張慕剛 駱 飛 魏國偉 丁冠東 陳永勝

中國石油東方地球物理公司

0 引言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，2018年7月19日，中國石油東方地球物理公司與阿聯(lián)酋阿布扎比國家石油公司簽訂了勘探史上最大的一個(gè)勘探服務(wù)合同，含陸上采集23 000 km2和海上采集30000 km2。該項(xiàng)目為全三維采集，勘探區(qū)塊幾乎覆蓋了整個(gè)阿布扎比酋長國；陸上勘探區(qū)域地表情況復(fù)雜，典型地型為沙漠，大型沙丘高度介于150～200 m，工區(qū)還穿越了大片城區(qū)，大范圍的林場和保護(hù)區(qū)，幾條橫貫工區(qū)的主要高速公路寬度介于100～150 m且車速很快車流較多；海上勘探區(qū)域按照作業(yè)類型劃分也較復(fù)雜，包括了深水開闊海域、淺水、極淺水、島嶼及過渡帶類型。此外，工區(qū)內(nèi)大量分布的沼澤區(qū)極易誤車，廣泛分布的島嶼、環(huán)境保護(hù)區(qū)、珊瑚礁、油田區(qū)、石油管線也為施工作業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

本項(xiàng)目的勘探目標(biāo)主要是深部的非常規(guī)目標(biāo)層，即生儲(chǔ)同層的烴源巖，多為泥巖或頁巖，勘探層系多，深度跨度大，約3 000～9 000 m，成像精度要求高。

筆者主要介紹在超大區(qū)域內(nèi)根據(jù)地表與勘探目標(biāo)的變化，通過統(tǒng)籌規(guī)劃勘探片區(qū)，不同區(qū)域合理配備裝備、精確選擇合適的采集參數(shù)，優(yōu)質(zhì)高效地實(shí)現(xiàn)了全勘探區(qū)域應(yīng)用寬頻[1-2]、高密度、大偏移距、全方位地震采集方案[3]，有效獲得來自深層目的層的信號(hào)，滿足非常規(guī)油氣藏的識(shí)別與開發(fā)需求。

1 勘探服務(wù)要求與面臨的挑戰(zhàn)

因?yàn)榭碧絽^(qū)域內(nèi)地震老資料大部分都是采集于20世紀(jì)80——90年代的二維資料，地震有效反射信號(hào)接收量不夠，品質(zhì)不高，即便采用最高明的處理技術(shù)也得不到滿意的處理結(jié)果，導(dǎo)致最終解釋精度低，對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的刻畫不夠準(zhǔn)確，直接影響對(duì)區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造演變的理解，不能滿足進(jìn)一步勘探開發(fā)的需要。

1.1 合同對(duì)地震采集質(zhì)量的要求

最終成果能滿足水平井、井道方位設(shè)計(jì)和多階段壓裂空間位置設(shè)計(jì)的要求；

可建立三維地球物理機(jī)制模型，理解區(qū)域地質(zhì)和該區(qū)的構(gòu)造演變；

映射甜點(diǎn)和地震儲(chǔ)層刻畫（裂縫，孔隙，脆性，應(yīng)力，有機(jī)碳含量）；

常規(guī)地震解釋要做到結(jié)構(gòu)層和斷層對(duì)應(yīng)、準(zhǔn)確的時(shí)深轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行地震層序分析。

1.2 地震采集難點(diǎn)

1） 勘探面積巨大，地表?xiàng)l件復(fù)雜、變化快；

2） 近地表速度異常（多層速度反轉(zhuǎn)），增加了偏移速度場的精度，目標(biāo)地層成像難；

3） 強(qiáng)振幅，低頻頻散和速度范圍為300～1000 m/s的面波噪音，影響大；

強(qiáng)反射層間和表面多次波發(fā)育且識(shí)別困難；目標(biāo)層Shilaif和Bab有地震多次波污染；

波阻抗對(duì)比度小，小斷距斷層識(shí)別困難。

1.3 勘探目標(biāo)要求高：

1） 要求多階段壓裂橫向分辨率達(dá)到100 ft（注：1 ft=0.304 8 m，下同）；

2） 要求資料滿足從儲(chǔ)層質(zhì)量、烴源巖成熟度、有機(jī)碳含量和孔隙壓力等因素分析需求，并在Shilaif、Bab和Thiab非常規(guī)油氣地層中識(shí)別甜點(diǎn)；

