寧夏ZW 地區(qū)地震勘探激發(fā)技術(shù)研究

張志林 江 峰 楊德寬 何京國(guó) 趙獻(xiàn)立

(中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司 山東 東營(yíng) 257100)

0 引 言

激發(fā)是地震勘探的重要環(huán)節(jié)，尤其在縱橫向地震地質(zhì)條件變化大的區(qū)域，激發(fā)效果的好壞直接關(guān)系到該區(qū)勘探的成敗［1，2］。

隨著勝利油田西部探區(qū)勘探的不斷開(kāi)展，ZW 地區(qū)的地震勘探也逐步開(kāi)始走向深入，復(fù)雜的地表及地下地質(zhì)條件決定了該區(qū)對(duì)地震采集技術(shù)將越來(lái)越高。ZW 工區(qū)地表涉及沙漠、戈壁礫石、丘陵、山地、平原、黃河、銀川城區(qū)等多種類型;近地表低降速帶厚度、速度、巖性縱橫向變化大;地下賀蘭山褶皺帶構(gòu)造復(fù)雜，地層破碎，斷裂發(fā)育。地表、近地表以及地下的三層復(fù)雜性導(dǎo)致了該區(qū)激發(fā)問(wèn)題尤為突出，通過(guò)對(duì)該區(qū)激發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)其提高激發(fā)效果的規(guī)律［3、4］，在實(shí)踐中取得了良好的效果。

1 地震地質(zhì)條件

1.1 表層地震地質(zhì)條件

工區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜，地形變化較大，分布有山區(qū)、戈壁丘陵、沙漠、沖積平原等各種地形。其中，山區(qū)約占工區(qū)面積的43.8%，戈壁丘陵區(qū)約占工區(qū)面積的28.1%，沙漠約占工區(qū)面積的6.2%，沖積平原約占工區(qū)面積的21.9%。

工區(qū)出露巖性多而雜，主要為砂巖、頁(yè)巖和礫石;低降速帶厚度、速度變化劇烈，近地表厚度在3 m ～80 m 之間，速度在1 800 m/s ～4 500 m/s 之間，大多數(shù)區(qū)域激發(fā)條件較差。

1.2 深層地震地質(zhì)條件

該區(qū)主要發(fā)育石炭-二疊系、三疊系、侏羅系地層。構(gòu)造復(fù)雜，地層破碎，斷裂系統(tǒng)發(fā)育。

2 激發(fā)難點(diǎn)

2.1 激發(fā)因素選取困難

ZW 地區(qū)近地表類型多變性，造成了激發(fā)因素如炸藥類型、藥量、激發(fā)方式等選取難。

2.2 復(fù)雜地下地質(zhì)構(gòu)造對(duì)激發(fā)技術(shù)要求高

在工區(qū)構(gòu)造突變以及構(gòu)造破碎帶等復(fù)雜構(gòu)造引起的低信噪比地區(qū)，常規(guī)激發(fā)因素?zé)o法保證地震資料品質(zhì)，需要根據(jù)工區(qū)地震地質(zhì)條件優(yōu)化激發(fā)點(diǎn)位置及激發(fā)方式。

2.3 地表巖性的多變性造成鉆井成井難

黃河灘內(nèi)大部分地區(qū)表層浮土1 m ～2 m 厚，下部為沖積礫石，無(wú)法鉆井;戈壁丘陵地區(qū)礫石層分布廣泛，成井困難;山區(qū)老地層出露，鉆井時(shí)間長(zhǎng)，大部分鉆井設(shè)備需要人抬肩扛進(jìn)入，嚴(yán)重影響鉆井時(shí)效;農(nóng)田區(qū)大部分位置上土下礫，影響鉆井時(shí)效。

綜合以上的難點(diǎn)分析，ZW 地區(qū)由于橫向地表?xiàng)l件變化及縱向的地下地質(zhì)條件變化，產(chǎn)生了一系列地震采集中面臨的問(wèn)題，對(duì)地震資料品質(zhì)造成了嚴(yán)重的影響，必須針對(duì)該區(qū)進(jìn)行地震采集激發(fā)技術(shù)研究加以解決，確保激發(fā)技術(shù)的全面落實(shí)，確保資料品質(zhì)。

