0 引言
彭水地区位于四川盆地东南缘武陵褶皱带,以上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气为主要勘探目标,有利勘探面积2 933 km2,资源量1.7×1012 m3,勘探潜力大[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-10]。本区经历了多期构造运动,构造变形以由SE向NW的挤压褶皱变形为主,地层遭受强烈的抬升隆起与风化剥蚀,形成现今以残留向斜与背斜相间构造模式为主的构造格局以及沟壑纵横、峭壁林立的复杂山地地形;其中背斜抬升剥蚀程度大,志留系下部页岩被剥蚀殆尽,出露奥陶系及寒武系碳酸盐岩地层;向斜区志留系下部页岩保存齐全,地表出露岩性以三叠系、二叠系碳酸盐岩为主,占比达80%以上,向斜两翼逐渐过渡为志留系砂岩或页岩、奥陶系碳酸盐岩,部分向斜核部有少量侏罗系砂岩出露。碳酸盐岩地表地震激发接收资料有效反射能量弱、次生干扰发育、一致性差,导致地震处理剖面品质差。以往人们开展了大量的地震激发接收试验,期望提高碳酸盐岩裸露区地震信噪比。云美厚等[11]探讨了碳酸盐岩裸露区近地表地震波衰减的特性。刘厚裕[12]对中国南方碳酸盐岩裸露区进行了表层地震地质条件研究,分析了弹性波能量产生的机理。王昀等[13]针对川东北碳酸盐岩出露区块提出了应用表层结构综合调查优选井深、在视饱和药量区间内选择药量以及加强闷井等地震激发技术。齐中山[14]开展了碳酸盐岩地震激发效果差的原因分析,并提出了药柱下方垫含沙水泥柱的激发方法。薛野等[15]针对贵州织金碳酸盐岩地表条件下浅煤层地震采集,提出了基于煤层反射最大信噪比的岩性—井深—药量匹配地震激发技术与线性垂直构造方向、大组合基距模拟检波器组合接收技术,提高了资料信噪比。总之,在碳酸盐岩地表地震激发接收技术研究方面取得积极进展,但缺乏针对彭水地区志留系页岩气地震采集的具体激发接收参数体系研究,同时部分技术成本高、难度大、周期长,不便于复杂山地地形的施工。近年来,以志留系下部页岩为主要目的层,开展了大量的针对性野外地震激发与接收试验,优选了一套效果改善明显且具有较强可操作性的激发与接收参数体系,取得了较好的效果。
1 地震激发因素优选
1.1 炸药类型优选
炸药可按爆速、爆能、密度、成分以及装药结构等分为多种类型,需要寻找最为合适的炸药类型,提高碳酸盐岩裸露区地震激发效果。通常认为,炸药阻抗与岩石阻抗越相近,阻抗耦合度值越大,耦合效果越好,地震激发效果往往越好。
开展了乳化炸药、硝氨炸药的同点激发对比试验。乳化炸药爆速相对较低,约5 200 m/s;硝铵炸药爆速高,约5 800 m/s。图1为乳化炸药与硝氨炸药激发单炮记录与频谱分析对比,相同药量(12 kg)条件下,硝铵炸药激发能量明显更强、单炮有效反射信息更加清楚;20 kg乳化炸药与12 kg硝铵炸药激发单炮能量相近,单炮面貌、频谱特征基本一致。
图1
图1
乳化炸药与硝氨炸药激发单炮记录与频谱分析对比
Fig.1
Comparison of single shot excitation record and spectrum analysis between emulsion explosive and nitroammonia explosive
图2为乳化炸药与硝氨炸药激发二维剖面对比,二者采用了相同的观测系统、接收排列以及相同的激发点位置,乳化炸药剖面的平均激发药量为13.5kg,硝铵炸药的平均激发药量为10.9kg,剖面对比显示在砂岩地表区不同类型炸药激发均得到较高信噪比剖面,在碳酸盐岩地表区硝铵炸药剖面的信噪比略高、波组连续性更好。表明在激发药量差异不大条件下,高密度高爆速的硝铵炸药可以提高碳酸盐岩裸露区的激发效果。
图2
图2
乳化炸药(a)与硝氨炸药(b)激发二维剖面对比
Fig.2
Comparison of 2D Seismic profile between emulsion explosive(a) and nitroammonia explosive(b)
1.2 激发方式优选
炮井激发方式包括单井和组合井的对比选择,通常认为大面积组合井激发有利于增强噪声压制能力,提高地震资料信噪比;此外还进一步探索了延迟爆破、水压爆破等试验研究。
组合井激发试验主要开展了单井、双井以及三井共3种方式的激发试验,单井采用23 m井深、16 kg炸药药量;双井中每口井均采用23 m井深、8 kg药量,井间距5 m;三井组合中每口井均采用23 m井深、6 kg药量,井间距5 m、呈等边三角形布设。
