鄂西地区页岩气勘探地震采集主要参数分析

刘保林,刘军胜,王建斌

(中石化石油工程地球物理有限公司江汉分公司，湖北潜江433199)

鄂西地区页岩气勘探地震采集主要参数分析

刘保林,刘军胜,王建斌

(中石化石油工程地球物理有限公司江汉分公司，湖北潜江433199)

鄂西地区是寻找页岩气的有利区带。针对该区页岩气勘探多套目的层埋深不一、地表激发岩性多变及地下构造相对复杂等特点，以满足不同目的层兼探和实现经济勘探为目标，通过正演模拟研究，结合近几年在该区所获的实际地震资料，对在该区进行页岩气勘探的地震采集主要参数——最大炮检距、覆盖次数、激发因素等进行分析，提出了最大炮检距及覆盖次数的选取范围；通过系统试验，分析确定了各种出露地层中的地震激发参数。

地震采集；最大炮检距；覆盖次数；激发参数；宽线地震勘探

鄂西地区是指湖北省西部长江以南的恩施土家族苗族自治州境内，构造区划上处于川东褶皱构造带与湘鄂西褶皱带的接合部位。鄂西地区跨越利川复向斜、中央复背斜、花果坪复向斜、宜都—鹤峰复背斜以及桑植—石门复向斜等多个构造单元，揉皱剧烈。地表为典型南方山地地形，海拔高程一般为500～2100m，喀斯特地貌发育，山峰、峡谷和丘陵相互交错，出露灰岩、砂岩、泥岩等多种岩性，地震地质条件复杂多变。就页岩气勘探而言，区内自下寒武统至上侏罗统，除缺失上志留统、下泥盆统和部分下石炭统外，其它地层发育齐全。寒武系牛蹄塘组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组、二叠系大隆组均为该区寻找页岩气的有利层系，勘探前景广阔。

该区总体勘探程度较低。地震勘探始于20世纪末期，当时以地质概查导向，先后在四望山、官坪、阳和、五峰庙岭等地部署了共265km的概查二维剖面。2011年以来，随着油气勘探领域的扩展尤其是非常规油气勘探受到重视，逐步在利川、咸丰、建始、恩施、鹤峰等地部署了约2000km的二维地震勘探工作量，二维测网密度最小达到4km×4km。目前，该区地震资料主要勘探目的层主频稳定在20～30Hz，能够分辨30m以上页岩层。就勘探方法而言，先后经历了多次变革，从20世纪90年代强调信噪比、分辨率，到现今的高分辨率、高保真，采集因素的精度也在不断提高。以二维地震采集为例：接收道数从当初的240道、360道，增加到现今的720道甚至更高；而道距则从当初的50m，40m，减小到现今的20m甚至10m；相应地，覆盖次数从当初的30～60次，提高到了现今的90～180次。通过近年来在鄂西乃至湘西—渝东整个地区的勘探实践，基本形成了一套较为成熟的山地油气地震勘探方法，如接收方面采用20m道距、道内大基距组合压制干扰，根据地形优化组合形式；观测系统方面采用照明分析、高陡构造区密集采样，按“五避五就”(避高就低、避碎就整、避干就湿、避陡就缓、避危就安)的原则优选激发点位等。

常规油气的勘探以储层或油藏为地质目标。然而，对于页岩气来说，成藏的“储层”是其自身，具有其独特的“自生自储”特点[1-2]，也就是说页岩气勘探是以源岩层为地质目标的。页岩气储层在地层埋深、厚度方面也有其独有的特点。根据美国地质调查局(USGS)提出的页岩气选区参考指标，富含有机质页岩厚度应大于15m[3]。在埋深和厚度方面，国内学者提出为了保证一定规模的页岩气资源量、资源丰度，有利发育区含气泥页岩厚度应大于50m，埋深大约1500～4500m；涪陵焦石坝国家页岩气产能建设示范区的页岩层厚度评价指标为≥30m。而从工程技术的角度来说，2000～3000m的埋深是目前页岩气勘探开发的理想深度。显然，对于鄂西地区页岩气勘探来说，应以满足查明页岩层埋深、厚度及空间展布特征为第一目的；页岩气勘探作业参数应以有效、实用、经济为出发点。为满足鄂西地区页岩气多套目的层兼探的需要，应用优化的采集参数是实现该区页岩气高效、经济勘探的基础，本文着重讨论鄂西地区页岩气勘探地震采集中最大炮检距、覆盖次数、激发参数等关键参数的优化确定问题。

