利用以往地震數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)炮點加密技術

許銀坡 宋強功 潘英杰 倪宇東 鄒雪峰 余建鵬

(①東方地球物理公司采集技術中心，河北涿州 072751； ②西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；③東方地球物理公司物探技術研究中心，河北涿州 072751； ④東方地球物理公司長慶物探處，陜西西安 710021)

0 引言

地震勘探是油氣發(fā)現(xiàn)和增儲上產(chǎn)的主要技術手段，地震數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)設計是能否實現(xiàn)地質(zhì)目標有效探測的關鍵環(huán)節(jié)。當前，巖性、復雜構造等類型油氣藏及剩余油氣逐漸成為油氣勘探的主攻方向[1]，基于水平層狀介質(zhì)假設的觀測系統(tǒng)優(yōu)化設計方法已無法滿足這類勘探目標成像精度的要求。針對隱蔽性油氣藏的精細地震勘探，其數(shù)據(jù)采集投入大、成本高，迫切需要在設計環(huán)節(jié)分析不同采集參數(shù)或觀測系統(tǒng)方案對地質(zhì)目標體的成像效果，以提出更經(jīng)濟、有效的采集方案。

為了提高復雜構造目標體的成像質(zhì)量，近年來許多學者提出基于地質(zhì)模型的觀測系統(tǒng)優(yōu)化方法，研究地震波在地下介質(zhì)中的傳播及能量分布規(guī)律，分析評價地下復雜構造對地震波傳播路徑的影響，進而指導采集觀測系統(tǒng)優(yōu)化設計。基于地質(zhì)模型的觀測系統(tǒng)優(yōu)化設計主要分為基于射線追蹤[2-9]和基于波動方程[10-14]兩大類方法。

Campbell等[15]和Ibrahim[16]根據(jù)工區(qū)地質(zhì)構造信息構建地球物理模型，布設觀測系統(tǒng)，通過射線追蹤計算，得到各反射界面在設定觀測系統(tǒng)下被照明區(qū)域(反射點)及各界面的覆蓋次數(shù)，并將各界面覆蓋次數(shù)等效為照明能量； 雷濤等[17]基于波前構建法計算模擬偏移振幅強度(照明能量)，衡量不同觀測系統(tǒng)對目標層的照明響應，進而評價和優(yōu)化對應觀測系統(tǒng)； 呂公河等[18]利用惠更斯—菲涅耳原理和 Kirchhoff 積分波場，研究地震波入射和反射能量分布特征，精確模擬基于采集目標的地震照明度； 李萬萬[19]基于地質(zhì)—地球物理模型，采用雙程聲波方程交錯網(wǎng)格高階有限差分法計算地震波照明度，提出一種面向目標的觀測系統(tǒng)設計方法； 董良國等[20]針對逆掩推覆構造模型，利用照明統(tǒng)計、雙程波照明、單程波照明和射線方法，研討了面向目標的地震波照明和觀測系統(tǒng)設計方法，朱金平等[21]將董良國等[20]方法擴展到三維模型； 趙虎等[22-23]采用最小值法并以加炮前后目的層能量均勻性(方差)為指標加密炮點，提高了目的層成像質(zhì)量； 許銀坡等[24]針對地表和地下地質(zhì)條件復雜區(qū)的目的層地震波能量分布不均勻問題，利用均值能量比系數(shù)和距離能量比系數(shù)計算備選激發(fā)點，并對照明能量最小區(qū)域加密炮點； 秦龍等[25]基于惠更斯—菲涅耳原理，提出通過炮點向量在聚焦方向上的投影確定組合震源傳播至虛擬波前的走時，從而確定任意起伏地表組合震源的延遲激發(fā)時間，提高地震波的照明能量和地震數(shù)據(jù)信噪比。

上述方法均是通過建立地質(zhì)模型，利用射線追蹤或波動方程計算目的層照明能量。射線類算法存在盲區(qū)，波動方程法存在海量波場數(shù)據(jù)存儲的難題； 同時由于地質(zhì)現(xiàn)象的復雜性，準確構建模型難度大。因此，上述方法難以真正對隱蔽性含油氣目的層進行照明分析，從而不能有效地優(yōu)化觀測系統(tǒng)。

