姚 江

(中國石油化工集團公司石油工程地球物理有限公司,北京100029)

隨著東部油區(qū)勘探開發(fā)進程的不斷深入，復(fù)雜斷塊、隱蔽及巖性油氣藏等地質(zhì)問題逐步成為亟需解決的主要問題。三維觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的采集腳印會嚴(yán)重影響地震資料精度的提高。因此，在進行高精度地震勘探時，應(yīng)盡量減小觀測系統(tǒng)屬性差異帶來的后續(xù)資料處理與解釋誤差。

國內(nèi)外關(guān)于觀測系統(tǒng)設(shè)計問題的研究很多。20世紀(jì)90年代以前，觀測系統(tǒng)設(shè)計人員主要依靠采集設(shè)計經(jīng)驗來進行三維觀測系統(tǒng)設(shè)計；90年代以后，Vermeer提出了均衡采樣法，但這種方法仍是一種定性描述方法，有關(guān)觀測系統(tǒng)屬性定量分析的方法一直較少見諸報道[1-5]。近幾年，針對觀測系統(tǒng)屬性定量分析方法的研究力度逐漸加大，尹成等[6]從炮檢距分布的均勻性，即炮檢距變化率的方差最小化出發(fā)，建立起觀測系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)化選擇的目標(biāo)函數(shù)；吳永國等[7]引用均值、方差和加權(quán)因子概念，提出了一種面元內(nèi)炮檢距均勻度的定量估算方法，通過計算滿覆蓋區(qū)域內(nèi)所有面元炮檢距均勻度標(biāo)準(zhǔn)方差來描述整個觀測系統(tǒng)均勻度。

我們首先基于文獻[7]提出的面元內(nèi)炮檢距均勻度定量分析方法，計算對比正交、斜交、磚墻、奇偶等多種觀測系統(tǒng)的均勻度，以優(yōu)選面元屬性的均勻性最好的觀測系統(tǒng)；然后從觀測系統(tǒng)屬性的變化規(guī)律出發(fā)，分析接收點距、激發(fā)點距、束線距等參數(shù)變化對采集腳印的影響，以明確觀測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方向。進一步通過勝利探區(qū)三維觀測系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)選的實際應(yīng)用，來說明所論觀測系統(tǒng)優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)化方法的實用性。

1 觀測系統(tǒng)屬性變化規(guī)律分析

1.1 觀測系統(tǒng)屬性變化規(guī)律

在進行三維地震勘探觀測系統(tǒng)屬性分析時，通常的判斷標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)其覆蓋次數(shù)分布是否均勻[8-11]。但由于目前采用的三維觀測系統(tǒng)均需要炮檢點的縱、橫向滾動才能保證覆蓋次數(shù)均勻，從而造成了其它屬性的差異。圖1顯示了常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)分布。從圖1中可以清楚地看到，其滿次范圍內(nèi)覆蓋次數(shù)分布非常均勻，不存在差異。但如果進一步分析其單個面元的屬性和其它屬性時，可見面元內(nèi)部的炮檢距分布非常不均勻，面元間的差異明顯。圖2是常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)疊加響應(yīng)分析結(jié)果。

通過對不同觀測系統(tǒng)的屬性進行分析，發(fā)現(xiàn)這種差異呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化，在縱向和橫向上均表現(xiàn)為每隔一定數(shù)量的面元后，其各種屬性的變化完全重復(fù)。從圖2疊加組合響應(yīng)分析可以看出，常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)屬性在橫向上每18個面元重復(fù)一次，縱向上每6個面元重復(fù)一次。從炮檢距分布及方位角分布可以得到相同的結(jié)論，且每隔一個變化周期，面元的炮檢距屬性和方位角完全一樣。

圖1 常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)分布

圖2 常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)疊加響應(yīng)分析結(jié)果

1.2 觀測系統(tǒng)屬性周期性變化原因分析

為尋求了解該差異現(xiàn)象的實質(zhì)，研究面元內(nèi)反射信息的來源點。將面元內(nèi)不同來源點的反射信息簡記為s(i)，其中s表示炮序號，i表示道序號，如：1(3)即表示面元內(nèi)由第1炮激發(fā)、第3道接收獲得的反射信息。

