页岩气地震勘探资料采集方案

石双虎，魏　铁，张翊孟，汪长辉，郭振兴

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072751)



页岩气地震勘探资料采集方案

石双虎，魏铁，张翊孟，汪长辉，郭振兴

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072751)

摘要：根据页岩气的特点及开发过程中需要解决的问题，就页岩气地震资料采集设计技术进行了探讨。在地震资料采集设计中，首先基于勘探区的表层结构数据及地下地质结构等信息进行采集参数论证，从岩性、井深、药量和激发频率、最大炮检距、面元尺寸、道间距、检波器组合等方面进行论证，并讨论了各项因素的相关关系；对覆盖次数、宽方位、高分辨率等观测系统参数进行了讨论。结果显示，页岩岩性、厚度、组分、应力、裂缝密度和方位，以及总有机质含量等的变化导致地震资料复杂，要求页岩气地震采集资料有最高的分辨率。针对有开发价值的页岩气藏，可进行宽方位、高精度的地震资料采集。此外页岩气地震勘探开发应考虑节约成本，重点从道距、覆盖次数和药量等方面进行优化。

关键词：页岩气；地震勘探；采集设计；成藏机理

中国含油气盆地中页岩分布广泛，页岩气富集地质条件优越，具有良好的勘探和开发前景[1-5]；但我国页岩气勘探开发起步较晚，目前还处在探索阶段，页岩气地震勘探开发也处于起步阶段。

页岩气地震资料采集设计需要根据页岩气的成藏机理及成本统筹考虑，在实现地震资料“采集、处理、解释一体化”前提下，做好精细表层结构调查，优化激发、接收及组合参数，选择合理、有效的观测系统，包括面元大小、道间距、覆盖次数、最大炮检距等。总之，在经济允许的前提下，保证最大限度地提高地震资料的分辨能力。在页岩气地震勘探开发中，一般采用宽方位、高密度三维地震勘探方法，寻找“甜点”区，改善开发效果。条件具备时可使用多分量勘探，以便对页岩的脆性及裂缝分布有更深入的认识。在页岩气开发中水平井钻井已成为常规手段，若无三维地震指导水平井钻井，可能会导致水平井钻出地层或直接在断层处报废。利用三维地震研究页岩地质条件、裂缝、地应力、脆性等情况对指导水平井钻井及压裂投产，具有重要的现实意义。

1 页岩气特点

页岩是由细粒碎屑、黏土、有机质等组成，具页状或薄片状层理，且易碎裂的一类沉积岩。其矿物成分复杂，具有较强的各向异性。页岩气是以吸附和游离状态赋存于页岩储层的天然气。页岩气具有以下特点：

(1)低孔、低渗。一般页岩均为低孔、低渗(孔隙度为4%～6%，渗透率小于0.001mD)，开发页岩气必须实施储层压裂改造。

(2)脆性、有机质丰度和杨氏模量较高，泊松比较低。

(3)具有较强的各向异性。页岩具有层理、片理等结构，组成矿物颗粒大小不同、组合方式各异，造成页岩中具有不同层次的结构构造，以及结构构造的定向排列，使其强度和弹性具有明显的各向异性。

(4)页岩气成因具有多样性。页岩气成因包含了几乎所有可能的有机生气作用，包括生物气、未熟—低熟气、成熟气、高—过成熟气、二次生气、生物再作用气及沥青生气等复杂成因。

(5)页岩中的天然气赋存相态多样。页岩中的天然气赋存相态包括游离态、吸附态及溶解态。

(6)成藏模式为“生、储、盖”一体。页岩既是烃源岩又是储层，具有典型的过渡性成藏机理及“自生、自储、自封闭”成藏模式，弱化了天然气二次运移的影响。

(7)页岩气分布的地质影响因素多样。页岩气分布受构造背景与沉积条件、页岩厚度与体积、有机质类型与丰度、热演化历史与有机质成熟度、孔隙度与渗透率、断裂与裂缝及构造运动与现今埋藏深度等因素的影响。这些因素是决定页岩气开发价值的基础。