通常认为,延时爆破能够实现同相叠加,从而提高下传能量。目前在工业起爆器工艺上只能做到秒级时差控制,尚无法达到毫秒级起爆控制,地震勘探对时差要求较为严格,市面上的起爆工艺无法满足地震勘探的需求。在施工中采用双井不等深炮井激发,达到控制时差的目的,进而完成延时爆破。试验中在双井等深组合激发基础上,增加双井不等深组合激发方式,其中一口井井深18 m、另一口井深23 m,估算时差为1 ms,单井药量均为8 kg。
大量地震勘探实践表明,在碳酸盐岩区含水性对资料影响较为明显,含水炮井激发单炮记录明显好于干井资料。地下含水性在区域上有一定的稳定性,通过灌注水到井内来提高炮井含水性需要耗费大量时间、水源及人工,成本极高,可操作性差,无法大规模推广。根据含水性这一思路,加上地震勘探需要的下传能量,在围岩无浸泡水的情况下,借鉴矿山开采的水压爆破技术,将水灌注在水袋中,探索改善炸药与底部围岩的激发效果的方式。在单井激发试验基础上,设计2口对比井,采用相同激发井深(23 m)、药量(16 kg)条件下,分别在两口井的炸药药柱顶部、底部放置长约1 m的水袋,对比与常规闷井激发效果差异。
在同点激发、总药量基本一致情况下,单井激发单炮记录页岩层反射波组能量强于多井组合激发,其中双井激发效果最差;与双井等深激发记录相比,在相同激发药量条件下,双井不等深延迟激发记录上页岩反射能量略强,但依然低于单井激发效果;这可能是由于组合井在激发过程中更多的能量被用于岩石的破裂,导致产生的弹性波能量更弱,另外碳酸盐岩微观结构复杂,地震激发产生波场异常复杂,使得多井激发产生波场间有一定的相互干扰、同相叠加效果未能体现。同点水压爆破试验揭示,无论是顶部还是底部放置水袋,均没有带来明显的激发效果改善,底部放置水袋激发记录品质反而出现较大程度下降,表明通过放置水袋的方式不能改善炸药与碳酸盐岩围岩间的耦合关系见图3。
图3
图3
单井与组合井激发单炮记录对比
Fig.3
Comparison of single shot excitation records between single well and combined well
综合考虑激发效果、野外操作成本(钻井费用是碳酸盐岩山地地表条件下地震采集的主要投入)两方面,单深井、较大炸药药量激发应是彭水地区碳酸盐岩地表条件下地震采集的最佳激发方式。
1.3 激发参数优选
1.3.1 激发药量优选
选择激发药量主要是依据地震波的能量、频率和信噪比的好坏,在理想情况下,要求这3个方面都尽可能满足要求。但是,实际工作只能是在3个因素之间进行折中来选择合适的药量,主要原因是药量的增加与能量增长趋势是一致的,而与频率的增加是相反的,且大药量激发会加剧对地表的破坏。药量的增加在理论上是增加有效信号的能量,与信噪比的提高应该是一致的;但增加药量不仅增加有效信号的能量,同样也增加近地表伴生干扰的能量,信噪比能否提高还要看是有效信号能量增加得快还是干扰能量增加得快。因此,药量的选择,首先要有足够的激发能量,其次要有一定的信噪比;由于彭水地区五峰—龙马溪组页岩厚度较大,页岩层识别对频率要求相对不高,因此在药量选择上并未考虑频率的问题。
图4为同点(碳酸盐岩地表)、相同井深(23 m)条件下不同药量激发单炮的能量与信噪比定量分析结果与频谱对比,显示药量增加,能量增加,药量达到16 kg时激发能量趋于饱和、有效反射能量增长缓慢;信噪比分析显示药量由12 kg增加至16 kg时信噪比提高,药量大于16 kg时,信噪比随药量增加呈降低趋势,表明继续增大激发能量导致近地表次生干扰明显增大。综合分析,药量选择16~18 kg,能量较强,信噪比相对较高。
图4
图4
碳酸盐岩地表不同药量激发效果对比
Fig.4
Comparison of excitation effects of different charges on carbonate surface
1.3.2 激发井深优选
井炮激发井深的优选应重点考虑3个原则:一是激发岩性,一般根据近地表调查结果,选择足够井深,确保钻井打穿低降速层,在高速层中激发;二是考虑虚反射影响,减小虚反射界面的地震激发频率的影响;三是考虑安全问题,要求减小井炮激发对地面的破坏。
图5中同点(碳酸盐岩地表)、相同炸药药量(16 kg)条件下不同井深激发记录能量、信噪比及频率的定量分析显示:在井深达到23 m时能量趋于饱和,继续增加井深,页岩层反射能量增加缓慢甚至出现负增长;随井深增加信噪比呈阶梯状增加,23 m井深单炮记录信噪比较高,继续增加井深单炮记录信噪比反而降低;19~25 m井深单炮记录的频谱分析曲线形态基本一致,27 m井深单炮记录在30~60 Hz频段范围内与其他4个单炮记录的频谱曲线差异明显,呈现“双峰”特征,分析认为可能是受到虚反射的影响。
