地震频率谐振技术应用实例:指导沁水盆地煤层气水平井钻井,钻遇率高达97.1%

2022-09-16 16:00:07 psg 8

谐波地震在沁水盆地深部煤层气勘探开发中的初步应用

张文君

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司)

导读:提高沁水盆地的煤层气水平井的三开钻遇率本文引用地震频率谐振勘探技术,应用大能量信号源和多次叠加技术压制大量的无用信号噪声,提高有用信号的信噪比,并且在常规面波勘探中加入被动源信号,在常规频率谐振勘探中加入主动源信号,使得该方法本身具有很强的抗干扰能力,保证在强干扰的环境中,能够采集到地下真实信息该技术提高薄煤层、小断层和裂缝的辨别精度提高了三开钻遇率通过不断分析研究逐步形成适合深部煤层气开发的地震勘探技术为后期的煤层气勘探开发部署提供了技术保障。

关键词:沁水盆地;深部煤层气;地震频率谐振勘探;水平井施工;钻遇率

内容提纲

0  引言
1  地震频率谐振勘探
2  应用效果
3  结论

0  引言

地震频率谐振勘探是近年来非常规油气和矿产勘探开发中最新的无震源高精度地球勘探一体化技术。该技术已经在非常规油气田的开发中推广应用,并取得了很好的勘探开发效果,但在深部煤层气的勘探开发利用中应用较少。我国煤层气可采资源量丰富,其中埋深大于1000m的深部煤层气资源量约为2.25×1013m3,位居世界前列。沁水盆地是我国目前煤层气勘探和研究程度最高、产量最大的盆地沁水盆地中东部经过多期强烈的构造运动,煤层埋深大、地质条件复杂、小构造及裂隙发育、煤质较破碎、煤储层物性特征变化较大,具有强烈的非均质性、含气饱和度低及渗透率低等特性。在煤层气勘探开发阶段,小构造、构造煤、含气性、裂隙发育程度、煤储层物性条件等问题是影响煤层气富集的主要地质因素,这些地质因素直接影响到深部煤层气的井位布置、完井井型的设计及压裂方案的设计等工作。因此,急需开展一种新的地震勘查模式及配套的处理技术。随着技术的进步,近些年应用于地震台网监测的探测技术开始应用到勘探,形成了被动源地震勘探领域。这些技术包括:

1)利用低频面波噪音的微动技术。

2)利用台站间振动波互相关联的可合成拟炮集的成像技术。

3)工程地球物理中常用的中村技术等。

自2017年以来,地震勘探领域又出现的一种地震频率谐振勘探技术其也利用了噪声源勘探的原理。该技术应用到深部煤层气的勘探开发利用中,可以提高薄煤层和小的断层构造的辨别精度在煤层连续性沉积和煤层的发育趋势的判断方面有了显著的提高为深部煤层气水平井的部署钻井开发压裂排采供了地质依据。本文就谐波地震在沁水盆地中东部横岭区块深部煤层气的勘探开发利用中的实例做了初步的分析研究。应用谐波地震技术,提高了薄煤层、小断层和裂缝的辨别精度,逐步形成适合深部煤层气开发的地震开发技术。

1  地震频率谐振勘探

1.1  基本原理
1.1.1  自然界频率谐振现象
任何物体都存在自身的固有频率。大到地球小到微电子,由于物质成分、几何形状以及结构大小不同,其固有频率不同,固有频率是自然界赋予物体的自然属性。当振动作用于物体,物体要做出相应的响应,振动的频率与物体的固有频率一致时,物体将放大振动的幅度(如图1)。
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图1  物体受震动的自激响应

Fig.1  Self excited response to vibration

1.1.2  地震勘探中频率谐振现象

地震勘探中的谐振现象与自然界中的地震波谐振现象是一样的。在第四系底部反射或折射回来某特定频率的地震波的振幅将被放大(图2)。通常,远处检波器接收到的振幅和频率特征与炮点发出的振动幅度和频率特征不同,出现许多奇怪的特定频率峰值。这些奇怪的频率实际上是对应地下某一地层的谐振频率表征,有时称为自激频率。地震波每个频率对应的振幅实际上随着波场的传播被衰减,但高频成分比低频成分衰减得更快。

