諧波地震在沁水盆地深部煤層氣勘探開發(fā)中的初步應(yīng)用

張文君

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 晉城 048000)

地震頻率諧振勘探是近年來非常規(guī)油氣和礦產(chǎn)勘探開發(fā)中最新的無震源高精度地球勘探一體化技術(shù)[1]。該技術(shù)已經(jīng)在非常規(guī)油氣田的開發(fā)中推廣應(yīng)用,并取得了很好的勘探開發(fā)效果,但在深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中應(yīng)用較少[2]。

我國煤層氣可采資源量豐富,其中埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源量約為2.25×1013m3,位居世界前列[3]。沁水盆地是我國目前煤層氣勘探和研究程度最高、產(chǎn)量最大的盆地[4]。

沁水盆地中東部經(jīng)過多期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜、小構(gòu)造及裂隙發(fā)育、煤質(zhì)較破碎、煤儲(chǔ)層物性特征變化較大,具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性、含氣飽和度低及滲透率低等特性[5]。在煤層氣勘探開發(fā)階段,小構(gòu)造、構(gòu)造煤、含氣性、裂隙發(fā)育程度、煤儲(chǔ)層物性條件等問題是影響煤層氣富集的主要地質(zhì)因素[6],這些地質(zhì)因素直接影響到深部煤層氣的井位布置、完井井型的設(shè)計(jì)及壓裂方案的設(shè)計(jì)等工作[7]。因此,急需開展一種新的地震勘查模式及配套的處理技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,近些年應(yīng)用于地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的探測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用到勘探,形成了被動(dòng)源地震勘探領(lǐng)域[8]。這些技術(shù)包括:

1)利用低頻面波噪音的微動(dòng)技術(shù)。

2)利用臺(tái)站間振動(dòng)波互相關(guān)聯(lián)的可合成擬炮集的成像技術(shù)。

3)工程地球物理中常用的中村技術(shù)等[9]。

自2017年以來,地震勘探領(lǐng)域又出現(xiàn)的一種地震頻率諧振勘探技術(shù),其也利用了噪聲源勘探的原理。該技術(shù)應(yīng)用到深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中,可以提高薄煤層和小的斷層構(gòu)造的辨別精度,在煤層連續(xù)性沉積和煤層的發(fā)育趨勢(shì)的判斷方面有了顯著的提高,為深部煤層氣水平井的部署、鉆井開發(fā)及壓裂排采等提供了地質(zhì)依據(jù)[10-12]。

本文就諧波地震在沁水盆地中東部橫嶺區(qū)塊深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中的實(shí)例做了初步的分析研究。應(yīng)用諧波地振技術(shù),提高了薄煤層、小斷層和裂縫的辨別精度,逐步形成適合深部煤層氣開發(fā)的地震開發(fā)技術(shù)。

1 地震頻率諧振勘探

1.1 基本原理

1.1.1自然界頻率諧振現(xiàn)象

任何物體都存在自身的固有頻率。大到地球小到微電子,由于物質(zhì)成分、幾何形狀以及結(jié)構(gòu)大小不同,其固有頻率不同,固有頻率是自然界賦予物體的自然屬性。當(dāng)振動(dòng)作用于物體,物體要做出相應(yīng)的響應(yīng),振動(dòng)的頻率與物體的固有頻率一致時(shí),物體將放大振動(dòng)的幅度(如圖1)。

圖1 物體受震動(dòng)的自激響應(yīng)Fig.1 Self excited response to vibration

1.1.2地震勘探中頻率諧振現(xiàn)象

地震勘探中的諧振現(xiàn)象與自然界中的地震波諧振現(xiàn)象是一樣的。在第四系底部反射或折射回來某特定頻率的地震波的振幅將被放大(圖2)。通常,遠(yuǎn)處檢波器接收到的振幅和頻率特征與炮點(diǎn)發(fā)出的振動(dòng)幅度和頻率特征不同,出現(xiàn)許多奇怪的特定頻率峰值。這些奇怪的頻率實(shí)際上是對(duì)應(yīng)地下某一地層的諧振頻率表征,有時(shí)稱為自激頻率。地震波每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的振幅實(shí)際上隨著波場(chǎng)的傳播被衰減,但高頻成分比低頻成分衰減得更快。