現(xiàn)今中國大多數(shù)油田處于勘探開發(fā)的高成熟階段，具有很多以往的二維、三維地震數(shù)據(jù)，其中包含了豐富的可再利用信息。趙賢正等[26]提出基于局部相似屬性依賴(以往)數(shù)據(jù)的地震照明分析方法，是根據(jù)Fomel[27-28]提出的局部相似屬性理論計算地震數(shù)據(jù)局部相似屬性，即計算不同炮檢距照明強度，得到依賴數(shù)據(jù)的地震照明分析，進而評價和優(yōu)化觀測系統(tǒng)，但要確定加密炮點的具體位置，還需構建模型并結合射線追蹤法進一步確定。對于復雜構造區(qū)，因無法準確構建地質(zhì)模型，射線追蹤方法存在缺陷，不能精準確定加密炮點的位置，故不能有效提高目標層陰影區(qū)的成像質(zhì)量。

本文基于Fomel[27-28]提出的局部相似屬性理論，改進了局部相似屬性的計算方法，提出基于實際數(shù)據(jù)驅(qū)動提高目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量的炮點變觀方法。即充分利用探區(qū)已有資料，處理得到地震剖面和共成像點(CIP)道集，計算CIP道集的局部相似屬性，得到不同炮點對目標地質(zhì)體的照明度，以目的層局部相似屬性均勻性為指標，確定整個工區(qū)加密炮的位置。通過理論模型和實際資料處理，驗證了本文方法能最大限度地提高地質(zhì)目標的照明能量和地震資料的信噪比，解決了盲目大幅度增補炮點帶來的加大采集成本和施工難度的問題。

1 局部相似屬性的基本原理

定義兩個時間序列ui(t)與vi(t)的相似系數(shù)為

(1)

式中N為信號的長度。該式用一個數(shù)值衡量兩個信號之間的相似程度，可通過滑動時窗確定兩個信號的局部相似性

(2)

式中w是滑動窗口的長度。

滑動時窗法雖能計算某個時刻的局部相似屬性，但當?shù)卣鹱硬S時間和空間劇烈變化時，時窗大小不能準確設定，無法算出準確的局部相似屬性。

Fomel[27-28]提出的兩個地震信號局部相似屬性計算方法，是將式(1)的相似系數(shù)計算式以反問題正則化方法局部化，計算兩個地震信號任意時刻的局部相似性。為了提高局部相似屬性在實際中的應用效果，本文在原方法基礎上進行了改進，主要采取如下措施。

(1)對探區(qū)已有地震數(shù)據(jù)進行處理，利用速度譜對CIP道集進行動校正，根據(jù)波形拉伸畸變情況做合理切除，得到處理后的CIP道集數(shù)據(jù)，任意的第j個CIP道集疊加后為

(3)

式中：P為疊加次數(shù)；M為CIP道集數(shù)；xi，j(t)為第j個CIP道集中的第i道地震數(shù)據(jù)。

(4)

(5)

(6)

式中：σ是光滑尺度；k值根據(jù)g(w，σ)<δ得到，δ為設定的閾值； 高斯光滑窗口的寬度為2k+1； 方陣A和B的維數(shù)n為接收道的采樣點數(shù)。

(3)計算矩陣AAT和BBT主對角線元素的最大值ai，j和bj，將矩陣AAT每個元素分別加εai，j、BBT每個元素分別加εbj，得到對應的方陣C和D，計算它們的乘積，得到逆矩陣F。在該步驟中：ε是設定參數(shù)，可根據(jù)資料信噪比調(diào)整，信噪比越低，ε取值應越小； 矩陣AT和BT分別為矩陣A和B的轉(zhuǎn)置。

(5)將逆矩陣F與一維向量E進行相乘，便可得到一維向量，即第j個CIP道集中的第i道地震數(shù)據(jù)的局部相似屬性。

圖1是不同覆蓋次數(shù)模擬CIP道集的局部相似屬性的示意圖。

圖1 不同覆蓋次數(shù)模擬CIP道集局部相似屬性計算

2 炮點加密方法

在上述局部地震屬性理論框架下，充分利用探區(qū)以往豐富的地震數(shù)據(jù)，形成了本文提高目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量的炮點加密方法，其具體流程(圖2)及步驟如下。

