準噶爾盆地深層油氣勘探地震采集關鍵技術及效果

張 鑫,夏建軍,姚茂敏,閻建國,任立龍

(1.新疆油田公司,克拉瑪依 834000;2.東方地球物理公司,烏魯木齊 830016;3.成都理工大學,成都 610059)

0 引言

準噶爾盆地是一個富烴凹陷沉積盆地,含有豐富的油氣資源。目前的油氣勘探探明主要是4 500 m以淺的油氣目標,4 500 m以深的深層油氣藏是該地區油氣發現的戰略接替區,近年來勘探需求日益凸顯。根據目前的勘探成果認識,準噶爾盆地地層可分為上、中、下三套組合。上組合為侏羅系和白堊系,侏羅系是一套富砂層位,白堊系是一套泥巖層位。中組合就是三疊系,其頂部是一套泥巖,三疊系克拉瑪依組、百口泉組是一套砂礫巖。二疊系是下組合,分為一段、二段和三段。整個二疊系是準噶爾盆地最好的烴源巖層位,本身也發育規模巨厚的儲層。石炭系為盆地基底。近年的深層油氣勘探方向是向盆地凹陷區、下組合和烴源巖靠近區域走;通過前期實施的以深層-超深層領域深大構造、巖性等為目標的風險勘探,在深層致密碎屑巖、火山巖、混積巖等巖性領域取得豐碩的勘探成果[1-2]。

上述勘探成果的取得與近年來實施的寬頻帶、寬方位、高密度,簡稱“兩寬一高”的地震采集以及與之配套的處理和解釋技術直接相關[3]。相比于中、淺層的油氣勘探目標,深層油氣目標的地震勘探技術更需要解決由于有效信號能量弱、干擾強、成像差和不成像,資料品質不能滿足解決相關地質問題需求的問題[4]。這些問題引起人們的廣泛關注,國內外都進行了許多研究和探索,也是當前業界的研究熱點之一。楊平等(2016)[4]以塔里木盆地深層勘探為例,全面總結了當前國內外針對深層目標的陸上地震采集技術,提出了“針對目標、面向處理、拓展低頻”的技術思路;曲壽利(2021)[5]通過總結“面向深層復雜地質體的地震一體化技術”,提出了地震采集要實行“小寬高”(小道距、小面元、寬頻、寬方位、高覆蓋、高炮道密度)的高密度地震采集。Regone等(2015)[6]指出以低頻震源為基礎的地震采集是解決深層目標地震資料品質問題的基本手段;Adel El-Emam等(2016)[7]提出了針對深層目標應采用的長炮檢距的設計問題。Jiang F H (2018)[8]應用可控震源多掃描帶增強向下傳輸能量和補充地球吸收和球面反射的能量損失傳播,應用低頻、大動態范圍和接收微弱低頻信號的高靈敏度低頻檢波器和高頻檢波器同時進行采集,來對深層進行采集觀測。Zeng H H(2019)[9]在中國松遼盆地深層開展了寬頻帶、寬方位角和高密度(BWH)3D地震勘探技術,BWH數據提高了地震數據的信噪比和分辨率,深層接觸關系和斷層特征更加清晰。

綜上可以看到,針對深層勘探目標,國內外都普遍采用了“低頻、高密度”的地震采集技術。準噶爾盆地也是國內較早應用“兩寬一高”地震采集技術的地區之一。對于本次面向深層的地震勘探,特別針對深層目標地震信號“能量低、干擾強、成像差和不成像”等難題,在常規的“兩寬一高”地震采集技術體系下,強化了激發密度、接收密度、覆蓋密度和排列長度等觀測參數,提高了采集資料深層反射能量、強化了資料處理中壓制近地表規則干擾和煤層的層間多次干擾的能力,提高了深層資料信噪比和成像效果。

由于深層勘探目標是一個盆地級(跨全盆地)的領域,在實施深部油氣勘探中,面臨著搞清盆地中深部構造格局、東西部石炭-二疊系層序關系、烴源巖展布不清等核心地質問題的巨大挑戰,因此急需高精度的地震資料給予支撐。為此,從2019年開始,按照“寬頻、寬方位、高密度”的“兩寬一高”技術體系,梳理以往的二、三維地震資料,通過重新采集和重新處理,采用“新老、二三、高精度”結合原則,重新構建和部署了準噶爾盆地二維地震格架線網(圖1)。在地震資料采集中,①瞄準中、深層地震信號吸收衰減嚴重、信噪比低、干擾類型多源、多樣;②激發、接收和覆蓋密度低等采集方面的核心問題進行技術攻關,通過采取一系列針對性的采集關鍵技術,主要包括“高激發密度、高接收密度、高覆蓋密度、長排列”的“三高一長”采集技術,使地震資料品質有了明顯提高,取得了顯著的地質效果。主要表現在:①統一了上二疊統—下三疊統地層格架;②重新劃分了盆地“四期三級” 構造單元;③形成了盆地深層的四大地質特征的深化認識。對深層地質結構的刻畫實現了由“看不見”到“看得見”、“看得見”到“看得清”的變化。