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图2  地震波典型共振图(BSG©NERC. 2015)

Fig.2  Typical resonance diagram of seismic wave (BSG©NERC. 2015)

1.1.3  地震勘探中频率谐振技术

地震频率谐振勘探方法基本原理和具体技术分为下述几个方面:技术假设前提和基本理论是地面采集到的地震波既包括面波也包括体波,它们都遵循波动方程描述的波动规律。水平分量波场主要为S波和面波,垂直分量主要为P波和面波,人们可以对它们进行独立分析,从而获得S波与P波信息。
1.2  地震频率谐振技术特点
1.2.1  方法独特性
地震频率谐振勘探技术顾名思义,是一种利用自然界广泛存在的频率谐振原理进行地震勘探,获得地下地质体几何属性特征参数的勘探方法。自然界每一种物体都有自身的固有频率,地下介质也一样,当其受到振动,且振动频率与自身固有频率相当,介质也将发生自激,振动幅度将被放大。我们知道,地震勘探中的地震波频率从零点几赫兹到几百赫兹,输入到地下并通过折射、反射和散射等再回到地面,如果在其传播过程中地下介质固有频率与其中的某个频率相当,就会放大该频率的振幅,使其能量在返回到地面时显著地大于其他没有受到谐振的频率的能量。

1.2.2  应用广泛性

利用地震波这个谐振特征,人们可以在技术上设计多层大地模型,应用多种频率的地震波对其进行振动试验,从而获得不同频率的地震波谐振与地层的关系,达到确定地下介质厚度和其他参数的目的。基于这样的原理,开发了地震频率谐振勘探技术。实验表明,该项新的勘探技术不同于常规的时间域地震勘探技术,其具有下述独特的优点:
1)不受地震波初至影响。
2)抗干扰能力很强。
3)对密度变化敏感。
4)纵向和横向分辨率很高。
5)可以进行无源方式采集和数据处理。
这些优点可使其被应用到比常规地震勘探更大的领域,以及应用到深部煤层气水平井钻井开发由于其对深度判断需要依据现有的钻孔地层数据进行标定,实际使用有一定的局限性。

1.2.2  应用广泛性

利用地震波这个谐振特征,人们可以在技术上设计多层大地模型,应用多种频率的地震波对其进行振动试验,从而获得不同频率的地震波谐振与地层的关系,达到确定地下介质厚度和其他参数的目的。基于这样的原理,开发了地震频率谐振勘探技术。实验表明,该项新的勘探技术不同于常规的时间域地震勘探技术,其具有下述独特的优点:
1)不受地震波初至影响。
2)抗干扰能力很强。
3)对密度变化敏感。
4)纵向和横向分辨率很高。
5)可以进行无源方式采集和数据处理。
这些优点可使其被应用到比常规地震勘探更大的领域,以及应用到深部煤层气水平井钻井开发由于其对深度判断需要依据现有的钻孔地层数据进行标定,实际使用有一定的局限性。

1.3.2  横岭区块工作的优势

地震频率谐振工作在本地区工作的优势如下:
1)勘探深度大地震频率谐振勘探技术勘探深度与应用的震源能量和检波器频率有关,如果应用0.05Hz检波器,适当加长采集时间,可以勘探到几千米。本次勘探通过30min的勘探时间可以获得2km深度的资料。
2)探测效率高。地震频率谐振勘探方法本质是一种被动源地震勘探技术,与其他被动源勘探技术相比,减少了大量的采集时间。
3)探测精度高。抗干扰能力强,本套技术中应用大能量信号源和多次叠加技术压制大量的无用信号噪声,提高有用信号的信噪比,并且在常规面波勘探中加入被动源信号,在常规频率谐振勘探中加入主动源信号,使得该方法本身具有很强的抗干扰能力,保证在强干扰的环境中,能够采集到地下真实信息。

1.3.3  数据采集与处理方法

1)数据采集。本次实验工作设计剖面2条,点距10m。其中L1(南线)完成测点120个,长度1.19km。L2(北线)完成测点77个,长度0.76km。实际完成总测点数197个,剖面总长度1.95km。剖面测点实际位置见图3、图4。

