遼河坳陷低頻可控震源地震采集技術(shù)應(yīng)用

張宏,劉兵 (中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處，遼寧 盤錦 124010)

劉炎坤 (長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

樊平,萬敏 (中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處，遼寧 盤錦 124010)

遼河坳陷低頻可控震源地震采集技術(shù)應(yīng)用

張宏,劉兵 (中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處，遼寧 盤錦 124010)

劉炎坤 (長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

樊平,萬敏 (中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處，遼寧 盤錦 124010)

可控震源激發(fā)具有掃描頻率設(shè)置靈活、子波頻帶寬、激發(fā)高效的特點(diǎn)，近年來在遼河坳陷陸上地震勘探中已攻關(guān)應(yīng)用，是該區(qū)今后地震采集技術(shù)的發(fā)展方向。重點(diǎn)介紹了低頻可控震源試驗(yàn)及數(shù)字化地震監(jiān)控技術(shù)的在遼河坳陷DMT地區(qū)應(yīng)用效果。低頻可控震源通過增加低頻信號(hào)成分，拓寬地震資料頻寬，利于提高復(fù)雜構(gòu)造的成像精度，改善斜坡帶深層地層成像的成像效果。通過聯(lián)合應(yīng)用低頻可控震源高效采集配套技術(shù)，獲得了DMT地區(qū)高品質(zhì)的地震資料，證明了低頻可控震源地震采集技術(shù)在遼河坳陷陸上復(fù)雜區(qū)地震勘探中的有效性。

低頻拓展；滑動(dòng)掃描；震源軌跡預(yù)設(shè)計(jì)；數(shù)字化地震監(jiān)控技術(shù)

遼河坳陷作為高勘探程度油區(qū)，經(jīng)過40多年的油氣勘探，基巖及內(nèi)幕、巖性和火成巖等各類油氣藏目標(biāo)的富集整裝區(qū)帶已基本探明，當(dāng)前勘探階段需要進(jìn)一步提高地震資料的品質(zhì)，精細(xì)刻畫各類油氣藏的隱蔽性目標(biāo)。由于遼河坳陷陸上地表障礙密集，地質(zhì)條件復(fù)雜，地震采集方案實(shí)施和資料品質(zhì)改善均面臨很大挑戰(zhàn)，為進(jìn)一步探索適應(yīng)遼河坳陷復(fù)雜區(qū)的高密度地震采集技術(shù)，同時(shí)驗(yàn)證低頻可控震源采集技術(shù)的有效性，東方地球物理勘探有限責(zé)任公司遼河物探處2016年在遼河坳陷DMT地區(qū)開展了低頻可控震源激發(fā)試驗(yàn)及配套采集技術(shù)攻關(guān)，取得了很好的實(shí)施效果。下面,筆者將重點(diǎn)介紹低頻可控震源試驗(yàn)及數(shù)字化地震監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 低頻勘探優(yōu)勢及可控震源低頻掃描信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法

為滿足復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)更高精度的成像需求，目前地震勘探更加注重寬頻地震信號(hào)的應(yīng)用。由于地層吸收衰減特別是近地表吸收衰減對(duì)地震信號(hào)高頻端的限制，通過地面檢波器可接收到的地震高頻信號(hào)難以進(jìn)一步提高，在當(dāng)前基礎(chǔ)上，通過降低地震子波信號(hào)的低頻段是拓展地震信號(hào)頻寬的有效方法。研究和實(shí)際勘探表明，低頻勘探具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢[1，2]：低頻信號(hào)穿透能力強(qiáng)，利于提高火成巖、煤層等強(qiáng)反射界面下伏地層的成像效果；拓展信號(hào)倍頻程、減少子波旁瓣、改善地震資料縱向分辨率；利于提高速度反演精度、提高偏移成像質(zhì)量；降低反演對(duì)井資料的依賴度，提高地震反演的精度；利于識(shí)別低頻伴影，提高巖性地質(zhì)體和流體的識(shí)別能力。

可控震源具有激發(fā)子波掃描頻率可靈活設(shè)置的優(yōu)勢，可針對(duì)性的增加低頻信號(hào)成分，實(shí)現(xiàn)寬頻信號(hào)激發(fā)的目的。目前有2種方法可以降低可控震源掃描信號(hào)的最低頻率[3，4]：

