中国煤层气资源潜力巨大,是天然气增储上产的重要领域之一
[1-4]。中国煤层气产业经历近30年发展,初步实现了由中高煤阶向低煤阶、浅层向深部煤层气的勘探开发突破
[5-9]。中国石化华东油气分公司在鄂尔多斯盆地东南缘延川南气田,建立了深部煤层气甜点优选标准,创立了大排量提高液体造缝能力、大液量充分延伸裂缝长度、不同粒径支撑剂组合饱和加砂实现不同尺度压裂缝有效支撑的压裂储层改造技术,提出了高效导流、持续压降的精细排采技术,实现了地质-工程一体化的深度融合,率先实现1 000 m 以深的深部煤层气水平井单井日产气量达 6.5×10
4 m
3[10-15]。
晋中地区构造上隶属于沁水盆地中部沁源—榆社构造带漳源—沁源凹陷和榆社—武乡凹陷两个Ⅲ级构造单元,内部被北东走向的榆社—武乡断层分为榆社缓坡、武乡背斜两个IV级构造单元。晚石炭世晋中地区处于潮坪—泻湖—障壁砂坝沉积环境,潮坪聚煤环境有利,山西组、太原组是主要的含煤层系。钻探揭示,晋中地区厚度大于0.8 m的煤层总厚度10~16 m,主力煤层太原组15号煤厚3.0~7.7 m,埋深1 500~2 400 m,镜质组反射率Ro介于2.4%~3.2%,煤体结构以原生、碎裂煤为主,具有高镜质组含量(83%)、中低灰分(16.2%)的特征,煤层含气量21~39 m3/t。地质综合评价晋中地区深部煤层气有利区面积745 km2、资源量2 452亿m3;2023年中国石化华东油气分公司在武乡背斜部署实施J2井,15号煤埋深1 650 m、厚5.8 m,最高日产气11 000 m3,实现晋中地区深部煤层气的重大突破。
在煤层气勘探开发中,地震勘探技术被广泛用于查清地下构造与煤层空间展布规律,预测储层特征,评价煤层气富集区,指导井位部署
[16-20]。为提高煤层气地震采集效果,前期开展了大量研究。胡超俊等
[21]针对鄂尔多斯盆地深部煤层气面临的黄土塬资料信噪比低、煤层薄且横向变化快、“甜点”预测精度要求高3个方面地震勘探难题,利用宽频、宽方位、高密度地震采集技术提高了成像精度;刘斌等
[22]针对鄂尔多斯盆地南部黄土塬地区表层结构复杂的地震地质条件, 联合应用宽频激发、全节点接收以及小组合、适中面元、宽方位、高覆盖的三维观测系统,提高了地震分辨率;薛野等
[23]利用基于煤层反射最大信噪比的地震激发参数设计、模拟检波器多串大组合基距接收以及小道距、小线距、高炮密度及高横纵比的三维观测系统,改善了南方山地灰岩裸露地表浅埋深煤层的地震反射资料品质;刘厚裕
[24]认为与模拟检波器相比,数字检波器单点接收利于提高弱反射波组的连续性、信噪比以及分辨率,在煤层气地震勘探中更具有优势。但晋中地区地震采集面临着更加复杂的地质条件:一是表层地震地质条件复杂,地处黄土高原东部边缘,地形以山地和丘陵为主、少量黄土塬;山地区直接岩石出露、以砂岩为主,丘陵区表层主要被红土、黄土和砂砾等覆盖,山前堆积区、河滩及山间冲积区表层黄土含水性差异大,表层岩性、速度横向差异明显,地震激发效果差异大;二是地下构造复杂,受强烈的挤压作用形成以北东走向为主的逆冲断层和褶皱,断层断距20~500 m,小型挠曲褶皱发育;三是煤层分布规律复杂,纵向煤层层数多(14~16层)、单层厚度薄(单层厚0.25~7.7 m、平均1.2~1.5 m),横向煤层分布不连续、分叉减薄至尖灭、厚度变化快,对地震精度要求高。以往研究认识不适用于晋中地区深部煤层气地震采集。对此,围绕晋中地区深部煤层气目标,结合微测井调查、钻井取心以及前期地震激发效果分析,开展表层结构分类研究;在此基础上以提高主要含煤地层石炭系太原组(C
3t)反射波组信噪比与分辨率的原则,系统开展针对不同表层结构类型的地震激发因素试验,模拟检波器组合接收对比试验,以及二维观测系统对比试验,形成基于表层结构分类的差异化激发参数设计,优选最佳接收因素,建立适用于深部煤层气勘探的二维观测系统。
1 地震激发因素试验与参数优选
1.1 表层结构分类及地震激发效果分析
开展了基于微测井调查与钻井取心的表层结构调查,联合前期不同地形、岩性出露条件下地震采集资料分析,晋中地区可划分为基岩区、厚层干黄土区、含水黄土区、红土区4种表层结构类型。
