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大陆架科学钻探南黄海CSDP-2井的垂直地震剖面资料采集技术

吴志强 郭兴伟 祁江豪 丘学林 张雪飞 谭云龙 黄聿晓 李文强

吴志强, 郭兴伟, 祁江豪, 丘学林, 张雪飞, 谭云龙, 黄聿晓, 李文强. 大陆架科学钻探南黄海CSDP-2井的垂直地震剖面资料采集技术[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(3): 199-207. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019
引用本文: 吴志强, 郭兴伟, 祁江豪, 丘学林, 张雪飞, 谭云龙, 黄聿晓, 李文强. 大陆架科学钻探南黄海CSDP-2井的垂直地震剖面资料采集技术[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(3): 199-207. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019
WU Zhiqiang, GUO Xingwei, QI Jianghao, QIU Xuelin, ZHANG Xuefei, TAN Yunlong, HUANG Yuxiao, LI Wenqiang. Vertical seismic profiling data acquisition from Well CSDP-2 in the Central uplift of South Yellow Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(3): 199-207. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019
Citation: WU Zhiqiang, GUO Xingwei, QI Jianghao, QIU Xuelin, ZHANG Xuefei, TAN Yunlong, HUANG Yuxiao, LI Wenqiang. Vertical seismic profiling data acquisition from Well CSDP-2 in the Central uplift of South Yellow Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(3): 199-207. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019

大陆架科学钻探南黄海CSDP-2井的垂直地震剖面资料采集技术


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019
详细信息
    作者简介:

    吴志强(1965—),男,博士,研究员,主要从事海洋地球物理和构造地质等方面的研究, E-mail:wuzq_1964@163.com

    通讯作者: 祁江豪(1988—),男,博士,助理研究员,主要从事构造地质和海洋地球物理等方面的研究, E-mail:jhaoqi@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金“黄海及邻区壳幔结构及深浅构造关系的综合地球物理研究” 41210005

    国家海洋地质专项项目 DD20160147

    国家自然科学基金“东海陆架东缘至冲绳海槽南部地壳结构及拉张减薄机制研究” 41606083

    青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目“亚洲大陆边缘地质过程与资源环境效应” 2015ASKJ03

  • 中图分类号: P738

Vertical seismic profiling data acquisition from Well CSDP-2 in the Central uplift of South Yellow Sea

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-20
  • 修回日期:  2018-04-17
  • 刊出日期:  2018-06-28

大陆架科学钻探南黄海CSDP-2井的垂直地震剖面资料采集技术

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.03.019
    作者简介:

    吴志强(1965—),男,博士,研究员,主要从事海洋地球物理和构造地质等方面的研究, E-mail:wuzq_1964@163.com

    通讯作者: 祁江豪(1988—),男,博士,助理研究员,主要从事构造地质和海洋地球物理等方面的研究, E-mail:jhaoqi@126.com
基金项目:

国家自然科学基金“黄海及邻区壳幔结构及深浅构造关系的综合地球物理研究” 41210005

国家海洋地质专项项目 DD20160147

国家自然科学基金“东海陆架东缘至冲绳海槽南部地壳结构及拉张减薄机制研究” 41606083

青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目“亚洲大陆边缘地质过程与资源环境效应” 2015ASKJ03

  • 中图分类号: P738

摘要: CSDP-2井位于南黄海盆地中部隆起西部,是大陆架科学钻探项目在中部隆起上实施的第一口以探查印支构造面以下海相中-古生界地层属性为目标的科学钻探井,对了解中部隆起前新生代基岩地层赋存关系具有重要意义。为了获取井孔的高精度地层速度及高信噪比地震波场特征,建立准确的地震层位与钻井地层的对应关系,对该井实施了垂直地震剖面(VSP)观测。针对观测井的地震地质条件和观测目标,采用了由4条1500in3的Bolt气枪组成的大容量气枪阵列作为地震激发震源,克服了海相地层顶界面强反射对地震波强烈阻滞的难题;通过三分量数字检波器等间距观测方法,记录传播到井中的地震波场信号。现场的初步处理结果表明,获得了高信噪比的地震波场信号,纵波和转换波信号清晰、特征突出。

