高精度三維地震技術在中牟區(qū)塊頁巖氣勘探中的應用

代 磊 ，邱慶倫 ，李昕荷 ，李中明 ，汪 超 ，袁青松

（1．河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450001；2．河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司，河南鄭州 450053；3．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南鄭州 450001；4．地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南鄭州 450001）

南方龍馬溪組海相頁巖氣已經(jīng)進入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)模式，地球物理勘探技術在頁巖氣勘查中起著重要作用[1-5]。相比于常規(guī)天然氣藏，頁巖氣藏具有隱蔽性和非均質(zhì)性，常規(guī)地震勘探手段已無法滿足頁巖氣勘查要求。高精度三維地震資料具有高信噪比、高分辨率、高保真度的特征，有利于發(fā)現(xiàn)隱蔽油氣藏、查明優(yōu)質(zhì)泥頁巖、優(yōu)化設計開發(fā)井位，保證頁巖氣藏勘查開發(fā)取得商業(yè)價值[6-7]。河南中牟頁巖氣勘查區(qū)塊位于通許隆起與中牟凹陷交界，鄭州以東，開封以西（圖1）。2014年成功鉆探了牟頁1井，日產(chǎn)頁巖氣1 300 m3[8]。本文對對河南省中牟頁巖氣勘查區(qū)西姜寨目標區(qū)高精度三維地震數(shù)據(jù)采集、處理、解釋一體化工作的探索和研究，提出適合中牟區(qū)塊及相關區(qū)塊頁巖氣地質(zhì)特征的地球物理勘探評價技術。

圖1 中牟區(qū)塊頁巖氣勘查區(qū)構造背景及地理位置

1 頁巖層段特征

河南中牟區(qū)塊頁巖氣目的層包括下二疊統(tǒng)太原組和山西組。太原組為深灰色、灰黑色泥巖與深灰色泥質(zhì)灰?guī)r互層，夾薄層碳質(zhì)泥巖和煤層沉積；山西組為灰-灰黑色泥巖、粉細砂巖、夾煤層煤線沉積，總厚度約150 m。山西組、太原組頁巖層段有機碳含量高（平均大于2.0%），成熟度高（Ro＞2.0），有機質(zhì)類型均為III型；總含氣量為0.42～4.44 m3/t，平均為 1.93 m3/t，太原組優(yōu)于山西組。山西組、太原組頁巖層段平均孔隙度為 2.7%，平均滲透率為0.132 8×10-3μm2，總體孔隙度、滲透率較低[9-10]。總之，山西組、太原組頁巖氣層段具有巖性復雜，儲層非均質(zhì)性強等特點。

2 地震數(shù)據(jù)采集處理技術

2.1 采集處理難點

根據(jù)高精度三維地震要求，對地震地質(zhì)條件和以往地震資料的分析表明，地震數(shù)據(jù)采集面臨的主要難點為：①主要目的層山西組、太原組存在煤層強反射，對地震波傳播有屏蔽作用；②西姜寨目標區(qū)內(nèi)村莊稠密，人口眾多，國道、鄉(xiāng)間公路縱橫交錯，隨機噪音分布范圍廣、能量強；③疏松、非均質(zhì)性較強的表層結構，造成反射響應頻率較低、有效頻帶較窄。處理的主要難點有：①區(qū)塊振幅不均衡，保持（相對）振幅處理難度大；②要求目的層能夠識別最小巖層厚度，提高分辨率有一定難度；③覆蓋次數(shù)不均勻，規(guī)則化存在一定難度。

2.2 技術對策

經(jīng)過實驗及技術攻關，地震數(shù)據(jù)采集技術依據(jù)高覆蓋、小面元的要求，確定了以下對策：①山西組、太原組存在煤層強反射，在采集過程中應強化激發(fā)、接收手段，保障激發(fā)能量及子波的一致性。保證高速面以下5 m激發(fā)，根據(jù)表層調(diào)查結果制定藥量（西北部6 kg，北部5 kg，其余地區(qū)4 kg），存在安全隱患的村莊、道路等地段，井深15 m，藥量2 kg；②對疏松、非均質(zhì)性較強的表層結構，優(yōu)化設計觀測系統(tǒng)，提高激發(fā)能量；③對村莊稠密，人口眾多區(qū)域適當加密炮點，優(yōu)選放炮時間。

地震數(shù)據(jù)處理主要進行了高保真振幅補償、聯(lián)合多域去噪、地表一致性反褶積、規(guī)則化等方法。特別是針對插值補缺口及全規(guī)則化處理，保障偏移前數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)及振幅均衡，較好地解決了村莊道路密集造成的覆蓋次數(shù)不均勻問題。

2.3 效果分析

基于地震數(shù)據(jù)采集處理方法的研究，與二維地震資料相比，三維地震剖面的頻率、信噪比及分辨率有了較大提高，連續(xù)性增強；縱向上波組特征清楚，斷層歸位更加準確，有利于后期的構造解釋和 儲層預測（圖2）。

