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物探与化探, 2021, 45(4): 898-905 doi: 10.11720/wtyht.2021.1320

地质调查·资源勘查

基于地震环境噪声的油页岩勘探

李红星,1, 谈顺佳1,2, 姚振岸1, 黄光南1, 徐培渊2, 周杰2, 范利飞2

1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330012

2.北京劳雷物探探测仪器有限公司,北京 100025

Oil shale exploration based on seismic ambient noise

LI Hong-Xing,1, TAN Shun-Jia1,2, YAO Zhen-An1, HUANG Guang-Nan1, XU Pei-Yuan2, ZHOU Jie2, FAN Li-Fei2

1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Nanchang 330012,China

2. Beijing Laolei Geophysical Exploration Instrument Co.,Ltd.,Beijing 100025,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2020-06-18   修回日期: 2021-03-9  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41764006
国家自然科学基金项目.  41364004
江西省自然科学基金项目.  20202BABL201027
核资源与环境国家重点实验室自主基金.  Z1903

Received: 2020-06-18   Revised: 2021-03-9  

作者简介 About authors

李红星(1981-),男,教授,博士生导师,研究方向为主、被动源面波成像。Email: lihongxingniran@163.com

摘要

作为重要的非常规油气资源,油页岩的勘探开发日益受到重视。利用地震环境噪声(微动)对地下介质的横波速度成像是一种无源、高效、低成本的地震勘探方法,是更符合“环保”要求的潜在油页岩勘探新方法。本文首次利用共中心面元空间自相关微动勘探方法,在松辽盆地开展了含油页岩地层识别研究。研究结果表明,共中心面元空间自相关微动勘探方法的观测系统可根据实际情况灵活多变,横波速度剖面与测线位置钻孔编录结果对应较好,能很好地划分主要地层,主要含油页岩的嫩江组二段呈现低横波速度特征。

关键词： 地震环境噪声 ; 油页岩 ; 共中心面元空间自相关 ; 松辽盆地

Abstract

As oil shale is an important unconventional oil and gas resource,its exploration and development has received increasing attention.Microtremor exploration based on seismic ambient noise is a passive,efficient and low-cost method of seismic exploration,which can be used to image the shear wave velocity of underground medium and can become a potential new exploration method for oil shale more in line with the requirements of "environmental protection".For the first time,the authors applied microtremor method to oil shale exploration based on the spatial cross correlations of common central panel and conducted a study of the identification of oil shale in Songliao Basin.The results show that the geometry of microtremor method can be flexible according to the real situation,the shear wave velocity profile corresponds well with the results of borehole cataloging near the survey line and the main stratum is well divided.The second member of the Nenjiang Formation,which is mainly oil-bearing shale,exhibits low velocity characteristics.

Keywords： seismic ambient noise ; oil shale ; cross correlations of common central panel ; Songliao Basin

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本文引用格式

李红星, 谈顺佳, 姚振岸, 黄光南, 徐培渊, 周杰, 范利飞. 基于地震环境噪声的油页岩勘探. 物探与化探[J], 2021, 45(4): 898-905 doi:10.11720/wtyht.2021.1320

LI Hong-Xing, TAN Shun-Jia, YAO Zhen-An, HUANG Guang-Nan, XU Pei-Yuan, ZHOU Jie, FAN Li-Fei. Oil shale exploration based on seismic ambient noise. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(4): 898-905 doi:10.11720/wtyht.2021.1320

0 引言

油页岩是重要的非常规油气资源,可以成为未来常规油气的重要补充或接替资源[1,2,3]。松辽盆地东北部油页岩分布较广,资源潜力大,是油页岩勘探开发的重要区域之一[4,5,6]。油页岩地球物理勘探以地震和测井方法为主[7,8,9,10,11]。随着经济社会的发展,为了顺应绿色发展理念,适应生态环境保护需求,“绿色”勘探技术要求越来越迫切。地球表面即便在没有发生可感知的地震事件时也一直存在着震动,称为地震环境噪声(微动)。微动信号中面波能量占比约2/3,可以利用面波特性反演地下介质横波速度信息。微动勘探通常利用以一定方式布设的微动观测台阵采集地面的天然微动信号,通过数据处理提取面波频散曲线,反演得到地下介质横波(S波)速度结构。地震环境噪声(微动)勘探方法已经在场地效应评估、断层与溶洞探测、地壳速度结构探测等领域得到了广泛的应用[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。根据领域的不同,探测深度从几十米到数千米。油气储层由于是孔隙多相介质,对横波速度具有敏感性,因此,利用微动探测方法进行油气储层探测具有可行性。同时,微动探测由于不需要震源,相对传统的反射地震等储层勘探方法,其具有环保优势。

