南川复杂构造带常压页岩气变密度三维地震采集技术的实践与认识

2021-11-06任俊兴赵苏城蓝加达

科学技术与工程 2021年29期

薛野，任俊兴，杨帆，赵苏城，蓝加达

(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司，南京 210019)

近年来，中国页岩气勘探开发成效显著[1-5]，四川盆地内涪陵、富顺-永川、长宁-昭通、威远等地区五峰组-龙马溪组海相高压页岩气田已成功实现规模商业开发，其中涪陵页岩气田2019年产量达 71.4×108m3；同时，渝东南盆缘转换带常压页岩气勘探也取得重要进展[6-9]。

重庆南川地区处于渝东南盆缘转换带，为四川盆地与盆外复杂褶皱带的过渡区，受齐岳山断层和南北向压扭走滑断层控制，构造改造作用强于四川盆地大部分地区，构造整体北东向展布，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩分布面积约525 km2，地层压力系数介于 1.10～1.35，参考《天然气藏分类》(GB/T 26979—2011)，为高压-常压过渡区，整体页岩气资源量约5 500×108m3。中国石化华东油气分公司自2010年开始在该区开展页岩气勘探开发工作，截至目前，已累计探明常压页岩气含气面积178.3 km2，地质储量1 989.64×108m3，可采储量397.93×108m3，证实该区具有巨大的常压页岩气勘探开发潜力。

为查明地下五峰-龙马溪组页岩空间展布特征，落实甜点区，指导井位部署与优化钻井轨迹设计，近年来高精度三维地震勘探技术在四川盆地得到大量应用。针对四川盆地东北部米仓-大巴山山前带双复杂地震地质条件，齐中山等[10]提出深井、大药量、垫桩、浸水和高灵敏度检波器、双串面积组合、电钻打眼埋置检波器的激发和接收技术以及宽方位、高覆盖三维观测技术；针对四川盆地东南部涪陵焦石坝地区灰岩裸露地表、箱状背斜构造，陈祖庆等[11]提出宽方位、小道距、高覆盖、纵横向覆盖均匀、适中排列的高精度三维地震采集观测系统设计；针对四川盆地中南部地质条件相对简单的泸州区块，周晓冀等[12]提出页岩气三维地震观测系统炮道密度应选择在42万道/km2；中国石化华东油气分公司在南川地区平桥-东胜构造带采用了宽方位(横纵比0.77)、较高炮道密度(48.75万道/km2)、高叠加次数(195次)的三维束状观测系统，获得高品质地震资料[13-16]；刘厚裕[17]、赵苏城[18]探讨了宽方位、较低覆盖次数(60次)、低炮道密度(15万道/km2)三维观测技术在四川盆地东南部武隆区块灰岩裸露地表、宽缓向斜构造区的应用效果。

南川地区地下构造复杂、断裂发育且地层倾角横向变化剧烈，总体呈现“隆凹相间”构造格局，构造类型多样；由北西向南东地表出露岩性由新生界砂岩逐渐过渡为海相灰岩、页岩，地下构造特征与地表出露岩性呈现明显的分区性。大量钻探成果显示，常压页岩气藏水平井稳定日产气量相对较低(2×104～6×104m3/d)、单井可采储量低(0.35×108～0.9×108m3)，处边际经济效益[19]；同时南川地区高大山地地表，造成地震勘探野外测量、设备搬运、钻井、下药、检波线布设以及激发等环节都异常困难，导致采集成本高昂。前期技术方法不能同时满足双复杂区高品质地震资料获取与投资成本管控的要求，需要探索研究有效、适用、经济的高精度三维地震采集方法。2020年中国石化华东油气分公司在南川地区阳春沟构造带实施三维地震勘探，采用了统一排列片接收、分区不同密度炮点激发的变密度三维观测系统设计，基于地表岩性的井炮激发与模拟检波器接收参数，基于高清航测影像的激发点位优化设计技术，加强技术针对性，改善原始资料品质，提升施工效率，同时提高采集方案的经济性。

1 南川地区地震地质条件

南川地区具有复杂近地表和复杂构造的“双复杂”特征，地震勘探难度十分大。

1.1 复杂的地下构造特征

南川地区受江南-雪峰陆内造山作用向北西方向递进扩展变形的影响，地下构造十分复杂，总体呈现“隆凹相间”构造格局，由北向南地层逐步抬升，构造类型由宽缓向斜构造过渡为高陡背斜向斜相间构造、单斜构造，从东向西控边断层规模逐渐减小。