3） 定量描述巖石屬性和在Shilaif和Bab層的裂縫。

2 統(tǒng)籌分區(qū)設(shè)計(jì)采集方案

由于勘探面積巨大，地表情況復(fù)雜，為了保質(zhì)保量完成地震采集任務(wù)并實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)，在對(duì)整個(gè)工區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的踏勘后，根據(jù)地表地質(zhì)特征進(jìn)行分區(qū)劃塊，以寬頻、高密度、全方位采集為最終要求，結(jié)合勘探目標(biāo)的變化，將項(xiàng)目投標(biāo)分成了陸上和海上部分，其中陸上劃分為7個(gè)區(qū)塊，海上劃分為6個(gè)區(qū)塊（圖1）。最后針對(duì)不同的采集區(qū)塊設(shè)計(jì)不同的采集方案并配備相應(yīng)的采集裝備。表1列舉了針對(duì)不同油氣勘探開發(fā)前景目標(biāo)的采集方案，常規(guī)前景勘探區(qū)域采用百萬道密度方案，如表中方案3；具有良好評(píng)價(jià)的采用千萬道密度方案，如表中方案1、2；已具有開發(fā)價(jià)值區(qū)域?qū)嵤?shù)千萬級(jí)，如表中方案5；油田開發(fā)區(qū)域采用近億道密度的采集方案，如表中方案4。當(dāng)然在實(shí)施過程中，根據(jù)實(shí)際與預(yù)算情況可能會(huì)進(jìn)行調(diào)整[4]。

盡管已拆分成13個(gè)采集區(qū)塊，但每一個(gè)區(qū)塊的面積依然很大，地面設(shè)備投入量巨大，仍然不能一次性將排列鋪滿區(qū)塊內(nèi)的整個(gè)線束，所以需要再次將整個(gè)大塊拆分為多個(gè)小區(qū)塊后分別施工，每塊大小約1 000道，塊與塊之間檢波點(diǎn)相接，檢波點(diǎn)外邊重復(fù)半個(gè)排列（6 km）的炮點(diǎn)。對(duì)于個(gè)別特殊區(qū)塊需要靈活調(diào)整分塊辦法和塊的大小，以盡量減少重復(fù)炮。

精心設(shè)計(jì)區(qū)塊之間的連接方式以保證區(qū)塊間地震資料的無縫對(duì)接。能一次性施工最佳，即采用滿排列方式直接從一個(gè)區(qū)塊的邊界推進(jìn)到另外一個(gè)區(qū)塊。但對(duì)于鄰近老資料區(qū)相接時(shí)，因觀測系統(tǒng)不一致，資料拼接會(huì)有一定難度，需要另行考慮。

圖1 項(xiàng)目工區(qū)位置圖

表1 采集方案設(shè)計(jì)一覽表

城區(qū)面積大的區(qū)塊，計(jì)劃配備一定量的無線節(jié)點(diǎn)以輔助有線采集。在過高速公路方案中，因?yàn)楣穼?、車速高，過路點(diǎn)少，存著大量偏點(diǎn)及架設(shè)二級(jí)排列的需求，雖然有線儀器具有較強(qiáng)的多路回傳能力，但如果一邊的排列不接到主光纜上，傳輸能力將非常有限，僅2 000道，因此需要考慮在公路兩邊架設(shè)2條主光纜通道，以適應(yīng)排列橫穿時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸壓力的平衡。

根據(jù)踏勘，海上6個(gè)區(qū)塊可劃分為深水開闊海域、淺水、極淺水、島嶼及過渡帶5種類型（圖2）。為此，針對(duì)性配置了5種震源類型：①10 m以上開闊海域采用雙源深水氣槍激發(fā)；②6～10 m淺水海域采用淺水單源氣槍；③3～6 m極淺水海域采用小容量極淺水氣槍；④島嶼采用AHV-380可控震源激發(fā)；⑤過渡帶采用可控震源、炸藥、氣槍等混源激發(fā)方案。而接收儀器配置方案為：①復(fù)雜淺海區(qū)域采用MASS節(jié)點(diǎn)；②平坦淺水區(qū)域采用Z100；③極淺水區(qū)和開闊海域采用雙檢（常規(guī)檢波器與水聽器）及陸地采用GSR節(jié)點(diǎn)；④過渡帶采用沼澤檢波器。而采集方法則確定為：①淺水采用OBN；②極淺水采用OBC；③深水開闊海域采用Streamer；④過渡帶采用陸地GSR；⑤在油田開發(fā)區(qū)，則要加密觀測系統(tǒng)。

