陡倾角地层煤层气地震勘探方案优化与应用探析

刘成立

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300459）

新疆地区煤层气资源量大，2000m 以下浅煤层气资源量达9.51 万亿m3，居全国第一位。煤层气俗称瓦斯，是与煤共生的非常规天然气。目前，新疆已在阜康市、吉木萨尔县、乌鲁木齐市米东区、拜城县实施煤层气开发，年产煤层气近1 亿m3。乌鲁木齐市米东区位于准噶尔盆地南缘，该区域煤层气丰富，储盖组合匹配良好，发育一系列大型背斜构造带，具备形成煤层气田的地质条件。作为现阶段国内勘探程度较低的正向构造成排成带发育的地区，准噶尔盆地南缘勘探开发越来越受到各界关注，探讨该地域地震勘探采集技术设计方案具有重要意义。

1 勘探区域地质特征

本论文研究的区域位于北天山褶皱带北缘，准噶尔坳陷区南部，研究区域内断层、褶皱较为发育，地层的倾角总体呈现北缓南陡的特点（北部倾角约30°，南部倾角一般为70°～80°），区域内构造整体呈现“东西分段、南北分带和上下分层”的特征[1]。

新疆乌鲁木齐东北部准格尔盆地区域内断层发育，分布多个断裂构造，其中阜康逆掩断裂，分布于工作区北部，区内长度70km，断面南倾，具犁式构造特征，地表倾角较大，约45°～55°，深部渐缓，约18°～40°。妖魔山逆掩断裂，分布于区域南部，为一区域性控煤构造，控制煤系地层的南部边界，区内长度70km，走向近于东西，断面南倾，倾角较大，约65°，断距由西向东逐渐增大。碗窑沟逆掩断裂长度68km，发育在七道湾背斜北翼并切割北翼西山窑组地层，断层北倾，倾角一般72°～85°。七道湾背斜，位于乌鲁木齐河东区,分布于七道湾以东，区内长度33km，轴向北东，轴面南倾，倾角76°～88°，向西倾伏，断层北盘（即上盘）由西山窑组、头屯河组地层构成单斜构造（北单斜），地层倾角70°～80°，局部直立甚至倒转；背斜南翼（即八道湾向斜北翼）倾角由西向东逐渐变缓，倾角在30°～65°之间。八道湾向斜，位于七道湾背斜以南，区内长度41km，轴向北东东60°，轴面南倾，两翼地层由西向东分别为西山窑组、八道湾组构成，南翼地层陡（55°～80°），北翼缓（30°～65°）。

2 地震勘探历史分析

为取得理想的地震资料，对该区域历史的地震勘探观测系统进行分析，1989 年和2008 年该区域的测线观测系统采用了常规的二维采集方式，2002 年和2009年采用宽线观测系统，适当增加了目的层有效覆盖次数，达到改善低信噪比地区地震成像的效果；2020 年采用了高覆盖的宽线观测系统，采集效果有了较大的提高。

1989 年为该区块开展常规二维地震勘探，采用观测系统2975-25-0-25-2975，接收道120 道，覆盖次数60 次，道距25，炮距50，剖面特点较明显，剖面信噪比低，地质现象不清，目的层反射不明显、构造形态不清晰，横向展布特征难以准确识别，构造难以准确落实。

2002 年该区块开展宽线采集的二维地震勘探，采用宽线2L1P，观测系统4890-10-0-10-4890-20/5690-10-0-10-4090-20，接收道490 道，覆盖次数240 次，道距20，炮距40，剖面信噪比较1989 年资料有一定的提高，背斜构造形态较为清晰，主要煤层反射较为清楚、波组特征较为明显，但断层不够清晰，二叠系、三叠系反射不清，难以追踪识别。

2009 年该区块开展宽线采集的二维地震勘探，采用宽线2L1P，观测系统6390-10-20-10-6390，接收道1280 道，覆盖次数256 次，道距20，炮距40，剖面信噪比跟2002 年资料品质较为相似，主要煤层反射较为清楚、波组特征较为明显，但断层不够清晰，断点不明确，由于采用了较长的偏移距，中深层反射较2002年资料有一定改善。

2020 年该区块开展宽线采集的二维地震勘探，采用宽线2L2P/3L2P，观测系统11990-10-20-10-11990，接收道2400/3600 道，覆盖次数1200/1800 次，道距20，炮距40，剖面信噪比跟2002、2009 年资料信噪比有一定提升，目的层的煤层反射较为清楚、波组特征较为明显，但部分区域难以横向追踪，断层不够清晰，断点不明确，主要目的层构造难以准确落实，较2002年资料有一定改善，中深层地层反射较为清晰。

通过已有资料分析可知：（1）宽线采集信噪比明显高于常规采集；（2）长偏移距采集更有利于中深层地层成像；（3）2020 年采集的资料中浅层信噪比仍然较低，观测系统八道湾组有效覆盖次数应至少高于2020 年采集覆盖次数[2]。

3 地震采集难点与对策

3.1 地震采集设计难点与对策

通过以上资料和工区地震条件的分析，本区地震资料主要存在以下难点：

1.复杂高陡构造和断裂发育造成地震波波场十分复杂，地震资料表现为反射杂乱，波组特征不明显，构造成像不准确。

2.信噪比较低，构造成像效果不佳。

3.工区静校正问题突出，影响成像效果。

在采集技术参数方面，主要是采取“宽线、高覆盖、长排列观测系统”的采集技术对策：（1）宽线采集。采用多线、较大测线宽度的宽线观测系统，通过面元组合叠加提高压制侧面散射干扰的效果，改善剖面成像信噪比；（2）高覆盖采集。通过提高覆盖次数，改善叠前偏移效果，提高资料的信噪比，改善目的层成像效果，提高储层预测的精度；（3）长排列接收。有利于AVO 分析，更有利于满足叠前储层预测对地震资料的要求；有利于接收深层的反射信息，提高深层及陡倾角地层的成像效果。

