復雜黃土山地區井震聯合高效采集技術及應用

張 雨,張群英,董金偉,任麗瑩,黃 凱

(中國石油東方地球物理公司遼河物探處,盤錦 124010)

0 引言

近年來,隨著油氣勘探目標越來越精細,地震勘探方法不斷強化,炮道密度隨之大幅提升,地震勘探成本壓力日益增大[1]。面對復雜的地表條件、精細的地質任務、繁雜的協調環境以及超額的勞動強度,在保證資料品質的前提條件下,如何實現地震項目提質增效是施工方一直以來研究的一項重要課題。

鄂爾多斯盆地黃土山地區地震地質條件復雜多變,表層有黃土層覆蓋,溝壑縱橫,海拔高程變化較大,激發、接收條件受到很大的影響,導致地震資料干擾波發育、靜校正問題突出、資料分辨率及信噪比極低[2-3]。常規井炮激發方法是多組合、深井和大藥量來強化單炮品質[4]。另外,在低信噪比區通過提高野外采集的覆蓋次數,可以有效地提高剖面的品質[5]。增加點位布設密度是提高覆蓋次數的主要方式之一,黃土山地區激發點布設主要分為溝壑區與塬臺區點位布設,溝壑區在避開斷崖、陡坡等危險地形的情況下,可做到點位分布均勻;但在塬臺區布設點位時,受房屋、墳地、高壓線等各類障礙物的影響,激發點只能布設在障礙物安全距離以外的區域,遇到大型村鎮時,點位的均勻性將受到較大影響,進而造成淺層資料缺失。生產效率方面,傳統井炮的放炮模式主要通過儀器與爆炸機聯機,聯機后爆炸機到點后確認井口信息,之后充電排隊并向儀器發送RESDY信號,儀器接到信號后發出放炮指令,爆炸機根據排隊順序依次進行采集[6]。受電臺限制,一臺儀器只能帶14組爆炸機,多臺儀器采集時,儀器間需來回切換,每次切換時間不少于3分鐘,嚴重影響采集效率。

近年來,隨著“兩寬一高”技術的不斷發展,可控震源已逐步走進黃土塬,井震聯合激發對比以往純井炮采集,生產效率也有了一定提升[7]。但當前激發系統只能同時控制一種激發源,即井炮采集時,無法實施可控震源采集,可控震源采集時,同樣無法實施井炮采集,且兩種采集模式的切換過程耗時較長,井震聯合采集未實現高度融合。基于以上分析,優化點位布設、提高井震激發融度是實現黃土山地區地震采集提質增效的關鍵。

1 井震聯合高精度預案設計技術

1.1 井震聯合預案設計原則

可控震源為車載裝置,具有便捷、靈活的特點,且對地表破壞性小,可在障礙物密集區進行點位布設,因此,可控震源是一種安全、環保的激發源[8]。井震聯合預案設計可有效提高項目整體點位均勻性,避免障礙區淺層資料缺失。具體設計原則如下:①溝壑區以井炮為主,盤山路、川道可控震源為輔的方式布設。井炮偏移按照“先縱后橫”的方式,優先沿測線方向整道距偏移,合理規避斷崖、陡坡、窯洞等風險區域;若沿測線方向無法避開障礙區,則按照整接收線距垂直測線方面偏移,保證偏移后覆蓋次數分布均勻。可控震源點按照1/2炮點距的密度沿盤山路、川道布設,用來彌補溝壑區覆蓋次數不足的問題。②塬臺區以可控震源為主,農田、果園井炮為輔的方式布設。可控震源點按照1/2炮點距的密度沿道路、農田布設,避開危房、養殖、墳地等敏感障礙物;井炮采用“見縫插針”的方式在果園、農田等可控震源無法通行的區域進行補充,保證障礙區點位布設均勻。

1.2 關鍵區可控震源強化設計

借助可控震源點位布設靈活、效率高、成本低等特點,在關鍵區進行可控震源點位強化,提高資料品質。

1)噪音發育區可控震源點位強化。噪音干擾是影響單炮品質的主要原因之一,在無法降低噪音干擾的情況下,通過增加覆蓋次數,提高資料信噪比的方式,可達到提升資料品質的目的。設計原則是在村莊周邊、高速公路兩側等人員活動頻繁的區域將可控震源點布設密度提升一倍。

2)特殊地形小型震源點位強化。EV56、BV620等常規可控震源寬度為3.5 m,可滿足在一般村莊道路的通行作業,遇到道路狹窄的大棚區、樹林區時,常規可控震源因車身過寬無法實施作業。為此,東方地球物理公司專門研發了BV330小型震源,該震源車長8.05 m,車寬2.3 m,可滿足大部分狹小地形的通行作業。小型震源點的增設,可進一步提高了預案點位的均勻性、合理性。

