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摘要:

根據(jù)頁巖氣的特點(diǎn)及開發(fā)過程中需要解決的問題，就頁巖氣地震資料采集設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探討。在地震資料采集設(shè)計(jì)中，首先基于勘探區(qū)的表層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行采集參數(shù)論證，從巖性、井深、藥量和激發(fā)頻率、最大炮檢距、面元尺寸、道間距、檢波器組合等方面進(jìn)行論證，并討論了各項(xiàng)因素的相關(guān)關(guān)系;對覆蓋次數(shù)、寬方位、高分辨率等觀測系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了討論。結(jié)果顯示，頁巖巖性、厚度、組分、應(yīng)力、裂縫密度和方位，以及總有機(jī)質(zhì)含量等的變化導(dǎo)致地震資料復(fù)雜，要求頁巖氣地震采集資料有最高的分辨率。針對有開發(fā)價(jià)值的頁巖氣藏，可進(jìn)行寬方位、高精度的地震資料采集。此外頁巖氣地震勘探開發(fā)應(yīng)考慮節(jié)約成本，重點(diǎn)從道距、覆蓋次數(shù)和藥量等方面進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞:

頁巖氣;地震勘探;采集設(shè)計(jì);成藏機(jī)理

中國含油氣盆地中頁巖分布廣泛，頁巖氣富集地質(zhì)條件優(yōu)越，具有良好的勘探和開發(fā)前景［1－5］;但我國頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，目前還處在探索階段，頁巖氣地震勘探開發(fā)也處于起步階段。頁巖氣地震資料采集設(shè)計(jì)需要根據(jù)頁巖氣的成藏機(jī)理及成本統(tǒng)籌考慮，在實(shí)現(xiàn)地震資料“采集、處理、解釋一體化”前提下，做好精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，優(yōu)化激發(fā)、接收及組合參數(shù)，選擇合理、有效的觀測系統(tǒng)，包括面元大小、道間距、覆蓋次數(shù)、最大炮檢距等。總之，在經(jīng)濟(jì)允許的前提下，保證最大限度地提高地震資料的分辨能力。在頁巖氣地震勘探開發(fā)中，一般采用寬方位、高密度三維地震勘探方法，尋找“甜點(diǎn)”區(qū)，改善開發(fā)效果。條件具備時(shí)可使用多分量勘探，以便對頁巖的脆性及裂縫分布有更深入的認(rèn)識。在頁巖氣開發(fā)中水平井鉆井已成為常規(guī)手段，若無三維地震指導(dǎo)水平井鉆井，可能會導(dǎo)致水平井鉆出地層或直接在斷層處報(bào)廢。利用三維地震研究頁巖地質(zhì)條件、裂縫、地應(yīng)力、脆性等情況對指導(dǎo)水平井鉆井及壓裂投產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1頁巖氣特點(diǎn)

頁巖是由細(xì)粒碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等組成，具頁狀或薄片狀層理，且易碎裂的一類沉積巖。其礦物成分復(fù)雜，具有較強(qiáng)的各向異性。頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)賦存于頁巖儲層的天然氣。頁巖氣具有以下特點(diǎn):(1)低孔、低滲。一般頁巖均為低孔、低滲(孔隙度為4%～6%，滲透率小于0.001mD)，開發(fā)頁巖氣必須實(shí)施儲層壓裂改造。(2)脆性、有機(jī)質(zhì)豐度和楊氏模量較高，泊松比較低。(3)具有較強(qiáng)的各向異性。頁巖具有層理、片理等結(jié)構(gòu)，組成礦物顆粒大小不同、組合方式各異，造成頁巖中具有不同層次的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的定向排列，使其強(qiáng)度和彈性具有明顯的各向異性。(4)頁巖氣成因具有多樣性。頁巖氣成因包含了幾乎所有可能的有機(jī)生氣作用，包括生物氣、未熟—低熟氣、成熟氣、高—過成熟氣、二次生氣、生物再作用氣及瀝青生氣等復(fù)雜成因。(5)頁巖中的天然氣賦存相態(tài)多樣。頁巖中的天然氣賦存相態(tài)包括游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)。(6)成藏模式為“生、儲、蓋”一體。頁巖既是烴源巖又是儲層，具有典型的過渡性成藏機(jī)理及“自生、自儲、自封閉”成藏模式，弱化了天然氣二次運(yùn)移的影響。(7)頁巖氣分布的地質(zhì)影響因素多樣。頁巖氣分布受構(gòu)造背景與沉積條件、頁巖厚度與體積、有機(jī)質(zhì)類型與豐度、熱演化歷史與有機(jī)質(zhì)成熟度、孔隙度與滲透率、斷裂與裂縫及構(gòu)造運(yùn)動與現(xiàn)今埋藏深度等因素的影響。這些因素是決定頁巖氣開發(fā)價(jià)值的基礎(chǔ)。

