基于地震環(huán)境噪聲的油頁巖勘探

李紅星，談順佳,，姚振岸，黃光南，徐培淵,周杰,范利飛

(1.東華理工大學 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330012;2.北京勞雷物探探測儀器有限公司，北京 100025)

0 引言

油頁巖是重要的非常規(guī)油氣資源，可以成為未來常規(guī)油氣的重要補充或接替資源[1-3]。松遼盆地東北部油頁巖分布較廣，資源潛力大，是油頁巖勘探開發(fā)的重要區(qū)域之一[4-6]。油頁巖地球物理勘探以地震和測井方法為主[7-11]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，為了順應綠色發(fā)展理念，適應生態(tài)環(huán)境保護需求，“綠色”勘探技術要求越來越迫切。地球表面即便在沒有發(fā)生可感知的地震事件時也一直存在著震動，稱為地震環(huán)境噪聲(微動)。微動信號中面波能量占比約2/3，可以利用面波特性反演地下介質(zhì)橫波速度信息。微動勘探通常利用以一定方式布設的微動觀測臺陣采集地面的天然微動信號，通過數(shù)據(jù)處理提取面波頻散曲線，反演得到地下介質(zhì)橫波(S波)速度結(jié)構(gòu)。地震環(huán)境噪聲(微動)勘探方法已經(jīng)在場地效應評估、斷層與溶洞探測、地殼速度結(jié)構(gòu)探測等領域得到了廣泛的應用[12-23]。根據(jù)領域的不同，探測深度從幾十米到數(shù)千米。油氣儲層由于是孔隙多相介質(zhì)，對橫波速度具有敏感性，因此，利用微動探測方法進行油氣儲層探測具有可行性。同時，微動探測由于不需要震源，相對傳統(tǒng)的反射地震等儲層勘探方法，其具有環(huán)保優(yōu)勢。

空間自相關(SPAC)法[24]和頻率波數(shù)域(FK)法[25]是微動勘探最常用的兩種從微動信號中提取面波頻散曲線的方法。FK方法在早期研究中得到了廣泛關注[25-29]。有研究表明，當利用任意形狀陣列觀測的短周期微動數(shù)據(jù)提取瑞利面波相速度時，SPAC方法比FK方法更精確[30]。SPAC方法首先由Aki于1957 年提出，數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)由圓環(huán)均勻分布陣列和中心臺站組成[24，31]。因為在城市街道等特定的環(huán)境中，很難布置滿足嚴格圓環(huán)形的陣列，不得不采用如“L”、“T”或直線形臺陣[26]，這制約了SPAC方法在早期的推廣，只有少數(shù)學者進行了應用。為了克服SPAC方法嚴格觀測系統(tǒng)帶來的局限，許多學者對SPAC方法進行了發(fā)展。Ling和Okada提出了擴展空間自相關方法(ESPAC)，該方法允許設計任意形狀的陣列[32]。Betting等修正了SPAC方法(MSPAC)，該方法利用一定半徑范圍(如r1～r2)的臺站數(shù)據(jù)提取面波頻散曲線[33]。2001年，Louie在處理一維線性排列的微動信號時，發(fā)展了折射微震陣(REMI)方法[34]，取得了不錯的應用效果[35-36]。Cho等提出了一種無中心環(huán)形微動探勘方法(CCA)，并利用譜比函數(shù)分析提取面波頻散曲線[37-38]。研究表明，在隨機噪聲源空間均勻分布時，在時間域?qū)Σ煌^測時段的臺站對相關數(shù)據(jù)進行平均，其效果與環(huán)形臺站的空間方位平均等價[39]。Okada研究了SPAC方法中圓環(huán)形臺陣的臺站數(shù)量對探測效果的影響，認為3個臺站是最高效的[40]。Shabani等拓展了MSPAC方法(EMSPAC)，將離散和近似連續(xù)圓形陣列的SPAC公式擴展到處理具有規(guī)則和不規(guī)則方位間距的陣列[41]，利用圓形臺陣的水平極化噪聲擴展方法更加有效地提取了瑞利波[42]。主動源面波的多道分析(MASW)思路也逐漸被引入到微動勘探中，被稱為被動源MASW方法[43-46]。微動勘探與主動源面波聯(lián)合勘探在淺地表探測中也越來越受到重視[47-48]。Hayashi等將主動源面波勘探中的共中心點成像思想[49-50]引入微動勘探，建立了共中心點空間自相關(CMP-SPAC)微動勘探方法[51-55]。本文將Hayashi等提出的共中心點SPAC方法中的共中心點概念延拓至共中心面元，利用靈活觀測系統(tǒng)，首次基于CMP-SPAC方法，將微動勘探應用于油頁巖勘探，在松遼盆地開展了試驗研究，取得了較好的效果。

