地震數據采集現場實時輸出附地質層位單炮記錄的智能方法

胡 峰 窩聿楷 梁順軍* 陳江力 張曉斌 敬龍江

(①東方地球物理公司西南物探分公司，四川成都 610213； ②西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500)

0 引言

在地震勘探數據采集現場，技術人員通常采用“相面法”分析、評價單炮記錄質量[1]，但對反射同相軸對應的地質層位并不明確，因此對單炮記錄中各層位的反射能量和信噪比的分析缺少針對性。諸多相關文獻[2-10]在分析和評價實際單炮記錄質量及反射特征時，因單炮記錄未做地質層位標定，其分析的目的性不強。目前中國國內大多數油氣田開發進入中晚期，對地震數據采集質量和所能達到的勘探精度提出更高要求，尤其對目的層地震資料品質提出更高要求。因此，在單炮記錄上標定地質層位，對地震數據現場采集具有實際意義，而且也可解決室內數據處理人員的迫切需求。

通過VSP、合成記錄對地震剖面進行層位標定，是常規地震資料解釋的重要環節，且已有相應的成熟方法和技術標準。但對單炮記錄進行地質層位標定，尚鮮見相關文獻，目前基本處于空白階段。在單炮記錄上標定層位，從地震勘探原理和方法看是可行的。但采用人工標定單炮記錄方法通常是在室內進行，且時效低，不能及時有效地應用于地震采集現場，因此不能對實時采集的單炮記錄目標反射層位品質做出合理的評價。進入21世紀后，石油物探技術逐漸走向自動化、智能化數據采集、處理和解釋時代[11-12]。在地震數據采集中，采用地震單炮記錄地質層位智能快速標定方法與技術，利用計算機大數據運算、處理能力，能實時自動標定單炮記錄地質層位，有助于從地質認識角度，結合信噪比、分辨率及能量，監控單炮記錄質量，從而實現高質、高效的地震數據采集。近年來，該方法在四川盆地多個區域地震數據采集中，取得了良好的效果[13]。

1 單炮地質層位標定原理

1.1 水平疊加時間剖面與單炮記錄反射層位關系

依據地震勘探原理，水平疊加時間剖面(簡稱疊加剖面)上任意CMP點記錄時間和單炮記錄極小點時間(激發點時間)都是“自激自收”時間，因此可采用疊加剖面的層位標定單炮記錄層位[14]。對于水平層狀界面(均勻介質)，單炮記錄反射同相軸為雙曲線，其極小點與激發點位置基本重合； 對于傾斜或彎曲界面(非均勻介質)，單炮記錄反射同相軸可能為非雙曲線，其極小點可能向界面上傾方向偏離一定距離，單炮記錄反射同相軸極小點與激發點位置不重合。利用VSP、聲波合成記錄和鉆井資料，標定偏移時間剖面地質層位，進而可確定疊加剖面地質層位。將疊加剖面地形線作為單炮記錄計時零線(圖1)，確定單炮記錄極小點在疊加剖面上的位置，要求疊加剖面與單炮記錄的時間縱向比例一致，然后將解釋層位投影到單炮記錄上，從而實現單炮記錄層位標定。為了突出效果，圖1只標定了強反射標志層。對于弱反射層或非標志反射層，只要VSP、聲波合成記錄能確定其對應地質層位，疊加剖面與單炮記錄層位也是一一對應的，因此單炮記錄也可標定弱反射或非標志反射層的地質層位。

圖1 利用(川東DCG構造)疊加剖面(b)標定單炮記錄(a、c)

1.2 偏移時間剖面與疊加時間剖面的層位關系

從理論及方法上看，疊加剖面標定單炮記錄層位比偏移時間剖面精度高。但一般地震資料解釋，都是在偏移時間剖面上標定層位，對比追蹤反射同相軸[15]，確定構造解釋方案，進而完成儲層和裂縫預測。因此， 難以廣泛、方便地應用疊加剖面標定單炮記錄層位。但在一定誤差范圍內，用偏移時間剖面標定單炮記錄層位更方便、快捷。應用偏移時間剖面和疊加剖面標定單炮記錄，需厘清時間剖面T0時間與t0時間及其時差Δt、T0圖與t0圖以及埋時T0u圖與埋時t0u圖等基本概念。