2地震勘探作用

頁巖厚度、組分、應(yīng)力和裂縫密度、方位及有機(jī)質(zhì)含量等的變化常導(dǎo)致其地震響應(yīng)復(fù)雜，要求地震勘探開發(fā)要有較高的分辨率和采樣率。頁巖氣地震勘探開發(fā)需要認(rèn)識頁巖氣構(gòu)造、成藏背景、生氣潛力等，從而再進(jìn)行“甜點(diǎn)”分析，目的是評價(jià)頁巖氣目的層，為整體、高效開發(fā)頁巖氣獲取準(zhǔn)確的資料。頁巖氣地震勘探開發(fā)主要通過地震反射波來識別頁巖分布，獲得斷裂展布規(guī)律，尋找連續(xù)、穩(wěn)定的頁巖區(qū)塊，獲得頁巖基本參數(shù)。頁巖氣產(chǎn)量較高的地區(qū)一般具有“四高、兩適、一匹配”，即高有機(jī)碳含量(TOC)、高厚度、高孔隙度和高滲透率;適當(dāng)?shù)臒岢墒於?Ro)、適當(dāng)?shù)穆裆睿约傲芽p、濕度、溫度、壓力等要素良好的匹配［6－10］。頁巖氣地震勘探有如下具體作用:(1)認(rèn)識復(fù)雜構(gòu)造、儲層非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育帶。(2)精確劃分巖性圈閉保存條件。(3)確定頁巖埋深，頁巖埋深可以通過時(shí)深轉(zhuǎn)換獲得。(4)通過地震反演及多種地震信息融合技術(shù)預(yù)測優(yōu)質(zhì)頁巖厚度分布情況。(5)提供儲層物性參數(shù)。(6)查明頁巖層的構(gòu)造、斷裂分布。利用高精度三維地震成像技術(shù)可查明頁巖的構(gòu)造;通過相干分析技術(shù)、地震屬性分析、層間切片等可以預(yù)測頁巖裂縫情況，從而提高探井和開發(fā)井的成功率。(7)提高裂縫方位和密度的識別效果。(8)脆性分布:通過三維地震或多分量三維地震可以加深對頁巖脆性分布的認(rèn)識，從而評估頁巖氣的EUR(預(yù)測頁巖氣最終采收率)，對井位進(jìn)行優(yōu)化。(9)確定頁巖的巖石力學(xué)特征。

3地震資料采集方案設(shè)計(jì)

3.1地震采集參數(shù)頁巖地層上、下圍巖的地震傳播速度不同，其頂、底界面會產(chǎn)生較強(qiáng)的波阻抗界面，結(jié)合錄井、測井等資料識別頁巖，進(jìn)行構(gòu)造描述并不難，但要求地震記錄的主頻必須足夠高，才能對頁巖儲層的巖性圈閉及保存條件進(jìn)行精確的劃分。結(jié)合頁巖氣勘探的地質(zhì)任務(wù)，基于勘探區(qū)的表層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行采集參數(shù)論證分析，進(jìn)而為野外地震勘探開發(fā)提供最佳的采集參數(shù)。通過對激發(fā)、接收參數(shù)的試驗(yàn)攻關(guān)，優(yōu)選技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性兼?zhèn)涞牟杉瘏?shù)。采集參數(shù)論證主要從地震激發(fā)參數(shù)、接收參數(shù)及組合參數(shù)等方面進(jìn)行(圖1)，全面分析這些要素對頁巖地震資料的影響程度。