1)常規(guī)可控震源拓展低頻信號(hào)設(shè)計(jì)。常規(guī)可控震源受機(jī)械結(jié)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)流量能力的限制，標(biāo)定的低頻極限一般是6Hz?；诔Ｒ?guī)可控震源，通過數(shù)學(xué)手段設(shè)計(jì)可控震源機(jī)械系統(tǒng)能夠承受的低頻信號(hào)，突破可控震源出廠標(biāo)定的最低頻率限制，實(shí)現(xiàn)降低掃描信號(hào)最低頻率的目的。

2)專用低頻可控震源激發(fā)。改進(jìn)現(xiàn)有的可控震源機(jī)械和液壓系統(tǒng)，使之能夠激發(fā)低頻信號(hào)。

2 DMT地區(qū)可控震源低頻掃描信號(hào)激發(fā)對(duì)比分析

遼河坳陷陸上DMT地區(qū)基巖及內(nèi)幕油氣藏、巖性油氣藏富集，是目標(biāo)勘探階段的重點(diǎn)勘探區(qū)帶。由于該區(qū)現(xiàn)有地震剖面中，西部斜坡帶邊界斷裂未完全落實(shí)，斷裂下盤地層層間關(guān)系不清，難以準(zhǔn)確弄清基巖構(gòu)造形態(tài)及斷裂展布特征；同時(shí)，洼陷區(qū)沙四段砂礫巖儲(chǔ)層縱向分辨率不夠，儲(chǔ)層平面追蹤困難，需要進(jìn)一步提高地震剖面的分辨率。針對(duì)地質(zhì)需求，地震攻關(guān)采用“高密度三維觀測系統(tǒng)+低頻可控震源高效采集”技術(shù)路線實(shí)施。三維地震采集前，為驗(yàn)證該區(qū)低頻信號(hào)采集效果，利用專用低頻可控震源分別設(shè)計(jì)1.5～96Hz和3～96Hz的掃描信號(hào)，采用表1所示的觀測系統(tǒng)進(jìn)行二維線對(duì)比采集。

表1 DMT地區(qū)低頻可控震源二維線觀測系統(tǒng)表

對(duì)2種掃描頻率采集的二維疊加剖面，進(jìn)行1～96Hz低頻段的分頻掃描對(duì)比，對(duì)應(yīng)保留1.5～96Hz和3～96Hz的有效地震信號(hào)，如圖1所示。在1.5～96Hz對(duì)應(yīng)的疊加剖面中，西部斜坡帶基底反射能量明顯較強(qiáng)，深層地層反射信號(hào)同相軸連續(xù)性更強(qiáng)，剖面整體品質(zhì)更高；1.5～3Hz的低頻信號(hào)對(duì)改善深層地層的成像效果作用明顯，由此確定DMT地區(qū)地震攻關(guān)采集，可控震源激發(fā)子波應(yīng)該包含1.5～3Hz的低頻信號(hào)，源合適的掃描頻率為1.5～96Hz。

圖1 疊加剖面掃描對(duì)比(1～96Hz分頻掃描)

3 可控震源高效采集關(guān)鍵技術(shù)

DMT地區(qū)地表障礙密集，類型多樣，主要分為村莊(17.78%)、樹林(9.80%)、魚池及河流(5.36%)、大棚(4.08%)等4大類。相對(duì)西部探區(qū)沙漠、戈壁區(qū)地表障礙稀疏分布而言，如何保證復(fù)雜地表區(qū)可控震源的高效作業(yè)是DMT地區(qū)地震攻關(guān)順利實(shí)施的關(guān)鍵。另外，地震攻關(guān)采用高密度三維觀測系統(tǒng)36L×4S×368T×1R，面元10m×20m，炮點(diǎn)距40m，密集分布的炮點(diǎn)也給震源高效作業(yè)帶來極大挑戰(zhàn)。針對(duì)可控震源高效作業(yè)難點(diǎn)，通過綜合應(yīng)用可控震源滑動(dòng)掃描、震源行進(jìn)軌跡預(yù)設(shè)計(jì)、數(shù)字化地震監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了DMT復(fù)雜區(qū)的高效地震采集。

