諧波地震在沁水盆地深部煤層氣勘探開發(fā)中的初步應(yīng)用

張文君

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 晉城 048000)

地震頻率諧振勘探是近年來非常規(guī)油氣和礦產(chǎn)勘探開發(fā)中最新的無震源高精度地球勘探一體化技術(shù)[1]。該技術(shù)已經(jīng)在非常規(guī)油氣田的開發(fā)中推廣應(yīng)用,并取得了很好的勘探開發(fā)效果,但在深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中應(yīng)用較少[2]。

我國煤層氣可采資源量豐富,其中埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源量約為2.25×1013m3,位居世界前列[3]。沁水盆地是我國目前煤層氣勘探和研究程度最高、產(chǎn)量最大的盆地[4]。

沁水盆地中東部經(jīng)過多期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動,煤層埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜、小構(gòu)造及裂隙發(fā)育、煤質(zhì)較破碎、煤儲層物性特征變化較大,具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性、含氣飽和度低及滲透率低等特性[5]。在煤層氣勘探開發(fā)階段,小構(gòu)造、構(gòu)造煤、含氣性、裂隙發(fā)育程度、煤儲層物性條件等問題是影響煤層氣富集的主要地質(zhì)因素[6],這些地質(zhì)因素直接影響到深部煤層氣的井位布置、完井井型的設(shè)計及壓裂方案的設(shè)計等工作[7]。因此,急需開展一種新的地震勘查模式及配套的處理技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,近些年應(yīng)用于地震臺網(wǎng)監(jiān)測的探測技術(shù)開始應(yīng)用到勘探,形成了被動源地震勘探領(lǐng)域[8]。這些技術(shù)包括:

1)利用低頻面波噪音的微動技術(shù)。

2)利用臺站間振動波互相關(guān)聯(lián)的可合成擬炮集的成像技術(shù)。

3)工程地球物理中常用的中村技術(shù)等[9]。

自2017年以來,地震勘探領(lǐng)域又出現(xiàn)的一種地震頻率諧振勘探技術(shù),其也利用了噪聲源勘探的原理。該技術(shù)應(yīng)用到深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中,可以提高薄煤層和小的斷層構(gòu)造的辨別精度,在煤層連續(xù)性沉積和煤層的發(fā)育趨勢的判斷方面有了顯著的提高,為深部煤層氣水平井的部署、鉆井開發(fā)及壓裂排采等提供了地質(zhì)依據(jù)[10-12]。

本文就諧波地震在沁水盆地中東部橫嶺區(qū)塊深部煤層氣的勘探開發(fā)利用中的實(shí)例做了初步的分析研究。應(yīng)用諧波地振技術(shù),提高了薄煤層、小斷層和裂縫的辨別精度,逐步形成適合深部煤層氣開發(fā)的地震開發(fā)技術(shù)。

1 地震頻率諧振勘探

1.1 基本原理

1.1.1自然界頻率諧振現(xiàn)象

任何物體都存在自身的固有頻率。大到地球小到微電子,由于物質(zhì)成分、幾何形狀以及結(jié)構(gòu)大小不同,其固有頻率不同,固有頻率是自然界賦予物體的自然屬性。當(dāng)振動作用于物體,物體要做出相應(yīng)的響應(yīng),振動的頻率與物體的固有頻率一致時,物體將放大振動的幅度(如圖1)。

圖1 物體受震動的自激響應(yīng)Fig.1 Self excited response to vibration

1.1.2地震勘探中頻率諧振現(xiàn)象

地震勘探中的諧振現(xiàn)象與自然界中的地震波諧振現(xiàn)象是一樣的。在第四系底部反射或折射回來某特定頻率的地震波的振幅將被放大(圖2)。通常,遠(yuǎn)處檢波器接收到的振幅和頻率特征與炮點(diǎn)發(fā)出的振動幅度和頻率特征不同,出現(xiàn)許多奇怪的特定頻率峰值。這些奇怪的頻率實(shí)際上是對應(yīng)地下某一地層的諧振頻率表征,有時稱為自激頻率。地震波每個頻率對應(yīng)的振幅實(shí)際上隨著波場的傳播被衰減,但高頻成分比低頻成分衰減得更快。