图5
图5
碳酸盐岩地表不同井深激发效果对比
Fig.5
Comparison of excitation effects of different well depths on carbonate surface
微测井近地表调查表明,彭水志留系残留向斜碳酸盐岩裸露区低速层速度一般在460~800 m/s,降速层速度一般在1 700~2 300 m/s,高速层速度一般在4 300~5 200 m/s;低降速层厚度一般在3~19 m,低降速层厚度变化大,山脚、沟底等洼地低降速层厚度较大,山顶、山坡等高地低降速层厚度较小。因而,综合井深试验与微测井近地表调查结果,井深采用23 m相对合理。
1.4 激发点位优选
实践证实,山顶炮与山谷炮记录,不论是能量还是信噪比均有较大差别,山顶与低洼地段接收效果差距也较大。图6为相同井深、药量及地表出露岩性条件下,不同地形激发单炮对比,可见单炮面貌、能量差异明显,平缓谷底基岩区激发单炮最好,缓坡(坡度小于30°)地形激发单炮次之。
图6
图6
彭水地区不同地形激发效果对比
Fig.6
Comparison of single-shot records excited on different terrain in Pengshui area
通过多年实践经验,形成了激发点位优化技术。首先,实施高清航测影像,结合精细近地表调查,准确识别房屋、水源点、高压线、道路等各种障碍以及垮塌区、碎石堆积区等不利激发区域并进行矢量化,同时获取较高精度的地形数据;其次,按照“避高就低、避陡就缓、避干就湿、避虚就实、避零就整”的原则,在有利激发区域内开展逐点设计,优先布设在沟底、山体低部位和缓坡带等激发条件较好区域,提高沟底、缓坡激发点占比,以提高全区整体资料品质,同时加强激发点均匀性分布的论证及优化,使激发点整体分布均匀;第三,开展模型照明分析与目的层CRP叠加次数计算,及时分析最新激发点布设情况对地下构造波场采样的效果,并进行优化,消除照明阴影区及CRP低叠加次数区。
2 接收因素优选
2.1 干扰波调查
采用“L排列”炮点追逐法开展干扰波调查,该方法通过设置激发点在相互垂直的2个方向上对干扰波进行连续追踪,得到沿测线方向与垂直测线方向上干扰波的视速度、波长、频率及能量强度等特征参数,进而指导设计野外采集的检波器组合压噪图形。试验中排列按照平行构造走向和垂直构造走向2个方向分别布设200道模拟检波器,采用单串、点组合、挖坑埋置接收方式,道间距10 m;在排列交点移动炮点激发,首炮点偏移距5 m,沿平行构造走向和垂直构造走向分别继续布设2个激发炮点,共5炮,炮点距2 km,最大炮检距6 000 m。
调查显示,主要干扰波包括声波、面波及线性低频干扰,其中声波干扰主要发育在近排列处,能量较强;面波能量强、衰减慢,严重影响地震记录品质;线性低频干扰对资料影响较大,具体干扰波参数见表1。除声波干扰外,其他干扰波的波长较大,应考虑采用较大的检波器组合基距进行压制;此外,平行构造走向排列接收记录的干扰波较垂直构造走向更加发育、能量更强,检波器组合图形设置应考虑加强对平行构造走向干扰波的压制。
表1 干扰波调查参数
Table 1
| 干扰波 | v/(m·s-1) | f/Hz | 波长/m | 出现排列 |
|---|---|---|---|---|
| 声波 | 330 | 40 | 8 | 2个排列均出现 |
| 面波1 | 847 | 9 | 94 | 2个排列均出现 |
| 面波2 | 1176 | 7 | 168 | 2个排列均出现 |
| 线性干扰1 | 1042 | 8 | 130 | 平行构造走向排列 |
| 线性干扰2 | 1386 | 8 | 173 | 垂直构造走向排列 |
| 线性干扰3 | 2674 | 7 | 382 | 平行构造走向排列 |
| 线性干扰4 | 2800 | 13 | 215 | 平行构造走向排列 |
2.2 检波器类型优选
单点数字检波器具有频带宽、动态范围大的优点,利于提高资料分辨率,同时具有重量小、复杂山地人工布设成本低的优点,在2011~2014年,成为华东油气分公司页岩气地震采集的主要接收仪器。实践表明,单点数字检波器接收资料有效频带范围内有效反射能量弱、背景噪声干扰大、信噪比低;开展20DX-10 Hz模拟检波器组合接收对比试验,证实模拟检波器组合接收可提高有效反射能量及信噪比(图7)。
图7
图7
不同检波器接收的单炮记录(10~50 Hz)对比
a—模拟检波器组合接收单炮记录;b—数字检波器单点接收单炮记录
