可控震源升降頻同步掃描高效采集技術(shù)及其應(yīng)用效果

盧光年，孫曉英，孫夢(mèng)，劉陽(yáng)

1.中國(guó)石油吐哈油田分公司 勘探事業(yè)部（新疆 哈密 839009）2.新疆職業(yè)大學(xué) 師范學(xué)院（新疆 烏魯木齊 830000）3.中國(guó)石油東方地球物理公司 吐哈物探處分公司（新疆 哈密 839009）

1 技術(shù)背景

2010—2019年吐哈油田共部署18塊三維地震勘探，滿覆蓋面積共3 478.31 km2，平均三維勘探面積約193.24 km2，炮道密度從20多萬道增長(zhǎng)到200萬道左右，準(zhǔn)東SHG三維更是達(dá)到479萬道（圖1）。

圖1 近年吐哈油田三維部署面積與炮道密度

三維勘探炮道密度的增長(zhǎng)促進(jìn)高效采集技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，吐哈探區(qū)可控震源采集技術(shù)可分為4個(gè)階段：

在第1階段（2010年），采用可控震源常規(guī)激發(fā)[1]，平均日效400炮。

在第2階段（2011年），采用可控震源交替掃描技術(shù)激發(fā)，將平均日效提高到1 150炮。

在第3階段（2012—2018年），采用可控震源滑動(dòng)掃描技術(shù)激發(fā)，平均日效達(dá)到2 600炮左右。

在第4階段（2019年），采用可控震源動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)激發(fā)[2]，平均日效達(dá)到4 000炮以上。

尤其是2019年準(zhǔn)東區(qū)塊SHG三維，借助可控震源動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)10組震源平均日效高達(dá)5 610炮，首次實(shí)現(xiàn)了小面元（12.5 m×12.5 m）、覆蓋密度達(dá)478.72萬次/km2三維地震采集，地震資料品質(zhì)改善明顯，取得了較好的地質(zhì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

然而根據(jù)T-D統(tǒng)計(jì)和克朗模擬分析（圖2），SHG三維日效主要來源于10 s滑動(dòng)掃描方式激發(fā)，實(shí)際激發(fā)最高日效6 749炮與克朗模擬滑動(dòng)掃描7 040炮非常接近，而克朗模擬同樣T-D參數(shù)10組震源動(dòng)態(tài)掃描日效為16 580炮，比實(shí)際平均生產(chǎn)效率高3倍。主要原因動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)是將交替掃描、滑動(dòng)掃描和距離分離同步掃描綜合在一起的技術(shù)，比滑動(dòng)掃描生產(chǎn)效率的提升，主要來源于距離分離同步掃描技術(shù)的使用[3]。距離分離同步掃描技術(shù)需要可控震源組空間距離大到其最深目的層反射相互不干擾[4]，一般要求大于2倍的最大炮檢距再加2 km，石樹溝三維按此計(jì)算要大于14.1 km，受三維部署面積和距離分離同步掃描技術(shù)的限制無法發(fā)揮動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。因此對(duì)于一次部署面積不大的高密度地震勘探，還亟待一種突破距離分離同步掃描技術(shù)限制的高效采集技術(shù)。

圖2 SHG三維部署圖與生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2 基本原理

可控震源升降頻同步掃描技術(shù)，是通過位于不同炮點(diǎn)兩組震源，采用不同的掃描方式：升頻或降頻掃描方式，其他掃描參數(shù)完全相同同步激發(fā)，接收排列為滿足每組震源接收的超級(jí)排列，記錄含有升頻和降頻地震信號(hào)的未相關(guān)地震數(shù)據(jù)，再通過對(duì)應(yīng)升頻或降頻掃描信號(hào)進(jìn)行相關(guān)實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)分離，進(jìn)行排列分割，形成各自炮點(diǎn)相關(guān)記錄的技術(shù)（圖3）。

圖3 升降頻同步掃描技術(shù)未相關(guān)記錄與分離后記錄

2.1 形成機(jī)制

在地震信號(hào)處理中，地震道是地震子波與地層反射系數(shù)序列的褶積。可控震源的記錄是地面振動(dòng)信號(hào)與掃描信號(hào)的相關(guān)分析對(duì)比[5]，因此當(dāng)?shù)叵碌貙訛閮蓪咏橘|(zhì)反射系數(shù)為1的簡(jiǎn)單模型時(shí)，掃描信號(hào)相關(guān)分析對(duì)比（圖4），可以看作是模擬反射地震道的分析。

