劉忠群,杜春江,金東民

(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司,河南鄭州450006)

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黃土塬區(qū)三維地震采集炮檢點優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究及應(yīng)用

劉忠群,杜春江,金東民

(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司,河南鄭州450006)

摘要:巨厚黃土和地形起伏劇烈是影響黃土塬采集的地震資料品質(zhì)的關(guān)鍵因素,如何在黃土塬探區(qū)自動、高效、合理地選擇有利區(qū)域布設(shè)炮檢點對于提高地震資料品質(zhì)至關(guān)重要。在地震數(shù)據(jù)采集理論設(shè)計的基礎(chǔ)上,綜合利用高精度衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字高程模型、近地表調(diào)查數(shù)據(jù)等建立地震資料采集區(qū)域地形地貌和地理信息數(shù)字模型,通過對比研究,將炮檢點布設(shè)區(qū)分為5類,即沖溝、匯流溝等資料較好的首要布設(shè)區(qū),塬、峁等可布設(shè)調(diào)整區(qū),陡坡等緩布調(diào)整區(qū),山脊和山頂避高區(qū),地表障礙禁炮區(qū)等,再根據(jù)這些區(qū)域的優(yōu)先級別進一步優(yōu)化采集設(shè)計,形成一套炮檢點優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于鄂爾多斯盆地南部的彬長三維工區(qū)地震采集設(shè)計,優(yōu)化后適當(dāng)增補了炮檢點,炮點調(diào)整率近30%,新采集的地震資料疊加剖面的淺、中、深反射波組齊全、連續(xù)性較好,應(yīng)用效果表明,該技術(shù)使用方便、快捷,能夠有效提高黃土塬探區(qū)采集的地震資料品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：黃土塬;高精度衛(wèi)星遙感影像;數(shù)字高程模型;三維采集設(shè)計;炮檢點優(yōu)化

黃土塬探區(qū)是我國主要的油氣勘探地區(qū)之一,如中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司和中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司位于鄂爾多斯盆地南部的鎮(zhèn)涇、彬長、渭北油田等探區(qū)。鄂爾多斯盆地中生界儲層中河道砂體發(fā)育、砂體分布不規(guī)律,橫向厚度變化大;儲層非均質(zhì)性強,物性橫向變化快;油藏展布及結(jié)構(gòu)受構(gòu)造和巖性控制。為實現(xiàn)高效勘探開發(fā),要求地震資料有較高的信噪比和分辨率。

黃土塬表層結(jié)構(gòu)以“溝、梁、塬、峁、坡”為典型特征[1]：黃土厚度大多為200～400m,實鉆最大可達450m;地勢起伏為200～300m;潛水面較深，為25～100m,呈倒漏斗狀,在塬的中心部位潛水面較淺,水層厚度大,在塬的邊緣部位潛水面較深,水層厚度較薄甚至沒有。這種復(fù)雜表層結(jié)構(gòu)對地震資料品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在：一是黃土的吸收衰減作用,黃土厚度越大,吸收衰減越嚴(yán)重,資料信噪比越低,當(dāng)黃土厚度大于200m時,如果不能在潛水層或膠泥層中激發(fā),則很難獲得有效反射信息;二是黃土層與下伏基巖的波阻抗差很大,造成屏蔽作用,激發(fā)能量下傳很弱[2];三是斜坡帶的影響復(fù)雜[3-7],可歸納為：①反射波傳播路徑受到限制,坡越陡,接收到的反射波面積就越小;②斜坡區(qū)激發(fā)能量逸散;③含水性相對差,不宜找到合適的激發(fā)層位;④炮點和接收點組合方式會因坡度變化,導(dǎo)致組合效應(yīng)發(fā)生改變;⑤不同地形區(qū)域的炮間能量、信噪比差異大。這種復(fù)雜表層結(jié)構(gòu)引起的靜校正、干擾波問題[8-10]等都會對后續(xù)的去噪、一致性處理及地震屬性反演產(chǎn)生很大影響。

