下?lián)P子區(qū)頁巖氣地震勘探數(shù)據(jù)采集方法探析

趙智勇，武磊彬

（安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊，安徽 宿州 234000）

地震勘探是解決頁巖氣開采的有效手段，而高品質(zhì)的地震勘探數(shù)據(jù)采集原始資料是這項技術(shù)的基礎(chǔ)。

某地區(qū)下?lián)P子古生界地層發(fā)育三套優(yōu)質(zhì)泥頁巖：下寒武統(tǒng)黃柏嶺組(∈1h)、上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)—下志留統(tǒng)高家邊組(S1g)及二疊系孤峰組(P1g)+龍?zhí)督M(P2l)+大隆組(P2d)。通過對該區(qū)有機地球化學(xué)分析、儲層物性分析、含氣性分析等綜合評價推測出P50概率條件下本區(qū)二疊系孤峰組(P1g)+龍?zhí)督M(P2l)+大隆組(P2d)頁巖氣遠(yuǎn)景資源量為8477.96×108m3，同時通過對其他地層分區(qū)中的各個盆地進(jìn)行參數(shù)賦值評價，認(rèn)為本區(qū)所在盆地是區(qū)內(nèi)二疊系和志留系泥頁巖目的層頁巖氣勘探的最有力區(qū)帶之一，其中頁巖氣地質(zhì)資源占某省頁巖氣總資源量的10%，由此可見在本區(qū)進(jìn)行地震勘探是非常有必要的。

本文以本區(qū)為例，基于本區(qū)域地質(zhì)特點，通過對野外采集技術(shù)難點分析，研究山地頁巖氣地震采集中的激發(fā)、接收、觀測系統(tǒng)和采集質(zhì)量保證措施等各個環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，同時也將對本區(qū)頁巖氣的賦存特征等資料做相應(yīng)的資料搜集和研究。

1 本區(qū)地表條件研究

本區(qū)地勢為東南高西北低，南部為低山丘陵地貌，受華夏系構(gòu)造控制，斷裂、褶曲發(fā)育，地勢高峻，群峰峙立，斷層崖分布較多。

本區(qū)地表出露地層較多，主要有第四系、白堊系、三疊系、志留系、寒武系等地層，其中，在工作區(qū)西南部地區(qū)可見奧陶系和寒武系地層，在工作區(qū)中南部地區(qū)有大量志留系地層出露，而在工作區(qū)東南部一帶揭露有二疊系大隆組和龍?zhí)督M地層目的層。從工作區(qū)的地表揭露和地層結(jié)構(gòu)來看，地層相對穩(wěn)定，二疊系目的層的煤系地層發(fā)育較好，區(qū)內(nèi)具備較好的頁巖氣勘查工作條件。

本區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地表地震地質(zhì)條件對數(shù)據(jù)采集的接收和激發(fā)造成了較大的影響。針對本區(qū)地表條件所發(fā)現(xiàn)的難點，將在本區(qū)測線上布設(shè)低速帶調(diào)查點60個，每條線上調(diào)查點間距為2km。

2 地震采集激發(fā)參數(shù)認(rèn)證與實驗

本區(qū)南部大部分地段為基巖出露區(qū)，需采取特殊措施（沙泥袋或土坯等）埋置；茂密的植被影響了檢波器的鋪設(shè)，降低了檢波器與大地耦合效果，記錄有效信號能量弱，背景干擾較重；地表相對高差大增加了檢波器組合鋪設(shè)難度，不能有效地壓制干擾波。水系發(fā)育，對檢波器埋置、防水性能要求高，同時需配備壓電檢波器或防水檢波器等，盡可能避免無謂丟道；局部地段地層傾角較大，不利于反射波的接收。

因此為了提高子波的激發(fā)能量和信噪比，拓寬子波的絕對頻寬，是保證野外采集質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

