趙牧華,石 剛,張安徽,武磊彬

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,南京 210016;2. 安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊,宿州 234000)

安徽皖江地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查地震勘探數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

趙牧華1,石 剛1,張安徽2,武磊彬2

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,南京 210016;2. 安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊,宿州 234000)

通過分析安徽皖江地區(qū)地質(zhì)條件及巖性差異,利用人工合成記錄提取物性參數(shù)及研究區(qū)主要目的層的地球物理參數(shù)。利用室內(nèi)模擬初步建立該區(qū)觀測系統(tǒng),通過現(xiàn)場試驗確定二維地震采集觀測系統(tǒng)，提高類似該區(qū)(丘陵地區(qū))的剖面信噪比及分辨率,采用以低速帶調(diào)查為基礎(chǔ),優(yōu)選激發(fā)參數(shù)、多串檢波器組合壓制噪聲和合理的觀測系統(tǒng)進(jìn)行野外資料采集,可取得較好的效果。

丘陵地區(qū);二維地震勘探;數(shù)據(jù)采集;頁巖氣

為了滿足國家能源安全戰(zhàn)略、油氣礦權(quán)改革、公益性油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查引領(lǐng)及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,提高下?lián)P子地區(qū)頁巖氣成藏地質(zhì)條件與資源潛力認(rèn)識，圈定油氣遠(yuǎn)景區(qū)、提交有利目標(biāo)區(qū)和勘查區(qū)塊已成為安徽皖江地區(qū)乃至整個華東下?lián)P子地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的重點。在頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查階段,摸清頁巖層的區(qū)域空間分布(埋深、厚度及構(gòu)造形態(tài))是保證具有充足儲存空間和有機(jī)質(zhì)的重要條件,而地球物理勘探是探測頁巖氣空間分布最有效、最準(zhǔn)確的預(yù)測方法[1]。地球物理勘探以不同巖礦石之間物理性質(zhì)的差異為依據(jù),利用物理學(xué)原理,觀測各種地球物理場時空分布規(guī)律,是深部礦產(chǎn)資源勘查的核心[2]。應(yīng)用于頁巖氣勘探開發(fā)的地球物理方法主要有重力、磁法、電磁法(大地電磁測深法、音頻大地電磁法、可探源音頻大地電磁法、復(fù)視電阻率法、譜激電法、廣域電磁法、時頻電磁法)及地震勘探法等[3-13]。其中,地震勘探法不僅能查明頁巖區(qū)構(gòu)造、頁巖厚度和埋深,還可以利用地震屬性對頁巖氣敏感屬性進(jìn)行優(yōu)選、分析和提取,最終實現(xiàn)對頁巖氣“甜點”的預(yù)測[3-5,14-18]。

安徽皖江地區(qū)屬典型的丘陵地貌,地形復(fù)雜,既有巖石出露區(qū),又有河流、沼澤及城鎮(zhèn)、廠房,影響地震激發(fā)和接收,尤其大型河流附近發(fā)育的流沙層,造成數(shù)據(jù)采集時激發(fā)能量衰減較快,接收信號弱,野外單炮數(shù)據(jù)信噪比較低,能量較弱,難以滿足后期部署需要。針對上述問題,在安徽皖江地區(qū)頁巖氣勘探中,采用以低速帶調(diào)查為基礎(chǔ)，優(yōu)選激發(fā)參數(shù)、多串檢波器組合壓制噪聲和合理的觀測系統(tǒng)進(jìn)行野外資料采集,并取得了較好的效果。

1 地質(zhì)概況

安徽皖江地區(qū)大地構(gòu)造上屬于下?lián)P子陸塊,位于句容—南陵斷裂帶內(nèi)南陵盆地南部、宣廣盆地西部,其西北側(cè)為滁河斷裂和郯廬斷裂,東南側(cè)為江南斷裂。其西北側(cè)緊鄰無為盆地,西南端分布潛山盆地和望江盆地[19](圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及盆地分布示意圖(據(jù)安徽省區(qū)域地質(zhì)志修編)Fig. 1 Schematic map showing the structures and basin distribution of the study area (after Regional Geology of Anhui Province)