黃土塬探區(qū)以往采集的地震資料信噪比低,成像精度低,提高分辨率的難度大,難以滿足精細(xì)構(gòu)造解釋和巖性解釋的需要,因此急需能夠有效提高資料品質(zhì)的、因地制宜的采集技術(shù)方法。在設(shè)計此類地區(qū)的三維地震觀測系統(tǒng)時,通常在正測網(wǎng)觀測系統(tǒng)的控制下提高地震資料信噪比的主要措施有[11-12]：①盡量沿溝布設(shè)炮點以獲取良好的地震資料,在大面積塬上通常采用組合井、深井激發(fā)(因有較穩(wěn)定的潛水面);②避開狹窄的峁、梁及坡度較大的斜坡帶(區(qū)域激發(fā)條件很差,干擾波發(fā)育,資料品質(zhì)橫向不一致);③將炮點從較厚的黃土區(qū)移到較薄的黃土區(qū);④盡量避開障礙物(如城鎮(zhèn)、廠礦等)?？傊?可概括為“避高、避陡、避厚、避障礙”。在以往施工中,這些措施主要以人工踏勘為主,以測量數(shù)據(jù)、地形圖、衛(wèi)片為輔來實施,效率非常低。

本文首先對影響黃土塬探區(qū)地震資料品質(zhì)的地形、地貌進行了分區(qū)分類,確定了炮檢點布設(shè)的優(yōu)先級別;再綜合分析高精度衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字高程模型、近地表調(diào)查成果數(shù)據(jù)等信息,形成了一種地形地貌自動快速識別技術(shù);針對不同區(qū)域按照優(yōu)先級別、斜坡坡度分區(qū)原則、黃土厚度分區(qū)原則等完成炮檢點的初步優(yōu)化布設(shè),并根據(jù)初步優(yōu)化后的面元、偏移距、方位角屬性分析結(jié)果對炮點進行二次優(yōu)化,從而實現(xiàn)復(fù)雜地表條件下通過炮檢點優(yōu)化布設(shè)來提高地震資料品質(zhì)的目的。該方法在彬長三維工區(qū)地震數(shù)據(jù)采集中進行了實際應(yīng)用。

1炮檢點優(yōu)化布設(shè)方法

1.1地貌特征及其快速識別技術(shù)

1.1.1地貌特征區(qū)域劃分

根據(jù)黃土塬探區(qū)地形、地貌特征對勘探激發(fā)的限制和影響,其地形勘探屬性可分為：①沖溝——首布設(shè)區(qū)(圖1中綠色線條);②匯流溝——首布設(shè)區(qū)(圖1中深綠色的河道);③陡坡——緩布調(diào)整區(qū)(圖1 中淺藍色區(qū)域);④山脊和山頂——避高區(qū)(圖1中紫色線條);⑤塬——可布設(shè)調(diào)整區(qū)(圖1中淺灰色區(qū)域)等。

獲得的工區(qū)內(nèi)分辨率為10m的衛(wèi)星遙感影像資料和地表高程數(shù)字模型(digital elevation model,DEM)30m×30m的網(wǎng)格數(shù)據(jù),能夠滿足地震勘探觀測系統(tǒng)設(shè)計的精度要求。對有關(guān)衛(wèi)星遙感影像、DEM數(shù)據(jù)進行編輯整理,進行高程數(shù)字模型網(wǎng)格細(xì)化,同時完成衛(wèi)星遙感影像圖坐標(biāo)校準(zhǔn),這是黃土塬地形、地貌矢量化的重要基礎(chǔ)資料。通過DEM三維圖形與DEM平面等值線圖形以及衛(wèi)星遙感影像中特征地形和地貌圖形之間對比、分析,進行黃土塬特征地形、地貌地理信息矢量化,以提高地理信息識別的準(zhǔn)確性和高效性。

1.1.2地貌特征快速識別技術(shù)