2.1 激發(fā)層位

激發(fā)層位盡可能選擇在高速層（潛水面或致密巖層）以下激發(fā)。

激發(fā)深度要選在潛水面（或高速層）以下3～5m處，可以增強有效波的能量。

2.2 激發(fā)藥量

在一定范圍內(nèi)，激發(fā)能量隨著藥量的增加而增加，但當(dāng)藥量增加到一定程度后，振幅和能量不再增加，一般稱這個藥量為飽和藥量。藥量的大小影響著激發(fā)子波的振幅和頻率。小藥量激發(fā)雖然主頻較高，但隨著傳播距離的變大，深層的反射信號變?nèi)?，不能有效提高深層反射波的信噪比。大藥量可增強低頻的深層反射信號，同時對深層高頻的弱信號也有一定的作用，但僅靠增大藥量來提升高頻，其效果是有限的，而且低頻成分的幅值要比高頻的幅值增加得多，導(dǎo)致激發(fā)子波的主頻降低，分辨率下降。

在不同的巖性中，同一藥量的激發(fā)效果也不一樣，砂泥巖激發(fā)效果較好，灰?guī)r激發(fā)效果較差。綜合分析本區(qū)目的層埋藏較深，主要目標(biāo)地質(zhì)體反射能量較弱，且采用的觀測系統(tǒng)排列較長，應(yīng)采用相對適中的藥量激發(fā)。

2.3 激發(fā)參數(shù)實驗

根據(jù)工作區(qū)踏勘情況，分析地質(zhì)圖、地形圖等以往地質(zhì)資料，在代表性地段布置幾個試驗點，其中有1個考核試驗點。試驗點根據(jù)炮點激發(fā)巖性區(qū)別，分別對應(yīng)河灘流砂質(zhì)地層、泥質(zhì)地層、砂泥質(zhì)地層、基巖出露地層做井深試驗、藥量試驗和組合激發(fā)試驗。

本文采用田口方法對切削參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化。田口方法(Taguchi method)是由日本田口玄一博士(Genichi Taguchi)根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理和方法創(chuàng)立的一種實驗方法。借助田口方法，工程人員可以通過最少的實驗次數(shù)，快速獲取最佳的參數(shù)組合，從而大幅減少實驗次數(shù)，降低實驗成本。田口方法的兩大工具為正交試驗和信噪比(S/N)。根據(jù)期望目標(biāo)，信噪比分別具有不同的表達(dá)形式，如式(3)～式(5)所示：

3 地震采集接收參數(shù)認(rèn)證與實驗

3.1 檢波器類型認(rèn)證

由于測區(qū)地表為灰?guī)r出露及第四系覆蓋，且大部分目的層埋藏較深，資料信噪比較低，適合使用多個模擬檢波器組合接收，既可以大大提高各深度范圍內(nèi)反射波的信噪比，也可以壓制各種不規(guī)則、隨機干擾。考慮到區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，根據(jù)實際需要使用防水檢波器與壓電檢波器。

對于模擬檢波器來說，影響地震檢波器性能的主要參數(shù)有自然頻率、阻尼系數(shù)、靈敏度等，其中檢波器自然頻率是不同型號檢波器最大區(qū)別。

自然頻率是指在沒有外加振蕩擾動力的情況下，系統(tǒng)的振蕩或振動頻率。檢波器的幅頻響應(yīng)表現(xiàn)為高通濾波器的特征。當(dāng)自然頻率低時，接收低頻信號的能力強，高頻信號并不受影響。

3.2 組內(nèi)高差認(rèn)證

地形起伏因素造成的組內(nèi)高差，直接影響到同一道內(nèi)檢波器接收到的反射波的同相疊加效果，會損害有效波的高頻成分，同一道內(nèi)的組合高差大小必須以保護所要求的頻率為原則，引起的時差應(yīng)小于優(yōu)勢頻率的1/4周期。即：

從上面公式可以看出，ΔH與V成正比，與fp成反比。保護有效波的頻率越高，允許組合高差就越小。另外，在保護地震波優(yōu)勢頻率確定的情況下，表層速度越高，允許組內(nèi)高差就越大。

3.3 組合方式認(rèn)證

山地地震采集干擾波非常發(fā)育，表現(xiàn)在干擾波類型多、能量強，尤其是陡峭山體帶來的側(cè)面干擾及次生干擾更強，影響范圍大。野外采用組合的方法很難壓制，野外組合的目的主要體現(xiàn)在壓制環(huán)境噪聲方面，因此組合圖形以小組合為主。

