川東灰?guī)r出露區(qū)地震采集觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.20240471

Abstract：Due to the high and steep underground structure in the limestone outcropping area of the eastern Sichuan Basin，the conventional geometryhas some problems，such as uneven ilumination and insuficient partial ilumination energy.Forthe high and steep structure of the eastern Sichuan Basin with high-precision seismic imaging，seismic ilumination analysis is an important method to guide the optimized design of seismic acquisition geometry in the region. By combining the surface and underground geological conditions in limestone outcropping areas of the eastern Sichuan Basin，this paper establishes the demonstration technology and process of geometry encryption based on seismic ilumination analysis.By conducting the design and demonstration of geometry encryption of the underlying structure in the limestone outeropping areas，the seismic illumination energy of the local shadow area of the geological target is effectively improved. Firstly，the surface encryption range is determined by adopting the 2D forward model for reverse illuminationanalysis，and then by employing the 3D geologicalmodel forforward modelinganalysis combined with the actual seismic data analysis，the acquisition geometry encryption scheme suitable for the limestone outcropping area in eastern Sichuan Basin is obtained.The technological implementation and application show that adding receiving linesat the topofthe structurecanefectively improve the seismic imaging effectof the highand steep complex structure area inthe east Sichuan Basin，and a technically effctive and economically feasible encryption scheme for the geometry can be obtained.

Keywords： eastern Sichuan area，limestone outcropping areas，high precision，seismic illmination，geometry，signal to noise ratio （SNR）

王曉陽，王勤耕，巫芙蓉，等，川東灰?guī)r出露區(qū)地震采集觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油地球物理勘探， 2025，60（4） ：861-869.

WANG Xiaoyang，WANG Qingeng，WU Furong，et al. Optimized design and application of seismic acquisition geometry in outcropping areas of limestone in eastern Sichuan Basin[J]. Oil Geophysical Prospecting，2025， 60（4） ：861-869.

0 引言

隨著油氣勘探開發(fā)力度的不斷加大，目標(biāo)更加復(fù)雜、隱蔽，尤其在高陡構(gòu)造區(qū)提升地震資料精度的需求也日趨迫切。地震采集觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效提升地下目標(biāo)的地震照明能量，進(jìn)一步改善復(fù)雜構(gòu)造的成像效果。因此，利用地震照明分析優(yōu)化設(shè)計(jì)采集觀測(cè)系統(tǒng)成為了提升高陡構(gòu)造地震資料品質(zhì)與成像精度的有效手段之一。

地震照明分析可分為射線類照明和波動(dòng)方程類照明，眾多學(xué)者對(duì)地震照明的方法原理及其在觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。射線照明可以描述非均勻介質(zhì)中不同角度的照明程度1，在一定程度上指導(dǎo)了采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但該方法是建立在高頻漸進(jìn)近似基礎(chǔ)上，不能處理復(fù)雜介質(zhì)散射、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象[2-4]。2002年，波動(dòng)方程理論引入到地震照明分析中，建立了基于波動(dòng)理論不同類型照明的計(jì)算方法，并提出了地下照明量度的概念，也就是地震波在地下傳播過程的能量大小分布[5。在此基礎(chǔ)上，通過雙程波單向照明與雙向照明等不同計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬[6-9]，提出了根據(jù)地面最優(yōu)炮點(diǎn)分布與最優(yōu)排列接收參數(shù)，以及局部加炮或加道方法[10來解決目的層反射能量不均勻的問題[11]。雙程波雙向照明方法精度較高，但效率較低，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，而單程波雙向照明方法的計(jì)算效率具有一定優(yōu)勢(shì)[12-14]。