依据五峰-龙马溪组构造特征，可分为三种构造类型：高陡构造区，紧闭高陡背斜向斜相间构造格局，页岩埋深2 000～4 000 m，地层倾角30°～60°，构造宽度1.5～4.5 km，大型逆掩推覆断裂十分发育，地震反射波场复杂、成像难度大；斜坡构造区，构造较宽缓，长度8.9～13.2 km，宽度4.2～9.1 km，页岩埋深1 500～4 000 m，地层倾角20°～40°，被大型逆掩推覆控边断层夹持，内部断层不发育，地震反射波场相对简单；向斜构造区，构造宽缓，宽度大于10 km，地层倾角10°～20°，断裂不发育，页岩埋深4 000～6 000 m，地震反射波场简单。不同地下构造地震成像对采集资料需求差异大，是决定观测系统设计方案的关键因素。

1.2 复杂的出露地层岩性

南川地区由北西向南东，随地层抬升幅度增大、剥蚀程度逐渐增强，出露地层岩性由陆相侏罗系、上三叠砂岩过渡为海相二叠系及三叠系碳酸盐岩、志留系粉砂岩及页岩；工区南部志留系地层被剥蚀，出露奥陶系、寒武系碳酸盐岩地层。不同地层岩性出露区地震激发接收效果差异大，是影响原始采集资料品质的最主要因素。

不同地层岩性出露区地震激发接收能量、频率、信噪比差异大(表1)。侏罗系、上三叠统砂岩及志留系砂、页岩出露区激发单炮信噪比高、有效波频带范围宽，原始单炮可见清晰有效反射信息；中下三叠统强刚性灰岩地层出露区激发单炮均表现为原始单炮能量衰减快、频率高、频带窄，发育强高频次生干扰、淹没有效反射信息[20]，去噪处理后见低信噪比、弱能量、连续性较差的五峰-龙马溪组页岩反射信息；二叠系泥灰岩地层出露区激发单炮常发育强低频线性干扰，导致资料信噪比极低、有效反射能量弱。

同一激发单炮的不同岩性地表排列接收资料差异大，砂岩地表排列接收资料信噪比高、反射能量强、波组特征清楚，灰岩地表排列接收资料表现为能量弱、信噪比低、反射波组特征不清的特点[21]。

表1 南川不同地层岩性出露区地震激发接收效果对比

依据激发接收效果，可将南川地区地表岩性分为两类：砂岩地表区，主要为侏罗系、上三叠统砂岩以及志留系砂、页岩等地层出露区，占比49%，地震激发接收效果好、单炮信噪比高；灰岩地表区，主要为中下三叠统刚性灰岩、二叠系泥灰岩地层出露区，占比51%，地震激发接收效果差、单炮信噪比低。

1.3 南川地区地震地质条件分区

综合考虑南川地区出露地层岩性、地下构造特征，可分为：“砂岩地表、向斜构造区”，原始资料信噪比高、波场简单；“灰岩地表、斜坡构造区”，原始资料信噪比低、波场较简单；“灰岩地表、高陡构造区”，原始资料信噪比低、波场十分复杂、成像难度大(表2)。

2 南川三维观测系统退化分析

2016年南川三维设计采用了30线6炮234道宽方位、高叠加次数三维束状观测系统：道距40 m、线距240 m、炮点距40 m、炮线距360 m、横纵比0.77、20 m×20 m面元、叠加次数195次、炮道密度48.75万道/km2，获高精度三维地震资料，查清构造格局，落实平桥背斜、东胜背斜、平桥南斜坡、东胜南斜坡等页岩气有利目标。对南川三维观测系统进行退化分析，建立了长排列、宽方位接收与变炮点密度激发的观测系统设计理念。

表2 南川不同分区地震地质条件对比

2.1 接收排列退化分析

大排列长度可加强埋深较大、陡倾角地层反射信息的获取能力。图1为南川三维不同偏移距叠前深度偏移效果剖面对比，可见随偏移距增大，平桥背斜东翼(页岩埋深3 000～4 500 m、地层倾角30°～60°)地震成像效果持续改善，最大偏移距达5 000 m时波组信噪比及连续性较好，继续增大偏移距波组信噪比改善不明显。

宽方位观测利于提高复杂构造的波场照明能力，提升成像效果[22]。南川三维最大非纵距达3 580 m，观测系统横纵比为0.77，观测方位宽。图2为南川三维不同最大非纵距叠加剖面对比，可见随最大非纵距与横纵比的增大，埋深较大的陡倾角构造翼部页岩层反射波组信噪比提高、波组特征更加清楚。

图1 南川三维不同偏移距叠前深度偏移剖面对比Fig.1 Comparison of 3D prestack depth migration profiles of Nanchuan with different migration distances

图2 南川三维不同最大非纵距叠加剖面对比Fig.2 Comparison of 3D stack profiles of Nanchuan with different maximum non-longitudinal distances

