下揚子區頁巖氣地震勘探數據采集方法探析

趙智勇，武磊彬

（安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽 宿州 234000）

地震勘探是解決頁巖氣開采的有效手段，而高品質的地震勘探數據采集原始資料是這項技術的基礎。

某地區下揚子古生界地層發育三套優質泥頁巖：下寒武統黃柏嶺組(∈1h)、上奧陶統五峰組(O3w)—下志留統高家邊組(S1g)及二疊系孤峰組(P1g)+龍潭組(P2l)+大隆組(P2d)。通過對該區有機地球化學分析、儲層物性分析、含氣性分析等綜合評價推測出P50概率條件下本區二疊系孤峰組(P1g)+龍潭組(P2l)+大隆組(P2d)頁巖氣遠景資源量為8477.96×108m3，同時通過對其他地層分區中的各個盆地進行參數賦值評價，認為本區所在盆地是區內二疊系和志留系泥頁巖目的層頁巖氣勘探的最有力區帶之一，其中頁巖氣地質資源占某省頁巖氣總資源量的10%，由此可見在本區進行地震勘探是非常有必要的。

本文以本區為例，基于本區域地質特點，通過對野外采集技術難點分析，研究山地頁巖氣地震采集中的激發、接收、觀測系統和采集質量保證措施等各個環節采取相應的技術措施，同時也將對本區頁巖氣的賦存特征等資料做相應的資料搜集和研究。

1 本區地表條件研究

本區地勢為東南高西北低，南部為低山丘陵地貌，受華夏系構造控制，斷裂、褶曲發育，地勢高峻，群峰峙立，斷層崖分布較多。

本區地表出露地層較多，主要有第四系、白堊系、三疊系、志留系、寒武系等地層，其中，在工作區西南部地區可見奧陶系和寒武系地層，在工作區中南部地區有大量志留系地層出露，而在工作區東南部一帶揭露有二疊系大隆組和龍潭組地層目的層。從工作區的地表揭露和地層結構來看，地層相對穩定，二疊系目的層的煤系地層發育較好，區內具備較好的頁巖氣勘查工作條件。

本區內復雜的地表地震地質條件對數據采集的接收和激發造成了較大的影響。針對本區地表條件所發現的難點，將在本區測線上布設低速帶調查點60個，每條線上調查點間距為2km。

2 地震采集激發參數認證與實驗

本區南部大部分地段為基巖出露區，需采取特殊措施（沙泥袋或土坯等）埋置；茂密的植被影響了檢波器的鋪設，降低了檢波器與大地耦合效果，記錄有效信號能量弱，背景干擾較重；地表相對高差大增加了檢波器組合鋪設難度，不能有效地壓制干擾波。水系發育，對檢波器埋置、防水性能要求高，同時需配備壓電檢波器或防水檢波器等，盡可能避免無謂丟道；局部地段地層傾角較大，不利于反射波的接收。

因此為了提高子波的激發能量和信噪比，拓寬子波的絕對頻寬，是保證野外采集質量的重要環節。

2.1 激發層位

激發層位盡可能選擇在高速層（潛水面或致密巖層）以下激發。

激發深度要選在潛水面（或高速層）以下3～5m處，可以增強有效波的能量。

2.2 激發藥量

在一定范圍內，激發能量隨著藥量的增加而增加，但當藥量增加到一定程度后，振幅和能量不再增加，一般稱這個藥量為飽和藥量。藥量的大小影響著激發子波的振幅和頻率。小藥量激發雖然主頻較高，但隨著傳播距離的變大，深層的反射信號變弱，不能有效提高深層反射波的信噪比。大藥量可增強低頻的深層反射信號，同時對深層高頻的弱信號也有一定的作用，但僅靠增大藥量來提升高頻，其效果是有限的，而且低頻成分的幅值要比高頻的幅值增加得多，導致激發子波的主頻降低，分辨率下降。

在不同的巖性中，同一藥量的激發效果也不一樣，砂泥巖激發效果較好，灰巖激發效果較差。綜合分析本區目的層埋藏較深，主要目標地質體反射能量較弱，且采用的觀測系統排列較長，應采用相對適中的藥量激發。

2.3 激發參數實驗

根據工作區踏勘情況，分析地質圖、地形圖等以往地質資料，在代表性地段布置幾個試驗點，其中有1個考核試驗點。試驗點根據炮點激發巖性區別，分別對應河灘流砂質地層、泥質地層、砂泥質地層、基巖出露地層做井深試驗、藥量試驗和組合激發試驗。

本文采用田口方法對切削參數進行分析優化。田口方法(Taguchi method)是由日本田口玄一博士(Genichi Taguchi)根據統計學原理和方法創立的一種實驗方法。借助田口方法，工程人員可以通過最少的實驗次數，快速獲取最佳的參數組合，從而大幅減少實驗次數，降低實驗成本。田口方法的兩大工具為正交試驗和信噪比(S/N)。根據期望目標，信噪比分別具有不同的表達形式，如式(3)～式(5)所示：