(1)擬定觀測系統(tǒng)

根據(jù)探區(qū)實際地質(zhì)任務設計炮點“密集”的觀測系統(tǒng)，即盡量選擇較小炮點距(或炮線距)，以適應加密炮點的需要。

(2)計算已有炮的局部相似屬性

處理工區(qū)已有的地震數(shù)據(jù)，得到CIP道集和剖面數(shù)據(jù)，計算各CIP道集中每道的局部相似屬性，在剖面數(shù)據(jù)上拾取目的層，每個CIP道集對應目的層一個時間/深度，以對應的時間/深度為中點，設定時窗長度，對CIP道集中每一道局部相似屬性分別求和，得到各道的目的層局部相似屬性，進而可得已有炮(集數(shù)據(jù))所有道的目的層局部相似屬性。

(3)計算擬定觀測系統(tǒng)所有炮局部相似屬性值

根據(jù)探區(qū)已有數(shù)據(jù)中每道的目的層局部相似屬性，利用空間內(nèi)插技術求取擬定觀測系統(tǒng)每炮、每道的局部相似屬性，得到每炮對各個CIP道集目的層局部相似屬性的貢獻值，即任意第k炮對x方向第i個、y方向第j個CIP道集目的層的局部相似屬性值記為lk，i，j。

圖2 炮點加密方法處理流程圖

(4)計算擬定觀測系統(tǒng)正常炮對目的層貢獻值

將擬定觀測系統(tǒng)正常炮點距包含的炮點構成正常炮局部相似屬性庫、待加密炮構成待加密炮局部相似屬性庫，計算正常炮對每個CIP道集目的層局部相似屬性的貢獻值，將x方向第i個、y方向第j個CIP道集目的層的局部相似屬性記為Ci，j。

(5)圈定目的層局部相似屬性低值區(qū)

建立CIP道集目的層局部相似屬性與實際空間坐標位置的關系曲線(曲面)，確定目的層局部相似屬性低值區(qū)域

(7)

式中：Cmin{Ci，j}表示確定計算目的層局部相似屬性低值區(qū)域；X(·)為求該區(qū)域的位置坐標。

(6)以目的層局部相似屬性的均勻性為指標，自動確定加密炮

從待加密炮的局部相似屬性庫自動選擇添加第k炮后目的層局部相似屬性均勻性的計算式為

(8)

自動計算加入某一炮前后目的層局部相似屬性的均勻性，按照φk從小到大排序，若加入某一炮標準方差大于加炮前，則該炮不參與排序。

綜合評價指標定義為

(9)

(7)循環(huán)加密炮點

從炮域局部相似屬性庫中選擇加密一炮完成后，根據(jù)步驟(5)重新確定局部相似屬性低值區(qū)域； 以炮域局部相似屬性庫剩余炮為待加密炮，利用步驟(6)的評判法則，選定所有加密炮的位置和密度。

本文提出一種完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動、不依賴于宏觀地質(zhì)模型的觀測系統(tǒng)優(yōu)化方法，通過計算CIP道集的局部相似屬性，以目的層陰影區(qū)局部相似屬性均勻性為指標，對新部署的地震采集觀測系統(tǒng)有選擇性地自動加密炮點，達到最佳激發(fā)—接收效果，側(cè)重提高復雜構造目的層陰影區(qū)的成像質(zhì)量。

3 理論模型測試

采用SEG推薦的鹽丘模型生成的數(shù)據(jù)做理論測試。該模型(圖3)東南方向的正上方有一高速(4500m/s)鹽體，模型尺寸為13000m(長)×13000m(寬)×6000m(深)，橫向、縱向采樣間隔均為20m，共有325個樣點。所用觀測系統(tǒng)： 1 炮201 線接收，道距為40m，接收線距為40m，201道、201 線接收，炮線距、炮點距均為300m，共模擬255 炮。將模擬炮集數(shù)據(jù)做深度偏移，根據(jù)深度偏移剖面上目的層成像質(zhì)量選擇加密炮點。

