陡傾角地層煤層氣地震勘探方案優化與應用探析

劉成立

（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300459）

新疆地區煤層氣資源量大，2000m 以下淺煤層氣資源量達9.51 萬億m3，居全國第一位。煤層氣俗稱瓦斯，是與煤共生的非常規天然氣。目前，新疆已在阜康市、吉木薩爾縣、烏魯木齊市米東區、拜城縣實施煤層氣開發，年產煤層氣近1 億m3。烏魯木齊市米東區位于準噶爾盆地南緣，該區域煤層氣豐富，儲蓋組合匹配良好，發育一系列大型背斜構造帶，具備形成煤層氣田的地質條件。作為現階段國內勘探程度較低的正向構造成排成帶發育的地區，準噶爾盆地南緣勘探開發越來越受到各界關注，探討該地域地震勘探采集技術設計方案具有重要意義。

1 勘探區域地質特征

本論文研究的區域位于北天山褶皺帶北緣，準噶爾坳陷區南部，研究區域內斷層、褶皺較為發育，地層的傾角總體呈現北緩南陡的特點（北部傾角約30°，南部傾角一般為70°～80°），區域內構造整體呈現“東西分段、南北分帶和上下分層”的特征[1]。

新疆烏魯木齊東北部準格爾盆地區域內斷層發育，分布多個斷裂構造，其中阜康逆掩斷裂，分布于工作區北部，區內長度70km，斷面南傾，具犁式構造特征，地表傾角較大，約45°～55°，深部漸緩，約18°～40°。妖魔山逆掩斷裂，分布于區域南部，為一區域性控煤構造，控制煤系地層的南部邊界，區內長度70km，走向近于東西，斷面南傾，傾角較大，約65°，斷距由西向東逐漸增大。碗窯溝逆掩斷裂長度68km，發育在七道灣背斜北翼并切割北翼西山窯組地層，斷層北傾，傾角一般72°～85°。七道灣背斜，位于烏魯木齊河東區,分布于七道灣以東，區內長度33km，軸向北東，軸面南傾，傾角76°～88°，向西傾伏，斷層北盤（即上盤）由西山窯組、頭屯河組地層構成單斜構造（北單斜），地層傾角70°～80°，局部直立甚至倒轉；背斜南翼（即八道灣向斜北翼）傾角由西向東逐漸變緩，傾角在30°～65°之間。八道灣向斜，位于七道灣背斜以南，區內長度41km，軸向北東東60°，軸面南傾，兩翼地層由西向東分別為西山窯組、八道灣組構成，南翼地層陡（55°～80°），北翼緩（30°～65°）。

2 地震勘探歷史分析

為取得理想的地震資料，對該區域歷史的地震勘探觀測系統進行分析，1989 年和2008 年該區域的測線觀測系統采用了常規的二維采集方式，2002 年和2009年采用寬線觀測系統，適當增加了目的層有效覆蓋次數，達到改善低信噪比地區地震成像的效果；2020 年采用了高覆蓋的寬線觀測系統，采集效果有了較大的提高。

1989 年為該區塊開展常規二維地震勘探，采用觀測系統2975-25-0-25-2975，接收道120 道，覆蓋次數60 次，道距25，炮距50，剖面特點較明顯，剖面信噪比低，地質現象不清，目的層反射不明顯、構造形態不清晰，橫向展布特征難以準確識別，構造難以準確落實。

2002 年該區塊開展寬線采集的二維地震勘探，采用寬線2L1P，觀測系統4890-10-0-10-4890-20/5690-10-0-10-4090-20，接收道490 道，覆蓋次數240 次，道距20，炮距40，剖面信噪比較1989 年資料有一定的提高，背斜構造形態較為清晰，主要煤層反射較為清楚、波組特征較為明顯，但斷層不夠清晰，二疊系、三疊系反射不清，難以追蹤識別。

