低頻可控震源“兩寬一高”地震勘探的應(yīng)用

張麗艷 李 昂 于常青

(①中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽 110034； ②中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京100037)

·綜合研究·

低頻可控震源“兩寬一高”地震勘探的應(yīng)用

張麗艷*①李 昂①于常青②

(①中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽 110034； ②中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京100037)

“兩寬一高”是指寬方位、寬頻帶、高密度三維地震勘探，能夠記錄更完整的波場信息，假頻少、低頻信息豐富，有利于薄互層油氣藏的刻畫和地層各向異性研究。以實際的“兩寬一高”資料為基礎(chǔ)，從原始資料的波場特征、信噪比及頻帶等三方面對比分析了“兩寬一高”資料的優(yōu)勢和特點，確定了針對“兩寬一高”資料的處理技術(shù)和流程。利用最終成像結(jié)果對斷層和砂體進行刻畫和描述，體現(xiàn)了“兩寬一高”地震勘探的優(yōu)勢。

“兩寬一高” 可控震源 低頻 寬頻帶 高分辨率

1 引言

如今油氣勘探開發(fā)面臨的地質(zhì)問題越來越復(fù)雜，難度越來越大[1,2]。在油田勘探開發(fā)的中后期對三維地震技術(shù)的要求越來越高，如何綜合利用地質(zhì)和地震資料進行油氣勘探，并且使地震的作用最大化，是地球物理學家追求的目標之一，地震勘探也由原來的常規(guī)三維發(fā)展到“兩寬一高”三維?！皟蓪捯桓摺钡卣鹬笇挿轿弧掝l帶和高密度的地震采集。寬方位是指地震勘探三維排列的橫縱比大于0.5，目前寬方位勘探的橫縱比一般都在0.7以上[3]； 寬方位地震勘探可以獲得較完整的地震波場信息，提高斷層及巖性的識別能力。寬頻帶是指采集的原始資料相對頻寬——倍頻程增加，即在同一分貝下，低截頻值變小，高截頻值變大，低頻端和高頻端同時向兩端擴展。低頻有效成份在地震勘探采集時越來越重要，直接關(guān)系到后續(xù)的寬頻處理； 另外，低頻信息在全波形反演及油氣檢測中的作用也非常關(guān)鍵[4]。高密度是指小面元地震采集，同時覆蓋次數(shù)也大幅度增加，有利于地質(zhì)體的橫向分辨率和縱向分辨率的提高?！皟蓪捯桓摺比S地震勘探技術(shù)逐漸成熟，在國內(nèi)外地震勘探中得到了廣泛應(yīng)用，如新疆塔里木油田“兩寬一高”地震采集的密度已達到1070萬道/km2； 在準噶爾盆地實施了多塊“兩寬一高”三維地震采集，大幅度提高了地震資料的品質(zhì)； 遼河油田的“兩寬一高”地震勘探面元大小為10m×10m，覆蓋次數(shù)為256次，橫縱比為0.91，接近于全方位采集。在海外的AGM區(qū)塊及乍得Bonger盆地都采集了“兩寬一高”地震資料，取得了較好的地震勘探效果[5-7]?！皟蓪捯桓摺比S地震勘探激發(fā)方式大多采用低頻可控震源激發(fā)[8]。與井炮激發(fā)方式相比，低頻可控震源有其獨特的優(yōu)勢，每日采集可達到2～4萬炮，在提高采集效率、降低成本的同時，降低了HSE風險。低頻可控震源的掃描頻帶為1.5～96Hz，可達6個倍頻程，對于薄儲層的研究具有重要意義。大慶油田已全面進入精細勘探階段，儲層高含水，單砂體薄，2～3m的薄儲層占80%，儲層橫向變化快，水平井井位部署難度大，如何利用高分辨率三維精細地震勘探提高2～3m薄儲層的預(yù)測精度是目前三維地震勘探面臨的主要難題。2015年大慶油田在三肇地區(qū)利用低頻可控震源采集了“兩寬一高”三維地震資料，本文以此為基礎(chǔ)，分析了可控震源資料的固有特征和資料處理難點，針對難點開展研究，確立了針對可控震源的“兩寬一高”的處理關(guān)鍵技術(shù)，重點突出寬頻帶、寬方位的高分辨率保幅處理，并取得了較好的成像效果，為后續(xù)的高精度薄儲層預(yù)測和反演提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

