四川盆地復雜地表地震采集關鍵技術及其應用效果

王曉陽 張曉斌 趙曉紅 胡 峰 任 聰 王光銀 黎書琴 孫偲軼 王書彥 羅 文

1.成都理工大學地球物理學院 2.中國石油東方地球物理公司西南物探分公司

3.中國石油西南油氣田公司勘探事業部 4.中國石油東方地球物理公司物探技術研究中心

0 引言

四川盆地天然氣資源量為39.94×1012m3，截至目前已探明天然氣儲量5.82×1012m3，探明率僅為14.57%，勘探處于早中期，是我國天然氣勘探開發最具潛力的盆地[1-5]。

由于四川盆地經歷了多期次構造運動，印支期形成盆地雛形，喜馬拉雅期褶皺定形，導致盆地復雜地表區域山脈發育、構造復雜。根據出露地表巖性特征，以龍泉山和華鎣山為界，可將四川盆地地表地質情況分為川西北坳陷區、川中隆起區和川東高陡構造區3大區域：①川西北坳陷區是盆地內白堊系、古近系主要分布區和第四系大片覆蓋區，也是川西北前陸盆地—中新生代主要坳陷區，地表主要為砂泥巖，坳陷區激發接受條件較好；其中龍門山推覆構造區因受龍門山逆掩推覆影響，褶皺強烈，地腹構造較復雜，斷裂發育，地震地質條件較差[6-10]。②川中隆起區是盆地內褶皺最弱的地區，區內地腹構造較平緩，斷裂發育較少，地震地質條件較好[11]。③川東高陡構造區是盆地內褶皺最強烈的地區，地腹構造較復雜，斷裂發育，地腹地震地質條件差[12-16]。四川盆地復雜的地表和地腹地質條件給地震勘探工作帶來了一系列的技術問題與挑戰，其復雜地表地震采集亟需解決的核心問題是：①針對復雜地表區的復雜地質目標偏移準確歸位難、成像效果差的問題[17]，如何設計更加經濟有效的高精度三維觀測系統方案；②面對復雜地表障礙物眾多與地形高差大帶來的施工難度和安全風險，如何更加安全、高效地實施地震采集項目；③復雜地表區局部大量出露剛性地層，地震波下傳能量衰減嚴重，如何通過激發技術攻關有效提高地震波下傳能量，進一步提高原始資料品質；④面對復雜地表區的巖性變化與干擾分布，如何對野外資料質量分析與自動評價，保證高品質地震資料的獲得。總之，四川盆地復雜地表區淺、中、深層都面臨著巨大的物探技術挑戰，導致構造圈閉難以準確落實，嚴重制約了該區勘探進程，是亟待解決的重要地震勘探問題[18-19]。

近年來，針對上述四川盆地復雜地表地震采集技術瓶頸問題持續攻關，大力推進采集技術進步與施工作業能力升級，有效提升了復雜地表地震資料品質，復雜構造成像效果得到極大改善。

1 復雜地表地震采集關鍵技術

1.1 復雜地表地震觀測技術

目前，在川西北坳陷區、川中隆起區、川東南坳褶區主要應用山地高密度寬方位三維地震觀測技術，以提高地震成像精度，解決復雜儲層精細描述問題；在龍門山推覆構造帶與川東高陡構造帶主要應用高密度線束三維觀測技術，以改善復雜構造的地震成像效果，進一步落實構造模式。線束三維是一種特殊的三維觀測方式，為獲得窄條帶地震信息而設計的高密度三維觀測系統，其特點為覆蓋次數高，接收線距小、模板排列橫向不滾動，主要用于解決復雜構造地震成像問題[14][20]。

1.2 復雜地表GIS＋井炮智能布設技術

復雜地表GIS（地理信息系統，Geographic Information Systems，簡稱GIS）＋井炮智能布設技術就是在復雜地表區通過無人機低空航拍獲得高精度遙感影像，自動提取地形及地表多類型障礙物信息，并結合野外精細踏勘，完成室內智能優化布設井炮物理點，進一步提高山地地震采集施工效率，降低施工作業風險。

1.2.1 地形風險識別與分級評價

地形風險識別與分級評價是運用數字高程模型，利用多向坡度和起伏度同時約束，自動識別地形風險并實現分級評價的一種方法。

所謂坡度是地表位置上高程變化率的量度，可表達為百分數或者度數。前人研究成果表明三階不帶權差分方法計算坡度的精度較高，計算公式為：

式中 S 表示方向坡度值，（°）；Z1、Z2…Z9分別表示第 1、第2…第9個采樣點的高程，m；dx表示x方向采樣間隔，m；dy表示y方向采樣間隔，m。

起伏度是指在一個特定的區域內，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值。通過對高差法、標準差法、投影面積法、矢量法等6種起伏度提取算法對比分析，認為標準差法較為實用。標準差法計算公式為：

