川西南頁巖氣勘探三維地震資料采集質(zhì)量提升措施

段文燊，吳朝容，涂遠艮

1.中國石化西南油氣分公司（四川 成都 610041）2.成都理工大學地球物理學院（四川 成都 610051）

0 引言

四川盆地海相頁巖氣領域的寒武系筇竹寺組[1]、奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組、二疊系梁山組[2]等層系，在近10年實現(xiàn)了頁巖氣勘探的重大發(fā)現(xiàn)，川南、川東地區(qū)五峰-龍馬溪組提交探明儲量已超過10 000×108m3。川西南頁巖氣勘探以寒武系筇竹寺組為主要目的層，2010年，威201井獲得初產(chǎn)2 000 m3/d的頁巖氣流；2015年，JY1HF井實現(xiàn)水平井壓裂突破，獲頁巖氣產(chǎn)量59 500 m3/d，揭示筇竹寺組“不窮”，具有較好的頁巖氣勘探潛力。前期，不同學者從不同角度對筇竹寺組的地層劃分、沉積環(huán)境、地球化學[3]、儲層特征[4]、含氣性、工程改造條件[5]及成藏特征與資源潛力[6]等進行了大量研究，但關于頁巖氣三維地震勘探采集技術(shù)的文獻較少[7-8]。常規(guī)天然氣勘探開發(fā)一般采用直井、定向井，而頁巖氣勘探開發(fā)主要采取水平井[9]，并進行體積壓裂，為提升小于20 m的筇竹寺組薄層優(yōu)質(zhì)頁巖層的鉆遇率[10]，對基于地震資料的構(gòu)造和儲層預測精度提出了更高的要求，亟需提高三維地震勘探的質(zhì)量。提升三維地震資料質(zhì)量必須從采集源頭抓起，該區(qū)的采集面臨地表巖性復雜、存在煤礦采空區(qū)、環(huán)境干擾大等不利因素和采集難點，因此，筆者近年組織研究團隊開展了川西南地區(qū)以筇竹寺組頁巖氣為主要目標的三維地震勘探的采集方案部署論證、采集觀測系統(tǒng)設計、采集方法技術(shù)的研究，組織了相關項目的實施，形成了資料采集質(zhì)量提升的系列措施，獲得了較好的成效，對頁巖氣勘探開發(fā)提供了重要支撐。

1 三維地震勘探資料采集觀測系統(tǒng)

1.1 基本地震地質(zhì)條件

JY探區(qū)位于四川盆地西南（簡稱“川西南”），地表主要為侏羅系地層，總體地震地質(zhì)條件良好（圖1a），地表以丘陵地形為主，相對高差不大，海拔在330~600 m，穿過的微地貌包括河谷、丘陵山脊、山谷等，不同局部地貌高程有差異（圖1b）。其中，工區(qū)西南部的岷江河谷、工區(qū)中南部的煤礦、局部的灰?guī)r出露區(qū)等，屬于不利于地震勘探的地表地質(zhì)條件。因此，在三維地震勘探的部署、設計、施工設計、點試驗、線束試驗等階段都需針對性地結(jié)合地震地質(zhì)條件進行比對分析，實現(xiàn)地質(zhì)與物探的有機結(jié)合。

圖1 工區(qū)地質(zhì)與地形圖

1.2 地震資料采集觀測系統(tǒng)設計

由于頁巖氣勘探開發(fā)主要采用水平井來實施，因而對三維地震資料構(gòu)造成圖的精度、裂縫發(fā)育帶預測、地應力反演等均提出了更高要求，也聚焦了地震資料采集設計的目的——獲得滿足構(gòu)造精細解釋、頁巖儲層參數(shù)反演、裂縫發(fā)育帶預測等需要的地震資料。

工區(qū)設計了細分面元復合模板觀測系統(tǒng)，該觀測系統(tǒng)綜合了觀測系統(tǒng)的有效性、經(jīng)濟性和可實施性，通過震源點和檢波點的優(yōu)化布置，獲得“微面元”或“子面元”，減少炮點數(shù)量，控制采集成本。在筇竹寺組頁巖主要目的層，可以獲得較高的覆蓋次數(shù)、均勻的炮檢距分布、合適的最大非縱距以及由淺至深的較高的縱橫比參數(shù)，可以實現(xiàn)較好的方位角均勻性，具有較好的過障礙物與抗干擾源能力，也有較好的經(jīng)濟適用性，能夠滿足頁巖氣勘探的需要。

實例工區(qū)的三維地震資料分兩期進行采集，I期地震資料采用24L4S224T2R84F、II期采用24L4S256T2R96F細分面元復合模板觀測系統(tǒng)（表1），II期觀測系統(tǒng)根據(jù)工區(qū)西部埋深加大的趨勢增加了最大炮檢距，提高了覆蓋次數(shù)。

