地震采集方案評價優(yōu)化分析方法及應用
——以準噶爾盆地阜康凹陷為例

楊萬祥,李獻民,宋志華,閻建國,任立龍

(1 新疆油田公司,克拉瑪依 834000;2 成都理工大學地球物理學院,成都 610059)

0 引言

寬方位、寬頻帶、高密度(簡稱“兩寬一高”)地震采集是近十年來國內(nèi)外普遍采用的地震勘探采集技術(shù),“兩寬一高”采集加上與之相適應的處理和解釋技術(shù),組成“兩寬一高”技術(shù)體系,在解決復雜地質(zhì)體成像、巖性勘探以及精細油氣藏描述等地質(zhì)問題方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,取得了許多重要的油氣勘探成果[1-2]。“兩寬一高”地震采集,由于高密度、寬方位所要求的采集方案具有縱橫向上的高覆蓋次數(shù),較小的面元尺寸等特點,以及低頻激發(fā)接收對儀器設(shè)備和采集條件的要求,相比于常規(guī)地震采集而言,采集成本會明顯增加,采集效率也會受到很大影響。因此,近年來在繼續(xù)堅持“兩寬一高”采集技術(shù)的同時,根據(jù)地表及地下地震地質(zhì)條件及勘探目標要求,從兼顧數(shù)據(jù)品質(zhì)和采集成本的技術(shù)經(jīng)濟一體化考慮,評價已有采集方案,提出優(yōu)化方案,成為業(yè)界關(guān)注和研究的熱點之一,致力于達到“提質(zhì)增效,高效勘探”的目標[3-4]。對于地震采集方案的評價優(yōu)化方法及應用,國內(nèi)外學者都做了較多的研究,主要方法包括:采用“退化處理”和“正演模擬”等方法的已有采集方案的后評估方法;采用照明模擬和野外試驗的地震參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。但是由于地表及地下地震地質(zhì)條件的差異,影響地震數(shù)據(jù)品質(zhì)的主要采集因素因地而異,較難確定。加之定量的評價和優(yōu)化采集方案和采集參數(shù)的方法不多,因此進行采集方案評價優(yōu)化的方法及應用研究,對于提高復雜地區(qū)的采集數(shù)據(jù)品質(zhì)具有重要意義[5-6]。

準噶爾盆地是國內(nèi)最早開展“兩寬一高”地震采集的地區(qū)之一,其多數(shù)勘探領(lǐng)域處于沙漠戈壁地區(qū)。由于近地表吸收衰減強和各種類型的噪聲多而強,常常導致采集得到的資料信噪比較低,筆者將其定義為低信噪比地區(qū)[7-8]。雖然這些地區(qū)已經(jīng)采用了“兩寬一高”采集技術(shù),而且為應對這種“低信噪比”,采集方案和采集參數(shù)都是盡量采用上限設(shè)計,稱為強化設(shè)計,但所采集的地震資料信噪比有時仍不能滿足勘探的需求,從而給這些低信噪比地區(qū)的地震資料采集方案設(shè)計及激發(fā)接收等采集參數(shù)的確定帶來許多挑戰(zhàn)[9]。筆者通過對準噶爾盆地阜康凹陷2015年以來已實施的7塊“兩寬一高”三維地震采集資料品質(zhì)及其地質(zhì)目標達成度的梳理對比,開展了對現(xiàn)有地震采集方案的評價,采取理論公式和實際資料分析結(jié)合的研究思路,研究建立一些定量評價指標,提出了一種“以關(guān)鍵采集參數(shù)與資料信噪比的定量關(guān)系為依據(jù)的采集方案評價優(yōu)化方法和流程”。通過評價認為,阜康凹陷7塊采集方案71%是適合的,29%可以通過優(yōu)化相關(guān)方案和采集參數(shù),進一步提高地震資料的品質(zhì)。通過實際資料的應用證明了所提出方法流程的正確性和適用性,為研究區(qū)下一步采集方案優(yōu)化設(shè)計提供了有效指導。