通過提取2019年度四川盆地復雜地表多個地震采集項目中炮點實際部署位置的多向坡度、起伏度等信息，對地形風險等級進行分析、論證后，形成了四川盆地復雜地表地形風險4級評價標準，4級風險分別為低風險（藍色）、中風險（黃色）、高風險（橙色）與極高風險（紅色）（表1）。根據工區地形風險識別與評價結果，可在室內對理論設計炮點逐點優化調整，確保野外一次性精準放樣，降低風險較高炮點的占比，提高測量、鉆井等采集工序的野外施工效率。

表1 四川盆地復雜地表地形風險分級評價標準表

1.2.2 基于地表障礙物電子圍欄的炮點智能避障技術

地表障礙物電子圍欄的建立是采用輪廓跟蹤方法標定地圖上的房屋、河流、水庫、公路等多類型障礙物，并進行矢量化自動提取后分類、分層存儲，結合高精度遙感影像進行人工校驗綜合標定，進一步提高地表障礙物的標定精度。

考慮到井炮激發對不同障礙物的安全影響，根據地表不同障礙物對井炮激發安全距離的規范要求，采用“內外緩沖＋分層計算”的方法建立電子圍欄，實現基于多類型障礙物的井炮激發安全距離的電子圍欄分層批量建立、合并。圖1為基于電子圍欄的炮點智能避障方法流程圖，應用該流程，最終實現了復雜地表井炮物理點的智能避障。

1.3 復雜目標三維觀測系統優化設計技術

面向復雜目標的三維觀測系統優化設計技術是圍繞復雜目標地震成像效果改善問題，如何設計經濟有效的三維觀測系統方案，一方面從三維正演數據的成像處理分析來評價優選三維觀測系統方案，另一方面從實際資料的處理分析來優選三維觀測系統關鍵參數[20]。

1.3.1 基于三維聲波方程正演與疊前偏移成像的觀測系統方案優選技術

對于三維聲波方程，即

式中u是一個標量，表示在特定位置和特定時間波的強度，無量綱；x、y、z表示空間位置的坐標，無量綱；v(x,y,z)表示空間位置波的傳播速度，m/s；t表示波傳播的時刻，s。

可以采用高階差分解法來提高時間差分精度。同時為了提高空間差分精度，二階導數可以通過以下形式的2M階差分精度來近似計算，即

式中Δx表示離散后網格在x方向的大小，m；m表示高階差分的階數。

為了解決三維聲波方程正演的邊界計算耗時長的問題，應用自適應波場計算范圍、自適應邊界處理、反射波場的自適應計算等方法，有效地提高了波動方程正演的計算效率，使聲波方程正演技術在采集工程設計中的廣泛應用成為可能。

為了更加直觀地展現不同采集方案對復雜目標疊前成像效果的影響，反過來論證優選采集方案，筆者建立了從復雜地質模型構建到三維聲波方程正演、再到正演數據的疊前偏移成像、最后對采集方案進行評價的技術流程（圖2）。

1.3.2 基于復雜目標成像效果評價的三維觀測系統參數優選技術

基于復雜目標成像效果評價的三維觀測系統參數優選技術是針對面元、覆蓋次數、最大炮檢距、接收線距等三維觀測系統關鍵參數，通過實際資料的處理分析開展觀測系統參數測試與評價工作，最終指導設計經濟有效的三維觀測系統方案。該技術是四川盆地復雜地區獲得技術經濟一體化三維觀測系統方案的有效手段。圖3為面向目標成像效果評價的三維觀測系統關鍵參數優選流程：①劃定地質目標作為成像效果評價區；②設計三維觀測系統關鍵參數測試方案；③根據測試方案對三維數據體進行重構，并開展疊加和疊前偏移處理成像；④通過定性、定量分析與評價地質目標成像效果，優選三維觀測系統關鍵參數；⑤指導設計經濟有效的三維地震觀測系統方案。

1.4 空腔激發方法

空腔激發指在藥柱和巖石之間存在間隙，炸藥爆炸后產生高壓爆轟氣體，爆轟氣體沖擊作用于巖層，巖層產生破碎和塑性形變，塑性形變過程中形成彈性波[21]。為了提高地震單炮資料有效信噪比（有效信號能量與噪音能量比），可采用單井空腔激發方法，增加塑性形變的時間來增加彈性波的能量。其方法原理如下[22]。

