鄂爾多斯盆地南部黃土塬區(qū)三維地震激發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 丹，李 邦

(中國(guó)石化華北分公司工程監(jiān)督中心，河南 鄭州 450000)

鄂爾多斯盆地南部的黃土塬地區(qū)發(fā)育中生界成油體系，油氣成藏條件良好，主要油氣藏類型為巖性和巖性構(gòu)造復(fù)合圈閉油氣藏。鄂爾多斯盆地南部大部分地區(qū)位于陜甘寧接壤的黃土塬地區(qū)，地形、地貌十分復(fù)雜，巨厚的黃土經(jīng)長(zhǎng)期的風(fēng)化、侵蝕、沖刷、切割，形成了密集的樹(shù)枝狀水系和形態(tài)各異的塬、梁、峁、坡、溝等復(fù)雜地貌。黃土塬厚度的劇烈變化及地形的大幅度起伏，使得黃土塬區(qū)的地震資料品質(zhì)在橫向上呈不一致性(溝底較好、斜坡較差)，對(duì)巖性油氣藏勘探極為不利。

1 地震地質(zhì)條件

1.1 表層地震地質(zhì)條件

鎮(zhèn)原-涇川區(qū)塊是中石化華北分公司目前在鄂爾多斯盆地南部的石油勘探區(qū)塊之一，位于鄂爾多斯盆地天環(huán)拗陷南端，面積2515.603km2。鎮(zhèn)涇區(qū)塊地形屬典型的黃土塬丘陵溝壑區(qū)，地形起伏劇烈，高差變化大，一般高差在幾十米到上百米，最大高差達(dá)400m，形成了樹(shù)枝狀水系(溝)及塬、梁、峁、坡、溝并存的獨(dú)特地貌，表層結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。黃土塬區(qū)黃土厚度一般在300m左右，最厚可達(dá)400m以上;黃土塬半坡區(qū)黃土厚度一般為150～200m;沖溝區(qū)黃土厚度一般50～100m。因此，區(qū)內(nèi)橫向激發(fā)、接收條件差異大。黃土塬區(qū)含水率低，土質(zhì)疏松，地震波能量衰減快。雖然塬上黃土巨厚，潛水面較深，但只要在含水性較好的膠泥層中激發(fā)，地震記錄品質(zhì)中等;而溝谷中特別是有水沖刷的溝谷由于基巖出露，激發(fā)條件最好;半坡上由于雨水沖刷程度差異較大，淺層地震地質(zhì)條件變化劇烈，普遍難以得到理想的地震記錄。由于黃土層與下伏低、降速層間速度差異大，折射波能量強(qiáng)，多次折射干擾嚴(yán)重，能量透射窗面積小，下傳有效能量弱，影響地震記錄質(zhì)量。

1.2 深層地震地質(zhì)條件

鎮(zhèn)涇區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地西南部，構(gòu)造區(qū)劃上屬于天環(huán)向斜南段。該區(qū)深部地震地質(zhì)條件整體上較為穩(wěn)定。地層展布平緩，斷層不發(fā)育，延長(zhǎng)組上部及其以上地層之間存在有明顯的密度差和速度差，形成多個(gè)波阻抗界面，相應(yīng)的地震波反射較強(qiáng);而延長(zhǎng)組長(zhǎng)7之下地層在地震剖面上振幅弱，連續(xù)性差。

該區(qū)塊西部地表黃土之下的下伏地層為下白堊統(tǒng)涇川組，東部為下白堊統(tǒng)羅漢洞組。除這兩套地層層速度在2500～3500m/s外，羅漢洞組以下地層除個(gè)別特殊巖性(煤層、頁(yè)巖、膏鹽巖)外，砂巖、泥巖層速度均在4000～4500m/s之間，且砂巖、泥巖層速度差異不大。這種條件決定了鎮(zhèn)涇區(qū)塊砂、泥巖界面形成的反射主要以弱反射為主，抵抗噪音能力較差。除此之外，延長(zhǎng)組長(zhǎng)7底部發(fā)育一套平均厚度約10m的張家灘頁(yè)巖，層速度在2800～3200m/s之間，與上下圍巖形成很強(qiáng)的波阻抗差，從而形成較強(qiáng)的地震反射(T6c)。張家灘頁(yè)巖距長(zhǎng)8主力儲(chǔ)層僅10～20m。長(zhǎng)8儲(chǔ)層與圍巖形成的弱反射被掩蓋于張家灘頁(yè)巖所形成的強(qiáng)反射之中，產(chǎn)生嚴(yán)重干涉，影響長(zhǎng)8儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。

