劉寶國(guó)

(中國(guó)石油化工股份有限公司華北分公司,河南鄭州450006)

鄂爾多斯盆地南部中生界石油資源量巨大,但目的層砂體疊置關(guān)系復(fù)雜,斷裂系統(tǒng)發(fā)育,屬于低壓特低滲儲(chǔ)層。由于地表廣泛黃土覆蓋,使得地震激發(fā)/接收條件極差,主要表現(xiàn)在塬區(qū)黃土巨厚,且含水性差;表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,靜校正問題嚴(yán)重;難以開展大規(guī)模機(jī)械化施工。由于以上原因,前期黃土塬區(qū)僅開展過少量的二維地震勘探,所獲地震資料品質(zhì)極低,難以得到有效反射信號(hào)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為該地區(qū)是地震勘探極困難地區(qū),成熟的三維地震勘探技術(shù)在黃土塬區(qū)尚沒有先例。

2011年以來,鄂南油田進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)階段。實(shí)踐證明,水平井優(yōu)快完鉆加分段壓裂技術(shù)取得了巨大成功,單井日產(chǎn)可達(dá)數(shù)十噸。但是,由于沒有三維地震資料的精確制導(dǎo)以及對(duì)斷裂系統(tǒng)的精細(xì)描述,水平井鉆進(jìn)過程中常發(fā)生井壁垮塌、泥漿漏失,水平段砂巖鉆遇率低,井間壓串等問題。因此,如何盡快在黃土塬地區(qū)獲得高質(zhì)量的地震資料成為鄂南油田勘探開發(fā)的首要問題。

針對(duì)以上難題,我們以鎮(zhèn)涇工區(qū)為研究靶區(qū)開展了黃土塬區(qū)三維地震勘探技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)和應(yīng)用研究,提出并形成了針對(duì)巨厚弱彈性黃土介質(zhì)的三維地震勘探關(guān)鍵技術(shù)系列,從根本上解決了黃土塬區(qū)的地震采集難題,地震資料品質(zhì)得到了極大的提高。

1 黃土塬特定的表層地震地質(zhì)條件

鎮(zhèn)涇工區(qū)位于鄂爾多斯盆地天環(huán)向斜南部,是中國(guó)北方黃土覆蓋最厚的地區(qū)(圖1),從地表至白堊系羅漢洞組均為黃土層,最厚達(dá)450m。巨厚黃土至上而下的層次結(jié)構(gòu)依次為馬欄黃土、離石黃土和午城黃土,內(nèi)部夾有約30～40層紅褐色古土壤層。離石黃土是黃土塬的主要成分;午城黃土下伏白堊系砂泥巖層。黃土與白堊系地層波阻抗差很大,地震波下傳比低,下傳角度內(nèi)面積小,能量密度低。低速層速度380～600m/s,降速層速度600～1000m/s,潛水層速度界面速度1600～1800m/s,高速層速度約2300～3200m/s。無(wú)論是冰冷期黃土還是溫暖期的土壤,都屬于弱彈性介質(zhì)。

鎮(zhèn)涇工區(qū)地表為典型的黃土塬地貌特征,平坦塬地占總面積的35%,坡地占55%,溝地占10%。大量的坡地為梯田,梯面寬度不等,老式梯田寬度3～6m,現(xiàn)代梯田10～30m。梯田為三維地震采集創(chuàng)造了較好的施工條件。對(duì)工區(qū)內(nèi)不同坡度斜坡面積的測(cè)量統(tǒng)計(jì)(表1)表明,25°以下的斜坡占80%以上。斜坡區(qū)表層速度較低,孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育,并且具有能量發(fā)散程度高、單位面積內(nèi)射線密度低等效應(yīng),不易找到好的地震激發(fā)層。

圖1 中國(guó)北方黃土覆蓋層厚度

坡度5°～8°8°～15°15°～25°25°～35°35°～45°45°～55°>55°面積/km246.90101.45128.0051.569.171.920.53比例13.8%30.0%37.7%15.2%2.7%0.56%0.15%

巨厚黃土對(duì)地震波有強(qiáng)烈的吸收作用[1-6]。當(dāng)在黃土表層進(jìn)行激發(fā)時(shí),一定范圍表現(xiàn)為完全塑性,遠(yuǎn)處則可能表現(xiàn)為較好的彈性,地震波損耗在塑性圈的能量很大,傳向遠(yuǎn)方的能量很小。但是,弱彈性介質(zhì)可獲得的最大質(zhì)點(diǎn)彈性位移量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高密介質(zhì)的。通過雙井微測(cè)井調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),塬上淺層(埋深3～4m)含一定鈣質(zhì)的黑壚土有較好的激發(fā)效果;埋深9～12m的膠泥層(厚度2～4m)激發(fā)效果更好;埋深30～100m的潛水面下方的潛水層中激發(fā)效果大體與膠泥層相當(dāng)。

