南方復雜山地頁巖氣地震采集處理技術(shù)研究
——以桂黔二維項目為例

白旭明，陳敬國，袁勝輝，魏勝強，王曉東，王金寬.

(中國石油集團東方地球物理公司華北物探處，河北任丘 062552)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，以及對能源特別是低碳、清潔型能源的需求日益擴大，頁巖氣成為我國非常規(guī)油氣資源領(lǐng)域勘探的熱點和難點。中國頁巖氣資源量巨大，陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力達134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)和產(chǎn)量增長的重點集中在四川盆地、渝鄂湘黔桂地區(qū)等南方復雜山地區(qū)[1-3]。

我國頁巖氣勘探開發(fā)工作剛起步，尚處于探索、攻堅階段[4]。前期技術(shù)主要引自北美地區(qū)，國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)尚未形成完整、成熟的理論與技術(shù)，尚處在百家爭鳴階段。針對南方復雜山地地震勘探方法，李蘇光等[5]認為可控震源及多井組合是激發(fā)優(yōu)選方式之一。李祥明等[6]認為觀測系統(tǒng)應(yīng)采用適宜的覆蓋次數(shù)、炮檢距和面元，若一味追求方法強化，則改善效果不明顯。徐永清[7]認為宜采用小面元、長炮檢距、高覆蓋的觀測系統(tǒng)，中低頻檢波器小面積組合，綜合靜校正。石雙虎等[8]認為選巖性激發(fā)較為關(guān)鍵、巖性比井深重要；應(yīng)小藥量、高主頻激發(fā)和長炮檢距、小面元、檢波器組合接收?？傊?，大量研究與實踐表明[9-14]，以地震為主的地球物理技術(shù)是非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，有必要盡快形成一套適合南方復雜山地的頁巖氣地震勘探技術(shù)，獲得高信噪比、高分辨率的地震資料，為復雜山地頁巖氣勘探開發(fā)提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1 區(qū)域概況及地質(zhì)需求

目前，黔西南、桂中坳陷地區(qū)是我國頁巖氣勘探開發(fā)的重點區(qū)域。桂黔地區(qū)頁巖氣地震勘探工作始于2009年前后，近5年來陸續(xù)開展了多個頁巖氣二維、三維地震勘探工作，有力地推動了我國南方復雜山地頁巖氣地震勘探技術(shù)的進步與發(fā)展。

1.1 地表概況

我國南方地區(qū)地表條件復雜，溝壑縱橫，山地、丘陵、谷地、河谷和山間盆地相互交錯。不同地區(qū)海拔變化較大，整體區(qū)域海拔落差基本在300 m以上，局部地區(qū)可達500 m以上。山體高陡地區(qū)植被茂密，多為灌木荊棘；坡度較緩的山體區(qū)多被水稻、玉米及經(jīng)濟農(nóng)作物等覆蓋(圖1)。山地主體部位陡峭，坡度較大，多在20°～70°之間，較大的坡度變化給地震勘探及鉆采工作等都帶來很大難度。

圖1 黔桂地區(qū)典型地貌Fig.1 Typical landform of Qian-Gui region

1.2 地震地質(zhì)條件

表層以喀斯特地貌為主，地表巖石出露多。受地形變化及出露巖性多變(石灰?guī)r、頁巖、玄武巖、第四系黏土)的影響，表層結(jié)構(gòu)變化劇烈，低降速層的速度一般為400～2500 m/s，高速層速度一般為2650～6200 m/s。

通過南方復雜山地區(qū)典型的地震剖面(圖2)可以看出，相關(guān)地區(qū)深層地震地質(zhì)條件較為復雜，具有以下兩個典型特點：①頁巖層構(gòu)造簡單，但上覆和下伏構(gòu)造復雜；儲層相對較厚，但埋藏相對較淺，波阻抗差小，反射能量弱。②勘探目的層地層傾角較大且埋深跨度大。

圖2 南方復雜山地典型地震成果剖面Fig.2 Typical seismic result sections of complex mountains in south China