圖1 準噶爾盆地二維格架測網分布示意圖Fig.1 Schematic map of the distribution of two-dimensional grid survey network in Junggar Basin

筆者綜合分析準噶爾盆地格架二維地震采集方法,梳理了獲得高品質地震資料的采集關鍵技術的特點和工作流程,為今后準噶爾盆地及類似地區發展深層油氣勘探地震采集技術及應用提供指導和參考。

1 深層油氣勘探地震采集關鍵技術

準噶爾盆地深層油氣勘探主要面臨搞清深部構造格局、東西部下組合層序關系、烴源巖展布等核心地質問題。從地震采集來看,面臨“三阻三擾”難題,即準噶爾盆地地震采集面臨阻礙地震波能量下傳的三套地層和三種主要干擾。三套地層分別是淺表層、侏羅系煤層和深層風化殼;三種干擾是指近地表源致干擾、中層層間多次波干擾和散射干擾。根據近年來在準噶爾盆地實施“兩寬一高”地震采集,提高地震資料品質的技術積累和成功經驗[10-13],針對本次深層的地震資料采集,我們提出 “三高一長”針對性技術,即采用高激發密度、高接收密度、高覆蓋密度和長排列觀測;并基于“兩寬一高”技術體系,盡量采用強化低頻的激發和接收方案,從而使新采集的地震資料在資料處理中低頻段具有較高剔除噪聲能力和高頻段具有較高壓制噪聲能力,為后續資料處理和解釋提供了高質量原始資料的保證。

1.1 高精度格架線采集關鍵技術

1.1.1 “三高一長”采集技術

準噶爾盆地新采集的格架二維測線的觀測方案采用了“高激發密度、高接收密度、高覆蓋密度和長排列觀測”,為資料處理提高信噪比和成像品質奠定了資料基礎。“三高一長”采集方案是在“兩寬一高”技術體系下,針對建立高精度二維格架線而提出的針對性采集技術。根據地震采集相關理論[11-12],要想得到高質量的地震數據,主要是要解決如何增加地震數據的完備性,即提高地震采集資料的無偏性、一致性、充分性和有效性,減少地震數據的受限性、稀疏性和非規則性,從而提高了地震資料處理剔除長波長噪聲能力和壓制短波長噪聲能力。

準噶爾盆地深層油氣勘探地震采集主要面臨“三阻三擾”難題。“三高一長”采集主要是指通過高接收密度、高激發密度、高覆蓋密度和長排列的觀測方案解決“三擾”難題。“三擾”是指三種不同地質結構產生的干擾。一是淺表層產生的面波、多次折射和次生干擾。由于低降速層速度與下覆地層縱向速度差異大、橫向變化快,這種存在強波阻抗界面的表層地質結構特征在地震采集中產生能量高于深層反射數十倍以上的近地表干擾。二是侏羅系煤層產生的層間多次波。由于侏羅系發育多套厚度薄、速度低的煤層,這種多套低速夾層的地質結構特征產生的調諧多次波能量遠遠高于深層反射能量。三是石炭系頂界面產生散射噪聲。由于石炭系頂是剝蝕嚴重的不平整面,這種橫向巖性劇烈變化的地質結構特征產生能量極強的散射干擾。對于近地表干擾,波長分布在數米到數百米之間,波長變化范圍大,在有限的投資條件下,很難通過減小道距把所有波長的噪聲進行充分采樣,為資料處理的信噪分離提供保障。對于中長波長的低頻噪聲,容易實現充分采樣,有利于信噪分離去除,觀測系統的接收道距設計對這部分干擾應該進行充分采樣,滿足資料處理提高低頻段信噪比的需求,因此需要高接收密度采集。對于短波長的高頻噪聲,不易實現充分采樣,不利于信噪分離去除,只能通過疊加壓制,觀測系統的覆蓋次數設計應該對這部分干擾進行充分壓制,滿足資料處理提高高頻段信噪比的需求,因此需要高激發密度采集。對于散射干擾,疊前偏移是最有利的壓制方法,而觀測系統的覆蓋密度越高對這部分噪聲的壓制越有效,因此需要高覆蓋密度采集。對于多次波干擾,觀測系統的排列長度越長,有效波與多次波的時差越大,資料處理越容易去除,因此需要長排列采集。