1.1 地 層

研究區(qū)地層主要歸屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū),東南角屬江南地層分區(qū)。該區(qū)為海陸交互相沉積地層,區(qū)內(nèi)發(fā)育寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系及新生界地層，沉積總厚度達(dá)7 000 m[19]。

1.2 構(gòu) 造

研究區(qū)及鄰區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,已查明不同級別、不同形態(tài)褶皺20余個,斷層百余條,以NE向構(gòu)造帶占主導(dǎo)。根據(jù)野外露頭及地質(zhì)資料,可識別的主要褶皺自北西向南東包括白笏—銅關(guān)里背斜、樓牌向斜、葛公鎮(zhèn)—橫北嶺背斜、銅山—宴公堂向斜、寺門口背斜、王胡村向斜、橋頭埠—九宮廟背斜和梅林向斜。

在涇縣—水東一帶,對該區(qū)構(gòu)造格架具有控制作用的主要斷裂有周王斷裂、江南斷裂和旌德—休寧西斷裂等[19]。

1.3 泥頁巖

研究區(qū)賦存下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)和中上二疊統(tǒng)3套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖地層，其中二疊統(tǒng)孤峰組、龍?zhí)督M至大隆組硅質(zhì)、鈣質(zhì)泥頁巖厚度較大、分布范圍較廣,為本次調(diào)查的主要目標(biāo)層系。

2 地震地質(zhì)條件

2.1 表(淺)層地震地質(zhì)條件

研究區(qū)南部丘陵山區(qū)相對高差較大,落差達(dá)300多米,局部地勢較陡,地質(zhì)條件復(fù)雜,地表巖性差異明顯。南部丘陵地區(qū)主要有沖積的粘土層、堅硬的裸露巖石或風(fēng)化層,橫向低降速帶變化較大。平原水網(wǎng)地帶多為膠泥、砂礫石(或流沙層)和淤泥,激發(fā)條件膠泥最好,砂礫石(或流沙層)次之,淤泥最差,且砂礫石(或流沙層)與淤泥可能引起塌孔等問題,成孔較困難。此外,受國道、村莊、森林、大型廠房等影響,地震勘探效果較差。

2.2 深層地震地質(zhì)條件

本次勘探目的層主要為二疊紀(jì)龍?zhí)督M富有機(jī)質(zhì)泥頁巖。龍?zhí)督M是一套含煤沉積地層,以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖沉積為主,夾炭質(zhì)泥巖、煤層及灰?guī)r。龍?zhí)督M在該區(qū)埋藏相對較淺,一般為0～2 500 m,研究區(qū)東南部涇縣—水東一帶可見大量露頭。龍?zhí)督M地層密度低、速度低,與圍巖具有較好的波阻抗差異。

已有鉆孔資料合成記錄顯示,煤層縱波速度約為2 000 m/s,上覆鈣質(zhì)頁巖縱波速度約3 600 m/s,反射系數(shù)達(dá)0.55,可形成較強(qiáng)的復(fù)合反射波組(TL波),可作為該區(qū)波組對比追蹤的主要標(biāo)志層。

除第四系外,區(qū)內(nèi)地層之間均為整合或平行不整合接觸,自下向上有多層灰?guī)r及砂泥巖相間賦存,波阻抗差異較大,一般可形成連續(xù)的強(qiáng)反射。不同地層之間由于巖性、形成時代不同,其沉積條件和壓實程度存在差異,地層之間也存在波阻抗差,也能形成連續(xù)性反射。這些地層的反射波可作為地震資料解釋中的輔助波,有助于準(zhǔn)確識別和追蹤目的層反射波,確定斷層和地層尖滅等地質(zhì)現(xiàn)象,用于劃分和建立地層層序。

3 正演模擬

利用已有鉆孔結(jié)合鄰區(qū)時間剖面,做人工合成記錄,提取研究區(qū)主要目的層地球物理參數(shù)(表1)。

表1 地球物理參數(shù)

