川西地區二疊系火山巖地震采集關鍵技術應用及效果

黎書琴 王曉陽 張 孟 趙曉紅 王雪梅 周曉冀

(①東方地球物理公司西南物探分公司，四川成都610000； ②中國石油西南油氣田公司勘探事業部，四川成都610000)

0 引言

中國沉積盆地內部及其周邊地區火山巖廣泛分布，總面積達2.157×106km2，預測有利勘探面積為3.600×105km2，展示了火山巖油氣藏勘探領域的巨大潛力[1]。四川盆地位于上揚子克拉通盆地西北部，經歷了古生代—早中生代的克拉通拗陷階段和晚三疊世—新生代晚期的前陸盆地階段，為海相克拉通和陸相前陸盆地的疊合。四川盆地及其相鄰的云南、貴州等地區在中、晚二疊世發生強烈的火山噴發事件，形成了巨厚的“峨眉山玄武巖”，其呈近南北向的菱形，面積為2.500×105km2，是中國唯一一個被國際學術界認可的大火成巖省[2-5]。

四川盆地火山巖氣藏為構造—巖性復合圈閉類型，主要受寒武系烴源巖、二疊系厚層噴溢相火山碎屑巖儲層、深部斷裂和蓋層的控制。YT1井二疊系火山巖發育厚層優質孔隙性儲層，儲層巖石類型主要為角礫熔巖、含凝灰角礫熔巖。儲集空間主要為溶蝕微孔、角礫間溶孔及氣孔等。該盆地火山巖氣藏勘探始于上世紀60年代，主要經歷了初探(1966—1991年)、詳探(1992—2013年)和突破(2014年至今)三個階段。

2018年，四川盆地川西風險探井YT1井成功鉆遇二疊系火山巖氣藏并獲得高產工業氣流，展示了該區二疊系火山巖具有良好勘探前景[6]，YT1井的突破帶動了四川盆地二疊系火山巖新一輪的勘探熱潮； 2019年，中國石油西南油氣田公司在川西YT1井地區采用井—震聯合三維地震勘探技術，克服了地表條件復雜、地下目標隱蔽的難題，獲得了較好品質的原始地震資料，提高了火山巖儲層發育區地震成像精度，為精細刻畫火山巖儲層縱、橫向展布特征提供了基礎。

1 存在問題及技術思路

YT1井區三維探區地表復雜、障礙物廣泛分布，構造受龍泉山主控斷層的影響，褶皺和斷裂主要在中三疊統以上的淺層發育，斷層具有滑脫特征；其下嘉陵江—寒武、震旦系地層中均未發生大的變形，斷裂不太發育。

二疊系火山巖儲集條件優越，孔隙發育、物性好。火山巖厚度在200～350m之間變化，雖然火山巖埋深適中，地層厚度大，有利于儲層識別和預測，但其內幕反射雜亂，細節刻畫難度較大。因此，地震勘探采用高精度觀測系統設計、井—震聯合采集施工、動態激發井深設計、低頻檢波器接收等采集關鍵技術，以提高原始資料的信噪比和分辨率，使火山巖內幕或深層的成像效果及儲層刻畫精度得以提升。

2 高精度觀測系統設計

2.1 基于彈性波波動方程正演的觀測系統優選

地震采集觀測系統設計方案直接影響速度模型精度、偏移成像質量及資料解釋成效等，本文通過建立數學模型，利用波動方程正演模型數據得到不同觀測參數的地震數據記錄。對比、分析不同參數對地震疊前偏移成像質量的影響，從而優選有效參數。

地形起伏和復雜近地表引起面波、體波等地震波型之間的相互轉化，會產生大量的散射P波、散射S波和散射面波。尤其是沿地表傳播的強能量面波，在地表起伏處會產生大量的強能量散射面波，同時產生相對較弱的散射P波和散射S波，這是造成山地地震資料信噪比低的主要原因。

為了盡量接近真實記錄，運用彈性波波動方程正演技術，基于沿層漸變表層模型模擬不同速度的表層結構，正演所產生的面波來自于地表低速層。如圖1所示，表層速度的變化影響單炮資料品質，主要表現在：低速表層會產生強能量面波且頻散現象較為嚴重； 高速表層產生能量一般、形態單一的面波。采用沿層漸變表層結構模型(圖2)的正演單炮(圖1d)與實際單炮(圖1e)效果相似。

圖1 不同表層速度的正演和實際單炮記錄(a)無低降速帶； (b)800m/s表層速度； (c)1800m/s表層速度； (d)800～2000m/s漸變表層速度； (e)實際單炮