基于DEM數(shù)據(jù),利用DEM提取地形特征點,由一個3×3或更大的網(wǎng)格窗口,通過中心網(wǎng)格點與鄰域內(nèi)8個網(wǎng)格點的高程差、相對距離、方向等信息判斷滿足特定條件的所有山頂點,然后以山頂點等值線封閉屬性確定真實的山頂點和所形成的避高區(qū)域矢量化地理信息。圖2為某工區(qū)根據(jù)DEM數(shù)據(jù)確定的山頂“避高”區(qū)(圖中淺藍色區(qū)域)。

根據(jù)DEM網(wǎng)格數(shù)據(jù)中3×3的網(wǎng)格窗口對中心網(wǎng)格點高程、距離、方向進行坡度分析,獲得所有網(wǎng)格點的坡度值,然后在給定判斷閾值的條件下實現(xiàn)不同坡度區(qū)域邊界的追蹤。最后把追蹤結(jié)果轉(zhuǎn)換為地理信息矢量化數(shù)據(jù),統(tǒng)計出不同坡度區(qū)域的面積。圖3為某三維工區(qū)最終識別的斜坡區(qū)不同坡度矢量圖。圖3a中淺藍色區(qū)域表示坡度大于8°的斜坡區(qū);圖3b和圖3c中淺藍色和紅色區(qū)域分別表示坡度大于15°,25°的斜坡區(qū);圖3d中淺藍色區(qū)域為坡度大于35°的區(qū)域,也是施工中要重點避開的“避陡”區(qū)域。

圖1　黃土塬特征地形、地貌地理屬性分類顯示

圖2　DEM山頂與搜尋封閉等值線

采用同樣的算法可以得到?jīng)_溝、山脊的矢量化區(qū)域圖。圖4顯示了某三維工區(qū)局部DEM沖溝、山脊分析結(jié)果。圖中綠色、黃色線條為沖溝,可作為有利布設(shè)區(qū);紅褐色線條表示山脊,為避高區(qū)域;藍色區(qū)域為斜坡區(qū)域。

1.2炮檢點優(yōu)化布設(shè)方法及流程

1.2.1避高、避陡優(yōu)化設(shè)計方法

激發(fā)點空間位置在滿足主要目的層地震采集屬性的前提下對其進行分析調(diào)整,調(diào)整原則是“坡度分區(qū),一區(qū)一策”。根據(jù)1.1節(jié)地形地貌特征識別結(jié)果,將工區(qū)劃分為5種坡度區(qū)域,即：小于5°,5°～15°,15°～25°,25°～35°和大于35°,所有斜坡區(qū)內(nèi)炮點位置均由大于35°區(qū)域向25°～35°區(qū)域調(diào)整,25°～35°區(qū)域向15°～25°區(qū)域調(diào)整,以此類推。結(jié)合地理特征,沖溝和匯流溝等5°以下區(qū)域列為首布設(shè)區(qū),倘若不能調(diào)整到首布設(shè)區(qū),先判斷將可調(diào)整區(qū)(斜坡5°～35°)調(diào)整到可布設(shè)調(diào)整區(qū)(如塬上);倘若不能調(diào)整到可布設(shè)調(diào)整區(qū),則保持該激發(fā)點在陡坡的空間位置不變。如果激發(fā)點空間位置包含山脊、山頂?shù)匦?地理信息區(qū)域內(nèi)坡度大于35°,要求以激發(fā)點最大可調(diào)整范圍進行避開調(diào)整,首選首布設(shè)區(qū)布設(shè),其次考慮在最大可調(diào)整范圍內(nèi)選擇最低海拔空間位置,實現(xiàn)避高優(yōu)化。如果激發(fā)點空間位置在地表障礙禁炮區(qū)內(nèi),在避開禁炮地理信息的前提下,優(yōu)化選擇最佳空間位置,彌補缺失激發(fā)點的采集屬性。