3.1.1巖性通過表層調(diào)查，確定高速層厚度，確保在高速層以下的最佳巖性中激發(fā)，取得最佳資料。井深的差異本質(zhì)上并不能影響地震資料的品質(zhì)，但巖性的變化會給資料帶來較大的差異［9］。

3.1.2井深井深的變化對主頻的影響非常明顯。理論上激發(fā)點(diǎn)在強(qiáng)波阻抗界面下1/4的低速帶波長處時(shí)，虛反射與有效波同相疊加能夠產(chǎn)生振幅與頻率較高的子波。由于低速帶波長難以精確確定，激發(fā)井深需要根據(jù)地質(zhì)任務(wù)通過試驗(yàn)來確定。

3.1.3藥量和激發(fā)頻率藥量的選擇以能提供足夠的下傳能量為標(biāo)準(zhǔn)，頁巖氣較常規(guī)油氣勘探通常目的層較淺，所以一般采用小藥量、高主頻激發(fā)。一方面減少因能量太高造成的次生干擾，另一方面也減輕了頁巖氣勘探成本壓力。小藥量激發(fā)使信號頻譜中主頻高，壓制聲波和面波干擾，使接收點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生小變形和小位移。遇到砂質(zhì)土或腐質(zhì)土，或隨機(jī)干擾增大時(shí)，藥量要加大。在頁巖氣地震勘探開發(fā)中，根據(jù)目的層深度及反射時(shí)間，針對不同深度，進(jìn)行模擬分析，確定最有利的激發(fā)參數(shù)。

3.1.4最大炮檢距炮檢距是頁巖氣地震觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)接收因素，其與動校拉伸、速度精度、反射系數(shù)、干擾波的壓制、視波長、多次波的消除都有關(guān)系。這些因素中，動校拉伸和速度精度決定了最大偏移距的基本范圍。另外，也要考慮最大炮檢距同速度精度的關(guān)系。地震資料處理時(shí)，要求反射同相軸的雙曲線有一定的長度，否則很難擬合出準(zhǔn)確的速度，因此，一定的遠(yuǎn)偏移距是保證速度拾取精度的基本條件。對于頁巖氣而言，AVO(振幅隨偏移距的變化)分析具有非常重要的作用，而AVO分析與大偏移距數(shù)據(jù)有著密切的關(guān)系，大偏移距數(shù)據(jù)包括AVO異常。通過AVO分析可從長偏移距數(shù)據(jù)中提取可靠的密度信息，從而幫助區(qū)分氣層和含氣水層［11］。因此最大炮檢距要采用長偏移距。

3.1.5面元尺寸面元尺寸的確定要考慮目標(biāo)尺度、最高無混疊頻率和橫向分辨率3個(gè)因素，根據(jù)其中的最小值進(jìn)行確定。

3.1.6道間距道間距dr要滿足空間采樣定律，即道間距必須在一個(gè)波長內(nèi)至少有兩個(gè)采樣點(diǎn)，在頁巖氣勘探中，由于后期開發(fā)井位布置對裂縫的預(yù)測精度要求較高，因此對陣記錄的橫向分辨率要求高，要求頁巖氣地震勘探采用小道距進(jìn)行，由此不可避免地增加了勘探費(fèi)用。

3.1.7檢波組合檢波組合的目的是根據(jù)統(tǒng)計(jì)效應(yīng)來壓制面波，利用面波與有效波在傳播方向上的差異來提高資料的信噪比。頁巖氣目的層的埋深較常規(guī)油氣藏較淺，使得有效反射波往往淹沒在面波、直達(dá)波、多次波和環(huán)境噪聲等強(qiáng)干擾里。因此給定一個(gè)工區(qū)后，要進(jìn)行數(shù)字檢波器抗干擾調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果優(yōu)先組合串?dāng)?shù)、基距和圖形等，單點(diǎn)接收一般不做考慮。

