鄂尔多斯盆地南部黄土塬区三维地震勘探关键技术研究

刘宝国

(中国石油化工股份有限公司华北分公司,河南郑州450006)

鄂尔多斯盆地南部中生界石油资源量巨大,但目的层砂体叠置关系复杂,断裂系统发育,属于低压特低渗储层。由于地表广泛黄土覆盖,使得地震激发/接收条件极差,主要表现在塬区黄土巨厚,且含水性差;表层结构复杂,静校正问题严重;难以开展大规模机械化施工。由于以上原因,前期黄土塬区仅开展过少量的二维地震勘探,所获地震资料品质极低,难以得到有效反射信号。业内普遍认为该地区是地震勘探极困难地区,成熟的三维地震勘探技术在黄土塬区尚没有先例。

2011年以来,鄂南油田进入规模化开发阶段。实践证明,水平井优快完钻加分段压裂技术取得了巨大成功,单井日产可达数十吨。但是,由于没有三维地震资料的精确制导以及对断裂系统的精细描述,水平井钻进过程中常发生井壁垮塌、泥浆漏失,水平段砂岩钻遇率低,井间压串等问题。因此,如何尽快在黄土塬地区获得高质量的地震资料成为鄂南油田勘探开发的首要问题。

针对以上难题,我们以镇泾工区为研究靶区开展了黄土塬区三维地震勘探技术攻关试验和应用研究,提出并形成了针对巨厚弱弹性黄土介质的三维地震勘探关键技术系列,从根本上解决了黄土塬区的地震采集难题,地震资料品质得到了极大的提高。

1 黄土塬特定的表层地震地质条件

镇泾工区位于鄂尔多斯盆地天环向斜南部,是中国北方黄土覆盖最厚的地区(图1),从地表至白垩系罗汉洞组均为黄土层,最厚达450m。巨厚黄土至上而下的层次结构依次为马栏黄土、离石黄土和午城黄土,内部夹有约30～40层红褐色古土壤层。离石黄土是黄土塬的主要成分;午城黄土下伏白垩系砂泥岩层。黄土与白垩系地层波阻抗差很大,地震波下传比低,下传角度内面积小,能量密度低。低速层速度380～600m/s,降速层速度600～1000m/s,潜水层速度界面速度1600～1800m/s,高速层速度约2300～3200m/s。无论是冰冷期黄土还是温暖期的土壤,都属于弱弹性介质。

镇泾工区地表为典型的黄土塬地貌特征,平坦塬地占总面积的35%,坡地占55%,沟地占10%。大量的坡地为梯田,梯面宽度不等,老式梯田宽度3～6m,现代梯田10～30m。梯田为三维地震采集创造了较好的施工条件。对工区内不同坡度斜坡面积的测量统计(表1)表明,25°以下的斜坡占80%以上。斜坡区表层速度较低,孔隙和垂直节理发育,并且具有能量发散程度高、单位面积内射线密度低等效应,不易找到好的地震激发层。

图1 中国北方黄土覆盖层厚度

坡度5°～8°8°～15°15°～25°25°～35°35°～45°45°～55°>55°面积/km246.90101.45128.0051.569.171.920.53比例13.8%30.0%37.7%15.2%2.7%0.56%0.15%

巨厚黄土对地震波有强烈的吸收作用[1-6]。当在黄土表层进行激发时,一定范围表现为完全塑性,远处则可能表现为较好的弹性,地震波损耗在塑性圈的能量很大,传向远方的能量很小。但是,弱弹性介质可获得的最大质点弹性位移量还是远远大于高密介质的。通过双井微测井调查研究发现,塬上浅层(埋深3～4m)含一定钙质的黑垆土有较好的激发效果;埋深9～12m的胶泥层(厚度2～4m)激发效果更好;埋深30～100m的潜水面下方的潜水层中激发效果大体与胶泥层相当。

2 黄土塬区地震勘探关键技术

2.1 巨厚弱弹性黄土介质高效激发技术

镇泾工区黄土塬地震激发主要存在4个方面的问题:一是弱弹性黄土介质中震源激发效率低;二是巨厚黄土导致地震波能量损失大;三是罗汉洞顶面上透射角比入射角大得多,导致下传能量弱;四是大面积的斜坡带带来的诸多问题[1-5]。针对以上问题,采取了如下对策。