圖3 SEG推薦的鹽丘(速度)模型

圖4 加密前、后炮點分布圖

圖5 加密炮點前(a)、后(b)的局部相似屬性

圖6 加密炮點前(a，基礎炮)、后(b，本文方法加密63炮；c，常規(guī)方法加密63炮)疊后剖面對比

4 實際數(shù)據(jù)的應用與分析

哈薩克斯坦M探區(qū)主體位于沙漠，激發(fā)、接收條件較差，加之地下有多個鹽丘，資料信噪比較低，同相軸欠連續(xù)，特別是鹽下目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量更差。為此，利用本文方法對該探區(qū)已有實際數(shù)據(jù)開展局部相似屬性分析，設計加密炮點。

根據(jù)探區(qū)地質(zhì)任務預先設計的觀測系統(tǒng)如圖7所示，基礎炮點距為200m，基礎炮點數(shù)為237，設計的待加密炮點距為正常炮點距的整分數(shù)倍，待加密炮點間距為50m，待加密炮點數(shù)為575炮，接收點間距也為50m。

圖7 預先設計的觀測系統(tǒng)示意圖

對探區(qū)已有資料進行重新處理后，可見得到的局部相似屬性(圖8b)能有效反映同相軸的連續(xù)性；從所得剖面數(shù)據(jù)(圖9)可見兩處(CIP650～950和CIP1250～150)鹽下目的層的成像質(zhì)量較差，主要緣于鹽丘遮擋，目標層的反射振幅很弱，信噪比低。

在該剖面上拾取目的層(圖9中約3000ms處黑線)，給定一個時窗范圍，用均方根振幅法計算每個共成像道集目的層能量(圖10)。因受噪聲等影響，利用均方根振幅法計算的能量曲線不能有效表征目的層成像質(zhì)量。采用局部相似屬性法計算拾取的目的層的局部相似屬性(圖11)表明在CIP700～950和CIP1300～1500兩個區(qū)域呈現(xiàn)低值，與圖9所示的基礎炮疊后數(shù)據(jù)成像基本吻合。因此，剖面上CIP道集的局部相似屬性可有效反映目的層成像質(zhì)量，且目的層的局部相似屬性越高越有利于成像。

圖9 對以往資料重新處理所得剖面上的目的層(黑線)及鹽下成像陰影區(qū)(橢圓)

圖10 目的層CIP道集能量曲線

圖11 目的層CIP道集局部相似屬性曲線

根據(jù)圖2處理流程，首先針對局部相似屬性低值CIP650～950區(qū)域加密炮點，計算待加密炮點對該區(qū)域目的層局部相似屬性的貢獻，以提高該區(qū)域目的層的局部相似屬性的均勻性為目標，最終選擇的炮點如圖12(加密的一部分炮點)。其中紅色六角形對應圖9疊后數(shù)據(jù)中左邊鹽丘的頂部位置，紅色圓點為針對CIP650～950局部區(qū)域加密的50炮。加密的炮點主要位于鹽丘頂部右側(cè)區(qū)，加密50炮后總炮數(shù)為287，計算出加密后的局部相似屬性(圖13中紅色曲線)，可見加密炮點后CIP650～950區(qū)域的局部相似屬性顯著增大。對該加密炮點數(shù)據(jù)進行處理，得到相應剖面(圖14)，與加密前剖面(圖9)相比，加密炮點后剖面在成像質(zhì)量方面得到明顯提高。結合圖13和圖9分析得知，處于CIP1250～1500的右側(cè)鹽丘的局部陰影區(qū)，因未對此區(qū)域加密炮點，其局部相似屬性和陰影區(qū)成像質(zhì)量均基本不變。這充分說明該自動加密方法是有目的地加炮，將炮點加到最需要的地方，形成經(jīng)濟有效的提高目的層成像質(zhì)量的技術。

圖12 從待加密炮點中選取加密炮示意圖

圖13 基礎炮(藍)及CIP650～950區(qū)域加密50炮(紅)的局部相似屬性

圖14 CIP650～950局部區(qū)域加密50炮后疊后剖面

再針對CIP1250～1500局部目的層陰影區(qū)加密30炮，加密炮點主要位于右側(cè)鹽丘頂部的左邊。計算兩個陰影區(qū)域加密80炮后(共計317炮)目的層的局部相似屬性(圖15中紅色曲線所示)，可見加密后兩個區(qū)域的局部相似屬性均有明顯增大，目的層陰影區(qū)局部相似屬性分布更均勻。從兩個局部相似屬性低值區(qū)加密80炮點的疊后剖面(圖16a)看到：加密炮點后，兩處鹽下目的層成像質(zhì)量得到不同程度的提高，紅色橢圓內(nèi)的同相軸連續(xù)性有了明顯改善，信噪比增強，分辨率相應提高，與加密前后目的層局部相似屬性值的總體分布(圖15)基本吻合。