準噶爾盆地格架二維測線橫跨整個盆地,地表及地下地震地質條件復雜變化大,干擾波類型多,能量強。對于近地表干擾采用高接收密度和高激發密度為資料處理提供去除和壓制的保障。圖2分別是山地、農田戈壁和沙漠區的典型原始單炮的干擾。可以看出,山體區單炮散射干擾及線性干擾嚴重,農田戈壁區異常振幅干擾較多,沙漠區面波、強能量散射干擾嚴重。這些近地表干擾一般最低速度小于340 m/s,最高頻率超過40 Hz,最短波長小于10 m。對于波長大于50 m的近地表干擾,地震采集觀測系統實施充分采樣,主要通過資料處理的信噪分離技術的進行去除,為此接收道距應小于25 m,即接收密度應大于40 道/km。對于波長小于50 m的近地表干擾,地震采集觀測系統很難實施充分采樣,主要通過資料處理的異常振幅壓制技術和多次疊加技術進行壓制,為了對這些噪聲的壓制程度達到30 dB以上,覆蓋次數應大于1 000 次以上,也就是激發密度應達到一個有效排列長度內大于1 000。例如有效排列長度為10 km,則激發密度應大于100 炮/km。對于散射波干擾,由于偏移和成像兩個過程都對其有壓制作用,因此應采用高覆蓋密度為資料處理提供壓制保障。圖3分別是石炭系頂為光滑和不光滑界面的正演模擬單炮,從圖可以看出,當界面不光滑時產生許多特征復雜、能量高的散射干擾,明顯降低了對石炭系內幕信噪比。壓制散射干擾需要的覆蓋密度可以根據石炭系內幕反射與頂界面散射干擾在偏移成像前后的信噪比估算,即

圖2 山地(左)、農田戈壁(中)和沙漠區(右)的典型原始單炮資料Fig.2 Typical shot gathers from mountain (left),farmland or Gobi (middle) and desert areas (right)

圖3 石炭系頂為光滑(左)和不光滑(右)界面的正演模擬單炮Fig.3 The modelling gathers for Carboniferous rocks when the interface is smooth (left) and unsmooth (right)

(1)

式中D為覆蓋密度,表示單位長度的炮檢對數目,單位為炮檢對/km;k為石炭系內幕反射波的波數;θ為偏移孔徑;Sobj為偏移成像期望得到的信噪比;Sorg為石炭系內幕反射與頂界面散射干擾的信噪比。比如石炭系內幕反射與散射能量之比為0.05,偏移成像期望的信噪比為2,當石炭系內幕反射波的波數為0.01,偏移孔徑為45°時,覆蓋密度應該大于3.2萬道/km。對于層間多次波,應通過增加排列長度提高去除能力,重點是盡可能增加滿足多次波識別條件的排列長度,即多次波剩余時差超過1/2有效低頻諧波周期的炮檢距范圍應大于整個排列長度的2/3以上。

對于準噶爾盆地深層目的層的采集參數優化論證,采用分階段分區域段進行。第一階段根據以往資料的品質、地震采集技術難點結合工區構造等情況,分沙灣凹陷-莫南凸起帶、阜康凹陷帶、東道海子凹陷-白家海凸起帶和東部凹陷帶四個區域進行采集方法分析論證。重點優化論證的地震采集觀測系統參數主要是覆蓋次數和最大炮檢距,論證方法主要是實際資料的對比處理分析。第二階段部署的格架二維測線是第一階段基礎上進行加密采集及其補充采集。根據第一階段資料品質、盆地西部和南緣地區的資料品質、地層埋深情況,重點對覆蓋次數和最大炮檢距兩個地震采集觀測參數進行了對比處理論證,分別確定了盆地北側英西凹陷、滴水泉凹陷,中部沙漠地區、西部車排子凸起、四棵樹凹陷,中南部農田區觀,南緣沖斷帶等區帶的地震采集觀測系統參數。第三階段是第二次加密采集,根據前兩個階段和以往資料情況,除了繼續對覆蓋次數和最大炮檢距進行對比處理優化論證外,重點對影響深層成像的近地表噪聲進行了分析。為了充分發揮疊前去噪和偏移疊加壓噪的作用,避免原始數據產生過多的空間假頻,有利于疊前去噪時對噪音的識別,采用無污染空間采樣設計理念對接收道距再次進行了詳細的分析論證。依據格架二維地震采集觀測系統參數優化論證結果和近年來實施“兩寬一高”地震勘探技術實踐,形成了本次地震采集的“三高一長”采集方案。表1給出了格架線的采集參數與以往參數的對比。從表中可以看到,格架二維地震采集的接收道密度從20 道/km增加100 道/km～150道/km,增加5倍以上;激發密度從20炮/km增加50炮/km,增加2.5倍;覆蓋密度從240～480道炮檢對/km增加120 000～180 000道炮檢對/km,增加25倍以上;最大炮檢距從6 000 m增加到12 000 m,增加2倍,是目的層埋深的1.5倍～2倍,滿足“三高一長”的技術要求。從而為提高資料處理中壓制近地表規則干擾、散射干擾和層間多次干擾等各種干擾信號的能力,提高了深層石炭系成像信噪比。圖4是格架二維新采集資料去噪前和后的疊加剖面對比,從圖可以看出,由于采用“三高一長”的觀測方案,地震資料中的各種干擾得到了較好地去除和壓制。