圖2 地震波典型共振圖(BGSC NERC. 2015)Fig.2 Typical resonance diagram of seismic wave (BGS C NERC. 2015)

1.1.3地震勘探中的頻率諧振技術(shù)

地震頻率諧振勘探方法基本原理和具體技術(shù)分為下述幾個(gè)方面:技術(shù)假設(shè)前提和基本理論是地面采集到的地震波既包括面波也包括體波,它們都遵循波動(dòng)方程描述的波動(dòng)規(guī)律。水平分量波場(chǎng)主要為S波和面波,垂直分量主要為P波和面波,人們可以對(duì)它們進(jìn)行獨(dú)立分析,從而獲得S波與P波信息。

1.2 地震頻率諧振技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1方法獨(dú)特性

地震頻率諧振勘探技術(shù),顧名思義,是一種利用自然界廣泛存在的頻率諧振原理進(jìn)行地震勘探,獲得地下地質(zhì)體幾何屬性特征參數(shù)的勘探方法。自然界每一種物體都有自身的固有頻率,地下介質(zhì)也一樣,當(dāng)其受到振動(dòng),且振動(dòng)頻率與自身固有頻率相當(dāng),介質(zhì)也將發(fā)生自激,振動(dòng)幅度將被放大。我們知道,地震勘探中的地震波頻率從零點(diǎn)幾赫茲到幾百赫茲,輸入到地下并通過折射、反射和散射等再回到地面,如果在其傳播過程中地下介質(zhì)固有頻率與其中的某個(gè)頻率相當(dāng),就會(huì)放大該頻率的振幅,使其能量在返回到地面時(shí)顯著地大于其他沒有受到諧振的頻率的能量。

1.2.2應(yīng)用廣泛性

利用地震波這個(gè)諧振特征,人們可以在技術(shù)上設(shè)計(jì)多層大地模型,應(yīng)用多種頻率的地震波對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),從而獲得不同頻率的地震波諧振與地層的關(guān)系,達(dá)到確定地下介質(zhì)厚度和其他參數(shù)的目的?；谶@樣的原理,開發(fā)了地震頻率諧振勘探技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明,該項(xiàng)新的勘探技術(shù)不同于常規(guī)的時(shí)間域地震勘探技術(shù),其具有下述獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

1)不受地震波初至影響。

2)抗干擾能力很強(qiáng)。

3)對(duì)密度變化敏感。

4)縱向和橫向分辨率很高。

5)可以進(jìn)行無源方式采集和數(shù)據(jù)處理。

這些優(yōu)點(diǎn)可使其被應(yīng)用到比常規(guī)地震勘探更大的領(lǐng)域,以及應(yīng)用到深部煤層氣水平井鉆井開發(fā)中。由于其對(duì)深度判斷需要依據(jù)現(xiàn)有的鉆孔地層數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)際使用有一定的局限性。

1.3 實(shí)例

1.3.1研究區(qū)地質(zhì)概況

橫嶺區(qū)塊位于沁水盆地復(fù)向斜東翼。地層走向NNE向,總體由一個(gè)背斜和一個(gè)向斜構(gòu)成,在此基礎(chǔ)上伴有次一級(jí)寬緩褶曲,一般傾角為3°～10°,局部因構(gòu)造影響可達(dá)16°左右。區(qū)塊因多期構(gòu)造應(yīng)力疊加作用,形成擠壓變形與伸展拉張變形共存的格局。

區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育,共發(fā)育有向背斜8個(gè),斷層12條,以及陷落柱2個(gè);褶皺多呈NNE向,向斜與背斜緊鄰交替出現(xiàn),褶皺延伸從幾公里到幾十公里,均由前期二維地震和地質(zhì)填圖控制。

本次勘探區(qū)位于橫嶺區(qū)塊東南部,根據(jù)前期的二維地震勘探成果,地層走向NNE向,總體上由一個(gè)向斜和一個(gè)背斜構(gòu)成,地層傾角較小,一般傾角為3°～8°。區(qū)內(nèi)15#煤埋深在1 400 m～1 800 m,平均厚度在5.18 m,是本區(qū)深部煤層氣開發(fā)的主要目的煤層。