2 采集參數(shù)及原始資料特征分析

2015年大慶油田在三肇地區(qū)采集了“兩寬一高”地震資料，表1為新、老(常規(guī)三維地震)采集參數(shù)的對比?！皟蓪捯桓摺辟Y料由低頻可控震源激發(fā)，掃描頻帶為1.5～96Hz，單點模擬檢波器接收，橫縱比為0.83，覆蓋次數(shù)為480次，面元尺寸為5m×10m；老資料采用炸藥震源激發(fā)，組合檢波器接收，面元尺寸為20m×20m，橫縱比為0.47，屬常規(guī)窄方位采集?！皟蓪捯桓摺庇^測系統(tǒng)的炮密度是常規(guī)老資料的6.4倍，道密度是53倍，接收線距是0.6倍，是真正的寬方位、高密度、高覆蓋、寬頻帶三維地震采集。

圖1是低頻可控震源“兩寬一高”和常規(guī)三維地震的原始資料的對比，也是單點檢波器接收和組合檢波器接收的對比，可以看出： 由于“兩寬一高”是高密度地震，排列長、道距小、面元小，地震信號的空間采樣率得到了提高，在滿足空間采樣定理的前提下，有效波和干擾波都能得到較完整的刻畫(圖中紅色方框)，更有利于處理過程中的噪聲去除； 從信噪比方面看，由于常規(guī)三維地震勘探采用的是組合檢波器接收，具有一定的去噪作用，信噪比相對較高，面波視速度小、頻率低，油井干擾較少； 單點檢波器接收，面波頻帶寬、視速度大，油井和外源干擾也非常嚴重(圖1a中藍色方框)。除此之外，還存在可控震源的特有噪聲干擾——諧波[9，10]。當可控震源進行滑動掃描時，由于前一次掃描還沒有結(jié)束，后一次掃描已經(jīng)開始，對于升頻掃描方式，下一組震源的諧波與上一組震源的基波信號混疊在一起，在相關(guān)后的地震記錄上形成了諧波干擾，而且滑動時間越短，諧波干擾越強，當勘探目標為弱反射層或者薄層時，諧波的影響不可忽略。諧波干擾橫向上波及十幾道的范圍，隨著時間的持續(xù)，能量逐漸增強，頻率主要在40～60Hz之間。圖1c和圖1d為諧波干擾在單炮上的表現(xiàn)特征、頻譜及時頻譜。

表1 “兩寬一高”和常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)的對比

圖1 “兩寬一高”資料和常規(guī)三維地震資料原始單炮特征分析

圖2是圖1a、圖1b單炮記錄1.0～2.0s時窗的頻譜，可以看出，“兩寬一高”資料的頻寬為4～45Hz，常規(guī)三維地震的頻寬為9～50Hz，可控震源資料在低頻端信息更豐富，高頻端的信號能量比炸藥震源稍弱。