圖2 海上作業(yè)區(qū)塊劃分與擬采用裝備展示圖

3 采集基本參數(shù)優(yōu)化

3.1 檢波器組合參數(shù)的優(yōu)化

為確保地震資料品質(zhì)，項(xiàng)目起始對(duì)采集的各項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與驗(yàn)證。程序如下：①對(duì)檢波器組合參數(shù)進(jìn)行盒子波調(diào)查試驗(yàn)，首先建立盒子波觀測系統(tǒng)（圖3），然后根據(jù)獲得的盒子波調(diào)查資料確定該區(qū)域的隨機(jī)干擾波干擾半徑，以此確定檢波器之間的組內(nèi)距；②對(duì)盒子波的資料進(jìn)行檢波器組合模擬，用雷達(dá)掃描的方式觀測對(duì)面波干擾的壓制以及資料信噪比的變化，據(jù)此優(yōu)化檢波器組合方式（圖4）；③進(jìn)行線試驗(yàn)驗(yàn)證，決定最后的檢波器組合參數(shù)。

圖4 利用盒子波試驗(yàn)優(yōu)選檢波器組合流程圖

通過盒子波觀測試驗(yàn)的噪音記錄分析可知，勘探區(qū)域的隨機(jī)干擾半徑要大于5 m，在盒子波的方形觀測點(diǎn)矩陣中，任意選擇組合方式進(jìn)行雷達(dá)掃描分（圖4-a、b），其結(jié)果顯示相同組合長度，組內(nèi)距大的信噪比高，組合個(gè)數(shù)與地震信號(hào)能量成正比；雷達(dá)掃描后根據(jù)模擬結(jié)果選擇一種或幾種最優(yōu)組合方案進(jìn)行線試驗(yàn)驗(yàn)證，筆者選擇了2種組合進(jìn)行線試驗(yàn)（圖4-c），圖4-c上是甲方原設(shè)計(jì)的檢波器組合方式，圖4-c下是模擬優(yōu)選后的檢波器組合方式，而圖4-d則分別是2種組合的對(duì)應(yīng)疊加剖面。圖4-c上的組合方式實(shí)際上在沿接收線方向與炮線方向的投影組內(nèi)間距都小于5 m，因此從疊加剖面對(duì)比看，原設(shè)計(jì)使用組合的隨機(jī)干擾要強(qiáng)于組內(nèi)間距大于5 m的優(yōu)選檢波器組合的組合方式，最后實(shí)際施工選用了新的組合方式。

3.2 寬頻信號(hào)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

常規(guī)震源上進(jìn)行低頻信號(hào)激發(fā)輸出低頻能量時(shí)，受流量泵和重錘位移影響，低頻部分的相位差變大，由此產(chǎn)生了很強(qiáng)的力信號(hào)畸變(圖5-a)，震源有效出力大幅降低，并伴隨了很強(qiáng)的非線性諧波干擾，嚴(yán)重降低了低頻段地震信號(hào)的信噪比。為此引進(jìn)了低頻壓制模塊SMartLF，將其直接安裝在VE464箱體上，施工前在典型的地表?xiàng)l件下預(yù)先進(jìn)行多次震動(dòng)，該模塊可以根據(jù)每一次的震動(dòng)情況對(duì)掃描信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，直至低頻部分產(chǎn)生的諧波畸變最?。▓D5-b右），從而保證低頻段能量輸出具有足夠的信噪比。

圖5 低頻掃描信號(hào)對(duì)比圖

與此同時(shí)，在寬頻信號(hào)的高頻段測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)8×104磅（1磅= 0.45 kg）大噸位震源來講，高頻段信號(hào)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大畸變，究其原因，主要是為保證高頻段有足夠的能量輸出，其負(fù)載需求大大增加，頻率需求越高，負(fù)荷越大，如圖6上所示紅線是1.5～100 Hz的力矩馬達(dá)負(fù)荷，藍(lán)線是1.5～120 Hz的力矩馬達(dá)的負(fù)載數(shù)據(jù)，由圖6可見藍(lán)線的負(fù)荷要比紅線的高很多；而負(fù)荷越大，振子系統(tǒng)的響應(yīng)產(chǎn)生的畸變?cè)酱?。因此通過限制高頻部分的出力就能實(shí)現(xiàn)減少畸變的目的，試驗(yàn)驗(yàn)證了這一思路是正確的（圖6）[5-6]。

4 高效作業(yè)