1.3.2橫嶺區(qū)塊工作的優(yōu)勢(shì)

地震頻率諧振工作在本地區(qū)工作的優(yōu)勢(shì)如下:

1)勘探深度大。地震頻率諧振勘探技術(shù)勘探深度與應(yīng)用的震源能量和檢波器頻率有關(guān),如果應(yīng)用0.05 Hz檢波器,適當(dāng)加長采集時(shí)間,可以勘探到幾千米。本次勘探通過30 min的勘探時(shí)間可以獲得2 km深度的資料。

2)探測(cè)效率高。地震頻率諧振勘探方法本質(zhì)是一種被動(dòng)源地震勘探技術(shù),與其他被動(dòng)源勘探技術(shù)相比,減少了大量的采集時(shí)間。

3)探測(cè)精度高?？垢蓴_能力強(qiáng),本套技術(shù)中應(yīng)用大能量信號(hào)源和多次疊加技術(shù)壓制大量的無用信號(hào)噪聲,提高有用信號(hào)的信噪比，并且在常規(guī)面波勘探中加入被動(dòng)源信號(hào),在常規(guī)頻率諧振勘探中加入主動(dòng)源信號(hào),使得該方法本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力,保證在強(qiáng)干擾的環(huán)境中,能夠采集到地下真實(shí)信息。

1.3.3數(shù)據(jù)采集與處理方法

1)數(shù)據(jù)采集。本次實(shí)驗(yàn)工作設(shè)計(jì)剖面2條,點(diǎn)距10 m。其中L1(南線)完成測(cè)點(diǎn)120個(gè),長度1.19 km。L2(北線)完成測(cè)點(diǎn)77個(gè),長度0.76 km。實(shí)際完成總測(cè)點(diǎn)數(shù)197個(gè),剖面總長度1.95 km。剖面測(cè)點(diǎn)實(shí)際位置見圖3、圖4。

圖3 L1測(cè)線實(shí)測(cè)點(diǎn)位圖Fig.3 Location of measuring points on line L1

圖4 L2測(cè)線實(shí)測(cè)點(diǎn)位圖Fig.4 Location of measuring points on line L2

2)觀測(cè)系統(tǒng)。被動(dòng)源由于可以利用長時(shí)間觀測(cè)記錄的優(yōu)點(diǎn),使勘探擴(kuò)大到較為深度的區(qū)間。EPS便攜式數(shù)字地震儀中集成了高靈敏度的三分量地震檢波器。按笛卡爾坐標(biāo)組合安裝,分別為垂直向、正北向、正東向三個(gè)方向。CDJ系列檢波器具有靈敏度高、諧波失真小、一致性好和工作狀態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn),其使用環(huán)境溫度為-25℃～+55℃。

儀器面板上的N方向?yàn)檎毕?儀器面板上的E方向?yàn)檎龞|向。其中垂直向?yàn)閮x器的第一道;正北向?yàn)閮x器的第二道;正東向?yàn)閮x器的第三道。面波是能量主要集中于距離自由地表約一個(gè)波長范圍內(nèi)傳播的彈性波,被動(dòng)源面波法即被動(dòng)源面波,實(shí)際上他是利用天然源作為隨機(jī)震源,對(duì)地下地質(zhì)體進(jìn)行成像或?qū)傩苑治龅目辈榧夹g(shù)。主動(dòng)源勘探由于采用彈性波主動(dòng)震源,雖然能量強(qiáng)、精度高,但深度受到震源能量和排列長度的限制,勘探較淺。

3)數(shù)據(jù)處理。本次采集的被動(dòng)源地震資料滿足數(shù)據(jù)處理需要。圖5是單點(diǎn)記錄(L2線30號(hào)測(cè)點(diǎn)記錄)。記錄可見X、Y、Z三分量能量基本均勻,沒有強(qiáng)烈的固定源干擾現(xiàn)象。

應(yīng)用地震頻率諧振勘探技術(shù)對(duì)抗噪聲能力進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明,較強(qiáng)非地質(zhì)噪聲數(shù)據(jù)摻雜到剖面數(shù)據(jù)內(nèi),對(duì)成果數(shù)據(jù)造成的影響并不明顯。分析認(rèn)為,非地質(zhì)噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機(jī)噪聲,通過多次空間疊加和時(shí)間分段疊加,噪音水平被大大降低,在疊加次數(shù)達(dá)到10次以上后，不再構(gòu)成對(duì)地質(zhì)信號(hào)的嚴(yán)重影響。