選取“兩寬一高”資料和常規(guī)三維資料原始單炮記錄的相同時窗進行六個頻段的頻率掃描：2Hz以下、4～8Hz、8～16Hz、16～32Hz、32～64Hz、70Hz以上。圖3和圖4分別是二者的單炮分頻掃面記錄。從低頻端的頻率掃描來看，“兩寬一高”資料在2Hz頻率以下頻段目的層1.4s處(圖3a中紅色方框內(nèi))還能見到較強能量，而常規(guī)三維地震資料在2Hz以下幾乎見不到有效信號；隨著頻率的增加，在優(yōu)勢頻帶內(nèi)，“兩寬一高”資料的品質(zhì)非常高?！皟蓪捯桓摺辟Y料在70Hz以上頻段0.8s以后能量非常弱(圖3f中紅色箭頭)，常規(guī)三維地震資料70H以上頻段1.4s以后的能量相對于“兩寬一高”資料較強，這是由于“兩寬一高”資料采用的是低頻可控震源激發(fā)，掃描截止頻率到96Hz，常規(guī)三維地震采用炸藥震源激發(fā)。如何提高可控震源的高頻信號的能量，是今后需要加強研究的方向。

圖2 “兩寬一高”(a)和常規(guī)(b)三維地震單炮記錄頻譜對比

圖3 “兩寬一高”地震資料的不同頻段掃描結(jié)果

圖4 常規(guī)三維地震資料的不同頻段掃描結(jié)果

3 “兩寬一高”處理技術(shù)

由于“兩寬一高”資料與常規(guī)三維資料相比具有高密度、寬方位、寬頻帶、高覆蓋的特點和優(yōu)勢，所以在處理時應(yīng)采取與常規(guī)三維地震不同的技術(shù)，在處理技術(shù)上應(yīng)體現(xiàn)出“兩寬一高”資料的特點。圖5是二者處理技術(shù)流程的對比。圖5a流程中綠色部分是“兩寬一高”資料處理的關(guān)鍵技術(shù)。從處理流程可以看出，“兩寬一高”的處理流程重點體現(xiàn)了在激發(fā)方式不同的情況下，針對可控震源的處理技術(shù)，主要包括波場的特征分析、信噪分離、如何增強低頻弱信號的能量及擴展高頻能量的寬頻處理、OVT域的寬方位處理等。具體表現(xiàn)為以下四方面。

(1)噪聲去除。由于“兩寬一高”資料能夠記錄更完整的波場信息，所以噪聲的特征也表現(xiàn)得相對完整，尤其是面波的刻畫。針對“兩寬一高”資料面波的去除，應(yīng)該采取更適合的方法。本文主要采用自適應(yīng)面波衰減技術(shù)對面波進行有效去除。該技術(shù)提取面波的速度和頻率參數(shù)，通過可逆的子波變換，將輸入數(shù)據(jù)分解為不同頻率—波數(shù)域子集，在每個子集中通過波動方程進行彈性建模并計算自適應(yīng)參數(shù)，最終再根據(jù)每個子集中面波特征在f-x域進行扇形濾波，減去不同階數(shù)的面波，該方法更適應(yīng)“兩寬一高”資料對面波刻畫更完整的情況。第二類噪聲是針對諧波干擾的去除，方法很多[9-14]，本文主要采取基于模型的相關(guān)方法對諧波干擾進行有效的去除，并取得了較好的效果。

(2)反褶積方面?！皟蓪捯桓摺钡目煽卣鹪促Y料是零相位的，由于可控震源掃描信號激發(fā)(圖6a)所采集的地震數(shù)據(jù)是由可控震源子波與地下地層介質(zhì)的反射系數(shù)序列的褶積結(jié)果，而可控震源子波是可控震源激發(fā)采集的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過自相關(guān)后得到的，為零相位(圖6b)，所以可控震源采集的“兩寬一高”資料是零相位的。但是，為了滿足反褶積的假設(shè)條件，在反褶積前應(yīng)該做最小相位化處理，這與炸藥震源資料處理不同。