2.1.1 组合井分散激发,增大能量下传范围

在试验过程中发现,无论球状炸药体积大小,每单位爆炸热能均要参与形成并穿越“空腔+压塑+弹塑”圈,最小弹性圈单位面积能量密度为0.4kg/m2。当炸药药量小于4～5kg时,炸药拆分激发可以极大地改善药量与地震波振幅之间的线性关系。

由于黄土塬地形的特殊性,大部分地段只能使用直径60mm的炸药柱。假如产生足够能量的炸药药量是25kg,那么药柱长度不少于10m。由此将产生诸多问题:药段与表层结构最佳匹配的问题;塬和坡能量匹配的问题;巨大的能量侧散导致效率低下和由于药柱长度大带来的燃爆速度小、爆炸时间过长的问题等。而采用分散激发,理论上能量可控,在能量传播质点位移极限内可以无限增加,化弱为强,能量传播范围更远。图2给出了在黄土较厚区域15井组合(图2a)和5井组合(图2b)激发的炮记录对比,可见15井组合激发的效果远好于5井组合激发。图3为13井、15井、17井、20井、30井组合激发效果对比图,可见20井组合的效果较好。

图2 15井组合(a)和5井组合(b)激发的炮记录

图3 13井(a)、15井(b)、17井(c)、20井(d)和30井(e)组合激发的炮记录

2.1.2 聚能层中激发,增加下传能量

黄土中的胶泥层是高速夹层,速度600～800m/s,密度1.7～2.0g/cm3,厚度2～4m,含水性好于上、下土层(密度为1.3～1.5g/cm3)。黄土中的胶泥层发育稳定,在15%～35%的塬上和50%～75%的斜坡地带普遍发育,且有多套。高速胶泥夹层能够起到“聚能”的作用,且埋深一般小于12m,工程上可行。图4为30kg药量单深井潜水层激发与11m井深多井(单井药量2kg)胶泥层分散激发效果对比,从图中可以看出多井组合于胶泥层中分散激发记录的信噪比得到明显提高。

图4 30kg药量75m单深井潜水层激发(a)与11m井深多井(单井药量2kg)胶泥层分散激发(b)效果对比

2.1.3 分散激发,提高激发波阵面叠加强度

采用分散激发方式,可以有效改变单点激发波阵面的方向,从理论上讲,无论多厚的黄土均可增加透过白垩系顶板“透过窗”的面积和能量密度。通过镇泾工区采集实践证明,分散激发可以更好地利用有效激发圈、有效反射圈、虚反射圈、有效接收圈的能量,使得微弱的有效信号于强规则干扰或去规则干扰后的残余噪声之中得以有效保存。

2.1.4 聚能装置激发,降低施工成本

根据试验线的成本计算,采用聚能装置激发可以有效节约成本:黄土钻井费用节约42%,炸药费用节约50%。同时也提高了钻井效率,减少农业赔偿,降低对居住环境的危害。

2.2 巨厚弱弹性黄土介质高效激发配套技术

黄土塬地区的地震资料静校正问题是影响成果资料解释的主要问题之一[7-15],为此提出了3项配套技术。

2.2.1 “阶梯式”表层岩性结构调查技术

由于黄土巨厚,首次采用了“阶梯式”微测井(沿梯田内缘逐阶追踪至白垩系顶板,相邻井深度重叠10～20m)与小折射联合的表层岩性结构调查技术。重点调查:第1,2,3层等胶泥层深度、厚度、质量(胶泥含量),并全区成图;斜坡区速度大于700m/s的含水土层,全区成图;结合沿沟实测基岩高度和各类钻井资料,调查区内黄土总厚度,并绘制白垩系顶板构造图和黄土层构造图。表层结构调查资料同时用于层析静校正反演速度模型约束和分束井深、组合激发方式设计。图5为“阶梯式”微测井调查示意图,其中图5a为微测井点(红色圆圈)分布,图5b为实际调查部署和成果解释示意图解。

2.2.2 基于地表结构精细调查的三维采集设计优化技术

具体包括:坡度分区,一区一策;厚度分区,一区一策;高度分区,逐级下移;密点实测,以道补炮;避厚就薄,避陡就缓;制定和落实炮点优化“避就”指标。以镇泾工区为例,基于地表结构精细调查资料对三维地震采集原设计的103071个物理点分别开展优化,显著减少了原设计在塬上和坡上的物理点,大幅增加了沟中与河道中的物理点数(表2),有效提高了施工效率和采集效果。