有學(xué)者將上覆地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及目標(biāo)傾角因素統(tǒng)一納入到照明定量計(jì)算中[15]，給出了相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，并討論了照明分析在觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例[16]。也有學(xué)者針對(duì)碳酸鹽巖斷控縫洞儲(chǔ)集體的復(fù)雜地震地質(zhì)條件，提出了多源信息融合復(fù)雜近地表建模、復(fù)雜火成巖建模、地質(zhì)趨勢(shì)約束隨機(jī)縫洞體建模以及地質(zhì)約束建模一體化融合等方法，建立了更逼近真實(shí)地震地質(zhì)條件的地震地質(zhì)綜合模型，為地震數(shù)據(jù)的采集提供了更準(zhǔn)確的理論依據(jù)[]。以上針對(duì)照明分析計(jì)算方法的研究，主要利用數(shù)值模擬分析結(jié)論指導(dǎo)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而關(guān)于如何結(jié)合實(shí)際工區(qū)的地表?xiàng)l件與地下地質(zhì)目標(biāo)特征，通過方案論證優(yōu)化設(shè)計(jì)三維觀測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)研究和論述較少[18-19]

本文旨在建立川東高陡構(gòu)造區(qū)基于地震照明分析的觀測(cè)系統(tǒng)加密方案設(shè)計(jì)流程，通過科學(xué)論證獲得技術(shù)有效、經(jīng)濟(jì)可行的觀測(cè)系統(tǒng)加密方案，以便在川東高陡構(gòu)造區(qū)三維地震采集施工中進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用。

1 問題與挑戰(zhàn)

川東地區(qū)高陡構(gòu)造成排、成帶發(fā)育，地表出露巖性橫向變化大、速度變化快，導(dǎo)致地震資料品質(zhì)橫向差異大。高陡構(gòu)造區(qū)（構(gòu)造頂部）主要出露三疊系嘉陵江組、雷口坡組灰?guī)r，從淺到深資料品質(zhì)均較差；平緩構(gòu)造區(qū)（構(gòu)造翼部）地表主要出露砂泥巖，地震資料品質(zhì)較好。資料質(zhì)量差異大的原因主要有[20-22] ① 灰?guī)r出露區(qū)激發(fā)、接收條件差，面波、散射波等源至噪聲發(fā)育，導(dǎo)致地震原始資料信噪比低；② 高陡構(gòu)造復(fù)雜且斷裂發(fā)育，地震波場(chǎng)復(fù)雜，常規(guī)觀測(cè)的空間采樣密度不足，導(dǎo)致高陡構(gòu)造地震照明能量分布不均，構(gòu)造頂部照明能量弱于構(gòu)造翼部（圖1），頂部同相軸連續(xù)性較差，成像效果不佳（圖2）。

圖1二維模型正演照明能量分布

圖2川東地區(qū)二維地震老資料

圍繞高陡構(gòu)造高精度地震成像問題，地震資料采集主要面臨以下挑戰(zhàn)： ① 如何優(yōu)選灰?guī)r區(qū)激發(fā)、接收參數(shù)，一方面通過改善激發(fā)、接收條件提升有效弱反射能量，另一方面針對(duì)源至噪聲采用激發(fā)、接收組合有效壓制源至干擾，以提升灰?guī)r區(qū)原始資料信噪比； ② 如何在現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下優(yōu)化設(shè)計(jì)加密方案，主要通過提高空間采樣密度提升高陡構(gòu)造陰影區(qū)的照明能量1%，改善地震資料成像效果。

2技術(shù)原理

2.1 地震照明分析

地震照明是在地質(zhì)模型構(gòu)建完成和給定觀測(cè)系統(tǒng)方案的前提下，通過波動(dòng)方程正演模擬對(duì)地震波傳播能量進(jìn)行空間定量描述的方法。將激發(fā)或接收作為單一因素考慮，或?qū)⒓ぐl(fā)和接收作為共同作用因素考慮，地震照明可分為單向照明與雙向照明。單向照明就是源照明，只考慮激發(fā)或接收的單一因素；雙向照明就是炮一檢照明，在單向照明基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮地面檢波器的接收效應(yīng)[12，如在復(fù)雜構(gòu)造介質(zhì)中的地震波傳播。雙向照明的限定條件更苛刻，但計(jì)算結(jié)果相比單向照明更具有實(shí)際意義。

