黃土塬地區寬方位滾動非縱三維地震采集技術研究

鄧衛斌，蘇 海，杜 昊

DENG Wei-bin1, SU Hai1, DU Hao2

1.西安石油大學 地球科學與工程學院 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065；2.河北地質大學，河北 石家莊 050031

1.Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2.Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China

黃土塬地區遍布著松散干燥的巨厚黃土層，地震波在近地表層包含氣體與不飽和水的黃土中傳播時，介質的各項異性差異大，進而產生如面波、折射波、多次波等規則干擾，及在黃土孔隙中空氣發散而產生次生干擾[1]。巨厚黃土層的衰減吸收作用使地震波傳播能量衰減快、反射能量弱，采集的中深層地震資料信噪比、分辨率低，加上黃土坡地形復雜多變，溝壑縱橫，資料采集效果不佳。

依照黃土塬的特點提出了眾多的地震采集方法[2-6]：如沿溝彎曲二維測線、黃土山地寬線測線、不規則三維測線、黃土塬非縱線測線和高密度層析近地表結構調查等方法，逐漸由傳統的二維線元疊加過渡至三維面元疊加，向高密度采集技術發展，并取得了不錯的效果。黃土塬寬方位滾動非縱三維采集技術借鑒海上拖纜的平行線束觀測系統，汲取三維勘探寬方位觀測系統多方位壓制噪聲、衰減多次波；提升空間連續采樣，降低偏移噪聲，歸位成像準確等優點，獲得品質更高的地震剖面，提升油氣儲層的預測精度，更加經濟有效的預測黃土塬地區之下的薄砂儲層。

分析黃土塬寬方位滾動非縱三維地震采集方法理論，設計適合工區的黃土塬寬方位滾動非縱三維采集觀測系統，通過寬方位滾動非縱三維測線、非縱測線與常規縱測線混疊剖面的對比，對本文提到的采集方法的效果進行驗證，研究其方法的可行性。

1 黃土塬地區寬方位滾動非縱三維地震采集技術

隨著黃土塬地區勘探精度要求的不斷提高，勘探方法也在不斷的更迭：首先，彎線采集法依附著自然形成的黃土溝谷布置測線，避開巨厚黃土層、降低了表層復雜地震地質條件對激發、接收的影響[7,8]，需要滿足足夠的覆蓋次數和考慮最小炮間距的矛盾條件，由于天然溝系少，導致測網閉合差；接著，提出黃土山地寬線采集法來增加接收線數來獲得更大的面元疊加對次生干擾進行壓制，進一步提高了地震資料的信噪比[9,10]，然而疊加到方位角的不寬大，讓壓制噪聲的難度提高；緊接著，寬方位滾動非縱三維地震采集技術借鑒海上三維平行線束觀測系統采集模式，改良非縱距地震勘探技術，使接收線偏離炮線一定位置，并采用多線束激發與接收的方式，結合三維和寬線采集技術的優秀特點，在提高面元疊加的前提下克服疊加道集方位角窄、避開強干擾區和三維啟動資金的過大的問題[11]。在數據處理方面可應用三維和非縱處理技術，提高資料信噪比、分辨率，以得到高品質的地震剖面來進行油氣儲層的預測[12,13]。

1.1 寬方位滾動非縱三維測線地震波共深度點時距曲線理論

寬方位滾動非縱三維采集也可以稱為稀疏三維采集，是以非縱采集作為基礎，其寬方位滾動非縱三維共深度點時距曲線與非縱測線共深度點時距曲線有相通之處[14]。

非縱觀測線的震源和檢波點不是同一直線，相距一定的位置。設存在水平地面為L，傾斜反射界面R，于O點激發，沿X軸的某點D（x，y，0）接收（圖1），建立三維坐標軸XYZ。根據反射定律，沿點O作垂線于反射界面R與點B，延長至點O*，使得AO=AO*，點O*為虛震源其坐標為（xc，yc，zc），傾斜界面反射點位點A。由平面幾何關系得：AO*=AD，即波的傳播路徑為OAD=O*D，得到對任意接收點點D（x，y，0）的時距曲線方程：

圖1 稀疏三維非縱測線傾斜界面反射波時距曲線Fig.1 The time distance curve of the reflected wave from the inclined interface of a wide azimuth rolling off-line 3D

式中，v—反射界面R以上介質中的速度。

其中，令法線深度AO=h0=AO*，非縱距為f，使y=f，帶入式子（1）中得到式子（2）：

若反射界面為水平界面時，xc=yc=0，帶入式子（2）中得到式子（3），為雙曲線型時距曲線：

在落實成本控制工作之前，需要確保整體風景園林工程施工質量和施工進度，并在此情況下，對風景園林成本加以科學把控，以此實現成本投放的最小化。

寬方位滾動非縱三維測線也遵循常規的共反射面元疊加原理，由于炮點和檢波點具有共線性，因此證明了共反射點是共中心點所一一對應的反射點的分布，再通過正常時差校正，時距曲線可變成t0處自激自收的直線，與實際反射界面的產狀大致相同。

