劉厚裕

（中國石化華東油氣分公司，江蘇南京210019）

對于四川盆地周緣奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖殘留向斜內的常壓頁巖氣而言，其主要特點：1）地下保存條件遭受破壞，頁巖氣主要以吸附態(tài)殘存于頁巖儲層中，地層壓力系數一般小于1.3，單井產量低；2）地表為復雜山地，地形高差大，出露巖性多為灰?guī)r且橫向變化大；3）勘探開發(fā)難度大，“降低勘探投入成本，提高勘探效率”[1]的工程技術（包括三維地震勘探技術）是實現商業(yè)開發(fā)的關鍵。

隨著計算機技術和地震儀器裝備等的飛速發(fā)展，百萬道采集地震儀器[2]能夠滿足高密度地震勘探技術要求。近年來在油氣勘探領域，以高精度疊前深度偏移成像技術為核心的“兩寬一高”（寬頻、寬方位、高密度）三維地震勘探技術[3-4]已成為主流和方向，導致三維地震勘探資料采集、處理成本急劇上升。尤其是在非常規(guī)資源勘探（頁巖油氣、煤層氣等），其經濟性是制約地震勘探的主要因素。目前，解決低油價與地震勘探成本上升的矛盾，已成為油公司和地震行業(yè)瓶頸問題。

在中國南方山地進行頁巖氣三維地震勘探[5]，衡量和評價地質效果主要指標是地震資料的信噪比和保真度。頁巖氣三維地震勘探主要任務除了滿足常規(guī)油氣查明地層空間展布、落實構造細節(jié)、預測巖性油氣藏等外，還要滿足尋找頁巖氣地質和工程甜點、頁巖氣藏建模[6]、鉆井軌跡設計和水平井軌跡地震地質導向[7]等要求，為降低頁巖氣勘探開發(fā)井失誤率和提高水平井軌跡在優(yōu)質頁巖氣層穿行率提供支撐，已成為頁巖氣勘探開發(fā)不可缺少的有效方法。

以地下為向斜型構造、地表為山地灰?guī)r出露的“單復雜”武隆地區(qū)常壓頁巖氣勘探開發(fā)為例，并結合類似地區(qū)的桃子蕩常規(guī)三維地震資料，著重對信噪比進行對比分析，為現階段尋找“經濟、適用、有效”三維地震方法探出新的思路，總結出可以推廣和借鑒的經驗。

1 問題提出

中國南方常壓頁巖氣資源豐度低、分布范圍廣、資源總量大，具有巨大的勘探開發(fā)潛力，已成為國內頁巖氣勘探攻關的重點[9-14]。武隆地區(qū)是四川盆地周緣眾多典型的奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖殘留向斜之一。通過多年的勘探攻關，武隆地區(qū)常壓頁巖氣取得了突破。LY1HF井測試產量為4.6×104m3/d、LY2HF 井測試產量9.22×104m3/d，但單井產量（2～4.5）×104m3/d，屬于邊際效益。武隆地區(qū)志留系龍馬溪組常壓頁巖氣有望成為常壓頁巖氣商業(yè)開發(fā)的示范基地，已列為國家科技重大專項資助的重點研究區(qū)。

武隆地區(qū)地表復雜，山地地表高差大，出露巖性有侏羅系、三疊系、二疊系、志留系、奧陶系等地層（圖1）。地下構造相對簡單，以大型寬緩向斜構造為主，志留系頁巖埋深為1 500～4 500 m，斷層不發(fā)育，有良好的反射界面等（圖2）。以往的二維地震資料雖然查清了基本構造格局，但構造細節(jié)不落實。要查明武隆地區(qū)的構造細節(jié)、斷層分布及地層展布特征，精細評價志留系龍馬溪組頁巖氣目的層，落實“甜點”發(fā)育區(qū)和氣藏建模，為井位部署和水平井軌跡設計、跟蹤提供依據，就必須開展三維地震勘探。

圖1 武隆三維工區(qū)Fig.1 3D seismic prospect of Wulong area

圖2 武隆三維工區(qū)典型二維地震剖面Fig.2 Typical 2D seismic section of Wulong area

圖3 武隆及周邊三維地震資料采集炮道密度統(tǒng)計Fig.3 Statistic of shot trace density gathered by 3D seismic data in Wulong and surrounding areas