4)L2線地震頻率諧振勘探反演剖面地質(zhì)解譯。L2線近南北向,點(diǎn)號(hào)南小北大,起始點(diǎn)0號(hào)測(cè)點(diǎn),終止點(diǎn)760號(hào)測(cè)點(diǎn),點(diǎn)號(hào)自南向北逐漸增大,點(diǎn)距10 m。根據(jù)L2測(cè)線地震頻率諧振勘探視波阻抗反演剖面結(jié)果,對(duì)該剖面進(jìn)行解譯見圖6。

圖6 L2線視波阻抗反演剖面解譯圖Fig.6 Interpretation map of apparent wave impedance inversion profile of line L2

三分量頻率諧振地震勘察剖面對(duì)不同速度和密度的地層分界較敏感,同一巖性不同密度層通過等值線數(shù)值的差異可以精細(xì)劃分。針對(duì)L2測(cè)線視波阻抗值反演剖面結(jié)果,結(jié)合已知的見煤點(diǎn)深度信息重點(diǎn)對(duì)測(cè)線15#煤的埋深和斷裂特征進(jìn)行分析。

15#煤特征及斷裂分析:本次地震頻率諧振勘察重點(diǎn)任務(wù)之一,為查明測(cè)線地下空間范圍內(nèi)15#煤層的空間分布特征與埋深。煤層的密度和速度比上下圍巖的速度和密度低,因此在L2測(cè)線上15#煤在地震頻率諧振剖面視波阻抗值整體上表現(xiàn)比圍巖地層低。根據(jù)以上特征結(jié)合鉆孔資料對(duì)15#煤的深度進(jìn)行標(biāo)定,推測(cè)15#煤在L2測(cè)線上的分布特征見圖7。

從整體上看，15#煤層在埋深上變化范圍在海拔-220 m～-140 m之間,整體上呈層狀變化。測(cè)線南部小號(hào)點(diǎn)15#煤層埋深推測(cè)在-190 m左右,在測(cè)線150號(hào)測(cè)點(diǎn)左右煤層傾角突然變大,推測(cè)受F1斷裂破碎帶影響。在測(cè)線270—280號(hào)測(cè)點(diǎn)附近視波阻抗值表現(xiàn)不連續(xù),推測(cè)受F2斷裂影響大號(hào)測(cè)點(diǎn)北側(cè)大號(hào)點(diǎn)煤層埋深變深。向北至570—580號(hào)測(cè)點(diǎn)15#煤層埋深逐漸變深,推測(cè)在580以北受F3斷裂影響煤層埋深變深。

L2測(cè)線受斷裂帶影響出現(xiàn)局部不連續(xù)情況,推測(cè)煤層視波阻抗值的變化也受煤層厚度及破碎程度影響。對(duì)L2測(cè)線斷點(diǎn)的斷裂特征進(jìn)行解譯如下:

F1斷裂帶,推測(cè)位于15#煤150號(hào)測(cè)點(diǎn)下方,傾向北部大號(hào)測(cè)點(diǎn)。傾角推測(cè)75°左右,推測(cè)15#煤在該斷裂帶的斷距在0～15 m左右。

F2斷裂帶,推測(cè)位于15#煤270號(hào)測(cè)點(diǎn)下方,傾向北部大號(hào)測(cè)點(diǎn)。傾角推測(cè)80°左右,推測(cè)15#煤在該斷裂帶的斷距在0～20 m左右。

F3斷裂帶,推測(cè)位于15#煤580號(hào)測(cè)點(diǎn)下方,傾向北部大號(hào)測(cè)點(diǎn)。傾角推測(cè)80°左右,推測(cè)15#煤在該斷裂帶的斷距在0～20 m左右。