圖4 不同掃描信號(hào)與相關(guān)前后分對(duì)比

采用升頻或是降頻的掃描方式（圖4中1、3行），振動(dòng)信和掃描信號(hào)一樣，其相關(guān)波形（自相關(guān)子波）是一致的，相關(guān)后時(shí)頻域一樣收斂為尖脈沖，這保證了同一個(gè)采集項(xiàng)目可以采用升頻、降頻兩種方式同時(shí)進(jìn)行采集，獲得相關(guān)后的記錄相一致。

可控震源升降頻同步激發(fā)時(shí)（圖4中2、4行），振動(dòng)信號(hào)是升、降頻掃描信號(hào)的混合疊加，然后分別用升、降頻掃描信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分離，相關(guān)子波中多了鄰炮干擾[6]，其振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相關(guān)子波主瓣振幅。相關(guān)后時(shí)頻域?qū)?yīng)掃描信號(hào)收斂為尖脈沖，另外混疊升、降信號(hào)成為線性的鄰炮干擾。除鄰炮干擾，同步激發(fā)分離后子波形態(tài)和頻寬與單獨(dú)采用升、降頻激發(fā)的一致，這保證了升降頻同步激發(fā)的可行性。

2.2 鄰炮干擾

從上述的模擬分析可知，升、降頻相關(guān)分離后存在鄰炮干擾，其振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相關(guān)子波主瓣振幅，在時(shí)頻域中為線性，斜率相反，大小相等，為掃描速率的一半，起止頻率與掃描信號(hào)一樣。實(shí)際相關(guān)后記錄長(zhǎng)度為聽時(shí)間長(zhǎng)度，留在相關(guān)后記錄的鄰炮干擾頻帶有限（圖5中第1行），頻帶范圍有以下計(jì)算關(guān)系。

圖5 鄰炮干擾信號(hào)模擬、升頻分離后記錄和升頻相記錄時(shí)頻譜對(duì)比

升頻分離后鄰炮干擾頻帶：

降頻分離后鄰炮干擾頻帶：

其中，F(xiàn)1為掃描最低頻率，F(xiàn)2為掃描最高頻率，Ts為掃描長(zhǎng)度，Tl為聽時(shí)間。

可控震源升降頻同步激發(fā)分離升頻相關(guān)記錄與同一炮點(diǎn)只采用升頻掃描的相關(guān)記錄（圖5中第2、3行），鄰炮干擾表現(xiàn)為近炮點(diǎn)的中高頻干擾，通過時(shí)頻域和頻率域分析對(duì)比，與信號(hào)模擬保留聽時(shí)間范圍內(nèi)的鄰炮干擾頻帶一致。

綜上所述鄰炮干擾具有：振幅弱、頻帶分布可知、時(shí)頻譜中線性分布的特征，可以通過開發(fā)針對(duì)性的模塊進(jìn)行處理，也可以通過高覆蓋增強(qiáng)反射信號(hào)能量來壓制[7]。

2.3 實(shí)現(xiàn)方式

2.3.1 二維實(shí)現(xiàn)方式

升降頻同步掃描技術(shù)可以分居兩個(gè)不同炮點(diǎn)的震源成一組，組內(nèi)兩個(gè)震源分別采用升、降頻兩種掃描方式，“一炮雙響”同步激發(fā)，組間采用滑動(dòng)掃描方式。共兩種組織方式:縱向組織方式和橫向組織方式（圖6），每組搬點(diǎn)距離都是40 m，滑動(dòng)時(shí)間10 s。從統(tǒng)計(jì)炮間隔時(shí)間來看橫向組合效率更快，達(dá)到每炮（一炮雙響）平均40 s，按每天作業(yè)20 h計(jì)算日效可達(dá)1 800炮，3 600個(gè)炮點(diǎn)較以往采集效率高1倍。

圖6 升降頻同步掃描技術(shù)不同組織方式與炮間隔統(tǒng)計(jì)

由于目前還沒有針對(duì)的導(dǎo)航軟件，采用兩組模式導(dǎo)航平板不能直接分組，需要儀器對(duì)其進(jìn)行分組，每組選一臺(tái)震源為主震源進(jìn)行源驅(qū)放炮。平行分組不能保證每組震源平板都落地更容易產(chǎn)生廢振次，縱向分組是選擇后面一臺(tái)震源進(jìn)行源驅(qū)放炮，可以有效避免費(fèi)振次的產(chǎn)生[8]，如果將來對(duì)導(dǎo)航軟件進(jìn)行升級(jí)就不會(huì)存在這種現(xiàn)象，目前來看縱向分組更符合生產(chǎn)需求。