影響地震資料采集成本主要因素是炮道密度，尤其是炮密度。依據單位平方千米炮密度、道密度[15]統(tǒng)計數定義三維地震勘探密度。一般認為，炮道密度小于30 萬炮道/km2為低密度，30～100 萬炮道/km2為中密度（常規(guī)），大于100萬炮道/km2為高密度。密度越高、精度超高、成本越大。近十年來，中國石化在南方頁巖氣勘探過程中，先后實施焦石壩、焦石壩南（平橋北）、南川、丁山、東溪、平橋西（桃子蕩）等頁巖氣三維地震勘探，炮道密度為36～49 萬道/km2（圖3）。武隆地區(qū)作為國家科技重大專項常壓頁巖氣重點研究區(qū)，是渝東南盆緣構造復雜帶殘留向斜常壓頁巖氣有利目標區(qū)的典型代表?；A地質理論研究和低成本工程工藝技術攻關是實現商業(yè)開發(fā)的關鍵。在綜合考慮技術、成本和效益基礎上經過反復調研和論證，選擇頁巖氣低密度三維地震勘探進行方法攻關。主要攻關思路是：在總結周邊地區(qū)三維地震勘探方法和資料分析基礎上，以滿足勘探目標和地質任務要求為準則，基于正演模型算法，對面元大小、覆蓋次數、炮檢點分布等觀測系統(tǒng)參數進行充分論證，采用深井大藥量飽和激發(fā)提高單炮能量及信噪比、降低炮道密度，從而達到降低三維地震資料采集成本。武隆地區(qū)頁巖氣低密度三維地震炮道密度只有15 萬道/km2，不到鄰區(qū)頁巖氣常規(guī)三維地震的1/3，能否滿足地質任務的要求是關鍵。攻關一旦獲得成功，對類似地區(qū)常壓頁巖氣勘探開發(fā)具有示范帶動意義。

2 武隆地區(qū)三維地震勘探

武隆地區(qū)常壓頁巖氣三維地震勘探主要地質任務是查清志留系龍馬溪—奧陶系五峰組地層空間展布、預測頁巖氣地質與工程“甜點”、為鉆井設計與軌跡跟蹤、氣藏建模和提交儲量提供依據和支撐，為實現商業(yè)開發(fā)利用常壓頁巖氣，有針對性地尋求性價比較高的頁巖氣低密度三維地震勘探方法，探索出“降本增效”途徑。頁巖氣低密度三維地震勘探設計的主要技術依據是：1）武隆地區(qū)地下為一寬緩的向斜構造，凹界面對射線的聚焦作用；2）以往二維地震剖面表明向斜內的志留系頁巖反射波組具有較高的信噪比；3）基于寬方位地震數據中的方位各向異性信息開展頁巖裂縫預測。主要攻關思路是：1）采用飽和激發(fā)提高原始單炮能量、減少炮密度和疊加次數，降低三維地震資料采集成本；2）根據地表和地下構造復雜情況，有針對性地調整激發(fā)接收點布設，確保有利目標區(qū)資料采集滿足地質任務要求；3）加強資料采集質量控制，尤其是激發(fā)接收環(huán)節(jié)噪音控制，提高原始資料的信噪比；4）選擇在高保真前提下、著重提高信噪比和高精度靜校正的處理流程和參數，確保處理和解釋成果能為常壓頁巖氣勘探開發(fā)提供支撐；5）結合成果應用和效果分析進行后評估。

武隆地區(qū)頁巖氣低密度三維地震勘探資料采集觀測系統(tǒng)見表1。全偏移距覆蓋次數為60 次（縱向12 次、橫向5 次），3 000 m 偏移距覆蓋次數為33 次（圖4），共計25束線，滿覆蓋面積195.37 km2，資料面積411.34 km2，炮點面積287.94 km2（炮密度35.54炮/km2）、施工面積555.56 km2（道密度90.78 道/km2）。采用深井大藥量炸藥震源激發(fā)（砂頁巖區(qū)激發(fā)因素：井深21 m、藥量14 kg；三疊系灰?guī)r區(qū)：井深23 m、藥量16 kg；二疊系灰?guī)r區(qū)：井深25 m、藥量18 kg；14 kg以上藥量激發(fā)單炮占比大于85%，最低激發(fā)藥量8 kg，圖5）。