3.1 滑動(dòng)掃描高效激發(fā)技術(shù)

可控震源按照掃描方式的不同，分為交替掃描(Flip-Flop Sweep)、滑動(dòng)掃描(Slip-Sweep)、距離分開同步掃描(Distance Separated Simultaneous Sweep)和獨(dú)立同步掃描(Independent Simultaneous Sweep)等幾種[5,6]?；瑒?dòng)掃描技術(shù)是在交替掃描技術(shù)上發(fā)展起來的高效激發(fā)技術(shù)，一般采用多組震源施工，各震源采用的掃描頻率相同，各震次掃描時(shí)間可以部分重疊(但最小時(shí)間間隔不小于相關(guān)后要獲得的單炮記錄長度)(見圖2)?？煽卣鹪椿瑒?dòng)掃描采集過程中，在放完每組炮之前，儀器連續(xù)記錄一系列震次激發(fā)的地震數(shù)據(jù)(包括TB(Time Breaking,時(shí)斷信號(hào))和相關(guān)信號(hào)的輔助道信息)，形成一個(gè)炮與炮間相互重疊的連續(xù)母記錄。在母記錄中，每個(gè)震次都有各自對(duì)應(yīng)的TB，雖然震次之間有所重疊，但每個(gè)震次掃描的啟動(dòng)時(shí)間不同，用相應(yīng)的VSS(Vibrator Signature System)力信號(hào)或者掃描信號(hào)與母記錄相關(guān)就可以得到各震次的有效信息，分離出每個(gè)震次獨(dú)立的單炮記錄(見圖3)。

圖2 可控震源滑動(dòng)掃描示意圖

圖3 母記錄切分示意圖

每臺(tái)可控震源不必等待上一組震源完成掃描即可開始掃描，這樣就大大縮短了相鄰2次掃描的間隔時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高效采集。DMT地區(qū)可控震源滑動(dòng)掃描具體參數(shù)為：掃描長度16s，滑動(dòng)時(shí)間12s，驅(qū)動(dòng)幅度65%。

3.2 震源行進(jìn)軌跡預(yù)設(shè)計(jì)技術(shù)

DMT地區(qū)密集分布的水渠、河流、窄涵洞、壟溝和下地口是制約可控震源通行的主要因素。依據(jù)該區(qū)高精度的衛(wèi)星圖片和實(shí)地踏勘獲得的地物信息，對(duì)采集線束內(nèi)的激發(fā)點(diǎn)，采用“分線束線排”與“分區(qū)塊”相結(jié)合的劃分方法，在保證可控震源快速行進(jìn)的原則下，提前設(shè)計(jì)可控震源實(shí)際行進(jìn)路線，主要步驟如下：

1)基于分辨率為0.5m的地表衛(wèi)星圖片，以水渠、河流、壟溝等地物為分塊界限，將全部激發(fā)點(diǎn)劃分為116塊作業(yè)單元；

2)對(duì)每個(gè)作業(yè)單元，進(jìn)行逐塊的實(shí)地踏勘，使用GPS記錄該作業(yè)單元的下地口、出地口、拐點(diǎn)(2炮點(diǎn)間無法直接通過，需通過拐點(diǎn)連接)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，并在衛(wèi)片圖上繪制出可控震源行進(jìn)路線草圖；

3)使用Global Mapper軟件在衛(wèi)星圖片上進(jìn)行全部下地口、出地口、拐點(diǎn)的展布，結(jié)合某一作業(yè)單元中激發(fā)點(diǎn)的分布位置，對(duì)本單元中炮點(diǎn)及拐點(diǎn)順次連線，優(yōu)化、形成可控震源的行進(jìn)路線和對(duì)應(yīng)的震源軌跡格式文件(見圖4)。

圖4 DMT地區(qū)某作業(yè)單元可控震源軌跡形成過程圖

3.3 數(shù)字化地震監(jiān)控技術(shù)

數(shù)字化地震監(jiān)控技術(shù)是將計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、GPS等技術(shù)與地震采集技術(shù)相結(jié)合，形成的集可控震源可視化導(dǎo)航、震源采集任務(wù)遠(yuǎn)程分發(fā)、地震作業(yè)指揮、采集質(zhì)量控制于一體的遠(yuǎn)程化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，支撐地震采集全過程網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的動(dòng)態(tài)管理，以提高地震生產(chǎn)效率、保證采集資料質(zhì)量。