應(yīng)用上述分析方法，對常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)的縱向差異進行剖析。圖3記錄了該觀測系統(tǒng)在縱向上各面元內(nèi)的不同炮檢點的組合。從圖3可以看出，縱向面元屬性呈規(guī)律性變化，間隔周期為6個面元，與疊加組合響應(yīng)的分析結(jié)果完全一致。

圖3 常規(guī)6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)滿覆蓋范圍內(nèi)各面元縱向反射信息

同樣，橫向面元屬性也呈規(guī)律性變化，間隔周期為18個面元，與疊加組合響應(yīng)分析結(jié)果完全一致。

觀測系統(tǒng)屬性周期性變化原因的分析表明，觀測系統(tǒng)在橫向和縱向上產(chǎn)生的不均勻性是因為炮點在橫向和縱向滾動過程中，在每個CMP點產(chǎn)生了相對位置不同的炮檢點組合，使得每個面元的炮檢距和方位角分布產(chǎn)生變化。這種變化在橫向和縱向都沿著各自的周期反復(fù)變化，這就是觀測系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻性的實質(zhì)，周期越長，說明觀測系統(tǒng)屬性差異變化越大，也就是說采集腳印現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2 觀測系統(tǒng)屬性評價方法

不同觀測系統(tǒng)參數(shù)會造成面元內(nèi)炮檢距的均勻性分布特征不相同。觀測系統(tǒng)滿覆蓋面元內(nèi)炮檢距分布的均勻性可以作為衡量觀測系統(tǒng)優(yōu)劣的一個主要指標(biāo)，主要由兩個參數(shù)來表示：一是炮檢距值均勻性特征(炮檢距分布均勻度)；二是炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)(可用柱狀圖、曲線圖或玫瑰圖表示)。第1個參數(shù)表示炮檢距值的整體均勻性；第2個參數(shù)衡量炮檢距集中分布的范圍。某個炮檢距范圍內(nèi)分布的中點個數(shù)越多，說明該范圍的炮檢距分布越密集，我們采用滿覆蓋范圍中的面元內(nèi)各個偏移距出現(xiàn)的次數(shù)的方式來描述炮檢距比較集中分布的情況，即炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)。

2.1 炮檢距分布均勻度

面元內(nèi)炮檢距分布均勻度用下列公式表示[7]：

(1)

其中，

(2)

式中：U表示炮檢距分布均勻度；F為面元的覆蓋次數(shù)(炮檢對數(shù)量)；Xr為實際炮檢距；XtN為對應(yīng)第N個理想炮檢距值，XtN=[(Xmax-Xmin)/(F-1)]·(N-1)+Xmin(或XtN=(Xmax/F)·N，Xmin=0)，計算中每個XtN只能使用一次，故XtN只能使用未使用的與某個Xr最接近的理想炮檢距值；ΔXt=(Xmax-Xmin)/(F-1)(或ΔXt=Xmax/F)；Wx為Xr與對應(yīng)計算的XtN的以ΔXt為基數(shù)的距離取整加1。均勻度U越接近1，說明面元內(nèi)炮檢距分布越均勻。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)方差

盡管滿覆蓋區(qū)域內(nèi)各面元的覆蓋次數(shù)相同，但炮檢距分布存在差異，因此某一個面元內(nèi)炮檢距分布均勻程度并不能夠代表整個觀測系統(tǒng)整體的炮檢距分布均勻性，為了能夠定量分析觀測系統(tǒng)整體炮檢距分布均勻性，引入標(biāo)準(zhǔn)方差來表示觀測系統(tǒng)整體炮檢距分布的均勻程度：

(3)

2.3 采集腳印變化周期

當(dāng)覆蓋次數(shù)和地層深度一定時，采集腳印周期只與接收線距和炮點距有關(guān)。采集腳印的周期為

(4)