English Abstract

  • 南黄海盆地中部隆起是中、新生代陆相盆地的二级构造单元,基底为中-古生代海相碳酸盐岩和碎屑岩地层。前期的研究认为[1-4],中部隆起海相地层分布广、厚度大,埋藏浅、构造变形相对较弱,是油气二次创业[5]的理想试验区。由于前期没有在中部隆起上实施钻探,加之强反射界面的屏蔽作用造成海相地层地震反射品质差等因素的影响,对中部隆起的海相地层的地质属性推测存在分歧[6, 7]。2014年,由青岛海洋地质研究所组织实施的“大陆架科学钻探项目”,在中部隆起上实施了以探查海相地层地质属性和油气资源前景评价为目标的科学钻探,完成了该区首口井(CSDP-2井)的全取心钻探工作,完钻井深2843.4m(注:钻盘面起算,钻盘面距海底33.3m),钻遇了第四系和新近系陆相沉积层,三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系等多套海相地层,证明了中部隆起上分布海相中、古生界,并首次获得多个层位的油气显示[8-10]

    中部隆起分布面积达3×105km2,钻探得到的只是单点的一维深度地质模型,区域地质构造的解释一般以多道地震成像结果为基础,根据钻探获得的地质信息对过钻井旁的反射波组标定后,在地震剖面上根据反射特征和波组的连续与错断情况,进行横向追踪与解释推断。

    众所周知,对井旁地震道的反射波组标定,通常是根据钻井地质分层并通过地球物理测井资料制作合成地震记录的方法进行层位标定和划分。钻探取心在深度域上提供了高分辨率地层赋存特征,地球物理测井的分辨率更高,在深度域的分辨尺度达到分米级。而多道地震记录的反射波长一般约为几十米,在高速地层中多在百米以上,且地震记录呈现的是反射波走时特征。因此,测量属性与分辨率上的差异,造成了地震反射波标定与解释的误差和不确定性。对此,VSP(Vertical Seismic Profile,垂直地震剖面)测量可在地层埋藏深度与地震波走时之间起到桥梁作用[11]。海洋VSP测量采用沉放在海水中的气枪阵列震源激发,数字检波器井中接收的方法,在提供不同深度地震波走时信息的同时,还可以提供地层速度及地震波动力学等多种信息,为地震资料的处理与解释提供支持。

    本文介绍了CSDP-2井VSP数据采集方法与初步成果,针对该井处存在浅层强反射界面的特殊地震地质条件,试验采用了大容量气枪震源,大幅度地提高了激发能量,突破了强反射界面对地震波向下传播的屏蔽影响,获得高信噪比的纵波波场数据。同时,充分利用大容量气枪震源可在强反射界面产生转换波的有利条件,首次在近零井源距的采集条件下获得了南黄海海相地层的高信噪比转换波波场数据,经处理得到海相沉积层段的纵横波速度结构与泊松比等物性特征关系参数。

    • 南黄海盆地中部隆起位于盆地的中央部位,是中、新生代盆地的一个二级构造单元。在构造演化过程中,受印支期扬子块体向华北块体拼贴碰撞构造作用(印支运动)的影响,海相中、古生界长期隆升遭受剥蚀改造;新近纪以后,构造运动趋于平静,整体下降进入拗陷期,沉积了厚度为400~800m,最大不超过1000m的新近系和第四系[12]。根据全取心科学钻探井(CSDP-2井)取得的岩心观察和古生物鉴定的初步结果,该井自上而下钻遇第四系、新近系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系(表 1),其中三叠系-奥陶系为海相地层,基本厘定了中部隆起地层属性和地质时代。

      表 1  CSDP-2井地层分层简表

      Table 1.  Simplified stratigraphic division of well CSDP-2

      顶深/m 底深/m 厚度/m 地层 现场岩性描述
      0 629 596 第四系及新近系 未固结沉积物
      629 863 234 三叠系青龙组 灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩
      863 915 52 二叠系大隆组 含灰质粉砂岩、细砂岩
      915 1636 721 二叠系龙潭组 粉砂岩、细砂岩为主,夹泥岩、煤线
      1636 1649 13 二叠系孤峰组 含泥硅质岩,含煤线
      1649 1735 86 二叠系栖霞组 自上部至下部为灰黑色石灰岩、臭灰岩石灰岩、砂岩、炭质页岩夹煤线
      1735 1818 83 石炭系船山组 上部白色灰岩,下部浅灰色、灰黑色灰岩
      1818 1960 142 石炭系黄龙组 肉红色灰岩
      1960 2020 60 石炭系高骊山组 杂色砂岩,青灰色砂岩、泥岩
      2020 2350 330 泥盆系五通群 青灰色砂岩,粉砂岩、泥岩
      2350 2843.4 493.4 上奥陶统至下志留统 顶部灰岩,下部砂岩、粉砂岩、泥岩

