渝黔湘秀山區(qū)塊頁巖氣二維地震勘探研究*

郭東鑫，張躍磊，張彥起，李宏欣，王明理

1.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶400042;2.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶400042;3.重慶豫順新能源開發(fā)利用有限公司，重慶400042;4.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南 鄭州450016)

0 引 言

近幾年，頁巖氣成為中國非常規(guī)油氣資源的研究重點，究其原因，一是美國頁巖氣已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，有值得借鑒的技術(shù)與經(jīng)驗;二是中國天然氣產(chǎn)業(yè)步入快速發(fā)展階段，頁巖氣勘探已經(jīng)在四川盆地、鄂爾多斯盆地取得突破;三是中國頁巖氣資源量巨大，地質(zhì)資源量預(yù)計可達134.43×1012m3，可采資源量25.08 ×1012m3，勘探潛力巨大［1-6］。目前中國頁巖氣的研究多集中在南方海相頁巖氣聚集條件、有利區(qū)評價等基礎(chǔ)地質(zhì)理論，并取得了一定的地質(zhì)成果［3-5］。在頁巖氣勘探開發(fā)工程技術(shù)方面，主要借鑒美國頁巖氣水平井鉆完井、多段多級壓裂及裂縫綜合檢測等技術(shù)，探索合適中國南方盆緣山區(qū)海相頁巖地質(zhì)特點勘探開發(fā)技術(shù)。

地震勘探、測井等地球物理技術(shù)一直在常規(guī)油氣勘探中起著至關(guān)重要的作用［7-9］。頁巖氣作為一種油氣資源，雖然其成藏模式有別于常規(guī)油氣藏，但地球物理勘探仍能夠在頁巖氣勘探中發(fā)揮作用。地球物理技術(shù)在優(yōu)化頁巖氣鉆井、儲層壓裂部署、壓裂裂縫效果監(jiān)測等方面作為必要技術(shù)支撐。林建東等［10］指出以地震技術(shù)為主體的氣藏描述是頁巖氣儲層識別與評價的核心，具體地震勘探任務(wù)包括查明頁巖層的深度、厚度、分布范圍、產(chǎn)狀形態(tài)，尋找頁巖層內(nèi)有機質(zhì)豐度高、裂縫發(fā)育、滲透性好、脆性大的部位，即頁巖氣“甜點”。黃捍東等［11］基于高精度時頻分析，分析流體的時頻特性，計算出流體活動因子，進而與測井資料結(jié)合量化頁巖氣“甜點”區(qū)流體活動因子的范圍，從而預(yù)測頁巖氣“甜點”分布區(qū)，該方法在四川盆地的應(yīng)用，取得了良好的勘探效果。李志榮等［12］通過四川盆地南部頁巖氣地球物理勘探，提出了適合中國地質(zhì)特征的頁巖氣地球物理勘探評價方法:構(gòu)造精細解釋、頁巖埋深圖編繪、厚度預(yù)測。中國在應(yīng)用頁巖氣地球物理方法進行頁巖氣高產(chǎn)富集區(qū)識別預(yù)測和評價方面進行了一些探索，但尚未形成一套完整且有別于常規(guī)油氣勘探技術(shù)思路與方法［13-19］。

在野外地質(zhì)調(diào)查和區(qū)域地質(zhì)認識的基礎(chǔ)上，渝黔湘秀山頁巖氣區(qū)塊部署實施二維地震勘探剖面13 條，523.5 km，通過地震資料采集、處理、解釋、地震儲層反演與氣層檢測等技術(shù)一體化攻關(guān)，通過獲得高信噪比地震資料。文中在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合渝黔湘秀山頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)特征，針對地球物理方法在頁巖氣勘探開發(fā)中的可能應(yīng)用，形成了一套海相盆緣山區(qū)海相頁巖氣地球物理勘探技術(shù)。