1.2 寬方位滾動非縱三維采集目的

采用寬方位滾動非縱三維采集技術的目的是利用激發點與接收點建立非縱關系，在波場傳播的過程中衰減或避開強干擾區的噪聲干擾，增大觀測的方位角來更好的壓制面波、折射波以及噪聲的次生干擾[15]，圖2為寬方位滾動非縱觀測系統示意圖。如圖3為常規縱測線與寬方位滾動非縱三維測線的單炮記錄對比圖，可以觀察到圖3a中的常規縱測線地震記錄中存在用紅線框出來的強干擾區，其中存在多個面波以及次生干擾產生的噪聲。為了更為高效的采集到信噪比更佳的地震數據，采用圖3b的寬方位滾動非縱三維采集技術能有效的避開近炮點強干擾，減少強干擾區域的影響，且在常規縱測線相同的偏移距范圍內（黃色方框區域）采集到的地震記錄信噪比更高，各種噪聲干擾更少，反射界面同相軸的刻畫更為清晰。

圖2 兩炮兩線寬方位滾動非縱觀測系統Fig.2 Wide azimuth rolling off-line observation system with two guns and two lines

圖3 滾動非縱采集技術單炮記錄Fig.3 Single shot record with rolling off-line acquisition technique

2 寬方位滾動非縱三維觀測系統參數分析

通過對寬方位滾動非縱三維測線深度時距曲線的分析得知，當設計觀測系統時雖然是以非縱距的采集方式，但原則上依然可以考慮與常規縱測線相似的方法進行參數選擇，為滿足勘探的需要則考慮如下參數：

（1）道間距的選取需要滿足無空間混疊頻率的要求，不產生空間假頻來污染有效信號，運用到以下公式：

式中，Vint—地層層速度；fmax—受保護的反射波的最大頻率；θ—地層傾角。

（2）道間距的選取也需要滿足橫向分辨率的條件，分辨出相鄰地質體，以保留有效反射波的最大主頻率以及層速度，則運用到以下公式：

式中，Vint—地層層速度；fdom—反射層的主頻率。

其中最大炮檢距xmax的選擇會影響著動校正拉伸的效果以及對于速度精度的分析，影響著速度場的建立，進一步影響疊加剖面的成像品質。

（3）動校正的拉伸會降低波的頻率，因此需要適當的xmax，影響反射波頻率的主要公式為：

（4）隨著炮檢距的增大正常時差也相應增大，保證有足夠大的偏移距xmax的才能保證有高精度的速度分析資料，為方便分析，有如下公式：

式中，Δv—速度分析誤差；va—疊加速度；t0—雙程旅行時；f—動校正拉伸前反射波的頻率。

（5）寬方位滾動非縱三維觀測系統最大炮間距影響著許多因素，多次波的壓制、反射系數的穩定性等，選擇合適的最大炮間距也需要考慮非縱距的大小選取，非縱距的大小能有效避開近炮點處的干擾進而影響資料淺中層的信噪比。其中非縱最大炮間距與常規測線最大炮間距有如下關系：

（6）非縱距的大小決定著同一面元內的不同縱距和方位角在整個道集內動校正后的相同疊加，若工區內主要的反射界面多為水平界面，選取最大縱距時可以很大，但為了避開干擾區域干擾還需因地制宜的選擇[16]，具體數學公式為：

式中，Vav—平均速度；θ—地層傾角；t0—雙程旅行時；δt—非縱觀測誤差。

（7）覆蓋次數若為n，則對隨機干擾的壓制效果可提升n1/2倍。對于規則干擾波的壓制主要對象為多次反射波，依據一次波和多次波的時差進行壓制。由于寬方位滾動非縱三維采集的方位角在道集上近似于更寬方位角，其方位角比非縱采集的方位角更寬，對壓制各種無規則干擾和來自垂直測線方向的干擾效果要好于常規和非縱測線，因此覆蓋次數可適當降低，來保證高效經濟。

3 寬方位滾動非縱三維地震采集技術的應用

鄂爾多斯盆地北部為沙漠草原區，南部近一大半面積為黃土塬區，盆地總面積達25×104km2。工區位于盆地南部的姬塬巨厚黃土覆蓋區，近表層黃土干燥、疏松、且覆蓋厚度巨大，起伏的黃土山，天然形成的溝壑，地形復雜多變，制約了地震波能量的傳播，使得地震資料信噪比、分辨率都差強人意。

3.1 工區地震條件概況

通過模型正演模擬地震波在黃土塬中傳播，結合地震波的傳播規律可以觀察到折射波在淺層地層分界處滑行時，遇到傳播距離較近的非均勻地質體便產生新的子波源向四周傳播，激發而產生次生面波[17]（圖4a）。從實際采集的單炮記錄中看出（圖4b），黃土塬地區的噪聲主要的是面波、折射波，地震波能量的吸收衰減導致信噪比低、分辨率低，其中單炮記錄包含多個面波和多個折射波，嚴重污染了有效信號。

