南疆沙漠區(qū)超深層高密度地震采集方法

徐雷良,宋智強(qiáng)

(1.中國石化地球物理公司科技研發(fā)中心，江蘇南京 210005； 2.中國石化地球物理公司勝利分公司，山東東營 257100)

1 勘探現(xiàn)狀及需求

南疆沙漠SHB地區(qū)奧陶系油氣藏是多層系復(fù)合型油氣田，埋藏深度一般超過7000 m。據(jù)中國對超深層的定義，該目標(biāo)屬典型的超深層地質(zhì)目標(biāo)。從目前已探明的多個(gè)油氣富集區(qū)來看，大多是沿大型斷裂帶分布，斷裂帶控藏特征非常明顯。以往高精度地震資料已不能滿足油藏進(jìn)一步開發(fā)需求。經(jīng)過梳理分析，目前該區(qū)地震勘探主要存在以下問題：①地表為巨厚沙漠覆蓋且沙丘起伏大，沙漠對地震波吸收衰減嚴(yán)重，且耦合較差； ②奧陶系目的層埋藏深(大于7000 m)，走滑斷裂近垂直、斷距小，水平位移小，地震資料分辨難度大； ③地震資料主頻(18～20 Hz)低、信噪比較低，斷溶體內(nèi)幕分辨能力有限，解釋結(jié)果存在多解性； ④采用目前地震資料指導(dǎo)鉆井軌跡，從造成的鉆井失利情況分析，放空漏失井均處于斷裂帶上，因此地震資料成像精度不能準(zhǔn)確指導(dǎo)鉆井軌跡[1-2]。

地震資料分辨率較低，與波場采集方法有直接關(guān)系[3-4]。以往采用的地震采集技術(shù)由于受到當(dāng)時(shí)裝備及理論限制，采集參數(shù)更注重深層能量，包括深井大藥量(高速層頂界面下7 m，36 kg)、三串大組合(3串品字形，組合基距14 m×14 m)、較大面元(25 m×25 m)、大接收線距炮/線距(300 m)。為了探尋適用于超深小目標(biāo)成像的采集方法，首先從理論上進(jìn)行了分析。依據(jù)該區(qū)主干斷裂及次級斷裂構(gòu)造模式及斷裂、孔洞大小分布特征，建立該區(qū)典型地質(zhì)模型(圖1)，模擬從理論上分析滿足小尺度目標(biāo)分辨率需求的采集參數(shù)。

圖1 構(gòu)建SHB地區(qū)的地質(zhì)模型

1.1 不同頻率模擬分析

針對該地質(zhì)模型首先進(jìn)行不同頻率模擬(圖2)，模擬頻率的范圍是30～50 Hz。

從圖2分析，隨著頻率的逐步提升，走滑斷裂逐步清晰。30 Hz對走滑斷裂系統(tǒng)刻畫較差，無法精細(xì)刻畫內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅僅是模糊的輪廓刻畫。35～40 Hz走滑斷裂清晰度提高，基本能夠準(zhǔn)確描述內(nèi)部、斷裂邊界。因此，要滿足走滑斷裂成像需求，頻率至少需達(dá)35～40 Hz。

圖2 不同頻率模擬分析—走滑斷裂

1.2 不同噪聲背景分析

該區(qū)地表沙丘起伏大，次生干擾嚴(yán)重影響了超深目的層弱反射的信噪比，對于小尺度目標(biāo)識別具有較大影響[5-7]。對原始模擬單炮記錄添加不同數(shù)量的噪聲，并對這些不同信噪比單炮記錄進(jìn)行偏移成像，分析噪聲對斷溶體成像的影響。通過分析認(rèn)為，經(jīng)過偏移疊加雖然壓制了一部分噪聲，但剖面中殘留噪聲仍對斷溶體識別影響較大，剖面中出現(xiàn)一些孔洞假象，無法準(zhǔn)確判斷真正孔洞、斷裂位置(圖3)。理論分析認(rèn)為，目的層信噪比達(dá)5.6以上才能有效分辨走滑斷裂。因此噪聲是影響斷溶體分辨的關(guān)鍵因素之一，針對該區(qū)沙漠地表噪聲需進(jìn)行深入研究。

圖3 不同噪聲比例單炮成像效果

通過以上分析，本文認(rèn)為提高南疆超深層小尺度目標(biāo)識別精度有兩方面關(guān)鍵因素：①頻率——分辨主干斷裂內(nèi)部及次級斷裂，拓寬頻帶是關(guān)鍵，主頻盡量達(dá)到35～40 Hz，這對野外實(shí)施難度較大，所以要求在激發(fā)/接收環(huán)節(jié)盡量拓寬頻帶，并準(zhǔn)確求取近地表吸收衰減因子，用于拓寬頻帶； ②信噪比——超深目的層信噪比是影響斷溶體識別的關(guān)鍵因素，需要針對噪聲傳播規(guī)律進(jìn)行研究并采用相應(yīng)的壓制技術(shù)，以達(dá)到提高目的層信噪比的目的。