2009 年該區塊開展寬線采集的二維地震勘探，采用寬線2L1P，觀測系統6390-10-20-10-6390，接收道1280 道，覆蓋次數256 次，道距20，炮距40，剖面信噪比跟2002 年資料品質較為相似，主要煤層反射較為清楚、波組特征較為明顯，但斷層不夠清晰，斷點不明確，由于采用了較長的偏移距，中深層反射較2002年資料有一定改善。

2020 年該區塊開展寬線采集的二維地震勘探，采用寬線2L2P/3L2P，觀測系統11990-10-20-10-11990，接收道2400/3600 道，覆蓋次數1200/1800 次，道距20，炮距40，剖面信噪比跟2002、2009 年資料信噪比有一定提升，目的層的煤層反射較為清楚、波組特征較為明顯，但部分區域難以橫向追蹤，斷層不夠清晰，斷點不明確，主要目的層構造難以準確落實，較2002年資料有一定改善，中深層地層反射較為清晰。

通過已有資料分析可知：（1）寬線采集信噪比明顯高于常規采集；（2）長偏移距采集更有利于中深層地層成像；（3）2020 年采集的資料中淺層信噪比仍然較低，觀測系統八道灣組有效覆蓋次數應至少高于2020 年采集覆蓋次數[2]。

3 地震采集難點與對策

3.1 地震采集設計難點與對策

通過以上資料和工區地震條件的分析，本區地震資料主要存在以下難點：

1.復雜高陡構造和斷裂發育造成地震波波場十分復雜，地震資料表現為反射雜亂，波組特征不明顯，構造成像不準確。

2.信噪比較低，構造成像效果不佳。

3.工區靜校正問題突出，影響成像效果。

在采集技術參數方面，主要是采取“寬線、高覆蓋、長排列觀測系統”的采集技術對策：（1）寬線采集。采用多線、較大測線寬度的寬線觀測系統，通過面元組合疊加提高壓制側面散射干擾的效果，改善剖面成像信噪比；（2）高覆蓋采集。通過提高覆蓋次數，改善疊前偏移效果，提高資料的信噪比，改善目的層成像效果，提高儲層預測的精度；（3）長排列接收。有利于AVO 分析，更有利于滿足疊前儲層預測對地震資料的要求；有利于接收深層的反射信息，提高深層及陡傾角地層的成像效果。

3.2 優化觀測系統方案

綜合考慮以上論證分析結果，優選兩種觀測系統方案，具體參數如表1。

表1 推薦觀測系統參數

方案1：縱向面元尺寸5m，面元較小，接收點數量增加一倍，使用一條炮線。

方案2：縱向面元尺寸10m，增加一條炮線，炮數增加一倍，施工成本顯著提高，但相同面元下覆蓋次數相同。

對比兩個方案的優缺點，可以看出，方案1 縱向面元更小，更有利于中淺層成像，布設的炮數更少，施工成本更低，方案1 更優。

3.3 推薦觀測系統

二維地震勘探觀測系統設計參數如下：

4 采集施工技術難點與對策

4.1 采集施工技術難點

地表條件：屬山前帶復雜地表，礫石沉積，巖石出露，地表巖性多變，激發接收條件差。

表層條件：礫石層厚，山地低速層厚度與速度變化大，難以追蹤穩定的折射層。

深層條件：結構復雜，斷裂發育，沒有明顯的反射標志層，成像效果差。

難點1：工業園區、煤礦及采空塌陷區等大型連片障礙物多，炮檢點布設困難，獲取完整地震資料困難。

難點2：低信噪比，淺、深層構造復雜，斷裂發育，地震成像困難，靜校正問題突出。

4.2 采集施工技術對策

對策1：依托小線元、高覆蓋寬線二維觀測系統優化設計。

通過調研山前帶采集方法、以往資料分析、采集方法論證，采用寬線二維3 線1 炮，觀測系統提高本工區地震資料成像。

本次采用寬線二維采集方法優點：（1）采用小面元刻畫陡傾角地層成像；（2）高覆蓋次數滿足山前帶成像；（3）寬線橫向多次覆蓋和組合壓制干擾；（4）提高靜校正精度和速度分析精度；（5）提高對近地表低速層的刻畫。