2 黃土塬區(qū)地震勘探關(guān)鍵技術(shù)

2.1 巨厚弱彈性黃土介質(zhì)高效激發(fā)技術(shù)

鎮(zhèn)涇工區(qū)黃土塬地震激發(fā)主要存在4個(gè)方面的問題:一是弱彈性黃土介質(zhì)中震源激發(fā)效率低;二是巨厚黃土導(dǎo)致地震波能量損失大;三是羅漢洞頂面上透射角比入射角大得多,導(dǎo)致下傳能量弱;四是大面積的斜坡帶帶來的諸多問題[1-5]。針對(duì)以上問題,采取了如下對(duì)策。

2.1.1 組合井分散激發(fā),增大能量下傳范圍

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),無(wú)論球狀炸藥體積大小,每單位爆炸熱能均要參與形成并穿越“空腔+壓塑+彈塑”圈,最小彈性圈單位面積能量密度為0.4kg/m2。當(dāng)炸藥藥量小于4～5kg時(shí),炸藥拆分激發(fā)可以極大地改善藥量與地震波振幅之間的線性關(guān)系。

由于黃土塬地形的特殊性,大部分地段只能使用直徑60mm的炸藥柱。假如產(chǎn)生足夠能量的炸藥藥量是25kg,那么藥柱長(zhǎng)度不少于10m。由此將產(chǎn)生諸多問題:藥段與表層結(jié)構(gòu)最佳匹配的問題;塬和坡能量匹配的問題;巨大的能量側(cè)散導(dǎo)致效率低下和由于藥柱長(zhǎng)度大帶來的燃爆速度小、爆炸時(shí)間過長(zhǎng)的問題等。而采用分散激發(fā),理論上能量可控,在能量傳播質(zhì)點(diǎn)位移極限內(nèi)可以無(wú)限增加,化弱為強(qiáng),能量傳播范圍更遠(yuǎn)。圖2給出了在黃土較厚區(qū)域15井組合(圖2a)和5井組合(圖2b)激發(fā)的炮記錄對(duì)比,可見15井組合激發(fā)的效果遠(yuǎn)好于5井組合激發(fā)。圖3為13井、15井、17井、20井、30井組合激發(fā)效果對(duì)比圖,可見20井組合的效果較好。

圖2 15井組合(a)和5井組合(b)激發(fā)的炮記錄

圖3 13井(a)、15井(b)、17井(c)、20井(d)和30井(e)組合激發(fā)的炮記錄

2.1.2 聚能層中激發(fā),增加下傳能量

黃土中的膠泥層是高速夾層,速度600～800m/s,密度1.7～2.0g/cm3,厚度2～4m,含水性好于上、下土層(密度為1.3～1.5g/cm3)。黃土中的膠泥層發(fā)育穩(wěn)定,在15%～35%的塬上和50%～75%的斜坡地帶普遍發(fā)育,且有多套。高速膠泥夾層能夠起到“聚能”的作用,且埋深一般小于12m,工程上可行。圖4為30kg藥量單深井潛水層激發(fā)與11m井深多井(單井藥量2kg)膠泥層分散激發(fā)效果對(duì)比,從圖中可以看出多井組合于膠泥層中分散激發(fā)記錄的信噪比得到明顯提高。

圖4 30kg藥量75m單深井潛水層激發(fā)(a)與11m井深多井(單井藥量2kg)膠泥層分散激發(fā)(b)效果對(duì)比

2.1.3 分散激發(fā),提高激發(fā)波陣面疊加強(qiáng)度

采用分散激發(fā)方式,可以有效改變單點(diǎn)激發(fā)波陣面的方向,從理論上講,無(wú)論多厚的黃土均可增加透過白堊系頂板“透過窗”的面積和能量密度。通過鎮(zhèn)涇工區(qū)采集實(shí)踐證明,分散激發(fā)可以更好地利用有效激發(fā)圈、有效反射圈、虛反射圈、有效接收圈的能量,使得微弱的有效信號(hào)于強(qiáng)規(guī)則干擾或去規(guī)則干擾后的殘余噪聲之中得以有效保存。