3 激發(fā)技術(shù)研究

3.1 主要激發(fā)介質(zhì)與激發(fā)效果綜合評(píng)價(jià)

從激發(fā)巖性分類看，ZW 地區(qū)主要有六種激發(fā)巖性，分別為平原粘土區(qū)、平原粘土和細(xì)小礫石混合區(qū)、賀蘭山北部致密砂巖區(qū)、沙漠區(qū)、賀蘭山南部頁(yè)巖和礫石混合區(qū)以及山前礫石區(qū)。

平原粘土區(qū)(農(nóng)田區(qū))及致密砂巖(賀蘭山北部)區(qū)均為單相介質(zhì)，沖擊波與爆生氣體作用等效，應(yīng)力波各向相等，波前疊加，激發(fā)效果好。

平原粘土和細(xì)小礫石混合區(qū)為雙相介質(zhì)，沖擊波與爆生氣體作用具有一定的抵消作用，應(yīng)力波各向強(qiáng)弱有一定的差異，波前疊加性稍差，激發(fā)效果中等，黃河邊局部地區(qū)表層由于含有大量細(xì)砂，成井難。

沙漠區(qū)為雙相介質(zhì)，沖擊波與爆生氣體作用具有一定的抵消作用，應(yīng)力波各向強(qiáng)弱有一定的差異，波前疊加性稍差，激發(fā)效果中等，局部低降速帶厚度較厚的沙漠區(qū)激發(fā)條件較差。

頁(yè)巖和礫石(賀蘭山南部)均為雙相介質(zhì)，沖擊波與爆生氣體作用具有較大的抵消作用，激發(fā)應(yīng)力波各向強(qiáng)弱差異較大，波前干涉較大，激發(fā)效果較差。

山前礫石區(qū)也為雙相介質(zhì)，沖擊波與爆生氣體作用具有很強(qiáng)的抵消作用，激發(fā)應(yīng)力波各向強(qiáng)弱差異大，波前干涉嚴(yán)重，激發(fā)效果差。

3.2 炸藥類型選擇

高爆速炸藥激發(fā)地震子波主頻較高，低頻能量弱子波穩(wěn)定性好;低爆速炸藥激發(fā)地震子波低頻能量較強(qiáng)，子波穩(wěn)定性差;本次勘探主要落實(shí)該區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)，同時(shí)該區(qū)噪音干擾強(qiáng)，近地表吸收衰減嚴(yán)重，主要以保護(hù)低頻信息，提高信噪比為主，爆速過(guò)高對(duì)本區(qū)勘探不利;工區(qū)圍巖介質(zhì)變化大，爆速過(guò)低，激發(fā)因素發(fā)生改變時(shí)，子波穩(wěn)定性差。ZW 地區(qū)分別根據(jù)山地、平原、山前帶三種不同的地表類型進(jìn)行了不同藥型的對(duì)比分析，如圖1 所示。野外實(shí)際采用的高爆速炸藥密度為1.4 ㎏/m3左右(見(jiàn)表1)、速度大于5 500 m/s;中爆速炸藥密度在1.2 kg/m3～1.4 kg/m3之間、爆速在4 500 m/s ～5 500 m/s 之間;低爆速炸藥密度為1. 2 kg/m3左右、爆速在3 500 m/s ～4 500 m/s 之間;炸藥成分都為TNT 炸藥。

表1 ZW 地區(qū)二維不同爆速炸藥對(duì)比表

圖1 不同爆速激發(fā)的頻率與能量關(guān)系圖

從高、中、低三種不同爆速炸藥對(duì)比分析看，中爆速能量強(qiáng)，單炮整體信噪比稍高，從主要頻段分頻掃描可以看出，中爆速激發(fā)單炮目標(biāo)層同相軸連續(xù)性好，有效信息比較明顯，從800 ms ～1 200 ms 、1 800 ms ～2 200 ms、2 800 ms ～3 200 ms 三種時(shí)窗能量和信噪比的定量分析可以看出中爆速整體能量強(qiáng)，各個(gè)頻率段信噪比較高。從三種藥型激發(fā)子波相關(guān)性也可以看出中爆速炸藥激發(fā)子波相關(guān)性相對(duì)其它兩種較好。山地及山前帶的藥型試驗(yàn)結(jié)論與平原區(qū)一致，綜合分析ZW 地區(qū)藥型采用中爆速炸藥激發(fā)效果較好。