(3)寬方位處理?！皟蓪捯桓摺辟Y料的橫縱比達到0.87，是真正的寬方位資料，能夠全方位記錄地下的波場信息和照明引起的不均現(xiàn)象，所以針對“兩寬一高”資料的寬方位處理應(yīng)該采取針對性的、能體現(xiàn)寬方位特征的處理，既OVT域的處理，在OVT域進行去噪、規(guī)則化、偏移等處理[15-19]。因為方位各向異性特征在寬方位資料上表現(xiàn)得更完整，有利于方位各向異性研究，進行方位各向異性校正，消除各向異性的影響，提高地震資料的分辨率。圖7a、圖7b為“兩寬一高”資料OVT域偏移后的道集校正前、后的對比，該OVT域的方位道集是在360°范圍內(nèi)，地震波場隨方位的變化，體現(xiàn)了地下方位各向異性的特征，其中紫色的線代表炮檢距的變化，綠色的線代表方位角0°～360°內(nèi)的變化。從圖中可以看出，由于方位各向異性的影響，偏移后的方位道集存在波浪形曲線形狀，這種特征在圖中1.0～1.2s表現(xiàn)尤其明顯(圖中紅色方框標識處)，波浪形曲線的頂點和底點分別代表各向異性的主方向和垂直方向(也就是裂縫的走向和垂直方向)，通過方位各向異性校正后，消除了這種方位各向異性的影響，同相軸校平。圖7c和圖7d分別是方位各向異性校正前、后成像剖面的對比，可以看出，校正后的剖面在成像精度和信噪比方面都要優(yōu)于校正前的剖面，而且經(jīng)過方位各向異性校正后，層間的弱信號能量得到加強(圖中黑色箭頭指示處)。

圖5 “兩寬一高”資料(a)和常規(guī)三維(b)處理技術(shù)流程對比

圖6 可控震源掃描信號(上)及自相關(guān)子波(下)

(4)寬頻處理。可控震源掃描頻率為1.5～96Hz，低頻端具有較強的優(yōu)勢，但是能量相對較弱，為了增強低頻弱信號的能量，同時拓寬高頻有效信號成分，在提高倍頻程的前提下，提高其絕對頻寬，

圖7 OVT域偏移后的方位各向異性校正效果

使得“兩寬一高”資料達到真正意義的寬頻，所以在“兩寬一高”的處理流程上體現(xiàn)了針對可控震源的近地表吸收衰減補償技術(shù)和低頻補償技術(shù)[20]?？煽卣鹪吹慕乇砦账p補償技術(shù)，主要是在進行相位調(diào)整的同時，進行高頻能量的擴展。由于可控震源激發(fā)是在地表進行的，近地表的吸收衰減既包含從炮點傳播經(jīng)過非彈性地層的衰減，又包含檢波點在非彈性地層中傳播時的吸收衰減，所以針對可控震源資料的近地表吸收衰減補償需要對炮點和檢波點都進行補償。低頻補償技術(shù)主要是針對可控震源的低頻信號進行的，低頻震源可以輸出豐富的低頻信號，但是由于儀器響應(yīng)以及地層的吸收衰減等因素的影響會造成低頻的損失，這部分損失的低頻能量需要進行合理的補償處理，才能充分發(fā)揮低頻信息的作用。基于地震數(shù)據(jù)子波的低頻補償技術(shù)，針對頻譜特點合理地進行低頻補償，拓寬有效信號的低頻成分。

圖8為采用上述兩流程處理得到的最終成像剖面及頻譜對比。從頻譜圖(圖8c和圖8d)可以看出：常規(guī)三維資料的有效頻帶為10～82Hz，約為3個倍頻程； “兩寬一高”有效頻帶為3～80Hz，約為4個倍頻程，高頻成份略低、但低頻信息相對較豐富。倍頻程的增加可以減少視分辨率的假象，低頻成份對提高地震資料分辨率、識別薄儲層也起著重要作用。從成像剖面可以看出“兩寬一高”資料能夠使小斷層成像更清晰，斷點收斂更干脆(圖8a、圖8b中黑色箭頭標注處)，圖8a中左側(cè)兩處斷層，在1.0～1.4s之間整個斷面成像從淺到深成像都非常清楚(綠色箭頭標注處)，優(yōu)于常規(guī)三維資料。