1 渝黔湘秀山頁巖氣區(qū)塊概況

秀山頁巖全區(qū)塊位于四川盆地東部邊緣川湘坳陷南部，由雞公嶺背斜、平陽蓋向斜、鐘靈背斜、蠻子腰向斜，呈北東向相間排列展布。出露地層主要為寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系等，主要巖性以灰?guī)r、頁巖為主，發(fā)育2 套海相黑色頁巖，為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組［16］。區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，溝壑縱橫，地質(zhì)、地形條件較復(fù)雜(圖1)。

為了基本弄清該區(qū)深部構(gòu)造形態(tài)、水文地質(zhì)條件、目的層深部黑色頁巖的賦存狀態(tài)及埋深，評價頁巖儲層特征，含氣性、“甜點區(qū)”優(yōu)選以及為預(yù)探井地質(zhì)設(shè)計提供依據(jù)，部署實施二維地震勘探剖面13 條523.5 km.

圖1 秀山頁巖氣區(qū)地形地貌圖Fig.1 Topography of the Xiushan shale gas block

2 地震勘探難點

2.1 采集難點

1)地形條件復(fù)雜，溝壑縱橫，地形切割厲害，山體陡峭，植被發(fā)育，鉆孔施工難度大，野外資料采集施工條件較差。

2)地表的起伏，導致了側(cè)向干擾、次生干擾嚴重;工區(qū)低降速層速度、厚度橫向變化較大，導致地震資料的信噪比橫向變化較大;大面積裸露的巖石造成激發(fā)條件和接收條件較差，影響資料品質(zhì)。

3)地表出露地層灰?guī)r地層，溶洞發(fā)育，靜校正問題嚴重。

2.2 資料處理難點

1)由于地表起伏劇烈，影響成像的高頻靜校正問題比較嚴重。

2)地表出露寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系等多套地層，激發(fā)巖性變化大，子波一致性差，頻率特征、能量差異大。

3)資料信噪比均比較低，干擾波嚴重。

4)勘探主要目的層埋深500 ～4 000 m，地層傾角10° ～70°，傾角和埋深變化大，地震波場十分復(fù)雜，資料成像難度大。

2.3 解釋難點

1)速度譜質(zhì)量低，疊加成像難度大。

2)優(yōu)質(zhì)黑色頁巖厚度預(yù)測較困難。

3)國內(nèi)尚無成熟的適合于中國南方海相地質(zhì)特征的針對頁巖氣的地球物理解釋方法、評價流程。

3 技術(shù)思路和工作流程

3.1 采集參數(shù)優(yōu)選

在充分研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合主要目的層的地球物理特征，進行地震地質(zhì)模型模擬，優(yōu)選觀測系統(tǒng)，論證設(shè)計采集參數(shù)。施工時，加強對試驗、生產(chǎn)資料的定性與定量分析，設(shè)計與試驗相結(jié)合，控制野外生產(chǎn)質(zhì)量，確保各項施工參數(shù)始終處于最佳狀態(tài)。

3.1.1 觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)采用4 310 -10 -20 -10 -4 310 m，覆蓋次數(shù)54 次，接收道數(shù)432 道，道距20 m，炮點距80 m，最大炮檢距4 310 m.

3.1.2 激發(fā)因素

本區(qū)目的層埋藏較深，主要目標地質(zhì)體反射能量較弱，且采用的觀測系統(tǒng)排列較長，應(yīng)采用相對較大的藥量激發(fā)。激發(fā)藥量8 ～10 kg，激發(fā)井深12 ～15 m(確保在高速層下激發(fā))，激發(fā)耦合為悶井激發(fā)。

3.1.3 接收因素

采用20DX-10 Hz 雙串檢波器，1 串10 個檢波器矩形面組合，組內(nèi)合高差小于5 m.

3.1.4 儀器因素

地震儀器采用408XL 系列遙感地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣間隔為1 ms.