3.2觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1動態(tài)觀測系統(tǒng)頁巖氣勘探目的層埋深一般較淺，在陡傾角構(gòu)造帶，采用加大排列長度的觀測系統(tǒng)，對于平緩地帶，降低排列長度同樣可以獲得較好的資料。觀測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)要根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、地質(zhì)條件、表層條件、設(shè)備情況、生產(chǎn)效益及成本綜合分析。設(shè)計(jì)的原則是便于野外施工和采集精度控制，有適當(dāng)?shù)淖畲笈跈z距和非縱距，盡量保持均勻的炮檢距、方位角和覆蓋次數(shù)［10］。在條件允許的情況下，可以使用動態(tài)觀測系統(tǒng)，即在地層相對平緩地帶和高陡構(gòu)造帶采用不同的接收道。反射波法測線最好設(shè)計(jì)為直線，主測線應(yīng)與巖層或構(gòu)造走向相垂直，盡可能與鉆探線或其他物探測線一致。

3.2.2覆蓋次數(shù)較高的覆蓋次數(shù)能提高資料的信噪比及成像質(zhì)量，但也增加了經(jīng)濟(jì)成本。覆蓋次數(shù)F確定應(yīng)遵循信噪比SNR高，遞增速度較快的原則［12］，即:F=C(SNR)2，其中，C為常數(shù)。由圖2可以看出，覆蓋次數(shù)越大，則信噪比也越大。常數(shù)C可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)方法獲得，根據(jù)圖中的斜率選取相應(yīng)的覆蓋次數(shù)。

3.2.3寬方位頁巖具有強(qiáng)烈的各向異性，原因是片理及物性在橫向(HTI)、垂向(VTI)或任意方向上(TTI)存在差異。頁巖任何地震數(shù)據(jù)都受強(qiáng)各向異性影響，因此頁巖地震資料的采集、處理和解釋必須將各向異性納入其中。利用寬方位設(shè)計(jì)可以確定頁巖各向異性參數(shù)。

3.2.4分辨率頁巖氣藏埋藏淺、波阻抗低、反射弱，要求對地震勘探資料進(jìn)行保幅和提高分辨率處理;保護(hù)地震資料中“隱藏的”小斷層及儲層弱信息，有效提高優(yōu)質(zhì)頁巖和可能的薄砂體的識別能力和精度。在頁巖氣勘探開發(fā)中，不僅在垂向上對頁巖厚度分辨能力有較高的要求;在水平方向上，水平井也對頁巖展布的分辨能力提出了高要求。頁巖氣的成功開發(fā)離不開對頁巖關(guān)鍵因素的正確認(rèn)識，包括對脆性和裂縫位置的認(rèn)識。在進(jìn)行頁巖氣藏刻畫中，應(yīng)用三維高分辨率地震或三維多分量地震得到泊松比σ、楊氏模量E或縱橫波速比vP/vS。泊松比指示巖石的拉伸，高泊松比代表巖石韌性強(qiáng)，低泊松比代表巖石脆性好［17］。縱橫波速比與泊松比有直接的關(guān)系。

4結(jié)論及認(rèn)識

(1)頁巖氣地震采集需根據(jù)其地質(zhì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。若僅為頁巖氣勘探選區(qū)提供方向，則用二維地震資料采集即可;若要進(jìn)行頁巖氣開發(fā)則需要三維地震資料采集對頁巖儲層進(jìn)行全方位的精細(xì)刻畫。(2)利用三維地震資料采集研究頁巖裂縫、地應(yīng)力、脆性等情況，與水平井有效結(jié)合可增加頁巖氣產(chǎn)量。(3)頁巖厚度、組分、地質(zhì)力學(xué)、應(yīng)力、裂縫密度和方位，以及有機(jī)質(zhì)含量等的變化導(dǎo)致地震響應(yīng)復(fù)雜，要求地震資料采集有最高的分辨率和采樣率。一旦確定某頁巖氣藏有開發(fā)價(jià)值，寬方位、高精度的地震則必不可少。(4)在保證獲得高品質(zhì)地震資料采集方案的前提下，頁巖氣地震勘探開發(fā)采集參數(shù)應(yīng)盡量節(jié)約成本，重點(diǎn)考慮道間距、覆蓋次數(shù)和藥量等方面的優(yōu)化。

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作者：石雙虎 魏鐵 張翊孟 汪長輝 郭振興 單位：中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司