假定地下目標(biāo)被震源照明后，地震波能量全部被反射回地面，這種情況不需要考慮地下介質(zhì)的反射系數(shù)，只討論某一炮檢對(duì)產(chǎn)生的地震波能量在地下介質(zhì)中的分布情況。根據(jù)地震波傳播理論[13]，激發(fā)點(diǎn) s 激發(fā)引起地下任一點(diǎn) （x，z） 的振動(dòng)u（x_s;x，z，t） ，在頻率域表示為 U（x_s;x，z，ω） ，該振動(dòng)激發(fā)的地震波場(chǎng)向外傳播，接收點(diǎn) g 接收到的地震波場(chǎng)為，在頻率域表示為 U（x_s，x_g;x，z，ω） 如此，震源 s 激發(fā)、檢波器 g 接收的地震波在地下（Π_X，Z） 點(diǎn)的雙向照明強(qiáng)度就可以定義為

同理， N_s 個(gè)震源激發(fā)、每炮 N_g 個(gè)檢波器接收的觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下 （Π_X，Z） 點(diǎn)的雙向照明強(qiáng)度可表示為

在計(jì)算過程中，震源激發(fā)的地震波場(chǎng)在地下介質(zhì)中的下行傳播效應(yīng)、經(jīng)反射點(diǎn)產(chǎn)生的反射波場(chǎng)上行傳播效應(yīng)以及地面檢波器的接收效應(yīng)都體現(xiàn)在計(jì)算中，并具有非常明確的物理含義。

反向照明通常是以地下自標(biāo)層段為照明源，在介質(zhì)中向上傳播至地面，即將震源函數(shù)向上延拓至地表并記錄波場(chǎng)，分析地表的優(yōu)勢(shì)激發(fā)、接收范圍。

2.2 方案論證

加密方案論證的目的是確定觀測(cè)系統(tǒng)的加密范圍與加密方式（加密炮或加密道），就是結(jié)合地表與地下地質(zhì)條件，在常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上確定“在哪加密”與“如何加密”。觀測(cè)系統(tǒng)方案論證流程主要包括理論計(jì)算、模型正演、實(shí)際資料分析等。基于照明分析的加密方案論證流程如圖3所示。

圖3基于照明分析的加密方案論證流程

首先，根據(jù)高陡構(gòu)造區(qū)資料的解釋成果建立二維正演模型，并計(jì)算地下目標(biāo)層段的反向照明能量，分析確定高陡構(gòu)造主體區(qū)“在哪加密好？”。由于該區(qū)構(gòu)造頂部以灰?guī)r出露為主，構(gòu)造兩翼以石英砂巖、砂泥巖出露為主，需要根據(jù)地表不同出露巖性，精細(xì)劃分加密有利區(qū)。其次，結(jié)合灰?guī)r段與砂泥巖段實(shí)際單炮與道集資料，確定地表不同巖性區(qū)的炮或道哪個(gè)因素對(duì)資料貢獻(xiàn)較大。最后，在此基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)計(jì)兩種或幾種加密觀測(cè)系統(tǒng)方案，通過建立三維正演模型進(jìn)行照明，定量分析論證不同觀測(cè)方案對(duì)地下目標(biāo)的照明貢獻(xiàn)大小，優(yōu)選加密方案。

3技術(shù)應(yīng)用

3.1 模型建立

如圖4所示，高陡構(gòu)造由南向北貫穿新部署的LS三維工區(qū)中部（紅色框），選擇以往二維A、B、C測(cè)線控制工區(qū)中部高陡構(gòu)造的南北變化差異，利用A、B、C測(cè)線的地震資料解釋成果分別建立二維模型（圖5）。

3.2二維反向照明指導(dǎo)確定地面加密范圍

本輪勘探主要目的層為P，把高陡構(gòu)造主體區(qū)P1（圖5藍(lán)色段）作為照明源，開展反向照明分析論證，以獲得針對(duì)該目標(biāo)陰影區(qū)對(duì)照明貢獻(xiàn)最多的地表激發(fā)、接收范圍[15，23]

通過反向照明分析（圖6），A測(cè)線高陡構(gòu)造主體區(qū)的加密寬度為 4.6km，B 測(cè)線高陡構(gòu)造主體區(qū)的加密寬度為 6.6km ，C測(cè)線高陡構(gòu)造主體區(qū)的加密寬度為 6.0km 。