空间自相关(SPAC)法[24]和频率波数域(FK)法[25]是微动勘探最常用的两种从微动信号中提取面波频散曲线的方法。FK方法在早期研究中得到了广泛关注[25,26,27,28,29]。有研究表明,当利用任意形状阵列观测的短周期微动数据提取瑞利面波相速度时,SPAC方法比FK方法更精确[30]。SPAC方法首先由Aki于1957 年提出,数据采集观测系统由圆环均匀分布阵列和中心台站组成[24,31]。因为在城市街道等特定的环境中,很难布置满足严格圆环形的阵列,不得不采用如“L”、“T”或直线形台阵[26],这制约了SPAC方法在早期的推广,只有少数学者进行了应用。为了克服SPAC方法严格观测系统带来的局限,许多学者对SPAC方法进行了发展。Ling和Okada提出了扩展空间自相关方法(ESPAC),该方法允许设计任意形状的阵列[32]。Betting等修正了SPAC方法(MSPAC),该方法利用一定半径范围(如r1~r2)的台站数据提取面波频散曲线[33]。2001年,Louie在处理一维线性排列的微动信号时,发展了折射微震阵(REMI)方法[34],取得了不错的应用效果[35,36]。Cho等提出了一种无中心环形微动探勘方法(CCA),并利用谱比函数分析提取面波频散曲线[37,38]。研究表明,在随机噪声源空间均匀分布时,在时间域对不同观测时段的台站对相关数据进行平均,其效果与环形台站的空间方位平均等价[39]。Okada研究了SPAC方法中圆环形台阵的台站数量对探测效果的影响,认为3个台站是最高效的[40]。Shabani等拓展了MSPAC方法(EMSPAC),将离散和近似连续圆形阵列的SPAC公式扩展到处理具有规则和不规则方位间距的阵列[41],利用圆形台阵的水平极化噪声扩展方法更加有效地提取了瑞利波[42]。主动源面波的多道分析(MASW)思路也逐渐被引入到微动勘探中,被称为被动源MASW方法[43,44,45,46]。微动勘探与主动源面波联合勘探在浅地表探测中也越来越受到重视[47,48]。Hayashi等将主动源面波勘探中的共中心点成像思想[49,50]引入微动勘探,建立了共中心点空间自相关(CMP-SPAC)微动勘探方法[51,52,53,54,55]。本文将Hayashi等提出的共中心点SPAC方法中的共中心点概念延拓至共中心面元,利用灵活观测系统,首次基于CMP-SPAC方法,将微动勘探应用于油页岩勘探,在松辽盆地开展了试验研究,取得了较好的效果。

1 CMP-SPAC方法

微动勘探方法利用若干检波器组成接收台阵,观测一定时长的地震环境噪声(图1a),通过空间自相关方法提取地震环境噪声中的面波频散信息(图1b),进一步通过反演方法获得地下结构的横波速度结构(图1c)。

图1

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图1   微动勘探基本原理示意

a—地震环境噪声;b—面波频散;c—横波速度结构

Fig.1   Bisic principle of microtremor survey method

a—seismic ambient noise;b—surface wave dispersion;c—shear wave velocity


CMP-SPAC方法,可利用线性观测台阵接收地震环境噪声,利用检波器对的中心点位于同一个位置的检波器观测数据计算面波频散曲线,作为该中心点的输出(图2a)。将共中心点概念拓展至共中心面元,将研究区划分为若干具有一定面积的面元,则可在研究区二维地表平面内布置网格化分布的地震环境噪声观测台阵,利用检波器对中心点位于该面元内的所有检波器观测地震环境噪声数据计算面波频散曲线,作为该面元的输出(图2b)。利用共中心面元CMP-SPAC便于三维地震环境噪声成像,同时在地表条件不利于布置规则观测台阵时,也更利于布置不规则台阵进行观测和面波频散曲线计算。