考虑南川地区复杂的构造条件，观测系统应有足够排列长度、较宽的观测方位，确保获取不同构造目标的地震反射波场。

2.2 炮点密度退化分析

高炮点密度可提高地震采样密度、增加叠加次数、提高资料信噪比[23]。利用南川三维开展炮点抽稀处理对比试验，将炮点距抽稀至80 m(原40 m)、炮点密度由69.4个/km2变为34.7个/km2，对比抽稀前后共中心点(common midpoint, CMP)道集、速度谱能量团及叠前深度偏移剖面。

图3显示中下三叠统灰岩出露区原始CMP道集地震波组信噪比低、速度谱能量团发散，将炮点抽稀后CMP道集信噪比明显下降、速度谱能量团更加发散；侏罗系砂岩出露区CMP道集波组信噪比高、波组特征清楚且连续性好，将炮点抽稀一半后CMP道集信噪比下降不明显、速度谱能量团集中。图4显示炮点抽稀后， “砂岩地表、向斜构造区”叠前深度偏移剖面品质无明显变化；“灰岩地表、高陡构造区”剖面品质严重下降，页岩目的层反射波组信噪比低、连续性差，不能满足页岩气勘探开发需求。

3 变密度三维采集观测系统设计

2020年中国石化华东油气分公司在南川地区阳春沟构造带部署实施阳春沟三维，综合考虑地表岩性、地下构造对地震采集的影响，结合不同分区的差异，形成变密度三维观测系统设计，如表3所示。

首先，为满足不同构造的复杂反射波场采样，考虑野外实施的可操作性，统一采用28线216道三维束状宽方位接收排列：40 m道距、280 m线距、排列长度4 300 m、最大非纵距3 900 m、横纵比0.91、最大偏移距5 805 m。

图3 抽稀炮点前后南川三维不同地层岩性出露区CMP道集、速度谱对比Fig.3 Comparison of CMP gather and velocity spectrum before and after thinning shot points in the outlying areas of different stratigraphic lithology in Nanchuan

图4 南川三维炮点抽稀前后叠前深度偏移剖面对比Fig.4 Comparison of 3D prestack depth migration profiles of different excitation point densities in Nanchuan

表3 南川三维与阳春沟变密度三维观测系统参数对比

其次，考虑不同分区地震原始资料信噪比的差异及不同构造成像对采集资料的要求，采用分区变炮点设计：“砂岩地表、向斜构造区”采用80 m炮点距、360 m炮线距、34.7个/km2炮点密度设计，地震叠加次数84次、炮道密度21万道/km2；“灰岩地表、斜坡构造区”采用40 m炮点距、360 m炮线距、69.4个/km2炮点密度设计，地震叠加次数168次、炮道密度42万道/km2；“灰岩地表、高陡构造区”采用40 m炮点距、240 m炮线距、104.1个/km2炮点密度设计，地震叠加次数252次、炮道密度63万道/km2。与2016年南川三维观测系统比较，阳春沟变密度三维在“灰岩地表、高陡构造区”缩小炮线距、提高炮点密度与叠加次数、增加采样密度，提高了技术针对性；在“砂岩地表、向斜构造区”增大炮点距，在确保地震成像效果不受影响条件下降低了炮点密度，减少了38%炮点、29%设备投入，节省采集工作量。阳春沟变密度三维平均炮道密度为40.3万道/km2，较南川三维降低了17.33%。

4 变密度三维地震采集

4.1 地震激发接收参数优选

阳春沟地区前期地震勘探采用16 m井深、10～12 kg炸药药量的井炮激发及DSU1单点数字检波器接收，地震采集单炮记录整体信噪比低。对此，开展了大量的激发、接收参数试验[24]，提高原始资料能量和信噪比。

形成基于地表岩性的井炮、炸药激发参数方案，提高地震激发能量：侏罗系、上三叠统砂岩以及志留系砂、页岩出露区采用21 m井深、14 kg炸药药量，中下三叠统刚性灰岩出露区采用23 m井深、16 kg炸药药量，二叠系泥灰岩出露区采用25 m井深、18 kg炸药药量，炸药类型选择采用爆速为5.8×103m/s的高密度铵锑炸药。为加强噪音压制能力、提高原始资料信噪比，形成基于地表岩性的不同串数模拟检波器组合接收方案：侏罗系、上三叠统砂岩以及志留系砂、页岩出露区采用1串12个20DX-10 Hz模拟检波器圆形面积组合接收，组合半径1.5 m；二、三叠系灰岩出露区采用2串24个20DX-10 Hz模拟检波器同心圆面积组合接收，内圆半径0.5 m、外圆半径1.5 m；要求组合高差小于1 m。

对比阳春沟地区前期二维与2020年变密度三维不同地层岩性出露区同点激发单炮(图5)，可见激发接收参数优化后采集单炮记录整体能量更强、目的层反射波组信噪比更高。

图5 前期二维与变密度三维不同地层岩性出露区同点激发单炮对比Fig.5 Comparison of 2D and variable-density 3D seismic single shot on sandstone surface in Yangchungou area