3.2 資料處理解釋一體化技術(shù)

采集、處理一體化結(jié)合，試驗分析高程、野外、折射、層析等不同基準面靜校正方法，選取最佳基準面靜校正方法，即基準面1 500 m，替換速度500 m/s;在此基礎(chǔ)上采用分頻地表一致性剩余靜校正、模擬退火、非地表一致性剩余靜校正解決該區(qū)的靜校正問題。

對不同的噪音類型，采用先強后弱、先相干、后隨機的原則，對面波、側(cè)面波、高頻噪音、異常振幅、隨機噪音逐一壓制，提高資料的信噪比(圖2)。

通過地表一致性振幅補償及地表一致性反褶積等，消除地表因素對數(shù)據(jù)的影響。做好速度分析與切除等基礎(chǔ)工作，保證最佳疊加成像(圖3)。

處理、解釋一體化結(jié)合，以疊加速度為基礎(chǔ)，通過拾取、平滑得到全區(qū)統(tǒng)一的偏移速度趨勢，在此偏移速度場基礎(chǔ)上，根據(jù)各測線情況通過偏移速度掃描進一步優(yōu)化得到各測線最終速度場，使偏移歸位合理，成像準確(圖4，5)。

圖2 次生干擾壓制前后對比圖Fig.2 Comparison of the secondary interference suppression before and after

圖3 精細切除前后疊加剖面段成像效果對比圖Fig.3 Superimposed cross-sectional segment imaging results comparison before and after fine removal

圖4 偏移剖面段成像效果展示圖Fig.4 Offset profile segment imaging results show

3.3 地震儲層反演與氣層檢測技術(shù)

在處理、解釋成果的基礎(chǔ)上，為了更加準確的識別目的層位及流體分布，提高井位部署的精確性，降低勘查風險，借鑒相對成熟的常規(guī)油氣勘探地震描述技術(shù)，開展地震儲層反演與流體識別研究。

基于廣義S 變換的地震資料特殊處理，采用地震相控非線性隨機反演方法進行5 m 以上復(fù)雜儲層精細預(yù)測。利用多屬性融合技術(shù)及多參數(shù)疊前反演技術(shù)等預(yù)測頁巖氣“甜點”分布區(qū)，確定裂縫發(fā)育區(qū)、低速頁巖層中夾高速層為氣層發(fā)育區(qū)域(圖6 ～8)。

圖5 剖面解釋成果圖Fig.5 Section interpretation results

圖6 二維地震剖面解釋成果圖Fig.6 2D seismic sections explainthe results of Figure

圖7 志留系反演與流體檢測剖面對比圖Fig.7 Inversion and fluid detection section comparison of the Silurian

圖8 寒武系反演與流體檢測剖面對比圖Fig.8 Inversion and fluid detection section comparison chart of the Cambrian

圖9 頁巖氣地球物理勘探技術(shù)評價流程圖Fig.9 Flowchart of shale gas geophysical exploration technology assessment

4 結(jié) 論

1)頁巖氣二維地震勘探評價流程。頁巖氣屬于“自生自儲”型的低豐度連續(xù)的油氣藏［16］，在勘探開發(fā)過程中，認真審視常規(guī)油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮巨大作用的地球物理勘探技術(shù)的定位，結(jié)合南方海相地質(zhì)特征，建立適合評價標準、工作流程和技術(shù)流程。以勘查區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，綜合錄井、測井等勘查手段，實現(xiàn)二維地震勘探資料采集、處理、解釋、儲層與流體識別等技術(shù)一體化攻關(guān)，形成了一套較為完整的、針對海相盆緣山區(qū)海相頁巖氣地球物理勘探技術(shù)流程。刻畫地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)與斷裂發(fā)育情況，精細標定優(yōu)質(zhì)頁巖構(gòu)造形態(tài)、埋深、厚度，優(yōu)選有利區(qū)，識別頁巖儲層與預(yù)測氣層“甜點”區(qū)分布，為井位部署提供基礎(chǔ)。