1.2.1T0與t0時間

T0是指偏移時間剖面中，水平接收面鉛垂向下反射界面的雙程旅行時間；t0是指疊加剖面中，反射界面自激自收的雙程旅行時間。

若地下界面是水平的，偏移時間剖面T0時間等于疊加剖面t0時間，此時疊加剖面能直觀地反映地下構造形態(圖2a)。當界面傾斜時，疊加剖面反射層與地下真實構造形態和空間位置并非完全一致(圖2b)，疊加剖面上的反射同相軸R′偏離界面的真實位置R。疊加剖面總是把記錄道顯示在共中心點的鉛垂方向上，即共反射點位置偏離了共中心點下方的鉛垂線，偏移時間剖面T0時間大于疊加剖面t0時間。

圖2 水平界面(a)和傾斜界面(b)情形下T0時間與t0時間示意圖

1.2.2 用偏移時間剖面標定單炮記錄誤差分析

由于界面傾斜，同一CMP點的T0時間與t0時間兩者之間存在時差Δt(圖3)，Δt與界面真傾角θm(θ為界面視傾角)之間存在關系

(1)

顯然，Δt隨地層傾角、埋深增大而增大(圖4)。當地層傾角為0°時，Δt=0。故在允許的誤差內，可用T0代替t0，即采用已有的偏移時間剖面反射層位和T0時間，方便地標定單炮記錄層位。

常規地震勘探縱向分辨率為Δt=T/4(T為視周期)，因此層位標定的誤差可定為T/4，在有井約束條件下可達到T/8。室內資料解釋層位標定要求具有很高的精度，誤差范圍是T/8～T/4。對于現場單炮記錄層位標定，不同于室內資料解釋，只需知道主要目的層位相對位置和時間即可，可適度降低層位標定精度，其誤差范圍可擴大到T/2～T。設常規地震剖面反射同相軸周期T=30ms，則室內地震剖面層位標定誤差為3.75～7.50ms，單炮記錄層位標定誤差為15～30ms。

圖3 T0與t0時間關系示意圖

圖4 不同t0下Δt隨地層傾角變化

中國石油集團東方地球物理公司西南物探分公司在四川盆地地震數據采集中，基于地震勘探縱向分辨率，以單炮記錄層位標定誤差15～30ms為依據，用T0代替t0標定單炮記錄層位，并設定以下參考標準：

(1)當界面平緩(0°≤θm≤10°)時，用T0值標定單炮記錄層位的誤差較小，可用T0值代替t0值標定單炮記錄層位；

(2)當界面較陡傾(θm>10°)時，用T0值標定單炮記錄層位的誤差較大，而應選用t0值標定單炮記錄層位。

若要消除傾斜(θm)界面T0時間標定層位誤差，用下式求取校正后t0值，即可精確標定地質層位

t0=T0cosθm

(2)

1.2.3 時間剖面T0、t0圖與埋時T0u、埋時t0u圖

地震資料解釋中，為表征時間域構造形態，通常采用固定面作為計時零線，將以偏移時間剖面繪制的構造圖稱為T0圖，以疊加剖面繪制的構造圖稱為t0圖。

圖5 固定面(a)和地形線(b)兩種作圖方法(位置見圖6a)

圖6 兩種基準面作圖方法的S1l界面形態(蜀南CN地區)(a)地貌； (b)T0圖； (c)埋時T0u圖

據1.1節所述，若用偏移時間剖面標定地震單炮記錄層位，也需采用地形線到某一層反射界面時間值，因此需將地形線作為計時零線，拾取偏移時間剖面時間值，稱為埋時T0u值(圖5b)，對應的反射界面平面圖稱為埋時T0u圖(圖6c)；用疊加剖面作圖稱為埋時t0u圖。當地面水平時，T0圖和埋時T0u圖的平面構造形態相同。

2 單炮地質層位智能標定方法

人工標定單炮記錄方法因速度慢、效率低，不能及時高效地應用于地震數據采集現場。因此，需探尋快速、有效的單炮記錄層位標定方法，即每放一炮，儀器就輸出帶有地質層位的單炮記錄。通過采用地震單炮記錄地質層位智能標定方法和流程(圖7)，可達到此目的。