通過建立地質(zhì)模型,進(jìn)行不同道距(20 m、40 m、60 m)、不同最大炮檢距(3 600 m、4 200 m、4 800 m、5 400 m、5 990 m)、不同覆蓋次數(shù)(60、90、120、150)波動方程照明分析。通過正演模擬,結(jié)合主要目的層埋深范圍、地層傾角變化等,同時兼顧寒武系地層(埋深3 000～4 500 m),認(rèn)為道距20 m、最大炮檢距5 990 m、覆蓋次數(shù)不低于120次可滿足本次勘探需要。

圖2 折射觀測系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram showing the array of blasting and detecting stations

4 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在正演模擬指導(dǎo)下,選取適合研究區(qū)的最佳激發(fā)、接收參數(shù)及適合研究區(qū)的觀測系統(tǒng),從而獲得較高信噪比和分辨率的地震資料[20]。

4.1 低、降速帶調(diào)查

通過低、降速帶調(diào)查獲取地表、淺層的低、降速帶厚度及層速度,選取合適的激發(fā)層位及替換速度。常見的低、降速帶調(diào)查,分別為微測井法和小折射法[21-23]。研究區(qū)地形屬于丘陵地區(qū),地形起伏較大,砂礫石層成孔困難,因此采用微測井法與小折射法相結(jié)合進(jìn)行低、降速帶調(diào)查。

微測井法采用井中激發(fā)地面接收。偏移距0 m,雷管激發(fā)點距0.5 m,采樣率0.25 ms,記錄長度0.1S,前放增益0 dB,記錄格式SEG-D。

小折射法采用相遇法觀測系統(tǒng)施工,接收道數(shù)24道,排列長度51 m,炮點偏移距1 m,坑深0.5 m,單炮藥量0.05～0.1 kg,采樣率0.1 ms,記錄長度0.5S,前放增益0dB,記錄格式SEG-D。小折射觀測排列為0,1,2,3,4,6,8,10,12,15,18,23,28,33,36,39,41,43,45,47,48,49,50,51。小折射觀測系統(tǒng)如圖2所示。

利用多種專業(yè)軟件分析微測井法、小折射法資料，獲得各地層中低速帶調(diào)查解釋成果及測線低、降速層厚度(表2)。

由表2可知,第一層速度較低,為低速層,速度為500～1 500 m/s,厚度為0.69～4.13 m。第二層速度較高,為降速層,速度為1 500～2 700 m/s,厚度為5～11 m。第三層為高速層,速度為2 500～3 500 m/s。

表2 測線WJ2015-05低速帶調(diào)查成果表

4.2 激發(fā)井深研究

為保證激發(fā)能量,在低速帶調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合地層巖性、地表地形條件等,選擇3個具有代表性的試驗點開展激發(fā)井深試驗。

試驗點S1位于WJ2015-05號測線樁號518.5上,為白堊系地層,以黃土、礫石為主。該試驗點以北為第四系沖積山間平原,以稻田地為主。根據(jù)微測井錄井資料,地表為第四系黃土,地下2 m以深為砂礫互層。

試驗點S2位于WJ2015-06號測線樁號486.5上,為白堊系地層。根據(jù)現(xiàn)場成孔記錄,潛水面埋藏深度約8.5 m,表層風(fēng)化土厚約1.1 m,下為礫石層,11 m左右見較堅硬巖石。

試驗點S3位于WJ2015-04號測線樁號486.5上,為白堊系地層。潛水面埋藏深度約4.5 m,表層風(fēng)化土厚約1.1 m,下為礫石層,11 m左右見較堅硬巖石。

試驗點S1,井深分別進(jìn)行10 m、12 m、13 m、15 m、18 m及20 m(藥量6 kg)試驗,試驗點S2，井深分別進(jìn)行10 m、12 m、15 m、16 m、18 m及20 m(藥量6 kg)試驗，試驗點S3，井深分別進(jìn)行8 m、10 m、12 m、15 m、18 m及20 m(藥量6 kg)試驗。

試驗點井深能量分析結(jié)果(圖3)表明,井深15 m、16 m、18 m、20 m激發(fā)能量差異較小,井深10 m、12 m時激發(fā)能量較強(qiáng)。