表1 JY探區(qū)三維觀測系統(tǒng)參數(shù)

2 三維地震資料采集質(zhì)量提升措施

2.1 地震資料采集主要采集參數(shù)

野外地震資料采集采用SN428XL數(shù)字地震儀，采樣間隔1 ms，記錄時長6 s，記錄格式SEG-D，記錄極性為監(jiān)視記錄初至下跳，磁帶記錄初至振幅值為負。通過分析、試驗和研究，形成了該區(qū)采集用關鍵施工參數(shù)。

在激發(fā)方面，采用井炮炸藥激發(fā)，井深藥量按地表地質(zhì)條件不同分別確定。白堊系-侏羅系砂泥巖區(qū)采用井深≥18 m、藥量10~14 kg；疏松砂巖區(qū)井深≥20 m、藥量12~14 kg；河灘卵石區(qū)，單井井深≥16 m、雙井組合井井深2×10 m，藥量12~14 kg；泥灰?guī)r及疏松砂巖出露區(qū)，井深≥18 m，藥量10~12 kg；煤礦采空區(qū)，井深≥18 m、藥量2~8 kg。

在接收方面，采用20DX-10 Hz檢波器接收，組合方式為6×2（單串6個檢波器，2串）圓形面積組合為主（半徑2 m），組內(nèi)高差小于1 m，檢波器采用挖坑埋置，坑深≥20 cm，特殊地段采用“墊土、貼泥餅”等方法埋置。

2.2 地震勘探資料采集質(zhì)量提升針對性措施

針對該區(qū)地表地質(zhì)條件特點和影響采集質(zhì)量主要因素，圍繞主要頁巖氣目的層，為滿足提高信噪比和分辨率，降低環(huán)境噪音和障礙物影響，保證施工安全、保護高頻弱信號、保證均勻性等的采集技術(shù)要求，通過深入研究和多年實踐，從3個方面針對性制定了野外地震資料采集質(zhì)量提升的技術(shù)措施和質(zhì)量控制方法（表2）。

2.2.1 改善激發(fā)質(zhì)量的措施

通過對前期二維地震勘探資料的質(zhì)量分析，筆者認為，差異性的地表出露巖性是影響激發(fā)效果的主要因素。工區(qū)大部分區(qū)域為白堊系-侏羅系砂泥巖出露區(qū)，具有良好的激發(fā)條件，但是在工區(qū)南部的灰?guī)r和疏松砂巖出露區(qū)、岷江河灘卵石區(qū)，激發(fā)效果較差，對資料品質(zhì)產(chǎn)生較大影響。通過深化研究和多年實踐，形成了針對性改善激發(fā)質(zhì)量的措施。一是針對地表出露巖性差異影響資料分辨率和一致性等問題，加強對工區(qū)地質(zhì)條件的全盤掌握和炮井部署的系統(tǒng)謀劃，形成了4個要點（表2）；二是經(jīng)過模擬和試驗，形成了“打穿疏松砂巖、河灘卵石區(qū)多類型鉆機成單深井、灰?guī)r出露區(qū)針對性加炮”等針對性措施，解決了特殊復雜區(qū)域的激發(fā)效果問題（表2）。

2.2.2 減少地表障礙影響的措施

對于該區(qū)存在煤礦、河流、水庫、城鎮(zhèn)等大型障礙，容易形成炮點、檢波點分布不均勻和施工安全、地質(zhì)災害等問題，制定了針對性措施。一是確認煤礦、河流、水庫、城鎮(zhèn)等地表障礙物的分布范圍，細化觀測系統(tǒng)方案，合理變觀局部炮檢點設計、開展二次測量復核點位、嚴控丟點和加點、航拍照片復核等措施（表2），保證了炮點、檢點布設的合理性，為觀測系統(tǒng)屬性均勻性提供了基礎；二是針對現(xiàn)有煤礦區(qū)、采空區(qū)地震資料采集激發(fā)接收困難，資料品質(zhì)較差和安全施工問題，開展正演模擬分析，優(yōu)化施工設計，形成了“全面落實煤礦現(xiàn)狀、精確測量煤礦巷道、合理劃分風險區(qū)域、增加炮點增強激發(fā)、停工停產(chǎn)確保安全”等措施（表2），確保了過煤礦區(qū)炮點、檢點合理變觀，也獲得了較好的煤礦區(qū)采集資料。圖2為煤礦采空區(qū)正演模擬效果圖，（a）圖為在煤礦采空區(qū)正上方的模擬剖面，（b）圖為在煤礦采空區(qū)邊部的模擬剖面，揭示在采空區(qū)外側(cè)可以獲得更好的激發(fā)接收效果。