图2

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图2   CMP-SPAC方法观测系统示意

a—线性共中心点观测系统;b—二维共中心面元观测系统

Fig.2   Geometry of CMP-SPAC method

a—linear common center observation systerm;b—two dimensional common center unit observation systerm


2 数据采集

试验区位于松辽盆地北部,试验区内主要为沉积地层,主要由第四系黄土和黑色腐殖土、泥岩、砂岩等组成。试验区电阻率很低,电磁场衰减严重,利用电磁方法获得有效的深部信息比较困难。因此,本文针对该测区特殊的地质地球物理条件,开展微动勘探试验研究,以便发展适用于松辽盆地油页岩探测的“绿色”地球物理方法,达到能源勘探目标。

本次微动勘探使用36套Atom单道无线地震仪,并搭配2 Hz高灵敏度检波器(图3a)。一致性试验表明,不同台站之间具有很好的一致性(图3b)。根据CMP-SPAC微动勘探方法基本原理,观测系统布置应满足检波器对射线及其中心位置分布相对均匀,以保障每个共中心面元成像所用微动数据的数据量及其台阵半径分布基本一致。本次油页岩微动勘探试验设计观测系统由主排列和垂直辅助排列组成。主排列由24个观测台站组成线性排列,2条辅助排列各由6个观测台站组成,垂直主排列分布(图4)。观测台站间距为50 m。每次观测1 h后,观测台阵沿测线滚动6个台站间距(图4),设计7次滚动。为保证数据质量,检波器采用浅坑埋置。实际观测站位分布如图5所示, 包含7个共观测时间台阵(图5)。该观测系统布设简单,可根据实际地质、地形条件灵活调整,检波器对射线(图5a)及其中心点位置(图5b)分布较均匀,保障了观测台站分布的空间覆盖,利于获得高质量的微动数据。图5a中,圆圈表示观测台站,线段表示两两检波器对射线。图5b中,圆圈表示两两检波器对射线的中心位置。

图3

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图3   设备

Fig.3   Equipment


图4

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图4   设计观测系统示意

Fig.4   Designed geometry


图5

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图5   实际观测系统(7种颜色代表7次台阵观测)

a—检波器位置分布;b—检波器对中心位置分布

Fig.5   Actual geometry (the seven colors represent the seven array observations)

a—gephone position distribution;b—center position of geophone pairs distribution


3 CMP-SPAC频散曲线提取

CMP-SPAC方法利用台阵半径范围内,中心位置相同的检波器对微动数据,通过SPAC方法计算面波频散曲线。本文将共中心点概念拓展至共中心面元,利用中心位置位于同一成像面元范围的检波器对微动数据,通过SPAC方法计算面波频散曲线。根据本次试验研究的检波器对中心点的分布,检波器对中心在垂直测线方向-150~150 m范围内分布密度较大,在该条带范围内划分共中心面元。沿测线方向共中心面元的大小应保障在面元范围内落入足够的检波器对中心点,以保障足够的地震台站观测数据参与到面波频散曲线计算。沿测线方向,划分31个共中心面元,面元为150 m×300 m矩形区域,相邻成像面元之间沿测线方向存在50 m范围的重叠(图6a)。利用中心位于成像面元范围的检波器对(图6b)所接收的微动数据计算该成像面元的频散曲线,作为该成像面元中心位置的频散曲线输出。图6b是第21个面元频散曲线计算所用到的检波器及其两两之间的连线。第21个面元共用到3次台阵观测数据(3种颜色代表3次台阵观测)。

图6

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图6   共中心面元

a—共中心面元(紫色虚线方框)划分;b—第21个共中心面元所用的检波器及其检波器之间的射线分布

Fig.6   Common center unit

a—division of common center unit(purple dotted box);b—the ray distribution between the detectors used for the 21st common center unit


对每个共中心面元,采用SPAC方法计算频散曲线。假设f、g为两个检波器微动记录,则它们的频率域相关记录CCfg(ω)可以表示为:

CCfg(r,ω)=Af(ω)Ag(ω)·eiωrc(ω),

式中:Af(ω)为、Ag(ω)为f、g的振幅频谱;r为检波器对之间的距离。则两道噪声记录的相关系数COHfg(r,ω)可以表示为:

COHfg(r,ω)=Re[CCfg(r,ω)]Af(ω)Ag(ω),

Re(·)代表取实部。对相关系数进行空间方位积分后可表示为贝塞尔函数:

∫φ=0φ=2πCOHfg(r,ω)dφ=j0ω·rc(ω)。

图7a为某成像面元的相关系数(为检波器对距离及频率的函数),图7b为3 Hz(图7a中红线)时,相关系数随检波器对间距的变化曲线。根据式(3),拟合每个频率的相关系数与贝塞尔函数,可以得到面波频散谱(图8),提取频散曲线。

图7

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图7   相关系数

a—某面元的相关系数;b—3 Hz波的相关系数

Fig.7   Coherence coefficient

a—coherence coefficient of a common center unit;b—coherence coefficient of 3 Hz wave


图8

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图8   面波频散谱

Fig.8   Surface wave dispersion spectrum


4 视横波速度剖面

对于含油页岩地层识别,只需获得剖面上横波速度相对变化,而没必要获得横波速度的绝对值。利用式(4)计算视横波速度[56],形成视横波速度剖面,各成像面元之间通过插值进行成像。根据视横波速度的相对变化与钻孔编录资料对比,评价微动勘探油页岩探测效果(图9)。

vx,i=tivr,i4-ti-1vr,i-14ti-ti-11/4。

图9

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图9   视横波速度剖面

Fig.9   Apparent shear wave velocity profile


式中:vr,i为第i个频率值的面波速度;ti为第i个频率值对应的周期;vx,i为第i个频率值的视横波速度。视横波速度既不同于面波速度,也不同于横波速度,具有速度量纲,根据式(4)计算视横波速度能避免反演多解性,同时能客观地反映地层岩性的速度变化[56],深度采用半波长深度。

根据微动勘探测线800 m位置附近的钻孔资料(600 m深),剖面下方地层主要由第四系(Q),白垩系四方台组、嫩江组1~4段、姚家组、青山口组和泉头组组成。在试验位置,白垩系嫩江组2段为含油页岩地层,是最重要的标志层,厚度达100 余米(图9,表1),青山口组底部也含有数米黑色油页岩。由图9可知,第四系地层落入微动探测的浅层探测盲区,根据视横波速度剖面和钻孔资料,可以较好地标定、划分主要的厚地层。横波速度剖面中200~300 m深度位置的低速度异常与钻孔编录的标志层白垩系嫩江组2段相对应,说明含油页岩地层呈现横波低速特征。

表1   钻孔编录信息

Table 1  Borehole logging information

地层符号厚度/m特征
系统组段
第四系Q15.9黄土、腐殖土、散砂、砂砾
白垩系上统四方台组K2s62.8棕红色泥岩、粉砂质泥岩与灰白、灰绿色粉砂岩、砂岩互层
嫩江组嫩三、四段K2n3+4106灰绿、灰白、灰色砂岩、粉砂岩,浅灰色、暗色泥岩
嫩二段K2n2105.2灰黑泥页岩,含油页岩,重要标志层
嫩一段K2n118.6砂岩、砂砾岩夹泥岩
姚家组K2y163.5灰绿色泥岩、灰白色钙质粉砂岩
青山口组K2qn28灰色泥岩、黑褐色油页岩互层
泉头组K2q浅灰色细砂岩、棕/紫红色泥岩互层

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5 结论

本文将共中心点空间自相关微动勘探方法中的共中心点概念延拓至共中心面元,基于地震台阵监测的地震环境噪声数据,将微动勘探应用于油页岩勘探,在松辽盆地开展了试验研究。研究结果表明:CMP-SPAC微动勘探方法观测系统灵活,得到的横波速度剖面结合钻孔资料能很好地标识、划分研究位置的主要地层,与测线附近钻孔编录结果对应较好,主要油页岩地层——标志层白垩系嫩江组二段呈现出低速度异常特征。共中心面元空间自相关微动勘探方法具有成为更符合“绿色发展”要求的油页岩新地震勘探方法。

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