3 地震采集接收參數認證與實驗

3.1 檢波器類型認證

由于測區地表為灰巖出露及第四系覆蓋，且大部分目的層埋藏較深，資料信噪比較低，適合使用多個模擬檢波器組合接收，既可以大大提高各深度范圍內反射波的信噪比，也可以壓制各種不規則、隨機干擾。考慮到區內水系發育，根據實際需要使用防水檢波器與壓電檢波器。

對于模擬檢波器來說，影響地震檢波器性能的主要參數有自然頻率、阻尼系數、靈敏度等，其中檢波器自然頻率是不同型號檢波器最大區別。

自然頻率是指在沒有外加振蕩擾動力的情況下，系統的振蕩或振動頻率。檢波器的幅頻響應表現為高通濾波器的特征。當自然頻率低時，接收低頻信號的能力強，高頻信號并不受影響。

3.2 組內高差認證

地形起伏因素造成的組內高差，直接影響到同一道內檢波器接收到的反射波的同相疊加效果，會損害有效波的高頻成分，同一道內的組合高差大小必須以保護所要求的頻率為原則，引起的時差應小于優勢頻率的1/4周期。即：

從上面公式可以看出，ΔH與V成正比，與fp成反比。保護有效波的頻率越高，允許組合高差就越小。另外，在保護地震波優勢頻率確定的情況下，表層速度越高，允許組內高差就越大。

3.3 組合方式認證

山地地震采集干擾波非常發育，表現在干擾波類型多、能量強，尤其是陡峭山體帶來的側面干擾及次生干擾更強，影響范圍大。野外采用組合的方法很難壓制，野外組合的目的主要體現在壓制環境噪聲方面，因此組合圖形以小組合為主。

3.4 采集參數選擇

本區地震波主頻一般在20～40Hz之間，頻寬在8～80Hz之間。因此為保留低頻信號成分，拓寬資料頻帶，本次施工選用自然頻率為10Hz的檢波器。

根據本區的實際情況，為保證同一道內檢波器接收到的反射波的同相疊加效果，根據上述公式，在該區保護有效波的最高頻率為80Hz，低降速層速度按V=800m/s計算，則允許組內高差為：

考慮本區表層速度變化較大，擬定本區檢波器組合高差限制在1m以內，以保證同道的疊加效果。

根據以往的施工經驗及鄰區施工參數，本次施工采用12個檢波器面積組合，組內距1m，組合基距Lx=3m，Ly=2m；檢波器組合中心對準測量樁號，組內高差不大于1m。部分區域無法按照正常組合埋置檢波器，采用等比例縮小的方式埋置（見圖1）。

4 地震采集觀測系統認證與試驗

采集參數設計準確與否直接關系到勘探工作的成敗。地表結構、地貌特征、勘探目的層深度、已知地質資料、地質任務是論證觀測系統及采集參數的關鍵。由于本區構造復雜，在已知地震及地質資料的基礎上建立相應的地質模型，利用設計軟件進行射線追蹤及波場模擬等方法論證。

4.1 道距

為保證各面元疊加的反射信息滿足本次采集的技術要求，CMP點距大小應滿足以下2個方面：

圖1 檢波器組合方式示意圖

（1）滿足偏移成像時不產生偏移噪音，即滿足最高無混疊頻率法則，依據公式：

（2）依據保證良好橫向分辨率面元邊長的經驗公式：

通過計算得出道距優化選擇參數，為保證目的層能夠獲得高品質資料，建議道距選擇20m。

4.2 最大炮檢距

山區地層傾角較大，煤層埋藏深淺不一，且還存在逆掩推覆構造，導致射線路徑比較復雜。因此，在兼顧淺層有效波的同時，應保證選取足夠大的炮檢距接收深層的地震信號。

最大炮檢距為：

式中：Xmax——縱向最大炮檢距，m；

Ymax——橫向最大炮檢距，m。

4.3 覆蓋次數

覆蓋次數的選擇應能充分壓制干擾（次生干擾、隨機噪音和環境噪音等）、增加目的層的反射能量，從而提高資料的信噪比，拓寬優勢頻率。

4.4 觀測系統參數試驗

為驗證觀測系統參數選擇和設計施工方案的合理性，確保按采集參數生產所獲剖面能滿足地質任務要求，避免盲目生產，本區進行段試驗。

在某一條地震測線上采用點試驗確定的激發、接收參數和設計施工方案進行段試驗，段試驗滿覆蓋長度不小于4km。段試驗觀測系統：5990-10-20-10-5990；道距20m，最小偏移距10m，炮間距40m，接收道數600道，滿覆蓋次數150次。

及時對段試驗資料進行處理，分別做150次、120次、100次、80次、60次覆蓋疊加效果對比，通過不同覆蓋次數的資料對比，確定適合本區的觀測系統、驗證點試驗所確定的激發接收參數。所獲時間剖面能夠保證采集數據的質量時，即可得到正確的野外數據采集參數。

5 結論

通過對頁巖氣區域進行地震勘探，可獲得較為可靠的地質資料，為下一步頁巖氣的開發利用提供有效的依據。