1 地震采集方案評價優(yōu)化方法

地震采集方案一般是指地震采集時所依據(jù)的地震采集觀測系統(tǒng)和一些具體的激發(fā)和接收參數(shù)。其中最重要的內(nèi)容就是表示激發(fā)點、接收點和地下反射點的相互關(guān)系的觀測系統(tǒng)。表征觀測系統(tǒng)的參數(shù)一般可分為“獨立參數(shù)”和“綜合參數(shù)”。獨立參數(shù)主要包括激發(fā)接收的點線距,覆蓋次數(shù),最大(最小)炮檢距;綜合參數(shù)是指可以由獨立參數(shù)以及已知排列方式(炮線數(shù)、檢波線數(shù)、排列片形式等)計算得到的參數(shù),主要包括面元大小,炮道密度,橫縱比等[10]。對于三維地震采集,常用炮道密度(也稱覆蓋密度)、面元大小、橫縱比來衡量不同采集方案[11]。在激發(fā)方式(如井炮或可控震源激發(fā))和接收方式(如單點接收或組合接收)確定后,地震采集的資料品質(zhì)與觀測系統(tǒng)直接相關(guān)。目前評價地震采集資料品質(zhì)的常用參數(shù)是資料信噪比。根據(jù)多年來的勘探實踐,針對準噶爾盆地巖性勘探目標,近年來實施的“兩寬一高”地震采集基本采用可控震源激發(fā)、單點接收及正交排列形式[12]。因此,筆者所指的地震采集方案評價優(yōu)化主要是通過比較不同采集方案對地震資料信噪比的影響以及經(jīng)處理后的地震資料的分辨率和地質(zhì)目標達成度的分析,來得出有關(guān)采集方案是否合適的相應結(jié)論并提出在技術(shù)經(jīng)濟一體化條件下可以進一步提高資料品質(zhì)的采集方案優(yōu)化設(shè)計[13-15]。

1.1 采集方案關(guān)鍵參數(shù)與資料信噪比的關(guān)系

根據(jù)準噶爾盆地多年來地震資料采集的實踐和采集方案評價優(yōu)化的目的,通過比較,筆者選取了炮道密度(覆蓋密度)與資料信噪比、面元大小與分辨率這兩對參數(shù),作為評價采集方案基本參數(shù),通過定量計算以及基于實際資料的統(tǒng)計分析等方法,得出了這些參數(shù)之間定量關(guān)系,并將其應用到實際資料的評價優(yōu)化中。

1)炮道密度與信噪比的定量關(guān)系

對于“兩寬一高”三維地震采集,炮道密度可以較好地描述采集方案的覆蓋密度,它包含了覆蓋次數(shù)和道間距即面元大小的含義。根據(jù)相關(guān)參數(shù)定義及相關(guān)理論[4],推導得到式(1),用于計算三維觀測系統(tǒng)的最大炮道密度:

(1)

式中,T為炮道密度(覆蓋密度)(萬道/km2),m為覆蓋次數(shù)(次),bx為縱向面元邊長(m),by為橫向面元邊長(m)。

設(shè)疊加后的信噪比為S/N(D)、疊加前的原始單炮信噪比為S/N(Q),則覆蓋密度T與資料信噪比的關(guān)系可以表示為:

(2)

圖1為根據(jù)以上理論公式,按準噶爾盆地常用的面元尺寸12.5 m×12.5 m,計算得到的炮道密度與疊加后信噪比的關(guān)系曲線。從圖中可以看到信噪比與炮道密度(覆蓋密度)成正比,覆蓋密度越高,信噪比越高。總體上,當覆蓋密度在200萬道/km2前,信噪比上升趨勢較快,而當覆蓋密度在200萬道/km2后,信噪比上升趨勢明顯變緩。對于準噶爾盆地低信噪比地區(qū),原始單炮的信噪比都低于1,這種趨勢更為明顯。

圖1 疊加后信噪比與覆蓋密度關(guān)系Fig.1 Relationship between signal-to-noise ratio and folds density after stacking

2)面元大小與分辨率的定量關(guān)系

地震資料的分辨率,可以理解為地震資料表征地質(zhì)體大小的能力。一般分為為縱向分辨率Rv,即地震資料沿垂直方向能分辨的最小地質(zhì)體的大小;橫向分辨率Rx,即地震資料沿水平方向能分辨的最小地質(zhì)體的大小。R值越大,表示能分辨的最小地質(zhì)體的尺度較大,分辨率低。

根據(jù)相關(guān)理論,常用以下計算公式:

(3)

式中:Rv為縱向分辨率(m);Vint為地層層速度(m/s);fmax為有效信號最高頻率(Hz)。

(4)

式中:Rx為橫向分辨率(m),Vint為地層層速度(m/s),h為目的層埋深(m),fmax為有效信號最高頻率(Hz)。

根據(jù)采樣定理,我們可以推導出在滿足橫向分辨率的條件下,面元最大應為:

(5)