圖2 地震波典型共振圖(BGSC NERC. 2015)Fig.2 Typical resonance diagram of seismic wave (BGS C NERC. 2015)

1.1.3地震勘探中的頻率諧振技術(shù)

地震頻率諧振勘探方法基本原理和具體技術(shù)分為下述幾個方面:技術(shù)假設(shè)前提和基本理論是地面采集到的地震波既包括面波也包括體波,它們都遵循波動方程描述的波動規(guī)律。水平分量波場主要為S波和面波,垂直分量主要為P波和面波,人們可以對它們進(jìn)行獨(dú)立分析,從而獲得S波與P波信息。

1.2 地震頻率諧振技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1方法獨(dú)特性

地震頻率諧振勘探技術(shù),顧名思義,是一種利用自然界廣泛存在的頻率諧振原理進(jìn)行地震勘探,獲得地下地質(zhì)體幾何屬性特征參數(shù)的勘探方法。自然界每一種物體都有自身的固有頻率,地下介質(zhì)也一樣,當(dāng)其受到振動,且振動頻率與自身固有頻率相當(dāng),介質(zhì)也將發(fā)生自激,振動幅度將被放大。我們知道,地震勘探中的地震波頻率從零點(diǎn)幾赫茲到幾百赫茲,輸入到地下并通過折射、反射和散射等再回到地面,如果在其傳播過程中地下介質(zhì)固有頻率與其中的某個頻率相當(dāng),就會放大該頻率的振幅,使其能量在返回到地面時顯著地大于其他沒有受到諧振的頻率的能量。

1.2.2應(yīng)用廣泛性

利用地震波這個諧振特征,人們可以在技術(shù)上設(shè)計多層大地模型,應(yīng)用多種頻率的地震波對其進(jìn)行振動試驗(yàn),從而獲得不同頻率的地震波諧振與地層的關(guān)系,達(dá)到確定地下介質(zhì)厚度和其他參數(shù)的目的。基于這樣的原理,開發(fā)了地震頻率諧振勘探技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明,該項(xiàng)新的勘探技術(shù)不同于常規(guī)的時間域地震勘探技術(shù),其具有下述獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

1)不受地震波初至影響。

2)抗干擾能力很強(qiáng)。

3)對密度變化敏感。

4)縱向和橫向分辨率很高。

5)可以進(jìn)行無源方式采集和數(shù)據(jù)處理。

這些優(yōu)點(diǎn)可使其被應(yīng)用到比常規(guī)地震勘探更大的領(lǐng)域,以及應(yīng)用到深部煤層氣水平井鉆井開發(fā)中。由于其對深度判斷需要依據(jù)現(xiàn)有的鉆孔地層數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)際使用有一定的局限性。

1.3 實(shí)例

1.3.1研究區(qū)地質(zhì)概況

橫嶺區(qū)塊位于沁水盆地復(fù)向斜東翼。地層走向NNE向,總體由一個背斜和一個向斜構(gòu)成,在此基礎(chǔ)上伴有次一級寬緩褶曲,一般傾角為3°～10°,局部因構(gòu)造影響可達(dá)16°左右。區(qū)塊因多期構(gòu)造應(yīng)力疊加作用,形成擠壓變形與伸展拉張變形共存的格局。

區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育,共發(fā)育有向背斜8個,斷層12條,以及陷落柱2個;褶皺多呈NNE向,向斜與背斜緊鄰交替出現(xiàn),褶皺延伸從幾公里到幾十公里,均由前期二維地震和地質(zhì)填圖控制。

