王瑞貞，白旭明，王金寬，趙利慶，韓 力，邱文平

（1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司華北物探處，河北任丘062552；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北任丘062552）

二連盆地朝克烏拉凹陷位于蘇尼特隆起東部，是白堊系沉積盆地，油氣資源豐富。本區(qū)火成巖多期次噴發(fā)，新生界的巨厚玄武巖廣泛分布于地表；受新生代的地殼變動和風化剝蝕作用，地形起伏劇烈，地震地質(zhì)條件十分復雜，激發(fā)接收條件極差，地震資料能量弱、信噪比低、成像困難，曾一度被稱為地震“勘探禁區(qū)”。華北油田1984—2005年曾先后采用井炮、可控震源開展過多次采集技術(shù)攻關(guān)，但始終沒有取得突破性進展。2015年，華北油田在火成巖覆蓋區(qū)邊緣鉆遇優(yōu)質(zhì)烴源巖，證明本區(qū)具有巨大油氣勘探潛力，2016年再次對本區(qū)開展了地震勘探技術(shù)攻關(guān)。

表層火成巖覆蓋區(qū)地震勘探屬世界級技術(shù)難題，已經(jīng)引起了勘探學家的普遍關(guān)注和高度重視。安學勇等[1]對朝克烏拉凹陷地震采集方法進行了研究總結(jié)，認為火成巖覆蓋區(qū)“地震波散射嚴重和難以產(chǎn)生反射波這兩種因素無法克服，而地震波屏蔽嚴重和激發(fā)接收困難這兩種因素，可通過采取適當?shù)拇胧档推鋵Φ卣鹳Y料的影響”。張愛印[2]對宣化—下花園煤田火成巖覆蓋區(qū)地震勘探技術(shù)進行了研究，認為采用大藥量激發(fā)、高覆蓋接收、精細靜校正和精細去噪方法，能夠取得較好的效果。裴正林等[3]采用P 波廣角反射消除火成巖高速層對地震波的屏蔽作用。吳希光等[4-6]對復雜地區(qū)地震資料低信噪比的原因及對策進行了研究總結(jié)，認為在復雜地表區(qū)，強散射干擾是導致記錄信噪比低的根本原因。李燦蘋[7]對散射波特征與非均勻地質(zhì)體對應(yīng)關(guān)系進行了詳細分析研究，認為地震波的散射程度與非均勻地質(zhì)體的尺度和波長的比值有關(guān)。本文通過對二連盆地朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地震地質(zhì)特點的分析，在總結(jié)以往相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，闡明了造成該區(qū)地震原始資料品質(zhì)差的主要原因和地震勘探的技術(shù)難點，提出了一套以高精度可控震源低頻激發(fā)、寬線、長排列、高覆蓋接收為主的地震資料采集技術(shù)和以綜合靜校正、多域去噪和高精度速度分析為主的處理方法，展示了該方法技術(shù)的應(yīng)用效果，希望對類似地區(qū)的地震勘探工作具有借鑒意義。

1 難點分析

1.1 地震地質(zhì)條件

研究區(qū)為朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)，位于該凹陷朝三次洼中部以西，區(qū)內(nèi)發(fā)育有下白堊系巴彥花群的賽漢組、騰二段、騰一段、阿爾善組地層，各層底界反射能量中等，連續(xù)性較差。其中騰二段、騰一段和阿爾善組地層為該區(qū)良好的儲集層，也是該區(qū)勘探的主要目的層，勘探深度為800～3000 m。區(qū)內(nèi)火成巖覆蓋于近地表，有的出露地表，有的隱伏于近地表之下，表面粗糙、成不規(guī)則塊狀，內(nèi)部多孔，分布零散、破碎，其間有第四系黃土不同程度填充（圖1）。根據(jù)以往地質(zhì)露頭、電法等資料推測凹陷內(nèi)表層火成巖夾沉積巖總厚度東部一般在50 m 左右；中部厚度變化較大，在50～200 m；西部火成巖普遍較厚，大部分地區(qū)在200 m 以上（圖2），分布極不均勻。根據(jù)表層調(diào)查結(jié)果，本區(qū)近地表低速層速度一般為650～1100 m/s，高速層速度一般為2100～3000 m/s，最高速度可達4 500 m/s（圖3）。