式中:b為縱橫向相等時的面元邊長(m),其余符號含義與前相同。

綜合式(3)-(5),經(jīng)推導可以得到分辨率與面元大小的公式:

(6)

(7)

(6)-(7)式中的各符號含義與前相同。

根據(jù)以上公式,并按準噶爾盆地的一些典型參數(shù),如有效信號的主頻一般為30 Hz左右;有效信號最高頻率一般為75 Hz左右;目的層埋深3 500 m等,計算得到縱橫向分辨率與面元大小的定量關(guān)系(圖2)。

圖2 橫向分辨率與面元大小(a)、縱向分辨率與面元大小(b)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between horizontal resolution and bin size (a),and between vertical resolution and bin size (b)

從圖中可以看到,面元越大,能夠分辨的最小地質(zhì)體的尺度增加,縱橫向分辨率都變低,所以小面元采集有利于縱橫向的分辨率的提高。

1.2 退化處理方法及結(jié)果分析

在對采集方案進行評價時,除分析采集參數(shù)與資料信噪比和分辨率的定量關(guān)系外,還常常需要分析觀測系統(tǒng)參數(shù)與地質(zhì)目標達成度關(guān)系,如觀測系統(tǒng)參數(shù)的不斷強化對復雜地質(zhì)目標成像有多大作用,是否有弱化的可能。對于這類分析方法,常常采用“退化處理”的方法,即對野外已采集資料,通過弱化已有采集方案,如抽稀炮檢線,擴大面元等形成新的采集方案,然后重新處理原始資料,并分析新采集方案下數(shù)據(jù)品質(zhì)的變化及與地質(zhì)特征的關(guān)系。

退化處理是通過資料重新處理的方式進行觀測系統(tǒng)參數(shù)變化對地震數(shù)據(jù)品質(zhì)的影響進行評價,包括分析不同觀測系統(tǒng)參數(shù)對目的層段地質(zhì)特征的影響,提供觀測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選的方法和依據(jù)[11]。其中退化處理可以分別從面元尺寸、縱橫比,線點距、覆蓋密度對采集方案進行退化試驗,通過對不同參數(shù)變化對地震資料的信噪比影響分析,來評價退化處理的效果。

筆者主要研究了覆蓋密度退化處理對地震資料的影響。根據(jù)研究區(qū)三維地震采集觀測系統(tǒng)的特點,共設(shè)計了4個試驗觀測系統(tǒng),其中方案A為原始觀測系統(tǒng),其余方案為退化采集方案,各方案具體參數(shù),見表1。

表1 退化處理試驗觀測系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameters of observation system for degradation treatment test

對于面元大小均為12.5 m×12.5 m,進行覆蓋密度不同(表1的A、B、C、D觀測系統(tǒng))的4組的數(shù)據(jù)進行對比。具體方法是,首先按3種退化方案對原始觀測系統(tǒng)下的采集數(shù)據(jù),進始采集單炮的抽取,并按相同處理流程進行處理,得到了相關(guān)結(jié)果(圖3)。圖3展示了四種觀測系統(tǒng)下針對目的層百口泉組的疊前時間偏移數(shù)據(jù)體等時切片。從圖上可以看出,高覆蓋密度資料信噪比更高、斷層識別能力更強、同相軸連續(xù)性更好(圖中藍色圈出)。但對比圖3(a)和(b)可以看到,兩者的地震反射特征相近,沒有顯著差別,即地質(zhì)目標達成度相近。但二者的覆蓋密度相差近一倍,其采集成本相差較大。因此,我們通過這種退化處理試驗可以認為,該地區(qū)針對百口泉組的地震采集覆蓋密度可以適當弱化,如350 萬道/km2,同樣可以取得相近的地質(zhì)效果。

圖3 不同覆蓋密度疊前時間偏移剖面數(shù)據(jù)體等時切片F(xiàn)ig.3 Time slices from pre-stack time migration data with different folds density

圖4(a)為根據(jù)以上退化試驗,針對目的層百口泉組(平均埋深約4 500 m)按實際資料統(tǒng)計的信噪比與覆蓋密度的關(guān)系曲線;(b)為按理論公式(2)計算得到的信噪比與覆蓋密度關(guān)系曲線。可以得到兩者的趨勢相一致,而且具體數(shù)值也沒有大的差別。因此說明,利用定量分析手段進行采集方案評價是可行和準確的。

1.3 采集方案評價優(yōu)化方法流程

在理論研究和退化處理試驗的基礎(chǔ)上,我們提出了主要以炮道密度(覆蓋密度)與資料信噪比、面元大小與分辨率這兩對參數(shù)為定量指標的采集方案評價優(yōu)化方法流程,如圖5所示。