現場采用以“質量為核心”的“123456工作法”實行全過程管控，即：組建1 個攻關項目組，構建“地質物探相結合、設計采集處理解釋一體化[16]”2個平臺，采用“甲、乙和監(jiān)督”3方獨立運行模式，堅持“組織管理、質量控制、技術支持、處理解釋”4個方面到現場，嚴抓“測量、鉆孔、下藥、檢波器埋置、干擾背景控制”5個環(huán)節(jié)質量，達到“設計、管理、隊伍、施工、技術、成果”6 個一流的管理目標。例如：為確保激發(fā)環(huán)節(jié)的能量，設計要求“14 kg 以上藥量激發(fā)單炮占比大于85%，最低激發(fā)藥量8 kg”，鉆孔、下藥采用100%視頻錄像；為確保接收環(huán)節(jié)質量，檢波器埋置采用100%照片上傳；為確保激發(fā)接收點位準確率，炮、檢點偏移采用100%復測；為確保原始資料信噪比，派專人到儀器組控制激發(fā)接收時的噪音干擾等；按照復雜山地三維地震資料采集現場處理[17]操作流程進行現場監(jiān)控處理，對當日資料單炮記錄品質分析不過夜、監(jiān)控剖面不超過48 h，做到及時反饋并提示施工方、監(jiān)督方對發(fā)現的問題及時整改。通過“123456工作法”的實施，使得現場資料采集的每一炮、每一道質量均在有效受控狀態(tài)。

圖4 武隆三維地震實際覆蓋次數Fig.4 Actual fold number distribution of Wulong 3D seismic survey

表1 桃子蕩與武隆地區(qū)地質背景與三維地震采集方法對比Table1 Comparison of geological background and 3D seismic acquisition methods in Taozidang and Wulong

圖5 武隆三維地震炸藥震源井深、藥量分布Fig.5 Dynamite source well depth and charge distribution of Wulong 3D seismic survey

武隆頁巖氣低密度三維地震勘探資料采集主要存在兩個方面的問題：1）受炮道密度低的影響，資料處理準確求取靜校正量難度加大；2）受地表障礙物（如城鎮(zhèn)、鐵路和公路、地質災害點、溶洞等）的影響，激發(fā)、接收點分布不均勻，造成CMP 面元內道集、炮檢距、方位角等分布不均勻，資料保真處理和成像難度加大。針對這兩個方面的問題，武隆頁巖氣低密度三維地震資料處理，參照“兩寬一高”（寬頻、寬方位、高密度）三維地震資料處理技術在高保真的前提下，注重提高信噪比和高精度靜校正處理環(huán)節(jié)以彌補資料采集存在的缺陷。針對提高信噪比和高精度靜校正的處理方法主要有：①針對不同地表巖性條件下的噪聲特征，采用差異化分步、多域噪聲衰減[18-19]處理精細去噪；②針對復雜山地靜校正和單位面積內炮、檢點分布點較少的特點，采用基于近地表速度模型[20]反演的方法進行多輪次靜校正迭代；③針對因大型障礙物造成變觀、不規(guī)則采樣問題，采用五維規(guī)則化處理技術[21-22]實現數據規(guī)則化重構，使得反射面元屬性的均勻性趨好。

武隆地區(qū)三維地震數據體處理受低密度采集的影響，如果保真度不高，就存在海相沉積地層和頁巖層的地震反射波組“串相位”[23]和混波的缺陷（圖6）。在地震資料處理解釋一體化[24]運作模式下，采用建立構造模式基礎上重構偏移速度模型、通過地層構造格架和地層傾角共同來約束反演趨勢進行疊前深度偏移，使得陡傾角地層成像保真度效果得到明顯提高。經過多次迭代，最終提交的數據體“串相位”現象基本消除（圖7）。

圖6 武隆三維地震初步處理剖面反射波組“串相位”和混波現象嚴重Fig.6 Serious“series phase”and mixed wave phenomenon of reflection wave group in preliminary processing by 3D seismic in Wulong area

圖7 武隆三維地震最終成果剖面Fig.7 Final result section of Wulong 3D seismic section

圖8 武隆地區(qū)三維地震與以往的二維地震剖面對比Fig.8 Comparison of 3D and 2D seismic sections in Wulong