圖2 沿層漸變速度模型

基于波動方程的傅里葉有限差分傳播算子可以進行面向目標的地震波照明和成像，分析不同觀測系統對地下不同區域的照明強度，確定陰影區范圍。同時，利用正演單炮記錄進行分參數處理，可從疊前偏移整體成像的角度篩選觀測系統。本文按照“含起伏地表和近地表漸變信息的模型構建—仿真實單炮正演—觀測系統實驗參數選取—偏移成像處理效果對比”的思路(圖3)，制定了基于彈性波正演的觀測系統參數論證流程，并在觀測系統關鍵參數論證中得到進一步驗證。論證結果不僅完成了對彈性波正演和深度偏移正確性的雙向驗證，同時將基于疊前偏移成像的參數論證策略融入了觀測系統設計，使設計優選更加直觀。

圖3 基于正演技術的觀測系統設計流程

2.2 基于彈性波波動方程正演的觀測系統優選

圖4是依據沿層漸變表層模型的YT1井的正演速度模型，表層速度設置為1000～2600m/s的漸變速度，低速表層會產生強能量面波和較為嚴重的頻散，使得正演單炮更趨近于真實。通過正演數據的處理、分析開展觀測系統參數優選，主要是針對面元、炮檢距、覆蓋次數等觀測系統關鍵參數，最終指導設計經濟可行的觀測系統方案。

圖4 YT1井正演速度模型

第一個關鍵參數是面元。從圖5不同面元的正演單炮和F-K譜對比分析得出，面元為25m×25m的F-K譜顯示，在主頻30Hz以上會產生較為嚴重假頻，因此推薦面元尺寸不超過25m×25m。

圖5 不同面元尺寸正演單炮(左)和F-K譜對比(右)(a)5m×5m; (b)10m×10m; (c)15m×15m; (d)20m×20m; (e)25m×25m; (f)30m×30m

第二個關鍵參數是炮檢距。首先對正演數據進行變炮檢距處理，然后直接應用模型網格速度作為疊前深度偏移速度體進行Kirchhoff深度偏移，偏移剖面成像質量高，且構造形態、層位深度與模型完全一致。圖6是炮檢距分別為4、5、6、7、8和9km的疊前深度偏移剖面，通過對不同炮檢距的疊前深度偏移剖面成像效果的比較，可確定最大炮檢距。由圖可見，炮檢距為4～9km均能滿足地下目標的成像要求，但是能量強弱不一。為了保證深層有更好的成像效果，對關鍵部位的成像解釋更有幫助，往往采用大炮檢距有利于深層成像，偏移歸位較好、能量聚焦較強。為了實現從剖面效果的定性分析到定量分析的目的，提取疊前深度偏移剖面某一目的層的均方根振幅能量進行量化分析。每個炮檢距的剖面提取一組數據，炮檢距4～9km共有6組數據參與比較，形成能量隨炮檢距變化圖。圖7是深層目的層均方根振幅能量隨炮檢距變化曲線圖，由圖可見，炮檢距7km以上振幅能量曲線區分不明顯，炮檢距7～9km的振幅能量曲線幾乎重合。因此，為了達到技術、經濟一體化的效果，合適的最大炮檢距為7km左右。

圖6 炮檢距分別為4(a)、5(b)、6(c)、7(d)、8(e)、9(f)km的疊前深度偏移剖面

圖7 目的層均方根振幅隨炮檢距變化曲線

基于地震波場數值模擬、深度偏移能量分析等技術，設計了YT1井火山巖地區的高信噪比、高分辨率的三維地震采集方案[7-11]。表1為該項目設計的三維觀測系統參數，依據這些觀測參數進行采集施工，獲得了高質量的原始地震資料，為后續的資料處理和解釋工作奠定了堅實的基礎。

表1 觀測系統參數設計

3 井—震聯合采集施工

目前，國內陸上地震勘探通常采用炸藥或可控震源激發。受野外施工條件、環境和生產成本的限制，越來越多的三維地震勘探采取井—震聯采的方式[12-13]。川西火山巖地區在以往井—震聯合采集施工技術基礎上進行了改進和完善。

四川盆地地表障礙密集，極其復雜的地面條件導致勘探部署和觀測系統設計實施難度大、采集變觀多、井—震點位布設難、炮檢點不均勻等問題突出。為保證地震采集激發物理點的均勻性，以滿足勘探目標成像的要求，采用基于電子圍欄的井炮設計和基于道路分級的可控震源激發設計技術的井—震聯采模式來分段、分區優化設計炮點(圖8)。

圖8 井—震聯合三維觀測系統設計技術流程

3.1 基于電子圍欄的井炮設計技術

針對井—震聯合施工區域的井炮布設，采用基于高精度遙感影像智能識別的井炮自動避障設計技術。利用“最短路徑”偏移方法，在Inline線方向設置偏移參數，沿接收線偏移； 并結合“反射面元連續采樣”原則，在Xline 線方向按接收線的整數倍移動炮點，將在障礙物影響范圍內的理論炮點偏移到電子圍欄區外，對于在偏移規則內無法偏移的炮點進行刪除處理，最終偏移后的物理點效果是保持炮點不會落在同一面元內，并最大程度保持面元反射點均勻分布，提高覆蓋次數的均勻性。在室內精細設計的同時，野外需全面踏勘以保證井位設計的精準合理和布設的可靠。