本次勘探區(qū)位于橫嶺區(qū)塊東南部,根據(jù)前期的二維地震勘探成果,地層走向NNE向,總體上由一個向斜和一個背斜構(gòu)成,地層傾角較小,一般傾角為3°～8°。區(qū)內(nèi)15#煤埋深在1 400 m～1 800 m,平均厚度在5.18 m,是本區(qū)深部煤層氣開發(fā)的主要目的煤層。

1.3.2橫嶺區(qū)塊工作的優(yōu)勢

地震頻率諧振工作在本地區(qū)工作的優(yōu)勢如下:

1)勘探深度大。地震頻率諧振勘探技術(shù)勘探深度與應(yīng)用的震源能量和檢波器頻率有關(guān),如果應(yīng)用0.05 Hz檢波器,適當(dāng)加長采集時間,可以勘探到幾千米。本次勘探通過30 min的勘探時間可以獲得2 km深度的資料。

2)探測效率高。地震頻率諧振勘探方法本質(zhì)是一種被動源地震勘探技術(shù),與其他被動源勘探技術(shù)相比,減少了大量的采集時間。

3)探測精度高。抗干擾能力強(qiáng),本套技術(shù)中應(yīng)用大能量信號源和多次疊加技術(shù)壓制大量的無用信號噪聲,提高有用信號的信噪比，并且在常規(guī)面波勘探中加入被動源信號,在常規(guī)頻率諧振勘探中加入主動源信號,使得該方法本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力,保證在強(qiáng)干擾的環(huán)境中,能夠采集到地下真實(shí)信息。

1.3.3數(shù)據(jù)采集與處理方法

1)數(shù)據(jù)采集。本次實(shí)驗(yàn)工作設(shè)計剖面2條,點(diǎn)距10 m。其中L1(南線)完成測點(diǎn)120個,長度1.19 km。L2(北線)完成測點(diǎn)77個,長度0.76 km。實(shí)際完成總測點(diǎn)數(shù)197個,剖面總長度1.95 km。剖面測點(diǎn)實(shí)際位置見圖3、圖4。

圖3 L1測線實(shí)測點(diǎn)位圖Fig.3 Location of measuring points on line L1

圖4 L2測線實(shí)測點(diǎn)位圖Fig.4 Location of measuring points on line L2

2)觀測系統(tǒng)。被動源由于可以利用長時間觀測記錄的優(yōu)點(diǎn),使勘探擴(kuò)大到較為深度的區(qū)間。EPS便攜式數(shù)字地震儀中集成了高靈敏度的三分量地震檢波器。按笛卡爾坐標(biāo)組合安裝,分別為垂直向、正北向、正東向三個方向。CDJ系列檢波器具有靈敏度高、諧波失真小、一致性好和工作狀態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn),其使用環(huán)境溫度為-25℃～+55℃。

儀器面板上的N方向?yàn)檎毕?儀器面板上的E方向?yàn)檎龞|向。其中垂直向?yàn)閮x器的第一道;正北向?yàn)閮x器的第二道;正東向?yàn)閮x器的第三道。面波是能量主要集中于距離自由地表約一個波長范圍內(nèi)傳播的彈性波,被動源面波法即被動源面波,實(shí)際上他是利用天然源作為隨機(jī)震源,對地下地質(zhì)體進(jìn)行成像或?qū)傩苑治龅目辈榧夹g(shù)。主動源勘探由于采用彈性波主動震源,雖然能量強(qiáng)、精度高,但深度受到震源能量和排列長度的限制,勘探較淺。

3)數(shù)據(jù)處理。本次采集的被動源地震資料滿足數(shù)據(jù)處理需要。圖5是單點(diǎn)記錄(L2線30號測點(diǎn)記錄)。記錄可見X、Y、Z三分量能量基本均勻,沒有強(qiáng)烈的固定源干擾現(xiàn)象。