1 CMP-SPAC方法

微動勘探方法利用若干檢波器組成接收臺陣，觀測一定時長的地震環(huán)境噪聲(圖1a)，通過空間自相關方法提取地震環(huán)境噪聲中的面波頻散信息(圖1b)，進一步通過反演方法獲得地下結(jié)構(gòu)的橫波速度結(jié)構(gòu)(圖1c)。

CMP-SPAC方法，可利用線性觀測臺陣接收地震環(huán)境噪聲，利用檢波器對的中心點位于同一個位置的檢波器觀測數(shù)據(jù)計算面波頻散曲線，作為該中心點的輸出(圖2a)。將共中心點概念拓展至共中心面元，將研究區(qū)劃分為若干具有一定面積的面元，則可在研究區(qū)二維地表平面內(nèi)布置網(wǎng)格化分布的地震環(huán)境噪聲觀測臺陣，利用檢波器對中心點位于該面元內(nèi)的所有檢波器觀測地震環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)計算面波頻散曲線，作為該面元的輸出(圖2b)。利用共中心面元CMP-SPAC便于三維地震環(huán)境噪聲成像，同時在地表條件不利于布置規(guī)則觀測臺陣時，也更利于布置不規(guī)則臺陣進行觀測和面波頻散曲線計算。

a—地震環(huán)境噪聲;b—面波頻散;c—橫波速度結(jié)構(gòu)a—seismic ambient noise;b—surface wave dispersion;c—shear wave velocity圖1 微動勘探基本原理示意Fig.1 Bisic principle of microtremor survey method

a—線性共中心點觀測系統(tǒng);b—二維共中心面元觀測系統(tǒng)a—linear common center observation systerm;b—two dimensional common center unit observation systerm圖2 CMP-SPAC方法觀測系統(tǒng)示意Fig.2 Geometry of CMP-SPAC method

2 數(shù)據(jù)采集

試驗區(qū)位于松遼盆地北部，試驗區(qū)內(nèi)主要為沉積地層，主要由第四系黃土和黑色腐殖土、泥巖、砂巖等組成。試驗區(qū)電阻率很低，電磁場衰減嚴重，利用電磁方法獲得有效的深部信息比較困難。因此，本文針對該測區(qū)特殊的地質(zhì)地球物理條件，開展微動勘探試驗研究，以便發(fā)展適用于松遼盆地油頁巖探測的“綠色”地球物理方法，達到能源勘探目標。

本次微動勘探使用36套Atom單道無線地震儀，并搭配2 Hz高靈敏度檢波器(圖3a)。一致性試驗表明，不同臺站之間具有很好的一致性(圖3b)。根據(jù)CMP-SPAC微動勘探方法基本原理，觀測系統(tǒng)布置應滿足檢波器對射線及其中心位置分布相對均勻，以保障每個共中心面元成像所用微動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量及其臺陣半徑分布基本一致。本次油頁巖微動勘探試驗設計觀測系統(tǒng)由主排列和垂直輔助排列組成。主排列由24個觀測臺站組成線性排列，2條輔助排列各由6個觀測臺站組成，垂直主排列分布(圖4)。觀測臺站間距為50 m。每次觀測1 h后，觀測臺陣沿測線滾動6個臺站間距(圖4)，設計7次滾動。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，檢波器采用淺坑埋置。實際觀測站位分布如圖5所示， 包含7個共觀測時間臺陣(圖5)。該觀測系統(tǒng)布設簡單，可根據(jù)實際地質(zhì)、地形條件靈活調(diào)整，檢波器對射線(圖5a)及其中心點位置(圖5b)分布較均勻，保障了觀測臺站分布的空間覆蓋，利于獲得高質(zhì)量的微動數(shù)據(jù)。圖5a中，圓圈表示觀測臺站，線段表示兩兩檢波器對射線。圖5b中，圓圈表示兩兩檢波器對射線的中心位置。

圖3 設備Fig.3 Equipment

圖4 設計觀測系統(tǒng)示意Fig.4 Designed geometry

a—檢波器位置分布;b—檢波器對中心位置分布a—gephone position distribution;b—center position of geophone pairs distribution圖5 實際觀測系統(tǒng)(7種顏色代表7次臺陣觀測)Fig.5 Actual geometry (the seven colors represent the seven array observations)