基于電子圍欄的井炮設計包括障礙物綜合標定、電子圍欄緩沖、多屬性自動避障三項技術。

(1)障礙物綜合標定技術。由于國家地理信息公共服務平臺的柵格圖等有明顯色彩標識，地表物體經顏色編輯后具有很強的對比度，因此可直接進行邊界跟蹤算法提取地表障礙物。如圖9所示，按順序依次跟蹤P0、P1、P2等像素邊緣點，然后連接起來形成一個閉環多邊形，即障礙物邊界。

圖9 輪廓追蹤示意圖

(2)電子圍欄緩沖技術。將矢量化后的各種障礙物數據(平面圖件、地下實測管路等)綜合匯總，在地震采集系統軟件上，按照國家標準、行業規范、地方政府主管部門的有關規定及測試結果，對不同類別的障礙物設置安全距離， 形成地物電子圍欄； 同時，通過測區高分辨率數字高程模型(DEM)，計算坡度、起伏度，形成四級風險(安全區、低風險作業區、中風險作業區和高風險作業區)分級圖，分別輸出各區域矢量數據，形成地形風險電子圍欄。將地物電子圍欄和地形風險電子圍欄合并處理，電子圍欄區內禁止作業，整體判定激發點的禁止布設區，以便進行物理點智能避障設計。

(3)多屬性電子圍欄自動避障技術。多屬性風險包括地形風險、地物風險、地下風險以及人文風險等。采用最短路徑偏移法，同時考慮各類風險的安全距離進行炮點的逐點偏移設計。并且考慮炮點偏移后覆蓋次數的均勻性，從而為激發點布設優化。

3.2 基于道路分級的可控震源激發技術

針對可控震源激發，結合室內優選與室外精細踏勘，采用基于道路分級的可控震源點位網格化逐點設計技術，根據工區內道路實際情況，結合可控震源施工可行性，將道路進行細化分級，然后根據覆蓋次數模擬結果，依次按尺寸為40、20及10m的網格逐級優化布設震源點，在選出的可實施可控震源的道路上均勻布設和加密激發點。

工區障礙物星羅棋布，為了加快道路情況調查，在對道路進行細化分級的時候可采用輪廓追蹤技術獲取道路的矢量數據，基于這些分級道路的基礎數據可快速完成激發點的布設和行進線路的規劃。

通過對分區激發點的優化設計，三維觀測系統覆蓋次數變得更合理、更均勻，主要目的層段的覆蓋次數滿足了技術設計要求。圖10為優化設計后工區的井炮和可控震源激發點分布圖。

圖10 優化設計后的工區井—震激發點分布圖

根據采集參數對可控震源進行子波處理，其最小相位化處理與炸藥震源保持一致，并滿足最小相位條件假設； 采用可控震源向炸藥震源進行匹配處理。

通過井—震聯合設計及運用，采集的原始地震資料經過井—震聯合處理后，在外界不可控干擾極其嚴重的情況下，仍獲得了較高信噪比的地震剖面(圖11)。

圖11 YT1井三維最小相位化后井、震單獨疊加剖面(上)和整體疊加剖面(下)

4 動態激發井深設計技術

4.1 基于巖性識別的動態井深設計技術

四川盆地白堊系和侏羅系出露地層普遍存在砂、泥巖互層的情況，在表層15m深度范圍內，有多層砂巖和泥巖交替出現，并且在不同位置兩者厚度不一致。勘探證實，泥巖中激發的資料品質明顯優于砂巖(圖12)。因此，期望鉆井的深度可確保炸藥在泥巖中爆炸。

圖12 泥巖(左)與砂巖(右)中激發的單炮對比

基于巖性識別的井炮動態井深設計技術的核心是對所鉆遇地層的巖性進行識別，追蹤泥巖激發，確定最佳炸藥爆炸井深范圍。由于同組地質層位激發的單炮資料品質可能存在較大差異，因此需針對不同海拔、不同地表高程的深井進行巖性錄井及激發試驗，以調整動態井深范圍。設計流程如圖13所示。

圖13 基于巖性識別的動態井深設計流程圖

4.2 追蹤泥巖激發試驗

工區白堊系蒼溪組及侏羅系蓬萊鎮組砂、泥巖占比達90%以上，淺表層主要為砂、泥巖互層。為了盡可能在泥巖中激發以提高單炮資料品質，根據工區地表巖性分布情況和地表高程，應用巖性錄井調查工區的淺表層巖性分布特征，實鉆的巖性調查表明，在深度12～15m均能追蹤到泥巖，結合分海拔設計調整，將白堊系蒼溪組動態井深調整為15～17m，最終動態設計的激發井深見表2。