1 最大炮检距分析

1.1 主要页岩气目的层分布特征

鄂西地区是寻找页岩气的有利区带，其区域性的目的层主要为下寒武统、志留统及上二叠统。在鄂西地区志留系地层分布最为广泛，最大厚度在黄莲峡及周缘地区达1200～1500m，鹤峰一带厚度35～58m，埋深最深达到6257m；下寒武统牛蹄塘组(∈1n)一般厚度167～239m，埋深最深达到8930m；二叠系大隆组(P3d)一般厚度22～33m，埋深最大达2996m。以上3套主要目的层在厚度方面均能满足优选页岩气层段的基本要求。对于鄂西地区页岩气勘探的地震资料采集参数优化，首先需要考虑目的层多样性和局部构造特点两个方面的因素。

1.1.1 目的层多样性

鄂西地区涉及多个构造单元，3套页岩气勘探目的层在各构造单元的展布情况、埋深都是不一样的，变化较大。总的来说表现为页岩气有利目的层的多层性，多者3层以上，局部只有1层甚至出露剥蚀。以志留系龙马溪组(大部分地区为主要目的层)为例，在复背斜带埋深一般小于3000m，此类地区同时还应考虑寒武系牛蹄塘组目的层；在复向斜带一般大于3000m，而此类地区应该主要考虑二叠系大隆组目的层。

1.1.2 局部构造特点

鄂西地区为典型的向斜、背斜相间构造样式，受构造应力作用，背斜构造表现为核部宽缓、两翼高陡的现象，地层倾角变化较大[4]。构造带核部宽缓，两翼高陡，地层倾角一般10°～25°。

1.2 最大炮检距优化

鄂西页岩气勘探要实现兼探不同目的层的目标(埋深4500m，倾角25°左右)，满足目的层埋深、速度分析精度(≥6.0%)、动校拉伸畸变(≤12.5%)、反射系数稳定、初至干涉等方面的要求，最大炮检距应在3700～4300m。常规的参数论证过程中，往往忽略地层倾角对射线路径的影响，我们通过倾斜地层模型的正演模拟来分析最大炮检距的优化选择。图1a是所建立的简单倾斜地层模型；图1b是利用波动方程正演模拟埋深4500m，倾角25°地层的单炮记录。可以看出远偏移距(10000m以上)能够接收到反射信息，但受多次折射、多次反射、绕射等影响，远偏移距目的层有效反射难以分辨。就该模型而言，左半支偏移距在6000m以内，右半支偏移距在3800m以内，各目的层反射均能清晰分辨，受干扰波影响较小。

对于野外实际生产单炮记录，地震反射的能量随着反射层深度的增加和偏移距的增大而变弱[5]，远偏移距资料的信噪比变低，影响叠加效果。同时，当偏移距增大到一定程度后，对于提升深部地层的成像效果有限，而且还会对浅层地质结构成像不利[6]。炮检距太大产生的浅层折射会对浅层反射发生干涉，采取切除处理则同时损失了浅层的有效波信息。对比分析鄂西地区不同偏移距的实际地震资料，图2为XEX2012-X测线采用不同偏移距叠加的剖面效果对比。该测线穿越鹤峰—宜都背斜带、花果坪复向斜，在背斜西翼(花果坪复向斜)区域，页岩气目的层志留系龙马溪组埋深在4000m左右。从图2中可以看出，随着偏移距的增大，地震资料品质有一定的改善，偏移距达到5000m以上目的层资料品质均较好，6000m以上无明显改善。

图1 倾斜地层模型(a)及其波动方程正演模拟单炮记录(b)

图2 鄂西地区实际地震资料偏移距为4000m(a)，5000m(b)，6000m(c)和7000m(d)时的叠加剖面对比

近年来在鄂西地区常规油气的勘探中，地质任务主要是为了查清主体构造结构，研究构造演化过程，普遍采用了7190m的最大偏移距。然而，就满足页岩气勘探要求和实现经济勘探而言，通过以上正演模拟结果和实际地震资料的综合分析认为，鄂西地区页岩气勘探地震采集所采用的双边观测的最大炮检距不应大于6000m。

