張麗艷 李 昂 于常青

(①中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽(yáng) 110034； ②中國(guó)地質(zhì)科學(xué)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽(yáng) 110034； ②中國(guó)地質(zhì)科學(xué)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(chǎng)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(shí)際的“兩寬一高”資料為基礎(chǔ)，從原始資料的波場(chǎng)特征、信噪比及頻帶等三方面對(duì)比分析了“兩寬一高”資料的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，確定了針對(duì)“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(duì)斷層和砂體進(jìn)行刻畫和描述，體現(xiàn)了“兩寬一高”地震勘探的優(yōu)勢(shì)。

“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(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，難度越來(lái)越大[1,2]。在油田勘探開發(fā)的中后期對(duì)三維地震技術(shù)的要求越來(lái)越高，如何綜合利用地質(zhì)和地震資料進(jìn)行油氣勘探，并且使地震的作用最大化，是地球物理學(xué)家追求的目標(biāo)之一，地震勘探也由原來(lái)的常規(guī)三維發(fā)展到“兩寬一高”三維。“兩寬一高”地震指寬方位、寬頻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(chǎng)信息，提高斷層及巖性的識(shí)別能力。寬頻帶是指采集的原始資料相對(duì)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(shí)向兩端擴(kuò)展。低頻有效成份在地震勘探采集時(shí)越來(lái)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(cè)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(shí)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(guó)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(dá)到1070萬(wàn)道/km2； 在準(zhǔn)噶爾盆地實(shí)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，每日采集可達(dá)到2～4萬(wàn)炮，在提高采集效率、降低成本的同時(shí)，降低了HSE風(fēng)險(xiǎn)。低頻可控震源的掃描頻帶為1.5～96Hz，可達(dá)6個(gè)倍頻程，對(duì)于薄儲(chǔ)層的研究具有重要意義。大慶油田已全面進(jìn)入精細(xì)勘探階段，儲(chǔ)層高含水，單砂體薄，2～3m的薄儲(chǔ)層占80%，儲(chǔ)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(xì)地震勘探提高2～3m薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)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(diǎn)，針對(duì)難點(diǎn)開展研究，確立了針對(duì)可控震源的“兩寬一高”的處理關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)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(chǔ)層預(yù)測(cè)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(duì)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(diǎn)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(cè)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(duì)比，也是單點(diǎn)檢波器接收和組合檢波器接收的對(duì)比，可以看出： 由于“兩寬一高”是高密度地震，排列長(zhǎng)、道距小、面元小，地震信號(hào)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(guò)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(duì)較高，面波視速度小、頻率低，油井干擾較少； 單點(diǎn)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(yán)重(圖1a中藍(lán)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(dāng)可控震源進(jìn)行滑動(dòng)掃描時(shí)，由于前一次掃描還沒(méi)有結(jié)束，后一次掃描已經(jīng)開始，對(duì)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(hào)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(dòng)時(shí)間越短，諧波干擾越強(qiáng)，當(dāng)勘探目標(biāo)為弱反射層或者薄層時(shí)，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(shí)間的持續(xù)，能量逐漸增強(qiáng)，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(shí)頻譜。

表1 “兩寬一高”和常規(guī)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的對(duì)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(shí)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(hào)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(shí)窗進(jìn)行六個(gè)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(lái)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(qiáng)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(hào)；隨著頻率的增加，在優(yōu)勢(shì)頻帶內(nèi)，“兩寬一高”資料的品質(zhì)非常高。“兩寬一高”資料在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(duì)于“兩寬一高”資料較強(qiáng)，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(hào)的能量，是今后需要加強(qiáng)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(duì)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，所以在處理時(shí)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(diǎn)。圖5是二者處理技術(shù)流程的對(duì)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(diǎn)體現(xiàn)了在激發(fā)方式不同的情況下，針對(duì)可控震源的處理技術(shù)，主要包括波場(chǎng)的特征分析、信噪分離、如何增強(qiáng)低頻弱信號(hào)的能量及擴(kuò)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(chǎng)信息，所以噪聲的特征也表現(xiàn)得相對(duì)完整，尤其是面波的刻畫。針對(duì)“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(duì)面波進(jìn)行有效去除。該技術(shù)提取面波的速度和頻率參數(shù)，通過(guò)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(gè)子集中通過(guò)波動(dòng)方程進(jìn)行彈性建模并計(jì)算自適應(yīng)參數(shù)，最終再根據(jù)每個(gè)子集中面波特征在f-x域進(jìn)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(duì)面波刻畫更完整的情況。第二類噪聲是針對(duì)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(duì)諧波干擾進(jìn)行有效的去除，并取得了較好的效果。

