南疆沙漠區超深層高密度地震采集方法

徐雷良,宋智強

(1.中國石化地球物理公司科技研發中心，江蘇南京 210005； 2.中國石化地球物理公司勝利分公司，山東東營 257100)

1 勘探現狀及需求

南疆沙漠SHB地區奧陶系油氣藏是多層系復合型油氣田，埋藏深度一般超過7000 m。據中國對超深層的定義，該目標屬典型的超深層地質目標。從目前已探明的多個油氣富集區來看，大多是沿大型斷裂帶分布，斷裂帶控藏特征非常明顯。以往高精度地震資料已不能滿足油藏進一步開發需求。經過梳理分析，目前該區地震勘探主要存在以下問題：①地表為巨厚沙漠覆蓋且沙丘起伏大，沙漠對地震波吸收衰減嚴重，且耦合較差； ②奧陶系目的層埋藏深(大于7000 m)，走滑斷裂近垂直、斷距小，水平位移小，地震資料分辨難度大； ③地震資料主頻(18～20 Hz)低、信噪比較低，斷溶體內幕分辨能力有限，解釋結果存在多解性； ④采用目前地震資料指導鉆井軌跡，從造成的鉆井失利情況分析，放空漏失井均處于斷裂帶上，因此地震資料成像精度不能準確指導鉆井軌跡[1-2]。

地震資料分辨率較低，與波場采集方法有直接關系[3-4]。以往采用的地震采集技術由于受到當時裝備及理論限制，采集參數更注重深層能量，包括深井大藥量(高速層頂界面下7 m，36 kg)、三串大組合(3串品字形，組合基距14 m×14 m)、較大面元(25 m×25 m)、大接收線距炮/線距(300 m)。為了探尋適用于超深小目標成像的采集方法，首先從理論上進行了分析。依據該區主干斷裂及次級斷裂構造模式及斷裂、孔洞大小分布特征，建立該區典型地質模型(圖1)，模擬從理論上分析滿足小尺度目標分辨率需求的采集參數。

圖1 構建SHB地區的地質模型

1.1 不同頻率模擬分析

針對該地質模型首先進行不同頻率模擬(圖2)，模擬頻率的范圍是30～50 Hz。

從圖2分析，隨著頻率的逐步提升，走滑斷裂逐步清晰。30 Hz對走滑斷裂系統刻畫較差，無法精細刻畫內部結構，僅僅是模糊的輪廓刻畫。35～40 Hz走滑斷裂清晰度提高，基本能夠準確描述內部、斷裂邊界。因此，要滿足走滑斷裂成像需求，頻率至少需達35～40 Hz。

圖2 不同頻率模擬分析—走滑斷裂

1.2 不同噪聲背景分析

該區地表沙丘起伏大，次生干擾嚴重影響了超深目的層弱反射的信噪比，對于小尺度目標識別具有較大影響[5-7]。對原始模擬單炮記錄添加不同數量的噪聲，并對這些不同信噪比單炮記錄進行偏移成像，分析噪聲對斷溶體成像的影響。通過分析認為，經過偏移疊加雖然壓制了一部分噪聲，但剖面中殘留噪聲仍對斷溶體識別影響較大，剖面中出現一些孔洞假象，無法準確判斷真正孔洞、斷裂位置(圖3)。理論分析認為，目的層信噪比達5.6以上才能有效分辨走滑斷裂。因此噪聲是影響斷溶體分辨的關鍵因素之一，針對該區沙漠地表噪聲需進行深入研究。

圖3 不同噪聲比例單炮成像效果

通過以上分析，本文認為提高南疆超深層小尺度目標識別精度有兩方面關鍵因素：①頻率——分辨主干斷裂內部及次級斷裂，拓寬頻帶是關鍵，主頻盡量達到35～40 Hz，這對野外實施難度較大，所以要求在激發/接收環節盡量拓寬頻帶，并準確求取近地表吸收衰減因子，用于拓寬頻帶； ②信噪比——超深目的層信噪比是影響斷溶體識別的關鍵因素，需要針對噪聲傳播規律進行研究并采用相應的壓制技術，以達到提高目的層信噪比的目的。