4.1 陸上震源高效采集方案優(yōu)化

根據(jù)地形與野外實(shí)際排列的情況，需要進(jìn)行合理震源位置布設(shè)，并投入相應(yīng)數(shù)量的震源以實(shí)現(xiàn)儀器無等待采集，達(dá)到最大化的生產(chǎn)效率。為此配備了30臺(tái)AHV-380可控震源，并采用2種分布管理方式：①預(yù)先規(guī)劃當(dāng)天施工線束炮點(diǎn)分配，由于線束內(nèi)因地表不同等原因?qū)е抡鹪葱什灰恢拢杈?xì)分配每一組震源的震源臺(tái)數(shù)，或者在地表復(fù)雜區(qū)域適當(dāng)少分配一些任務(wù)，做到接收線搬遷不壓線，最大可能地提高生產(chǎn)效率；②考慮滑動(dòng)時(shí)間——距離（T-D）規(guī)則的情況，因每束線炮點(diǎn)長度較長（最長可達(dá)32 km），如圖7所示列排列震源，藍(lán)框內(nèi)的3臺(tái)1簇（Cluster）震源可以是任意震源，其間距滿足同時(shí)激發(fā)條件，簇與簇之間滿足T-D規(guī)則中的滑動(dòng)時(shí)間，盡量縮短放炮的時(shí)間間隔，有效提高施工效率。

圖6 噪音水平對(duì)比圖

圖7 陸上滿足高效采集的震源分布方案示意圖

為了達(dá)到高效采集的目的，在運(yùn)作過程中采用了無樁號(hào)施工，由推土機(jī)智能導(dǎo)航，對(duì)推土機(jī)軌跡進(jìn)行自動(dòng)偏點(diǎn)；同時(shí)有效利用動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描、KLSeispro海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、RtQC快速質(zhì)控等一系列高效采集配套技術(shù)，采集的單位小時(shí)作業(yè)效率介于1 000～1 500炮；本項(xiàng)目投入了目前最先進(jìn)的百萬道采集能力的有線系統(tǒng)和近萬道無線節(jié)點(diǎn)，可以全天候不間斷進(jìn)行采集，最大可能地減少施工過程中帶來的影響[7-15]。

4.2 海上高效采集方案實(shí)現(xiàn)

海上的工區(qū)面積超過30 000 km2，觀測系統(tǒng)也采用高密度采集，設(shè)計(jì)總炮數(shù)近1×108炮，高效采集勢在必行。首先通過合隊(duì)等方式來減少劃分ZIPPER產(chǎn)生的重炮炮點(diǎn)[16]，以降低總炮數(shù)；同時(shí)基于現(xiàn)有對(duì)海上高效采集的認(rèn)識(shí)，組織現(xiàn)場攻關(guān)，形成海上多船高效混采作業(yè)方法（HEBS）。該方法距離分離6 km最小距離限制，采用獨(dú)立激發(fā)的高效采集方案[10]，目前達(dá)到4船6源高效采集模式，大幅度地提升了生產(chǎn)效率（圖8）。

4.3 稀疏反演數(shù)據(jù)分離技術(shù)

陸上或者海上采用高效混疊采集的基礎(chǔ)是混采數(shù)據(jù)分離技術(shù)[16-17]的進(jìn)步，BGP研發(fā)的基于稀疏反演混采數(shù)據(jù)分離方法[18]很好地滿足了當(dāng)前陸上基于T-D規(guī)則的距離分離滑動(dòng)掃描與海上HEBS采集數(shù)據(jù)分離需要。解決了作業(yè)方法帶來的混疊數(shù)據(jù)對(duì)成像效果的影響，極大地提高了單位裝備投入產(chǎn)生的效率。具體單炮分離效果如圖9所示，圖9-a為海上混疊數(shù)據(jù)分離前后的對(duì)比，可見利用稀疏反演分離方法在強(qiáng)近炮能量中很容易分離出遠(yuǎn)離炮點(diǎn)的接收線數(shù)據(jù)；而圖9-b是陸上混疊數(shù)據(jù)分離前后的對(duì)比，從中可以看到即便震源之間的距離很近，且還是多個(gè)炮點(diǎn)同時(shí)激發(fā)，利用稀疏反演分離方法也能有效地將需要的地震數(shù)據(jù)分離出來，大大減少了分離混疊數(shù)據(jù)對(duì)距離的要求。這意味著可以投入較少的地面電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)混疊高效采集，減少了資產(chǎn)的投入，大大節(jié)約了成本。

4.4 節(jié)點(diǎn)的使用與質(zhì)控技術(shù)