實際應用中,通過收集工區(qū)已進行了地震采集處理后的地震資料、采集方案和處理成果基礎(chǔ)上進行。通常具有以下幾個主要步驟:

1)根據(jù)地震勘探成果與地質(zhì)目標的達成度,分析現(xiàn)有采集方案參數(shù)的合理性。

2)對影響資料品質(zhì)的典型采集因素進行分析論證,說明采集方案的合理性,對采集方案進行評價,如,由于地表條件復雜,采集方案需要強化,更高密度、組合激發(fā)接收等。

3)在以上分析基礎(chǔ)上,提出采集方案優(yōu)化的方向。

2 實際資料應用

2.1 阜康凹陷三維地震采集方案總體評價

為加快準噶爾盆地阜康凹陷內(nèi)的二疊系、三疊系等巖性目標的勘探進程,自2015年～2019年共部署高精度三維7塊,滿覆蓋面積約1 800 km2,具體部署情況如圖6。圖7～9給出這7塊的一些地表條件及采集參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的相關(guān)信息。

圖7 三維區(qū)塊覆蓋密度(萬道/km2)統(tǒng)計結(jié)果圖 Fig.7 Statistical results of the 3D seismic blocks folds density(ten thousand traces/km2)

圖8 三維區(qū)塊橫縱比統(tǒng)計結(jié)果圖Fig.8 Statistical results of horizontal to vertical ratio of the 3D seismic blocks

從以上各圖中可以看到,2015年～2019年,覆蓋密度在逐漸增加,呈上升趨勢,但是在2018年之后會略有下降的趨勢。研究區(qū)地震采集參數(shù)橫縱比在0.5左右,但是近幾年有上升趨勢。從圖6可以看到,三維工區(qū)戈壁和沙漠占比較大,屬于低信噪比地區(qū)。2015年以后地震采集采用了低頻可控震源激發(fā),掃描頻率均為1.5 Hz ～96 Hz,大多數(shù)區(qū)塊采用了單點接收。因此總體上,這7塊三維工區(qū)實施的是較為強化的“兩寬一高”地震采集,以滿足地質(zhì)目標的勘探要求。

按照圖5的采集方案評價優(yōu)化流程,我們對7塊三維從①各三維工區(qū)地表地質(zhì)條件分析;②各工區(qū)典型單炮分析;③各工區(qū)疊加剖面處理效果分析;④各工區(qū)新采集資料與以前采集資料的對比分析等4個方面進行了逐一分析和評價,最后得到了整體評價結(jié)果:①7塊有5塊(占比71%)達到了地質(zhì)目標勘探要求,其采集方案為適合;但有2塊(沙109井區(qū)和阜北3井區(qū),占比29%)數(shù)據(jù)品質(zhì)總體較低,表現(xiàn)為單炮信噪比普遍低,處理后成果剖面分辨率低,一些小斷裂目標的分辨率未達到要求。因此其采集方案評價為應進一步優(yōu)化;②采集方案不適合應進一步優(yōu)化的方向主要是在低信噪比地表條件下,覆蓋密度等采集參數(shù)不夠強化,應該采取更高覆蓋次數(shù)或更寬方位獲得更高的覆蓋密度。

具體評價過程及結(jié)果不一一贅述,下面僅就采集方案評價優(yōu)化過程中一些定量指標的計算過程和結(jié)果進行舉例說明,以便說明筆者提出的采集方案評價優(yōu)化方法流程的適用性。

2.2 地震采集方案的定量評價

下面以2018年北43井北三維為例,闡述以定量指標為標準的采集參數(shù)評價工作。研究區(qū)的勘探目的在于精細刻畫石炭系-侏羅系構(gòu)造特征及儲層特征,落實各類圈閉目標。本次勘探任務(wù)量化指標:侏羅系砂體識別要求15 m～20 m厚的儲層、斷裂斷距在10 m～15 m。研究區(qū)的采集方案如表2所示。

表2北43井北三維采集方案Tab.2 3D seismic acquisition scheme of well Bei 43 North

首先選擇2個典型位置進行地球物理參數(shù)求取及理論論證。基于參數(shù)論證的要求,所選論證點要有代表性,能夠控制全區(qū)構(gòu)造特征,否則難以得到較為合適的采集方法。根據(jù)本區(qū)構(gòu)造特點,以石炭系頂面構(gòu)造圖為依據(jù),在工區(qū)西北側(cè)石炭系頂面埋深較深位置、東南側(cè)埋深較淺位置確定出2個代表性的論證點,如圖9所示。根據(jù)已采集資料及處理解釋成果,得到以下地球物理參數(shù),見表3。