2)優(yōu)選有利的勘查目標區(qū)。在充分認識地面地質(zhì)條件的情況下，精細標定了2 套目的層頂面構(gòu)造形態(tài)和埋深，勘查區(qū)內(nèi)斷層以北東向和近南北向為主，東部的斷裂比西部更加發(fā)育。

按照埋深介于1 000 ～3 000 m 范圍、構(gòu)造相對簡單、地層傾角和絕對曲率較小、黑色頁巖厚度大于30 m 原則，對渝黔湘秀山頁巖氣區(qū)塊進行有利區(qū)優(yōu)選，即龍馬溪組勘探有利區(qū)帶位于南腰界向斜和蠻子腰向斜內(nèi)，牛蹄塘組勘探有利區(qū)帶位于雞公嶺背斜西部斜坡和蠻子腰向斜東部斜坡。應(yīng)用地震儲層反演與氣層檢測技術(shù)，預(yù)測2 套頁巖儲層與含氣性平面分布，尋找“甜點”，在有利目標區(qū)內(nèi)部署實施2 口參數(shù)井鉆探。

References

［1］ 潘仁芳，黃曉松.頁巖氣及國內(nèi)勘探前景展望［J］.中國石油勘探，2009(3):1 -5.PAN Ren-fang，HUANG Xiao-song.Shale gas and its exploration prospects in China［J］. China Petroleum Exploration，2009(3):1 -5.

［2］ 郭 莉.基于灰色模型的中國能源需求預(yù)測［J］. 西安科技大學學報，2011，31(4):398 -402.GUO Li.Chinese energy demand forecast based on gray model［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(4):398 -402.

［3］ 《頁巖氣地質(zhì)與勘探開發(fā)實踐叢書》編委會.中國頁巖氣地質(zhì)研究進展［M］. 北京:石油工業(yè)出版社，2011.Editorial Committee of Shale Gas Geology and E＆D Applications Series. Progression of geologic research of shale gas in China［M］. Beijing:Petroleum Industry Press，2011.

［4］ 《頁巖氣地質(zhì)與勘探開發(fā)實踐叢書》編委會.北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)新進展［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2009.Editorial Committee of Shale Gas Geology and E＆D Applications Series. New progression of shale gas E＆P in North America［M］. Beijing:Petroleum Industry Press，2009.

［5］ Hart B，Sayers C，Jackson A，et al. Introduction to this special section:Shale［J］.The Leading EDGE，2011，30(3):272 -340.

［6］ 李世臻，喬德武，馮志剛，等.世界頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及對中國的啟示［J］.地質(zhì)通報，2010，29(6):918-924.LI Shi-zhen，QIAO De-wu，F(xiàn)ENG Zhi-gang，et al. The status of worldwide shale gas exploration and its suggestion for China［J］. Geological Bulletin of China，2010，29(6):918 -924.

［7］ 徐 紅.測井高分辨率層序地層分析方［J］. 西安科技大學學報，2010，30(4):457 -462.XU Hong.High resolution sequence stratigraphic analysis from geophysical logging data［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(4):457-462.

［8］ 張英德，陳全紅.疊前彈性波阻抗反演技術(shù)在赤道幾內(nèi)亞X 區(qū)塊儲層預(yù)測中的應(yīng)用［J］.西安科技大學學報，2013，33(2):173 -178.ZHANG Ying-de，CHEN Quan-hong. Application of prestack elastic wave impedance inverson technique in reservoir prediction of X block in Equatorial Guinea［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(2):173 -178.

［9］ 李玉宏，姚志剛，張慧元，等.陜西銅川地區(qū)油頁巖含油率測井評價方法［J］.西安科技大學學報，2012，32(5):591 -598.LI Yu-hong，YAO Zhi-gang，ZHANG Hui-yuan，et al.Logging evaluation method for oil-bearing rate of oil shale in Tongchuan area of Shaanxi［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(5):591 -598.