圖8 海上項(xiàng)目高效采集方法示意圖

圖9 混采數(shù)據(jù)分離前后炮集展示剖面圖

陸上施工中，在大型城區(qū)采用了節(jié)點(diǎn)和有線混合采集，由于節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立采集數(shù)據(jù)的，這使混合采集方案更具靈活性和通過性，極大地降低了城區(qū)的空點(diǎn)率，同時(shí)施工效率也有較大的提升，基本上與常規(guī)施工區(qū)域的施工效率一致，而陸上節(jié)點(diǎn)采集的質(zhì)控方案[10-11]已經(jīng)非常成熟，直接應(yīng)用KLseis-seismicpro 就能滿足。海上施工區(qū)域，由于BLOCK1/2/3淺水環(huán)境復(fù)雜，島嶼、環(huán)境保護(hù)區(qū)、珊瑚礁、油田區(qū)、石油管線分布較多，采用了新型MASS節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與z100相比，具有體積小，重量輕，易于布設(shè)和回收等特點(diǎn)，更適合在復(fù)雜水域施工，但由于該節(jié)點(diǎn)是新引入的，因此需要根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的特征，開發(fā)相應(yīng)的質(zhì)控軟件，在實(shí)施過程中，開發(fā)對(duì)應(yīng)的KL-NodeQC軟件，完成了Mass節(jié)點(diǎn)SGD3.0數(shù)據(jù)讀取、切分、時(shí)鐘校正、數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)（圖10）、水檢靈敏度檢查、節(jié)點(diǎn)水深檢查、SGY數(shù)據(jù)體生成、可控震源數(shù)據(jù)切分等諸多功能及對(duì)標(biāo)工作，圖10為新開發(fā)的MASS節(jié)點(diǎn)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的4分量旋轉(zhuǎn)方法，而原廠家提供的COMPASS LOGGER記錄值校正是不能滿足4分量旋轉(zhuǎn)需求的，尤其是X、Y分量，但新方法校正后，X、Y的能量指示和方向完全一致，滿足了項(xiàng)目需求。

圖10 應(yīng)用COMPASS LOGGER記錄值與技術(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算值旋轉(zhuǎn)后質(zhì)控圖

5 結(jié)論

這次超大型地震勘探項(xiàng)目采集技術(shù)規(guī)劃與集成是針對(duì)大區(qū)域精細(xì)地質(zhì)目標(biāo)勘探而實(shí)現(xiàn)的一次挑戰(zhàn)，總結(jié)起來可以歸納為：

1）面對(duì)眾多不同的地表?xiàng)l件，地質(zhì)目標(biāo)深且多變，統(tǒng)籌規(guī)劃分區(qū)，有利于裝備配備的合理性與生產(chǎn)過程管理的高效性，建立的觀測系統(tǒng)參數(shù)更加貼近地質(zhì)任務(wù)。

2）進(jìn)一歩劃塊進(jìn)行精細(xì)采集參數(shù)設(shè)計(jì),提升了地震資料的單炮品質(zhì)，有效地拓寬了頻帶。

3）高效采集方式設(shè)計(jì)，無論海上還是陸上因地制宜進(jìn)行高效采集方式的選擇，最大程度上提高了生產(chǎn)效率，從以往的日效2 000炮提升到10 000炮以上。

4）稀疏反演分離方法實(shí)現(xiàn)近距離混疊數(shù)據(jù)的分離，使滑動(dòng)時(shí)間與距離進(jìn)一步的縮小，因此在相同裝備投入的情況下，容納更多的震源進(jìn)行高效生產(chǎn)。

5）眾多不同類型裝備的質(zhì)控方法，全面控制了地震采集資料品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了甲方對(duì)資料品質(zhì)的需求。

這些技術(shù)的集成與應(yīng)用成為超大型項(xiàng)目低成本實(shí)現(xiàn)高精度地震勘探的解決方案骨架，目前項(xiàng)目運(yùn)行良好；當(dāng)然超大型地震勘探項(xiàng)目采集還有許多的技術(shù)需要攻關(guān)及優(yōu)化，還有一些挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)，尤其是高效作業(yè)需要的裝備還很多，規(guī)模較大，精細(xì)的野外作業(yè)管理和質(zhì)量控制還需進(jìn)一步優(yōu)化完善。如何在進(jìn)一步降低成本的情況下，不斷改進(jìn)地震資料的成像效果，提升油氣預(yù)測的精度是地震采集永恒的追求。

致謝： 阿聯(lián)酋超大型地震勘探項(xiàng)目是集BGP眾多從事野外采集以及研發(fā)人員多年來技術(shù)之大成，里面包含了他們的不懈努力，在此向他們表示衷心的感謝！同時(shí)特別感謝為本文提供技術(shù)資料的BGP國際勘探事業(yè)部阿聯(lián)酋項(xiàng)目經(jīng)理部和采集技術(shù)支持部等單位的技術(shù)人員！