式中：E為反射點移動距離(m)；L為接收點反射間隔(m)；I(L,E)為達到一次覆蓋的反射點間隔(m)；S為達到一次覆蓋的炮點數(shù)量，S=I(L,E)/E；R為達到一次覆蓋的檢波線數(shù)量，R=2(I(L,E)/L)；F為達到N次覆蓋所需要的檢波線數(shù)量，F(xiàn)=RN；D為達到N次覆蓋所需要的炮數(shù)，D=SN；N為需要的覆蓋次數(shù)。

3 不同類型觀測系統(tǒng)分析與優(yōu)選

我們選擇正交、斜交、磚墻、奇偶4種觀測系統(tǒng)(表1)進行對比分析。根據(jù)均勻度U的數(shù)學(xué)定義，分別計算均勻度的極小值(Umin)、極大值(Umax)、平均值(Uave)、均方根值(Urms)和標(biāo)準(zhǔn)方差(Ugeo)，采用統(tǒng)計方法來定量評價不同類型觀測系統(tǒng)的屬性。均方根值反映了面元內(nèi)屬性的均勻性，方差大小反映了面元間均勻度的相近性。只有均勻度值越接近于1，相鄰面元的均勻度值又比較接近，該觀測系統(tǒng)所對應(yīng)的面元屬性才是均勻的。

表2為4種不同類型觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計結(jié)果。對比來看，正交觀測系統(tǒng)均勻度平均值最接近1，標(biāo)準(zhǔn)方差最小，表明正交觀測系統(tǒng)均勻度最好。圖4為4種類型觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計曲線。圖5 為4種類型觀測系統(tǒng)的炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)，從圖5可以看出,不同類型觀測系統(tǒng)的炮檢空間分布特征相近。

4種不同類型觀測系統(tǒng)均勻度分析結(jié)果表明，正交式觀測系統(tǒng)的面元屬性的均勻性最好，其次是斜交式和奇偶式觀測系統(tǒng)，磚墻式觀測系統(tǒng)的面元屬性的均勻性最差。

表1 4種不同類型觀測系統(tǒng)參數(shù)

表2 4種不同類型觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計結(jié)果

圖4 4種不同類型觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計曲線(a)和均勻度標(biāo)準(zhǔn)方差(b)

圖5 4種不同類型觀測系統(tǒng)的炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)的關(guān)系曲線

4 觀測系統(tǒng)參數(shù)對采集腳印的影響

在三維地震觀測系統(tǒng)參數(shù)與采集腳印的關(guān)系方面，國內(nèi)已有很多研究[8-11]。目前應(yīng)用較多的方法是通過正演計算地震波傳播過程中滿足Zoeppritz方程組條件的一種近似能量變化權(quán)系數(shù)，模擬特定觀測系統(tǒng)參數(shù)下反射波振幅能量變化，利用針對目的層的模擬振幅水平切片來進行采集腳印分析[12]。我們主要通過分析不同參數(shù)變化對采集腳印周期的影響，以明確實際生產(chǎn)中三維地震觀測系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)優(yōu)化方向。

對于同一種觀測系統(tǒng)，不同的參數(shù)也會引起觀測系統(tǒng)屬性變化，增強或減弱采集腳印的影響。下面仍以6線9炮束線狀正交觀測系統(tǒng)為例，分析幾個主要參數(shù)對采集腳印的影響。

4.1 接收線距的影響

保持炮點距不變，將6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)的接收線距增大到400m，則由(4)式可知，達到一次覆蓋的炮點數(shù)S為4，達到一次覆蓋的檢波線數(shù)R為2，需要的覆蓋次數(shù)N為3，而達到3次覆蓋所需的檢波線數(shù)F為6，達到3次覆蓋所需的炮數(shù)D為12。覆蓋次數(shù)分布很均勻，但在疊加組合響應(yīng)圖中面元屬性呈周期性變化，變化周期為24。由圖2可知，常規(guī)6線9炮觀測系統(tǒng)的采集腳印周期為18。可見，增大接收線距將加大采集腳印的周期。

但是，如果將接收線距減小為200m，則S為2，R為2，N仍為3，而F為6，達到3次覆蓋所需的炮數(shù)D為6。所形成的觀測系統(tǒng)不僅覆蓋次數(shù)很均勻，而且疊加組合響應(yīng)圖中面元屬性的變化周期減小為12。因此，減小接收線距可以減小采集腳印的周期，減弱采集腳印的影響(圖6)。