2.1 建立四維地震數據體

解釋工區以往的偏移時間剖面，用VSP或聲波合成記錄標定目的層的地質層位，對比追蹤反射同向軸，以地形線作為計時零線，固定面與地形線之間速度為靜校正充填速度4000m/s(四川盆地)，從而編繪目的層的埋時T0u圖。

將實測炮點坐標(x，y，z)投影到目的層埋時T0u圖，以(x，y，z，T0u)格式將工區地形、炮點、地層代號與T0u值融合，構建工區單炮記錄層位標定(地形、炮點、地質層位與埋時T0u圖)四維地震數據體，輸入到“地震單炮記錄地質層位智能標定模塊(SIGR)”中。

圖7 人工智能快速單炮記錄層位標定流程

2.2 實時標定單炮記錄地質層位

2.2.1 二維單炮記錄層位標定

在二維地震數據采集施工(圖8a)中，依據觀測系統有序放炮，獲得單炮記錄(圖8b)； 應用SIGR模塊，地震儀器自動確定炮點坐標(x，y，z)，自動讀取當前監控炮點道頭坐標、各反射層T0u時間和對應的地質層位(圖8c)，進而標定并輸出相應的單炮記錄地質層位(圖8d)。在二維勘探中，放一炮對應一個排列接收，輸出一張單炮記錄。

圖8 地震數據采集智能標定單炮層位示意圖(二維)(a)實時采集； (b)單炮記錄； (c)自動層位標定； (d)有層位單炮記錄

2.2.2 三維單炮記錄層位標定

在三維地震勘探中，采用一點激發多線接收(圖9a)方式，輸出多張單炮記錄。沿著炮線，Ln接收線上的單炮記錄極小點(各接收線離炮點最近距離)的連線(或包絡線)仍具有雙曲線性質的時距曲線，可稱為大時距雙曲線(h為共中心點垂直深度)

(3)

同炮不同排列的單炮反射波時距曲線，可稱為小時距雙曲線(圖9b、圖10)。利用這一特點，在三維單炮記錄標定中，將地震反射層位標注到最近接收線(過炮點排列L0，相當于二維觀測系統)單炮記錄極小點處，如要標定遠接收排列Ln的單炮記錄地質層位，則需利用動校正公式

圖9 三維連續單炮記錄時距曲線示意圖(a)觀測系統； (b)連續單炮記錄

圖10 實際三維連續單炮記錄時距曲線(蜀南NC向斜)

(4)

圖11 三維連續單炮層位標定示意圖

將近炮T0u時間作相應延遲Δtn(圖11)，即是將地質層位代號沿大時距雙曲線進行時移Δtn，便得到三維各排列的單炮層位標定記錄。式(4)中根號內第三項正負號的選擇：規定界面的上傾方向與排列接收方向一致時，取負值； 反之取正值。

3 應用及效果

利用單炮層位智能標定模塊，在儀器車上即可實現監控有地質層位的單炮記錄質量。以蜀南CN三維地震施工為例(圖12)，單炮記錄上已標定層位的反射層信噪比高，能量強，同相軸連續，獲得了上三疊統須家河組(T3x)—志留系龍馬溪組(S1l)的淺、中、深層地震反射資料，反映了工區單炮地震資料品質良好，達到了施工設計的質量要求，完成了針對龍馬溪組頁巖層地震數據采集任務，為后續地震資料處理、解釋及提交可靠的地震成果打下了良好的基礎。

圖12 蜀南CN地區三維地震單炮記錄層位標定(a)三維單炮記錄； (b)埋時T0u圖

4 結論與認識

(1)采用地震單炮記錄地質層位實時智能標定方法，能實時監控單炮記錄目標反射層品質，從采集處理解釋一體化角度出發，科學合理地評價單炮記錄質量，從而確保高質量完成數據采集。

(2)該方法是基于埋時T0u圖時間值，對單炮記錄做地質層位標定，無論工區資料信噪比高或低，同相軸強、弱或是否連續，都可進行層位標定。

(3)在單炮記錄上標定地質層位，有助于處理人員針對勘探目標開展精細疊前處理，提高剖面成像精度，滿足油田精細勘探開發的需求。