2 覆盖次数分析

从以往采集的地震资料分析来看，鄂西地区由于大面积出露灰岩且断裂发育，地震资料信噪比总体较低。而覆盖次数是提高地震资料信噪比的主要手段。李庆忠院士[7]曾指出“信噪比是分辨率的基础，分辨率是由信噪比来定义的”。页岩气勘探需要分辨页岩薄层，对覆盖次数提出了较高的要求。然而，并不意味着覆盖次数越高，地震资料分辨率就越高。实际在叠加过程中，由于参与叠加的单炮波形和频率的差异，完全同相叠加是难以实现的，叠加在提高地震资料信噪比的同时，也降低了地震资料主频(相当于降低了资料的分辨率)[8]。图3是利用鄂西地区2012年采集的地震测线所做的覆盖次数与资料主频的关系曲线，可以看出，随着覆盖次数的增加，目的层主频有所下降。该资料较好地验证了以上认识。

图3 鄂西地区XEX2012-SE-X测线(部分)覆盖次数与主频的关系曲线

在以往常规油气的勘探中，勘探目的层相对单一(即上二叠统长兴组、下三叠统飞仙关组及嘉陵江组)，观测系统设计时主要通过对比不同覆盖次数的资料品质变化和波动方程模拟[9]确定目的层最佳覆盖次数。通过多年的工作，形成了保证勘探目的层在砂泥岩出露区90次覆盖，灰岩出露区120次覆盖的基本采集因素。而针对鄂西地区的页岩气勘探，保证目的层的有效覆盖次数同样是完成地质任务的关键，但其具体的选择方案应区别对待。图4是鄂西某地区采集的一条地震剖面，测线段地表出露岩性以砂泥岩为主，设计覆盖次数120次，旨在查明上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组、寒武系牛蹄塘组页岩的厚度及空间展布特征。由于测线上的出露地层及构造部位的差异，其信噪比存在较大差别。以测线大号段(砂泥岩出露区)为例，通过估算，志留系(500～2000m)，有效覆盖次数8～33次；寒武系(2000～4000m)，有效覆盖次数33～66次，两套目的层地震反射同相轴连续性较好，波组特征清晰。同时我们还注意到，在信噪比更高的地区，更低一点的覆盖次数也是可行的。在鄂西砂泥岩出露区，保证页岩气勘探目的层志留系有效覆盖次数在15～30次，寒武系、奥陶系有效覆盖次数30～60次，即能满足勘探的基本要求。

图4 鄂西地区穿过地表不同岩性出露区的一条地震测线叠加剖面

以上的讨论主要是针对砂泥岩出露为主的区域，即通常所说的高信噪比地区。而对于灰岩出露区，即通常所谓的低信噪比地区，单纯通过加大偏移距提高覆盖次数同样不会达到理想效果。在鄂西地区还进行了更高覆盖次数的采集对比试验，以了解120次以上覆盖的资料品质变化情况。资料采集采用了7190-10-20-10-7190，炮间距40m的观测形式。通过不同最大偏移距叠加方式实现135次、160次、180次覆盖叠加对比。研究发现，当炮间距不变时，随着最大偏移距的缩小，覆盖次数逐渐降低，剖面品质无明显变化。问题的根源在于目的层埋深较浅时，最大偏移距的变化对目的层有效覆盖次数影响较小。由此可以认为，通过过大偏移距实现的高覆盖次数在该区的页岩气勘探中并无实质意义。

单纯通过加大偏移距提高覆盖次数不会达到理想效果，而采用宽线地震勘探方法不失为一种有益的选择。图5为鄂西某工区三叠系灰岩裸露区宽线采集剖面对比(单线设计覆盖次数120次，根据估算较浅的二叠系覆盖次数约为33次)。由图可知，随着覆盖次数的增加(其实质是提高了较浅目的层的有效覆盖次数)，剖面品质得到明显改善。步长城等[10]认为覆盖次数增加与信噪比呈非线性关系递增，覆盖次数到一定数值之后，信噪比增加缓慢。就图5而言，通过宽线采集使鄂西低信噪比地区目的层有效覆盖次数达到60次以上(即双线接收，覆盖次数达到240次)，资料品质有较大改善。同时宽线采集在压制干扰、优选激发点等方面也具有独特的优势[11]，有利于改善低信噪比地区的地震资料品质，在页岩气勘探中值得推广应用。