圖3　某三維工區(qū)局部矢量化坡度顯示a 8°以上斜坡; b 15°以上斜坡; c 25°以上斜坡; d 35°以上斜坡

圖4　某三維工區(qū)局部DEM沖溝、山脊分析結(jié)果

1.2.2避厚優(yōu)化設(shè)計方法

堅持“厚度分區(qū),一區(qū)一策”。避厚原則就是利用工區(qū)勘探、開發(fā)井的實鉆資料和野外實測資料繪制的黃土厚度圖,將激發(fā)點空間位置從黃土厚度大于400m的地方,調(diào)整到380m或更薄處;從黃土厚度為380～360m處調(diào)整至360m或更薄處,以此類推;匯流溝邊激發(fā)點調(diào)至溝中,河道高岸處的調(diào)至河道;黃土厚度大于300m的激發(fā)點,若不能調(diào)整,就加大組合基距和增加組合井?dāng)?shù)。地形和厚度優(yōu)化點數(shù)不得小于總物理點數(shù)的15%。

1.2.3避障礙優(yōu)化設(shè)計方法

密點實測,以道補炮或以炮補道。遇大型障礙物(如城鎮(zhèn)、廠礦等)時,采用加密炮點、檢波點的方式,一般采用以道補炮或以炮補道的方式。

1.2.4面元屬性分析

對避高、避厚、避陡、避障礙優(yōu)化調(diào)整所造成的CMP面元偏移距、方位角的非均勻性進行分析判斷,增加炮點或接收點以彌補面元屬性的不足,指導(dǎo)觀測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。判斷依據(jù)主要有兩個：①方位角均勻性定量分析,先計算滿覆蓋區(qū)域的每個面元內(nèi)的方位角分布的非均勻系數(shù),然后計算所有面元的方位角非均勻系數(shù)的平均值,最后得到整個觀測系統(tǒng)滿覆蓋區(qū)的非均勻系數(shù),藉此來評價整個觀測系統(tǒng)的方位角均勻性;非均勻系數(shù)越小,均勻性越好;②炮檢距均勻性分析,先計算滿覆蓋區(qū)域的每個面元內(nèi)的炮檢距分布的非均勻系數(shù),然后計算所有面元的炮檢距非均勻系數(shù)的平均值,最后得到整個觀測系統(tǒng)滿覆蓋區(qū)的炮檢距非均勻系數(shù),用此評價整個觀測系統(tǒng)的炮檢距均勻性;非均勻系數(shù)越小,均勻性越好。

2應(yīng)用實例

以鄂爾多斯盆地南部的彬長地區(qū)某三維地震數(shù)據(jù)采集為例,介紹黃土塬炮檢點優(yōu)化布設(shè)技術(shù)的實際應(yīng)用及效果。該工區(qū)屬于典型黃土塬地區(qū)。圖5為結(jié)合衛(wèi)星遙感影像與DEM高程等值線圖得到的矢量化地理信息圖,圖中土黃色區(qū)域為塬,淺藍色區(qū)域為斜坡區(qū),斜坡區(qū)中的黃色線條為沖溝,深藍色線條為山脊。該圖是實現(xiàn)炮檢點優(yōu)化布設(shè)的基礎(chǔ)圖件。

圖5　彬長地區(qū)三維矢量化地理信息顯示

2.1炮檢點優(yōu)化設(shè)計

2.1.1優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)建立的矢量化地理信息,在正測網(wǎng)的基礎(chǔ)上,對自動識別出的山頂、山脊等坡度較大的地段(圖5中藍色線條區(qū)域)的炮點進行“避高、避陡、避厚”調(diào)整。圖6為調(diào)整之后的炮點分布圖,從圖7局部放大圖可以看出,原來規(guī)則的炮點排列除在塬、沖溝、大的河道位置保持不變外,紫色線條附近的山脊、山頂?shù)呐邳c位置都依次向黃色線條附近的沖溝作了位移。沖溝上游炮點位置根據(jù)坡度、厚度分區(qū)原則依次向下游進行了位移。