2 地震勘探作用

页岩厚度、组分、应力和裂缝密度、方位及有机质含量等的变化常导致其地震响应复杂，要求地震勘探开发要有较高的分辨率和采样率。页岩气地震勘探开发需要认识页岩气构造、成藏背景、生气潜力等，从而再进行“甜点”分析，目的是评价页岩气目的层，为整体、高效开发页岩气获取准确的资料。

页岩气地震勘探开发主要通过地震反射波来识别页岩分布，获得断裂展布规律，寻找连续、稳定的页岩区块，获得页岩基本参数。页岩气产量较高的地区一般具有“四高、两适、一匹配”，即高有机碳含量(TOC)、高厚度、高孔隙度和高渗透率；适当的热成熟度(Ro)、适当的埋深，以及裂缝、湿度、温度、压力等要素良好的匹配[6-10]。

页岩气地震勘探有如下具体作用：

(1)认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带。

(2)精确划分岩性圈闭保存条件。

(3) 确定页岩埋深，页岩埋深可以通过时深转换获得。

(4) 通过地震反演及多种地震信息融合技术预测优质页岩厚度分布情况。

(5)提供储层物性参数。

(6)查明页岩层的构造、断裂分布。利用高精度三维地震成像技术可查明页岩的构造；通过相干分析技术、地震属性分析、层间切片等可以预测页岩裂缝情况，从而提高探井和开发井的成功率。

(7)提高裂缝方位和密度的识别效果。

(8)脆性分布：通过三维地震或多分量三维地震可以加深对页岩脆性分布的认识，从而评估页岩气的EUR(预测页岩气最终采收率)，对井位进行优化。

(9)确定页岩的岩石力学特征。

3 地震资料采集方案设计

3.1 地震采集参数

页岩地层上、下围岩的地震传播速度不同，其顶、底界面会产生较强的波阻抗界面，结合录井、测井等资料识别页岩，进行构造描述并不难，但要求地震记录的主频必须足够高，才能对页岩储层的岩性圈闭及保存条件进行精确的划分。

结合页岩气勘探的地质任务，基于勘探区的表层结构数据及地下地质结构等信息进行采集参数论证分析，进而为野外地震勘探开发提供最佳的采集参数。通过对激发、接收参数的试验攻关，优选技术性与经济性兼备的采集参数。采集参数论证主要从地震激发参数、接收参数及组合参数等方面进行(图1)，全面分析这些要素对页岩地震资料的影响程度。

3.1.1 岩性

通过表层调查，确定高速层厚度，确保在高速层以下的最佳岩性中激发，取得最佳资料。井深的差异本质上并不能影响地震资料的品质，但岩性的变化会给资料带来较大的差异[9]。

3.1.2 井深

井深的变化对主频的影响非常明显。理论上激发点在强波阻抗界面下1/4的低速带波长处时，虚反射与有效波同相叠加能够产生振幅与频率较高的子波。由于低速带波长难以精确确定，激发井深需要根据地质任务通过试验来确定。

3.1.3 药量和激发频率

药量的选择以能提供足够的下传能量为标准，页岩气较常规油气勘探通常目的层较浅，所以一般采用小药量、高主频激发。一方面减少因能量太高造成的次生干扰，另一方面也减轻了页岩气勘探成本压力。小药量激发使信号频谱中主频高，压制声波和面波干扰，使接收点处的质点产生小变形和小位移。遇到砂质土或腐质土，或随机干扰增大时，药量要加大。

在页岩气地震勘探开发中，根据目的层深度及反射时间，针对不同深度，进行模拟分析，确定最有利的激发参数。

3.1.4 最大炮检距

炮检距是页岩气地震观测系统设计中最重要的一个接收因素，其与动校拉伸、速度精度、反射系数、干扰波的压制、视波长、多次波的消除都有关系。这些因素中，动校拉伸和速度精度决定了最大偏移距的基本范围。

一般而言，最大炮检距必须与主要目的层的深度相当，即：

drsmax≤(0.7-1.5)dobj

(1)