延安組為煤系地層，煤層層數(shù)2～9層，單層厚度0.2～8m，平均累計(jì)厚度約14.3m，其地震波傳播速度在2800～3200m/s之間，與圍巖具有很強(qiáng)的波阻抗差，垂向上形成一系列很強(qiáng)的反射(T4、T5b)。延9、延10等主要儲(chǔ)層均夾于煤層之間或距離煤層很近，與圍巖形成的弱反射被掩蓋于煤層強(qiáng)反射之中(圖1)。

本區(qū)斷裂較發(fā)育，斷裂帶內(nèi)地層遭受?chē)?yán)重改造，斷面多、地層破碎，對(duì)地震波有很強(qiáng)的吸收和散射作用，使地震波反射能量進(jìn)一步削弱。

圖1 鎮(zhèn)涇區(qū)塊三維地震剖面Fig.1 3D seismic profile through the Zhenyuan-Jingchuan region

2 激發(fā)技術(shù)難點(diǎn)

(1)工區(qū)內(nèi)黃土巨厚且疏松、干燥，對(duì)地震波吸收衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致激發(fā)、接收條件差。由于黃土塬區(qū)復(fù)雜的地表結(jié)構(gòu)和低降速層厚度、含水性等各種因素縱、橫向變化劇烈，各種面波、折射波和多次折射波及次生干擾波非常發(fā)育，這些干擾波頻帶寬、能量強(qiáng)，使得地震資料信噪比低。

(2)工區(qū)內(nèi)障礙物較多，主要有城鎮(zhèn)、村莊、文物保護(hù)區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)、水資源保護(hù)區(qū)、各種公路及油田采、集、輸?shù)扔蜌馓镌O(shè)施。這些障礙物的分布，造成激發(fā)點(diǎn)布設(shè)困難，也會(huì)影響覆蓋次數(shù)的均勻性。

3 激發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

在黃土中激發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何選取合理的激發(fā)點(diǎn)位、如何盡可能地減少干燥疏松黃土對(duì)地震有效信息的吸收與衰減、如何選擇合理的激發(fā)藥型和激發(fā)參數(shù)增加子波的能量、拓展子波頻帶寬度、如何利用組合效應(yīng)壓制部分側(cè)面干擾。

3.1 激發(fā)點(diǎn)位選取

通過(guò)前期攻關(guān)試驗(yàn)，總結(jié)出黃土塬表層地震地質(zhì)條件以溝中最好，沿溝布設(shè)測(cè)線可以獲得良好的地震資料;其次是大面積塬上，有較穩(wěn)定的膠泥層，通過(guò)多井組合激發(fā)亦可獲得地震資料;最困難的地區(qū)為狹窄的峁、墚、斜坡地區(qū)，激發(fā)條件很差，干擾波發(fā)育，因此如何合理的布設(shè)激發(fā)點(diǎn)位非常關(guān)鍵:

(1)對(duì)收集到的衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理，深入細(xì)致的分析對(duì)比，確定黃土塬地形、地貌矢量化方法。

(2)根據(jù)黃土塬密集的樹(shù)枝狀水系和形態(tài)各異的塬、梁、峁、坡、溝等復(fù)雜地貌，對(duì)其進(jìn)行分類定義:溝—首布設(shè)區(qū);匯流溝—首布設(shè)區(qū);陡坡—緩布調(diào)整區(qū);山脊—避高區(qū);塬—可布設(shè)調(diào)整區(qū)。

(3)基于黃土塬特征地貌地理信息數(shù)字模型的地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則:

①首先進(jìn)行沖溝和匯流溝中理論空間位置激發(fā)點(diǎn)布設(shè);

②對(duì)理論空間位置在陡坡緩布設(shè)調(diào)整區(qū)內(nèi)的激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行縱向、橫向雙向空間地理信息分析，將其優(yōu)化調(diào)整到?jīng)_溝和匯流溝中布設(shè)。如果在保證觀測(cè)系統(tǒng)采集屬性和淺目的層覆蓋次數(shù)的限定條件下，沒(méi)有可調(diào)整的沖溝和匯流溝，則直接布設(shè)該陡坡激發(fā)點(diǎn);