圖2 二維地震資料（上）與三維地震資料（下）成像效果對比

3 頁巖氣“甜點”區(qū)預測

“甜點”區(qū)評價預測參數(shù)包括儲層的埋深、厚度、總有機碳含量（TOC）、物性、脆性礦物含量、裂縫發(fā)育等指標[11-14]，預測方法包括構造精細解釋、儲層屬性反演、天然裂縫預測及孔隙壓力預測等方法[15-16]。

3.1 研究方法

根據(jù)前人的研究成果，結合西姜寨目標區(qū)的地質(zhì)地震特征，在充分收集中牟區(qū)塊及周邊地震地質(zhì)及測井資料的基礎上，通過合成記錄、精細解釋、變速成圖、疊前反演等技術，明確儲層空間展布，評價關鍵參數(shù)，結合斷裂及微裂縫評價結果，優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)帶。

3.2 構造精細解釋

頁巖氣層段的精細標定是地震精細解釋的基礎。根據(jù)不同的地震反射特征，南華北盆地地震反射可劃分為五個層序[17]，中生界三疊系和上古生界合成的第IV地震反射層序為主要勘查目標，層序內(nèi)部基本為“整合”或“似整合”接觸。

根據(jù)合成記錄分析，山西組、太原組整體上表現(xiàn)為“兩峰＋兩谷”的特征，局部表現(xiàn)為“三峰＋三谷”的特征。其中山西組頂部泥巖、中部煤層為波峰反射，太原組中部碎屑巖為波谷反射（圖3）。

南華北地區(qū)呈多期復合疊合盆地，演化過程可劃分為晉寧運動期、加里東運動期、海西-早印支運動期，晚印支-燕山運動期和喜馬拉雅運動期 5期構造運動[18]。通過地震解釋得到的等時間圖需要轉(zhuǎn)換為深度構造圖，再利用井資料和速度譜資料建立速度模型，并結合層位數(shù)據(jù)和井數(shù)據(jù)進行校正，得到高精度構造圖。

3.3 優(yōu)質(zhì)泥巖儲層預測

圖3 西姜寨目標區(qū)牟頁1井山西組、太原組地震響應特征

地震屬性約束反演已成為儲層預測的重要技術之一，常用的地震反演方法有：聲波阻抗反演、測井屬性反演和隨機反演方法[19-20]。研究區(qū)主要利用測井屬性反演方法，對評價頁巖氣儲層的關鍵參數(shù)（TOC，含氣量，總孔隙度等）進行了預測（圖4）。利用反演計算的TOC，含氣量和孔隙度與測井曲線趨勢上有較好的一致性。從TOC和含氣量剖面上看，山西組煤層TOC和含氣量較高，其次為太原組中部頁巖層；從總孔隙度剖面上看，山西組下部大占砂巖總孔隙度較高，其次為太原組中部頁巖層。綜合認為太原組中部頁巖層和山西組下部大占砂巖段是有利勘探層位。

圖4 過牟頁1井（主測線1 786）的反演剖面

3.4 裂縫預測

裂縫發(fā)育程度對頁巖氣產(chǎn)量有著決定性的影響。泥頁巖中存在構造縫（張性縫和剪性縫）、層間頁理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫和有機質(zhì)演化異常壓力縫這 5種主要裂縫[21]，預測方法主要包括相干體分析、螞蟻追蹤、曲率分析、縱波方位各向異性檢測和疊后地震屬性分析技術[22-23]。

西姜寨目標區(qū)通過快慢橫波比和快橫波方位，對主要目的層頁巖氣儲層裂縫發(fā)育情況進行了預測（圖5）。

圖中用顏色區(qū)分裂縫強度，紅色代表裂縫強度大，西姜寨目標區(qū)東側(cè)比西側(cè)裂縫強度大；黑色線段表示裂縫走向，以NNE為主，預測結果與微地震監(jiān)測較為一致。

圖5 快慢橫波比及快橫波方位疊合

3.5 預測成果

根據(jù)三維地震構造精細解釋、優(yōu)質(zhì)泥巖儲層預測及裂縫預測獲得的資料，優(yōu)選裂縫發(fā)育區(qū)域埋深為2 000～3 500 m，頁巖厚度大于30 m，含氣量大于1.5 m3/t，作為有利目標區(qū)，部署并實施了ZDY2井。ZDY2井主要層位埋深與預測結果誤差小于0.5%，太原組壓裂獲得日產(chǎn)頁巖氣3 614 m3，表明地震解釋技術在頁巖氣預測中取得了較好的效果[24]。

4 結論

（1）高精度三維地震勘探技術很好地解決了頁巖氣層段巖性復雜、儲層非均質(zhì)性強等問題，取得了良好的效果，適合河南中牟區(qū)塊頁巖氣勘查。

（2）在采集過程中，應遵循高覆蓋、小面元的技術要求，優(yōu)化觀測系統(tǒng)和激發(fā)條件；在處理過程中，要特別注意保真保幅處理和規(guī)則化處理。

（3）合成記錄、精細解釋、變速成圖、疊前反演等地球物理解釋技術在頁巖氣層段預測中起到了較好的作用，預測結果與鉆井結果吻合程度較好。