式中drsmax——最大炮检距；

dobj——勘探目标。

另外，也要考虑最大炮检距同速度精度的关系。地震资料处理时，要求反射同相轴的双曲线有一定的长度，否则很难拟合出准确的速度，因此，一定的远偏移距是保证速度拾取精度的基本条件。速度精度与排列长度关系如下：

(2)

式中t0——双程旅行时；

fp——主频；

vrms——均方根速度；

Δv——速度误差，其值不宜高于6%。

在资料处理时，动校正在大偏移距处会使波形发生畸变，设计时排列长度要考虑浅、中层有效波动校拉伸情况，使其限制在一定的范围内。

(3)

式中Dnmo——动校拉伸量，一般而言，其值应低于12.5%。

对于页岩气而言，AVO(振幅随偏移距的变化)分析具有非常重要的作用，而AVO分析与大偏移距数据有着密切的关系，大偏移距数据包括AVO异常。通过AVO分析可从长偏移距数据中提取可靠的密度信息，从而帮助区分气层和含气水层[11]。因此最大炮检距要采用长偏移距。

3.1.5 面元尺寸

面元尺寸的确定要考虑目标尺度、最高无混叠频率和横向分辨率3个因素，根据其中的最小值进行确定。

首先，面元尺寸dcmp要保证勘探目标dobj有2~3道采样，即：dcmp

面元尺寸要保证主频Fdom的波场内至少有两个样点，即受地层速度vint和信号主频的约束为：dcmp

由于页岩气勘探目标一般较浅，因此一般采取小面元地震。

3.1.6 道间距

道间距dr要满足空间采样定律，即道间距必须在一个波长内至少有两个采样点，即：dr≤vint/(4Fmaxsinθ)。

在页岩气勘探中，由于后期开发井位布置对裂缝的预测精度要求较高，因此对阵记录的横向分辨率要求高，要求页岩气地震勘探采用小道距进行，由此不可避免地增加了勘探费用。

3.1.7 检波组合

检波组合的目的是根据统计效应来压制面波，利用面波与有效波在传播方向上的差异来提高资料的信噪比。

页岩气目的层的埋深较常规油气藏较浅，使得有效反射波往往淹没在面波、直达波、多次波和环境噪声等强干扰里。因此给定一个工区后，要进行数字检波器抗干扰调查，根据调查结果优先组合串数、基距和图形等，单点接收一般不做考虑。

3.2 观测系统设计

3.2.1 动态观测系统

页岩气勘探目的层埋深一般较浅，在陡倾角构造带，采用加大排列长度的观测系统，对于平缓地带，降低排列长度同样可以获得较好的资料。

观测系统的参数设计要根据地质任务、地质条件、表层条件、设备情况、生产效益及成本综合分析。设计的原则是便于野外施工和采集精度控制，有适当的最大炮检距和非纵距，尽量保持均匀的炮检距、方位角和覆盖次数[10]。

在条件允许的情况下，可以使用动态观测系统，即在地层相对平缓地带和高陡构造带采用不同的接收道。反射波法测线最好设计为直线，主测线应与岩层或构造走向相垂直，尽可能与钻探线或其他物探测线一致。

3.2.2 覆盖次数

较高的覆盖次数能提高资料的信噪比及成像质量，但也增加了经济成本。覆盖次数F确定应遵循信噪比SNR高，递增速度较快的原则[12]，即：F=C(SNR)2，其中，C为常数。

由图2可以看出，覆盖次数越大，则信噪比也越大。常数C可以根据统计或经验方法获得，根据图中的斜率选取相应的覆盖次数。

3.2.3 宽方位

页岩具有强烈的各向异性，原因是片理及物性在横向(HTI)、垂向(VTI)或任意方向上(TTI)存在差异。页岩任何地震数据都受强各向异性影响，因此页岩地震资料的采集、处理和解释必须将各向异性纳入其中。利用宽方位设计可以确定页岩各向异性参数。