圖4川東地區(qū)LS三維工區(qū)地面地質(zhì)圖

圖5A、B、C測(cè)線對(duì)應(yīng)二維速度模型

圖6A、B、C測(cè)線目標(biāo)區(qū)的反向照明能量分布

將反向照明獲得的地面加密范圍投影到露頭剖面（圖7），可以看出有利加密區(qū)內(nèi)巖性包含三疊系嘉陵江和雷口坡灰?guī)r（構(gòu)造頂部）、須家河石英砂巖及少量的侏羅系砂泥巖（構(gòu)造翼部）。

3.3實(shí)際資料分析確定加密方式

為確定灰?guī)r區(qū)采用哪種加密方式（加密道或者加密炮）能獲得更好的地震數(shù)據(jù)，分別選取灰?guī)r與砂泥巖區(qū)相鄰點(diǎn)的10組實(shí)際地震資料的共炮點(diǎn)道集和共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)開展論證工作。共炮點(diǎn)道集資料反映激發(fā)效果，共檢波點(diǎn)道集資料反映接收效果。從共炮點(diǎn)道集（圖8a）可看出，在灰?guī)r區(qū)加密炮點(diǎn)會(huì)獲得更多類似圖8a的原始資料，而在灰?guī)r區(qū)加密接

收道，則會(huì)獲得更多類似圖8b的原始資料，有利于更多中、遠(yuǎn)道有效反射信息的接收。

在共炮點(diǎn)域自相關(guān)子波分析中，每道為共炮點(diǎn)道集自相關(guān)函數(shù)疊加，體現(xiàn)炮與炮之間的激發(fā)效果差異；在共檢波點(diǎn)域自相關(guān)子波分析中，每道為共檢波點(diǎn)道集自相關(guān)函數(shù)疊加，體現(xiàn)道與道之間的接收效果差異。

通過共炮點(diǎn)域和共檢波點(diǎn)域的子波一致性分析發(fā)現(xiàn)，共炮點(diǎn)域自相關(guān)子波（圖9a）存在激發(fā)條件差異引起的局部突變；共檢波點(diǎn)域自相關(guān)子波（圖9b）橫向一致性較好，主瓣穩(wěn)定，局部區(qū)域存在環(huán)境干擾影響。因此，灰?guī)r區(qū)接收域的一致性優(yōu)于激發(fā)域，即灰?guī)r區(qū)加密接收道更有利于提升地震資料的一致性。

3.4利用三維照明分析確定加密方案

在二維模型正演照明分析中，構(gòu)造頂部采用加道方式與采用加炮方式對(duì)構(gòu)造主體的照明能量提升的效果相當(dāng)；同樣，構(gòu)造兩翼采用加道方式對(duì)構(gòu)造主體的照明能量提升效果與采用加炮方式的效果相當(dāng)，見圖10、圖11。

圖10C測(cè)線二維地質(zhì)模型照明分析

圖11 C測(cè)線目的層照明度曲線

利用研究區(qū)內(nèi)已有的二維地震解釋成果建立三維模型（圖12），開展基于三維照明分析的觀測(cè)系統(tǒng)加密方案論證工作，設(shè)置以下三種方案進(jìn)行三維照明能量對(duì)比分析（表1）。其中，方案I為常規(guī)方案（圖13a），方案Ⅱ?yàn)闃?gòu)造頂部（圖13b），方案Ⅲ為構(gòu)造頂部加密接收線 + 翼部加密炮（圖13c）。采用常規(guī)方案，構(gòu)造主體的照明能量值在 1.42～2.64 （圖14a）;在構(gòu)造頂部加密接收線后，構(gòu)造主體的能量值為 2.39～4.37 （圖14b）；在構(gòu)造頂部加密接收線，同時(shí)兩翼加密炮后，構(gòu)造主體的能量值為 2.68～ 5.42（圖14c）。與常規(guī)方案照明能量相比（圖15），構(gòu)造頂部加密接收線后，構(gòu)造主體的照明能量最大值的增幅達(dá)到 65.5% ，照明能量最小值的增幅達(dá)到68.3% ；構(gòu)造頂部加密接收線，同時(shí)兩翼加密炮后，構(gòu)造主體的照明能量最大值的增幅達(dá)到 105.3% ，照明能量最小值的增幅達(dá)到 88.7% 。由此可見，相比常規(guī)方案，構(gòu)造頂部加密接收線和翼部加密炮方案，能夠大幅提升構(gòu)造主體區(qū)的地震照明能量。