2 觀測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)研究

東部老區(qū)采用單點(diǎn)+高密度的采集方式獲得了較好的地震成像效果，單點(diǎn)與高密度兩者缺一不可。單點(diǎn)有效拓寬了頻帶，確保了波場保真，但由于信噪比較低，必須由高密度觀測系統(tǒng)進(jìn)行信噪比方面的彌補(bǔ)。本地區(qū)也采用相同的思路，通過以上分析已經(jīng)確定了采用兩串小組合，但是單炮信噪比方面不足，必須要有高密度的觀測系統(tǒng)進(jìn)行匹配采集。通過詳細(xì)分析，確定了覆蓋次數(shù)、面元、橫縱比等關(guān)鍵觀測系統(tǒng)參數(shù)。

2.1 覆蓋次數(shù)分析

采用兩串昌字形進(jìn)行波場采集，對資料進(jìn)行不同覆蓋次數(shù)的疊前深度偏移(圖4)，隨覆蓋次數(shù)提升斷溶體逐步清晰，但在396次以上斷裂成像分辨率提升不太明顯； 再通過定量分析(圖5)得知396次是覆蓋次數(shù)—信噪比趨勢的拐點(diǎn)，因此從經(jīng)濟(jì)性角度分析，對兩串組合圖形相匹配的覆蓋次數(shù)是396。

圖4 不同覆蓋次數(shù)的疊前深度偏移

圖5 不同覆蓋次數(shù)信噪比定量分析

2.2 面元分析

面元大小的選擇對于分辨斷溶體至關(guān)重要，受目的層埋深、頻率、速度和資料品質(zhì)的影響，并不是面元越小分辨率越高，面元太小不但不會(huì)提升分辨率，反而造成大量的采集成本壓力。錢榮鈞教授提出橫向分辨率為偏移后第一菲涅耳半徑，所以面元的選擇不大于該大小合適，這是理論極限，必須通過實(shí)際資料進(jìn)行分析論證。

采用兩串昌字形組合接收，396次覆蓋次數(shù)條件下，對不同面元疊前深度偏移效果進(jìn)行了對比分析(圖6、圖7)，對比了四種面元的效果。

圖6 四種面元的疊前深度偏移

圖7 四種面元疊前深度偏移的時(shí)間切片

從不同面元的疊前深度偏移的剖面效果和切片效果分析，四種面元對于刻畫斷溶體并無明顯差異，且面元尺寸對勘探投入影響較大，從不同面元對成像效果及成本性價(jià)比考慮，認(rèn)為采用25.0 m×25.0 m面元采集較為合理。

2.3 橫縱比分析

目前高密度采集需要寬方位采集，一般要求橫縱比大于0.6，寬方位意味著更大的接收線數(shù)，且橫向覆蓋次數(shù)提高。但太寬的方位是否有效？是否會(huì)增大采集成本？本文通過實(shí)際資料處理分析，獲得適用于南疆沙漠超深層的橫縱比。

圖8是不同橫縱比的疊前深度偏移剖面。從分析結(jié)果來看，隨著橫縱比逐漸增大，斷溶體清晰度逐步提高，受實(shí)際采集三維觀測限制，只能分析到橫縱比0.72。從資料效果分析，橫縱比為0.6～0.7，斷溶體成像效果依然在改善，因此最終選擇橫縱比0.7以上較合適。

3 基于分辨需求的激發(fā)接收技術(shù)

3.1 激發(fā)技術(shù)

本區(qū)以往地震采集中，由于更注重超深層反射能量，所以大多采用大井深、大藥量、大組合，雖然提高了深層反射能量和信噪比，但對高頻成分的獲取不利，所以本次采集兼顧頻帶、信噪比(適中井深、藥量、小組合圖形)，盡量保護(hù)頻帶。

理論分析認(rèn)為，受虛反射界面的影響，井深增大低頻能量提高，井深減小(距離高速層頂界面更近)高頻能量提高[8]。而提高低頻將有利于提高信噪比，提高高頻將有利于提高分辨率，因此對于超深層小尺度目標(biāo)的成像需求，高頻和低頻都需要兼顧，這就需要折中的激發(fā)因素，既能滿足一定信噪比，又能提高分辨率。因此，研究了尋找激發(fā)頻率和信噪比平衡點(diǎn)的激發(fā)因素選擇方法，圖9中兩條線的交點(diǎn)就是該平衡點(diǎn)。

