頁巖氣地震勘探資料采集范文

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摘要:

根據頁巖氣的特點及開發過程中需要解決的問題，就頁巖氣地震資料采集設計技術進行了探討。在地震資料采集設計中，首先基于勘探區的表層結構數據及地下地質結構等信息進行采集參數論證，從巖性、井深、藥量和激發頻率、最大炮檢距、面元尺寸、道間距、檢波器組合等方面進行論證，并討論了各項因素的相關關系;對覆蓋次數、寬方位、高分辨率等觀測系統參數進行了討論。結果顯示，頁巖巖性、厚度、組分、應力、裂縫密度和方位，以及總有機質含量等的變化導致地震資料復雜，要求頁巖氣地震采集資料有最高的分辨率。針對有開發價值的頁巖氣藏，可進行寬方位、高精度的地震資料采集。此外頁巖氣地震勘探開發應考慮節約成本，重點從道距、覆蓋次數和藥量等方面進行優化。

關鍵詞:

頁巖氣;地震勘探;采集設計;成藏機理

中國含油氣盆地中頁巖分布廣泛，頁巖氣富集地質條件優越，具有良好的勘探和開發前景［1－5］;但我國頁巖氣勘探開發起步較晚，目前還處在探索階段，頁巖氣地震勘探開發也處于起步階段。頁巖氣地震資料采集設計需要根據頁巖氣的成藏機理及成本統籌考慮，在實現地震資料“采集、處理、解釋一體化”前提下，做好精細表層結構調查，優化激發、接收及組合參數，選擇合理、有效的觀測系統，包括面元大小、道間距、覆蓋次數、最大炮檢距等。總之，在經濟允許的前提下，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中，一般采用寬方位、高密度三維地震勘探方法，尋找“甜點”區，改善開發效果。條件具備時可使用多分量勘探，以便對頁巖的脆性及裂縫分布有更深入的認識。在頁巖氣開發中水平井鉆井已成為常規手段，若無三維地震指導水平井鉆井，可能會導致水平井鉆出地層或直接在斷層處報廢。利用三維地震研究頁巖地質條件、裂縫、地應力、脆性等情況對指導水平井鉆井及壓裂投產，具有重要的現實意義。

1頁巖氣特點

頁巖是由細粒碎屑、黏土、有機質等組成，具頁狀或薄片狀層理，且易碎裂的一類沉積巖。其礦物成分復雜，具有較強的各向異性。頁巖氣是以吸附和游離狀態賦存于頁巖儲層的天然氣。頁巖氣具有以下特點:(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)，開發頁巖氣必須實施儲層壓裂改造。(2)脆性、有機質豐度和楊氏模量較高，泊松比較低。(3)具有較強的各向異性。頁巖具有層理、片理等結構，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構構造，以及結構構造的定向排列，使其強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雜成因。(5)頁巖中的天然氣賦存相態多樣。頁巖中的天然氣賦存相態包括游離態、吸附態及溶解態。(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理及“自生、自儲、自封閉”成藏模式，弱化了天然氣二次運移的影響。(7)頁巖氣分布的地質影響因素多樣。頁巖氣分布受構造背景與沉積條件、頁巖厚度與體積、有機質類型與豐度、熱演化歷史與有機質成熟度、孔隙度與滲透率、斷裂與裂縫及構造運動與現今埋藏深度等因素的影響。這些因素是決定頁巖氣開發價值的基礎。

2地震勘探作用

頁巖厚度、組分、應力和裂縫密度、方位及有機質含量等的變化常導致其地震響應復雜，要求地震勘探開發要有較高的分辨率和采樣率。頁巖氣地震勘探開發需要認識頁巖氣構造、成藏背景、生氣潛力等，從而再進行“甜點”分析，目的是評價頁巖氣目的層，為整體、高效開發頁巖氣獲取準確的資料。頁巖氣地震勘探開發主要通過地震反射波來識別頁巖分布，獲得斷裂展布規律，尋找連續、穩定的頁巖區塊，獲得頁巖基本參數。頁巖氣產量較高的地區一般具有“四高、兩適、一匹配”，即高有機碳含量(TOC)、高厚度、高孔隙度和高滲透率;適當的熱成熟度(Ro)、適當的埋深，以及裂縫、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)認識復雜構造、儲層非均質性和裂縫發育帶。(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深轉換獲得。(4)通過地震反演及多種地震信息融合技術預測優質頁巖厚度分布情況。(5)提供儲層物性參數。(6)查明頁巖層的構造、斷裂分布。利用高精度三維地震成像技術可查明頁巖的構造;通過相干分析技術、地震屬性分析、層間切片等可以預測頁巖裂縫情況，從而提高探井和開發井的成功率。(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識，從而評估頁巖氣的EUR(預測頁巖氣最終采收率)，對井位進行優化。(9)確定頁巖的巖石力學特征。