      在VSP测井之前,根据已经取得的声波、密度测井和岩心物性实验室测定成果,进行了岩石物性分析工作,较全面地掌握了该井孔所钻遇地层的岩石物理性质。从测井结果可知,未固结沉积物的速度为1600~2250m/s,密度为1.8~2.1g/cm3, 随深度的增加、压实作用的加大,速度、密度在逐渐增加。在地球物理测井的基础上,对海相地层段的岩心进行了速度、密度等物性测试,根据测井和物性测试结果,灰岩类速度5085~6578m/s,密度2.62~2.78g/cm3, 当泥质含量达到40%以上后,其速度可以降到4800m/s左右;砂岩类速度4681~5557m/s,密度2.51~2.72g/cm3, 泥岩类速度4158~4520m/s,密度2.36~2.48g/cm3。据此计算,在深度629m处的三叠系青龙组顶面是强反射界面,反射系数可达0.5左右,产生能量较大的地震反射波,对地震波的向下传播起到了强烈的阻滞作用。二叠系大隆组顶面、二叠系栖霞组顶面、石炭系高骊山组顶面是弱-中等反射界面,绝对反射系数<0.15,可产生弱-中等能量的地震反射波。其他地层界面由于物性差异较小,难以形成有效反射。

    • 在海洋VSP资料采集中,由于气枪震源激发的地震信号一致性好、绿色环保的优势, 成为主流激发震源。气枪震源的设计是VSP资料采集的重要工作内容之一,根据VSP测量的需要,主要从输出脉冲能量和频带宽度上进行激发参数的选择。气枪容量大,激发的地震信号能量强,能够获得深部的有效反射上行波,但会加大采集中的伴生噪音;气枪容量小,激发的地震信号能量弱,虽然可以减少采集中的伴生噪音,但获得深部有效反射的上行波能量弱、信噪比低。另外,气枪容量越大,激发的地震波的主频越低、频带越窄。因此,必须根据测量井所处的地震地质条件和测量目标,选择气枪的容量(输出脉冲能量)和组合方式。本次VSP资料采集的目标是获得主要地层界面的准确时间-深度关系,为准确地建立地震速度场和地震资料对比标定提供资料依据。由本井的地震地质条件分析可知,深度629m处的强反射界面对地震波的向下传播的阻滞作用强烈,按地震波透射能量定量计算方法[13],只有不到10%的震源子波能量能够穿透该界面向下传播[14];多道地震的采集与处理实践表明,采用以大容量气枪阵列为主的震源激发技术,才能突破强反射界面对地震波传播的屏蔽作用[6, 14-19],获得该界面之下地层的有效地震反射(图 1)。因此,在本次VSP资料采集中,通过提高气枪震源的激发脉冲能量,以穿过深度629m处的强反射界面,获得全井段有效的下行波场和上行波场,成为VSP资料采集中气枪震源设计的主要考虑因素。

      图  1  过CSDP-2井的XQ09-2线成像处理剖面

      Figure 1.  Seismic section of line XQ09-2 cross Well CSDP-2

      同时,本次资料采集的震源设计还必须考虑井孔结构特征,由钻井施工方提供的数据得知,井孔结构分为3段:海底至645m段为套管固井段,对最外层套管进行了水泥固井,套管与井壁固结良好,但在该段还安放了与下面井段相连双层活动套管;645~1207m井段未固井,安放了护井壁双层活动套管,1207~1481m井段未固井,安放了单层护井壁活动套管;1481~井底为裸眼井段。由此给VSP资料采集提出了一个新的问题,在海底至1481m段均存在未固结的活动套管,活动套管与井壁或套管与套管之间的充填物为泥浆材料和岩屑,造成井壁(或套管)与充填物、充填物与套管间存在较大的物性差异,加之充填物的固结程度差,对地震波的衰减作用强,这些给井中检波器信号接收造成较大的困扰。针对这一难题,根据低频地震波穿透能力强、衰减慢的特点[20],在震源设计中把提升低频能量作为设计的重点。

      基于上述考虑,采用由4条容量1500in3的Bolt气枪组成了总容量为6000in3枪阵,作为本次VSP资料采集的激发震源。该枪阵能够产生低主频、高脉冲能量的地震波, 具有较大的穿透能力和较远的传播距离[21],在我国海洋深部地震探测中得到了广泛应用,获得了深达莫霍面的有效反射与折射震相[22-25]