图5 宽线采集33次(a)、66次(b)及99次(c)目的层有效覆盖次数的剖面对比

3 激发参数分析

3.1 鄂西地区不同岩性激发单炮特征

激发参数即井深和药量的确定，一方面关系到资料采集的质量，另一方面直接关系到采集作业成本。鄂西地区地表出露岩性基本上可分为灰岩和砂泥岩两大类。从地震激发的角度来说，砂泥岩无疑比灰岩有利许多，该区砂泥岩中激发原始记录有效反射能量强，优势频带5～80Hz；而灰岩中激发记录的能量、频率特征明显较砂泥岩差，且不同地质年代灰岩中的激发效果还有一定的差异。通过对比分析近年来灰岩激发地震资料，大致有以下两方面的认识。

1) 能量方面：从强至弱的排序为寒武系灰岩、奥陶系灰岩、三叠系灰岩、二叠系灰岩。

2) 频率方面：寒武系灰岩、奥陶系灰岩、三叠系灰岩中激发视频率均较高，优势频带在5～80Hz；二叠系灰岩中激发视频率较低，优势频率5～35Hz。

3.2 勘探目的层对激发参数的要求

就分辨率而言，鄂西地区页岩气主要目的层的厚度一般为20～150m。以该区页岩层速度4500～6000m/s,分辨厚度30m的页岩层为门槛值进行估算，则需要保护的最高频率为37.5～50.0Hz。也就是说，从分辨页岩层的有效厚度来说，除二叠系灰岩外，其它出露的岩性均能满足地震激发的基本要求。

就信噪比而言，提高激发能量和降低激发原生干扰是关键。针对不同的页岩气目的层，由于上覆地层不同，激发岩性存在差异，地震资料的信噪比差别较大。

3.3 不同出露岩性的激发参数优选方案

3.3.1 砂泥岩

通过对近年来采集资料的分析，认为随着井深的不断增加，围岩速度的增大，激发频率也会相应提高，当围岩速度达到一个相对稳定值时(一般为2500～2800m/s)，能量及频率的变化也相对较小。这个相对稳定的值就是地震采集中所谓地震激发的“高速层”速度。鄂西地区的低、降速带厚度通常在2～8m之间，实际施工中考虑激发药柱的长度和爆破作用半径[12]，激发井深一般12～16m即能满足要求。图6是鄂西地区砂岩区激发井深试验的结果，从图中可以看出志留系砂岩中12m以上井深的频率及能量较为稳定。

激发药量在16kg左右是近年来在鄂西地区勘探中的主流参数，也在多次试验中得到验证。图7 为鄂西地区勘探项目中完成的的志留系砂岩区激发药量试验的结果(井深16m)，从图中可以看出，随着激发药量的增大，激发单炮记录品质逐渐提高，16kg以上资料品质较好。

3.3.2 三叠系灰岩

在鄂西地区，三叠系灰岩出露区勘探的主要目的层为二叠系大隆组或是龙潭组及志留系龙马溪组(埋深在4500m以内)。志留系目的层信噪比较高，激发过程中应主要考虑浅层二叠系目的层资料信噪比的提高。在近年常规油气的勘探中，灰岩区多采用深井大药量的激发方式。而就鄂西页岩气勘探而言，这种方式不能满足经济勘探的要求。周刚等[13]认为灰岩区激发井深不是第一位的因素,超大井深并不能改变灰岩区激发的实质效果。图8为鄂西地区三叠系灰岩出露区不同井深激发试验单炮记录对比，从图中可以看出，灰岩试验点12m以上井深激发资料品质稳定。在药量的选择上，应考虑灰岩是一种刚性介质，激发过程中会产生较大的爆炸能量，但同时也会引起严重的岩石破碎和塑性形变，消耗大量的激发能量，只有少部分能量转化为有效弹性波，其能量的转化率比砂泥岩低[14]。图9是鄂西地区三叠系灰岩出露区不同药量激发试验单炮记录对比，从图中可以看出，14～16kg药量激发有效保证了激发能量及资料信噪比。近年在该区页岩气勘探地震采集中采用这一参数取得了较好的资料效果。