圖4 正演模擬單炮記錄與實際單炮記錄Fig.4 Forward simulation single shot record and actual single shot record

建立參數井得到參數圖表（圖5），隨著井深深度的增加，品質因子Q與速度曲線趨勢大致相同。在井深為0～20 m范圍內，其速度曲線緩慢上升，Q值波動范圍小，在此范圍內為黃土區的損耗特征，地震波高頻部分吸收衰減程度大，大地濾波效應強，相對低頻部分衰減程度小，不易發生播散。

圖5 參數井各數據圖Fig.5 Parameter well data diagram

3.2 寬方位滾動非縱三維觀測系統采集參數設計

給出工區層位TJ9與TT7的地層參數：

通過式子（1）（2）計算得到，縱向上不產生空間假頻的最大頻率的最大道距分別為42 m與48 m，空間采樣點滿足橫向分辨率的最大道距為38 m與44 m。綜合考慮工區黃土坡縱橫，干擾波發育，并參考以往的采集方案，選擇道距為25 m。

若考慮動校正拉伸畸變≤12.5%時，依照式子（6）計算得到最大炮檢距為2 750 m；當考慮速度精度誤差≤6%時，依照式子（7）計算得到最大炮檢距為2 510 m。工區黃土塬地區寬方位滾動非縱三維地震資料采集最終采用2線激發4線接收的組合方法，其觀測系統為：4812.5-37.5-25-37.5-4812.5。其中，炮線S1/接收線R1在同一條線上，炮線S2/接收線R2在同一條線上，R3、R4分別平行各測線，道距25 m，炮間距50 m，線距25 m，非縱距1 200 m，總接收道數為1 536道（圖7）。一次共產生了四條疊加剖面：

圖6 分頻掃描30-60Hz非縱單炮記錄Fig.6 Frequency division scanning 30-60Hz off-line single shot recording

圖7 寬方位滾動非縱三維觀測系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of a wide-azimuth rolling off-line 3D observation system

表1 工區地層參數表

（1）L1（S1-R1）采用常規直測線接收，覆蓋次數96次；

（2）L2（S1-R2）+（S1-R3）+（S2-R1）采用寬方位滾動非縱三維雙線激發雙線接收，192次常規縱測線加96次2×1 200 m非縱距的非縱疊加，共288次覆蓋；

（3）L3（S2-R2）+（S2-R3）+（S1-R4）采用雙線激發雙線接收，覆蓋次數為288次；

（4）L4（S2-R4）采用單線非縱接收方法，非縱距1 200 m，覆蓋次數為96次。

通過寬方位滾動非縱三維與非縱觀測系統的方位角分布圖進行對比分析（圖8），發現寬方位滾動非縱三維采集的方位角更寬，多方位的采集更有利于對噪聲的壓制和對多次波的衰減。

圖8 不同觀測系統方位角分布對比圖Fig.8 Comparison of azimuth distribution of different observation systems

3.3 寬方位滾動非縱三維采集技術應用

依照寬方位滾動非縱三維觀測系統采集到的四條疊加剖面對比分析（圖9），觀察到疊加剖面L1無論是淺層、中層還是深層的信噪比、分辨率都低于其他產生的疊加剖面；擁有與剖面L2同樣覆蓋次數的剖面L3比剖面L1與L4的成像品質更好，波組反射特征效果增強，但與L2比較方位角分布不足；地震剖面L2運用寬方位滾動非縱三維測線采集取得的效果明顯，紅框范圍內淺中深層的地層反射界面同相軸刻畫清晰，保真度較高，構造幅度較小的地質特征識別更為清晰，其中能識別出壓實構造（圖9b方框），寬方位滾動非縱三維采集技術更有利于地層沉積格局劃分，沉積物走向、物源方向的確認以及油氣儲層的找尋及預測。

圖9 寬方位滾動非縱三維采集地震疊加剖面圖對比Fig.9 Comparison of seismic stack profile of rolling off-line 3D acquisition in wide azimuth

4 結束語

隨著對復雜黃土塬地區地震采集的不斷探索，進一步提出經濟高效的寬方位滾動非縱三維采集技術，因地制宜的采用兩炮四線的觀測系統，依托基礎理論知識結合實際資料對其觀測系統各參數進行設計，在地震數據采集過程中有效避開了巨厚黃土層干擾區，獲取到較高信噪比、分辨率的地震資料，提升了地震剖面的成像品質，能簡單、清楚、有效地識別出地層起伏不大的地質構造特征，提高了中深層油氣儲層的預測能力。由于寬方位滾動非縱三維采集技術是基于非縱地震勘探改良而來，采集到的資料中存在的線性干擾存在非線性，在往后的具體處理之中還需要有針對性調整線性參數，盡可能使其變成線性化，來更好衰減干擾波，提高資料的信噪比及分辨率。