2 觀測系統關鍵參數研究

東部老區采用單點+高密度的采集方式獲得了較好的地震成像效果，單點與高密度兩者缺一不可。單點有效拓寬了頻帶，確保了波場保真，但由于信噪比較低，必須由高密度觀測系統進行信噪比方面的彌補。本地區也采用相同的思路，通過以上分析已經確定了采用兩串小組合，但是單炮信噪比方面不足，必須要有高密度的觀測系統進行匹配采集。通過詳細分析，確定了覆蓋次數、面元、橫縱比等關鍵觀測系統參數。

2.1 覆蓋次數分析

采用兩串昌字形進行波場采集，對資料進行不同覆蓋次數的疊前深度偏移(圖4)，隨覆蓋次數提升斷溶體逐步清晰，但在396次以上斷裂成像分辨率提升不太明顯； 再通過定量分析(圖5)得知396次是覆蓋次數—信噪比趨勢的拐點，因此從經濟性角度分析，對兩串組合圖形相匹配的覆蓋次數是396。

圖4 不同覆蓋次數的疊前深度偏移

圖5 不同覆蓋次數信噪比定量分析

2.2 面元分析

面元大小的選擇對于分辨斷溶體至關重要，受目的層埋深、頻率、速度和資料品質的影響，并不是面元越小分辨率越高，面元太小不但不會提升分辨率，反而造成大量的采集成本壓力。錢榮鈞教授提出橫向分辨率為偏移后第一菲涅耳半徑，所以面元的選擇不大于該大小合適，這是理論極限，必須通過實際資料進行分析論證。

采用兩串昌字形組合接收，396次覆蓋次數條件下，對不同面元疊前深度偏移效果進行了對比分析(圖6、圖7)，對比了四種面元的效果。

圖6 四種面元的疊前深度偏移

圖7 四種面元疊前深度偏移的時間切片

從不同面元的疊前深度偏移的剖面效果和切片效果分析，四種面元對于刻畫斷溶體并無明顯差異，且面元尺寸對勘探投入影響較大，從不同面元對成像效果及成本性價比考慮，認為采用25.0 m×25.0 m面元采集較為合理。

2.3 橫縱比分析

目前高密度采集需要寬方位采集，一般要求橫縱比大于0.6，寬方位意味著更大的接收線數，且橫向覆蓋次數提高。但太寬的方位是否有效？是否會增大采集成本？本文通過實際資料處理分析，獲得適用于南疆沙漠超深層的橫縱比。

圖8是不同橫縱比的疊前深度偏移剖面。從分析結果來看，隨著橫縱比逐漸增大，斷溶體清晰度逐步提高，受實際采集三維觀測限制，只能分析到橫縱比0.72。從資料效果分析，橫縱比為0.6～0.7，斷溶體成像效果依然在改善，因此最終選擇橫縱比0.7以上較合適。

3 基于分辨需求的激發接收技術

3.1 激發技術

本區以往地震采集中，由于更注重超深層反射能量，所以大多采用大井深、大藥量、大組合，雖然提高了深層反射能量和信噪比，但對高頻成分的獲取不利，所以本次采集兼顧頻帶、信噪比(適中井深、藥量、小組合圖形)，盡量保護頻帶。

理論分析認為，受虛反射界面的影響，井深增大低頻能量提高，井深減小(距離高速層頂界面更近)高頻能量提高[8]。而提高低頻將有利于提高信噪比，提高高頻將有利于提高分辨率，因此對于超深層小尺度目標的成像需求，高頻和低頻都需要兼顧，這就需要折中的激發因素，既能滿足一定信噪比，又能提高分辨率。因此，研究了尋找激發頻率和信噪比平衡點的激發因素選擇方法，圖9中兩條線的交點就是該平衡點。