圖9 井深對高頻和低頻的影響規(guī)律示意圖

圖10是不同井深資料的分頻掃描結(jié)果，其中“+”代表高速層頂界面以下的深度。圖10a為較低頻(20～40 Hz)部分的分頻掃描，可見隨著井深的增大，低頻能量、信噪比逐步提高，對于低頻部分，井深至少大于等于高速層頂界面下5 m； 圖10b為較高頻(40～80 Hz)部分的分頻掃描，隨著井深變淺，高頻能量、信噪比逐步提高。對于高頻成分的獲得，井深要至少小于等于高速層頂界面下5 m。因此，對于高頻和低頻的共同獲得，選擇高速層頂界面下5 m是平衡點(diǎn)，是最佳選擇。可見選擇+5 m比以往選擇的+7 m高頻更豐富，更有利于提高斷溶體分辨率。

圖10 不同頻率(段)掃描效果

3.2 接收技術(shù)

東部地區(qū)的高密度地震采集一般采用單點(diǎn)接收，可以有效確保波場保真度及保護(hù)高頻成分。由于東部地區(qū)目的層較淺，埋深一般為3000～4000 m，而且資料信噪比高，單點(diǎn)接收較為合適，但南疆沙漠區(qū)目的層埋深超過7000 m，且資料信噪比低，采用單點(diǎn)接收是否合適，以及到底采用什么樣的接收方式更合適，需要詳細(xì)分析。

首先從理論分析不同接收方式對目的層(7000 m)反射波頻率的壓制效果，圖11所示，藍(lán)色為點(diǎn)接收，紅色為小組合接收(橫向組合基距為10 m，縱向組合基距為6 m，組合面積為60 m2)。按本區(qū)目的層埋深為7000 m，層速度為4859 m/s計(jì)算，地震波從目的層傳播到地表，在地表60 m2范圍內(nèi)時(shí)差較小，對低頻影響較小，但對高頻成分具有一定的壓制作用。從圖中可見對50 Hz以下影響較小，對50 Hz以上有一定影響。

圖11 單點(diǎn)與小組合對不同頻率的影響

圖12是單點(diǎn)、一、二、三串接收資料的頻譜分析，從圖中可看出兩串與單點(diǎn)的頻譜在50 Hz以下基本相同，三串頻帶最窄。因此，單點(diǎn)對超深層的頻帶并不占優(yōu)勢。

圖12 不同接收資料效果

圖13是不同接收方式的單炮資料，受篇幅影響，這里只展示了單點(diǎn)、兩串昌字形、三串品字形三種不同接收方式的資料效果，其中兩串昌字形組合的面積是60 m2，三串品字形組合的面積是196 m2。可以看到單點(diǎn)方式的信噪比太低，不適合該地區(qū)。兩串昌字形信噪比雖然比三串品字形低，但信噪比也較高，且兩串昌字形與單點(diǎn)的頻帶范圍基本相同。因此，從接收的角度分析，既要保證信噪比，又要確保分辨率，則兩串組合接收方式是最合適的選擇； 并且從疊前成像的角度分析，通過320次的高覆蓋疊前偏移(圖14)，兩串方式的信噪比并不比三串的低，而且還最大程度地保留了高頻成分。

圖13 不同接收條件資料效果

圖14 不同接收資料的疊前偏移效果

4 基于近地表的拓頻技術(shù)

沙漠地表介質(zhì)疏松，對高頻成分具有強(qiáng)烈的吸收衰減作用，為減弱這種作用，筆者研究了基于近地表的吸收衰減補(bǔ)償技術(shù)，補(bǔ)償高頻成分，對于提高超深層的斷溶體分辨率具有重要意義[9-11]。在整個(gè)工區(qū)部署了圖15所示的近地表吸收衰減調(diào)查觀測系統(tǒng)。該觀測方式特點(diǎn)是5發(fā)雷管激發(fā)(S1～Sn+2)，間隔相同，在高速層下激發(fā)兩炮，不同埋深檢波器和地表同時(shí)接收，其中不同井深檢波器(R3～R7)與R1、R2距離井口平面距離為5 m(圖15b)，根據(jù)近地表厚度平均布設(shè)4個(gè)檢波器R4～R7接收，激發(fā)點(diǎn)按照0.5～5 m深度范圍以0.5 m間隔分布，深度5～10 m范圍內(nèi)以1 m間隔分布，深度10 m以下以2 m間隔分布，其中Sn位于高速層頂界面上，Sn+1和Sn+2位于高速層頂界面之下。