      根据井场所在海域的潮流和波浪等水文环境,枪阵组合模式为4m×4.5m长方形组合,即气枪排列的横向水平距离4.5m,纵向水平距离4m,4条气枪用锁链固定在4m×4.5m的钢架上,采用浮球和绳索将钢架和气枪沉放在设计的深度上。鉴于该枪阵统一为1500in3的大容量气枪,气泡半径较大,为保证发挥其最佳的激发能量,将枪阵的沉放深度统一设定为10m。为了评价枪阵的输出脉冲能量,在资料采集前进行了输出远场子波计算模拟,模拟环境参数为:气枪工作压力为2000psi, 海水密度为1.03g/cm3, 海水温度15℃,海水声波速度为1500.0m/s,海平面反射系数近似为-1.0,观测点距离气枪阵列震源中心9000m。图 2为该枪阵的远场子波波形与频谱图,其激发的远场子波峰-峰(Peak-Peak)值达66.9bar·m,优势频率集中在3~40Hz, 具有激发能量大、低频成分丰富且能量较强,穿透能力大的特点。

      图  2  大容量枪阵远场子波波形(a)与频谱(b)图

      Figure 2.  Far-field wavelet shape (a) and spectrum (b) for large volume airgun

    • 本次资料采集选用的是将震源布设在井口附近的近零偏移距观测系统,考虑到激发震源是大容量气枪阵列,为了平台安全和减少浅层段井筒波的干扰,激发震点选在井口西北方向62.5m处(图 3),这样既能得到较准确的测井层速度,也可以在629m深度的强反射界面上产生非垂直的入射波,达到充分利用在强反射界面上,较小的入射角即可转换成一定能量的透射横波的条件[26-28],实现以较小的井源距(近零偏移距)获得深部转换波信号的目的。

      图  3  震源点位置图

      Figure 3.  Position of the centrum

      在资料采集前,为了检验大容量枪阵的激发效果,分别在固井段、双层活动套管井段、单层活动套管井段和裸眼井段,各选择一个试验点进行了采集试验,结果表明四个试验点均获得初至波起跳干脆、能量强的记录,表明大容量枪阵震源满足了资料采集的需求。

      根据检波器下井状况,将观测井段设置为井深2720m到海底,观测点距(深度间隔)10m,在地层界面处加密到5m,共设计观测点数305个。采用二级三分量数字检波器接收、级间距10m,检波器型号为GSR,采用机械的推靠方式保障检波器与井壁良好耦合。地震记录的时间采样间隔为0.5ms,记录长度6s,仪器固定增益42db,记录格式SEG-Y,具体采集参数见表 2。为了监控震源子波的变化,在井孔处海水中放置了压力型子波检波器,考虑到海浪和海流会造成子波检波器的摆动,从而影响子波信号的品质,特在海底放置海底地震仪(OBS:Ocean Bottom Seismograph)。

      表 2  CSDP-02井VSP资料采集参数

      Table 2.  VSP data acquisition parameter for Well:CSDP-2

      观测系统 系统型号 GeoWaves 自然频率 15Hz
      生产厂家 法国SERCEL公司 频率响应 3-1600Hz
      检波器级数 2级 耐压 21750psi/1500bar
      检波器型号 1850型三分量数字检波器 级间电缆长度 10m
      记录系统 地震仪型号 GeoWaves 记录格式 SEGY
      采样间隔 0.5ms 辅助道前放增益 0dB
      高、低截止频率 陷波器
      井下道前放增益 40dB 记录长度 6.0s
    • 采集工作完成后,首先对震源子波一致性进行了分析,图 4为井孔处水中放置的子波检波器记录的地震子波波形和频谱图,从中可以看出,子波在波形宽度和相位的一致性较好,受海浪和海流的影响,存在一定的振幅差异。而OBS沉放在海底,受环境因素的影响较小,激发点与OBS接收点的位置固定,其接收的直达波与上行波的一致性的好坏更能说明子波一致性的好坏。图 5为井孔处放置的OBS记录的直达波与上行波波形图,从中可以看出,记录道之间的波形、振幅和相位的一致性较好,表明在整个激发过程中枪阵工作正常,从而保障了原始数据的振幅等信息的相对关系。