3.3.1 可控震源可視化導(dǎo)航(DSG)

可控震源可視化導(dǎo)航系統(tǒng)是基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的震源車載導(dǎo)航終端，達(dá)到厘米級(jí)定位精度，支持GPS和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。震源車載終端在顯示工區(qū)高清衛(wèi)星圖片及障礙物等地物信息的基礎(chǔ)上，同時(shí)顯示作業(yè)單元的炮檢點(diǎn)、預(yù)先設(shè)計(jì)的震源軌跡路線和震源機(jī)組的相對(duì)位置，準(zhǔn)確引導(dǎo)可控震源在復(fù)雜地表區(qū)按照既定路線快速行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)可控震源自動(dòng)導(dǎo)航和逐點(diǎn)激發(fā)。

在每個(gè)炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)每個(gè)震次中心坐標(biāo)(COG)、震源狀態(tài)的6個(gè)指標(biāo)(峰值相位、平均相位、峰值出力、平均出力、峰值畸變和平均畸變)和VSS進(jìn)行記錄，依據(jù)規(guī)定的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)判定本次激發(fā)單炮是否合格。若激發(fā)單炮合格，則車載終端實(shí)時(shí)提示激發(fā)合格，炮點(diǎn)標(biāo)識(shí)的顯示顏色變化；若炮點(diǎn)激發(fā)不合格，車載終端報(bào)警，提示可控震源原地等待，在滑動(dòng)掃描時(shí)序隊(duì)列分配的時(shí)間點(diǎn)再次啟震。對(duì)已完成激發(fā)的全部合格炮點(diǎn)，導(dǎo)航系統(tǒng)通過共享方式，讓每臺(tái)震源機(jī)組實(shí)時(shí)看到炮點(diǎn)分布位置，避免重復(fù)激發(fā)或放錯(cuò)炮。

3.3.2 震源激發(fā)任務(wù)遠(yuǎn)程分發(fā)

DMT地區(qū)采用16臺(tái)低頻可控震源規(guī)模激發(fā)，為了使各個(gè)震源機(jī)組實(shí)時(shí)接收軌跡文件和作業(yè)單元的激發(fā)任務(wù)文件，在作業(yè)營地建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過4G網(wǎng)絡(luò)與每臺(tái)震源建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)激發(fā)任務(wù)文件遠(yuǎn)程發(fā)放和質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的回傳，主要步驟如下：

1)在作業(yè)營地通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，將當(dāng)天生產(chǎn)的激發(fā)任務(wù)文件和軌跡文件遠(yuǎn)程分發(fā)給每臺(tái)可控震源；

2)可控震源通過車載導(dǎo)航終端，實(shí)時(shí)接收對(duì)應(yīng)文件，并顯示需要作業(yè)的激發(fā)點(diǎn)位置和震源軌跡路線，自動(dòng)循跡激發(fā)；

3)可控震源將單炮激發(fā)中記錄的質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)(COG坐標(biāo)、6項(xiàng)指標(biāo)和VSS信息)傳回到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，質(zhì)控人員進(jìn)行下載，對(duì)各個(gè)震次的6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析并分類統(tǒng)計(jì)，判定各臺(tái)震源的工作狀態(tài)的好壞和采集單炮的質(zhì)量。

3.3.3 地震作業(yè)指揮系統(tǒng)(DSC)

地震作業(yè)指揮系統(tǒng)面向野外采集生產(chǎn)場景，在作業(yè)營地集中、動(dòng)態(tài)顯示工區(qū)地表衛(wèi)星圖片、路口、地物、震源軌跡路線、震源當(dāng)前作業(yè)位置、作業(yè)單元激發(fā)任務(wù)完成進(jìn)度等信息，指揮人員通過該系統(tǒng)及時(shí)掌握野外生產(chǎn)動(dòng)態(tài)；同時(shí)，該系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間段，對(duì)各個(gè)震源機(jī)組的狀態(tài)指標(biāo)、完成的炮數(shù)、炮點(diǎn)的COG偏差等信息進(jìn)行分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，全面展示采集過程中各個(gè)震源工作狀態(tài)和采集資料質(zhì)量，引導(dǎo)作業(yè)人員準(zhǔn)確查找影響地震作業(yè)的原因，及時(shí)采取措施對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)配，協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)組的作業(yè)進(jìn)度，從而保證生產(chǎn)效率和資料質(zhì)量。