通過武隆頁巖氣低密度三維地震的實施，取得主要成果是：1）獲得了三維滿覆蓋主體區(qū)主要目的層五峰組—龍馬溪組地震反射波組信噪比大于5 的較好資料（圖8、圖9）；2）地震反射波組與三維區(qū)內現有的LY1 和LY2 鉆井以及LY1HF 和LY2HF 鉆遇的地層吻合程度好（圖10、圖11）；3）目的層五峰組—龍馬溪組空間展布規(guī)律更加可靠（圖12）；4）CMP 道集表明，志留系龍馬溪組—奧陶系五峰組頁巖儲層AVO 響應明顯，地質工程甜點和地應力預測[25]可信度高（圖13）；5）地震資料滿足頁巖氣儲層評價要求，為新一輪鉆井部署提供可靠的支撐；6）通過高保真的前提下注重提高信噪比和高精度靜校正處理技術，以彌補資料采集存在的缺陷，從而實現低密度三維地震資料采集成本較以往類似地區(qū)下降46%，為常壓頁巖氣勘探開發(fā)探索出一套經濟實用有效的地震勘探方法與技術，對推動中國南方常壓頁巖氣實現商業(yè)開發(fā)具有重要借鑒意義。

3 評估分析

中國南方山地灰?guī)r出露區(qū)地震資料信噪比低，主要原因是地表高差大、出露巖性橫向變化大、灰?guī)r出露區(qū)淺地表溶洞和煤礦坑道等廣泛分布，給地震資料采集激發(fā)和接收環(huán)節(jié)一致性以及資料處理靜校正、速度分析[26-27]和成像等帶來較大影響[28]。因此，評價此類資料的品質主要指標是勘探目的層反射波組的信噪比。

圖9 武隆地區(qū)志留系龍馬溪組—奧陶系五峰組三維地震反射波組品質分析Fig.9 Quality analysis of 3D seismic reflection wave group of Longmaxi Ordovician Wufeng Formation of Silurian in Wulong

圖10 過LY1井和LY2井連井剖面Fig.10 Cross well profile of Well-LY1 and Well-LY2

圖11 過LY1HF井和LY2HF井連井剖面Fig.11 Profile of Well-LY1HF and Well-LY2HF

圖12 武隆地區(qū)志留系龍馬溪—奧陶系五峰組底面構造Fig.12 Bottom structure of Silurian Wufeng-Ordovician Longmaxi Formation in Wulong area

圖13 武隆地區(qū)志留系頁巖氣甜點預測（紅色：高值；藍色：低值）Fig.13 Sweet spot prediction of Silurian shale gas dessert in Wulong（red:high value;blue:low value）

桃子蕩三維地震勘探工區(qū)是位于四川盆地內、地表出露巖性80%為侏羅系砂巖，地表地形高差與武隆三維地震勘探工區(qū)相比相對較小，地下構造為斜坡型，相對簡單，勘探目的層為二疊系（礁灘）和志留系（頁巖）。桃子蕩與武隆三維地震勘探工區(qū)一樣，都是地表地形相對復雜、地下構造相對簡單的“單復雜”地區(qū)，兩者具有可比性（表1）。桃子蕩三維地震勘探方法采用192次覆蓋、炮道密度為47.5萬道的觀測系統(tǒng)（圖14）。通過對桃子蕩三維地震勘探的分析，為武隆三維地震勘探評估分析[29]提供參考依據。

影響地震資料信噪比因素很多。將2 塊三維地震資料采用同一流程和參數進行抽炮處理，分別形成桃子蕩三維20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120 次疊加地震數據體和武隆三維20、30、40、50、60次疊加地震數據體。武隆三維地震數據選取地表巖性與桃子蕩地區(qū)一樣都是侏?系砂巖覆蓋地區(qū)、志留系埋深都在3 000 m左右的地震剖面，針對相對穩(wěn)定的龍馬溪目的層反射波組進行信噪比分析，其分析結果是能夠反映原始資料疊加次數與信噪比之間的關系（圖15、圖16）。

圖14 三維地震疊加次數對比Fig.14 Comparison of 3D seismic stacking times

通過對2 個工區(qū)三維地震覆蓋次數與平均信噪比關系分析，發(fā)現在地表復雜、地下構造相對簡單的向斜構造區(qū)，能滿足五峰—龍馬溪組地震資料成像和地質任務要求的，較為經濟的三維地震覆蓋次數為80次左右。圖16中可以看出，在相同覆蓋次數的情況下，武隆三維地震數據體資料顯示志留系反射波組信噪比略高于桃子蕩三維，分析主要原因是：1）武隆三維地震資料采集過程中，采用“14 kg以上藥量激發(fā)單炮占比大于85%，最低激發(fā)藥量8 kg”有效措施，平均井深和藥量都比桃子蕩三維要大，在激發(fā)環(huán)節(jié)采用飽和激發(fā)，保證了每一炮的資料采集能量（圖17）；2）武隆三維采用2串24個20DX-10 Hz檢波器同心圓埋置組合接收，比桃子蕩三維單串12 個20DX-10 Hz 檢波器圓形埋置組合接收壓制干擾效果要好一些，在接收環(huán)節(jié)保證組合接收效果；3）志留系平均埋深和所處的構造位置，武隆為3 000 m 左右、向斜部位（對地震成像有聚焦作用），桃子蕩為4 000 m左右、斜坡部位。雖然武隆地區(qū)地表灰?guī)r出露占75%，桃子蕩地區(qū)地表砂巖出露占80%，激發(fā)和接收條件武隆地區(qū)不如桃子蕩地區(qū)，由于采取了針對性方法，使得同疊加次數的三維地震數據體的信噪比武隆三維比桃子蕩三維略高。

