地质界新宠—被动源地震频率谐振勘探技术综述

2022-10-27 14:38:15 psg 41

地质界新宠

——被动源地震频率谐振勘探技术综述

 薛爱民 匙文

几十年来,地质界一直盼望地震勘探技术可以应用于金属矿勘探、城市物探以及灾害监测与检测等领域。由于振动源、浅层盲区,以及无能力对不规则反射面或无反射面的复杂地质体和高角度断层进行勘探等问题,研究与试验均没有实现突破性进展。近年来,地质界出现了一种无源地震勘探技术——地震频率谐振勘探技术,克服了上述地震勘探技术的缺陷,实现了在上述复杂地质条件下进行精细勘探的目标。

北京派特森科技股份有限公司董事长薛爱民博士携其团队历经5年的研发与生产实践,发明了一种不需要震源的高精度勘探技术——地震频率谐振勘探技术,全称为:被动源地震频率谐振勘探技术,英文名为 passive seismic frequency resonance exploration technology(简称 SRT 或 PSRT)。 目前,该技术在城市物探、金属矿勘探、油气勘探、地热勘探以及灾害检测方面获得了大量应用,效果喜人。勘探实践证明,该技术不仅具有勘探分辨率高、经济性环保性好、野外可操作性强等优势,而且利用成像结果可直接获得地质体物性(密度或波阻抗),从而为地质勘探增添了一种新的技术工具,正在成为地质勘探界的新宠。

什么是被动源地震频率谐振勘探技术

地震噪声无处不在,无时不在,频率可以低到N x 0.001赫兹,高到N x 10000赫兹,振幅随频率的变化范围也很大。经研究,这些噪声的来源主要有以下几个方面:潮汐作用、火山与地震、大气波动——表现为风对地面的作用以及地球表面的形变作用。这些自然的地球表面的震动,特别是震动的低频能量远远超出人们的想象,其传播的距离可以环绕地球表面多次。

人们所熟悉的常规地震勘探所激发的能量主要集中于N x 100- N x 102赫兹,比地球表面噪声的频率范围要窄很多。

人们已经习惯于应用常规地震勘探技术表达地下介质的空间结构,但是对常规地震勘探所具有的几个重要的缺陷颇感无奈。常规地震勘探技术难以对不明显的反射界面和高角度的反射界面进行成像,特别是必须应用激发震源。这些缺陷严重制约了人们在复杂地质条件下对该技术的应用,致使世界上大部分地区,特别是复杂的金属矿地区、地热田地区、人口稠密的城市地区以及灾害频发等复杂地质地区,都无法应用常规地震勘探技术进行勘探。

地震频率谐振勘探技术利用地震噪声波的谐振(共振)现象对地质体成像。这是一种全新的地震勘探理念,与常规的地震勘探和人们目前所熟悉的噪声地震勘探(如各种面波法、H/V谱比以及接收函数法等)基本理论完全不同。被动源地震频率谐振勘探技术利用地球震动噪声与地球内部固体介质间的“谐振”关系进行勘探,不受激发源条件的限制,很好地解决了复杂地质地区精细勘探问题。该技术的优点已经在多个金属矿区、煤层气勘探区、油气生产矿区、城市地质勘探以及地下水勘探方面得到验证。

被动源地震频率谐振勘探技术利用地球内部广泛存在的震动噪声进行勘探,其原理源于震动噪声与地下介质的“谐振”关系。我们知道,任何固体介质都存在自激频率,如果定义其为F0,则振动波通过该固体介质时,其中的与F0相同频率的震动波振幅将会被放大(图1)。

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图1与固体介质自激频率相同的地震波通过固体介质时的振幅放大效应图示

如果假设地下固体介质是一个滤波器,噪声地震波从地下向地面传播过程中,要通过这个滤波器,构成一个输入和输出关系。输出就是地面检波器记录的震动波。该震动波某些频率成分由于与地质体存在“谐振关系”,从而带来了地下介质的信息,分析地面这个震动波的频率成分与空间分布特征,也就获得了地下介质的空间信息和物质成分信息。这些信息构成了对地下介质的成像因数。

