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指導沁水盆地煤層氣水平井鉆井

作者：admin 瀏覽：1651 發表時間：2023-05-05

諧波地震在沁水盆地深部煤層氣勘探開發中的初步應用

張文君

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司）

導讀：為提高沁水盆地的煤層氣水平井的三開鉆遇率，本文引用地震頻率諧振勘探技術，應用大能量信號源和多次疊加技術壓制大量的無用信號噪聲，提高有用信號的信噪比，并且在常規面波勘探中加入被動源信號，在常規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的抗干擾能力，保證在強干擾的環境中，能夠采集到地下真實信息。該技術提高了薄煤層、小斷層和裂縫的辨別精度，提高了三開鉆遇率。通過不斷分析研究逐步形成適合深部煤層氣開發的地震勘探技術，為后期的煤層氣勘探開發部署提供了技術保障。

關鍵詞：沁水盆地；深部煤層氣；地震頻率諧振勘探；水平井施工；鉆遇率

內容提綱

0 引言

1 地震頻率諧振勘探

2 應用效果

3 結論

0 引言

地震頻率諧振勘探是近年來非常規油氣和礦產勘探開發中最新的無震源高精度地球勘探一體化技術。該技術已經在非常規油氣田的開發中推廣應用，并取得了很好的勘探開發效果，但在深部煤層氣的勘探開發利用中應用較少。我國煤層氣可采資源量豐富，其中埋深大于1000ｍ的深部煤層氣資源量約為2.25×1013m3，位居世界前列。沁水盆地是我國目前煤層氣勘探和研究程度最高、產量最大的盆地。沁水盆地中東部經過多期強烈的構造運動，煤層埋深大、地質條件復雜、小構造及裂隙發育、煤質較破碎、煤儲層物性特征變化較大，具有強烈的非均質性、含氣飽和度低及滲透率低等特性。在煤層氣勘探開發階段，小構造、構造煤、含氣性、裂隙發育程度、煤儲層物性條件等問題是影響煤層氣富集的主要地質因素，這些地質因素直接影響到深部煤層氣的井位布置、完井井型的設計及壓裂方案的設計等工作。因此，急需開展一種新的地震勘查模式及配套的處理技術。隨著技術的進步，近些年應用于地震臺網監測的探測技術開始應用到勘探，形成了被動源地震勘探領域。這些技術包括：

1）利用低頻面波噪音的微動技術。

2）利用臺站間振動波互相關聯的可合成擬炮集的成像技術。

3）工程地球物理中常用的中村技術等。

自2017年以來，地震勘探領域又出現的一種地震頻率諧振勘探技術，其也利用了噪聲源勘探的原理。該技術應用到深部煤層氣的勘探開發利用中，可以提高薄煤層和小的斷層構造的辨別精度，在煤層連續性沉積和煤層的發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、鉆井開發及壓裂排采等提供了地質依據。本文就諧波地震在沁水盆地中東部橫嶺區塊深部煤層氣的勘探開發利用中的實例做了初步的分析研究。應用諧波地震技術，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的地震開發技術。

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，由于物質成分、幾何形狀以及結構大小不同，其固有頻率不同，固有頻率是自然界賦予物體的自然屬性。當振動作用于物體，物體要做出相應的響應，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

Fig.1 Self excited response to vibration

1.1.2 地震勘探中頻率諧振現象

地震勘探中的諧振現象與自然界中的地震波諧振現象是一樣的。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，遠處檢波器接收到的振幅和頻率特征與炮點發出的振動幅度和頻率特征不同，出現許多奇怪的特定頻率峰值。這些奇怪的頻率實際上是對應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的振幅實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。

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圖２地震波典型共振圖（BSG?NERC. 2015）

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

1.1.3 地震勘探中頻率諧振技術

地震頻率諧振勘探方法基本原理和具體技術分為下述幾個方面：技術假設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，人們可以對它們進行獨立分析，從而獲得Ｓ波與Ｐ波信息。

1.2 地震頻率諧振技術特點

1.2.1 方法獨特性

地震頻率諧振勘探技術，顧名思義，是一種利用自然界廣泛存在的頻率諧振原理進行地震勘探，獲得地下地質體幾何屬性特征參數的勘探方法。自然界每一種物體都有自身的固有頻率，地下介質也一樣，當其受到振動，且振動頻率與自身固有頻率相當，介質也將發生自激，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固有頻率與其中的某個頻率相當，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 應用廣泛性

利用地震波這個諧振特征，人們可以在技術上設計多層大地模型，應用多種頻率的地震波對其進行振動試驗，從而獲得不同頻率的地震波諧振與地層的關系，達到確定地下介質厚度和其他參數的目的。基于這樣的原理，開發了地震頻率諧振勘探技術。實驗表明，該項新的勘探技術不同于常規的時間域地震勘探技術，其具有下述獨特的優點：

1）不受地震波初至影響。

2）抗干擾能力很強。

3）對密度變化敏感。

4）縱向和橫向分辨率很高。

5）可以進行無源方式采集和數據處理。

這些優點可使其被應用到比常規地震勘探更大的領域，以及應用到深部煤層氣水平井鉆井開發中。由于其對深度判斷需要依據現有的鉆孔地層數據進行標定，實際使用有一定的局限性。

1.2.2 應用廣泛性

利用地震波這個諧振特征，人們可以在技術上設計多層大地模型，應用多種頻率的地震波對其進行振動試驗，從而獲得不同頻率的地震波諧振與地層的關系，達到確定地下介質厚度和其他參數的目的?；谶@樣的原理，開發了地震頻率諧振勘探技術。實驗表明，該項新的勘探技術不同于常規的時間域地震勘探技術，其具有下述獨特的優點：