表1 格架二維測線采集關鍵參數、地表條件與以往采集對比表Tab.1 The comparison of acquisition parameters between the grid 2D and previous 2D

圖4 格架二維新采集資料去噪前(上)和后(下)的疊加剖面對比Fig.4 The comparison of stack profiles from the newly acquired seismic data before (upper) and after (lower) noise attenuation

1.1.2 強低頻激發和接收地震采集技術

格架二維地震采集激發、接收技術是 “強低”,即強化低頻激發和低頻接收。強化低頻激發和接收的目的是增加穿透能力強、傳播距離遠的地震波低頻能量,解決準噶爾盆地深層油氣勘探地震采集面臨的“三阻”難題。“三阻”是阻礙地震波能量下傳的三套地層結構,即淺表層、侏羅系煤層和石炭系頂的不光滑面。準噶爾盆地淺表層是一套吸收衰減嚴重的巨厚低降速層,地震采集激發的高頻能量在這一層大幅降低。圖5是準噶爾盆地淺表層厚度及其吸收衰減系數平面圖,可以看出低降速層厚度最大超過300 m,淺表層吸收衰減系數普遍達到-40 dB,對于盆地埋深4 000 m的地層,數百米厚的淺表層吸收衰減占據數千米厚度勘探目標地震波能量的60%以上。淺表層嚴重的吸收衰減是造成深層地震勘探只能以低頻為主的淺層地質結構因素。對于中層侏羅系煤層對高頻能量的阻礙主要表現在韻律性薄層的陷波作用。圖6以準噶爾盆地東部某一口井的侏羅系煤層為模型,模擬計算的一到四套不同煤層厚度的韻律性薄層陷波器。煤層厚度越大陷波帶越多,煤層套數越多陷波幅度越大。準噶爾盆地侏羅系一般有多套厚度從幾米到30 m的煤層,對高頻的衰減是不同陷波器的混合作用。侏羅系煤層的韻律型薄層陷波是造成深層地震勘探只能以低頻為主的中層地質結構因素。對于石炭系頂不光滑界面的阻礙是散射作用,圖2所示的散射作用與頻率密切相關,頻率越高散射越明顯,因此石炭系頂界面的不光滑性是造成深層地震勘探只能以低頻為主的深層地質結構因素。

圖5 準噶爾盆地淺表層厚度及其吸收衰減系數平面圖Fig.5 The maps of near surface depth and absorb attenuation coefficients of near surface in Junggar Basin

圖6 不同煤層厚度和套數的韻律型薄層陷波作用Fig.6 The diagrams showing the notching filters for different depths and sets of rhythmical thin coal layers

通過以往原始資料和上述原因分析可知,準噶爾盆地深層石炭系的頻率響應主要以低頻為主,優勢頻帶在3 Hz～30 Hz左右,因此強化低頻激發和接收能有效改善深層層系的成像效果。

