二維彎線采集中測線優化設計方案與實現

劉軍勝

(中石化 石油工程地球物理有限公司,北京 100000)

0 引言

在復雜地形區域二維地震資料采集中(如在山地、黃土塬、水網、城鎮等區域),為了克服各種障礙物的影響,炮檢點變觀設計、折線施工、非縱觀測、彎線采集等方法得到廣泛地應用[1-2]。相較于其他三種方法,彎線采集是最“友好”的施工方式。國內學者自上世紀70年代開始至今[3],對彎線施工的采集方法、資料處理、解釋方法做了大量地研究。陸上石油地震勘探資料采集技術規程中明確了二維地震采用折線或彎線施工時,測線拐角和邊長應根據CMP離散度確定,一般測線轉折方位角采用8°、16°、30°的遞進方式,轉折點為激發點或接收點,嚴重彎曲的地段應增加覆蓋次數。頁巖氣調查地震資料采集與處理技術規程中指出彎線施工時,物理點的橫向偏移距應小于第一菲尼爾帶半徑。楊慶道等[4]則對彎線地震勘探技術應用中采集和處理的問題進行了梳理和分析,提出“能直不彎、轉折角能小不大、轉折角太大時測線能交不連”的彎線設計原則,并提出以面元聚斂響應作為指標,對炮檢路徑進行優化;強正陽[5]總結了彎線設計應滿足時間、空間、最大離散距等要求; 郭曉濱等[6]提出“三步法”靜校正解決處理方面的問題。國外學者Mladen R. Nedimovic等[7-8]提出了振幅疊加和Cross-dip疊加方法,解決彎線處理的問題,并提出了振幅疊加和CDMO校正量的計算公式。

就彎線設計而言,常規做法是炮點和檢波點沿著相同的路徑布設,這樣限制了CMP點的優化。在2017年某項目中,筆者根據甲方要求設計了炮檢點沿不同路徑的寬彎線(三線一炮)施工方案,炮點為沿著道路均勻布設的震源點,中心檢波線則為炮點線的中位線,兩側檢波線與中心檢波線平行。該設計在有效解決了檢波點施工問題的同時,也使CMP線得到了優化,取得了較好的效果。筆者將以檢波點和炮點沿不同路徑布設的思路,以某山地項目測線為例,利用Mladen R. Nedimovic等[7]提出的CDMO(橫向傾角時差校正)算式,針對主要目的層的有效CMP點進行反演、正演運算,找出檢波線和CMP線的最優解。同時將通過分析不同面元尺寸下,目的層覆蓋次數的變化來判斷新測線CMP的收斂特性。

1 設計參數分析

1.1 研究區地震地質條件

在某山地二維測線的施工中,測線穿越大范圍的無人區且地形切割劇烈。工區內的山體走向主要為南北向,綿延數為60 km,東西向則約6 km～7 km。研究測線屬于南北向聯絡測線,測線位于山中腹地,長約18 km,山中無任何道路,僅能依托山間南北向溝谷進行設備和人員運輸。測線為位于某平緩背斜的一翼,沿測線方向地層平緩,且傾角近視為零。垂直測線方向存在較小傾角,約5°左右地層傾角。原設計和施工方案為利用溝谷等地形,在盡量降低轉折角的基礎上,根據“五避五就”的原則優選激發線,然后以激發線上對物理點進行適當調整,均勻布設檢波點。現場疊加處理以后,淺層剖面資料顯示相鄰的數個CMP點波形與附近CMP波形一致性較差,有多相位,弱相位等問題(圖1)。

圖1 測線淺層初疊剖面(部分) Fig.1 Line brute stack section of shallow layer(partial)

分析原因認為,由于地層存在一定的傾角且CMP點位置離散的問題,現場資料處理做了動校正以后,不能完全消除共中心點炮集或道集的時差。如圖2所示,CMP1、CMP2經過NMO以后仍然存在時差,當t0′-t0>T/4時疊加會產生空間假頻。在這種情況下,多CMP點疊加不但不能提升資料信噪比,反而會削弱信號。此時需要進行CDMO處理,計算離散CMP點的靜校正量,消除空間假頻的影響。針對該區單一樣式的構造形態,CDMO校正量能夠準確地計算。然而,隨著構造條件的復雜化,每個CMP點的靜校正量的準確計算難度逐漸增大,筆者認為選擇合理的彎線設計參數,從設計源頭盡量減少空間假頻的出現,同時輔以CDMO校正是解決問題的關鍵。

圖2 CMP點時差示意圖Fig.2 Time difference diagram of different CMP

1.2 關鍵設計參數的選取

假設傳播介質為均勻介質,速度為V,針對平面反射界面,炮檢點的雙程旅行時t與共中心點CMP處的t0之間的關系可以表示為式(1)。

t2(x,y,h)=(t0(x)+pyy)2+p2h2

(1)

式中:x為沿CMP線的偏移量;y為垂直CMP線方向的偏移量;h為炮檢距;py為垂直CMP線方向的慢度;pyy為垂直CMP線方向產生的時差,也就是CDMO量;p為平行測線方向的慢度。

Mladen R. Nedimovic[5]給出了詳細的py和p的計算公式,并進行了簡化,見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中:θx為平行CMP線方向的地層視傾角;θy為垂直CMP線方向的地層視傾角。

常規動校正和傾角時差校正能夠消除由炮檢距產生的影響,即p2h2,但無法消除pyy。y是彎線設計的關鍵點。|pyy|

(4)

為了有效消除空間假頻影響,要求同一面元內的任意兩個CMP點的離散距離均要小于y。即對于大小為dx*dy的面元,dx為道距的1/2,而dy應小于y。利用研究測線的地層參數計算y量,結果見表1。