在預設觀測系統(tǒng)基礎上規(guī)則加密炮點，設計炮點距為100m，加密206炮，加密后一共443炮。觀察規(guī)則加密炮點后所得疊后剖面(圖16b)，可見其目的層成像質(zhì)量顯著改善。但仔細鑒別圖16a與圖16b中紅色橢圓部分，得知規(guī)則加密方法對目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量不如本文加密方法。再次表明通過選擇提高標定區(qū)局部相似屬性的炮點加密方法能有效改善目的層陰影區(qū)成像效果。

圖15 加密炮點前(藍)與CIP650～950區(qū)域加密50炮且CIP1250～1500區(qū)域加密30炮后(紅)局部相似屬性對比

圖16 兩種加密炮點方法疊后地震剖面對比

對本文方法與常規(guī)加密炮點方法做效率對比測試。采用Windows 10 版本，系統(tǒng)處理器 Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v2 @2.60GHz，已安裝的內(nèi)存(RAM)32.00GB，64位的操作系統(tǒng)，16個線程。預設的觀測系統(tǒng)：炮點距為50m，接收點距為50m，中間放炮，480道接收，最大炮檢距為11975m。在探區(qū)地質(zhì)模型上做目的層照明分析，采用單程波照明分析，子波主頻為20Hz，網(wǎng)格間距為20m，計算一炮對目的層的照明能量需32s，共812炮需7.22h，分析加密炮點約需2.5h，完成整個加密炮分析共需9.72h。搜集探區(qū)老資料237炮和早期已處理CIP道集，每個CIP道集最多包含80道，利用共軛梯度法計算每個CIP道集中每道的局部相似屬性，迭代15～20次，完成所有CIP道集的局部相似屬性計算需3.2h，利用空間內(nèi)插出575炮每道的局部相似屬性并分析加密炮約需2.9h，完成加密炮分析共需6.1h。可見在確保加密炮點提高目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量條件下，選擇加密炮點的時間比常規(guī)方法減少了37.2%。

5 結論

在局部地震屬性的理論框架下，本文提出基于實際數(shù)據(jù)地震道局部相似屬性的炮點設計方法。利用探區(qū)已有資料，處理得到剖面數(shù)據(jù)和CIP道集；計算CIP道集的局部相似屬性，得到不同炮點對目標地質(zhì)體的照明度；分析目的層陰影區(qū)的局部相似屬性，以該相似屬性的均勻性為指標，指導加密炮點布設，提高目的層陰影區(qū)成像質(zhì)量。從理論模型和實際資料處理結果得出如下結論及認識：

(1)改進了局部相似屬性算法，在確保正確計算CIP道集局部相似屬性前提下，提高了計算效率，滿足了高效采集技術快速發(fā)展的需求。

(2)因受噪聲干擾等影響，目的層的能量不能有效反映目的層的成像質(zhì)量，而局部相似屬性能較好地體現(xiàn)目的層的成像質(zhì)量。

(3)本文方法無需構建地質(zhì)模型，是完全依賴于以往地震數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)分析方法，因此適用于無法準確建模的隱蔽性油氣藏(勘探)，并且還克服了射線類算法盲區(qū)的限制，避開了波動方程海量波場數(shù)據(jù)存儲的難題。

(4)根據(jù)待加密炮對目的層陰影區(qū)照明能量的貢獻布設加密炮點，有目的性地加密炮點，是進行科學變觀設計的基礎，彌補了常規(guī)憑經(jīng)驗或地質(zhì)模型照明分析等的近似盲目的加炮方式的不利方面。

總之，本文方法既可最大限度地提高地質(zhì)目標的照明能量和地震資料的信噪比，又避免成倍增加炮點帶來的采集成本和施工難度增加的弊端，為復雜目標高精度地震勘探提供了技術保障。