圖2 煤礦采空區(qū)正演模擬

2.2.3 改善接收質(zhì)量的措施

該區(qū)地震資料接收效果主要受檢波點埋置位置地表條件、環(huán)境因素和外界廠礦等干擾影響，針對該類問題形成了2方面針對性措施（表2）。一是加強對埋置環(huán)境的分析，包括埋置點巖性、含水性和植被發(fā)育等因素的分析，形成針對性措施；二是針對環(huán)境噪音影響接收效果問題，采取控制環(huán)境噪音措施提升接收效果。在工區(qū)實現(xiàn)全覆蓋的環(huán)境噪音調(diào)查，形成了“針對廠礦機械干擾、停機停產(chǎn)控制干擾；針對人文交通影響、盡量夜間激發(fā)接收，避免刮風下雨采集、保護高頻較弱信號”等針對性措施，確保采集資料品質(zhì)。

表2 JY探區(qū)三維地震勘探資料采集質(zhì)量提升針對性措施匯總

3 效果分析

通過針對性措施的實施，有效保證了單炮質(zhì)量，顯著提升了地震資料采集質(zhì)量，已完成的JY三維工區(qū)原始單炮記錄一級品率在90%以上，高于行業(yè)規(guī)范要求的一級品率大于80%以上的要求。疊前時間偏移成果剖面具有較高的信噪比、分辨率和較強的層次感，對頁巖氣勘探開發(fā)具有重要支撐作用。

3.1 單炮資料效果分析

通過對不同巖性激發(fā)的單炮資料的比對，表明砂泥巖區(qū)具有更高的信噪比和較寬的優(yōu)勢頻帶，筇竹寺組在砂泥巖出露區(qū)（圖3a），頻寬7~70 Hz、主頻28 Hz、優(yōu)勢頻帶7~43 Hz；疏松砂巖區(qū)（圖3b），頻寬7~66 Hz、主頻27 Hz、優(yōu)勢頻帶10~42 Hz；泥灰?guī)r區(qū)（圖3c），頻寬8~56 Hz、主頻26 Hz、優(yōu)勢頻帶15~40 Hz。通過對全區(qū)的系統(tǒng)分析，顯示白堊系、侏羅系上沙溪廟組砂泥巖中激發(fā)的單炮品質(zhì)最高，侏羅系下沙溪廟組砂泥巖區(qū)激發(fā)的單炮品質(zhì)次之，在第四系河灘卵石、侏羅系自流井組泥灰?guī)r出露區(qū)及煤礦采空區(qū)激發(fā)的單炮品質(zhì)相對較差，但資料總體上能滿足采集設計的要求和地質(zhì)需求，表明上述針對性措施的有效性。此外，在相同位置，新采集的三維地震資料單炮記錄（圖4b）與2009年采集的二維地震勘探單炮記錄（圖4a）質(zhì)量對比，干擾得到了有效控制，資料質(zhì)量變化明顯，三維資料的分辨率更高，保真度更好。尤其是在1.5 s的頁巖氣目的層段，優(yōu)勢頻帶由5~25 Hz拓寬到了5~45 Hz（圖4c）。

圖3 采集單炮對比圖

圖4 新舊采集單炮對比圖

3.2 監(jiān)控處理剖面效果

選擇區(qū)內(nèi)相近位置的監(jiān)控剖面進行對比（圖5），揭示主要目的層（右側(cè)標注1.75~2 s）筇竹寺組新剖面比老剖面信噪比更高、連續(xù)性好、斷點清楚，波組特征清晰，構(gòu)造特征更加清晰。頻譜分析筇竹寺組層段主頻30 Hz，頻寬為2~65 Hz。高質(zhì)量的三維地震勘探成果資料，可以滿足構(gòu)造精細解釋和頁巖氣儲層預測的需要，基于此資料實施的JY1HF水平井，頁巖氣氣層、含氣層鉆遇率達到100%，驗證了三維地震資料的可靠性。

圖5 疊前時間偏移成果剖面圖

4 結(jié)論

1）針對四川盆地西南三維地震勘探，通過優(yōu)化采集觀測系統(tǒng)設計，形成了具有較好的過障礙與抗干擾源能力，經(jīng)濟適用的細分面元復合模板觀測系統(tǒng)，滿足了頁巖氣勘探的需要。

2）針對煤礦、河流、灰?guī)r出露、大型城鎮(zhèn)等難題，形成了“優(yōu)化工區(qū)激發(fā)參數(shù)、量化炮井井深藥量、細化煤礦觀測系統(tǒng)、確保點位分布均勻、控制人文和自然環(huán)境噪音”等針對性的技術(shù)措施，保證了資料的采集質(zhì)量。

3）關于四川盆地疏松砂巖和卵石覆蓋區(qū)的激發(fā)接收問題，目前僅從現(xiàn)象和試驗效果進行了分析和制定對策，尚缺乏炸藥與不同類型巖性間耦合原理的深化研究和試驗。

致謝：對所使用的中國石化相關采集項目的資料深表謝意！