4 應(yīng)用

圖5 DMT地區(qū)采集地震資料疊加剖面對(duì)比

通過低頻可控震源采集及配套技術(shù)的應(yīng)用，首次在遼河坳陷陸上復(fù)雜區(qū)取得了低頻可控震源地震采集的成功。本次地震攻關(guān)在DMT累計(jì)采集148776炮，全部震次6項(xiàng)指標(biāo)合格率達(dá)到97.5%，全部震次中心坐標(biāo)與設(shè)計(jì)點(diǎn)位偏離小于3m占總炮數(shù)的96.7%，使地震采集日效從以往的井炮采集最高1000炮/天增加到震源采集平均2917炮/天；在保證原始資料品質(zhì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高效地震采集作業(yè)。與該區(qū)以往疊加剖面對(duì)比表明，該次地震攻關(guān)高密度三維觀測系統(tǒng)和低頻采集的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，新采集資料疊加剖面中西陡坡構(gòu)造反射特征明顯，地層接觸關(guān)系明確；洼陷部位資料頻率提升顯著，層間信息更為豐富；基底低頻反射信號(hào)能量大幅增加，斷點(diǎn)繞射信號(hào)明顯(見圖5)，為復(fù)雜構(gòu)造的高精度成像提供了高品質(zhì)資料。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

遼河坳陷陸上各類油氣藏的隱蔽性目標(biāo)勘探對(duì)地震技術(shù)提出了更高的要求，復(fù)雜的地表?xiàng)l件對(duì)地震采集方案的實(shí)施提出極大的挑戰(zhàn)。DMT地區(qū)三維地震攻關(guān)效果表明，面對(duì)遼河坳陷陸上復(fù)雜的地質(zhì)、地表?xiàng)l件，通過低頻可控震源高效采集作業(yè)，能在一定的勘探成本范圍內(nèi)支撐高密度、高覆蓋三維地震技術(shù)方案的工業(yè)化實(shí)施，證明了低頻可控震源采集技術(shù)在遼河坳陷陸上復(fù)雜區(qū)應(yīng)用的有效性。通過本項(xiàng)目的研究與實(shí)施，形成以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)在遼河坳陷陸上地震勘探中，采用“高密度三維觀測系統(tǒng)+低頻可控震源高效采集”技術(shù)路線實(shí)施地震采集，可以進(jìn)一步提高地震資料品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)地震勘探技術(shù)經(jīng)濟(jì)的一體化。

2)低頻可控震源激發(fā)能進(jìn)一步增加地震子波低頻信號(hào)成分，拓展地震資料的有效頻寬；但由于拓展的低頻信號(hào)能量相對(duì)較弱，需要在后續(xù)的處理解釋中進(jìn)行針對(duì)性地保護(hù)，才能更好地發(fā)揮出低頻信號(hào)的作用。

3)遼河坳陷陸上復(fù)雜區(qū)可控震源的高效采集，關(guān)鍵是要提前弄清作業(yè)區(qū)限制震源通行的障礙物分布，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)震源行進(jìn)軌跡，從而引導(dǎo)可控震源快速行進(jìn)和循跡作業(yè)。

致謝：遼河坳陷低頻可控震源地震采集技術(shù)是所有參加過該項(xiàng)目的研究人員集體智慧的結(jié)晶；同時(shí)，在該項(xiàng)目的研究過程中，特別得到了東方地球物理公司新疆物探處黃永平總工程師、東方地球物理公司采集技術(shù)支持部肖虎副總工程師的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝！

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[編輯] 洪云飛

2016-06-16

中國石油天然氣集團(tuán)公司重大工程技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目(06-03-2015)。

張宏(1982-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地面地震采集技術(shù)、井中地震采集技術(shù)的研究工作；E-mail:zhw8201@126.com。

P631.4

A

1673-1409(2016)31-0041-05

[引著格式]張宏,劉兵，劉炎坤，等.遼河坳陷低頻可控震源地震采集技術(shù)應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(31)：41～45.