研究区地形较为复杂, 沟谷纵横, 切割较为强烈, 大部分地区海拔高程1 000~1 450 m, 相对高差一般为200~300 m。地表横向岩性变化较大, 使地震有效波能量吸收衰减严重, 地震子波一致性较差, 同时, 各种原生和次生干扰, 给地震勘探的激发和接收带来困难。

研究区位于沁水块坳东部, 总体为一走向NNE, 倾向NWW的单斜构造, 地层倾角一般3° ~7° 。在此基础上发育了一系列不同级别的, 呈雁行排列, 彼此平行的褶曲, 其轴向以NNE为主, NE, NEE次之, 两翼倾角2° ~10° ^[9](图1)。

图1

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	图1 研究区区域构造纲要

沁水盆地含有丰富的煤层气和页岩气资源^{[10, 11]}。研究区内共含煤层20层, 含煤地层总厚193 m, 煤层总厚9.34 m, 含煤系数4.8%。主要可采煤层为山西组的3号煤层和太原组的15号煤层; 区内太原组泥页岩总厚度在46~65 m, 山西组泥页岩总厚度多在28~72 m。根据初步计算, 沁水煤田煤层气总资源量达28 316× 10⁸ m³, 其中远景资源量2 627× 10⁸ m³, 占9.27%; 预测资源量25 689× 10⁸ m³, 占90.72%^[12]; 页岩气资源量达5.6× 1 012 m³, 其中太原组资源量为3.2× 1 012 m³, 约占总资源量的57%^[13]。

针对煤层气、页岩气和致密砂岩气等非常规天然气的地质需求和勘探部署, 研究及发展了煤系非常规气二维、二维三分量、三维地震勘探、压裂微震监测等技术, 在实践应用中取得了重要进展与显著效果^[14]。地震勘探技术是解决非常规天然气评价关键地质要求的有效手段, 主要用于含气储层的分布、厚度及储层物性、含气性等方面的研究^{[15, 16]}。

研究区地形复杂, 相对高差大, 地表横向岩性变化剧烈, 特别是黄土覆盖区地震反射波能量吸收衰减严重, 地震波场复杂, 地震子波一致性较差; 勘探目的层段多且赋存条件变化较大; 各种原生和次生干扰多, 尤其是区内多条交通干线对资料采集影响很大。因此, 如何在控制成本的情况下选择适合的激发、接收参数, 保证地震资料的品质, 成为实现多气共探在采集阶段的主要难点。

针对研究区的采集难点, 利用微测井和相遇折射法进行浅表层结构调查, 根据调查结果, 确定不同地段成孔的深度; 同时, 对钻孔进行录井, 根据岩性确定激发层位, 保证药柱在基岩或者致密粘土层中激发; 在厚黄土以及强干扰源附近采用多井、小药量组合激发; 选择Ø =60 cm药柱, 缩短药柱长度, 减少爆炸半径。

根据已有地质资料和踏勘情况, 对测线上地表岩性进行划分。在此基础上, 采用单井微测井和相遇折射法相结合的方法进行浅表层结构调查, 从而掌握测线上速度结构变化及低降速层的厚度。同时, 根据药柱长度和爆炸理论计算出爆炸半径, 确保整个药柱在高速层中激发。

2.1 浅表层结构调查

采用井中激发地面接收的观测方式。井深保证高速层有4个以上的控制点, 激发深度遵循上部密、下部疏的原则。地面采用9道接收, 按0、3、5 m偏移距呈扇形摆放(如图2)。

图2

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	图2 微测井检波器地面布置示意

在厚黄土地段采用折射相遇法进行低速带调查, 根据黄土厚度的变化采用不同观测系统:

第一种:1 m× 3+3 m× 3+5 m× 3+10 m× 11+5 m× 3+3 m× 3+1 m× 3。排列长度164 m, 共30道接收, 偏移距0.5 m。

第二种:1 m× 5+3 m× 5+5 m× 5+7 m× 5+10 m× 13+7 m× 5+5 m× 5+3 m× 5+1 m× 5。排列长度290 m, 共54道接收, 偏移距0.5 m。

根据踏勘和浅表层地质调查, 北部大部分为基岩出露, 中南部多为黄土覆盖且局部黄土覆盖较厚, 故研究区低速层厚度为0~26 m; 降速层厚度一般为4~15 m; 高速层速度一般为2 450~3 900 m/s。图3为研究区南部黄土覆盖区典型单井微测井解释。总体而言, 区内低降速层在横向上速度和厚度变化较大, 高速层速度相对稳定。

