湖南保靖頁巖氣區(qū)塊地震勘探采集技術研究

符 超

(1.神華地質勘查有限責任公司，北京 102211;2.北京市頁巖氣勘探開發(fā)工程技術研究中心，北京 102211)

1 引 言

湖南保靖頁巖氣區(qū)塊主體位于湖南省湘西自治州保靖縣境內，鄰近分布著酉陽東區(qū)塊、龍山區(qū)塊、花垣區(qū)塊、永順區(qū)塊和桑植區(qū)塊等頁巖氣探礦權區(qū)，是當前國內頁巖氣勘探的熱點和難點地區(qū)[1,2]。南方海相碳酸鹽巖地區(qū)具有巨大的油氣資源潛力和前景，但是地表大面積灰?guī)r出露給地震波的激發(fā)和接收帶來了一系列難題，嚴重制約了南方海相碳酸鹽巖地區(qū)未來的油氣勘探[3,4]。

湖南海相頁巖氣油氣勘探程度低、埋深大，地形高差大，地表大面積出露碳酸鹽巖，風化剝蝕嚴重，低降速帶橫向變化大，表層地震地質條件復雜[5-7]。為了有效克服上述情況，在湖南保靖的二維地震勘探中，首次在該區(qū)采用數字檢波器、單點小道距、長排列的高覆蓋、高密度、高分辨的采集技術方法，取得了較高品質的采集資料。

2 研究區(qū)概況

區(qū)塊處于中揚子準地臺西緣、湘鄂西隔槽式沖斷褶皺帶內的宜都—鶴峰復背斜南部，東南部跨入桑植—石門復向斜之內。由八面山向斜東翼、隆頭鎮(zhèn)背斜、馬蹄寨—野竹坪向斜和雪峰山隆起的西部組成，主要以馬蹄寨—野竹坪向斜為主要的構造單元，在雪峰山隆起與馬蹄寨—野竹坪向斜交匯處發(fā)育保靖-慈利斷裂帶(圖1)。

地層由老至新出露元古界震旦系、下古生界寒武系、奧陶系、志留系、上古生界泥盆系、二疊系、中生界三疊系及第四系，上古生界缺失石炭系。除震旦系及部分寒武系未出露外，其它地層均有出露。區(qū)塊共計部署了378 km的二維地震測線，8條垂直于構造的測線，4平行地層走向的聯絡線(圖1)。

圖1 保靖頁巖氣區(qū)塊地質與二維地震測線Fig.1 Geological and 2D seismic survey map in Baojing shale play

3 頁巖氣地質條件

保靖區(qū)塊位于的中上揚子地區(qū)，從震旦紀到早侏羅世發(fā)育多套烴源巖，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、下志留統(tǒng)龍馬溪組是保靖區(qū)塊頁巖儲層發(fā)育的主要層位[8]。

其中，牛蹄塘組以黑色碳質頁巖為主，底部為硅質巖，其次為碳酸巖，本區(qū)出露較少，埋深在1 000～5 000 m。已完鉆探井資料顯示，牛蹄塘組巖性致密，孔隙度低，無良好儲集空間，構造復雜，發(fā)育構造破碎帶，不利于頁巖氣的保存，頁巖成藏性差，已不具勘探價值。

龍馬溪組下部發(fā)育一套黑色富有機質頁巖夾少量薄—中層狀石英砂巖、石英粉砂巖，優(yōu)質頁巖儲層TOC大于2 %，厚度在20～60 m之間。在馬蹄寨向斜部位發(fā)育，背斜和隆起區(qū)地層大部分缺失，埋深在0～3 000 m。頁巖儲層自下而上劃分為龍一段、龍二段和龍三段，其中龍一段的一亞段和二亞段為主要含氣頁巖段，實鉆相對含氣量較高。且氣體組分甲烷含量較高[9]，是本次二維地震勘探的主要目的層。

4 采集難點及技術思路

勘探目的層志留系龍馬溪組、寒武系牛蹄塘組頁巖，在不同構造部位埋深跨度較大，觀測系統(tǒng)選擇難度大。其中牛蹄塘組黑色頁巖全區(qū)分布，埋深在1 000～5 500 m，下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖埋深在0～2 500 m。從采集地震剖面上可以看出，在不同的構造地段，其埋藏深度差異也大。以5 995-5-10-5-5 995、滿疊75次觀測系統(tǒng)為例，在地層水平情況下，對埋深375 m地層的有效覆蓋次數僅7次，對埋深2 250 m地層有效覆蓋次數僅28次，考慮到向斜兩翼地層傾角約在8～25°，實際有效覆蓋次數可能更低(圖2)，采集面臨局部地段低覆蓋等不均勻問題。