圖3 試驗點井深能量分析圖Fig. 3 Energy analysis of shothole depth

從試驗點井深信噪比定量分析結(jié)果(圖4)可知,隨井深增加,試驗單炮記錄信噪比提高。

圖4 試驗點井深信噪比分析圖Fig. 4 Signal to noise ratio analysis of shothole depth

4.3 激發(fā)藥量研究

試驗點S1和S2藥量分別進(jìn)行3.0 kg、4.0 kg、6.0 kg、7.0 kg、8.0 kg及10.0 kg(井深15 m)試驗。試驗點S3藥量分別進(jìn)行2.0 kg、4.0 kg、6.0 kg、7.0 kg、8.0 kg及10.0 kg(井深15 m)試驗。

從試驗點藥量能量分析(圖5)可知,2 kg、3 kg藥量激發(fā)能量稍弱,8 kg藥量激發(fā)能量最強(qiáng),4～10 kg藥量激發(fā)能量區(qū)別較小。

圖5 試驗點藥量能量分析圖Fig. 5 Energy analysis of charge doses

從試驗點藥量信噪比分析(圖6)可知,2 kg藥量激發(fā)單炮分析信噪較低,6 kg藥量激發(fā)信噪較高,4～8 kg藥量激發(fā)信噪比居中。

圖6 試驗點藥量信噪比分析圖Fig. 6 Signal to noise ratio analysis of charge doses

4.4 接收因素研究

(1)檢波器類型

由于研究區(qū)地表灰?guī)r出露及第四系覆蓋,大部分目的層埋藏較深,資料信噪較低,不適合使用單道數(shù)字檢波器接收,而更適合使用多個模擬檢波器組合接收,既可提高各深度范圍內(nèi)反射波信噪比,也可壓制各種不規(guī)則的隨機(jī)干擾。由于研究區(qū)水系發(fā)育,需備置防水檢波器與壓電檢波器。研究區(qū)地震波主頻一般為20～40 Hz,頻寬為8～80 Hz,為保留低頻信號,拓寬資料頻帶,選用自然頻率為10 Hz的檢波器。

(2)組內(nèi)高差

地形起伏造成的組內(nèi)高差直接影響同一道內(nèi)檢波器接收的反射波同相疊加效果,損害有效波的高頻成分,同一道內(nèi)的組合高差必須以確保所要求的頻率為原則,引起的時差應(yīng)小于優(yōu)勢頻率的1/4周期。

根據(jù)研究區(qū)實際,為保證同一道內(nèi)檢波器接收反射波同相疊加效果,在該區(qū)保護(hù)有效波的最高頻率為80 Hz,低降速層速度按V=800 m/s計算,允許組內(nèi)高差為2.5 m。

因研究區(qū)表層速度變化較大,擬定該區(qū)檢波器組合高差<1 m,保證同道的疊加效果。

(3)組合方式

研究區(qū)干擾波發(fā)育,干擾波類型多、能量強(qiáng),尤其陡峭山體帶來的側(cè)面干擾及次生干擾更強(qiáng),影響范圍更廣。野外組合的目的是壓制環(huán)境噪聲,組合圖形以小組合為主。組合基距一方面大于環(huán)境噪音的相關(guān)半徑,對環(huán)境噪音有較好的壓制效果,另一方面須確保組合基距不會對視速度較低的繞射和側(cè)面波產(chǎn)生消極影響。

根據(jù)施工經(jīng)驗及鄰區(qū)施工參數(shù),本次施工采用12個檢波器面積組合,組內(nèi)距1 m,組合基距Lx為3 m,Ly為2 m。檢波器組合中心對準(zhǔn)測量樁號,組內(nèi)高差≤1 m。部分區(qū)域無法按正常組合埋置檢波器時,采用等比例縮小的方式埋置。

4.5 儀器因素研究

儀器的高截頻率濾波器,又稱去假頻濾波器,用于濾掉高頻干擾信號,高截頻率由采樣間隔決定[20],其關(guān)系式如下。

fn=1/(4×△t)