图3

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	图3 微测井解释成果

2.2 激发方法

图4为在黄土覆盖区相同药量条件下, 井深分别为15、18、21、24、27、30、33、36、42 m的单炮对比。从单炮记录可以看出:药量6 kg时, 井深为15、18 m时获得的煤层反射波连续性较差; 井深为21、24、27、30、33、36、42 m 时反射波能量较强、连续性较好, 但近道受面波、声波干扰。

图4

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	图4 药量6 kg时, 不同井深单炮记录对比

通过对单炮记录上煤层反射波上下700 ms时窗内的数据在能量、频谱、信噪比估算的定量分析(图5), 药量为6 kg时, 井深15、18、21 m时能量较强, 井深为24、27、33、36、42 m时各单炮能量接近, 井深30 m时能量最弱; 井深21、24、42 m时频带较宽, 优势频带范围在5~50 Hz; 药量为6 kg时, 不同井深信噪比相差较大, 井深24 m以上信噪比较高。

图5

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	图5 药量6kg时不同井深单炮能量(左)、频率(中)、信噪比(右)对比

通过对单炮记录分析(图6), 单井和组合井都可以获得明显的煤层反射波, 反射波同相轴较连续。

图6

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	图6 井深21 m时单井(左)与组合井(右)单炮记录对比

通过对单炮能量、道集间频率、信噪比分析(图7), 井深为21 m时, 单井和组合井能量差别很大, 单井时能量强; 单井6 kg时频带宽度比三组合2 kg要宽; 单井6 kg和三组合2 kg时信噪比相差不大。

图7

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	图7 井深21 m时, 单井(左)与组合井(右)单炮能量对比

2.3 检波器个数对比

根据以往勘探经验, 只对自然频率为10 Hz的低频检波器进行了检波器个数组合的对比。通过对单炮记录分析, 不同检波器个数条件下, 初至清晰, 反射波连续性较好, 主要干扰波为面波、50 Hz工业电及随机干扰, 面波主要分布于近炮检距道(如图8)。

图8

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	图8 研究区原始单炮

通过对各单炮能量、频率和信噪比的对比(图9、10)可知, 不同检波器个数单炮信噪比相差不大; 6个检波器串联和12个检波器6串2并时煤层反射波能量较强, 频带较宽; 3串3并9个检波器时能量相对较弱, 且频带窄。

图9

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	图9 井深8 m、药量6 kg时不同检波器个数单炮记录对比

图10

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	图10 不同检波器个数单炮能量(左)频率(中)信噪比(右)对比

通过浅表层结构调查和各试验点对激发和接收方式系统的试验, 本次地震采集在基岩区井深不低于10 m, 黄土区井深不低于20 m, 在厚黄土和强干扰源附近采用多井组合, 保证药柱在基岩或致密粘土层等相对高速层中激发; 采用自然频率10 Hz的检波器, 6个串联组合接收, 组内距为0的接收方式。在考虑目标地质尺度大小、最高无混叠频率和横向分辨率的基础上, 选择20 m道距, 40 m炮距, 80次覆盖, 较好地压制了随机干扰、多次干扰, 保证了速度分析的精度和静校正精度, 处理剖面上目的层同相轴真实、构造反映清晰。

通过分析, 认为在优选采集参数的基础上, 获得的剖面波组特征明显, 尤其是目的层山西组和太原组反射波组同相轴连续性好、能量强, 地质信息丰富; 浅层和深层地震界面反射波组亦清晰, 为后续地震层序格架的建立、反演和预测奠定了基础(如图11)。

图11

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	图11 叠前偏移时间剖面

1) 采用微测井或相遇折射法进行浅表层结构调查, 查明有利激发层位的分布范围和深度, 同时结合钻孔录井资料, 确保药柱在相对高速层中激发, 有利于提高地震资料信噪比。

2) 在厚黄土或强干扰源地段, 采用多井、小药量激发, 有利于提高激发能量、保障频带宽度、压制干扰, 从而提高资料信噪比。

3) 采用低频检波器组合技术, 可以更好地压制干扰、提高能量, 进一步提高单炮的信噪比。

4) 针对本区目的层段多、埋藏深度变化大, 采用小道距、高覆盖次数等采集技术, 有利于进一步提高山区、特别是黄土覆盖地区地震资料的信噪比和分辨率。

研究区及周边煤层气、页岩气资源丰富, 但是勘探程度相对较低, 因此, 通过本项目的研究可以为本区煤系非常规气后续的勘探开发提供指导, 同时也为今后同类地区地震勘探工作的开展提供有益借鉴。