圖1 朝克烏拉凹陷火成巖地表

1.2 勘探難點分析

圖2 朝克烏拉凹陷表層火成巖厚度（單位：m）

2016年以前，在研究區(qū)共開展過4次地震勘探。圖4展示了1998年和2005年相鄰兩條火成巖區(qū)二維地震剖面。1998年利用AMG P23可控震源施工，主要采集參數(shù)：振動臺次為4臺×8次、掃描長度為10s、掃描頻率為13～64 Hz、道距為50 m、覆蓋次數(shù)為30次。在火成巖覆蓋區(qū)地震記錄信噪比低，有效信息微弱，剖面上（圖4a）難以見到有效目的層反射，缺少低頻信息。2005年利用井炮施工，采用25 m 固定井深、24 kg藥量、25 m 道距、180次覆蓋，地震剖面（圖4b）效果無明顯改善。

根據(jù)本區(qū)地震地質(zhì)條件及以往勘探經(jīng)驗，認為本區(qū)地震勘探主要有以下難點。

圖3 朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)近地表反演速度剖面

難點一：散射波干擾嚴重，提高地震資料信噪比困難。從研究區(qū)典型的一條原始地震記錄（圖5）上可以看出，散射干擾遍布整個地震記錄，尤其是近道散射能量強，遠道能量衰減快，面波、有效波都發(fā)生了強烈的散射，很難見到有效反射波同相軸。雜亂分布的不規(guī)則塊狀火成巖與地表（圖1）以及埋藏于近地表的火成巖與第四系填充的黃土之間都存在不規(guī)則波阻抗界面，地震波在傳播過程中遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

圖4 1998年（a）和2005年（b）火成巖區(qū)二維地震剖面

圖5 原始地震記錄

1）由炮點下行的地震波在通過近地表巨厚火成巖覆蓋區(qū)時，遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，使下行波到達目的層反射界面的能量降低，激發(fā)效果變差。

2）由反射界面上行的反射波通過近地表巨厚火成巖覆蓋區(qū)時，遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，使上行反射波到達接收點的能量降低，接收效果變差，上行波的散射產(chǎn)生的上行波被接收后降低了資料信噪比。

3）面波在近地表傳播時，遇到地表不規(guī)則波阻抗界面產(chǎn)生散射。由于面波能量一般較強，強面波散射嚴重影響地震記錄信噪比，如圖5所示的近道強干擾即是面波散射的結(jié)果。

難點二：巨厚火成巖屏蔽作用嚴重。用水鉆對近地表火成巖覆蓋區(qū)鉆孔發(fā)現(xiàn)，地表以下火成巖呈塊狀雜亂堆積，孔隙發(fā)育，漏水嚴重。由于表層大量孔隙的存在，使之與下伏地層形成很強的波阻抗界面，激發(fā)產(chǎn)生的地震入射波到達這一界面時，產(chǎn)生的反射波能 量 強 ， 透射波能量小，造成目的層反射能量弱，巨厚火成巖嚴重的屏蔽作用，影響目的層成像效果。

難點三：靜校正問題突出?；鸪蓭r覆蓋區(qū)地表起伏劇烈（圖6），從CK16-11 線近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查模型（圖7）可以看出，表層速度、厚度橫向變化大，靜校正問題嚴重，影響成像效果。

圖6 朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)地形

圖7 CK16-11線近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查模型與速度曲線疊合

從上述難點中可知，強散射波干擾是造成研究區(qū)地震資料信噪比低的最主要原因；巨厚火成巖散射和屏蔽作用是造成目的層反射能量弱的主要原因；靜校正問題突出進一步影響了研究區(qū)目的層的成像效果。

2 技術(shù)對策

針對上述難點，在地震資料采集環(huán)節(jié)采用可控震源低頻激發(fā)、寬線、長排列、高覆蓋接收提高原始資料品質(zhì)；在地震資料處理環(huán)節(jié)，采用多域去噪、綜合靜校正和高精度速度分析技術(shù)提高剖面成像效果。

2.1 可控震源低頻激發(fā)技術(shù)

在地震勘探中，介質(zhì)的非均勻性是針對地震波波長而言的[7-8]，一定尺度的非均質(zhì)體對短波長的地震波而言是非均勻介質(zhì)，而對長波長而言可等效為均勻介質(zhì)，波長越長，被等效為均勻介質(zhì)的地質(zhì)體越大。根據(jù)這一理論，低頻長波長信號穿透非均勻介質(zhì)的能力強，散射作用弱；相反，高頻信號穿透能力弱，散射作用強。圖8對比了二維不規(guī)則界面不同主頻正演模擬地震記錄的結(jié)果。由圖8b可見，不規(guī)則界面L1的散射波很弱，幾乎看不到連續(xù)的散射波；由圖8c和圖8d可以看出，大量連續(xù)的散射波形成背景干擾，同時使L2界面反射產(chǎn)生扭曲，這表明低頻信號較高頻信號抗散射能力強。另外，低頻信號下傳的能量較高頻信號強，有利于克服巨厚火成巖屏蔽作用，提高深層信號能量。因此，用低頻激發(fā)技術(shù)降低表層巨厚火成巖散射和屏蔽作用的影響，提高原始資料品質(zhì)是可行的。