圖12研究區(qū)三維模型圖

表1對(duì)比分析方案觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

圖13觀測(cè)系統(tǒng)排列片加密道方案

圖14沿目的層三維照明能量分布

圖15不同加密方案照明能量相比常規(guī)方案照明能量的增幅統(tǒng)計(jì)

4 實(shí)際資料效果

將上述三種方案應(yīng)用于LS三維項(xiàng)目中，對(duì)高陡構(gòu)造主體區(qū)地震資料進(jìn)行定性（圖16）和定量（圖17）分析。從成像效果上看，構(gòu)造頂部加密接收線后，構(gòu)造主體位置的成像效果明顯優(yōu)于常規(guī)方案的成像效果（圖16紅色箭頭），其同相軸更加連續(xù)，有效反射信息更加豐富，有效改善了主體構(gòu)造區(qū)的成像效果。而采用構(gòu)造頂部加密接收線十兩翼加密炮的方案，主體構(gòu)造區(qū)的成像效果與僅加密接收線的成像效果相當(dāng)。從信噪比分析結(jié)果上看，構(gòu)造頂部加密接收線十兩翼加密炮的方案獲得的地震資料信噪比和主頻最優(yōu)，但與構(gòu)造頂部加密接收線獲得的地震資料信噪比和主頻相差不大。

綜上所述，方案Ⅲ最優(yōu)，與理論結(jié)果一致，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，方案Ⅲ相對(duì)于方案Ⅱ，地震資料提升效果不明顯，采集成本卻劇增。因此，綜合考慮成本和地震資料成像效果，在川東高陡構(gòu)造頂部加密接收線是提升該區(qū)資料成像質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)有效的方法。

圖16LS三維高陡構(gòu)造主體區(qū)疊加資料效果對(duì)比藍(lán)色線為加密接收線位置；紅色線為加密炮位置。

圖17LS三維高陡構(gòu)造主體區(qū)疊加資料信噪比對(duì)比

5結(jié)論

川東灰?guī)r區(qū)采集觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要，本文通過理論論證與野外實(shí)踐得出以下結(jié)論。

（1）研究建立了基于照明分析的加密方案論證流程，結(jié)合二維、三維模型正演與照明分析獲得了灰?guī)r出露區(qū)技術(shù)有效、經(jīng)濟(jì)可行的觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化方案，并在川東灰?guī)r出露區(qū)三維地震采集實(shí)踐中規(guī)模應(yīng)用。

（2）灰?guī)r區(qū)相鄰共炮點(diǎn)和共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)以及炮域與檢波點(diǎn)域子波一致性的論證分析表明，在灰?guī)r區(qū)加密接收道能獲得更多的中、遠(yuǎn)道有效信號(hào)，加密道優(yōu)于加密炮。

（3）結(jié)合三維照明能量分析和實(shí)際資料成像效果對(duì)比分析得出：在構(gòu)造頂部加密接收線可有效改善川東高陡復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地震成像效果。

感謝天府青城計(jì)劃項(xiàng)目《雙復(fù)雜深層/超深層油氣地震技術(shù)攻關(guān)》支助；感謝東方物探公司采集技術(shù)中心、西南物探分公司與研究院在本次研究工作中的大力支持和幫助！

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（本文編輯：趙君）

作者簡(jiǎn)介

王曉陽高級(jí)工程師，1982年生；2006年獲長江大學(xué)勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2009年獲該校地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，2022年獲成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位；目前就職于中國石油東方物探公司西南物探分公司，主要從事山地地震采集技術(shù)攻關(guān)工作。