律及第四纪地质发展史，从水文地质角度出发，查明第四纪沉积物的水文地质特征。

所述水文地质踏勘具体包括以下内容：

①对探测目标周围地下水类型、含水层、隔水层调查主要包括调查地下水类型、调查城镇及工矿地下水水源地的位置和用途、机井及民井调查、泉的调查；②对探测目标周围地下水补给、径流、排泄调查主要包括调查地下水的补给来源、补给方式或途径，补给区分布和补给量；地下水的径流条件、径流分带规律和流向；地下水的排泄形式、排泄途径和排泄区(带)分布；不同含水层之间、地下水和地表水之间水力联系。

如图1所示为物探数据集成观测系统，其中：所述高密度电法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设主方向，在所述布设主方向布设3～6条测线(图1中g起头的测线)，测线间距为20m；在所述岩溶发育主方向布设1条测线；每条测线道间距5m，至少同时布置120道。高密度电法观测系统呈十字型布设，以便于有效确认岩溶发育的实际主方向，并有效圈定岩溶发育在长轴方向和短轴方向的范围。

高密度电法基本原理为对称四极测深，为达到控制深度100米，道间距5米，至少同时布置120道，即最多能测到39层数据，每层探测深度为道间距的0.6～0.7倍，因此测线长度一般布置600-800米，线距20米。

如图2所示，高密度电阻率法现场数据采集时，为达到探测100米深度，同时布设120根及以上电极，并用多心电缆将所有电极与多路电极转换器连接。测量时，通过测量主机按照预先设定好道间距5米、测量层数39层及以上、连续滚动测量、采样周期200毫秒的参数，将指令传递给多路电极转换器，所述多路电极转换器根据指令控制各电极的通断，从而实现测量装置、极距以及测点的自动转换；测量主机通过接入回路的电极对地下供电并进行数据采集，将采集到的数据以一定的顺序存储在高密度主机仪器内部；仪器内部存储的数据，再转存到计算机中，在计算机中利用完成对数据的处理，生成反演断面图；解释人员根据反演断面图结合所述综合地质信息进行定性或半定量解释，得出地下0-100米深度岩溶发育位置、影响范围相关地质问题。

如图3所示为计算机中进行的高密度电法数据处理流程图，包括以下步骤：对原始数据剔除坏数据后进行插值处理；校正插值后数据的畸变数据；建立地形模型；根据地形模型得到正演理论值；采用有限差分法、有限单元法和边界元法进行正演模拟，并对比分析选择效果最佳的正演方法完成正演；反演迭代输出高密度电法视电阻率剖面图。

所述瞬变电磁法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设方向，布设9条测线(图1中s起头的测线)，测线长度400m，测线间距10m，测点间距5m；所述瞬变电磁法的发射边框边长为400m，发射频率为25hz，发射电流不低于15a。沿岩溶发育的长轴方向布设较为密集的瞬变电磁法测线，能够控制岩溶沿长轴方向的若干剖面图，以形成岩溶发育拟三维效果预测图。

所述瞬变电磁法采用不接地回线向地下发送脉冲电磁场(一次场)，用接收线圈来观测由一次场感应而产生的二次电磁场，通过观测二次场的变化规律来研究地下介质的电性分布特征，从而探测地下100-400米深度岩溶发育位置、影响范围；

瞬变电磁法探测深度由发射边框长度、发射频率、发射电流决定，为探测地下400米深度，发射边框边长400米，发射频率25h，发射电流不低于15安培；

接收框边长1米，接收框匝数为100匝，等效接收线圈接收面积为100m²；

采集方式采用大定源回线装置，如图4所示，在探测区首先布置400为边长的发射框，接收线圈在发射框内1/3区域进行逐点测量，采集地下地质体因发射框一次场感应而产生的二次电磁场电信号，数据处理可分为四个步骤：(1)原始数据的录入；(2)一次数据处理：包括数据编辑，数据滤波、均滑处理；(3)二次数据处理：包括建立反演文件，数据经surfer处理成图视电阻率断面图，解译地下100-400米深度岩溶发育位置、影响范围相关地质问题。

如图5所示为瞬变电磁法数据处理流程图，包括以下步骤：根据工程测量资料和归一化感应电压对原始数据进行整理；数据空间属性建立；选择测道范围、畸变数据剔除和滤波；绘制多测道曲线，反演视电阻率拟断面图，并判定所述视电阻率拟断面图是否满足成果解释要求；若是，绘制解释用多测道曲线和视电阻率拟断面图。