應(yīng)用地震頻率諧振勘探技術(shù)對抗噪聲能力進(jìn)行了評估,結(jié)果表明,較強(qiáng)非地質(zhì)噪聲數(shù)據(jù)摻雜到剖面數(shù)據(jù)內(nèi),對成果數(shù)據(jù)造成的影響并不明顯。分析認(rèn)為,非地質(zhì)噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機(jī)噪聲,通過多次空間疊加和時間分段疊加,噪音水平被大大降低,在疊加次數(shù)達(dá)到10次以上后，不再構(gòu)成對地質(zhì)信號的嚴(yán)重影響。

4)L2線地震頻率諧振勘探反演剖面地質(zhì)解譯。L2線近南北向,點(diǎn)號南小北大,起始點(diǎn)0號測點(diǎn),終止點(diǎn)760號測點(diǎn),點(diǎn)號自南向北逐漸增大,點(diǎn)距10 m。根據(jù)L2測線地震頻率諧振勘探視波阻抗反演剖面結(jié)果,對該剖面進(jìn)行解譯見圖6。

圖6 L2線視波阻抗反演剖面解譯圖Fig.6 Interpretation map of apparent wave impedance inversion profile of line L2

三分量頻率諧振地震勘察剖面對不同速度和密度的地層分界較敏感,同一巖性不同密度層通過等值線數(shù)值的差異可以精細(xì)劃分。針對L2測線視波阻抗值反演剖面結(jié)果,結(jié)合已知的見煤點(diǎn)深度信息重點(diǎn)對測線15#煤的埋深和斷裂特征進(jìn)行分析。

15#煤特征及斷裂分析:本次地震頻率諧振勘察重點(diǎn)任務(wù)之一,為查明測線地下空間范圍內(nèi)15#煤層的空間分布特征與埋深。煤層的密度和速度比上下圍巖的速度和密度低,因此在L2測線上15#煤在地震頻率諧振剖面視波阻抗值整體上表現(xiàn)比圍巖地層低。根據(jù)以上特征結(jié)合鉆孔資料對15#煤的深度進(jìn)行標(biāo)定,推測15#煤在L2測線上的分布特征見圖7。

從整體上看，15#煤層在埋深上變化范圍在海拔-220 m～-140 m之間,整體上呈層狀變化。測線南部小號點(diǎn)15#煤層埋深推測在-190 m左右,在測線150號測點(diǎn)左右煤層傾角突然變大,推測受F1斷裂破碎帶影響。在測線270—280號測點(diǎn)附近視波阻抗值表現(xiàn)不連續(xù),推測受F2斷裂影響大號測點(diǎn)北側(cè)大號點(diǎn)煤層埋深變深。向北至570—580號測點(diǎn)15#煤層埋深逐漸變深,推測在580以北受F3斷裂影響煤層埋深變深。

L2測線受斷裂帶影響出現(xiàn)局部不連續(xù)情況,推測煤層視波阻抗值的變化也受煤層厚度及破碎程度影響。對L2測線斷點(diǎn)的斷裂特征進(jìn)行解譯如下:

F1斷裂帶,推測位于15#煤150號測點(diǎn)下方,傾向北部大號測點(diǎn)。傾角推測75°左右,推測15#煤在該斷裂帶的斷距在0～15 m左右。

F2斷裂帶,推測位于15#煤270號測點(diǎn)下方,傾向北部大號測點(diǎn)。傾角推測80°左右,推測15#煤在該斷裂帶的斷距在0～20 m左右。

F3斷裂帶,推測位于15#煤580號測點(diǎn)下方,傾向北部大號測點(diǎn)。傾角推測80°左右,推測15#煤在該斷裂帶的斷距在0～20 m左右。

2 應(yīng)用效果

諧波地震勘探成果應(yīng)用于橫嶺區(qū)塊煤層氣的水平井鉆井指導(dǎo),圖7中 L2線煤層附近的地質(zhì)構(gòu)造和煤層地質(zhì)特征解釋圖為三開水平段施工提供了地質(zhì)和構(gòu)造依據(jù)。L1井10月14日00∶00三開,著陸點(diǎn)1 903 m,垂深1 688.20 m,著陸點(diǎn)井斜89°,方位39.2°,地面海拔-187.9 m。在三開鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)煤層垮塌、漏失、氣侵依然嚴(yán)重,伴隨出現(xiàn)高鉆壓,高摩阻、鉆時慢等情況。于10月26日鉆到井深2 327.67 m時,垮塌、漏失、氣侵又加嚴(yán)重,泵壓升高(21 MPa～22 MPa)，摩阻高。無鉆時,多次處理泥漿，井下情況處理安全。