1）不受地震波初至影響。

2）抗干擾能力很強。

3）對密度變化敏感。

4）縱向和橫向分辨率很高。

5）可以進行無源方式采集和數據處理。

1.3.2 橫嶺區塊工作的優勢

地震頻率諧振工作在本地區工作的優勢如下：

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

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

3）探測精度高。抗干擾能力強，本套技術中應用大能量信號源和多次疊加技術壓制大量的無用信號噪聲，提高有用信號的信噪比，并且在常規面波勘探中加入被動源信號，在常規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的抗干擾能力，保證在強干擾的環境中，能夠采集到地下真實信息。

1.3.3 數據采集與處理方法

1）數據采集。本次實驗工作設計剖面2條，點距10ｍ。其中L1（南線）完成測點120個，長度1.19km。L2（北線）完成測點77個，長度0.76km。實際完成總測點數197個，剖面總長度1.95km。剖面測點實際位置見圖3、圖4。

圖片關鍵詞

圖3 L1測線實測點位圖

Fig.3 Location of measuring points on line L1

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圖4 L2測線實測點位圖

Fig.4 Location of measuring points on line L2

2）觀測系統。被動源由于可以利用長時間觀測記錄的優點，使勘探擴大到較為深度的區間。EPS便攜式數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穩定等特點，其使用環境溫度為-25℃~+55℃。

儀器面板上的N方向為正北向，儀器面板上的E方向為正東向。其中垂直向為儀器的第一道；正北向為儀器的第二道；正東向為儀器的第三道。面波是能量主要集中于距離自由地表約一個波長范圍內傳播的彈性波，被動源面波法即被動源面波，實際上他是利用天然源作為隨機震源，對地下地質體進行成像或屬性分析的勘查技術。主動源勘探由于采用彈性波主動震源，雖然能量強、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）數據處理。本次采集的被動源地震資料滿足數據處理需要。圖5是單點記錄（L2線30號測點記錄）。記錄可見X、Y、Z三分量能量基本均勻，沒有強烈的固定源干擾現象。

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圖5 L2線30號測點被動源地震原始記錄

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

應用地震頻率諧振勘探技術對抗噪聲能力進行了評估，結果表明，較強非地質噪聲數據摻雜到剖面數據內，對成果數據造成的影響并不明顯。分析認為，非地質噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機噪聲，通過多次空間疊加和時間分段疊加，噪音水平被大大降低，在疊加次數達到10次以上后，不再構成對地質信號的嚴重影響。

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

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值的差異可以精細劃分。針對L2測線視波阻抗值反演剖面結果，結合已知的見煤點深度信息重點對測線15#煤的埋深和斷裂特征進行分析。

15#煤特征及斷裂分析：本次地震頻率諧振勘察重點任務之一，為查明測線地下空間范圍內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比圍巖地層低。根據以上特征結合鉆孔資料對15#煤的深度進行標定，推測15#煤在L2測線上的分布特征見圖7。

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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

2 應用效果

諧波地震勘探成果應用于橫嶺區塊煤層氣的水平井鉆井指導，圖7中L2線煤層附近的地質構造和煤層地質特征解釋圖為三開水平段施工提供了地質和構造依據。L1井10月14日00:00三開，著陸點1903m，垂深1688.20ｍ，著陸點井斜89°，方位39.2°，地面海拔-187.9ｍ。在三開鉆進過程中，出現煤層垮塌、漏失、氣侵依然嚴重，伴隨出現高鉆壓，高摩阻、鉆時慢等情況。于10月26日鉆到井深2327.67ｍ時，垮塌、漏失、氣侵又加嚴重，泵壓升高（21MPa~22MPa），摩阻高。無鉆時，多次處理泥漿，井下情況處理安全。

10月29日井深鉆至2354ｍ，井斜93.2°，垂深1641.25ｍ，鉆至井深2354ｍ，井下情況復雜，提前完鉆。本井設計水平段為695ｍ，實鉆水平段為541ｍ，鉆遇煤層530ｍ，其中非煤段分別為2126m~2127ｍ，煤層鉆遇率為97.1%，地質綜合導向圖如圖8。

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圖7 L2線煤層附近的地質構造和煤層地質特征解釋圖

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

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圖8 L1井地質綜合導向圖

Fig.8 Comprehensive well geological orientation map of line L1

該水平井鉆進過程中密切關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2116ｍ的F2斷層處出現突然出煤層的情況，根據諧波地震資料參考向上追煤進入煤層，在2354ｍ處鉆遇F3斷層，通過現場分析斷距在20ｍ左右，考慮斷層附近煤層坍塌嚴重提前完井。

根據諧波地震資料預判煤層走向和趨勢，提前做好井眼軌跡的微調，使軌跡盡可能地在煤層鉆進，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，給導向和井眼軌跡的控制提供精細的地質參數。準確預測好煤層傾角的變化，成為搞好地質導向的關鍵性工作。

表1 2019年橫嶺區塊三開水平段鉆遇率統計表

Table1 Statistics of three-way drilling success rate in horizontal section in Hengling block in 2019

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利用諧波地震技術施工的水平井鉆遇率為97.1%，比2019年沒有利用該技術的水平井的鉆遇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量。

3 結論

1）初步的分析研究，應用諧波地震技術，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的地震開發技術。

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

3）分析認為非地質噪聲如空氣中傳播的噪聲屬于隨機噪聲，通過多次間疊加和時間分段疊加，噪音水平被大大降低，在疊加次數達到10次以上后不再構成對地質信號的嚴重影響。

4）2020年橫嶺區塊深部煤層氣水平井利用諧波地震技術施工的水平井鉆遇率97.1%比2019年沒有利用該技術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。