图片关键词

图3  L1测线实测点位图

Fig.3  Location of measuring points on line L1

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图4  L2测线实测点位图

Fig.4  Location of measuring points on line L2

2)观测系统。被动源由于可以利用长时间观测记录的优点,使勘探扩大到较为深度的区间。EPS便携式数字地震仪中集成了高灵敏度的三分量地震检波器。按笛卡尔坐标组合安装,分别为垂直向、正北向、正东向三个方向。CDJ系列检波器具有灵敏度高、谐波失真小、一致性好和工作状态稳定等特点,其使用环境温度为-25℃~+55℃。

仪器面板上的N方向为正北向,仪器面板上的E方向为正东向。其中垂直向为仪器的第一道;正北向为仪器的第二道;正东向为仪器的第三道。面波是能量主要集中于距离自由地表约一个波长范围内传播的弹性波,被动源面波法即被动源面波,实际上他是利用天然源作为随机震源,对地下地质体进行成像或属性分析的勘查技术。主动源勘探由于采用弹性波主动震源,虽然能量强、精度高,但深度受到震源能量和排列长度的限制,勘探较浅。
3)数据处理。本次采集的被动源地震资料满足数据处理需要。图5是单点记录(L2线30号测点记录)。记录可见X、Y、Z三分量能量基本均匀,没有强烈的固定源干扰现象。

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图5  L2线30号测点被动源地震原始记录

Fig.5  Original seismic records of passive source at No.30 measuring point of line L2

应用地震频率谐振勘探技术对抗噪声能力进行了评估,结果表明,较强非地质噪声数据掺杂到剖面数据内,对成果数据造成的影响并不明显。分析认为,非地质噪声如空气中传播的噪声属于随机噪声,通过多次空间叠加和时间分段叠加,噪音水平被大大降低,在叠加次数达到10次以上后,不再构成对地质信号的严重影响。

4)L2线地震频率谐振勘探反演剖面地质解译。L2线近南北向,点号南小北大,起始点0号测点,终止点760号测点,点号自南向北逐渐增大,点距10m。根据L2测线地震频率谐振勘探视波阻抗反演剖面结果,对该剖面进行解译见图6。
三分量频率谐振地震勘察剖面对不同速度和密度的地层分界较敏感,同一岩性不同密度层通过等值线数值的差异可以精细划分。针对L2测线视波阻抗值反演剖面结果,结合已知的见煤点深度信息重点对测线15#煤的埋深和断裂特征进行分析。
15#煤特征及断裂分析:本次地震频率谐振勘察重点任务之一,为查明测线地下空间范围内15#煤层的空间分布特征与埋深。煤层的密度和速度比上下围岩的速度和密度低,因此在L2测线上15#煤在地震频率谐振剖面视波阻抗值整体上表现比围岩地层低。根据以上特征结合钻孔资料对15#煤的深度进行标定,推测15#煤在L2测线上的分布特征见图7。

应用地震频率谐振勘探技术对抗噪声能力进行了评估,结果表明,较强非地质噪声数据掺杂到剖面数据内,对成果数据造成的影响并不明显。分析认为,非地质噪声如空气中传播的噪声属于随机噪声,通过多次空间叠加和时间分段叠加,噪音水平被大大降低,在叠加次数达到10次以上后,不再构成对地质信号的严重影响。

4)L2线地震频率谐振勘探反演剖面地质解译。L2线近南北向,点号南小北大,起始点0号测点,终止点760号测点,点号自南向北逐渐增大,点距10m。根据L2测线地震频率谐振勘探视波阻抗反演剖面结果,对该剖面进行解译见图6。
三分量频率谐振地震勘察剖面对不同速度和密度的地层分界较敏感,同一岩性不同密度层通过等值线数值的差异可以精细划分。针对L2测线视波阻抗值反演剖面结果,结合已知的见煤点深度信息重点对测线15#煤的埋深和断裂特征进行分析。
15#煤特征及断裂分析:本次地震频率谐振勘察重点任务之一,为查明测线地下空间范围内15#煤层的空间分布特征与埋深。煤层的密度和速度比上下围岩的速度和密度低,因此在L2测线上15#煤在地震频率谐振剖面视波阻抗值整体上表现比围岩地层低。根据以上特征结合钻孔资料对15#煤的深度进行标定,推测15#煤在L2测线上的分布特征见图7。