圖7 L2線煤層附近的地質(zhì)構(gòu)造和煤層地質(zhì)特征解釋圖Fig.7 Interpretation map of geological structure and coal seam geological characteristics near line L2

10月29日井深鉆至2 354 m,井斜93.2°,垂深1 641.25 m,鉆至井深2 354 m,井下情況復(fù)雜,提前完鉆。本井設(shè)計水平段為695 m,實(shí)鉆水平段為541 m,鉆遇煤層530 m,其中非煤段分別為2 126 m～2 127 m,煤層鉆遇率為97.1%,地質(zhì)綜合導(dǎo)向圖如圖8。

圖8 L1井地質(zhì)綜合導(dǎo)向圖Fig.8 Comprehensive well geological orientation map of line L1

該水平井鉆進(jìn)過程中密切關(guān)注高低伽瑪及自然伽瑪值、全烴及鉆時的變化,充分利用諧波地震勘探資料。在井深2 116 m的F2斷層處出現(xiàn)突然出煤層的情況,根據(jù)諧波地震資料參考向上追煤進(jìn)入煤層,在2 354 m處鉆遇F3斷層,通過現(xiàn)場分析斷距在20 m左右,考慮斷層附近煤層坍塌嚴(yán)重提前完井。

根據(jù)諧波地震資料預(yù)判煤層走向和趨勢,提前做好井眼軌跡的微調(diào),使軌跡盡可能地在煤層鉆進(jìn),提高煤層的鉆遇率。諧波地震資料可在煤層傾角存在不確定的情況下,給導(dǎo)向和井眼軌跡的控制提供精細(xì)的地質(zhì)參數(shù)。準(zhǔn)確預(yù)測好煤層傾角的變化,成為搞好地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵性工作。

利用諧波地震技術(shù)施工的水平井鉆遇率為97.1%，比2019年沒有利用該技術(shù)的水平井的鉆遇75.4%(如表1)提高了21.7%,大大縮短了水平段的施工周期,減少了泥漿對煤儲層的污染,增加了壓裂的成功率,提高了單井煤層氣產(chǎn)量。

表1 2019年橫嶺區(qū)塊三開水平段鉆遇率統(tǒng)計表Table 1 Statistics of three-way drilling success rate in horizontal section in Hengling block in 2019

3 結(jié)論

1)初步的分析研究,應(yīng)用諧波地振技術(shù),提高了薄煤層、小斷層和裂縫的辨別精度,逐步形成適合深部煤層氣水平井開發(fā)的地震開發(fā)技術(shù)。

2)諧波地振技術(shù)中應(yīng)用大能量信號源和多次疊加技術(shù)壓制大量的無用信號噪聲,提高有用信號的信噪比;在常規(guī)頻率諧振勘探中加入主動源信號,使得方法本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力,能夠采集到地下真實(shí)信息。

3)分析認(rèn)為非地質(zhì)噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機(jī)噪聲,通過多次空間疊加和時間分段疊加,噪音水平被大大降低,在疊加次數(shù)達(dá)到10次以上后不再構(gòu)成對地質(zhì)信號的嚴(yán)重影響。

4)2020年橫嶺區(qū)塊深部煤層氣水平井利用諧波地震技術(shù)施工的水平井鉆遇率97.1%比2019年沒有利用該技術(shù)的水平井平均鉆遇率75.4%提高了21.7%,大大縮短了水平段的施工周期,減少了泥漿對煤儲層的污染,增加了壓裂的成功率。