1.3 地質(zhì)需求與勘探難點

目前，我國南方頁巖氣勘探主要有以下地質(zhì)需求：

(1)新采集資料能量強而均衡，具有較好的信噪比，滿足查明目的層位分布特征和區(qū)域構(gòu)造格局的需求。

(2)在一定信噪比和高保真的基礎(chǔ)上，提高分辨率，確保能標定各套地層的分布與厚度，落實主要目的層的頂?shù)装迓裆睢?/p>

(3)在優(yōu)質(zhì)采集處理資料基礎(chǔ)上精細地質(zhì)研究，查明主力烴源巖，優(yōu)選有利遠景區(qū)。

(4)地震資料、地質(zhì)露頭及其他地球物理資料綜合研判，提供頁巖氣預(yù)探井位。

以上表層、深層地震地質(zhì)條件與地質(zhì)需求表明，頁巖氣勘探對地震資料采集處理的需求較高，亟須提高地震資料信噪比和分辨率。分析主要存在以下采集處理難點：

(1)目的層埋深和地層傾角變化大，地震波射線路徑復雜，地震資料品質(zhì)差，合理的觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和提高資料成像精度難度大。

(2)工區(qū)地形起伏劇烈，溝壑縱橫，植被茂密，表層結(jié)構(gòu)及激發(fā)環(huán)境復雜多變，激發(fā)與接收條件差，物理點合理布設(shè)難度大，靜校正問題突出。

(3)各種線性干擾、次生干擾發(fā)育，原始資料信噪比低，提高地震數(shù)據(jù)的信噪比及保真保幅難度大。

2 復雜山地地震采集技術(shù)

2.1 基于勘探目標的觀測系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

2.1.1 線元

滿足碳酸鹽巖縫洞識別的需求，選擇較為適中的線元。通過不同線元波動方程正演的地震剖面(圖3)可以看出，要準確分辨直徑為20 m的碳酸鹽巖縫洞，需要的線元不大于10 m；要準確分辨直徑為40 m的縫洞，需要的線元不大于20 m。可見，線元應(yīng)小于或等于需要落實縫洞直徑的一半。綜合來看，線元10 m(道距20 m)對縫洞直徑20 m及以上的識別較為精確[15]。

圖3 不同線元正演地震剖面Fig.3 Seismic sections from different line-elements

2.1.2 覆蓋次數(shù)

覆蓋次數(shù)是影響南方復雜山地地震資料品質(zhì)的關(guān)鍵因素，必須有足夠高的覆蓋次數(shù)才能保證地震剖面的成像效果。

由環(huán)江二維地震項目某測線不同覆蓋次數(shù)對比剖面(圖4)可見，覆蓋次數(shù)較低(<240次)時，地震剖面信噪比低；覆蓋次數(shù)達到320次以上時，地震剖面中淺層信噪比明顯提高。這表明復雜山地低信噪比地區(qū)的二維地震勘探需要高覆蓋次數(shù)，本地區(qū)需要至少320次的覆蓋次數(shù)。

2.1.3 最大炮檢距

適當增加最大炮檢距，深層疊加效果和剖面的連續(xù)性變好，信噪比得到提高。從不同最大炮檢距疊加剖面(圖5)來看，大炮檢距資料對剖面中深層貢獻較大，4000 m以上炮檢距資料質(zhì)量變化不大，表明該地區(qū)最大炮檢距在4000 m較合適。

圖4 不同覆蓋次數(shù)的疊加剖面Fig.4 Stack sections with different folds

圖5 不同最大炮檢距的疊加剖面Fig.5 Stack sections with different maximum offsets

2.1.4 寬線+大直線小彎線觀測系統(tǒng)優(yōu)化

大直線小彎線技術(shù)有利于側(cè)面波、方向性噪聲和地表散射等干擾波的壓制，可以突出有效反射信號能量；同時還可以改善單炮資料品質(zhì)，降低施工難度，增強深層的弱反射信息，提高剖面品質(zhì)。

如圖6所示，應(yīng)用大直線小彎線技術(shù)后，可以在離散度(物理點橫向偏移后的CMP點分布在第一菲涅耳帶半徑內(nèi)，滿足同相疊加需求)允許的范圍內(nèi)優(yōu)選激發(fā)點位，即在原設(shè)計直測線的基礎(chǔ)上進行炮檢點的橫向合理偏移。