③對(duì)理論空間位置在山脊避高區(qū)內(nèi)的激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行縱向、橫向雙向空間地理信息分析，將其優(yōu)化調(diào)整到?jīng)_溝和匯流溝中布設(shè)。如果在保證觀測(cè)系統(tǒng)采集屬性和淺目的層覆蓋次數(shù)的限定條件下，沒(méi)有可調(diào)整沖溝和匯流溝，則調(diào)整布設(shè)該激發(fā)點(diǎn)到塬上或陡坡上;

④對(duì)理論空間位置在塬上的激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行縱向、橫向雙向空間地理信息分析，優(yōu)化調(diào)整到?jīng)_溝和匯流溝中布設(shè)。如果在保證觀測(cè)系統(tǒng)采集屬性和淺目的層覆蓋次數(shù)的限定條件下，沒(méi)有可調(diào)整沖溝和匯流溝，該激發(fā)點(diǎn)不調(diào)整;

⑤對(duì)避高、避陡優(yōu)化調(diào)整和跨地表障礙造成的CMP采集屬性的不完整性進(jìn)行分析判斷，優(yōu)化調(diào)整增加彌補(bǔ)屬性不足的炮點(diǎn)，完成采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(4)密點(diǎn)實(shí)測(cè)，以道補(bǔ)炮或以炮補(bǔ)道。遇大型障礙物時(shí)，采用加炮、加線的方式，保證目的層疊加次數(shù)。以最新衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)，完成局部黃土塬特征地形地貌和地表障礙矢量化，進(jìn)行基于地理信息的觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 多井組合激發(fā)技術(shù)

試驗(yàn)證明，爆炸后產(chǎn)生的彈性波振動(dòng)幅度與爆炸產(chǎn)生的等效空洞的形狀有關(guān)，曲率半徑越大，向外傳播的振動(dòng)越強(qiáng)，所以藥量的選擇要使爆炸空洞接近球形為宜，藥柱不宜過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)藥量和產(chǎn)生的彈性波振幅關(guān)系來(lái)看:藥柱過(guò)長(zhǎng)對(duì)激發(fā)有效能量不利，大藥量將產(chǎn)生較大的爆炸半徑，能量損失也大。

在地震勘探中，弱彈性介質(zhì)密度低，波的傳播速度也低。如果在不同彈性介質(zhì)中包容有相同的有效激發(fā)能量，那么低密低速介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移量必然大。組合激發(fā)就是利用組合優(yōu)勢(shì)，使得黃土塬弱彈性介質(zhì)中波的位移量增大。因此利用小炸藥量中、高頻成分相對(duì)大和下傳能量利用率高的特點(diǎn)，依靠小藥量組合激發(fā)可以提高地震記錄中、高頻段的信號(hào)幅度和信噪比;利用多井組合，保證總藥量(圖2)。

3.3 激發(fā)巖性優(yōu)選技術(shù)

(1)膠泥層:黃土塬上以及斜坡不同高度的膠泥層便是高速夾層(700～800m/s，厚度2～4m)，它能夠起到“聚能”的作用。

在斜坡區(qū)，不同高度的膠泥層埋藏深度變化較大。埋藏淺時(shí)，致密程度和含水性變差、裂隙發(fā)育，需要在較深部位尋找參照層，其原則是“就深、就濕、就速度”。

(2)潛水層:黃土塬區(qū)潛水層也是高速夾層，也能夠起到聚能作用。有時(shí)除了聚能效果外，也避免了潛水面反射和“八字胡”折射能量的損失。黃土塬區(qū)塬上潛水面埋藏深度變化較大，潛水層厚度變化也較大。斜坡區(qū)一般沒(méi)有潛水面。

(3)“正梯度”或巨厚高速層:黃土塬區(qū)發(fā)育有10%～15%的溝，還有厚度小于40m的黃土區(qū)域。這些區(qū)域需要在基巖中激發(fā)。工區(qū)發(fā)育厚度可達(dá)1000m的灰?guī)r臺(tái)地出露區(qū)，深井激發(fā)不會(huì)提高有效波下傳能量，相反增加了鉆井成本。要改善該區(qū)的效果，必須從聚能組合、方向接收及射線模型等方面做工作(圖3)。