1.3 井震動態預案調整設計

項目采集過程中,偶爾會遇到因惡劣天氣、百姓阻撓等不確定因素影響采集進度,應用井震動態預案調整技術可有效降低影響程度,保證采集資料完整。為了實現井震動態預案調整,要精細前期預案核實工作,詳細落實可控震源通行道路、敏感障礙物分布、協調困難區等關鍵信息,針對落實到的特殊障礙區、復雜農田地表要提前設計兩套方案,便于隨時調整。方案一,在障礙區無法實施井炮采集時,及時調用可控震源方案,通過在障礙區周邊增加可控震源點位來彌補井炮缺失的影響;方案二,因農田區下雨導致可控震源無法進行作業時,及時調用井炮方案,由井炮代替可控震源,在確保最小破壞程度的情況下,進行點位優選布設,補全資料缺失。

2 VPM+SSC井震聯合雙源激發技術

2.1 VPM可控震源生產管理系統

可控震源生產管理系統英文譯為Vibroseis Production Management System,簡稱VPM,該系統是基于激發控制軟件與數字電臺、4G網絡、自組網電臺等多種通訊實施方案實現可控震源滑動掃描、動態掃描的高效生產組織管理系統[9]。其主要功能是與可控震源導航系統高度融合,配合節點儀器實現可控震源高效采集。該系統與傳統儀器采集系統之間的差別主要有以下幾點:①通訊方式:傳統儀器只支持數傳電臺;VPM系統支持數傳電臺、公用網絡及自主網電臺。②激發控制方法:傳統儀器為輪詢-答復模式;VPM系統為多路直接應答模式。③質控數據量:傳統儀器只能提供PSS報告;VPM系統不僅可提供PSS報告,還具有COG無樁號施工的質控、可控震源指標參數實時監控、無線任務分發、軌跡更新等功能。④高效采集:傳統儀器不支持動態滑掃(包括滑動掃描、DS3、DS4等,該技術是通過設計時間與空間的疊合關系,將交替、滑動和距離同步滑動三種掃描方式結合在一起,突破了以往只考慮時間域或空間域的局限,滑動時間不再固定,滑動時間隨距離變化而變化);VPM系統支持動態滑掃,不僅既提高了效率,又最小化了噪聲的影響。圖1為動態掃描示意圖。

圖1 動態掃描示意圖Fig.1 Dynamic scanning diagram

2.2 SSC井炮分布式激發系統

分布式激發控制器英文譯為Separated Source Controller,簡稱SSC,該系統是基于高精度時鐘和授時技術,控制井炮源按照主機下發的指令在指定時刻精準起爆炮點,并自動生成包括激發位置、激發時間等信息文件的控制系統[6]。該系統主要用于井炮高效采集,其工作原理為爆炸機到點采集GPS坐標,再將采集GPS坐標及爆炸機ID號的READY信號發送給編碼器,編碼器接收并傳發信息給SSC系統,系統判斷GPS位置坐標及炮排表對應的炮點坐標是否一致,如果判斷一致,向編碼器發出點火信息和F0信號,編碼器收到點火命令后向爆炸機發出起爆指令。爆炸機起爆后將線號、點號、GPS位置、爆炸機ID及井口時間發送給系統。整個工作過程不需要人工干預,減少了操作員人工點炮的時間。

2.3 VPM+SSC井震聯合雙源激發系統

VPM+SSC井震聯合雙源激發是在可控震源生產管理系統(VPM)的基礎上結合井炮分布式激發控制器(SSC)開發的一種施工方法。該系統集成了可控震源和井炮雙源激發控制,并支持源驅動、動態掃描等高效采集方式。在井震雙源激發系統下,可為井炮設置時間-距離規則,實現井炮變間隔時間激發、遠距離同步激發,大幅度提高井炮采集效率。該系統的工作模式為由一臺VPM主機控制所有可控震源及SSC控制器,SSC控制器向下控制各爆炸機,形成可控震源與井炮兩套激發系統。可控震源自帶GPS衛星定位系統,可將自身坐標信息實時回傳至VPM主機上;井炮激發方面,為爆炸機配坐標收集器,可將采集到的GPS信息發送至SSC控制器,SSC控制器再將坐標信息通過自主網回傳至VPM主機,因此,在VPM管理系統界面上可同時顯示可控震源及爆炸機的位置信息及采集進度,便于生產指揮。操作人員可根據野外生產進度及現場實際情況,隨時切換井炮與可控震源兩種激發系統,切換無需等待時間。另外,系統默認同一時間只能激活一種激發系統,即可控震源進行滑動掃描的時候,井炮無法采集;井炮排隊采集的時候,可控震源同樣無法介入,這樣避免了井震重炮的問題。