3.2.4 分辨率

页岩气藏埋藏浅、波阻抗低、反射弱，要求对地震勘探资料进行保幅和提高分辨率处理；保护地震资料中“隐藏的”小断层及储层弱信息，有效提高优质页岩和可能的薄砂体的识别能力和精度。在页岩气勘探开发中，不仅在垂向上对页岩厚度分辨能力有较高的要求；在水平方向上，水平井也对页岩展布的分辨能力提出了高要求。

页岩气的勘探开发必须考虑到页岩的脆性，脆性越好，造缝能力越强，易产生高产气流[13-15]。页岩的脆性指数公式为：

B= (Q石英) / (Q石英+ Q碳酸盐+ Q泥质)

(4)

式中B——脆性指数；

Q石英——石英含量；

Q碳酸盐——碳酸盐含量；

Q泥质——泥质含量。

脆性指数也可用如下公式计算[16]：

B=(Q石英+Q白云石) /(Q石英+Q白云石+

Q碳酸盐+ Q泥质+ QTOC)

(5)

式中Q白云石——白云石含量；

QTOC——页岩有机质含量。

页岩气的成功开发离不开对页岩关键因素的正确认识，包括对脆性和裂缝位置的认识。在进行页岩气藏刻画中，应用三维高分辨率地震或三维多分量地震得到泊松比σ、杨氏模量E或纵横波速比vP/vS。泊松比指示岩石的拉伸，高泊松比代表岩石韧性强，低泊松比代表岩石脆性好[17]。纵横波速比与泊松比有直接的关系[18]，即：σ=[(vP/vS)2-2]/[2(vP/vS)2-2]。

从图3可以看出泊松比与纵横波速比属性图基本类似。纵横波速比分布有助于描述不同的岩性，低值代表砂岩区，高值代表泥岩区。

4 结论及认识

(1)页岩气地震采集需根据其地质任务进行优化设计。若仅为页岩气勘探选区提供方向，则用二维地震资料采集即可；若要进行页岩气开发则需要三维地震资料采集对页岩储层进行全方位的精细刻画。

(2)利用三维地震资料采集研究页岩裂缝、地应力、脆性等情况，与水平井有效结合可增加页岩气产量。

(3)页岩厚度、组分、地质力学、应力、裂缝密度和方位，以及有机质含量等的变化导致地震响应复杂，要求地震资料采集有最高的分辨率和采样率。一旦确定某页岩气藏有开发价值，宽方位、高精度的地震则必不可少。

(4)在保证获得高品质地震资料采集方案的前提下，页岩气地震勘探开发采集参数应尽量节约成本，重点考虑道间距、覆盖次数和药量等方面的优化。

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On Seismic Acquisition Proposal for Shale Gas Exploration and Development

Shi Shuanghu, Wei Tie, Zhang Yimeng,Wang Changhui, Guo Zhenxing

(BGPINC.,CNPC,Zhuozhou,Hebei072751,China)

Abstract:According to the characters of shale gas and the problems to be solved during development, we discussed seismic data acquisition and design technology for shale gas. In seismic data acquisition and design, we firstly demonstrated acquisition parameters on the basis of such information as surface structure data and underground geologic structure in exploration areas in terms of lithology, well depth, charge and excitation frequency, maximum offset, bin size, track pitch and detector array, and discussed their relationship. We also discussed the fold number, wide azimuth, high resolution and other observation system parameters. Results indicated that shale lithology, thickness, components, stress, fracture density and azimuth, and total organic matter change led to complicated seismic data. So shale gas seismic acquisition data were required to have the highest resolution. For shale gas reservoir of development value, wide-azimuth and high-resolution seismic data acquisition could be carried out. In addition, shale gas seismic exploration and development should take saving cost into account and laid emphasis on track pitch, fold times and charge for optimization. It is significant for discussion that seismic acquisition operation in the complex lithology and structure area is more scientific reasonable.

Key words:shale gas; seismic exploration; acquisition design; reservoir mechanism

中图分类号：P631.4

文献标识码:A

作者简介：第一石双虎(1980年生)，博士，高级工程师，主要从事地震勘探数据采集技术、各向异性研究及非常规地震勘探研究工作。邮箱：dgtgha@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41364004，41104073)。