图5 “阶梯式”微测井调查示意图解a 微测井点(红色圆圈)分布; b 实际调查部署和成果解释示意图解

物理点位置塬坡沟与河道原设计物理点个数和所占总数的百分比36075(35%)56689(55%)10307(10%)优化设计后物理点个数和所占总数的百分比29891(29%)46382(45%)26789(26%)差值-6184-10307+16482

2.2.3 模型约束等效层析结构“三步法”静校正技术

当前,复杂地区地震资料层析静校正成效显著,但在黄土塬地区,它仍然存在一些重要问题。一是表层厚度剧烈变化处,速度模型低处下凹;二是宽度较大的激发点边界波组形态常常出现问题;三是等效模型厚度大于实际深度;四是层析追踪的射线路径分散,特别是模型深部;五是层析单元速度横向变化大,且剥离与填充不对等导致高程校正后零计时线相对于基准面漂移,模型不同基准面不同,波组形态不同等。

我们提出了“三步法”解决思路:①根据近地表调查结果建立表层约束模型;②根据黄土构架总厚控制;③根据边距偏移距分布测网四周补充炮排。图6给出了应用模型约束等效层析结构“三步法”静校正技术前、后的叠加剖面,可见获得了较可靠的剖面构造形态。

图6 镇泾工区应用模型约束等效层析结构“三步法”静校正前(a)、后(b)的叠加剖面

3 应用效果分析

3.1 镇泾三维地震成果资料品质

图7给出了镇泾工区三维处理成果资料的信噪比和频率属性。由图7可见，经常规资料处理后的镇泾三维地震资料信噪比大于6,叠后主频为35～38Hz,获得了较高品质的成果资料。

3.2 断裂发育区多尺度分级评价

受限于前期地震资料品质极低,此前人们普遍认为镇泾地区地下断裂不发育,未考虑过断裂系统对于油藏的沟通和破坏作用。基于采用本文所述关键技术采集获得的较高品质三维成果资料,图8给出了镇泾工区长8-1油层组断裂系统分布(图中蓝色虚线框为工区边界),可见断裂发育区得到了较好的多尺度分级评价,对水平井轨迹设计、水平井钻进、工程压裂都将起到至关重要的作用。

3.3 反射结构特征追踪河道识别

基于三维地震成果资料,图9给出了镇泾工区长8-1油层组“透镜状”反射特征平面分布图,可见清晰的河道砂“下切填平”透镜状反射特征占三维地震满叠面积的60%。

3.4 水平井井位调整与部署

截止2013年,鄂尔多斯盆地南部地区共实施三维地震逾4000km2,数据体目标层主频均在35Hz 左右,分辨率和连续性均好于北部一些探区,统计843口钻井,砂体钻遇率达90%～100%。另外,三维地震资料对水平井轨迹制导(钻进过程跟踪)、压裂段分析、提速提效起到了积极的作用。

镇泾某井区三维地震资料成果利用前,完钻28口,砂体钻遇率83.0%,油层钻遇率62.2%,水平段平均进尺68.0m/d,A靶点平均调整0.7次/井,水平段轨迹平均调整1.8次/井。利用三维地震资料成果后,完钻36口,砂体钻遇率90.9%,油层钻遇率79.6%,水平段平均进尺83.4m/d,A靶点平均调整0.2次/井,水平段轨迹平均调整0.3次/井。三维地震资料成果的利用效果显著。

图7 镇泾工区三维地震成果资料信噪比属性(a)和频率属性(b)切片(500～1600ms)

图8 镇泾工区长8-1油层组断裂系统分布预测结果

图9 镇泾工区长8-1油层组“透镜状”反射特征(a)及其平面分布(b)

4 结束语

针对长期存在的黄土塬区三维地震采集问题,通过三维地震勘探关键技术的攻关和成果资料的应用效果分析表明,针对巨厚弱弹性黄土介质,利用小药量多井组合分散激发方式可以极大地提高有效信号向下传播过程中的能量聚焦,信噪比得到明显改善,黄土塬巨厚黄土层地震激发问题得到了较好的解决。尽管相比平原地区仍然存在单炮记录品质差、道集能量一致性等问题,但是毫无疑问,鄂尔多斯南部三维地震的实施已经取得了显著的油气地质效果。

参 考 文 献

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