2.1.2加密炮點

對炮點進行避陡、避高、避障礙的優(yōu)化設(shè)計后,必然會造成某些區(qū)域的空炮距離過大,影響目的層段疊加次數(shù)的均勻性。例如：工區(qū)的156束至168束測線的排列經(jīng)過某鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū),有些區(qū)域炮點過密,有些區(qū)域炮點空缺,東西向炮點最大缺口達到540m,按照初步優(yōu)化后的炮點分布,目的層段疊加次數(shù)分布見圖8,目的層理論滿覆蓋區(qū)域最高覆蓋次數(shù)達到161次(圖中黃色部分),最低111次,疊加次數(shù)相差較大、均勻性較差。因此,在炮點位置初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上又調(diào)整和增加了部分炮點。圖9為炮點加密后的156束至168束測線炮點分布圖。圖中紅點表示直接選取的理論炮點;紅色外圈紫色實心的點表示對比后選擇出來的采集屬性更好的炮點;綠點表示用來彌補相鄰測線束覆蓋次數(shù)不足而增加的炮點。通過炮點整體優(yōu)化設(shè)計,空炮區(qū)域減小,過鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域理論最高滿覆蓋次數(shù)達到155次,最低111次,疊加次數(shù)的均勻性更好一些(圖10)。

圖6　彬長三維工區(qū)優(yōu)化設(shè)計炮點分布(圖中紅點為炮點)

2.1.3區(qū)域內(nèi)面元屬性均勻性分析

對本工區(qū)的炮檢點優(yōu)化設(shè)計分布進行面元屬性均勻性分析。圖11為優(yōu)化設(shè)計后疊加次數(shù)分布圖。每一個數(shù)字區(qū)域代表一個面元,數(shù)字代表疊加次數(shù),從局部地區(qū)分析結(jié)果可以看出,全區(qū)(局部)深部目的層覆蓋次數(shù)最低137次,最高142次,覆蓋次數(shù)分布相對均勻。

圖7　彬長三維工區(qū)優(yōu)化設(shè)計炮點分布(圖6的局部放大顯示)

圖8　156束至168束目的層段疊加次數(shù)分布

圖9　炮點加密后156束至168束測線炮點分布

圖10炮點加密后156束至168束目的層段疊加次數(shù)分布

圖12為優(yōu)化設(shè)計后工區(qū)局部區(qū)域的炮檢距分布圖,圖中每個方格代表一個面元,數(shù)字是每個面元的炮檢距非均勻系數(shù)(數(shù)值越小,代表均勻性越好)。從圖12中可以看出,各面元內(nèi)近、中、遠炮檢距分布比較均勻,滿足設(shè)計的需要(該工區(qū)非均勻系數(shù)理論上小于3)。圖13為優(yōu)化設(shè)計后工區(qū)局部區(qū)域的炮檢方位分布圖,圖中每個方格代表一個面元,數(shù)字是每個面元的方位角非均勻系數(shù)(數(shù)值越小,代表均勻性越好)。從圖13中可以看出,炮檢方位分布比較合理,滿足理論設(shè)計的需要(該工區(qū)非均勻系數(shù)理論上小于3)。

圖11　優(yōu)化設(shè)計覆蓋次數(shù)分布(局部,圖中數(shù)字為疊加次數(shù))

圖12　優(yōu)化設(shè)計后炮檢距均勻性分布(圖中數(shù)字為非均勻系數(shù))

圖13　優(yōu)化設(shè)計后方位角均勻性分布(圖中數(shù)字為非均勻系數(shù))