3.2 优化观测系统方案

综合考虑以上论证分析结果，优选两种观测系统方案，具体参数如表1。

表1 推荐观测系统参数

方案1：纵向面元尺寸5m，面元较小，接收点数量增加一倍，使用一条炮线。

方案2：纵向面元尺寸10m，增加一条炮线，炮数增加一倍，施工成本显著提高，但相同面元下覆盖次数相同。

对比两个方案的优缺点，可以看出，方案1 纵向面元更小，更有利于中浅层成像，布设的炮数更少，施工成本更低，方案1 更优。

3.3 推荐观测系统

二维地震勘探观测系统设计参数如下：

4 采集施工技术难点与对策

4.1 采集施工技术难点

地表条件：属山前带复杂地表，砾石沉积，岩石出露，地表岩性多变，激发接收条件差。

表层条件：砾石层厚，山地低速层厚度与速度变化大，难以追踪稳定的折射层。

深层条件：结构复杂，断裂发育，没有明显的反射标志层，成像效果差。

难点1：工业园区、煤矿及采空塌陷区等大型连片障碍物多，炮检点布设困难，获取完整地震资料困难。

难点2：低信噪比，浅、深层构造复杂，断裂发育，地震成像困难，静校正问题突出。

4.2 采集施工技术对策

对策1：依托小线元、高覆盖宽线二维观测系统优化设计。

通过调研山前带采集方法、以往资料分析、采集方法论证，采用宽线二维3 线1 炮，观测系统提高本工区地震资料成像。

本次采用宽线二维采集方法优点：（1）采用小面元刻画陡倾角地层成像；（2）高覆盖次数满足山前带成像；（3）宽线横向多次覆盖和组合压制干扰；（4）提高静校正精度和速度分析精度；（5）提高对近地表低速层的刻画。

对策2：优选激发参数。为优选适合该区的最佳激发因素。针对不同岩性开展实验点，优选适合本区的最佳激发因素。

对策3：优化激发参数设计。详细表层调查，精细激发分区，逐点设计激发参数，提高单炮资料信噪比和频带。

（1）详细表层调查工作，加密岩性调查点，结合基岩露头、大钻的近地表资料构建表层结构模型；（2）通过表层调查资料及现场调查优化岩性分类，基于岩性及速度模型的激发井深设计；（3）根据高清卫片、地质露头、岩性录井、微测井、潜水面调查等信息精确划分岩性分区。

5 优化方案后采集资料分析

5.1 采集资料单炮分析

基岩区单炮整体能量强，波阻反射特征明显，单炮目的层信噪比较高，波阻反射特征明显，单炮低频信息丰富，信噪比较高，连续性较好，单炮目的层高频段有较明显的目的层反射特征，频带较宽[3]。

砾石区单炮整体能量均衡，波阻反射特征明显，整体品质较好，信噪比较高。单炮低频反射信息丰富，单炮目的层主频段信噪比较高，波阻反射特征明显，高频段能见到有效反射，频带较宽。

黄土区单炮整体能量较强，波阻反射特征明显，整体品质较好，信噪比较高，目的层连续性较好，单炮低频信息丰富，单炮目的层高频段能见到目的层有效反射[4]。

从现场处理剖面看，主要目的层反射信噪比较强，连续性较好，反射能量强，波组特征明显，同相轴连续好，构造形态清楚，浅、中、深各层位反射信息丰富，波组特征明显，能够真实反映地下地质现象[5]。实践表明，本次采集方法科学合理，施工参数准确可靠，现场质量管理严格，所获地震资料能够完成本项目地质任务要求。

5.2 采集资料效果总结

通过对单炮资料进行分析，单炮信噪比较高、频带较宽，剖面目的层反射信息丰富，波组特征清晰，信噪比高，连续性较好，整体资料品质较好。岩石区激发效果最好，频带较宽；次为砾石；黄土区频率相对较低。岩石区激发频带宽5-57Hz，砾石频宽5-53Hz，黄土区频带较窄5-46Hz，可控震源频宽6-84Hz。从现场处理剖面分析，主要目的层连续性较好，信噪比较高，层间信息丰富，波组特征明显[6]。与以往二维成果剖面对比，剖面目的层连续性更好，层间信息更丰富，信噪比较好。后期通过室内精细资料处理，剖面质量将会有进一步提升，能够完成预期地质任务。

6 结语

新疆是煤层气资源大区，但产量在全国占比却微乎其微，其中一个原因就是新疆煤层气构造复杂开采难度大，新疆煤层气高倾角，煤层多且厚，煤质碎软，钻井和压裂工程难度大。新疆准噶尔盆地南缘物探面临下组合超深目的层、天山北坡超级冲积扇群、中浅层超强各向异性、多重冲断超复杂断裂系统、山地超陡倾角地层“五超”难题，高精度地震勘探难度大、成本高，而且，南缘地震勘探还面临许多技术问题，有些甚至是世界级难题，比如，南缘地区是典型的地表、地下双复杂勘探区，本论文是对新疆准噶尔盆地南缘区域煤层气地震资料采集方案的一次优化探索，进一步加强地震采集技术攻关，强化采集质量控制，通过优化的地震采集方案，获取优质的地震勘探资料是推进新疆准噶尔盆地南缘勘探开发的关键利器。