炸藥起爆產生沖擊波（應力波）壓縮巖石，沖擊波能量大小由沖量表示，也就是壓力對作用時間的積分，計算公式如下：

式中I表示爆破沖量，N·s；t表示爆破作用時間，s；pm表示爆破脈沖初始壓力，N（1 N=0.102 kgf）。

空腔裝藥（下空）可假設為爆炸性質不變、密度均勻分布的連續裝藥，空腔裝藥的折算密度計算式為：

式中ρ、ρo分別表示折算密度、炸藥密度，kg/m3；Kl=lb/lc表示不耦合系數，無量綱；lb表示裝藥段長度，m；lc表示藥柱長度，m。

通過上式可以優化空腔裝藥激發方法參數，降低爆炸脈沖的初始壓力，延長爆炸作用時間。該方法通過降低初始壓力與延長作用時間，提高激發能量轉化為有效彈性波能量的轉化率，從而提高地震單炮資料品質。

1.5 山地地震野外資料質量自動評價技術

根據四川盆地野外地震資料3級質量評價的要求，為了提高評價效率、節約評價成本，對自動評價技術實現有形化并完全替代人工評價。2016年，研究形成了山地地震野外資料自動評價技術與GMLiveQC軟件，實現了山地地震資料品質影響因素的自動精細評價（主要功能如表2所示），進一步保證了高質量地震原始資料的獲得。2019年在KL Seis II平臺融合研發，移植完善了頻率波數域面波識別與定量分析、炮檢關系實時檢查與自動定位、異常振幅線性擬合聲波識別、基于參考庫的地震資料自動評價等分析與評價技術，目前已研發形成了KL-GMLiveQC 1.0版，其中功能項7項，功能點41個。

表2 KL-GMLiveQC 1.0軟件功能項與功能點統計表

根據四川盆地以往單炮資料人工評價方法，用軟件自動分析得到單炮能量、外界干擾道數、異常道數、聲波干擾、面波干擾、炮檢關系分析結果，通過對每一質量影響因素設置自動識別參數與評價門檻，對野外資料開展一級、二級和廢品的質量評價。根據復雜地表不同特征、地表出露巖性，經2017—2018年四川盆地所有采集項目的測試應用后，建立了四川盆地復雜地表野外資料自動評價的參考庫，指導了四川盆地地震采集項目的評價參數設置，自動評價結果更加科學合理。

2 應用效果

2.1 復雜地表地震觀測系統技術應用效果

針對四川盆地多領域、多目標和復雜地質對象對地震資料信噪比和成像精度的高要求，通過高密度地震觀測技術攻關與經濟技術一體化評價，形成了山地高密度寬方位三維地震觀測技術，深層地震資料信噪比與分辨率得到大幅度提高（圖4），為精細儲層預測奠定了堅實基礎，確保了四川盆地海相碳酸鹽巖氣藏、頁巖氣藏、火山巖氣藏、淺層致密砂巖氣藏4大領域的立體勘探開發工作持續取得重大突破。

高密度線束三維地震采用小面元、小線距、高炮道密度，大幅度提高了復雜構造地震成像品質，在龍門山推覆構造區開展的12.5 m×12.5 m面元的高密度線束三維地震攻關試驗，推覆體構造特征更加清晰（圖5），新發現①號斷層下盤隱伏構造帶。

2.2 復雜地表GIS＋井炮智能布設技術應用效果

根據復雜地表GIS＋井炮智能布設技術方法原理，在KL SeisⅡ平臺上開發軟件模塊，包括4項功能：地形風險自動識別與4級風險評價、地表障礙物綜合標定、電子圍欄建立、炮點智能避障，主要解決四川盆地復雜地表基于地形風險評價的炮點優選與基于地表障礙物電子圍欄的炮點智能避障問題。

2020年FSC三維地震項目位于四川盆地龍門山推覆構造區，工區地形高陡、溝壑縱橫，中部近8 km范圍為無人區。為了提高施工效率、降低風險，在采集技術設計前期開展了GIS＋井炮智能布設工作。根據四川盆地地形風險4級評價標準，對井炮物理點逐點進行風險評價，并對高風險區的炮點進行室內優選布設，優選后不可工作區、高風險區與中風險區的炮點比例降低近50%，有力地支撐了該項目安全高效施工。

2020年四川盆地JT三維地震項目，地表障礙物眾多且類型多樣，為了滿足大幅度提高障礙物自動識別的需要，應用無人機低空航拍獲得了高精度遙感影像，地表障礙物識別率從原來的60%～70%提升到90%以上，地表障礙物識別效率提升了3倍。

2.3 復雜目標成像觀測系統優化設計技術應用效果

針對川東高陡構造的三維地震觀測系統優化設計，建立了四川盆地SPC構造三維地質模型，針對寬方位和窄方位兩套觀測系統方案（表3）進行了三維地震聲波方程正演，網格采用25 m×25 m，工區6 144炮正演總耗時近120 h（20個節點）。通過對兩種觀測方案的正演資料進行疊前深度偏移成像處理，并對目標區成像效果做分析評價。從兩套觀測系統沿層振幅切片可以看出，寬方位資料上目的層振幅能量明顯強與窄方位（圖6），指導了SPC構造三維地震的采集方案設計。

