湖南保靖页岩气区块地震勘探采集技术研究

2021-01-09符超

工程地球物理学报 2020年6期

符超

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 102211;2.北京市页岩气勘探开发工程技术研究中心，北京 102211)

1 引言

湖南保靖页岩气区块主体位于湖南省湘西自治州保靖县境内，邻近分布着酉阳东区块、龙山区块、花垣区块、永顺区块和桑植区块等页岩气探矿权区，是当前国内页岩气勘探的热点和难点地区[1,2]。南方海相碳酸盐岩地区具有巨大的油气资源潜力和前景，但是地表大面积灰岩出露给地震波的激发和接收带来了一系列难题，严重制约了南方海相碳酸盐岩地区未来的油气勘探[3,4]。

湖南海相页岩气油气勘探程度低、埋深大，地形高差大，地表大面积出露碳酸盐岩，风化剥蚀严重，低降速带横向变化大，表层地震地质条件复杂[5-7]。为了有效克服上述情况，在湖南保靖的二维地震勘探中，首次在该区采用数字检波器、单点小道距、长排列的高覆盖、高密度、高分辨的采集技术方法，取得了较高品质的采集资料。

2 研究区概况

区块处于中扬子准地台西缘、湘鄂西隔槽式冲断褶皱带内的宜都—鹤峰复背斜南部，东南部跨入桑植—石门复向斜之内。由八面山向斜东翼、隆头镇背斜、马蹄寨—野竹坪向斜和雪峰山隆起的西部组成，主要以马蹄寨—野竹坪向斜为主要的构造单元，在雪峰山隆起与马蹄寨—野竹坪向斜交汇处发育保靖-慈利断裂带(图1)。

地层由老至新出露元古界震旦系、下古生界寒武系、奥陶系、志留系、上古生界泥盆系、二叠系、中生界三叠系及第四系，上古生界缺失石炭系。除震旦系及部分寒武系未出露外，其它地层均有出露。区块共计部署了378 km的二维地震测线，8条垂直于构造的测线，4平行地层走向的联络线(图1)。

图1 保靖页岩气区块地质与二维地震测线Fig.1 Geological and 2D seismic survey map in Baojing shale play

3 页岩气地质条件

保靖区块位于的中上扬子地区，从震旦纪到早侏罗世发育多套烃源岩，下寒武统牛蹄塘组、下志留统龙马溪组是保靖区块页岩储层发育的主要层位[8]。

其中，牛蹄塘组以黑色碳质页岩为主，底部为硅质岩，其次为碳酸岩，本区出露较少，埋深在1 000～5 000 m。已完钻探井资料显示，牛蹄塘组岩性致密，孔隙度低，无良好储集空间，构造复杂，发育构造破碎带，不利于页岩气的保存，页岩成藏性差，已不具勘探价值。

龙马溪组下部发育一套黑色富有机质页岩夹少量薄—中层状石英砂岩、石英粉砂岩，优质页岩储层TOC大于2 %，厚度在20～60 m之间。在马蹄寨向斜部位发育，背斜和隆起区地层大部分缺失，埋深在0～3 000 m。页岩储层自下而上划分为龙一段、龙二段和龙三段，其中龙一段的一亚段和二亚段为主要含气页岩段，实钻相对含气量较高。且气体组分甲烷含量较高[9]，是本次二维地震勘探的主要目的层。

4 采集难点及技术思路

勘探目的层志留系龙马溪组、寒武系牛蹄塘组页岩，在不同构造部位埋深跨度较大，观测系统选择难度大。其中牛蹄塘组黑色页岩全区分布，埋深在1 000～5 500 m，下志留统龙马溪组黑色页岩埋深在0～2 500 m。从采集地震剖面上可以看出，在不同的构造地段，其埋藏深度差异也大。以5 995-5-10-5-5 995、满叠75次观测系统为例，在地层水平情况下，对埋深375 m地层的有效覆盖次数仅7次，对埋深2 250 m地层有效覆盖次数仅28次，考虑到向斜两翼地层倾角约在8～25°，实际有效覆盖次数可能更低(图2)，采集面临局部地段低覆盖等不均匀问题。

图2 不同埋深地层对应的有效覆盖次数Fig.2 Effective folds in different depths

工区自北西向南东方向依次由隆头镇背斜-马蹄寨野竹坪向斜及保靖-慈利断裂带组成；整体构造方向为北东向，工区内的断层都是多期活动或递进变形的产物，在构造的不同部位，地层倾角变化较大，构造复杂。对本次采集的影响有以下两个方面：一是在向斜、背斜等地层褶曲部位，地震波场复杂，各种绕射及散射情况发育，部分地段会产生侧向干扰；二是在断裂及构造破碎带附近，地震波传播路径畸变，能量散射严重，无法有效下传。同时反射界面错断倾陡，导致反射波组非双曲线。

区块内主要出露寒武系、奥陶系、二叠系和三叠系灰岩，面积占整个工区的48 %左右(图3)。起伏剧烈、严重非均质的地表特征造成地震波激发接收条件很差，近地表地层大量吸收地震激发的能量，不仅会造成地震波传播路径和地震波波场的复杂性，同时也会产生各种类型的强能量干扰波，进而导致原始单炮记录信噪比的降低和横向上的明显差异，从单炮上看，主要强能量噪声类型有多组面波、折射波、散射波及其多次波。同时地表条件变化剧烈，地表一致性和静校正问题突出。