圖9 論證點位置圖Fig.9 The location of points chosen for evaluation

1)分辨率與面元大小論證

根據(jù)1.1節(jié)的公式(6)～(7)計算得出了各地震層位對應的最大面元尺寸以及縱向分辨率,如表4所示。

分析以上計算結(jié)果表可見,各層位的縱向分辨率,即能識別的儲層厚度在8 m～23 m范圍,侏羅系的儲層厚度均小于20 m,滿足地質(zhì)勘探目標要求以及識別10 m～15 m斷距要求。而計算出的元尺寸最小為21 m,而實際采集方案中的面元為12.5 m,所以可以看到,研究區(qū)采集方案在面元尺寸上是合理的。

2)覆蓋密度的論證

根據(jù)1.1節(jié)的公式(2)和信噪比與覆蓋密度關(guān)系曲線,由已知原始單炮信噪比和室內(nèi)處理的去噪能力可以計算覆蓋密度。首先根據(jù)研究區(qū)已經(jīng)取得的地震資料成果,我們可以得到經(jīng)過室內(nèi)疊加去噪處理后的信噪比,如果取處理后資料信噪比比原始信噪比提高了2個倍頻程;三維工區(qū)處于低信噪比地區(qū)原始單炮信噪比較差,取平均值為0.5。通過公式計算得到平均覆蓋密度應達640萬道/km2以上。與現(xiàn)有采集方案對比可知,該地區(qū)的采集方案在覆蓋密度與計算結(jié)果相近,是合理的。

3)進一步優(yōu)化的建議

從以上的論證可以看到,通過定量計算可以認為,研究區(qū)目前的采集方案在面元大小及覆蓋密度方面是合理的。但也可以發(fā)現(xiàn),該采集方案的覆蓋密度較高,屬于強化參數(shù)。按照評價優(yōu)化的流程,進一步探討能否適當弱化相關(guān)參數(shù),以減少采集成本。

圖10展示了一條研究區(qū)不同覆蓋次數(shù)對比剖面。從圖中可以看到,提高覆蓋次數(shù)有利于提高深層資料信噪比,有效覆蓋次數(shù)從140到280次,280到420次,資料改善較為明顯。當有效覆蓋次數(shù)大于420次以后,資料品質(zhì)仍有改善,但改善的幅度較小。通過量化分析,有效覆蓋次數(shù)在750次左右出現(xiàn)拐點,即這以后覆蓋次數(shù)的增加對改善資料品質(zhì)作用不顯著。

圖10 研究區(qū)不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比Fig.10 Comparison of stacking sections with different folds in the study area

因此,根據(jù)覆蓋次數(shù)拐點,并參考相鄰區(qū)北43井區(qū)的覆蓋密度(560 萬道/km2)相比,通過計算認為,研究區(qū)(北43井北三維)的覆蓋密度過于強化,可以適當弱化,建議可以減小到550萬道/km2,從而可以在保證資料品質(zhì)的前提下,降低采集成本。

3 結(jié)論

1)根據(jù)研究區(qū)的地表及地下的地震地質(zhì)條件,建立地震采集方案的一些關(guān)鍵參數(shù),如覆蓋密度、面元大小、橫縱比等與資料信噪比和分辨率的定量關(guān)系,可以對已有采集方案進行評價;結(jié)合已采集資料的品質(zhì)分析,可以提出采集方案進一步優(yōu)化的建議。

2)利用“退化處理”可以將地震采集與地震處理環(huán)節(jié)有機聯(lián)系起來。通過不同采集方案下的資料處理結(jié)果分析,以地質(zhì)目標達成度為依據(jù),可以得到采集方案關(guān)鍵參數(shù)對地震數(shù)據(jù)品質(zhì)的影響的相關(guān)結(jié)論。該方法雖然比較耗時費力,但在進行采集方案評價優(yōu)化時適當采用,可以提高評價優(yōu)化的效果。

3)筆者提出將定量評價與實際資料分析相結(jié)合的采集方案評價優(yōu)化方法流程在實際資料應用中取得了較好效果,對今后開展地震采集評價優(yōu)化工作具有參考價值和指導意義。下一步在建立的定量關(guān)系時應考慮近地表的衰減情況,并有針對性進行采集方案的評價優(yōu)化。