表3 三維地震聲波方程正演觀測系統方案

通過以往觀測系統參數分析得出炮道密度（由面元大小與覆蓋次數雙參數決定）是影響復雜構造成像效果的關鍵敏感參數，其又直接體現出采集觀測系統方案的投入大小。圖7為川西龍門山推覆構造區不同炮道密度的成像效果對比。通過加密炮點與增加接收線的方式，炮道密度從74×104道/km2提高到235×104道/km2。通過對比得出：隨著炮道密度的提高，FSC主體構造淺層中深層成像效果逐漸改善，當炮道密度達到134×104道/km2后效果改善不明顯，那么該地區觀測系統的炮道密度應大于134×104道/km2。該結論對今后龍門山推覆構造區三維地震觀察系統參數設計具有重要的指導意義。

2.4 空腔激發方法在石灰巖地層中的應用效果

2019年在川東SZ地區中三疊統雷口坡組石灰巖開展了激發試驗，試驗采用1 m的空藥筒安裝于藥柱底部實現空腔裝藥。通過同一點的生產和試驗去噪后單炮效果對比，發現應用空腔激發方法的有效反射能量與單炮資料的有效信噪比都得到提升（圖8）。通過雷口坡組不同點的空腔激發的7炮單炮資料與對應生產炮對比分析，有效信噪比得到明顯提升（平均提高了11.7%）。

2.5 山地地震野外資料質量自動評價技術應用效果

目前山地地震野外資料自動評價技術與軟件已在四川盆地所有采集項目中全面推廣應用。根據聲波在剖面上呈現頻率高、振幅異常、橫向連續且近排列呈線性關系特點，在時空域進行掃描擬合識別聲波，識別率大于90%，為地震資料的準確監控、客觀評價和指導后續采集處理生產奠定了基礎。掃描擬合識別的聲波先在時間域甄別異常振幅，再在空間域線性擬合。針對理論與實際初至對比來檢查炮檢關系效率低、效果差的問題，基于數據加權統計的炮檢關系實時檢查與自動定位技術，為及時糾正炮檢關系錯誤提供了強有力的技術手段。針對原GMLiveQC分析效率較低的問題，研發形成了智能線程管理資料分析技術，自動判斷計算資源，使其得到充分利用，資料分析效率較以往提升200%以上。針對不同激發接收條件差異引起單炮資料品質差異的問題，通過靈活便捷的區域劃分，分門別類建立對應評價參考庫，形成了基于參考庫的地震資料自動評價技術，減少了人工評價主觀性，評價效率相對人工評價提高50倍以上。

以四川盆地西北部某工區為例，項目地形高陡復雜，大型廠礦眾多，干擾源類型復雜，干擾控制難度大，且第四系河灘礫石及黃土礫石出露面積大，激發、接收條件差。對工區全部11 664炮進行軟件自動評價，聲波識別率達到91%，評價廢品70炮。通過對聲波的分析，工區第5束線資料在礫石區聲波干擾嚴重。指導了第6束線施工時加深礫石區井位鉆井深度，提高悶井質量，在第6束礫石區聲波干擾得到明顯改善（圖9）。

根據野外資料屬性分析對單炮進行3級質量精細評價，資料合格率達99.4%，其中一級品8 779炮（占比75.3%），二級品2 815炮（占比24.1%），廢品70炮（占比0.6%）。二級品主要分布在工區西南部的城區周圍、山脊位置與礫石區，其原因主要為外界干擾造成單炮資料評價降級，地形與巖性因素引起降級也占一定比例。

3 結論

通過山地采集技術持續攻關，研究形成了四川盆地復雜地表GIS＋炮點智能布設、復雜目標三維觀測系統優化設計、空腔激發和野外資料實時質控與自動評價等地震采集關鍵技術，打造了復雜地表地震采集技術利器。

1）復雜目標三維觀測系統優化設計技術從三維正演數據的成像處理分析和實際資料處理分析來優選三維觀測系統關鍵參數，使優化設計的地震采集方案更加經濟有效。

2）復雜地表GIS＋井炮智能布設技術實現了地形風險及地表多類型障礙物智能提取，使井炮物理點的優化布設更加智能、精準，有效地降低了施工作業風險。

3）空腔激發方法通過降低初始壓力、延長作用時間，提高了激發能量轉化為有效彈性波能量的轉化率，從而有效地提高地震單炮資料品質。

4）山地地震野外資料質量自動評價技術與KL-GMLiveQC 1.0版軟件相結合進一步保證了復雜地表高質量地震資料的獲得。