3.4 聚能裝置激發(fā)技術(shù)

目前增強(qiáng)黃土塬區(qū)地震波能量下傳只能通過(guò)多井組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是野外采集時(shí)由于受成本、觀測(cè)系統(tǒng)、地形限制及村莊、公路、工廠等障礙物影響，組合井?dāng)?shù)并不能無(wú)限增加，如果能夠增加單井激發(fā)能量的下傳(聚能)，同樣可以提高黃土塬區(qū)地震資料的品質(zhì)。

圖3 不同激發(fā)層位對(duì)比(20～40Hz)Fig.3 Correlation of different excitation horizons(20 ～40 Hz)

聚能裝置是底部帶有聚能凹槽的炸藥爆炸后，在高溫高壓下會(huì)出現(xiàn)一股匯聚的速度和壓強(qiáng)都很高的爆炸產(chǎn)物流沿凹槽軸線向外飛散，這種在一定的范圍內(nèi)使炸藥爆炸能量集中在某一方向上進(jìn)行釋放的效應(yīng)就是聚能效應(yīng)。在特定方向上，相同藥量的聚能炸藥比常規(guī)炸藥的爆轟能力大很多。利用這一特性，將聚能炸藥應(yīng)用于黃土塬區(qū)地震激發(fā)，理論上可以極大地提高炸藥震源對(duì)圍巖垂直向下的正應(yīng)力，減小藥柱側(cè)面對(duì)圍巖的切應(yīng)力，從而增加了下傳能量，有利于提高記錄的能量和信噪比(圖4)。

圖4 普通炸藥和帶聚能裝置炸藥激發(fā)對(duì)比Fig.4 Correlation of the excitation of the common explosives and shaped-charge explosives

4 結(jié)論

(1)黃土塬三維地震資料采集過(guò)程中，塬上、半坡、溝底、河道單炮的地震資料品質(zhì)差異巨大，如何合理布設(shè)激發(fā)點(diǎn)非常關(guān)鍵，溝底、河道是首選布設(shè)區(qū)，其次是平坦的塬上，半坡激發(fā)單炮資料品質(zhì)最差。

(2)溝底、河道采用單井激發(fā)就可以得到較好資料，巨厚黃土區(qū)采用多井組合是獲取好資料的最佳選擇。黃土厚度大于250m，采用19井組合;黃土厚度在150～250m，采用17井組合;黃土厚度在100～150m，采用15井組合;黃土厚度在40～100m，采用13井組合。

(3)有穩(wěn)定的潛水面和基巖出露的區(qū)域，在潛水面和基巖里激發(fā)能保證獲取高品質(zhì)資料;巨厚黃土區(qū)需找準(zhǔn)膠泥層，在膠泥層頂界面下1m激發(fā)為最佳;無(wú)穩(wěn)定膠泥層的區(qū)域應(yīng)選擇速度較高的潮濕黃土中激發(fā)。

(4)采用普通高密度炸藥分別與聚能不同類型炸藥進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)資料可以看出，采用聚能炸藥激發(fā)有效增加了能量下傳，改善了資料品質(zhì)，半球腔帶罩聚能炸藥資料品質(zhì)明顯優(yōu)于普通炸藥資料品質(zhì)。

鎮(zhèn)涇區(qū)塊三維地震資料研究成果在紅河油田發(fā)揮了重要作用，深化了油藏地質(zhì)認(rèn)識(shí)，為勘探、開(kāi)發(fā)井位部署提供了技術(shù)支撐，極大地降低了勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)成為鄂南石油勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一。鄂南黃土塬區(qū)大面積三維地震的首戰(zhàn)告捷，向世人展示了其廣闊的應(yīng)用前景，結(jié)束了黃土塬區(qū)地震采集只能沿溝進(jìn)行二維彎線勘探的歷史，使三維地震勘探成為可能。它的突破意味著鄂爾多斯盆地南部這塊曾經(jīng)被視為地震勘探禁區(qū)的地方從此解開(kāi)禁錮、獲得新生，三維地震將為鄂南致密油氣資源的解放發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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