所述音频大地电磁法观测系统的布设方式为：以探测目标为中心，以所述岩溶发育主方向的垂直方向为布设主方向，布设3条测线(图1中l起头的测线)：中间主测线长度为2000m，两侧辅助测线长度为1000m，点距40米，线距20米；在所述岩溶发育主方向布设1条测线，测线长度2000m，点距40m；所述音频大地电磁法的采集最低频率为0.1hz，采集时间大于30min。音频大地电磁法观测系统也是呈十字型布置，以获取岩溶沿长轴方向和短轴方向的较深深度范围的电性剖面信息。所述音频大地电磁法勘探野外工作示意图如图6所示。图7为音频大地电磁法数据处理流程图，包括以下步骤：对原始数据进行静态校正和预处理；对预处理后的数据根据钻孔资料和地质资料进行定性分析和质量检查；对通过质量检查的数据进行反演输出视电阻率剖面图，对所述视电阻率剖面图进行电性参数定量分析，划分研究区不同地质体对应的电性参数区间范围；结合高密度电法视电阻率剖面、瞬变电磁法视电阻率剖面、综合地质信息中的任意一项进行综合分析。

步骤五还包括：确认地表岩溶类型，在所述第一视电阻率剖面、第二视电阻率剖面和第三视电阻率剖面中分别识别对应该地表岩溶的第一异常区、第二异常区和第三异常区，根据所述第一异常区、第二异常区和第三异常区确认该地表岩溶的发育范围。三种物探方法结合两种地质方法综合确认地下岩溶异常时，对于有地表岩溶出露的目标，首先从地表地质岩溶信息出发，在三种物探方法获取的视电阻率剖面中分别识别出对应该地表岩溶的地下电性异常区，如此能够在保证电性剖面解释以工区地质概况为依据的基础上，合理且全深度范围地识别出该地表岩溶对应的地下岩溶发育情况。

步骤五还包括：首先通过第一视电阻率剖面识别所述第一异常区，再通过第二视电阻率剖面识别所述第二异常区，最后通过所述第三视电阻率剖面识别所述第三异常区。由于高密度电法具有有效探测范围较浅但反映异常精度较高的特点，以地表出露岩溶为基础，由浅至深分别利用高密度电法、瞬变电磁法和音频大地电磁法获取地表岩溶在地下的分布范围，能够进一步提升地下岩溶分布的识别准确度，有效预测钻井风险。

优选的实施方式中，所述步骤四为：根据所述第一视电阻率剖面以及所述第二视电阻率剖面和所述第三视电阻率剖面中的至少一个，再结合所述综合地质信息确定所述第一埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第二视电阻率剖面以及所述第三视电阻率剖面，再结合所述综合地质信息确定所述第二埋深区间内的岩溶发育范围；

根据所述第三视电阻率剖面结合所述综合地质信息确定所述第三埋深区间内的岩溶发育范围。

如图8所示为工程地质及水文地质+高密度电法+瞬变电磁法(tem)+音频大地电磁法(amt)探测含水裂隙的成果图。此裂隙在地表的可见宽度约0.5米，其间被松散物质充填。该剖面从上至下分别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，图中虚线圈出区域即为含水裂隙分布区。

通过高密度电法反演成果，发现在地表裂隙下方存在一处视电阻率低阻异常，判定为裂隙深部含水引起，该裂隙影响深度约地下120米，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对比分析确认出地下裂隙含水带在深部沿地层走向发育。

根据所述工程地质信息和/或通过视电阻率剖面确认该地表岩溶在剖面的发育范围之后，通过输出沿岩溶发育主方向的连续瞬变电磁视电阻率剖面图，得到该地表岩溶的立体分布范围。由于瞬变电磁法采用均匀网度观测系统，能够快速进行平面网度测量，能够有效地控制岩溶异常在平面和深度上的发育情况。如图9所示为含水裂隙瞬变电磁发反演成果连续视电阻率剖面图，图中虚线圈出区域即为含水裂隙分布区。

若岩溶类型为干枯岩溶，则根据所述第一视电阻率剖面和所述第三电阻率剖面重合的高阻异常区识别为干枯岩溶发育范围。瞬变电磁法能够有效探测高阻异常中的低阻异常，但对于低阻异常中的高阻异常识别效果低于高密度电法。因此，对于干枯岩溶等高阻异常，采用高密度电法结合音频大地电磁法重合剖面进行对比分析识别，能够达到更好的识别准确度。如图10所示，通过高密度电法与音频大地电磁法相重合剖面(上两幅剖面)对比分析可以得出井台下方干枯岩溶较为发育，两种方法吻合性较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。