圖8 “兩寬一高”資料和常規(guī)三維處理結(jié)果對比

4 “兩寬一高”資料識別小斷層和單砂體

圖9是“兩寬一高”三維地震資料和常規(guī)三維地震資料的相干體切片對比，可以看出，兩種資料都能反映出該地區(qū)斷層的空間展布、走向及發(fā)育情況，但是“兩寬一高”資料能更清楚地反映斷層平面組合關(guān)系、連續(xù)性和線性特征(圖中橢圓標注處)。由于“兩寬一高”資料的低頻較豐富，成像剖面的低頻可達3Hz。低頻成分具有相對穩(wěn)定、傳播距離遠、穿透能力強，能更好地識別深層或屏蔽層下的地質(zhì)目標，增強特殊巖性體的識別能力。低頻成分的增加可以減少視分辨率的假象，在反演時能夠降低地震反演對測井資料的依賴，有效提高波阻抗反演的精度。從反演剖面(圖10)可以看出，“兩寬一高”資料縱向分辨率比常規(guī)三維資料有較為明顯的提升，圖中黑色方框內(nèi)標注的Fangfu124-53井在0.8～1.0s之間兩套砂體的疊置關(guān)系得以突出，反映出第一套砂體為指狀的三角洲前緣相沉積，縱向上砂層較薄、橫向上有一定的延伸長度，第二套為具有正韻律結(jié)構(gòu)的河道砂體沉積，縱向砂體較厚，橫向上成“短軸狀”。而常規(guī)資料由于分辨率較低，上面的砂體完全與上覆地層混在一起，下面的砂體也沒有刻畫出來。整體上“兩寬一高”資料與井上砂巖有較好的對應(yīng)關(guān)系，吻合程度也高于常規(guī)三維資料。

圖9 “兩寬一高”資料和常規(guī)三維對小斷層刻畫對比

圖10 “兩寬一高”資料和常規(guī)三維資料對砂體刻畫的對比

5 結(jié)論和認識

(1)“兩寬一高”是精細三維地震的發(fā)展趨勢，將成為巖性油藏地震勘探的主要技術(shù)手段；

(2)低頻可控震源掃描頻率為1.5～96Hz，能夠?qū)崿F(xiàn)“兩寬一高”三維地震經(jīng)濟、高效采集，增加低頻成分、提高分辨率，實現(xiàn)真正意義的寬頻采集；

(3)“兩寬一高”三維地震處理技術(shù)與常規(guī)三維地震處理技術(shù)存在很大的差異，主要體現(xiàn)在如何提高低頻和高頻有效信號能量的寬頻處理和更加注重了OVT域內(nèi)的方位處理及方位各向異性的研究；

(4)“兩寬一高”地震資料面元小、覆蓋次數(shù)高，縱向分辨率和橫向分辨率都優(yōu)于常規(guī)三維地震資料，無論在刻畫斷層平面展布還是砂體描述方面都優(yōu)于常規(guī)三維地震資料，且與井的吻合度較高。

感謝東方地球物理公司研究院提供了技術(shù)支持。

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*遼寧省沈陽市黃河北大街280號中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，110034。Email：moonliyan@sohu.com

本文于2017年1月4日收到，最終修改稿于同年9月8日收到。

本項研究受國家自然科學基金面上項目(41374128)資助。

1000-7210(2017)06-1236-10

張麗艷，李昂，于常青.低頻可控震源“兩寬一高”地震勘探的應(yīng)用.石油地球物理勘探，2017,52(6):1236-1245.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.014

(本文編輯：宜明理)

張麗艷 博士，工程師，1980年生；2003年獲中國石油大學(華東)勘查技術(shù)與工程專業(yè)學士學位；2008年獲中國石油大學(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)工學博士學位?，F(xiàn)在中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心主要從事“兩寬一高”高分辨率地震資料處理及各向異性成像等方面的研究。