3.3 激發(fā)藥量選擇

激發(fā)子波的振幅A 隨Q 的增大而增加，即A =cQ1/3。激發(fā)子波的頻率與藥量Q 的立方根成反比，即F= cQ-1/3，F(xiàn) 隨Q 的增大而減少，如圖2 所示。

A:大藥量的激發(fā)，子波波形變寬，小藥量激發(fā)，子波波形窄，有利于提高分辨率。

B:信號(hào)的幅值隨藥量的增加而增加，低頻成分增加的快，高頻成分增加的慢，峰值頻率隨藥量的增加向低頻靠近，如圖3 所示。

圖2 子波頻率與振幅關(guān)系圖

圖3 頻率與藥量關(guān)系圖

ZW 地區(qū)勘探主要以保護(hù)低頻信息，提高信噪比為主，為確保激發(fā)藥量選取的準(zhǔn)確性，沙漠和山前帶能量損失快，目標(biāo)層能量較弱，因此重點(diǎn)對(duì)這兩種地表進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

針對(duì)ZW2013 -3 測(cè)線西部穿越沙漠區(qū)，低降速帶厚度較厚，進(jìn)行了不同藥量的對(duì)比試驗(yàn)。從中可知，總藥量21 kg 與20 kg 單炮主要目的層連續(xù)性較好;從能量、信噪比及子波分析上看，21 kg 單炮子波一致性較好，能量較強(qiáng)，信噪比較高。20 Hz ～40 Hz 淺中深目標(biāo)層反射特征清楚，現(xiàn)場(chǎng)處理疊加剖面淺中深層信息豐富，特別是2 200 ms 處，地層展布特征明顯。

針對(duì)ZW2013 -4 -2 測(cè)線西部低降速帶厚度較厚的沙漠區(qū)和東部山前帶巨厚礫石區(qū)，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)情況，藥量分別從14 kg 增大到22 kg 和28 kg，有效地提高了地震資料品質(zhì)。

3.4 激發(fā)位置選擇

ZW 工區(qū)近地表由于沒(méi)有穩(wěn)定的潛水面和虛反射界面，且縱橫向激發(fā)巖性變化大，該區(qū)激發(fā)位置(激發(fā)點(diǎn)位、激發(fā)深度、激發(fā)巖性)的選取主要依賴于合適的激發(fā)巖性，同時(shí)考慮地下構(gòu)造形態(tài)。在激發(fā)巖性選取上，通過(guò)詳細(xì)踏勘工區(qū)，了解工區(qū)地形分布，綜合野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)子波分析確定最佳激發(fā)點(diǎn)位。在近地表調(diào)查和解釋方面，利用測(cè)量成果和表層調(diào)查的波形特征進(jìn)行解釋，提高表層資料解釋的準(zhǔn)確性;根據(jù)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)建立模型，并利用軟件在室內(nèi)進(jìn)行不同激發(fā)巖性的模擬及激發(fā)子波的分析，進(jìn)行針對(duì)性的逐點(diǎn)井深設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)野外鉆井激發(fā)巖性選取，這是確定該區(qū)最佳激發(fā)巖性行之有效的方法。

考慮工區(qū)地下構(gòu)造，對(duì)激發(fā)位置的影響較大，通過(guò)建立典型地質(zhì)模型進(jìn)行激發(fā)效果模擬，與實(shí)際資料結(jié)合來(lái)優(yōu)選最佳激發(fā)位置。針對(duì)ZW2013 -3 測(cè)線東部穿越復(fù)雜構(gòu)造帶，由于該區(qū)地下地質(zhì)條件突變，大傾角高速層造成西部排列接收不了來(lái)自東邊炮點(diǎn)下傾方向地震波的有效信號(hào)，從而導(dǎo)致該區(qū)域單炮資料品質(zhì)突然變差，部分單炮1/4 排列完全見(jiàn)不到有效信息和直達(dá)波。根據(jù)野外實(shí)際情況，結(jié)合處理和解釋專家進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)造室內(nèi)模型實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)逐點(diǎn)踏勘優(yōu)選復(fù)雜構(gòu)造區(qū)激發(fā)點(diǎn)位置，有效提高了剖面品質(zhì)，如圖4 所示。