對策2：優選激發參數。為優選適合該區的最佳激發因素。針對不同巖性開展實驗點，優選適合本區的最佳激發因素。

對策3：優化激發參數設計。詳細表層調查，精細激發分區，逐點設計激發參數，提高單炮資料信噪比和頻帶。

（1）詳細表層調查工作，加密巖性調查點，結合基巖露頭、大鉆的近地表資料構建表層結構模型；（2）通過表層調查資料及現場調查優化巖性分類，基于巖性及速度模型的激發井深設計；（3）根據高清衛片、地質露頭、巖性錄井、微測井、潛水面調查等信息精確劃分巖性分區。

5 優化方案后采集資料分析

5.1 采集資料單炮分析

基巖區單炮整體能量強，波阻反射特征明顯，單炮目的層信噪比較高，波阻反射特征明顯，單炮低頻信息豐富，信噪比較高，連續性較好，單炮目的層高頻段有較明顯的目的層反射特征，頻帶較寬[3]。

礫石區單炮整體能量均衡，波阻反射特征明顯，整體品質較好，信噪比較高。單炮低頻反射信息豐富，單炮目的層主頻段信噪比較高，波阻反射特征明顯，高頻段能見到有效反射，頻帶較寬。

黃土區單炮整體能量較強，波阻反射特征明顯，整體品質較好，信噪比較高，目的層連續性較好，單炮低頻信息豐富，單炮目的層高頻段能見到目的層有效反射[4]。

從現場處理剖面看，主要目的層反射信噪比較強，連續性較好，反射能量強，波組特征明顯，同相軸連續好，構造形態清楚，淺、中、深各層位反射信息豐富，波組特征明顯，能夠真實反映地下地質現象[5]。實踐表明，本次采集方法科學合理，施工參數準確可靠，現場質量管理嚴格，所獲地震資料能夠完成本項目地質任務要求。

5.2 采集資料效果總結

通過對單炮資料進行分析，單炮信噪比較高、頻帶較寬，剖面目的層反射信息豐富，波組特征清晰，信噪比高，連續性較好，整體資料品質較好。巖石區激發效果最好，頻帶較寬；次為礫石；黃土區頻率相對較低。巖石區激發頻帶寬5-57Hz，礫石頻寬5-53Hz，黃土區頻帶較窄5-46Hz，可控震源頻寬6-84Hz。從現場處理剖面分析，主要目的層連續性較好，信噪比較高，層間信息豐富，波組特征明顯[6]。與以往二維成果剖面對比，剖面目的層連續性更好，層間信息更豐富，信噪比較好。后期通過室內精細資料處理，剖面質量將會有進一步提升，能夠完成預期地質任務。

6 結語

新疆是煤層氣資源大區，但產量在全國占比卻微乎其微，其中一個原因就是新疆煤層氣構造復雜開采難度大，新疆煤層氣高傾角，煤層多且厚，煤質碎軟，鉆井和壓裂工程難度大。新疆準噶爾盆地南緣物探面臨下組合超深目的層、天山北坡超級沖積扇群、中淺層超強各向異性、多重沖斷超復雜斷裂系統、山地超陡傾角地層“五超”難題，高精度地震勘探難度大、成本高，而且，南緣地震勘探還面臨許多技術問題，有些甚至是世界級難題，比如，南緣地區是典型的地表、地下雙復雜勘探區，本論文是對新疆準噶爾盆地南緣區域煤層氣地震資料采集方案的一次優化探索，進一步加強地震采集技術攻關，強化采集質量控制，通過優化的地震采集方案，獲取優質的地震勘探資料是推進新疆準噶爾盆地南緣勘探開發的關鍵利器。