2 應(yīng)用效果

諧波地震勘探成果應(yīng)用于橫嶺區(qū)塊煤層氣的水平井鉆井指導(dǎo),圖7中 L2線煤層附近的地質(zhì)構(gòu)造和煤層地質(zhì)特征解釋圖為三開水平段施工提供了地質(zhì)和構(gòu)造依據(jù)。L1井10月14日00∶00三開,著陸點(diǎn)1 903 m,垂深1 688.20 m,著陸點(diǎn)井斜89°,方位39.2°,地面海拔-187.9 m。在三開鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)煤層垮塌、漏失、氣侵依然嚴(yán)重,伴隨出現(xiàn)高鉆壓,高摩阻、鉆時(shí)慢等情況。于10月26日鉆到井深2 327.67 m時(shí),垮塌、漏失、氣侵又加嚴(yán)重,泵壓升高(21 MPa～22 MPa)，摩阻高。無鉆時(shí),多次處理泥漿，井下情況處理安全。

圖7 L2線煤層附近的地質(zhì)構(gòu)造和煤層地質(zhì)特征解釋圖Fig.7 Interpretation map of geological structure and coal seam geological characteristics near line L2

10月29日井深鉆至2 354 m,井斜93.2°,垂深1 641.25 m,鉆至井深2 354 m,井下情況復(fù)雜,提前完鉆。本井設(shè)計(jì)水平段為695 m,實(shí)鉆水平段為541 m,鉆遇煤層530 m,其中非煤段分別為2 126 m～2 127 m,煤層鉆遇率為97.1%,地質(zhì)綜合導(dǎo)向圖如圖8。

圖8 L1井地質(zhì)綜合導(dǎo)向圖Fig.8 Comprehensive well geological orientation map of line L1

該水平井鉆進(jìn)過程中密切關(guān)注高低伽瑪及自然伽瑪值、全烴及鉆時(shí)的變化,充分利用諧波地震勘探資料。在井深2 116 m的F2斷層處出現(xiàn)突然出煤層的情況,根據(jù)諧波地震資料參考向上追煤進(jìn)入煤層,在2 354 m處鉆遇F3斷層,通過現(xiàn)場(chǎng)分析斷距在20 m左右,考慮斷層附近煤層坍塌嚴(yán)重提前完井。

根據(jù)諧波地震資料預(yù)判煤層走向和趨勢(shì),提前做好井眼軌跡的微調(diào),使軌跡盡可能地在煤層鉆進(jìn),提高煤層的鉆遇率。諧波地震資料可在煤層傾角存在不確定的情況下,給導(dǎo)向和井眼軌跡的控制提供精細(xì)的地質(zhì)參數(shù)。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)好煤層傾角的變化,成為搞好地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵性工作。

利用諧波地震技術(shù)施工的水平井鉆遇率為97.1%，比2019年沒有利用該技術(shù)的水平井的鉆遇75.4%(如表1)提高了21.7%,大大縮短了水平段的施工周期,減少了泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的污染,增加了壓裂的成功率,提高了單井煤層氣產(chǎn)量。

表1 2019年橫嶺區(qū)塊三開水平段鉆遇率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of three-way drilling success rate in horizontal section in Hengling block in 2019

3 結(jié)論

1)初步的分析研究,應(yīng)用諧波地振技術(shù),提高了薄煤層、小斷層和裂縫的辨別精度,逐步形成適合深部煤層氣水平井開發(fā)的地震開發(fā)技術(shù)。

2)諧波地振技術(shù)中應(yīng)用大能量信號(hào)源和多次疊加技術(shù)壓制大量的無用信號(hào)噪聲,提高有用信號(hào)的信噪比;在常規(guī)頻率諧振勘探中加入主動(dòng)源信號(hào),使得方法本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力,能夠采集到地下真實(shí)信息。

3)分析認(rèn)為非地質(zhì)噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機(jī)噪聲,通過多次空間疊加和時(shí)間分段疊加,噪音水平被大大降低,在疊加次數(shù)達(dá)到10次以上后不再構(gòu)成對(duì)地質(zhì)信號(hào)的嚴(yán)重影響。

4)2020年橫嶺區(qū)塊深部煤層氣水平井利用諧波地震技術(shù)施工的水平井鉆遇率97.1%比2019年沒有利用該技術(shù)的水平井平均鉆遇率75.4%提高了21.7%,大大縮短了水平段的施工周期,減少了泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的污染,增加了壓裂的成功率。