为有效克服以上覆盖不均匀，构造破碎复杂对成像影响及严重的地表激发和接受条件，同时考虑本区大高差等地形因素特点，计划采用单点小道距、高密度观测，通过提高对地质目标体的镜像“像素”来提高对较小地质目标体的空间分辨能力。

图3 不同年代地层出露比例Fig.3 Propotion of different strata outcropping in different geologic time scale

5 关键采集技术

针对工区地形及地质构造复杂等特点，本次二维采集主要使用了数字检波器接收、全区微测井表层结构调查、单点小道距的高密度观测采集关键技术。

5.1 激发方法

工区由一个向斜和两个背斜组成，中间地层新，两边地层老，形成在宜都—鹤峰复背斜背景下的复向斜或复背斜构造格局(图1)。从不同地表类型、不同年代地层和不同构造部位三个方面，分别在向斜构造部位灰岩出露区及西部背斜构造区砂岩出露区部署试验点(图1中五角星位置)。工区出露志留系、三叠系、二叠系、奥陶系和寒武系等多套地层，出露岩性以灰岩和砂岩为主，不同地层对地震波能量的吸收衰减存在较大差异(图4)。

中-下志留统砂岩岩层中激发获得多套有效波反射波组，目的层下志留统龙马溪组页岩和下寒武统牛蹄塘组页岩反射能量强，反射内幕特征明显，信噪比高。中泥盆统云台观组砂岩及下三叠统大冶组灰岩次之，反射波组连续性稍差。中下二叠统再次，能见反射波组，信噪比降低。奥陶系和寒武系灰岩相对其它较差，少部分地段，反射内幕断续、杂乱，呈现低频特点，这也反映了地震波在老地层灰岩中能量散失加快，地层对高频信号吸收作用强。20～60 Hz分频扫描显示时可见到部分有效反射(图4)。综合多组试验结果，确定工区砂岩区井深16 m，炸药10 kg；灰岩区设计井深20.5 m，炸药18 kg。

工区采用1个/3 km点密度进行微测井，共部署146个。微测井资料显示D02线桩号1 750～6 800段，低降速层厚度2～15 m，低速层速度320～1 200 m/s，降速层速度1 300～2 100 m/s，高速层速度2 100～5 900 m/s(图5)，低降速层局部变化较为剧烈。

图4 不同岩性激发单炮记录对比Fig.4 Shot records in different source position

图5 D02线速度变化曲线Fig.5 Velocity curve of line D02

5.2 接收方法

此次采集选用的Sercel公司的DSU1型数字检波器，DSU1型体积小，质量轻，布设简便，与地面耦合度高，兼具宽频和高保真的优点，成像时间和空间分辨率较高，其具有宽频带的线性幅频响应的特点(图6)。数字检波器的自然频率远远小于地震信号的频率；而模拟检波器是速度检波器，期相应的频率范围位于自然频率以上，自然频率以下的部分会严重衰减。数字检波器在地震信号的有效率带范围内具有相同的响应特征，更容易无失真地记录低频信号(小于10 Hz)，采用数字检波器接收地震资料分辨率更高。

数字检波器的振幅特性随着频率变化范围很小，幅值很稳定，适宜在采集宽频信号(图6a),零相位特性比模拟检波器具有很高的优越性(图6b)。单炮记录显示龙马溪组及牛蹄塘组目的层(图6c)反射波清晰，能量较强，信噪比较高，龙马溪组和牛蹄塘组主频分别为47 Hz和31 Hz(图6d)，主频较高，有利于后期处理处高信噪比地震剖面。综合考虑成本、施工效率及采集质量，选取单点数字检波器完成本次采集任务。观测系统主要参数为：道距10 m，炮距80 m，接收道数1 200道，覆盖次数75次。

针对工区地形复杂、目的层埋深跨度大、出露多套地层，岩性差异大，设计了单点小道距、高密度、大排列接收观测系统。设计1 440道的较大接收排列，消除地层倾角起伏的影响。覆盖次数设计为75次，信噪比较高。小道距接收提高了横向分辨率，有利于后期处理中信噪分离；有利于近地表建模，提高静校正精度。单点小道距接收资料道组合比野外检波器直接组合更合理，效果更好。在后期偏移处理中，小道距接收资料镶边效应较小，有利于断点绕射偏移归位。

图6 检波器原始记录及频谱分析Fig.6 Geophone original record and its spectrum analysis

6 应用效果

D03线最终处理偏移剖面波组特征明显，志留系砂岩激发和寒武系灰岩激发的反射波组齐全，波组连续性较好。浅、中、深层能量均衡，层间信息丰富，信噪比、分辨率较高(图7)。桩号1 000～2 500显示的隆头镇背斜构造特征清晰，桩号2 500～6 000显示的马蹄寨野竹坪向斜明显，向斜轴部受构造应力作用，岩石破碎，无有效信号，信噪比较低，两翼形态较为清楚，页岩气目的层龙马溪组及牛蹄塘组层位清晰，同相轴连续，全区可追踪，为后期部署页岩气探井及水平井提供了高质量的地震资料。