VPM+SSC井震聯合雙源激發系統最大的優勢在于實現了井炮與可控震源采集的高度融合,無論在哪種激發模式下,都可以實現井震瞬時切換,不僅將激發間隔智能優化至最小,還提高了野外有效作業時間,真正做到了野外連續采集不間斷。圖2為VPM+SSC井震聯合雙源激發系統的工作原理圖。

圖2 VPM+SSC井震聯合雙源激發系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of VPM+SSC explosive-vibroseis combined dual source excitation system

3 實際應用效果

2022年鄂爾多斯盆地NXX三維項目應用井震聯合高精度預案設計、VPM+SSC井震聯合雙源激發等先進技術取得了較好的應用效果。

3.1 采集效率大幅提升

項目前期采用井炮源驅動系統加可控震源VPM激發系統實施采集,井炮單組的采集時效為180炮/時,井炮的采集時間由早上7點開始,至下午4點完成當日井炮采集任務,時長約10 h;可控震源從下午5點開始采集,由于采集時間較晚,采集過程中受阻事件頻發,至晚上9點采集工作被迫停止,全天采集日效約2 200炮/d。項目中期,應用VPM+SSC井震聯合雙源激發技術,為井炮設置了T-D規則,提高了空間與時間的轉換利用率,井炮采集時效由以往的180炮/h提升至240炮/h,采集效率提升33%,井炮采集時間由以往的下午4點結束降至下午1點結束,總采集時長縮短3 h。另外,井炮采集過程中,遇到受阻或搬點影響連續作業時,通過切換至可控震源采集系統,避免了采集時間的浪費。井炮的高效采集為可控震源爭取了更多的作業時間,不僅降低了可控震源夜間在村莊內施工的幾率,同時也保證了障礙區的可控震源實施率。項目應用VPM+SSC井震雙源激發技術后,采集日效提升至3 000炮/d,較以往提升36%。圖3為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維應用源驅動+VPM激發系統與VPM+SSC井震聯合雙源激發系統下的采集日效對比圖。

圖3 不同激發系統的采集日效對比圖Fig.3 Comparison of acquisition daily efficiency of different excitation systems

3.2 資料品質得到有效保障

項目加大了可控震源點位的布設,不僅提升了障礙區點位均勻性,還緩解了以往井炮實施難大的問題。對于一些存在不確定因素的區域設計了井、震兩套實施方案,便于隨時調整方案。精細的前期預案點位設計、動態的現場預案調整,保證了項目預案高實施率,最終項目預案實施率達到了97.88%。通過不同偏移距覆蓋次數分析,淺層資料無缺失,中深層覆蓋次數分布均勻,全偏移距覆蓋次數達到設計滿覆蓋的95%以上。圖4為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維采集點位分布圖,圖5為全偏移距下覆蓋次數分析圖。

圖4 NXX三維激發點位分布圖Fig.4 Distribution of NXX 3D shots

圖5 NXX三維覆蓋次數分析圖Fig.5 Analysis diagram of NXX 3D folds

均勻、有效的覆蓋次數使得最終資料品質得到明顯改善,資料有效頻寬得到拓展,層間信息明顯豐富,復雜構造的刻畫更加清晰,斷裂成像改善明顯。圖6為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維疊前時間偏移剖面,資料目的層反射形態清晰,層間信息豐富,延長組和石盒子組、太原組等地層可連續追蹤對比;深層成像效果好,地層間不整合接觸關系和構造特征比較清晰。

圖6 NXX三維疊前時間偏移剖面Fig.6 NXX 3D prestack time migration profile

4 結論

通過本項目的研究與實施,對復雜黃土山地區井震聯合高效采集技術的應用及發展方向,形成以下認識:

1)在復雜黃土山地區應用井震聯合預案設計技術可以大幅度提升點位均勻性,實施過程中,通過井震動態調整,可有效保證預案實施率。

2)應用VPM+SSC井震聯合雙源激發技術可實現井震高度融合、瞬時切換,通過設置T-D規則,可實現井炮與可控震源變間隔時間采集,有效提升采集效率。

3)相對于井炮激發方式,可控震源激發具有環保、安全、高效等優勢,在復雜黃土山地區加大可控震源的實施比例是項目提質增效重要措施。