2.3.2 三維實(shí)現(xiàn)方式

三維采集時(shí)，將炮點(diǎn)沿線束方向分成升頻和降頻掃描的兩個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊長(zhǎng)度最好大于最大炮檢距，這樣可以避免在分離記錄內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)鄰炮干擾，同一區(qū)塊內(nèi)震源采用滑動(dòng)掃描技術(shù)進(jìn)行采集[9]，不同區(qū)塊的震源采用升降頻同步掃描技術(shù)采集。

實(shí)際采集時(shí)同動(dòng)態(tài)掃描一樣按距離進(jìn)行控制：兩組震源距離大于或等于一個(gè)區(qū)塊長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行同步激發(fā)；小于一個(gè)區(qū)塊長(zhǎng)度時(shí)采用滑動(dòng)掃描，這樣就可以用升降頻同步掃描技術(shù)替代以往動(dòng)態(tài)掃描中的距離分離同步掃描，形成新動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)。由于其大大縮減了距離分離同步掃描中震源的空間距離，更適合有限部署面積三維地震勘探，從而大幅提高生產(chǎn)效率[10]。

3 應(yīng)用實(shí)例

自2019年初詹士凡首席專家提出思路，吐哈物探處經(jīng)過室內(nèi)模擬和點(diǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了可控震源升降頻同步掃描技術(shù)的可行性，并依托吐哈盆地LB高精度三維項(xiàng)目，進(jìn)行了無滑動(dòng)時(shí)間限制的升降頻混采段試驗(yàn)，依托準(zhǔn)東SHG二維項(xiàng)目進(jìn)行“一炮雙響”方式升降頻同步激發(fā)段試驗(yàn)，優(yōu)化了實(shí)施組織方式和驗(yàn)證剖面疊加效果（圖7）。

圖7 準(zhǔn)東SHG二維試驗(yàn)剖面對(duì)比

通過前期試驗(yàn)2020年得到吐哈油田勘探公司認(rèn)可，4月在吐哈盆地TB-SQD二維項(xiàng)目TD2020-XX測(cè)線進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用（圖8），順利實(shí)現(xiàn)了縱向組合“一炮雙響”升降頻同步激發(fā)加組間滑動(dòng)掃描方式。

圖8 吐哈TB-SQD剖面對(duì)比

TD2020-XX測(cè)線采用升降頻同步激發(fā)技術(shù)，增加炮點(diǎn)密度距，炮點(diǎn)距由40 m變?yōu)?0 m，覆蓋次數(shù)提高一倍達(dá)到3 000次。去除加油、繞路等時(shí)間，有效采集時(shí)效63炮/h（一炮雙響），126個(gè)炮點(diǎn)，相對(duì)其他測(cè)線40 m的炮點(diǎn)距，在增加炮點(diǎn)密度的情況下，采集效率基本一致。并且通過增加覆蓋次數(shù)現(xiàn)場(chǎng)處理剖面比以往三維資料，現(xiàn)場(chǎng)處理剖面淺層和深層資料都有提高，保障經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)了資料的地質(zhì)效果。

4 結(jié)論

通過研究和應(yīng)用表明，可控震源升降頻同步掃描技術(shù)進(jìn)一步提高了可控震源滑動(dòng)掃描采集效率，并擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)掃描的應(yīng)用范圍。與其他同步掃描技術(shù)相比,升降頻同步掃描技術(shù)具有以下三方面的特點(diǎn)：

1）首次利用升降頻不同掃描方式實(shí)現(xiàn)同步激發(fā)，具有不受震源空間距離限制、數(shù)據(jù)分離簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

2）可以利用現(xiàn)有的“一炮雙響”模式升級(jí)二維地震項(xiàng)目滑動(dòng)掃描采集技術(shù)，替代距離分割同步掃描技術(shù)升級(jí)三維動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，儀器放炮模式、作業(yè)模式無需太多改變，便于實(shí)施。

3）升降頻同步激發(fā)產(chǎn)生的鄰炮干擾，規(guī)律性強(qiáng)易針對(duì)性處理，衰減快影響范圍小易避讓。

下一步，將適機(jī)開展三維高密度項(xiàng)目中升降頻同步掃描技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步完善優(yōu)化三維實(shí)施方法。