圖15 近地表吸收衰減調(diào)查觀測系統(tǒng)平面(a)和剖面(b)示意圖

通過對不同埋深資料(圖16)分析，振幅及頻率衰減特征明顯，最終選擇S1激發(fā)，R1(地表)和R7(高速層頂界面)接收資料，利用頻譜比法求取補(bǔ)償因子(圖17)。

圖16 不同接收埋深資料

圖17 求取的補(bǔ)償因子

從補(bǔ)償前、后剖面及頻譜效果可看出，補(bǔ)償后剖面分辨率得到顯著提升(圖18b)，超深層走滑斷裂內(nèi)幕分辨率明顯得到提高，斷點(diǎn)更清晰干脆，層間信息更豐富，補(bǔ)償后頻帶有效拓寬約12 Hz(圖18c)，表明所求取的近地表補(bǔ)償因子的正確性。

圖18 補(bǔ)償前(a)、后(b)剖面及頻譜(c)的對比

5 主要噪聲規(guī)律分析及壓制方法

南疆沙漠地區(qū)沙丘起伏較大，非均質(zhì)性強(qiáng)，次生干擾嚴(yán)重，主要噪聲類型是沙丘鳴震，對深層弱反射的影響較大，嚴(yán)重影響了目的層信噪比[12]。圖19是典型沙丘鳴震干擾在單炮中的表現(xiàn)，從圖中可以看到，在初至波反方向位置有一個(gè)反向“碗狀”的波組(圖中紅色箭頭)，而向下延續(xù)時(shí)間長，嚴(yán)重影響了深層弱反射信息，該波組與地表高大沙丘位置具有對應(yīng)關(guān)系，可以看出是由于地震波在高大沙丘位置反復(fù)振蕩產(chǎn)生，能量較強(qiáng)。

圖19 沙丘鳴震在單炮中的表現(xiàn)

該噪聲對資料的影響較大，它在炮點(diǎn)道集并沒有波場規(guī)律，只與地表有對應(yīng)關(guān)系，呈現(xiàn)強(qiáng)能量條帶狀，難以壓制。但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)沙丘鳴震在檢波點(diǎn)道集具有波場規(guī)律，呈線性特征。利用該特性，在共檢波點(diǎn)道集對其進(jìn)行壓制，收到良好效果。

進(jìn)一步嘗試基于鄰道相關(guān)性的沙丘鳴震壓制方法，再抽回炮點(diǎn)域進(jìn)行壓噪處理(圖20)。可見沙丘鳴震噪聲壓制明顯，奧陶系反射同相軸在單炮記錄上清晰可辨，信噪比提升明顯，對于后期針對目的層的處理意義較大。圖21是沙丘鳴震壓制前、后剖面，兩個(gè)剖面在處理流程中除了沙丘鳴震壓制方面存在差異，其他參數(shù)流程都相同。可見沙丘鳴震壓制后深層信噪比顯著提高。

圖20 沙丘鳴震壓制前(a)、后(b)的單炮記錄

圖21 沙丘鳴震壓制前(a)、后(b)剖面

6 應(yīng)用效果分析

通過以上分析，在南疆沙漠地區(qū)獲得了針對超深層斷溶體的小組合+高密度地震采集的關(guān)鍵采集參數(shù)，使用這些技術(shù)在南疆沙漠地區(qū)取得較好的應(yīng)用效果，新剖面刻畫的走滑斷裂更清晰，奧陶系斷溶體更明顯，對于該區(qū)后續(xù)的油氣開發(fā)具有重要意義(圖22b)。

圖22 新(a)、老(b)剖面對比

7 結(jié)論與認(rèn)識

(1)南疆沙漠超深層地質(zhì)目標(biāo)的勘探需求是分辨尺度較小的斷溶體，對地震資料的信噪比和分辨率提出了較高要求，需在確保一定信噪比的前提下，盡量拓寬頻帶，而以往的方法更注重的是信噪比，對分辨率影響較大。通過實(shí)際資料分析，受到奧陶系埋藏深及資料信噪比低的特征影響，針對南疆超深目的層的高密度采集更適合小組合+高密度的形式，單點(diǎn)接收在該地區(qū)不合適；

(2)在目前的采集資料品質(zhì)條件下，南疆沙漠SHB地區(qū)采用25 m×25 m面元、約400次覆蓋，330萬/km2炮道密度、橫縱比0.7的觀測系統(tǒng)較合適；

(3)采用兩串小組合、適中的井深藥量對拓寬高頻有效；

(4)采用本文研究的近地表Q值調(diào)查方法和沙丘鳴震噪聲壓制方法對地震資料的品質(zhì)提高具有明顯作用。