(1)基岩区。潜水面深2~4 m,低降速层厚7~10 m,速度812~2 803 m/s,为表土与风化岩石堆积;高速层速度2 940~3 258 m/s,为砂岩含泥岩夹层。地震激发效果好,采集原始记录见清晰的主要含煤地层石炭系太原组反射波组,单炮信噪比1.0~1.5、主频27 Hz、有效频带(以振幅能量达到-24 dB为标准)7~57 Hz。
(2)厚层干黄土区。潜水面深度≥20 m,低速层厚3~5 m,速度≤600 m/s,为松散干黄土;降速层速度737~921 m/s,微测井未见高速层(井深30 m)。地震激发效果差,采集原始记录发育强线性低频干扰,原始记录近偏移距处(强线性低频干扰发育区内)难见有效反射信息,远排列处(强线性低频干扰发育区外)见低信噪比石炭系太原组地层反射波组,单炮信噪比0.4~0.8、主频17 Hz、有效频带10~45 Hz。
(3)含水黄土区。低速层厚5~7 m,速度≤600 m/s,为松散干黄土;降速层速度1 249~1 667 m/s,为含水流沙或黄土;微测井未见高速层(井深30 m)。地震激发效果较好,采集原始记录能量强,石炭系太原组地层反射波组清晰可见,单炮信噪比0.8~1.2、主频20 Hz、有效频带7~50 Hz。
(4)红土区。低速层厚5~8 m,速度≤600 m/s,为流沙、胶泥;降速层速度1 500~1 858 m/s,上部为胶泥,下部为红砂岩;微测井未见高速层(井深30 m)。地震激发效果较差,采集原始记录见低信噪比、弱连续性的石炭系太原组地层反射波组,单炮信噪比0.6~0.9、主频18 Hz、有效频带10~48 Hz。
1.2 地震激发因素试验与参数优选
利用双井微测井开展不同深度激发能量与子波分析,结果显示基岩区潜水面以上激发能量弱、子波主频低,潜水面以下激发能量强、子波主频高,高速层顶面以下激发能量最强;厚层干黄土区低速层激发能量十分弱、主频十分低,降速层激发子波主频高,随深度增加激发能量持续增强,深度增大至10 m以上后激发能量增长不明显;综合考虑地震激发能量与提高分辨率的需求,基岩区应选择在高速层顶面以下激发、厚层干黄土区激发井深应≥10 m。
以石炭系太原组地层反射波组为参考,系统开展了地震激发因素试验,优化激发井深、药量、组合方式,结果如
图1所示。激发药量(3~16 kg)对比试验结果显示,随激发药量增加,不同表层条件下采集单炮记录均表现为能量明显增加、低频线性干扰变强、太原组地层反射波组有效频带变窄且信噪比呈下降趋势,3 kg药量激发单炮能量弱、对背景干扰压制效果差、太原组地层反射波组资料信噪比低,5~6 kg药量激发单炮能量强、太原组地层反射波组信噪比高且有效频带宽,10~16 kg大药量激发单炮的低频线性次生干扰能量最强、太原组地层反射波组信噪比最低;因此,5~6 kg药量激发能量能够满足目的层反射信息采集需求且利于拓宽地震频带、提高资料信噪比。
基岩区相同药量、不同深度(药柱顶面深度)激发对比试验结果显示,高速层顶面下不同深度激发单炮能量差异较小,随深度增大单炮记录能量略有增长,高速层顶面下5~7 m深度激发单炮记录的太原组地层反射波组信噪比最高、有效频带最宽。厚层干黄土区相同药量、不同深度(降速层顶面下1~9 m)单井激发与固定井深(降速层顶面下9 m)组合井(2~5口井)对比试验揭示,单井激发条件下,随深度增大激发能量增加、太原组地层反射波组信噪比提高;组合井激发单炮的太原组反射波组能量与信噪比明显高于单井激发、地震有效频带宽度基本一致,随组合井数增加资料品质改善不明显。含水黄土区相同药量、双井(降速层顶面下1 m)与不同深度(降速层顶面下3~9 m)单井激发均能获得较高品质太原组地层反射资料,整体呈现随激发深度增加,太原组地层反射波组能量、信噪比提高趋势;降速层顶面下7~9 m激发单炮记录太原组地层反射波组品质基本一致。红土区双井(降速层顶面下1 m)与不同深度(降速层顶面下3~9 m)单井激发记录信噪比均相对较低,随深度增加,激发能量增加、太原组地层反射波组信噪比提高且有效频带拓宽;组合井激发单炮能量、太原组地层反射波组信噪比明显低于单井激发单炮,降速层顶下7~9 m激发单炮记录太原组地层反射波组品质基本一致。
表1为不同表层条件激发深度对比试验结果。