      图  4  压力型子波检波器记录的地震子波波形和频谱图

      Figure 4.  Seismic wavelet shape and spectrum recorded by hydrophone

      图  5  OBS水听器记录的直达波和上行波波场图

      Figure 5.  Direct wave and upward wave field recorded by hydrophone

      采集现场对地震记录进行了分选,组成VSP三分量Z、X、Y三张记录,每张记录305道,每道记录长度6s。图 6是Z分量(纵波)原始记录剖面,显示原始记录面貌较好,信噪比较高,能看到丰富的上行Well:CSDP-2反射波场,表明大容量枪阵激发,用高灵敏度的数字检波器在井下接收是成功的。

      图  6  CSDP-02井Z分量原始记录

      Figure 6.  Z component original record from

      由于井深629m处是物性变化剧烈的强反射界面,理论研究和实践表明,物性差异大的界面在小的入射角条件下即可产生转换波[26-28]。虽然本次采集定义为零偏移距VSP,但震点距井孔为62.5m,计算在该界面处可形成不大于6°的入射角。图 7是接收转换波信号的X、Y分量下行波原始记录剖面,图中可以看出,在深度630m之上,X、Y分量剖面上均为无效的杂乱波形;深度630m之下,X、Y分量剖面上开始出现能量强、连续性好的下行波组,在X分量剖面上最为突出。这些均说明透过该界面产生了能量强、信噪比较高的转换下行波场,还能看到较丰富的上行反射转换波场。表明大容量气枪阵列震源激发产生了能量较强的转换波,采用高灵敏度的三分量数字检波器在井下接收是非常成功的。

      图  7  CSDP-02井 X 、 Y 分量原始记录

      Figure 7.  X and Y component original record of Well:CSDP-2

      资料采集工作结束后,为了评价VSP资料采集效果,现场进行了噪音剔除、波场分离、振幅补偿和初至拾取等环节的处理工作,计算得到了CSDP-2井的PP、PS波层速度和纵横波速度比、泊松比曲线(图 8),经与钻井地质分层数据、声波测井资料和岩心物性测试资料对比认为,VSP测量得到的PP、PS波层速度和纵横波速度比、泊松比等曲线的变化特征与钻井地质分层完全吻合,PP波层速度与声波测井速度变化趋势吻合较好,PP、PS波层速度与岩心测试结果一致。对比图 8和钻探地质分层[8-10],灰岩段具有较高的纵波、横波层速度和泊松比,砂岩、泥岩的纵波、横波层速度和泊松比相对较低;大隆组含灰质砂岩纵波速度高、但横波速度较低,泊松比较高,达0.4左右;青龙组灰岩由于含泥质含量加大,纵波、横波层速度和泊松比低于纯灰岩、但高于砂岩和泥岩。

      图  8  CSDP-2井PP、PS波层速度和纵横波速度比、泊松比曲线图

      Figure 8.  PP and PS-wave interval velocity and Vp/Vs and Poisson ratio curves

    • (1) 针对CSDP-2井在629m井深处存在强地震反射界面,海相地层内部界面物性差异小的地震地质条件下,设计了适宜的大容量气枪阵列+高灵敏度三分量数字检波器VSP资料采集技术和参数。通过在海水中较大的沉放深度的大容量气枪阵列定点激发地震波的技术方法,达到了拓宽低频分量,提高激发地震波能量和穿透能力的目的,突破了强反射界面对地震波下行传播的屏蔽作用,同时也弥补了活动套管与井壁间充填物对地震波的衰减影响,获得了信噪比高、特征突出的地震波场资料。

      (2) 充分利用浅层强地震反射界面和大能量气枪阵列的有利条件,在得到纵波波场信号的同时,获得了海相地层井孔段高质量的VSP转换波波场信号,经处理得到了纵波、横波速度和波速比及泊松比等弹性波特征曲线,分析弹性波特征与岩性的关系后认为,灰岩的纵波、横波层速度和泊松比高,砂岩、泥岩的纵波、横波层速度和泊松比相对较低,含灰质砂岩纵波速度高、横波速度较低,泊松比较高;当灰岩含有泥质成分时,纵波、横波层速度和泊松比低于纯灰岩、但高于砂岩和泥岩。

      (3) 为求准地层的纵、横波速度特征,提供准确的时间-深度标定关系,VSP地震测井要求井孔比较直,井内的套管层数少,固井质量好,以及裸眼井段井壁光滑不垮塌。另外,在浅层不存在强反射界面的情况下,应采用小容量的气枪组成适宜能量的激发枪阵,以提高激发地震波的主频和拓宽频带,以便采集到更高分辨率的VSP资料;同时,若要获得高质量的转换波波场记录,应实施非零偏移距VSP测量工作。

参考文献 (28)

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