由于工區(qū)表層火成巖與黃土混雜、疏松，井炮激發(fā)鉆井困難，成功率低，激發(fā)效果差，以往井炮采集結(jié)果也證實了這一點。EV56 低頻可控震源具有噸位大、起始掃描頻率低、掃描頻帶寬的特點，并且其振板設(shè)計特殊，與地面耦合效果和彈性波轉(zhuǎn)換效能較常規(guī)震源有明顯提高，因此我們施工時采用EV56低頻可控震源，掃描頻率為1.5～64.0 Hz。圖9為可控震源不同掃描頻率的疊加剖面。從圖9a可以看出，掃描頻率為12～64 Hz所得的剖面從淺到深難以見到有效地層反射信息，從圖9b中可以看出，掃描頻率為1.5～64.0 Hz所得的剖面盡管分辨率較低，但可以清 晰見到主要目的層的反射信息。

圖8 理論模型（a）和3 Hz（b）、15 Hz（c）、30 Hz（d）主頻正演模擬地震記錄

圖9 可控震源不同掃描頻率疊加剖面

2.2 長排列接收技術(shù)

根據(jù)地震波傳播原理，當入射角大于臨界角時發(fā)生廣角反射[9-11]，廣角反射的能量一般大于常規(guī)反射的能量（圖10）。

采用廣角反射增大炮檢距的觀測方式，即可克服高速層屏蔽作用，同時由于廣角反射信號能量強，有利于低信噪比地區(qū)資料的獲得。廣角反射臨界角計算公式為：

圖10 地震反射波能量與入射角的關(guān)系

式中：θ為 臨 界 角；v1為 第1層 層 速 度；v2為 第2層層速度。

臨界排列長度計算公式為：

式中：Xmax為炮檢距；h為第1層厚度。

圖11是根據(jù)朝克烏拉凹陷的表層和深層資料建立的正演模擬速度模型，根據(jù)模型計算主要目的層騰二段底（T6）發(fā)生廣角反射的炮檢距為1600 m，阿爾善組頂（T8）發(fā)生廣角反射的炮檢距為3500 m，阿爾善組底（T11）發(fā)生廣角反射的炮檢距為4000 m。

圖11 朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地質(zhì)模型

由火成巖覆蓋區(qū)（左支）4000 m 炮檢距的正演模擬地震記錄（圖12）可見，能產(chǎn)生阿爾善組底以上地層的廣角反射，地震記錄正演結(jié)果與理論計算結(jié)果一致。

圖13是20～40 Hz分頻地震記錄，可以清楚地看到廣角反射現(xiàn)象，且廣角反射較遠炮檢距反射能量更強。處理地震資料時可采用少切除或不切除和高階動效正處理技術(shù)，以更好地利用廣角反射信息。

2.3 寬線高覆蓋技術(shù)

圖12 火成巖覆蓋區(qū)（左支）4 000 m 炮檢距正演地震記錄

圖13 火成巖覆蓋區(qū)20～40 Hz分頻地震記錄

寬線觀測具有組合效應(yīng)，可以有效壓制側(cè)面干擾。高覆蓋技術(shù)是地震勘探提高信噪比和目的層能量的主要技術(shù)?；鸪蓭r覆蓋區(qū)受表層火成巖影響，資料信噪比極低（如圖4），寬線、高覆蓋結(jié)合是有效解決目的層能量和信噪比的有效技術(shù)。

圖14顯示了火成巖覆蓋區(qū)采用不同覆蓋次數(shù)的照明效果。從圖14中可以看出，隨著覆蓋次數(shù)的增加，目的層的照明效果越來越好。

定量分析不同覆蓋次數(shù)疊加剖面，可以得到火成巖覆蓋區(qū)下伏目的層信噪比隨覆蓋次數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出，隨著覆蓋次數(shù)的增加，目的層的信噪比得到提高，當覆蓋次數(shù)大于1 000次時，信噪比增大幅度不明顯。