3.5 激發(fā)方式選擇

為了增加下傳能量，又不降低頻率，最好的解決方案為采用組合方式激發(fā)，可分為水平組合和垂向組合兩種方式。由于工區(qū)橫向巖性變化大，人為控制垂直延遲疊加震源各個(gè)炸藥包的起爆時(shí)間難度大，難以實(shí)現(xiàn)波前同相疊加。為了盡量克服炸藥周圍介質(zhì)的不均勻性，井徑不宜太大。

圖4 ZW2013-3 東部穿越復(fù)雜構(gòu)造帶模擬單炮及實(shí)際單炮對(duì)比

單井激發(fā)能量最強(qiáng)，次生干擾也最強(qiáng)，沿層面激發(fā)信噪比最高，水平面激發(fā)信噪比次之。

多井激發(fā)必須保證單井有合適藥量，如果單井藥量太小則不能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于組合基距，單井激發(fā)能量最強(qiáng)，組合井距增大信噪比提高，頻帶變窄，在以提高信噪比為主的情況下，組合基距可以大些。

ZW 工區(qū)表層復(fù)雜多變，根據(jù)工區(qū)的地震地質(zhì)條件和試驗(yàn)資料情況，以提高能量和信噪比為主要目標(biāo)，為此，應(yīng)因地制宜選擇合適的激發(fā)方式。

3.6 鉆井工藝研究

針對(duì)工區(qū)四大地表類型分別配備了不同型號(hào)鉆機(jī)，如表2 所示，并進(jìn)行相應(yīng)的鉆井工藝研究，如賀蘭山地區(qū)采用人抬風(fēng)鉆與人抬水鉆不同鉆井時(shí)效及激發(fā)質(zhì)量對(duì)比、平原區(qū)沙土與礫石混合區(qū)鉆井工藝研究、沙漠區(qū)流沙井工藝研究等，探索出了一套針對(duì)不同地表、不同巖性的鉆井工藝，保證不同激發(fā)方案的實(shí)施。

表2 ZW 項(xiàng)目不同鉆機(jī)類型配備表

4 應(yīng)用效果分析

通過(guò)單炮分析認(rèn)為，ZW 地區(qū)通過(guò)優(yōu)化激發(fā)因素，不同地表單炮能量及信噪比均較高。從新老單炮對(duì)比看，2013 年采集的單炮無(wú)論在能量及信噪比上較老單炮有明顯改善。從新老剖面對(duì)比看，新剖面較老剖面構(gòu)造形態(tài)清晰，深層目標(biāo)層信噪比高，波組特征明顯，如圖5 所示。

圖5 ZW 新老剖面對(duì)比

5 結(jié) 論

ZW 地區(qū)屬于典型的雙復(fù)雜區(qū)域，激發(fā)問(wèn)題尤為突出，本文以理論研究為指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)全區(qū)不同地震地質(zhì)條件開(kāi)展針對(duì)性試驗(yàn)，并結(jié)合室內(nèi)模型模擬以及實(shí)時(shí)資料品質(zhì)定性、定量分析，選取了不同區(qū)域的最佳激發(fā)因素和激發(fā)方式，總結(jié)了一套針對(duì)該區(qū)有效地激發(fā)技術(shù)，顯著地提高了該區(qū)的地震資料品質(zhì)，特別是賀蘭山褶皺帶資料品質(zhì)獲得了實(shí)質(zhì)性的突破，為加快該區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)步伐提供了可靠的資料，同時(shí)也為今后該區(qū)以及類似地區(qū)的規(guī)模生產(chǎn)提供了可靠的激發(fā)技術(shù)方案。

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