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图6  L2线视波阻抗反演剖面解译图

Fig.6  Interpretation map of apparent wave impedance inversion profile of line L2

2  应用效果

谐波地震勘探成果应用于横岭区块煤层气的水平井钻井指导,图7中L2线煤层附近的地质构造和煤层地质特征解释图为三开水平段施工提供了地质和构造依据L1井10月14日00:00三开,着陆点1903m,垂深1688.20m,着陆点井斜89°,方位39.2°,地面海拔-187.9m。在三开钻进过程中,出现煤层垮塌、漏失、气侵依然严重,伴随出现高钻压,高摩阻、钻时慢等情况。于10月26日钻到井深2327.67m时,垮塌、漏失、气侵又加严重,泵压升高(21MPa~22MPa),摩阻高。无钻时,多次处理泥浆,井下情况处理安全。
10月29日井深钻至2354m,井斜93.2°,垂深1641.25m,钻至井深2354m,井下情况复杂,提前完钻。本井设计水平段为695m,实钻水平段为541m,钻遇煤层530m,其中非煤段分别为2126m~2127m,煤层钻遇率为97.1%,地质综合导向图如图8。

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图7  L2线煤层附近的地质构造和煤层地质特征解释图

Fig.7  Interpretation map of geological structure and coal seam geological characteristics near line L2

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图8  L1井地质综合导向图

Fig.8  Comprehensive well geological orientation map of line L1 

该水平井钻进过程中密切关注高低伽玛及自然伽玛值、全烃及钻时的变化,充分利用谐波地震勘探资料。在井深2116m的F2断层处出现突然出煤层的情况,根据谐波地震资料参考向上追煤进入煤层,在2354m处钻遇F3断层,通过现场分析断距在20m左右,考虑断层附近煤层坍塌严重提前完井。

根据谐波地震资料预判煤层走向趋势提前做好井眼轨迹的微调,使轨迹尽可能地在煤层钻进,提高煤层的钻遇率。谐波地震资料可在煤层倾角存在不确定的情况下,给导向井眼轨迹的控制提供精细的地质参数准确预测好煤层倾角的变化,成为搞好地质导向的关键性工作。

表1  2019年横岭区块三开水平段钻遇率统计表
Table1  Statistics of three-way drilling success rate in horizontal section in Hengling block in 2019

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利用谐波地震技术施工的水平井钻遇率为97.1%比2019年没有利用该技术的水平井的钻遇75.4%(如表1)提高了21.7%,大大缩短了水平段的施工周期减少了泥浆对煤储层的污染增加了压裂的成功率提高了单井煤层气产量

3  结论

1)初步的分析研究,应用谐波地震技术,提高了薄煤层、小断层和裂缝辨别精度,逐步形成适合深部煤层气水平井开发的地震开发技术。

2)谐波地振技术中应用大能量信号源多次叠加技术压制大量的无用信号噪声,提高有用信号的信噪比;在常规频率谐振勘探中加入主动源信号,使得方法本身具有很强的抗干扰能力,能够采集到地下真实信息。

3)分析认为非地质噪声如空气中传播的噪声属于随机噪声,通过多次间叠加和时间分段叠加,噪音水平被大大降低,在叠加次数达到10次以上后不再构成对地质信号的严重影响。

4)2020年横岭区块深部煤层气水平井利用谐波地震技术施工的水平井钻遇率97.1%2019年没有利用该技术的水平井平均钻遇率75.4%提高了21.7%,大大缩短了水平段的施工周期,减少了泥浆对煤储层的污染,增加压裂的成功率

原文来源山西煤炭.2021年12月.第41卷 第4期

文章编号:1672-5050(2021)04-0070-07

DOI:10.3969/j.issn.1672-5050.2021.04.015