2.2效果分析

圖14　炮點不同位置激發(fā)能量差異(固定增益記錄)a 溝中; b 斜坡帶; c 塬上

經(jīng)過整體優(yōu)化設(shè)計,該工區(qū)三維地震數(shù)據(jù)共采集185束線,塬上13415炮,溝中、35°以下斜坡區(qū)31080炮,35°以上陡坡區(qū)7120炮,總計51615炮,其中優(yōu)化調(diào)整率近30%。經(jīng)過全區(qū)的采集優(yōu)化設(shè)計,資料信噪比有了較大提高。圖14為將激發(fā)點從斜坡帶調(diào)整到溝中和塬上的炮記錄能量差異圖。從圖14中可以看出,塬上、溝中激發(fā)效果要遠遠好于斜坡帶(圖中紅色曲線為高程)。圖15為工區(qū)內(nèi)某測線的成像剖面。對比炮點優(yōu)化前、后疊加剖面可以看出,優(yōu)化后目的層段(圖15中紅框)信噪比、連續(xù)性得到明顯提高,反射波組齊全,為后續(xù)勘探、開發(fā)提供了有利的基礎(chǔ)資料。

圖15　彬長三維工區(qū)采集優(yōu)化設(shè)計前(a)、后(b)疊加剖面

3結(jié)論

針對黃土塬巨厚黃土和地形起伏劇烈的地震數(shù)據(jù)采集難題,綜合利用高精度衛(wèi)星遙感影像、DEM、近地表調(diào)查成果數(shù)據(jù)等建立地震資料采集區(qū)域地形地貌、地理信息數(shù)字模型,將地形地貌分為不同區(qū)域,并進行炮檢點布設(shè)優(yōu)先級別劃分,實現(xiàn)炮檢點“避高、避陡、避厚、避障礙”的布設(shè)設(shè)計優(yōu)化,在陡坡、山脊、塬上、沖溝地區(qū)炮點的分析調(diào)整基礎(chǔ)上,盡可能減少陡坡炮和山脊炮,保證勘探滿覆蓋區(qū)域CMP面元屬性的均勻以及較淺目的層的覆蓋次數(shù),形成了一套針對黃土塬地震采集的炮檢點優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。彬長三維工區(qū)地震數(shù)據(jù)采集結(jié)果表明,該技術(shù)有效地提高了地震資料品質(zhì)。

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(編輯：顧石慶)

Optimization design of shot-receiver points for 3D seismic acquisition in loess tableland

LIU Zhongqun,DU Chunjiang,JIN Dongmin

(SinopecNortheastOilandGasCompany,Zhengzhou450006,China)

Abstract:Thick loess tableland and drastic terrain variation seriously affect the seismic data acquisition quality,in which how to automatically,efficiently and reasonably select favorable area to layout shot-receiver points is critical to improve data quality.Based on the theoretical design of seismic acquisition,the digital model containing topography,geographic and surface information of the seismic acquisition area are built by the comprehensive utilization of the high precision satellite remote sensing image,the digital elevation model and the near-surface survey results.As a result,five types of shot-receiver layout area are concluded:the primary layout area of better data such as the gully,the confluence ditch and so on,the layout adjustment area such as the tableland and hilly,the later adjustment zone of steep slopes,the avoid high area such as the ridges and peaks,and the explosion forbidden area of surface barrier,which have been further optimized according to the priority of these areas.Thus a set of shot-receiver points optimization design techniques are formed.The technique has been applied in Bin-Chang area,southern Ordos Basin,the shot-receiver points were supplemented appropriately and the shot adjustment rate is nearly 30% after the optimization design of the entire work area.In addition,the acquired seismic profile has completely reflection group and the better continuity in shallow,medium and deep layer,and has clear interlayer contact relationship.The application results show that this technique is convenient and rapid,and can effectively improve the quality of seismic data in the loess tableland area.

Keywords:loess tableland,high precision satellite remote sensing image,digital elevation model (DEM),3D geometry design,shot-receiver points optimization

文章編號：1000-1441(2016)02-0188-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.004

中圖分類號：P631

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：劉忠群(1972—),男,教授級高級工程師,現(xiàn)主要從事石油天然氣開發(fā)技術(shù)研究和相關(guān)管理工作。

收稿日期：2015-10-09;改回日期：2016-02-07。