圖9 井深對高頻和低頻的影響規律示意圖

圖10是不同井深資料的分頻掃描結果，其中“+”代表高速層頂界面以下的深度。圖10a為較低頻(20～40 Hz)部分的分頻掃描，可見隨著井深的增大，低頻能量、信噪比逐步提高，對于低頻部分，井深至少大于等于高速層頂界面下5 m； 圖10b為較高頻(40～80 Hz)部分的分頻掃描，隨著井深變淺，高頻能量、信噪比逐步提高。對于高頻成分的獲得，井深要至少小于等于高速層頂界面下5 m。因此，對于高頻和低頻的共同獲得，選擇高速層頂界面下5 m是平衡點，是最佳選擇?？梢娺x擇+5 m比以往選擇的+7 m高頻更豐富，更有利于提高斷溶體分辨率。

圖10 不同頻率(段)掃描效果

3.2 接收技術

東部地區的高密度地震采集一般采用單點接收，可以有效確保波場保真度及保護高頻成分。由于東部地區目的層較淺，埋深一般為3000～4000 m，而且資料信噪比高，單點接收較為合適，但南疆沙漠區目的層埋深超過7000 m，且資料信噪比低，采用單點接收是否合適，以及到底采用什么樣的接收方式更合適，需要詳細分析。

首先從理論分析不同接收方式對目的層(7000 m)反射波頻率的壓制效果，圖11所示，藍色為點接收，紅色為小組合接收(橫向組合基距為10 m，縱向組合基距為6 m，組合面積為60 m2)。按本區目的層埋深為7000 m，層速度為4859 m/s計算，地震波從目的層傳播到地表，在地表60 m2范圍內時差較小，對低頻影響較小，但對高頻成分具有一定的壓制作用。從圖中可見對50 Hz以下影響較小，對50 Hz以上有一定影響。

圖11 單點與小組合對不同頻率的影響

圖12是單點、一、二、三串接收資料的頻譜分析，從圖中可看出兩串與單點的頻譜在50 Hz以下基本相同，三串頻帶最窄。因此，單點對超深層的頻帶并不占優勢。

圖12 不同接收資料效果

圖13是不同接收方式的單炮資料，受篇幅影響，這里只展示了單點、兩串昌字形、三串品字形三種不同接收方式的資料效果，其中兩串昌字形組合的面積是60 m2，三串品字形組合的面積是196 m2?？梢钥吹絾吸c方式的信噪比太低，不適合該地區。兩串昌字形信噪比雖然比三串品字形低，但信噪比也較高，且兩串昌字形與單點的頻帶范圍基本相同。因此，從接收的角度分析，既要保證信噪比，又要確保分辨率，則兩串組合接收方式是最合適的選擇； 并且從疊前成像的角度分析，通過320次的高覆蓋疊前偏移(圖14)，兩串方式的信噪比并不比三串的低，而且還最大程度地保留了高頻成分。

圖13 不同接收條件資料效果

圖14 不同接收資料的疊前偏移效果

4 基于近地表的拓頻技術

沙漠地表介質疏松，對高頻成分具有強烈的吸收衰減作用，為減弱這種作用，筆者研究了基于近地表的吸收衰減補償技術，補償高頻成分，對于提高超深層的斷溶體分辨率具有重要意義[9-11]。在整個工區部署了圖15所示的近地表吸收衰減調查觀測系統。該觀測方式特點是5發雷管激發(S1～Sn+2)，間隔相同，在高速層下激發兩炮，不同埋深檢波器和地表同時接收，其中不同井深檢波器(R3～R7)與R1、R2距離井口平面距離為5 m(圖15b)，根據近地表厚度平均布設4個檢波器R4～R7接收，激發點按照0.5～5 m深度范圍以0.5 m間隔分布，深度5～10 m范圍內以1 m間隔分布，深度10 m以下以2 m間隔分布，其中Sn位于高速層頂界面上，Sn+1和Sn+2位于高速層頂界面之下。