3.4 采集參數(shù)選擇

本區(qū)地震波主頻一般在20～40Hz之間，頻寬在8～80Hz之間。因此為保留低頻信號成分，拓寬資料頻帶，本次施工選用自然頻率為10Hz的檢波器。

根據(jù)本區(qū)的實際情況，為保證同一道內(nèi)檢波器接收到的反射波的同相疊加效果，根據(jù)上述公式，在該區(qū)保護有效波的最高頻率為80Hz，低降速層速度按V=800m/s計算，則允許組內(nèi)高差為：

考慮本區(qū)表層速度變化較大，擬定本區(qū)檢波器組合高差限制在1m以內(nèi)，以保證同道的疊加效果。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗及鄰區(qū)施工參數(shù)，本次施工采用12個檢波器面積組合，組內(nèi)距1m，組合基距Lx=3m，Ly=2m；檢波器組合中心對準(zhǔn)測量樁號，組內(nèi)高差不大于1m。部分區(qū)域無法按照正常組合埋置檢波器，采用等比例縮小的方式埋置（見圖1）。

4 地震采集觀測系統(tǒng)認(rèn)證與試驗

采集參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到勘探工作的成敗。地表結(jié)構(gòu)、地貌特征、勘探目的層深度、已知地質(zhì)資料、地質(zhì)任務(wù)是論證觀測系統(tǒng)及采集參數(shù)的關(guān)鍵。由于本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，在已知地震及地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，利用設(shè)計軟件進(jìn)行射線追蹤及波場模擬等方法論證。

4.1 道距

為保證各面元疊加的反射信息滿足本次采集的技術(shù)要求，CMP點距大小應(yīng)滿足以下2個方面：

圖1 檢波器組合方式示意圖

（1）滿足偏移成像時不產(chǎn)生偏移噪音，即滿足最高無混疊頻率法則，依據(jù)公式：

（2）依據(jù)保證良好橫向分辨率面元邊長的經(jīng)驗公式：

通過計算得出道距優(yōu)化選擇參數(shù)，為保證目的層能夠獲得高品質(zhì)資料，建議道距選擇20m。

4.2 最大炮檢距

山區(qū)地層傾角較大，煤層埋藏深淺不一，且還存在逆掩推覆構(gòu)造，導(dǎo)致射線路徑比較復(fù)雜。因此，在兼顧淺層有效波的同時，應(yīng)保證選取足夠大的炮檢距接收深層的地震信號。

最大炮檢距為：

式中：Xmax——縱向最大炮檢距，m；

Ymax——橫向最大炮檢距，m。

4.3 覆蓋次數(shù)

覆蓋次數(shù)的選擇應(yīng)能充分壓制干擾（次生干擾、隨機噪音和環(huán)境噪音等）、增加目的層的反射能量，從而提高資料的信噪比，拓寬優(yōu)勢頻率。

4.4 觀測系統(tǒng)參數(shù)試驗

為驗證觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇和設(shè)計施工方案的合理性，確保按采集參數(shù)生產(chǎn)所獲剖面能滿足地質(zhì)任務(wù)要求，避免盲目生產(chǎn)，本區(qū)進(jìn)行段試驗。

在某一條地震測線上采用點試驗確定的激發(fā)、接收參數(shù)和設(shè)計施工方案進(jìn)行段試驗，段試驗滿覆蓋長度不小于4km。段試驗觀測系統(tǒng)：5990-10-20-10-5990；道距20m，最小偏移距10m，炮間距40m，接收道數(shù)600道，滿覆蓋次數(shù)150次。

及時對段試驗資料進(jìn)行處理，分別做150次、120次、100次、80次、60次覆蓋疊加效果對比，通過不同覆蓋次數(shù)的資料對比，確定適合本區(qū)的觀測系統(tǒng)、驗證點試驗所確定的激發(fā)接收參數(shù)。所獲時間剖面能夠保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量時，即可得到正確的野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)。

5 結(jié)論

通過對頁巖氣區(qū)域進(jìn)行地震勘探，可獲得較為可靠的地質(zhì)資料，為下一步頁巖氣的開發(fā)利用提供有效的依據(jù)。