2.1.4 聚能裝置激發(fā),降低施工成本

根據(jù)試驗(yàn)線的成本計(jì)算,采用聚能裝置激發(fā)可以有效節(jié)約成本:黃土鉆井費(fèi)用節(jié)約42%,炸藥費(fèi)用節(jié)約50%。同時(shí)也提高了鉆井效率,減少農(nóng)業(yè)賠償,降低對(duì)居住環(huán)境的危害。

2.2 巨厚弱彈性黃土介質(zhì)高效激發(fā)配套技術(shù)

黃土塬地區(qū)的地震資料靜校正問題是影響成果資料解釋的主要問題之一[7-15],為此提出了3項(xiàng)配套技術(shù)。

2.2.1 “階梯式”表層巖性結(jié)構(gòu)調(diào)查技術(shù)

由于黃土巨厚,首次采用了“階梯式”微測(cè)井(沿梯田內(nèi)緣逐階追蹤至白堊系頂板,相鄰井深度重疊10～20m)與小折射聯(lián)合的表層巖性結(jié)構(gòu)調(diào)查技術(shù)。重點(diǎn)調(diào)查:第1,2,3層等膠泥層深度、厚度、質(zhì)量(膠泥含量),并全區(qū)成圖;斜坡區(qū)速度大于700m/s的含水土層,全區(qū)成圖;結(jié)合沿溝實(shí)測(cè)基巖高度和各類鉆井資料,調(diào)查區(qū)內(nèi)黃土總厚度,并繪制白堊系頂板構(gòu)造圖和黃土層構(gòu)造圖。表層結(jié)構(gòu)調(diào)查資料同時(shí)用于層析靜校正反演速度模型約束和分束井深、組合激發(fā)方式設(shè)計(jì)。圖5為“階梯式”微測(cè)井調(diào)查示意圖,其中圖5a為微測(cè)井點(diǎn)(紅色圓圈)分布,圖5b為實(shí)際調(diào)查部署和成果解釋示意圖解。

2.2.2 基于地表結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)查的三維采集設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

具體包括:坡度分區(qū),一區(qū)一策;厚度分區(qū),一區(qū)一策;高度分區(qū),逐級(jí)下移;密點(diǎn)實(shí)測(cè),以道補(bǔ)炮;避厚就薄,避陡就緩;制定和落實(shí)炮點(diǎn)優(yōu)化“避就”指標(biāo)。以鎮(zhèn)涇工區(qū)為例,基于地表結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)查資料對(duì)三維地震采集原設(shè)計(jì)的103071個(gè)物理點(diǎn)分別開展優(yōu)化,顯著減少了原設(shè)計(jì)在塬上和坡上的物理點(diǎn),大幅增加了溝中與河道中的物理點(diǎn)數(shù)(表2),有效提高了施工效率和采集效果。

圖5 “階梯式”微測(cè)井調(diào)查示意圖解a 微測(cè)井點(diǎn)(紅色圓圈)分布; b 實(shí)際調(diào)查部署和成果解釋示意圖解

物理點(diǎn)位置塬坡溝與河道原設(shè)計(jì)物理點(diǎn)個(gè)數(shù)和所占總數(shù)的百分比36075(35%)56689(55%)10307(10%)優(yōu)化設(shè)計(jì)后物理點(diǎn)個(gè)數(shù)和所占總數(shù)的百分比29891(29%)46382(45%)26789(26%)差值-6184-10307+16482

2.2.3 模型約束等效層析結(jié)構(gòu)“三步法”靜校正技術(shù)

當(dāng)前,復(fù)雜地區(qū)地震資料層析靜校正成效顯著,但在黃土塬地區(qū),它仍然存在一些重要問題。一是表層厚度劇烈變化處,速度模型低處下凹;二是寬度較大的激發(fā)點(diǎn)邊界波組形態(tài)常常出現(xiàn)問題;三是等效模型厚度大于實(shí)際深度;四是層析追蹤的射線路徑分散,特別是模型深部;五是層析單元速度橫向變化大,且剝離與填充不對(duì)等導(dǎo)致高程校正后零計(jì)時(shí)線相對(duì)于基準(zhǔn)面漂移,模型不同基準(zhǔn)面不同,波組形態(tài)不同等。

我們提出了“三步法”解決思路:①根據(jù)近地表調(diào)查結(jié)果建立表層約束模型;②根據(jù)黃土構(gòu)架總厚控制;③根據(jù)邊距偏移距分布測(cè)網(wǎng)四周補(bǔ)充炮排。圖6給出了應(yīng)用模型約束等效層析結(jié)構(gòu)“三步法”靜校正技術(shù)前、后的疊加剖面,可見獲得了較可靠的剖面構(gòu)造形態(tài)。