圖14 火成巖覆蓋區(qū)采用不同覆蓋次數(shù)的照明效果

圖15 火成巖覆蓋區(qū)目的層信噪比隨覆蓋次數(shù)變化曲線

本次朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)地震采集技術(shù)攻關(guān)采用了4線4炮120道960次覆蓋的觀測系統(tǒng)。對比不同覆蓋次數(shù)疊加剖面（圖16）可以看出，隨著覆蓋次數(shù)增加資料信噪比得到明顯提升。960次覆蓋剖面構(gòu)造特征清楚，能夠滿足火成巖區(qū)勘探需求。

2.4 綜合靜校正技術(shù)

復雜地表區(qū)靜校正是地震資料處理的關(guān)鍵技術(shù)，目前單一的靜校正方法很難或不可能解決全區(qū)靜校正問題，需多種方法聯(lián)合使用。朝克烏拉火成巖覆蓋地區(qū)表層有巨厚火成巖，難以用小折射、微測井等常規(guī)近地表調(diào)查方法獲得精確的近地表結(jié)構(gòu)，模型法靜校正技術(shù)不適宜該區(qū)。另外，該區(qū)表層結(jié)構(gòu)復雜，地表起伏劇烈，表層速度、巖性橫向變化快，火成巖無穩(wěn)定折射層，難以劃分出統(tǒng)一折射層面，折射靜校正效果不好。因此，在該區(qū)采用高程靜校正、層析靜校正和綜合靜校正處理技術(shù)。

圖16 采用不同覆蓋次數(shù)的疊加剖面

對比圖17a和圖17b可以看出，除局部區(qū)域高程靜校正疊加剖面好于層析靜校正疊加剖面外，整體上層析靜校正疊加剖面好于高程靜校正疊加剖面。而綜合了高程靜校正與層析靜校正獲得的剖面（圖17c）兼有了兩者的優(yōu)勢，整體效果較好。

2.5 多域去噪技術(shù)

火成巖覆蓋區(qū)干擾波類型較多，除常見的面波、線性干擾、異常振幅和隨機噪聲干擾外，在近偏移距區(qū)還存在強能量散射干擾（圖18）。

這些干擾波的存在使反褶積過程的自相關(guān)函數(shù)變差，影響反褶積的效果。地震資料處理時依照“先低頻噪聲后高頻噪聲、先線性噪聲后隨機噪聲、先強能量噪聲后弱能量噪聲”的去除原則，根據(jù)各種干擾波的自身特點，分別在炮域、共檢波點域、CMP 域或OVT（共偏移距矢量片）域等進行分域去噪，逐步去除各種噪聲，提高資料信噪比。多域去噪的技術(shù)流程如圖19所示。

圖17 采用不同靜校正方法的疊加剖面

圖18 火成巖覆蓋區(qū)的干擾波

圖19 多域去除噪聲的技術(shù)流程

火成巖覆蓋區(qū)的強能量散射干擾是本次去噪的重點。在原始地震記錄上，近偏移距區(qū)散射干擾的能量明顯大于遠偏移距區(qū)（圖20），特別是在0～1250m 偏移距內(nèi)散射波能量約為無散射干擾區(qū)道能量的70倍，因此，必須對散射波能量進行衰減。常規(guī)的地表一致性異常振幅去除技術(shù)，主要是基于多道統(tǒng)計單道壓制的原理，其應(yīng)用前提是時窗中要衰減的噪聲的振幅大于有效信號的振幅。很顯然，火成巖覆蓋區(qū)的炮集記錄中近偏移距區(qū)不能滿足該應(yīng)用條件。為此，采用OVT 域處理技術(shù)，先將炮集記錄按OVT 矢量片的方式進行劃分，并對OVT 域道集進行隨機重排，改變強能量干擾道的分布規(guī)律，然后進行地表一致性異常振幅處理，從而實現(xiàn)對近偏移距區(qū)強能量散射干擾的有效壓制（圖21）。

通過保幅、保真的漸進式去噪，各種干擾得到很好的壓制，有效波成分得到突出，成像剖面整體信噪比得到明顯改善（圖22）。

圖20 火成巖覆蓋區(qū)炮域強能量干擾波

圖21 散射波強能量干擾壓制過程與效果

圖22 多域去除噪聲前（a）、后（b）成像剖面

2.6 基于散射波的速度分析技術(shù)