［10］林建東，任森林，薛明喜，等.頁巖氣地震識別與預(yù)測技術(shù)［J］.中國煤炭地質(zhì)，2012，24(8):56 -60.LIN Jian-dong，REN Sen-lin，XUE Ming-xi，et al. Shale gas seismic identification and prediction techniques［J］.Coal Geology of China，2012，24(8):56 -60.

［11］黃捍東，紀永禎，張 騁，等.地震流體識別方法在四川盆地頁巖氣“甜點”預(yù)測中的應(yīng)用［J］. 古地理學報，2013，15(5):672 -678.HUANG Han-dong，JI Yong-zhen，ZHANG Cheng，et al.Application of seismic liquid identification method in prediction of shale gas“Sweet spots”in Sichuan Basin［J］.Method Journal Of Palaeogeography，2013，15(5):672 -678.

［12］李志榮，鄧小江，楊 曉，等.四川盆地南部頁巖氣地震勘探新進展［J］.天然氣工業(yè)，2011，31(4):40-43.LI Zhi-rong，DENG Xiao-jiang，YANG Xiao，et al. New progress in seismic exploration of shale gas reservoirs in the southern Sichuan Basin［J］. Natural Gas Industry，2011，31(4):40 -43.

［13］劉振武，撒利明，楊 曉，等.頁巖氣勘探開發(fā)對地球物理技術(shù)的需求［J］. 石油地球物理勘探，2011，46(5):810 -818.LIU Zhen-wu，SA Li-ming，YANG Xiao，et al. Needs of geophysical technologies for shale gas exploration［J］.OGP，2011，46(5):810 -818.

［14］李曙光，程冰潔，徐天吉.頁巖氣儲集層的地球物理特征及識別方法［J］. 新疆石油地質(zhì)，2011，32(4):351 -352.LI Shu-guang，CHENG Bing-jie，XU Tian-ji.Geophysical characteristics of shale gas reservoir and its identification method［J］. Xinjiang Petroleum Geology，2011，32(4):351 -352.

［15］羅 蓉，李 青.頁巖氣測井評價及地震預(yù)測、監(jiān)測技術(shù)探討［J］.天然氣工業(yè)，2011，31(4):34 -39.LUO Rong，LI Qing. Log evaluation，seismic prediction and monitoring techniques of shale gas reservoirs［J］.Natural Gas Industry，2011，31(4):34 -39.

［16］王世謙，陳更生，董大忠，等.四川盆地下古生界頁巖氣藏形成條件與勘探前景［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(5):51 -58.WANG Shi-qian，CHEN Geng-sheng，DONG Da-zhong.Accumulation conditions and exploitation prospect of shale gas in the lower paleozoic Sichuan basin［J］.Natural Gas Industry，2009，29(5):51 -58.

［17］謝治國，王巧麗，曾祥亮，等.重慶酉陽板溪頁巖二維地震勘探研究［J］. 長江大學學報:自然科學版，2012，8(9):21 -24.XIE Zhi-guo，WANG Qiao-li，ZENG Xiang-liang.Exploration of shale gas 2D seismic Banxi block Youyang Chongqing［J］. Journal of Yangtze University:Natural Science Edition，2012，8(9):21 -24.

［18］楊 雄，劉泰生，劉 斌.碳酸鹽巖地區(qū)地震勘探采集方法研究［J］.石油物探，2003，42(3):361 -364.YANG Xiong，LIU Tai-sheng，LIU Bin.Seismic data acquisition in carbonate area［J］.Geophysical Prospecting For Petroleum，2003，42(3):361 -364.

［19］趙淑紅，朱光明.用小波變換譜均衡法提高地震資料的分辨率［J］.西安科技大學學報，2007，27(2):255-259.ZHAO Shu-hong，ZHU Guang-ming. Using combined method of wavelet transform and spectrum equalization to improve seismic data resolution［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(2):255-259.