3 CMP-SPAC頻散曲線提取

CMP-SPAC方法利用臺陣半徑范圍內(nèi)，中心位置相同的檢波器對微動數(shù)據(jù)，通過SPAC方法計算面波頻散曲線。本文將共中心點概念拓展至共中心面元，利用中心位置位于同一成像面元范圍的檢波器對微動數(shù)據(jù)，通過SPAC方法計算面波頻散曲線。根據(jù)本次試驗研究的檢波器對中心點的分布，檢波器對中心在垂直測線方向-150～150 m范圍內(nèi)分布密度較大，在該條帶范圍內(nèi)劃分共中心面元。沿測線方向共中心面元的大小應保障在面元范圍內(nèi)落入足夠的檢波器對中心點，以保障足夠的地震臺站觀測數(shù)據(jù)參與到面波頻散曲線計算。沿測線方向，劃分31個共中心面元，面元為150 m×300 m矩形區(qū)域，相鄰成像面元之間沿測線方向存在50 m范圍的重疊(圖6a)。利用中心位于成像面元范圍的檢波器對(圖6b)所接收的微動數(shù)據(jù)計算該成像面元的頻散曲線，作為該成像面元中心位置的頻散曲線輸出。圖6b是第21個面元頻散曲線計算所用到的檢波器及其兩兩之間的連線。第21個面元共用到3次臺陣觀測數(shù)據(jù)(3種顏色代表3次臺陣觀測)。

a—共中心面元(紫色虛線方框)劃分;b—第21個共中心面元所用的檢波器及其檢波器之間的射線分布a—division of common center unit(purple dotted box);b—the ray distribution between the detectors used for the 21st common center unit圖6 共中心面元 Fig.6 Common center unit

對每個共中心面元，采用SPAC方法計算頻散曲線。假設f、g為兩個檢波器微動記錄，則它們的頻率域相關記錄CCfg(ω)可以表示為:

(1)

式中：Af(ω)為、Ag(ω)為f、g的振幅頻譜；r為檢波器對之間的距離。則兩道噪聲記錄的相關系數(shù)COHfg(r,ω)可以表示為:

(2)

Re(·)代表取實部。對相關系數(shù)進行空間方位積分后可表示為貝塞爾函數(shù)：

(3)

圖7a為某成像面元的相關系數(shù)(為檢波器對距離及頻率的函數(shù))，圖7b為3 Hz(圖7a中紅線)時，相關系數(shù)隨檢波器對間距的變化曲線。根據(jù)式(3)，擬合每個頻率的相關系數(shù)與貝塞爾函數(shù)，可以得到面波頻散譜(圖8)，提取頻散曲線。

a—某面元的相關系數(shù);b—3 Hz波的相關系數(shù)a—coherence coefficient of a common center unit;b—coherence coefficient of 3 Hz wave圖7 相關系數(shù)Fig.7 Coherence coefficient

圖8 面波頻散譜Fig.8 Surface wave dispersion spectrum

4 視橫波速度剖面

對于含油頁巖地層識別，只需獲得剖面上橫波速度相對變化，而沒必要獲得橫波速度的絕對值。利用式(4)計算視橫波速度[56]，形成視橫波速度剖面，各成像面元之間通過插值進行成像。根據(jù)視橫波速度的相對變化與鉆孔編錄資料對比，評價微動勘探油頁巖探測效果(圖9)。

(4)

式中：vr,i為第i個頻率值的面波速度；ti為第i個頻率值對應的周期；vx,i為第i個頻率值的視橫波速度。視橫波速度既不同于面波速度，也不同于橫波速度，具有速度量綱，根據(jù)式(4)計算視橫波速度能避免反演多解性，同時能客觀地反映地層巖性的速度變化[56],深度采用半波長深度。

根據(jù)微動勘探測線800 m位置附近的鉆孔資料(600 m深)，剖面下方地層主要由第四系(Q)，白堊系四方臺組、嫩江組1～4段、姚家組、青山口組和泉頭組組成。在試驗位置，白堊系嫩江組2段為含油頁巖地層，是最重要的標志層，厚度達100 余米(圖9，表1)，青山口組底部也含有數(shù)米黑色油頁巖。由圖9可知，第四系地層落入微動探測的淺層探測盲區(qū)，根據(jù)視橫波速度剖面和鉆孔資料，可以較好地標定、劃分主要的厚地層。橫波速度剖面中200～300 m深度位置的低速度異常與鉆孔編錄的標志層白堊系嫩江組2段相對應，說明含油頁巖地層呈現(xiàn)橫波低速特征。

圖9 視橫波速度剖面Fig.9 Apparent shear wave velocity profile

表1 鉆孔編錄信息

5 結(jié)論

本文將共中心點空間自相關微動勘探方法中的共中心點概念延拓至共中心面元，基于地震臺陣監(jiān)測的地震環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，將微動勘探應用于油頁巖勘探，在松遼盆地開展了試驗研究。研究結(jié)果表明：CMP-SPAC微動勘探方法觀測系統(tǒng)靈活，得到的橫波速度剖面結(jié)合鉆孔資料能很好地標識、劃分研究位置的主要地層，與測線附近鉆孔編錄結(jié)果對應較好，主要油頁巖地層——標志層白堊系嫩江組二段呈現(xiàn)出低速度異常特征。共中心面元空間自相關微動勘探方法具有成為更符合“綠色發(fā)展”要求的油頁巖新地震勘探方法。