圖6 6線9炮束線狀觀測系統(tǒng)減小接收線距后的疊加響應(yīng)分析結(jié)果

4.2 炮點距的影響

保持接收線距不變，同時將6線9炮束線狀正交觀測系統(tǒng)的炮點距增大到200m，則S為3，R為4，N仍為3，而F為12，采集腳印周期為36，達到了常規(guī)6線9炮觀測系統(tǒng)采集腳印周期的兩倍，炮點距增大后的觀測系統(tǒng)不均勻性更加明顯。因此，炮點距增大將加大采集腳印周期。如果將炮點距減小到50m，則S為6，R為2，N仍為3，而F為6，覆蓋次數(shù)分布非常均勻。但在疊加組合響應(yīng)圖中面元屬性成周期性變化，變化周期仍是36。所以，減小炮點距不能減小采集腳印周期。

4.3 束線距的影響

6線9炮正交觀測系統(tǒng)束線移動距離為900m，重復(fù)3個排列。如果減小束線移動距離，即在保持其它參數(shù)不變的情況下改變?yōu)?線3炮觀測系統(tǒng)，則其第1個面元與第6個面元相同，所以面元屬性變化周期是6，比6線9炮時采集腳印周期縮短了。因此，減小束線滾動距離也是減弱采集腳印影響的方法。

5 實際應(yīng)用效果

在勝利油田B12區(qū)塊三維地震采集觀測系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計了20L15S和32L40S兩種觀測系統(tǒng)，采用本文方法優(yōu)選了20L15S的正交觀測系統(tǒng)，取得了較好的勘探效果。表3是兩種觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計結(jié)果，對比可見，方案20L15S的均勻性更好。圖7是兩種觀測系統(tǒng)炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)對比結(jié)果，可見主要目的層1000～3500m范圍內(nèi)，方案20L15S炮檢距與面元內(nèi)平均中點分布更加均勻。兩種方案20L15S與32L40S相比，束線距由1000m優(yōu)化為750m，接收線距由200m優(yōu)化為150m。圖8是兩種觀測系統(tǒng)采集主要目的層1000～3500m觀測系統(tǒng)屬性采集痕跡分析對比結(jié)果，可見方案20L15S采集痕跡更小。圖9是新、老剖面的對比結(jié)果，可以看出，通過優(yōu)化觀測系統(tǒng)設(shè)計，采用20L15S正交觀測系統(tǒng)采集資料的品質(zhì)明顯提高，低序級小斷層成像效果良好，小斷層組合可以準(zhǔn)確刻畫，分辨率明顯提高。

表3 20L15S和32L40S觀測系統(tǒng)均勻度U統(tǒng)計結(jié)果

圖7 20L15S(a)和32L40S(b)觀測系統(tǒng)的炮檢距與面元內(nèi)平均中點個數(shù)對比

圖8 20L15S(a)和32L40S(b)觀測系統(tǒng)對1000～3500m主要目的層的采集痕跡對比

圖9 老剖面(a)和新剖面(b)上斷層成像效果對比

6 幾點認識

總結(jié)不同觀測系統(tǒng)類型、不同觀測系統(tǒng)參數(shù)與觀測系統(tǒng)屬性關(guān)系的分析結(jié)果，取得以下認識：

1) 束線狀觀測系統(tǒng)由于橫向炮點距、束線距和縱向炮線距的存在，觀測系統(tǒng)屬性存在不均勻性，這種差異性呈現(xiàn)一定的周期性變化；

2) 不同觀測系統(tǒng)類型是影響屬性不均勻性的主要原因，正交式觀測系統(tǒng)的面元屬性的均勻性最好，其次是斜交式和奇偶式觀測系統(tǒng)，磚墻式觀測系統(tǒng)的面元屬性的均勻性最差；

3) 觀測系統(tǒng)參數(shù)的變化也能引起屬性差異，減小接收線距、減小炮線距、減小束線距可以削弱觀測系統(tǒng)的采集腳印。

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