圖6 大直線小彎線物理點及CDP點位置示意Fig.6 Sketch map of physical points and CDP points of large straight line & small curve

2.2 基于復雜地表的物理點預(yù)設(shè)計技術(shù)

南方山地地震地質(zhì)條件復雜，炮檢點布設(shè)困難。點位布設(shè)的合理性嚴重制約地震資料品質(zhì)及施工效率，本文總結(jié)了一套基于復雜地表的物理點預(yù)設(shè)計流程(圖7)。

使用ArcGIS軟件把DEM高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成坡度數(shù)據(jù)，結(jié)合高清衛(wèi)片(有條件的地區(qū)可以采用高清晰度航拍照片[16])和工區(qū)地質(zhì)圖形成綜合地理信息系統(tǒng)。根據(jù)最大負重作業(yè)的坡度和根據(jù)物理點偏移離散度確定的最大偏移范圍，進行物理點的室內(nèi)預(yù)設(shè)計。在“三避三就”原則(避陡就緩、避高就低、避老就新)的基礎(chǔ)上進行室內(nèi)設(shè)計，在“兩避兩就”原則(避碎就整、避巖就土)的基礎(chǔ)上進行野外物理點放樣，按巖性、破碎程度、含水性、速度、構(gòu)造位置(地形產(chǎn)狀)及地形精細選取點位，避開陡坡、高峰、破碎帶、含水性差、山前沖積帶和疏松垮塌堆積物區(qū)，改善激發(fā)接收條件，同時降低施工難度，提高施工效率。

2.3 基于地勢及含水性的激發(fā)點位優(yōu)選技術(shù)

針對近地表及出露巖性變化不大的區(qū)域，激發(fā)、接收點位的地形地勢、含水性的優(yōu)選則更為重要。受降雨前后激發(fā)單炮效果(圖8)啟發(fā)，大雨過后，井中炸藥與井壁耦合更為致密，同時檢波器與大地耦合效果也較好，激發(fā)接收條件得到較大改善，單炮品質(zhì)改善明顯。

圖7 復雜山地物理點預(yù)設(shè)計流程Fig.7 Physical points pre-design flow of complex mountains

圖8 下雨前后激發(fā)的單炮Fig.8 Single shots excited before and after rain

由于地形起伏導致了不同地形的含水性差異較大，因此造成了單炮記錄品質(zhì)的差異。從單炮對比來看(圖9)，高陡地形含水性較差的區(qū)域激發(fā)資料品質(zhì)相對較差，平緩地形含水性較好的區(qū)域激發(fā)資料品質(zhì)相對較好。

另外，南方峰叢狀喀斯特地貌發(fā)育，溶洞、地下暗河、裂縫較為發(fā)育，繞射、散射嚴重，波場關(guān)系復雜。當?shù)乇泶嬖谳^大溶洞時，無論在溶洞頂部或者翼部激發(fā)，地震波都難以正常穿透溶洞下傳，形成了地震波傳播的盲區(qū)，不能獲取溶洞以下的地層反射。因此，應(yīng)盡量避免在溶洞上部激發(fā)。

2.4 基于提高信噪比的檢波器組合接收技術(shù)

檢波器組合的主要目的是壓制隨機干擾，提高采集單炮的信噪比。檢波器組合的主要參數(shù)有組合個數(shù)和串并聯(lián)組合方式選擇以及組內(nèi)距的確定。我們知道，無論串、并聯(lián)，相同個數(shù)的檢波器組合后的總信噪比是相同的[17]。

檢波器串的組內(nèi)距由隨機干擾的相關(guān)半徑來確定。

(1)

上式為隨機干擾的相關(guān)半徑關(guān)系函數(shù)。其中N個點，每點單個檢波器埋置，點距1 m，縱橫向分別直線拉開，a為某點某時刻的真值。

當X(l)=0時，所對應(yīng)的l使得函數(shù)不相關(guān)，即當兩個檢波器的位置大于或等于這個距離時，所接收到的隨機干擾不相關(guān)，可以通過疊加壓制。此時l即為組合的組內(nèi)距。

確定了組內(nèi)距后，在保證組內(nèi)距相同的情況下，對比優(yōu)選檢波器串數(shù)。從圖10的單炮能量和寬頻對比中可以看出：兩串檢波器組合比一串組合效果要好，兩串能量足，信噪比稍高。