圖2 不同埋深地層對應的有效覆蓋次數Fig.2 Effective folds in different depths

工區(qū)自北西向南東方向依次由隆頭鎮(zhèn)背斜-馬蹄寨野竹坪向斜及保靖-慈利斷裂帶組成；整體構造方向為北東向，工區(qū)內的斷層都是多期活動或遞進變形的產物，在構造的不同部位，地層傾角變化較大，構造復雜。對本次采集的影響有以下兩個方面：一是在向斜、背斜等地層褶曲部位，地震波場復雜，各種繞射及散射情況發(fā)育，部分地段會產生側向干擾；二是在斷裂及構造破碎帶附近，地震波傳播路徑畸變，能量散射嚴重，無法有效下傳。同時反射界面錯斷傾陡，導致反射波組非雙曲線。

區(qū)塊內主要出露寒武系、奧陶系、二疊系和三疊系灰?guī)r，面積占整個工區(qū)的48 %左右(圖3)。起伏劇烈、嚴重非均質的地表特征造成地震波激發(fā)接收條件很差，近地表地層大量吸收地震激發(fā)的能量，不僅會造成地震波傳播路徑和地震波波場的復雜性，同時也會產生各種類型的強能量干擾波，進而導致原始單炮記錄信噪比的降低和橫向上的明顯差異，從單炮上看，主要強能量噪聲類型有多組面波、折射波、散射波及其多次波。同時地表條件變化劇烈，地表一致性和靜校正問題突出。

為有效克服以上覆蓋不均勻，構造破碎復雜對成像影響及嚴重的地表激發(fā)和接受條件，同時考慮本區(qū)大高差等地形因素特點，計劃采用單點小道距、高密度觀測，通過提高對地質目標體的鏡像“像素”來提高對較小地質目標體的空間分辨能力。

圖3 不同年代地層出露比例Fig.3 Propotion of different strata outcropping in different geologic time scale

5 關鍵采集技術

針對工區(qū)地形及地質構造復雜等特點，本次二維采集主要使用了數字檢波器接收、全區(qū)微測井表層結構調查、單點小道距的高密度觀測采集關鍵技術。

5.1 激發(fā)方法

工區(qū)由一個向斜和兩個背斜組成，中間地層新，兩邊地層老，形成在宜都—鶴峰復背斜背景下的復向斜或復背斜構造格局(圖1)。從不同地表類型、不同年代地層和不同構造部位三個方面，分別在向斜構造部位灰?guī)r出露區(qū)及西部背斜構造區(qū)砂巖出露區(qū)部署試驗點(圖1中五角星位置)。工區(qū)出露志留系、三疊系、二疊系、奧陶系和寒武系等多套地層，出露巖性以灰?guī)r和砂巖為主，不同地層對地震波能量的吸收衰減存在較大差異(圖4)。

中-下志留統(tǒng)砂巖巖層中激發(fā)獲得多套有效波反射波組，目的層下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖反射能量強，反射內幕特征明顯，信噪比高。中泥盆統(tǒng)云臺觀組砂巖及下三疊統(tǒng)大冶組灰?guī)r次之，反射波組連續(xù)性稍差。中下二疊統(tǒng)再次，能見反射波組，信噪比降低。奧陶系和寒武系灰?guī)r相對其它較差，少部分地段，反射內幕斷續(xù)、雜亂，呈現低頻特點，這也反映了地震波在老地層灰?guī)r中能量散失加快，地層對高頻信號吸收作用強。20～60 Hz分頻掃描顯示時可見到部分有效反射(圖4)。綜合多組試驗結果，確定工區(qū)砂巖區(qū)井深16 m，炸藥10 kg；灰?guī)r區(qū)設計井深20.5 m，炸藥18 kg。

工區(qū)采用1個/3 km點密度進行微測井，共部署146個。微測井資料顯示D02線樁號1 750～6 800段，低降速層厚度2～15 m，低速層速度320～1 200 m/s，降速層速度1 300～2 100 m/s，高速層速度2 100～5 900 m/s(圖5)，低降速層局部變化較為劇烈。