圖15 三維地震疊加次數為40次信噪比分析Fig.15 Analysis of S/N ratio for 40 times of 3D seismic stacking

圖16 桃子蕩與武隆三維地震覆蓋次數與平均信噪比關系Fig.16 Relation between 3D seismic coverage times and average S/N of Taozidang and Wulong

武隆雖然覆蓋次數偏低（60次），僅達到80次的3/4，但仍能使得滿覆蓋區(qū)域的地震資料能夠滿足地質任務的要求。為了確保地震勘探地質效果，建議在后續(xù)類似地區(qū)進行三維地震勘探時，覆蓋次數應不低于80 次，炮道密度應不低于20 萬道/km2。頁巖氣低密度三維地震勘探方法和經驗，中國石化現已在四川盆地西南緣正在實施的桂花和陽春溝變密度三維推廣應用。桂花三維是地下構造相對簡單、斷層不發(fā)育，地表高程較大的“單復雜”地區(qū)，南部地層傾角較陡，地表主要出露巖性為二疊系、三疊系灰?guī)r；北部地層傾角較緩、地表主要出露侏?系、白堊系砂巖，勘探主要目的層是志留系頁巖，埋深在750（南）～5 000（北）m。根據工區(qū)的特點、地質任務要求和降本增效的理念，借鑒武隆地區(qū)頁巖氣低密度三維經驗，南部采用130 次覆蓋、30 萬道/km2炮道密度，北部采用72次覆蓋、18萬道/km2數炮道密度的變密度三維地震方法。陽春溝三維是地下構造復雜、地表情況復雜的“雙復雜”地區(qū)，勘探主要目的層是志留系頁巖，埋深在1 000（南）～4 500（北）m。同樣根據工區(qū)的特點、地質任務要求和降本增效的理念，借鑒武隆地區(qū)頁巖氣低密度三維經驗，南部地層傾角較陡、斷層發(fā)育、西部為一高陡構造帶，地表主要出露巖性為二疊系、三疊系灰?guī)r，采用180次覆蓋、45萬道/km2炮道密度三維地震方法進行資料采集；北部地層傾角較緩、斷層不發(fā)育、地表主要出露侏?系砂巖，采用90次覆蓋、45萬道/km2炮道密度三維地震方法進行資料采集。

4 結論

圖17 侏?系砂巖不同激發(fā)因素單炮記錄能量與信噪比分析Fig.17 Analysis of energy and S/N ratio recorded by single shot for different excitation factors of Jurassic sandstone

1）頁巖氣低密度三維地震勘探技術應用地質背景是地下構造相對簡單地區(qū)域性富集且具有強反射地震界面目的層，其特點是有針對性地選擇性價比較高的頁巖氣低密度觀測系統(tǒng)，采用深井大藥量飽和激發(fā)提高單炮能量與信噪比，采取高保真前提下的提高信噪比和高精度靜校正的處理方法，達到降低三維地震資料勘探成本、提高勘探效果的目的。

2）在實際應用時，以頁巖氣低密度三維地震勘探技術為基礎，根據地下構造和地表出露巖性情況，在有利目標區(qū)適當增加有效炮，可形成變密度寬方位三維地震勘探技術。

3）堅持深井大藥量飽和激發(fā)，提高有效炮比率是低密度三維地震勘探資料采集的關鍵。武隆地區(qū)采用“14 kg以上藥量激發(fā)單炮占比大于85%，最低激發(fā)藥量8 kg”的經驗，對激發(fā)環(huán)節(jié)提高有效炮比率、確保單炮記錄的能量和信噪比起關鍵作用，值得借鑒。

4）武隆地區(qū)常壓頁巖氣低密度三維地震勘探經驗可以推廣到類似的地表復雜、地下構造相對簡單的地區(qū)。