地震采集激发参数的选择需要做好单炮能量、信噪比、地震有效频带3个方面因素间的最佳平衡,考虑到该区地震记录的信噪比整体较高以及薄煤层对地震分辨率要求高,应以拓宽太原组地层反射波组有效频带宽度、提高地震分辨率为核心,兼顾资料信噪比与激发能量。综合上述因素,适用于晋中地区深部煤层气地震采集的激发参数为:药量5~6 kg,基岩区高速层顶面下5~7 m单井激发,含水黄土区及红土区降速层顶面下7~9 m单井激发,厚层干黄土区降速层顶面下9 m、3井组合激发。
2 检波器组合图形试验与优选
晋中地区地震采集规则干扰波较发育,包括面波、浅层折射波、声波等,折射波能量强、衰减慢,面波频率6~8 Hz、能量强,影响资料信噪比;此外,区内厂矿、道路分布广,人文干扰发育。因此,晋中地区地震采集应选择检波器组合接收技术压制噪声、提高资料信噪比
[25]。采用2 串共24 个自然频率为10 Hz的30Dx模拟检波器,开展了“2条平行线”形、“口”字形、“回”字形3种不同组合图形对比试验。“2条平行线”形组合以测量标记点为中心、沿测线方向平行埋置2串检波器(单边12个检波器)、组合基距1 m×1.1 m(线间距1 m、线长1.1 m),“口”字形组合以测量标记点为中心、按照1.2 m×1.2 m的正方形边框0.2 m等间距埋置检波器,“回”字形以测量标记点为中心、按照内(0.6 m×0.6 m)、外(1.2 m×1.2 m)两个正方形边框0.3 m等间距埋置检波器。相同激发、不同组合图形接收资料对比显示,单炮记录面貌特征基本一致、能量相当,“2条平行线”形组合接收资料的石炭系太原组地层反射波组更为清晰、有效频带更宽(7~60 Hz),表明“2条平行线”形组合图形具有噪声压制能力更强、利于提高资料信噪比,如
图2、
图3所示。
3 二维观测系统对比试验与优选
开展了同位置、相同炮点条件下的小道距、单线与大道距、宽线二维观测系统对比试验。单线二维采用10 m小道距、40 m炮点距、中间激发两边对称接收、总接收道数720道、单线接收、最小炮检距30 m、最大炮检距3 595 m、5 m线元、覆盖次数90次(10 m线元条件下覆盖次数180次);宽线二维采用20 m道距、40 m炮点距、中间激发两边对称接收、总接收道数720道、2线接收、最小炮检距10 m、最大炮检距3 590 m、接收线距30 m、10 m线元、覆盖次数180次。试验结果(
图4)表明,两种观测系统采集剖面整体结构基本一致、面貌特征接近,宽线二维采集剖面浅层反射波组更清晰、太原组含煤地层反射波组能量更强、信噪比更高且地震有效频带更宽(宽线二维8~73 Hz、单线二维8~67 Hz);证实在相同接收道数条件下大道距、宽线二维观测系统优于小道距、单线二维观测系统,这主要是得益于宽线二维观测系统利于压制侧向规则干扰以及随机干扰等噪声、具有更高的地下反射信息获取能力。
对二维地震观测系统的覆盖次数、偏移距等重点参数进行退化处理分析,研究结果如下。
(1)小道距利于提高波场采样连续性,道距由10 m增大至40 m,波场采样密度降低,地震信噪比下降,浅层影响较大,太原组地层反射波组品质变差;10~20 m道距对反射波和主要干扰波采样充分,可较为全面地采集记录该区干扰波特征、清晰地分辨面波视速度和能量的变化特点。
(2)随炮检距增大,地震最浅有效观测深度变大,偏移距≥4 000 m的接收排列不能获取埋深1 500~2 400 m的煤层反射信息;厚黄土覆盖区单炮记录近偏移距低频线性干扰强、资料信噪比极低,中远偏移距处见较清晰太原组地层反射波组,应加强中远偏移距(2 000~4 000 m)反射信息采集。
(3)覆盖次数对信噪比的影响(20 m线元条件下)可划分为“快速提升-平稳增长-饱和稳定”三阶段特征:①快速提升阶段,覆盖次数由20次增大至120次,太原组地层反射波组平均信噪比由3.2快速增大至5.3;②平稳增长阶段,该阶段随覆盖次数增加,太原组地层反射波组信噪比增长速度放缓,覆盖次数增加至240次,信噪比增大至6.3;③饱和稳定阶段,覆盖次数继续增加至360次,信噪比基本稳定、缓慢提高至6.5。
(4)相同激发点条件下,随接收线数增加,二维采集覆盖次数成倍增加,资料信噪比提升明显。