3地震資料采集方案設計

3.1地震采集參數頁巖地層上、下圍巖的地震傳播速度不同，其頂、底界面會產生較強的波阻抗界面，結合錄井、測井等資料識別頁巖，進行構造描述并不難，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行精確的劃分。結合頁巖氣勘探的地質任務，基于勘探區的表層結構數據及地下地質結構等信息進行采集參數論證分析，進而為野外地震勘探開發提供最佳的采集參數。通過對激發、接收參數的試驗攻關，優選技術性與經濟性兼備的采集參數。采集參數論證主要從地震激發參數、接收參數及組合參數等方面進行(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巖性通過表層調查，確定高速層厚度，確保在高速層以下的最佳巖性中激發，取得最佳資料。井深的差異本質上并不能影響地震資料的品質，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。理論上激發點在強波阻抗界面下1/4的低速帶波長處時，虛反射與有效波同相疊加能夠產生振幅與頻率較高的子波。由于低速帶波長難以精確確定，激發井深需要根據地質任務通過試驗來確定。

3.1.3藥量和激發頻率藥量的選擇以能提供足夠的下傳能量為標準，頁巖氣較常規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。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。小藥量激發使信號頻譜中主頻高，壓制聲波和面波干擾，使接收點處的質點產生小變形和小位移。遇到砂質土或腐質土，或隨機干擾增大時，藥量要加大。在頁巖氣地震勘探開發中，根據目的層深度及反射時間，針對不同深度，進行模擬分析，確定最有利的激發參數。

3.1.4最大炮檢距炮檢距是頁巖氣地震觀測系統設計中最重要的一個接收因素，其與動校拉伸、速度精度、反射系數、干擾波的壓制、視波長、多次波的消除都有關系。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系。地震資料處理時，要求反射同相軸的雙曲線有一定的長度，否則很難擬合出準確的速度，因此，一定的遠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分析與大偏移距數據有著密切的關系，大偏移距數據包括AVO異常。通過AVO分析可從長偏移距數據中提取可靠的密度信息，從而幫助區分氣層和含氣水層［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尺度、最高無混疊頻率和橫向分辨率3個因素，根據其中的最小值進行確定。

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波長內至少有兩個采樣點，在頁巖氣勘探中，由于后期開發井位布置對裂縫的預測精度要求較高，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行，由此不可避免地增加了勘探費用。

3.1.7檢波組合檢波組合的目的是根據統計效應來壓制面波，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油氣藏較淺，使得有效反射波往往淹沒在面波、直達波、多次波和環境噪聲等強干擾里。因此給定一個工區后，要進行數字檢波器抗干擾調查，根據調查結果優先組合串數、基距和圖形等，單點接收一般不做考慮。

3.2觀測系統設計

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

3.2.2覆蓋次數較高的覆蓋次數能提高資料的信噪比及成像質量，但也增加了經濟成本。覆蓋次數F確定應遵循信噪比SNR高，遞增速度較快的原則［12］，即:F=C(SNR)2，其中，C為常數。由圖2可以看出，覆蓋次數越大，則信噪比也越大。常數C可以根據統計或經驗方法獲得，根據圖中的斜率選取相應的覆蓋次數。

3.2.3寬方位頁巖具有強烈的各向異性，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。頁巖任何地震數據都受強各向異性影響，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。利用寬方位設計可以確定頁巖各向異性參數。

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行保幅和提高分辨率處理;保護地震資料中“隱藏的”小斷層及儲層弱信息，有效提高優質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。頁巖氣的成功開發離不開對頁巖關鍵因素的正確認識，包括對脆性和裂縫位置的認識。在進行頁巖氣藏刻畫中，應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，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系。

4結論及認識

(1)頁巖氣地震采集需根據其地質任務進行優化設計。若僅為頁巖氣勘探選區提供方向，則用二維地震資料采集即可;若要進行頁巖氣開發則需要三維地震資料采集對頁巖儲層進行全方位的精細刻畫。(2)利用三維地震資料采集研究頁巖裂縫、地應力、脆性等情況，與水平井有效結合可增加頁巖氣產量。(3)頁巖厚度、組分、地質力學、應力、裂縫密度和方位，以及有機質含量等的變化導致地震響應復雜，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價值，寬方位、高精度的地震則必不可少。(4)在保證獲得高品質地震資料采集方案的前提下，頁巖氣地震勘探開發采集參數應盡量節約成本，重點考慮道間距、覆蓋次數和藥量等方面的優化。

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