4.2 激发点位优化设计

南川地区复杂地形使激发效果差异大，地震子波变化剧烈、一致性差；风化垮塌区、松散堆积物集中的谷底、地下溶洞、砾石区、地表裂隙以及煤矿采空区等复杂地表的广泛分布，使得激发能量衰减和散失严重，且伴生严重的散射和次生干扰；零散但广泛分布的地质灾害点、水源点、房屋以及高压线等障碍物识别难度大、安全风险高，对激发点位布设、炸药药量设计提出严峻挑战。采用高清航测影像、“双复杂”模型正演、“全局寻优”激发点优化技术，提高地震采集效果。

首先，开展高清航测影像，以正射影像(digital orthophoto map, DOM)、数字高程模型(digital elevation model, DEM)和三维合成图为基础，精准识别圈定大型障碍物、地质灾害点及垮塌区，并划定安全距离。经过DOM影像坐标和实测坐标比较，北坐标最大误差0.681 m，东坐标最大误差0.613 m，平面位置最大误差0.693 m；对DEM影像高程和实测高程比较，最大误差0.819 m，平均误差0.164 m；高清航测影像地面分辨率达0.2 m，可满足南川复杂山地地形激发点精准预设计的要求。利用高清航测影像对识别的房屋、水源点、高压线等障碍进行矢量化，指导激发点位优选和药量设计。

其次，采用“全局寻优、整体均匀”布设思路，开展激发点逐点设计。激发点优先布设在沟底、山体低部位和小于30°的缓坡带等激发条件较好区域，提高沟底、缓坡激发点占比，增加低部位激发点，使激发点高程下降，有利于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，减少间距较小和较大的激发点，使激发点整体分布均匀，提高叠前偏移成像精度；为保证均匀性，必要时在陡坡、坡积带布设激发点，并随着坡度增加而适当加大激发井深，确保在基岩下激发。

同时，利用尽可能多、精度尽可能高的地表高程、近地表速度和厚度等参数以及前期二维地震解释成果，建立地表、地下均相对准确可靠的“双复杂”模型；开展三维模型照明分析与目的层共反射点(common reflection point, CRP)叠加次数计算，及时论证分析最新采集方案设计情况，发现照明阴影区及CRP低叠加次数区，开展反复的、多轮次的动态设计，优化整体激发点位设计；每次调整过程中，及时开展采集方案的照明分析与目的层CRP叠加次数计算，论证整体方案的合理性、找出问题区域，指导下步激发点优化调整。

通过预设计，阳春沟变密度三维全区激发点测量放样与预设计符合率达94.12%(前期82%)；通过炸药药量预设计，全区药量与预设计吻合率达93.12%(前期71%)，室内布点成功率明显提升，极大提高了地震施工效率。全区沟底加缓坡激发点占比85%，低部位激发点增多，激发点整体高程下降，规避坡积带、陡坡、陡崖等特殊地形不利激发区域，避免低、窄频单炮，保持单炮品质稳定，提升优质单炮数量；提高点位均匀性，避免高频混波，为高精度成像奠定基础。

通过优化激发接收参数、开展“全局寻优”激发点设计，提高原始单炮资料品质，阳春沟变密度三维单炮一级品率达80.1%(前期72%)。

5 应用效果

图6为典型阳春沟变密度三维叠前深度偏移剖面，“砂岩地表、向斜构造区”“灰岩地表、斜坡构造区”以及“灰岩地表、高陡构造区”资料品质均较好，页岩层反射波组信噪比较高、波组连续性好，构造格局清楚。

阳春沟地区前期二维采用单线单炮观测系统：20 m道距、600道接收、10 m线元、排列长度5 990 m、80 m炮点距、75次叠加次数。与二维相比，阳春沟变密度三维地震成像效果大幅提升：三维资料信噪比高、页岩层反射波组连续性好、波组特征清楚，如图7所示。

图6 阳春沟变密度三维地震叠前深度偏移剖面Fig.6 Yangchungou variable-density 3D seismic prestack depth migration profile

图7 前期二维与变密度三维同位置剖面对比Fig.7 Comparison of 2D and variable-density 3D seismic profile at the same location in Yangchungou area

分析揭示阳春沟变密度三维满叠范围内83%剖面五峰-龙马溪组页岩反射波组信噪比≥5、主频≥28 Hz、频宽≥55 Hz，基本满足精细构造解释及储层预测要求。

图8为阳春沟地区前期二维与密度三维解释的页岩构造图对比，变密度三维揭示区内断裂较发育，更加精细地落实了页岩层空间展布特征。

图8 阳春沟地区五峰组页岩底面二维与变密度三维解释构造图对比Fig.8 Comparison of 2D and variable-density 3D interpretation structure map of Wufeng Formation bottom in Yangchungou area