针对晋中地区深部煤层气勘探目标,应采用10~20 m道距、排列长度≤4 000 m、覆盖次数≥240次、宽线二维观测系统。
4 应用效果
2024年,中国石化华东油气分公司在沁水盆地晋中地区以1 500~2 400 m埋深的山西组、太原组煤层气为主要勘探目标开展二维地震采集实践,依据试验结果对激发接收参数进行优化,显著改善了地震采集原始资料品质及剖面成像质量。
4.1 单炮品质提高
2014年,以上古生界下石盒子组、下古生界奥陶系为主要勘探目标层系在晋中地区开展二维地震采集,基岩区采用高速层顶面下5 m、14 kg大炸药药量激发,2串24个自然频率为10 Hz的20Dx模拟检波器沿测线方向22 m、垂直测线方向4 m大组合基距组合接收;采集单炮记录[
图5(b)]能量强、初至信息清晰,但低频面波干扰严重、淹没目的层反射信息(信噪比0.97)。2024年,二维采用5 kg小炸药药量激发,施工中按照2 km点距采用单井微测井与钻井取心相结合的方式进行表层结构调查,在此基础上根据本文研究试验结果进行激发井深的逐点设计;采用自然频率为10 Hz的30Dx模拟检波器沿测线方向1.1 m、线间距1 m“2条平行线”形小组合基距组合接收;对比显示,两次同点采集单炮记录能量均较强、初至起跳清晰干脆,新采集单炮记录[
图5(a)]面波干扰弱、可见清晰的主要含煤地层石炭系太原组反射波组(信噪比1.43),同时得益于采用了小药量激发、小组合基距接收,新采集单炮主频更高、太原组地层反射波组有效频带更宽(8~66 Hz),如
图6所示。统计显示,新采集单炮品质较以往改善明显,单炮一级品率达85%(前期77%)。
4.2 剖面品质改善
前期地震采集采用1线1炮二维观测系统:道距40 m、炮点距80 m、中间激发两边对称接收、最小炮检距20 m、最大炮检距3 580 m、接收道数180道、20 m线元、覆盖次数45次。根据试验认识,2024年设计采用了3线2炮宽线二维观测系统:道距20 m、炮点距80 m、中间激发两边对称接收、最小炮检距10 m、最大炮检距3 590 m、炮线距30 m、接收线距30 m、接收道数1 080道、10 m线元、覆盖次数270次。
图7为相同地表区新老采集地震叠加剖面(新老测线平行、线间距2 km),
图8为目的层反射波组频谱对比,前期采集剖面太原组含煤地层反射波组能量强、主频低(26 Hz)、有效频带窄(10~52 Hz);新采集剖面品质明显优于前期采集地震剖面,太原组含煤地层反射波组能量强、主频高(39 Hz)、有效频带宽(12~70 Hz),同时见较高信噪比浅层反射信息、层间内幕反射信息更丰富。
5 结论
(1)基于提高太原组地层反射波组信噪比与分辨率的原则,形成了晋中地区不同表层结构区的差异化激发参数设计:小药量(5~6 kg)、基岩区高速层顶面下5~7 m单井激发、厚层干黄土区降速层顶面下9 m三井组合激发、含水黄土区及红土区降速层顶面下7~9 m单井激发,有效降低低频干扰能量、拓宽地震采集记录的有效频带、实现信噪比与分辨率的最优平衡。
(2)采用“2条平行线”形小组合基距(自然频率为10 Hz的30Dx模拟检波器沿测线方向1.1 m、线间距1 m基距组合)接收技术,较传统“口”字形、“回”字形组合噪声压制能力更强、利于提高资料信噪比,太原组地层反射波组更为清晰、有效频带更宽。
(3)相同覆盖次数条件下大道距、宽线二维观测系统采集效果优于小道距、单线观测系统。针对晋中地区深部煤层气勘探目标,应采用10~20 m道距、排列长度≤4 000 m、覆盖次数≥240次、宽线二维观测系统。
(4)通过激发接收参数与观测系统优化,新采集单炮记录品质改善、一级品率提高,太原组地层反射波组信噪比提高、有效频带拓宽;新采集资料处理成果剖面品质提升,浅层反射信息更清晰,层间内幕反射信息更丰富,深部含煤地层反射波组能量更强、信噪比及分辨率更高。研究成果提出的表层结构分区地震采集试验思路,为地表、地下双复杂区地震采集提供参考借鉴;形成的“差异化激发参数设计+小组合基距接收+宽线高覆盖观测”技术体系,提高了地震资料品质,有益于更加可靠的查清地下构造、评价优选深部煤层气甜点区、指导井位部署及水平井设计,为深部煤层气产业发展提供更有力技术支持,具有行业推广价值。