圖10 不同檢波器組合試驗單炮對比Fig.10 Single shots contrast of different geophone combination tests

3 復雜山地地震資料處理技術(shù)

3.1 高保真綜合去噪技術(shù)

山地地貌地表起伏大，溝壑縱橫，面波、折射、異常振幅、次生干擾嚴重，原始資料信噪比低。本著“先強后弱、先低頻后高頻”的原則，采用疊前系列去噪技術(shù)壓制干擾波，逐步提高資料的信噪比。

針對工區(qū)內(nèi)的線性噪聲、50 Hz工業(yè)干擾、異常振幅值和隨機噪聲，分別采用疊前相干噪聲壓制、單頻干擾壓制、多域異常振幅壓制和疊后隨機噪聲衰減等針對性技術(shù)，逐步提高地震資料信噪比(圖11)。

圖11 綜合去噪前后疊加剖面對比Fig.11 Comparison of stacked sections before and after comprehensive denoising

3.2 振幅補償處理技術(shù)

復雜山地地震采集時激發(fā)接收環(huán)境不一，導致原始資料縱橫向能量差異大。球面擴散補償、地表一致性振幅補償?shù)燃夹g(shù)可以取得良好的效果。振幅補償處理后，原始資料縱橫向能量更加均勻，其均方根振幅曲線更加集中，而且淺層、中層、深層基本一致(圖12)，疊加剖面中深層資料反射信息則更加豐富。

圖12 振幅補償前后均方根振幅曲線對比Fig.12 Comparison of RMS amplitude curves before and after amplitude compensation

3.3 綜合靜校正技術(shù)

復雜山地地表起伏、巖性變化大、風化層速度和厚度縱橫向變化大，靜校正問題突出，建立近地表模型及求取準確靜校正較難。通過對比高程、折射、層析等靜校正方法，優(yōu)選了更加適合本目標區(qū)的層析靜校正方法(圖13)，然后通過剩余靜校正多次迭代解決短波長靜校正問題。

從圖14可以看出，環(huán)江地區(qū)資料在處理過程中采用了剩余靜校正三次迭代，疊加剖面的信噪比較前兩次迭代淺層資料提高效果明顯，剩余靜校正量曲線更加收斂。

圖13 應(yīng)用不同靜校正方法的剖面對比Fig.13 Comparison of sections with different static correction methods

圖14 多次迭代剩余靜校正量收斂曲線Fig.14 Convergence curves of multiple iteration residual static

4 結(jié)論

(1)復雜山地高性價比地震采集技術(shù)，包括基于勘探目標的觀測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、基于復雜地表區(qū)的物理點預(yù)設(shè)計、基于地勢及含水性的激發(fā)點位優(yōu)化、基于提高信噪比的檢波器組合等關(guān)鍵技術(shù)，為今后運作復雜山地頁巖氣采集項目提供了經(jīng)濟技術(shù)一體化的解決方案。

(2)復雜山地低信噪比地震資料處理技術(shù)，包括高保真綜合去噪、綜合靜校正、振幅補償處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了復雜山地低信噪比地震資料的成像效果。

(3)南方復雜山地區(qū)表層地震地質(zhì)條件復雜，激發(fā)條件差，資料品質(zhì)相對較差。因此，覆蓋次數(shù)是影響該類地區(qū)地震資料品質(zhì)的一個重要因素，類似地區(qū)地震采集應(yīng)大幅提高覆蓋次數(shù)。

(4)國外頁巖氣物探技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，探索了一系列先進的理念和方法，我國頁巖氣勘探工作起步晚，但我們有常規(guī)油氣物探技術(shù)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗。通過加大與國外的技術(shù)交流與合作，我們可以跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，縮小與國外的差距。同時，要針對我國不同盆地的地質(zhì)特點和實際經(jīng)濟發(fā)展狀況，建立經(jīng)濟、技術(shù)一體化的、合理的頁巖氣地球物理工作流程，力求實現(xiàn)技術(shù)與效益雙贏。

本文研究得到中國地質(zhì)調(diào)查局油氣調(diào)查中心頁巖氣勘探專家的啟發(fā)和幫助，特致謝意。

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