在低信噪比地區(qū)，經(jīng)常會由于速度分析精度低造成剖面成像質(zhì)量變差，甚至會出現(xiàn)假構(gòu)造現(xiàn)象。BANCROFT 等[12]提出了基于共散射點道集等效偏移距的疊前時間偏移速度分析方法，即依據(jù)地震波旅行時的雙平方根方程，采用疊前克?；舴蚍e分偏移原理，將地震道按產(chǎn)生的散射點，在給定的偏移距范圍內(nèi)抽道集，稱為共散射點道集（CSP道集）。CSP道集與CMP道集相比具有較高的信噪比，利用CSP道集進行速度分析，具有提高覆蓋次數(shù)的優(yōu)勢，能獲取高精度的均方根速度場，從而提高地震剖面質(zhì)量[13-18]。

圖23 CMP道集（a）和CSP道集（b）的速度譜

圖23是相同點CMP道集和CSP道集速度譜對比結(jié)果，可以看出后者比前者信噪比高，能量團更集中，大道集中淺層能看到明顯的雙曲線同相軸，速度解釋可靠性更高。

圖24是采用某二維測線的CMP 道集和CSP道集進行速度分析建立的速度模型。從圖24a可以看出，淺層速度橫向變化平緩，而深層速度橫向變化相對劇烈，這種現(xiàn)象與本區(qū)地層發(fā)育和速度變化規(guī)律都不符，而從圖24b可以看出，由淺到深速度的變化更符合本區(qū)地層發(fā)育和速度變化規(guī)律。圖25是與圖24對應(yīng)的疊加剖面，可以看出，圖25b所示剖面波組特征清晰，更符合本區(qū)地層發(fā)育規(guī)律。

圖24 采用CMP道集（a）和CSP道集（b）進行速度分析建立的速度模型

圖25 利用CMP道集（a）和CSP道集（b）速度模型得到的疊加剖面

3 應(yīng)用效果分析

本次攻關(guān)野外采集采用EV56低頻高精度可控震源，振動臺次為2臺1 次，掃描長度為14 s，掃描頻率為1.5～64.0 Hz，驅(qū)動幅度為65%，采用4線4炮120道的觀測系統(tǒng)，道距為50 m，炮點距為50 m，覆蓋次數(shù)為960 次。地震資料處理過程中在完成前文介紹的綜合靜校正、疊前系列去噪的基礎(chǔ)上，開展基于散射波的速度分析，獲得了高質(zhì)量的速度場。以此開展真地表疊前時間偏移成像攻關(guān)，取得了較為理想的效果。圖26是朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)相距2 km 的老新成果剖面對比結(jié)果。從圖26可以看出，新的疊前時間偏移剖面信噪比明顯提高，主要目的層反射清楚，地質(zhì)現(xiàn)象清晰，剖面質(zhì)量較老剖面有很大提高。

圖26 朝克烏拉火成巖區(qū)老（a）、新（b）PSTM 成像剖面

4 結(jié)論

朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地震勘探技術(shù)的再次攻關(guān)研究結(jié)果表明：

1）近地表散射是造成本區(qū)地震資料反射能量弱、信噪比低的最主要原因，嚴重的靜校正問題進一步影響了研究區(qū)目的層的成像效果。可控震源低頻激發(fā)是取得攻關(guān)突破的關(guān)鍵技術(shù)，寬線、長排列、高覆蓋接收是提高原始資料信噪比的有效技術(shù)手段；

2）多域去噪處理技術(shù)是提高地震成像剖面信噪比的關(guān)鍵，基于散射波理論的高精度速度分析技術(shù)是提高低信噪比資料速度分析精度的有效措施。

本次地震勘探攻關(guān)雖然取得了突破性進展，所采用的配套技術(shù)對類似地區(qū)具有重要借鑒意義，但還有一些技術(shù)難題有待進一步攻關(guān)研究：

1）成像剖面上主要目的層發(fā)育及展布清楚，能夠滿足構(gòu)造解釋需要，但火成巖散射嚴重，對地震資料的分辨率和信噪比的影響還沒有完全消除，需進一步深入研究；

2）最新地質(zhì)研究成果表明，研究區(qū)不僅近地表被火成巖覆蓋，深層火成巖也十分發(fā)育，提高成果剖面的品質(zhì)還需進一步研究深層火成巖成像效果影響因素及先進技術(shù)，比如基于散射波的成像處理技術(shù)等。

致謝：本文在撰寫過程中得到了范國增老專家的指導與幫助，在此表示衷心感謝!