Fig.7
Comparison between of single-shoot records (10~50 Hz) received by analog geophones and digital geophones
a—single shot record received by analog geophones array;b—single shot record received by digital geophones array
2.3 检波器组合方式优选
根据干扰波调查结果,设计对比3种模拟检波器组合图形,开展二维段对比试验,采用3线1炮观测系统,线距20 m,每条排列线布设一种图形对比,每道采用2串24个模拟检波器组合接收,3种组合图形分别为:①矩形6×4组合,垂直测线(平行构造方向)按1.5 m等间距布设4排检波器,每排按照6个检波器、等间距1.5 m布设,组合图形长7.5 m、宽4.5 m;②同心圆组合,内圆半径0.5 m,外圆半径1.5 m,每个圆形按照等间距布设12个检波器;③矩形8×3组合,垂直测线(平行构造方向)按1.5 m等间距布设3排检波器,每排按照8个检波器、等间距1.5 m布设,组合图形长10.5 m、宽3 m。
对比显示,不同组合图形接收单炮记录的能量、信噪比、频谱特征基本一致,没有明显差异。图8为不同组合图形接收剖面对比显示,整体剖面差异不大,圆形面积组合接收剖面在箭头标注的2个低信噪比区域,较其他2种图形接收剖面的波组连续性、信噪比略有优势,表明圆形面积组合接收可较好地压制噪声、提高有效反射信息能量。此外,圆形面积组合图形相对较小,在地形变化剧烈的南方山地具有更好的可操作性。
图8
图8
碳酸盐岩地表模拟检波器不同组合图形接收剖面对比
a—矩形6×4组合接收剖面;b—同心圆组合接收剖面;c—矩形8×3组合接收剖面
Fig.8
Comparison of receiving profiles of different combinations of surface analog geophones in carbonate rocks
a—rectangle 6×4 combined receiving profile;b—concentric combined receiving profile;c—rectangle 8×3 combined receiving profile
进一步开展了模拟检波器单串组合接收与双串组合接收对比试验。如图9所示,单串接收与双串接收记录特征、能量、信噪比及频谱基本一致,在砂岩地表出露区均见较高信噪比有效反射信息,碳酸盐岩地表出露区两者均呈现能量弱、信噪比低的特征,双串接收记录能量略强。
图9
图9
碳酸盐岩地表模拟检波器不同串数组合接收记录对比
a—双串模拟检波器接收记录;b—单串模拟检波器接收记录
Fig.9
Comparison of receiving records of different series combinations of surface analog geophones in carbonate rocks
a—receiving record of double string analog geophone;b—receiving record of single string analog geophone
考虑到砂岩地表激发接收条件较好、碳酸盐岩地表地震记录能量弱且干扰发育的特点,为降低设备投入,提出了砂岩地表出露区采用1串模拟检波器圆形组合(半径1.5 m)、碳酸盐岩出露区采用2串模拟检波器同心圆组合(内圆半径0.5 m、外圆半径1.5 m)的接收方案。
2.4 常规有缆接收与无线节点仪接收对比试验
常规检波器(有缆)传输设备体积、质量大,施工作业成本高,同时常规检波器传输采取自采共储模式,数据量大,其传输速率成为制约施工时效的瓶颈。节点仪支持盲采、状态回传、数据回读等多种工作方式,扩展性强,无理论道数限制,可实现复杂地形条件下的广域同步采集与连续记录。
在南方复杂山地地形条件下,开展了中石化自主研发的I-nodal节点仪(外置模拟检波器)和常规有缆采集站(模拟检波器接收)对比试验(图10),结果显示两者采集单炮记录有效反射信息能量、信噪比、频率相当,整体相似性极高;选择0.93~0.95 s时间段(区域标志层“二叠系煤系地层”反射视窗)对比两套仪器的时差,节点仪器起跳时间较常规有缆采集站仪器要稍慢,时差在1 ms以内。
图10
图10
无线节点(a)与常规有缆采集(b)单炮对比
Fig.10