圖4 不同巖性激發(fā)單炮記錄對比Fig.4 Shot records in different source position

圖5 D02線速度變化曲線Fig.5 Velocity curve of line D02

5.2 接收方法

此次采集選用的Sercel公司的DSU1型數字檢波器，DSU1型體積小，質量輕，布設簡便，與地面耦合度高，兼具寬頻和高保真的優(yōu)點，成像時間和空間分辨率較高，其具有寬頻帶的線性幅頻響應的特點(圖6)。數字檢波器的自然頻率遠遠小于地震信號的頻率；而模擬檢波器是速度檢波器，期相應的頻率范圍位于自然頻率以上，自然頻率以下的部分會嚴重衰減。數字檢波器在地震信號的有效率帶范圍內具有相同的響應特征，更容易無失真地記錄低頻信號(小于10 Hz)，采用數字檢波器接收地震資料分辨率更高。

數字檢波器的振幅特性隨著頻率變化范圍很小，幅值很穩(wěn)定，適宜在采集寬頻信號(圖6a),零相位特性比模擬檢波器具有很高的優(yōu)越性(圖6b)。單炮記錄顯示龍馬溪組及牛蹄塘組目的層(圖6c)反射波清晰，能量較強，信噪比較高，龍馬溪組和牛蹄塘組主頻分別為47 Hz和31 Hz(圖6d)，主頻較高，有利于后期處理處高信噪比地震剖面。綜合考慮成本、施工效率及采集質量，選取單點數字檢波器完成本次采集任務。觀測系統(tǒng)主要參數為：道距10 m，炮距80 m，接收道數1 200道，覆蓋次數75次。

針對工區(qū)地形復雜、目的層埋深跨度大、出露多套地層，巖性差異大，設計了單點小道距、高密度、大排列接收觀測系統(tǒng)。設計1 440道的較大接收排列，消除地層傾角起伏的影響。覆蓋次數設計為75次，信噪比較高。小道距接收提高了橫向分辨率，有利于后期處理中信噪分離；有利于近地表建模，提高靜校正精度。單點小道距接收資料道組合比野外檢波器直接組合更合理，效果更好。在后期偏移處理中，小道距接收資料鑲邊效應較小，有利于斷點繞射偏移歸位。

圖6 檢波器原始記錄及頻譜分析Fig.6 Geophone original record and its spectrum analysis

6 應用效果

D03線最終處理偏移剖面波組特征明顯，志留系砂巖激發(fā)和寒武系灰?guī)r激發(fā)的反射波組齊全，波組連續(xù)性較好。淺、中、深層能量均衡，層間信息豐富，信噪比、分辨率較高(圖7)。樁號1 000～2 500顯示的隆頭鎮(zhèn)背斜構造特征清晰，樁號2 500～6 000顯示的馬蹄寨野竹坪向斜明顯，向斜軸部受構造應力作用，巖石破碎，無有效信號，信噪比較低，兩翼形態(tài)較為清楚，頁巖氣目的層龍馬溪組及牛蹄塘組層位清晰，同相軸連續(xù)，全區(qū)可追蹤，為后期部署頁巖氣探井及水平井提供了高質量的地震資料。

圖7 D03線地震剖面Fig.7 Seismic section of line D03

7 結 語

針對湖南保靖頁巖氣區(qū)塊目的層埋深變化大，地質構造復雜，地震資料成像等困難，經過系統(tǒng)的試驗和論證，實施了多種技術措施和方法，在湘西碳酸鹽巖山區(qū)頁巖氣區(qū)塊取得了高品質的地震資料，為后期頁巖氣儲層的預測和勘探開發(fā)打下了堅實的基礎，為同類地區(qū)進行頁巖氣提供了有利的參考。具體如下：

1)全區(qū)微測井對表層不同巖性進行速度分層，有利于準確確定低降速帶厚度及速度，是獲取高精度的近地表速度模型的有效采集方法，可為后期靜校提供可靠依據；

2)保靖地區(qū)首次采用數字檢波器進行采集，實際資料顯示龍馬溪組及牛蹄塘組目的層信號主頻較高，是獲取高分辨率資料的有利手段；

3)小道距、長排列接收的高覆蓋、高密度、高分辨采集技術，提高了信號近地表的采樣次數和密度，有利于近地表建模和靜校正，可為后期成像打下基礎。

本次二維地震針對湘西地區(qū)灰?guī)r覆蓋復雜地表條件下開展了全面和有益的實踐，采用的采集技術方法可靠有效，對于同類地區(qū)開展地震勘探具有一定的參考價值和推廣意義。