(2)反褶積方面。“兩寬一高”的可控震源資料是零相位的，由于可控震源掃描信號(hào)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(guò)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(dá)到0.87，是真正的寬方位資料，能夠全方位記錄地下的波場(chǎng)信息和照明引起的不均現(xiàn)象，所以針對(duì)“兩寬一高”資料的寬方位處理應(yīng)該采取針對(duì)性的、能體現(xiàn)寬方位特征的處理，既OVT域的處理，在OVT域進(jìn)行去噪、規(guī)則化、偏移等處理[15-19]。因?yàn)榉轿桓飨虍愋蕴卣髟趯挿轿毁Y料上表現(xiàn)得更完整，有利于方位各向異性研究，進(jìn)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(duì)比，該OVT域的方位道集是在360°范圍內(nèi)，地震波場(chǎng)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(biāo)識(shí)處)，波浪形曲線的頂點(diǎn)和底點(diǎn)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(guò)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(duì)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(guò)方位各向異性校正后，層間的弱信號(hào)能量得到加強(qiáng)(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(duì)比

圖6 可控震源掃描信號(hào)(上)及自相關(guān)子波(下)

(4)寬頻處理?？煽卣鹪磼呙桀l率為1.5～96Hz，低頻端具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是能量相對(duì)較弱，為了增強(qiáng)低頻弱信號(hào)的能量，同時(shí)拓寬高頻有效信號(hào)成分，在提高倍頻程的前提下，提高其絕對(duì)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(dá)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(duì)可控震源的近地表吸收衰減補(bǔ)償技術(shù)和低頻補(bǔ)償技術(shù)[20]?？煽卣鹪吹慕乇砦账p補(bǔ)償技術(shù)，主要是在進(jìn)行相位調(diào)整的同時(shí)，進(jìn)行高頻能量的擴(kuò)展。由于可控震源激發(fā)是在地表進(jìn)行的，近地表的吸收衰減既包含從炮點(diǎn)傳播經(jīng)過(guò)非彈性地層的衰減，又包含檢波點(diǎn)在非彈性地層中傳播時(shí)的吸收衰減，所以針對(duì)可控震源資料的近地表吸收衰減補(bǔ)償需要對(duì)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)都進(jìn)行補(bǔ)償。低頻補(bǔ)償技術(shù)主要是針對(duì)可控震源的低頻信號(hào)進(jìn)行的，低頻震源可以輸出豐富的低頻信號(hào)，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(huì)造成低頻的損失，這部分損失的低頻能量需要進(jìn)行合理的補(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)，針對(duì)頻譜特點(diǎn)合理地進(jìn)行低頻補(bǔ)償，拓寬有效信號(hào)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(duì)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(gè)倍頻程； “兩寬一高”有效頻帶為3～80Hz，約為4個(gè)倍頻程，高頻成份略低、但低頻信息相對(duì)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(duì)提高地震資料分辨率、識(shí)別薄儲(chǔ)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(diǎn)收斂更干脆(圖8a、圖8b中黑色箭頭標(biāo)注處)，圖8a中左側(cè)兩處斷層，在1.0～1.4s之間整個(gè)斷面成像從淺到深成像都非常清楚(綠色箭頭標(biāo)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(duì)比

4 “兩寬一高”資料識(shí)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(duì)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(biāo)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(dá)3Hz。低頻成分具有相對(duì)穩(wěn)定、傳播距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)，能更好地識(shí)別深層或屏蔽層下的地質(zhì)目標(biāo)，增強(qiáng)特殊巖性體的識(shí)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(shí)能夠降低地震反演對(duì)測(cè)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(biāo)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(zhǎng)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(méi)有刻畫出來(lái)。整體上“兩寬一高”資料與井上砂巖有較好的對(duì)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(duì)小斷層刻畫對(duì)比

圖10 “兩寬一高”資料和常規(guī)三維資料對(duì)砂體刻畫的對(duì)比

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)“兩寬一高”是精細(xì)三維地震的發(fā)展趨勢(shì)，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(jì)、高效采集，增加低頻成分、提高分辨率，實(shí)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(hào)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(wú)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(yáng)市黃河北大街280號(hào)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)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(xiàng)研究受國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)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(guó)石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位；2008年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)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。