地震频率谐振勘探技术对地下介质成像的精度首先取决于采集数据时间长短和对当地地质模型的了解程度。对于200米的勘探深度,一般的采集时间大约3-5分钟,对于2000米的勘探深度,一般的采集时间要大约15-20分钟。地质模型包括横波速度和地质体密度信息,它的详实程度对地质成像具有很大作用。影响成像精度的另一个因素是布设的检波器空间分布密度和其频率响应灵敏度。理论和实践证明,密集布设的检波器有助于勘探精度的提高,一般的金属矿勘探,采用10米或15米点距进行勘探,特殊情况下也应用5米点距。油气勘探和地热勘探通常采用20米点距。对于三维密集阵方式采集时,一般金属矿测线间距采用25-50米,油气勘探采用100米间距。检波器频率响应很重要,有能力采集到低频信号的检波器,不一定有能力采集到微弱的低频信号。因此,该技术对野外采集仪器设备的要求远大于常规地震技术对检波器的要求。

被动源地震频率谐振技术的应用

在固体矿产勘查中的应用。2022年春,北京派特森公司应用被动源地震频率谐振技术对新疆某铜镍矿进行了勘查,获得了令人满意的效果。该地300米以浅的地质情况已经大量钻探而且相当明晰,为一套基性-超基性的杂岩体,铜镍矿呈薄层体下伏于杂岩体底部。钻探发现杂岩体下为火山碎屑岩和花岗岩,但没有再发现基性-超基性杂岩体。人们对这套杂岩体的来源不甚明晰,如果杂岩体属于本地侵入岩系,其深部将具有极大勘探价值。经多轮物探地质勘查,所用的方法包括电磁法、磁法以及常规激电等,均没有发现深部存在基性-超基性的杂岩体的地质痕迹。

北京派特森公司应用被动源地震频率谐振勘探技术对本区进行了实验性勘探,设计测线5条,点距10米,设计勘探深度3000米。4月份进场采集,月底即获得了勘探成果。图2为其中一条勘探测线的波阻抗成像成果。

该剖面成果以波阻抗(密度x横波速度)参数形式展示。可见浅部钻孔揭示的基性-超基性岩体清晰地横卧在火山碎屑岩和局部花岗岩体之上,其下存一很细小的颈状体与500米左右深度的短粗状具高波阻抗的岩体相连。推测其为钻探没有发现的基性-超级性岩体。再向下可见一树枝状高波阻抗性质的岩体,自2200-2800米深度与上部连结。分析本区岩石密度,其最高者即为基性-超基性岩,花岗岩次之,火山岩最低。简单分析即可得出,图中自下而上呈树枝状分布的岩体极大可能为基性-超基性的杂岩体。以浅部地质勘探经验推断,杂岩体与围岩边界存在铜镍矿体,深部找矿将具有巨大潜力。

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图2新疆某地金属矿山地震频率谐振勘探成果-发现基性-超基性岩体上侵通道。基性-超基性岩体边界部位存在铜镍矿

不仅仅在本矿区,在其它多个矿区,利用地震频率谐振技术对金属矿进行勘探,已都获得了很大成功。2021年,通过该技术,北京派特森公司在青海地区布设的探井打出了高品位的银矿和铅锌矿(银含量387克/吨,铅锌 6.1%);2022年,该公司在甘肃南部布设的深探井于700-1000米深度打出了数层较高品位的金矿石。

在煤层气水平井地质导向识别中的应用。2020-2021年,为了配合煤层气水平井地质导向工作,北京派特森公司在山西和河南相继开展了地震频率谐振技术对储层的小断层勘探工作。图3 为其中的一个水平井地质导向勘探成果。图中左侧为波阻抗勘探剖面,右侧为常规反射地震三维时间偏移剖面。波阻抗剖面中红颜色为高波阻抗,暗色为低波阻抗。可以预测,煤层气储层是一套煤岩-煤系地层,密度和横波速度与围岩相比相对较低,所以呈低波阻抗特征。在不太长的剖面距离内,该地层厚度不会有较大变化特别是不应该具有突变。如果横向密度发生突变并且连带上下地层都发生突变,即使地层没有发生视觉上的错动,大概率事件应该是出现了断层或称为裂隙带。我们根据该原则对地震频率谐振的波阻抗剖面进行了地质解释。

3该剖面左端1100米深度是目的层,右端点已经有一口直井,目的层在地面深度以下1250米处,600米水平距离内目的煤层有150米落差。之所以采用地震频率谐振勘探技术对这个600米长度的剖面进行勘探,是由于水平井钻探到本测线左端点时遇到了断裂而丢失了煤炭目的层。地震时间域反射剖面(图3右)难以解释出断裂的存在,接续600多米钻井过程中要连续下行150米是否还有断裂存在和断裂的断距是多少都是一个未知数。因此,水平钻井停钻等待地震频率谐振勘探结果给出上述答案。