式中：△t為時間采樣間隔，s;fn為高截頻率,Hz。

為避免產(chǎn)生時間域假頻,當(dāng)采樣間隔△t為2 ms時,相應(yīng)的高截頻率為125 Hz;采樣間隔△t為1 ms時,對應(yīng)的高截頻率為250 Hz。研究區(qū)主要目的層位的地震反射波主頻約為35～65 Hz,因此1 ms采樣率可滿足要求。

區(qū)內(nèi)巖層按保守平均速度3 000 m/s計算,記錄長度6.0 s,勘探深度可達(dá)7 500 m,預(yù)測目的層最深為4 000 m。

4.6 采集參數(shù)確定

根據(jù)正常模擬、低降帶調(diào)查、激發(fā)井深、激發(fā)參量、接收因素及儀器因素研究,采用以下參數(shù)要求。

(1)在基巖出露地區(qū),井深藥柱頂面深度應(yīng)>12 m,藥量8 kg,遇村莊房屋藥量適度減小,遇山頂藥量適度增加。

(2)在白堊系出露區(qū),根據(jù)低速帶調(diào)查結(jié)果,井深藥柱頂面在高速層界面下6 m,藥量8 kg,遇村莊房屋藥量適度減小。

(3)第四系覆蓋區(qū),在潛水界面下6 m激發(fā),藥量6 kg,遇村莊房屋藥量適度減小。

(4)在保證資料品質(zhì)和施工安全前提下,礫石區(qū)采用相應(yīng)的井?dāng)?shù)和井深進(jìn)行多井組合。

(5)接收參數(shù)，20DX-10Hz檢波器12個矩形面積組合,組內(nèi)高差<1 m,組合基距Lx為3 m,Ly為2 m(長邊垂直測線),組內(nèi)距1 m。

(6)觀測系統(tǒng),5990-10-20-10-5990,150次覆蓋,600道接收,20 m道距,40 m炮距。

(7)儀器參數(shù),428XL遙測數(shù)字地震儀,前放增益12 dB,采樣間隔1 ms,記錄長度6S。

5 結(jié) 論

(1)以微測井法、小折射法結(jié)合低、降速帶調(diào)查,可查明有利激發(fā)層位分布范圍和特征,有利于提高單炮的信噪比。

(2)采用檢波器組合技術(shù),可更好地壓制干擾,有利于提高單炮信噪比。

(3)可通過激發(fā)井深、激發(fā)藥量現(xiàn)場試驗分析及儀器因素研究,可最終確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及接收參數(shù)。

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AcquisitiontechnologystudyofshalegasseismicprospectingdataintheWanjiangregion,AnhuiProvince

ZHAO Mu-hua1,SHI Gang1,ZHANG An-hui2,WU Lei-bin2

(1.NanjingCenter,ChinaGeologicalSurvey,Nanjing210016,China; 2.GeophysicalExplorationandSurveyTeam,AnhuiBureauofcoal,Suzhou234000,China)

Based on integrated analysis of geological condition and lithological differences in the Yangtze River valley in Anhui Province, physical parameters and main layer parameters were extracted through synthetic records. The indoor simulation was employed to preliminarily establish the initial observation system in this area, and then a 2D seismic acquisition and observation system was determined using in-site test. The research shows that better exploration results can be obtained through increasing signal-noise ratio and resolution observation, low velocity zone investigation based optimal excitation parameters, multi series geophone array noise suppression and reasonable observation system for field data acquisition in the profiles of hilly areas. Therefore, this study has certain significance to seismic data acquisition technology during shale gas geological survey in hilly areas.

hilly area;2D seismic exploration;data acquisition;shale gas

P631.4

：A

：2096-1871(2017)03-203-07

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.03.006

2016-08-19

：2016-11-10責(zé)任編輯：譚桂麗

中國地質(zhì)調(diào)查局“下?lián)P子地區(qū)古生界頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查(編號：DD20160180)”和“安徽皖江地區(qū)1∶5萬頁巖氣地質(zhì)調(diào)查(編號：12120115100801)”項目聯(lián)合資助。

趙牧華，1981年生，男，高級工程師，主要從事應(yīng)用地球物理研究。