图6 志留系砂岩出露区井深8m(a)，10m(b)，12m(c)，16m(d)及22m(e)激发的单炮记录(30～60Hz分频)对比

图7 志留系砂岩出露区12kg(a)，14kg(b)，16kg(c)及18kg(d)药量激发的单炮记录(30～60Hz分频)对比

图8 三叠系灰岩出露区6m(a)，8m(b)，12m(c)，18m(d)及24m(e)井深激发单炮记录(30～60Hz分频)对比

图9 三叠系灰岩出露区12kg(a)，14kg(b)，16kg(c)及18kg(d)药量激发单炮记录(30～60Hz分频)对比

3.3.3 二叠系灰岩

一般来说，二叠系灰岩出露区的勘探主要目的层为志留系龙马溪组，局部地区也包含二叠系大隆组或是龙潭组。如前所述，二叠系灰岩中激发资料不论是能量方面还是优势频带方面都是相对不利的，这是由二叠系灰岩本身的地质演化背景决定的。二叠纪处于地壳运动的活跃期，为印支海西构造旋回的印支期，处于扬子构造体系的鄂西地区同样经历了复杂的构造运动。一方面，鄂西地区二叠系地层出露的大多数地区断层发育，地层破碎；另一方面，部分二叠系露头灰岩遭受风化作用和溶蚀作用强烈。因此，在实际地震采集激发过程中，除保证足够的井深(12～16m)和药量(14～16kg)外，更应注重“五避五就”原则在优选激发井位中的作用[15]，尽量弥补“先天不足”，以改善激发效果，这是二叠系灰岩出露区地震采集施工的关键。

3.3.4 奥陶系、寒武系灰岩

奥陶系、寒武系灰岩出露区的勘探主要目的层为寒武系牛蹄塘组。近年来采集的资料显示，奥陶系、寒武系灰岩中激发的单炮记录能量强、频率高。但在野外生产中，采用上述灰岩地层的激发参数常发现单炮记录中存在井口干扰。图10为鄂西地区存在井口干扰单炮记录的典型面貌，初步分析其原因为井口崩裂垮塌。针对这一问题，实地查勘发现风化且呈块状老地层基岩出露的地带这种井口干扰现象频发。为此开展了大量的试验工作，图11为针对井口干扰进行的药量对比试验单炮记录。通过试验发现，对于这些特殊地区应适当降低激发药量，单井药量不宜大于12kg，以减少井口次生干扰对资料品质的影响。增加井深固然同样可以克服井口干扰，但仅为减少井口干扰而增加井深，经济实用性不强。

图10 老地层基岩出露地带存在井口干扰的单炮记录面貌

图11 针对井口干扰的12kg(a)，14kg(b)及16kg(c)药量激发(井深16m)试验单炮记录(30～60Hz分频)对比

4 结论与认识

1) 鄂西地区页岩气勘探地震资料采集的最大炮检距应控制在6000m以内，以满足不同目的层兼探的需要，实现经济勘探。

2) 覆盖次数的选取方面：在砂泥岩出露区，砂泥岩目和层有效覆盖次数达到30次、灰岩目的层有效覆盖次数达到30～60次即可；在灰岩出露区，可通过采用宽线采集提高目的层的有效覆盖次数，保证目的层有效覆盖次数60次以上。

3) 针对不同的地层出露区有效地、经济地选择激发参数，一般可采用井深12～16m,药量14～16kg的激发参数；寒武系、奥陶系老地层出露区药量应控制在12kg以内。

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(编辑：朱文杰)

Analysis on the main seismic acquisition parameters for shale gas exploration in western Hubei Province

Liu Baolin,Liu Junsheng,Wang Jianbin

(JianghanBranch,SinopecGeophysicalCooperation,Qianjiang433199,China)

The western Hubei Province is the potential zone for shale gas exploration,which is characterized by different buried depth of muti-layer targets,variable surface lithology and complex subsurface structures,etc.In order to achieve simultaneous prospecting of multi-layer targets and effective economic exploration in this region,by forward modeling,combining with the actual seismic data,we analyzed the main seismic acquisition parameters including maximum offset,fold and shooting factors,and proposed the valuable range of maximum offset and fold.By systematic testing,the shooting parameters of all outcropped formations were identified.

seismic acquisition,maximum offset,fold,shooting parameters,wide-line seismic survey

2014-02-10;改回日期：2014-07-28。

刘保林(1961—)，男，高级工程师，主要从事地球物理勘探应用研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)02-0188-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.010