地震频率谐振波阻抗成像结果揭示了数条小型断层,断距不大但性质明晰。查常规地震反射剖面,虽然目的层具有明显的同相轴特征可以追踪,但明显的断层却没有被揭示出来。依据图3中地震频率谐振勘探的地质解释成果,水平井成功突破了复杂的断裂带,打成了本地区该公司第一口煤层气开发井。

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图3煤层气目标区地质勘探中的被动源地震频率谐振勘探波阻抗剖面与反射地震勘探剖面对比。

左:地震频率谐振勘探波阻抗剖面;右:三维反射地震勘探时间域剖面。

在目标区频率谐振波阻抗剖面可见若干条小型断层;反射地震剖面上难以分辨出断层或断裂带。

在油气生产井地质识别中的应用。在陕北地区,同一井区的不同油井的产量具有很大差别,人们已经意识到这可能是裂缝带的原因。在裂缝型储层段,一口水平油井的产量会陡然升高许多。利用地震频率谐振技术,开展了裂缝型油气储层的识别研究。

陕北地区某一水平向油井,在钻井过程中遭遇了井颈坍塌和水平井段的泥浆漏失等问题,完井后却发现产量比相应的可比井的产量高出很多。图4(右)展示了该井段的三维地震剖面,人们从地震反射剖面上难以找到答案,即没有发现上述问题的地质原因。研究者希望应用地震频率谐振技术解决这个问题。

4(左图)展示了该井段地震频率谐振波阻抗剖面。在海拔标高150-350米处,导眼井和水平井(直井段)正好存在小型的高陡断层,从而造成钻井时井壁坍塌;在海拔标高负220米,水平井泥浆漏失是由于存在密集裂隙带。此处可见储层顶部和底部岩石的波阻抗均存在不同程度的降低,说明垂直裂隙发育造成了岩石密度降低储层变好。图中负220米 - 负230米海拔标处可见三个相似的密度降低带,其都应该是垂直裂隙发育带,以此构成了低阻抗型的裂隙发育带的香肠结构。其中有两个裂隙发育带位于油井的生产井段,另外一个已经不在生产段范围。可以设想,如果事先已经了解了上述地质特点,该油井向该剖面始端移动一定距离,可能既可以避开直井段的井塌事故又可以获得三个裂隙发育段而不是两个裂隙带发育段的油气产能。

研究结果指出,地震频率谐振勘探技术有能力直接揭示裂缝型油气田垂直裂缝发育带和反射地震难以分辨的小型断层。这些裂缝发育带和小型断层的特点都是断距小近直立,一般的反射地震勘探对此无能为力。

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图4某地水平井区地震频率谐振波阻抗剖面(左)与地震反射剖面(右)的对比图。波阻抗揭示了钻孔坍塌与泥浆漏失原因以及该井垂直裂隙带发育致使油井高产的原因

被动源地震频率谐振勘探技术创新与发展

通过数年的创新与发展,被动源地震频率谐振勘探技术正在被地质界同仁所青睐。目前该技术已经在城市地质、工程地质、灾害地质、地热与水文勘查、金属与非金属矿产勘查以及油气勘探等多种领域开展了多达100多项科研和生产实践活动。

为实现技术一体化与流程化,北京派特森公司自主开发了该技术的整套软件系统和数据采集仪器设备。通过科学总结,公司已完成了整套的基础理论-数据采集技术规范-仪器设备使用规则以及数据处理-地质解释等技术成果。其被动源噪声地震频率谐振技术的基本理论正在被地震学界的科学家所关注。

2022年8月底由美国SEG、AAPG等协会在休斯敦召开的Image-2022年年会上,北京派特森公司展览的技术理论与实例吸引了很多地震界学者的兴趣,被学界高度关注,得到了美国SEG学会副主席的称赞,并提出将为此项技术创造更多机会,充分与国际地学界交流。

目前,被动源地震频率谐振勘探技术在科技部中小企业基金支持下,已经建立了软件“云计算平台”,实现了国内相关企业应用该技术的快速与便捷化。随着计算机科学的发展,相信被动源地震频率谐振勘探技术将在国内外得到广泛的应用,为地球科学技术的发展和人类文明进步做出贡献。