圖15 近地表吸收衰減調查觀測系統平面(a)和剖面(b)示意圖

通過對不同埋深資料(圖16)分析，振幅及頻率衰減特征明顯，最終選擇S1激發，R1(地表)和R7(高速層頂界面)接收資料，利用頻譜比法求取補償因子(圖17)。

圖16 不同接收埋深資料

圖17 求取的補償因子

從補償前、后剖面及頻譜效果可看出，補償后剖面分辨率得到顯著提升(圖18b)，超深層走滑斷裂內幕分辨率明顯得到提高，斷點更清晰干脆，層間信息更豐富，補償后頻帶有效拓寬約12 Hz(圖18c)，表明所求取的近地表補償因子的正確性。

圖18 補償前(a)、后(b)剖面及頻譜(c)的對比

5 主要噪聲規律分析及壓制方法

南疆沙漠地區沙丘起伏較大，非均質性強，次生干擾嚴重，主要噪聲類型是沙丘鳴震，對深層弱反射的影響較大，嚴重影響了目的層信噪比[12]。圖19是典型沙丘鳴震干擾在單炮中的表現，從圖中可以看到，在初至波反方向位置有一個反向“碗狀”的波組(圖中紅色箭頭)，而向下延續時間長，嚴重影響了深層弱反射信息，該波組與地表高大沙丘位置具有對應關系，可以看出是由于地震波在高大沙丘位置反復振蕩產生，能量較強。

圖19 沙丘鳴震在單炮中的表現

該噪聲對資料的影響較大，它在炮點道集并沒有波場規律，只與地表有對應關系，呈現強能量條帶狀，難以壓制。但經分析發現沙丘鳴震在檢波點道集具有波場規律，呈線性特征。利用該特性，在共檢波點道集對其進行壓制，收到良好效果。

進一步嘗試基于鄰道相關性的沙丘鳴震壓制方法，再抽回炮點域進行壓噪處理(圖20)?？梢娚城瘌Q震噪聲壓制明顯，奧陶系反射同相軸在單炮記錄上清晰可辨，信噪比提升明顯，對于后期針對目的層的處理意義較大。圖21是沙丘鳴震壓制前、后剖面，兩個剖面在處理流程中除了沙丘鳴震壓制方面存在差異，其他參數流程都相同?？梢娚城瘌Q震壓制后深層信噪比顯著提高。

圖20 沙丘鳴震壓制前(a)、后(b)的單炮記錄

圖21 沙丘鳴震壓制前(a)、后(b)剖面

6 應用效果分析

通過以上分析，在南疆沙漠地區獲得了針對超深層斷溶體的小組合+高密度地震采集的關鍵采集參數，使用這些技術在南疆沙漠地區取得較好的應用效果，新剖面刻畫的走滑斷裂更清晰，奧陶系斷溶體更明顯，對于該區后續的油氣開發具有重要意義(圖22b)。

圖22 新(a)、老(b)剖面對比

7 結論與認識

(1)南疆沙漠超深層地質目標的勘探需求是分辨尺度較小的斷溶體，對地震資料的信噪比和分辨率提出了較高要求，需在確保一定信噪比的前提下，盡量拓寬頻帶，而以往的方法更注重的是信噪比，對分辨率影響較大。通過實際資料分析，受到奧陶系埋藏深及資料信噪比低的特征影響，針對南疆超深目的層的高密度采集更適合小組合+高密度的形式，單點接收在該地區不合適；

(2)在目前的采集資料品質條件下，南疆沙漠SHB地區采用25 m×25 m面元、約400次覆蓋，330萬/km2炮道密度、橫縱比0.7的觀測系統較合適；

(3)采用兩串小組合、適中的井深藥量對拓寬高頻有效；

(4)采用本文研究的近地表Q值調查方法和沙丘鳴震噪聲壓制方法對地震資料的品質提高具有明顯作用。