圖6 鎮(zhèn)涇工區(qū)應(yīng)用模型約束等效層析結(jié)構(gòu)“三步法”靜校正前(a)、后(b)的疊加剖面

3 應(yīng)用效果分析

3.1 鎮(zhèn)涇三維地震成果資料品質(zhì)

圖7給出了鎮(zhèn)涇工區(qū)三維處理成果資料的信噪比和頻率屬性。由圖7可見，經(jīng)常規(guī)資料處理后的鎮(zhèn)涇三維地震資料信噪比大于6,疊后主頻為35～38Hz,獲得了較高品質(zhì)的成果資料。

3.2 斷裂發(fā)育區(qū)多尺度分級(jí)評(píng)價(jià)

受限于前期地震資料品質(zhì)極低,此前人們普遍認(rèn)為鎮(zhèn)涇地區(qū)地下斷裂不發(fā)育,未考慮過斷裂系統(tǒng)對(duì)于油藏的溝通和破壞作用?；诓捎帽疚乃鲫P(guān)鍵技術(shù)采集獲得的較高品質(zhì)三維成果資料,圖8給出了鎮(zhèn)涇工區(qū)長(zhǎng)8-1油層組斷裂系統(tǒng)分布(圖中藍(lán)色虛線框?yàn)楣^(qū)邊界),可見斷裂發(fā)育區(qū)得到了較好的多尺度分級(jí)評(píng)價(jià),對(duì)水平井軌跡設(shè)計(jì)、水平井鉆進(jìn)、工程壓裂都將起到至關(guān)重要的作用。

3.3 反射結(jié)構(gòu)特征追蹤河道識(shí)別

基于三維地震成果資料,圖9給出了鎮(zhèn)涇工區(qū)長(zhǎng)8-1油層組“透鏡狀”反射特征平面分布圖,可見清晰的河道砂“下切填平”透鏡狀反射特征占三維地震滿疊面積的60%。

3.4 水平井井位調(diào)整與部署

截止2013年,鄂爾多斯盆地南部地區(qū)共實(shí)施三維地震逾4000km2,數(shù)據(jù)體目標(biāo)層主頻均在35Hz 左右,分辨率和連續(xù)性均好于北部一些探區(qū),統(tǒng)計(jì)843口鉆井,砂體鉆遇率達(dá)90%～100%。另外,三維地震資料對(duì)水平井軌跡制導(dǎo)(鉆進(jìn)過程跟蹤)、壓裂段分析、提速提效起到了積極的作用。

鎮(zhèn)涇某井區(qū)三維地震資料成果利用前,完鉆28口,砂體鉆遇率83.0%,油層鉆遇率62.2%,水平段平均進(jìn)尺68.0m/d,A靶點(diǎn)平均調(diào)整0.7次/井,水平段軌跡平均調(diào)整1.8次/井。利用三維地震資料成果后,完鉆36口,砂體鉆遇率90.9%,油層鉆遇率79.6%,水平段平均進(jìn)尺83.4m/d,A靶點(diǎn)平均調(diào)整0.2次/井,水平段軌跡平均調(diào)整0.3次/井。三維地震資料成果的利用效果顯著。

圖7 鎮(zhèn)涇工區(qū)三維地震成果資料信噪比屬性(a)和頻率屬性(b)切片(500～1600ms)

圖8 鎮(zhèn)涇工區(qū)長(zhǎng)8-1油層組斷裂系統(tǒng)分布預(yù)測(cè)結(jié)果

圖9 鎮(zhèn)涇工區(qū)長(zhǎng)8-1油層組“透鏡狀”反射特征(a)及其平面分布(b)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)期存在的黃土塬區(qū)三維地震采集問題,通過三維地震勘探關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和成果資料的應(yīng)用效果分析表明,針對(duì)巨厚弱彈性黃土介質(zhì),利用小藥量多井組合分散激發(fā)方式可以極大地提高有效信號(hào)向下傳播過程中的能量聚焦,信噪比得到明顯改善,黃土塬巨厚黃土層地震激發(fā)問題得到了較好的解決。盡管相比平原地區(qū)仍然存在單炮記錄品質(zhì)差、道集能量一致性等問題,但是毫無(wú)疑問,鄂爾多斯南部三維地震的實(shí)施已經(jīng)取得了顯著的油氣地質(zhì)效果。

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