Comparison of records between wireless nodes(a) and conventional wireline system(b)
本次节点仪采集试验共39天,设计总接收道次8 223次,其中80道次数据未回收,占1%;数据丢失的主要原因是施工时未正常开机、异常关机或未及时布设,节点仪器整体使用故障率较低,略高于有缆设备(0.2%)。
受设备数量限制,节点仪未能在地震采集中得到大规模应用。与有缆系统相比,节点设备质量轻、便携性好,加上无需导通查线环节,在南方山地能够大幅节省用工人数,降低高山区施工风险,提高生产效率,值得在下一步山地施工中大规模推广。
3 应用效果
3.1 单炮品质提高
2011~2015年,中石化华东油气分公司在彭水碳酸盐岩裸露区地震采集中主要采用:16 m井深、12 kg硝铵炸药、单井激发与DSU1单点数字检波器接收,单炮能量弱、噪声压制能力弱、信噪比低;2016~2020年,依据试验结果对激发接收参数进行优化:采用23 m井深、16 kg硝铵炸药、单井激发与两串24道20DX-10 Hz模拟检波器同心圆面积组合接收,同点激发、相同地表条件接收单炮对比(图11)显示,资料品质改善明显,单炮平均能量由0.124提高到0.26,平均信噪比由0.7提高到0.9。
图11
图11
激发接收参数优化前后地震采集单炮对比
a—原采集单炮;b—激发接收参数优化后采集单炮
Fig.11
Comparison of the single-shoot records of seismic acquisition before and after optimization of excitation and receiving parameters
a—original acquisition single shot;b—single-shoot records of seismic acquisition after optimization
统计显示,通过激发接收参数优化及激发点位优化技术的应用,中石化华东油气分公司彭水地区地震采集单炮一级品率由前期的70%~72%提高到80%~86%。
3.2 剖面效果改善
图12所示,为采用相同观测系统(20 m道距、80 m炮点距、6 km排列长度、单炮单线二维观测系统、75次覆盖次数)条件下,激发接收参数优化前后相邻测线地震采集资料处理剖面对比。前期地震剖面资料呈现信噪比低、波组连续性差特点,剖面整体结构不清、构造落实程度低;新采集资料处理剖面改善明显,页岩层反射波组能量强、信噪比较高、连续性好,整体构造格局清楚。
图12
图12
激发接收参数优化前后同位置地震采集资料处理二维剖面对比
a—前期地震采集资料处理二维剖面;b—激发接收参数优化后地震采集资料处理二维剖面
Fig.12
2D seismic profile comparison at the same location before and after the optimization of excitation and receiving parameters
a—processing 2D section by pre-seismic acquisition data;b—processing 2D section by seismic acquisition after the optimization of excitation and receiving parameters
4 结论
1)试验证实,单深井激发效果优于组合井、延迟爆破以及水压爆破等特殊激发方式,高密度硝铵炸药可提高碳酸盐岩地表区地震激发效果;彭水地区复杂山地地形及近地表结构,导致地震激发子波变化剧烈,应加强激发点位优选,以提高全区单炮品质与资料一致性。
2)模拟检波器组合接收技术能够提高地震有效反射波组能量与信噪比,同心圆小面积组合接收具有较好的压噪效果且可实现性强;无线节点仪接收与常规有缆接收效果相当,具有降低施工风险、提高生产效率的优点,值得规模推广应用。
3)优选出“23 m井深、16 kg药量、高密度硝铵炸药、单井”激发方式与砂岩地表出露区采用1串模拟检波器圆形组合(半径1.5 m)、碳酸盐岩出露区采用2串模拟检波器同心圆组合(内圆半径0.5 m、外圆半径1.5 m)的接收方案,提高了地震采集资料品质,同时在南方山地具有较好经济性与可操作性。
4)通过优化激发接收参数,加强激发点位优化设计,提高了单炮品质与一级品率,明显改善地震剖面成像效果。
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