表1 研究測線的地層參數及y量Tab.1 Layer parameters and y value of analyzed line

1)偏移距。項目設計的最大偏移距為4 000 m,而實際滿足該測線主要目的層的最大偏移距達到2 000 m即可。偏移距在2 000 m～4 000 m之間炮檢點產生的CMP點可視為冗余CMP點。圖3為不同偏移距下CMP點分布圖,可以看出原設計測線存在大量的冗余點。在測線優化時應暫不考慮2 000 m～4 000 m范圍內的冗余點,否則將會影響CMP擬合線的選擇,最終影響整體測線優化效果。

圖3 不同偏移距CMP點分布圖(局部) Fig.3 CMP distribution maps of different offset (partial)

2)面元尺寸。針對不同目的層,選擇合適的面元,剔除面元外CMP點,進而分析不同面元尺寸下的有效覆蓋次數,可以作為測線優化程度的判定標準。在資料處理時,也可以根據面元尺寸進行不同偏移距和面元尺寸的分批疊加處理。若面元外的CMP點仍較多,則需考慮進行CDMO校正。根據表1計算結果,150 m為保障研究測線目的層資料的最優離散距。本次分析則選擇面元尺寸12.5 m*150 m和12.5 m*300 m進行對比,研究優化效果和改進方向。

2 測線優化流程及應用效果

在炮點線和檢波點線一致的情況下,我們可以通過正演模擬分析,利用最小二乘法擬合出最優的CMP線,從而實現面元內CMP點的最大程度收斂。而當炮點線和檢波點線可以分離時,測線優化空間顯著增加。對于固定的檢波點或者炮點,選取初始CMP線,通過如圖4所示的流程即可實現對應物理點和CMP線的優化。以研究測線為例分析部分關鍵流程和應用效果。

圖4 技術路線和流程Fig.4 Technical route and flow chart

2.1 數據準備

數據準備階段主要需要輸入物理點、初始CMP線、偏移距、面元尺寸、檢波點范圍、炮點范圍、施工模式(滾進或滾出)、分段擬合方式和斷點等參數。研究測線的炮點是實際鉆井點位,作為固定物理點,初始CMP線為根據原始檢波點由設計軟件OMNI 3D彎線設計模塊計算的CMP線。項目施工模式為滾進滾出的模式。分段擬合方式和斷點則是通過對初始CMP點進行回歸和擬合分析得出的最優擬合方式,本測線為三次、四次多項式分兩段分別擬合。

2.2 迭代運算

數據準備完畢以后,利用程序將對物理點和CMP點進行不斷的正演、反演迭代優化,隨著擬合次數的增加,測線的擬合優度、回歸平方和逐漸減小,斷點處的CMP線分段擬合誤差也逐漸減小(圖5)。當擬合優度和回歸平方和變化較小時,可認為擬合得到近視最優解。隨著迭代的繼續增加,反而會出現測線端點處擬合度降低的問題(圖6),這種現象在非滾進滾出的情況下更為突出。經過不斷測試分析,選擇三次迭代進行正反演模擬運算。

圖5 斷點附近擬合結果對比Fig.5 Comparison of fitted results near breakpoint

圖6 端點附近擬合結果對比Fig.6 Comparison of fitted results near endpoint

2.3 不同面元有效覆蓋次數分析

利用程序計算不同面元位置和尺寸條件下,覆蓋次數的變化情況,驗證目的層覆蓋次數的均勻性和有效覆蓋次數的變化。圖7為偏移距為2 000 m條件下的計算和對比結果。從圖7可以看出,經過優化后的測線覆蓋次數均勻性、150 m范圍內離散度等方面得到顯著提升,CMP151-650段和CMP1146-1350段效果最為明顯。然而,CMP 654-837和CMP932-1148段改善不明顯,即使重新選擇初始CMP線進行二次優化后仍然得到相似的結果。分析主要原因為該區域炮點成連續“S”型大范圍偏移,CMP點難以有效收斂(圖8)。CMP和檢波點優化不能有效解決這一區域的問題,可通過加強CDMO攻關處理、調整炮點位置或者加密炮點等三種方式實現離散CMP點的疊加,提升目的層有效覆蓋次數,進而保障資料品質。

圖7 不同面元尺寸線測線優化前后有效覆蓋次數對比(偏移距2 000 m)Fig.7 Effective folds comparison between different bin sizes before and after line optimization

圖8 CMP651-1145不同偏移距物理點和CMP點分布Fig.8 Shots, receivers, CMP distribution comparison of different offset of CMP651-1145

3 結論

筆者提出了一種以提升CMP收斂度為目標的二維彎線采集測線優化設計方案,能夠改善彎線采集資料品質。通過研究分析,認為彎線采集中應注意以下問題:

1)合理的測線設計是彎線二維施工的關鍵環節。設計中應針對測線的主要目的層參數進行設計論證分析,靈活優化物理點,在提升CMP點收斂度的基礎上,提升目的層有效覆蓋次數。

2)彎線設計中應盡量避免連續的“S”型彎折。大偏移量的“S”型彎折,一方面會造成淺層覆蓋次數的缺少或嚴重降低;另一方面影響CMP點收斂度,造成CDMO量的急劇增大,降低資料的可信度。

3)檢波點、炮點、CMP點之間的迭代正演、反演計算,輔以擬合分析能夠實現測線的不斷優化。而編程軟件中的擬合回歸分析、方程求根、循環計算等算法也促進了測線自動優化地實現。

4)在復雜構造帶或陡傾角地層區域應盡量避免彎線設計或僅采用小彎折施工。若采用彎線采集,資料處理階段需不斷開展CDMO校正攻關,提升疊加資料的可靠性。