川西南頁巖氣勘探三維地震資料采集質量提升措施

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年實現了頁巖氣勘探的重大發現，川南、川東地區五峰-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2 000 m3/d的頁巖氣流；2015年，JY1HF井實現水平井壓裂突破，獲頁巖氣產量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的文獻較少[7-8]。常規天然氣勘探開發一般采用直井、定向井，而頁巖氣勘探開發主要采取水平井[9]，并進行體積壓裂，為提升小于20 m的筇竹寺組薄層優質頁巖層的鉆遇率[10]，對基于地震資料的構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量。提升三維地震資料質量必須從采集源頭抓起，該區的采集面臨地表巖性復雜、存在煤礦采空區、環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、采集觀測系統設計、采集方法技術的研究，組織了相關項目的實施，形成了資料采集質量提升的系列措施，獲得了較好的成效，對頁巖氣勘探開發提供了重要支撐。

1 三維地震勘探資料采集觀測系統

1.1 基本地震地質條件

JY探區位于四川盆地西南（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，工區西南部的岷江河谷、工區中南部的煤礦、局部的灰巖出露區等，屬于不利于地震勘探的地表地質條件。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合地震地質條件進行比對分析，實現地質與物探的有機結合。

圖1 工區地質與地形圖

1.2 地震資料采集觀測系統設計

由于頁巖氣勘探開發主要采用水平井來實施，因而對三維地震資料構造成圖的精度、裂縫發育帶預測、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——獲得滿足構造精細解釋、頁巖儲層參數反演、裂縫發育帶預測等需要的地震資料。

工區設計了細分面元復合模板觀測系統，該觀測系統綜合了觀測系統的有效性、經濟性和可實施性，通過震源點和檢波點的優化布置，獲得“微面元”或“子面元”，減少炮點數量，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、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，可以實現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，也有較好的經濟適用性，能夠滿足頁巖氣勘探的需要。

實例工區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（表1），II期觀測系統根據工區西部埋深加大的趨勢增加了最大炮檢距，提高了覆蓋次數。

表1 JY探區三維觀測系統參數

2 三維地震資料采集質量提升措施

2.1 地震資料采集主要采集參數

野外地震資料采集采用SN428XL數字地震儀，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，形成了該區采集用關鍵施工參數。

在激發方面，采用井炮炸藥激發，井深藥量按地表地質條件不同分別確定。白堊系-侏羅系砂泥巖區采用井深≥18 m、藥量10~14 kg；疏松砂巖區井深≥20 m、藥量12~14 kg；河灘卵石區，單井井深≥16 m、雙井組合井井深2×10 m，藥量12~14 kg；泥灰巖及疏松砂巖出露區，井深≥18 m，藥量10~12 kg；煤礦采空區，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量提升針對性措施

針對該區地表地質條件特點和影響采集質量主要因素，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量提升的技術措施和質量控制方法（表2）。

2.2.1 改善激發質量的措施

通過對前期二維地震勘探資料的質量分析，筆者認為，差異性的地表出露巖性是影響激發效果的主要因素。工區大部分區域為白堊系-侏羅系砂泥巖出露區，具有良好的激發條件，但是在工區南部的灰巖和疏松砂巖出露區、岷江河灘卵石區，激發效果較差，對資料品質產生較大影響。通過深化研究和多年實踐，形成了針對性改善激發質量的措施。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，加強對工區地質條件的全盤掌握和炮井部署的系統謀劃，形成了4個要點（表2）；二是經過模擬和試驗，形成了“打穿疏松砂巖、河灘卵石區多類型鉆機成單深井、灰巖出露區針對性加炮”等針對性措施，解決了特殊復雜區域的激發效果問題（表2）。

2.2.2 減少地表障礙影響的措施

對于該區存在煤礦、河流、水庫、城鎮等大型障礙，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、城鎮等地表障礙物的分布范圍，細化觀測系統方案，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，為觀測系統屬性均勻性提供了基礎；二是針對現有煤礦區、采空區地震資料采集激發接收困難，資料品質較差和安全施工問題，開展正演模擬分析，優化施工設計，形成了“全面落實煤礦現狀、精確測量煤礦巷道、合理劃分風險區域、增加炮點增強激發、停工停產確保安全”等措施（表2），確保了過煤礦區炮點、檢點合理變觀，也獲得了較好的煤礦區采集資料。圖2為煤礦采空區正演模擬效果圖，（a）圖為在煤礦采空區正上方的模擬剖面，（b）圖為在煤礦采空區邊部的模擬剖面，揭示在采空區外側可以獲得更好的激發接收效果。

圖2 煤礦采空區正演模擬

2.2.3 改善接收質量的措施

該區地震資料接收效果主要受檢波點埋置位置地表條件、環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）。一是加強對埋置環境的分析，包括埋置點巖性、含水性和植被發育等因素的分析，形成針對性措施；二是針對環境噪音影響接收效果問題，采取控制環境噪音措施提升接收效果。在工區實現全覆蓋的環境噪音調查，形成了“針對廠礦機械干擾、停機停產控制干擾；針對人文交通影響、盡量夜間激發接收，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。

表2 JY探區三維地震勘探資料采集質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，有效保證了單炮質量，顯著提升了地震資料采集質量，已完成的JY三維工區原始單炮記錄一級品率在90%以上，高于行業規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的單炮資料的比對，表明砂泥巖區具有更高的信噪比和較寬的優勢頻帶，筇竹寺組在砂泥巖出露區（圖3a），頻寬7~70 Hz、主頻28 Hz、優勢頻帶7~43 Hz；疏松砂巖區（圖3b），頻寬7~66 Hz、主頻27 Hz、優勢頻帶10~42 Hz；泥灰巖區（圖3c），頻寬8~56 Hz、主頻26 Hz、優勢頻帶15~40 Hz。通過對全區的系統分析，顯示白堊系、侏羅系上沙溪廟組砂泥巖中激發的單炮品質最高，侏羅系下沙溪廟組砂泥巖區激發的單炮品質次之，在第四系河灘卵石、侏羅系自流井組泥灰巖出露區及煤礦采空區激發的單炮品質相對較差，但資料總體上能滿足采集設計的要求和地質需求，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）質量對比，干擾得到了有效控制，資料質量變化明顯，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 監控處理剖面效果

選擇區內相近位置的監控剖面進行對比（圖5），揭示主要目的層（右側標注1.75~2 s）筇竹寺組新剖面比老剖面信噪比更高、連續性好、斷點清楚，波組特征清晰，構造特征更加清晰。頻譜分析筇竹寺組層段主頻30 Hz，頻寬為2~65 Hz。高質量的三維地震勘探成果資料，可以滿足構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 結論

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

2）針對煤礦、河流、灰巖出露、大型城鎮等難題，形成了“優化工區激發參數、量化炮井井深藥量、細化煤礦觀測系統、確保點位分布均勻、控制人文和自然環境噪音”等針對性的技術措施，保證了資料的采集質量。

3）關于四川盆地疏松砂巖和卵石覆蓋區的激發接收問題，目前僅從現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！