激發方面主要利用高精度可控震源強化低頻激發,通過掃描信號設計使激發能量向低頻集中,采用較長掃描時間進一步增強低頻激發能量,實際采集中實現1.5 Hz 起震,滿幅出力的掃描頻率達到 3.8 Hz,為深層地質目標體的成像、反演、有利儲層預測等提供了更加豐富的信息;相對于以往二維地震采集地表條件,格架二維地表條件跨度大(表1),有山地、沙漠、農田、戈壁等各種地貌,以及從數十米到數百米的低降速層厚度。對于腹部沙漠區等可控震源激發參數比較成熟的區域,激發方式多采用可控震源2臺1次,掃描長度20 s,驅動幅度65%,掃描頻率1.5 Hz～84 Hz或1.5 Hz～90 Hz,資料品質較好。對于沙灣凹陷、莫南凸起、東部凹陷帶等需要進一步驗證的區域,在首先采集的格架二維線激發點附近選擇具有代表性地表進行考核試驗,對掃描頻率、掃描長度進行考核驗證,選取合理的激發參數。接收方面利用低自然頻率大動態范圍檢波器更有利于接收到更多的低頻信息,實際采集中接收采用小組合或自然頻率 5 Hz動態范圍達到80 dB以上的高精度檢波器寬頻接收,滿足了深層勘探的“原生態”需求,為改善深層資料成像提供了有力保障。

1.2 地震資料采集質量效果分析舉例

綜上所述,本次格架二維地震采集遵循“兩寬一高”的技術體系,采用了針對性關鍵技術,具有“三高一長、強低頻”的技術特點,較好地解決了“三阻三擾”問題,從而大大提高了原始資料的品質,為達到地質效果奠定了堅實的資料基礎。圖7展示了地震采集新老資料的對比結果。圖7上部的地震剖面是以往常規1L1S120R觀測、50 m炮點距、50 m接收道距和5 950 m偏移距的“大炮距、大點距、低覆蓋”采集的二維地震剖面;下部為本次采用2L2S1200R觀測、40 m炮點距、20 m接收道距和11 990 m偏移距的“三高一長”關鍵技術采集得到的二維格架線剖面。從圖中可以看到,本次采集的原始資料無論從信噪比,分辨率或目標勘探深度等,都達到了前所未有的精度。與以往資料相比,深層目標(時間刻度2 500 ms～3 000 ms以下)的二疊系反射信息更加豐富,可實現連續追蹤對比;深層石炭系不整合面及內幕成像效果得到顯著改善。

圖7 新采集的二維格架線(下)與老地震剖面(上)對比圖Fig.7 Comparison between newly acquired 2D grid line (lower) and older seismic profile (upper)

2 深層油氣地震勘探地質效果

綜上所述,由于在地震采集階段,采取了一系列針對性的關鍵技術,新資料品質大幅提升,構建起了全盆地高精度的格架線,對盆地地層統層、深化盆地認識及戰略選區提供了高品質的地震資料。通過后期的資料解釋和地質認識,可以將本次針對深層油氣勘探目標的地震勘探效果歸納為:①深層成像實現“從無到有,從有到好、從好到優”圖8是新采集格架二維與以往老二維的成果資料對比,與以往采集參數相比,新資料的接收密度增加5倍,激發密度增加2.5倍,覆蓋密度,增加25倍,石炭系內幕發生了從無到有大變化,石炭系頂界面發生了從有到好的變化,二疊系地層發生了從好到優的變化;②重新厘定了海西、印支、燕山、喜山期盆地構造單元,明確了東、西部坳陷的構造背景及烴源巖演化的差異性(圖9);③首次建立了盆地上二疊統統一的層序地層格架,統一了盆地內五大富烴坳陷二疊統地層;④進一步明確了西厚東薄、南深北淺的盆地結構和南氣北油新格局,謀劃了以二疊系風城組為代表的四大接替領域。

圖8 二維格架線對深部成像的效果對比圖Fig.8 The comparison of the effect of two-dimensional grid line on deep imaging

圖9 利用二維格架線重新厘定的全盆地的構造單元劃分圖Fig.9 The tectonic unit division of the whole basin is redefined by using the two-dimensional framework

本次格架線的地震勘探成果為全盆地深層油氣勘探大場面及預探全面突破邁出了堅實的一步,對下一步深層油氣勘探有著重要的指導意義。

3 結論與認識

通過在地震采集中采用“三高一長,強低頻激發和接收”一系列針對性關鍵技術,成功地獲得了準噶爾盆地針對深層油氣勘探目標的8橫13縱共計21條高精度格架二維地震資料。利用格架二維地震資料對準噶爾盆地深層油氣地質特征形成了一些新認識:

1)盆地整體西厚東薄、南深北淺,從而決定了南氣北油格局;

2)油氣并舉、常非并重,深層具備規模資源基礎;

3)多套層系、多類目標,深層具備規模成藏條件;

4)超高壓力、斷縫發育,深層具備油氣高產優勢。本次地震勘探的成果和認識為下一步深層油氣勘探工作提供了有效指導。