表2 工區地表主要巖性對應的動態設計激發井深

采用動態井深設計和追蹤泥巖激發技術，統計了YT1井區完鉆井位巖性，得出在泥巖中激發的井位占91.23%。

圖14為基于淺表層巖性錄井的激發井深動態設計應用效果對比。可以看出，合適的激發井深可保證炸藥在泥巖中激發，單炮品質將得到有效提高。同時，采用動態井深激發的地震資料信噪比明顯提高，分辨率更高(圖15)。

圖14 基于淺表層巖性錄井的激發井深動態設計應用效果對比上：蒼溪組泥巖內激發，井深15.0m； 下：蒼溪組砂巖內激發，井深16.8m

圖15 固態(左)與動態(右)井深設計時間剖面效果對比

5 低頻檢波器接收技術

5.1 低頻檢波器接收理論

Kroode等[14]對低頻信息在寬頻資料中的重要性進行了系統分析，指出拓展地震資料的低頻端能量可有效減小旁瓣能量，進而提高資料分辨率。低頻信號通常可更有效地避免近地表處因吸收和散射產生的屏障，有效穿透高速巖體，實現對地下隱藏目標的成像。同時，低頻信息的存在能有效防止全波形反演中產生的跳頻(Cycle skipping)現象，使結果更好地收斂于真實速度模型。從地震采集的角度出發，獲得有效的低頻信號主要取決于低頻激發和低頻接收兩個方面[15-17]，其在四川盆地的火山巖勘探實例中得到了印證。隨著山地地震逐步向深層邁進，針對火山巖勘探，井炮和可控震源激發地震波中的低頻成分對解決低頻采集、保低頻處理等深層成像問題十分有利。

羅福龍[18]指出自然頻率是決定檢波器低頻接收能力的關鍵參數。理論分析表明，如欲接收低至1.5Hz的低頻信號，則自然頻率不能高于6Hz。同時，為有效接收地面微小振動，結合主頻帶內靈敏度隨頻率總體以12dB/oct衰減的規律，自然頻率為5Hz的低頻檢波器的靈敏度應大于80V·m-1·s。如圖16所示，在理論上自然頻率為5Hz的低頻檢波器相對于10Hz的常規檢波器在低頻端有著更高的振幅響應。

圖16 GT DS-5H與10Hz單只檢波器的低頻響應能力

通過對比、分析低頻檢波器GT DS-5Hz和常規檢波器GT DS-10Hz的低頻響應能力，得出以下的結論：單只5Hz低頻檢波器在1～10Hz振幅能量明顯較高，且響應頻譜范圍寬，在大于10Hz時，兩者基本趨于一致； 頻率5Hz時，響應值從GT DS-10Hz的23增加到GT DS-5Hz的65，增大2倍以上；頻率10Hz時兩者響應值相當； 響應值為50時，頻率值從GT DS-5Hz的4Hz提高到GT DS-10Hz的7.5Hz，提高了3.5Hz左右。

同時對4種不同低截頻率的單道子波理論模擬(圖17)也存在如下的結論：低頻子波振幅大、頻帶寬，即隨著模擬頻率的增加，子波旁瓣的振幅能量變大，頻帶范圍變窄，子波主瓣基本不變； 反之，頻率越低，頻帶范圍越寬[19]。

圖17 4種不同低截頻率的子波(上)和頻譜(下)特征

5.2 低頻檢波器試驗分析

為提高火山巖強屏蔽層以下有效信號能量，滿足高精度地震成像需求，針對5Hz(低頻檢波器)與10Hz(常規檢波器)采集的原始(圖18a)和去噪后(圖18b)單炮資料效果進行對比。

圖18 常規10Hz(左)與低頻5Hz(右)單點檢波器原始單炮資料去噪前(a)、后(b)對比

原始和去噪單炮資料頻譜分析(圖19)表明：低頻檢波器具有突出低頻信息的優勢，并呈現出相似趨勢，5Hz單點檢波器的有效弱反射能量得到有效提高；分頻顯示5Hz比10Hz檢波器低頻信息更加豐富，且單炮頻譜拓寬，頻譜圖上10Hz以下的低頻成分能量得到有效提高。可見，5Hz低頻檢波器接收的單炮資料10Hz以下低頻信息豐富，振幅值增強，具有一定的低頻拓寬能力。

圖19 不同單點檢波器單炮資料去噪前(a)、后(b)頻譜對比

另外，去噪后低頻端振幅值減弱，降低20%，但5Hz低頻檢波器比10Hz常規檢波器能量強； 振幅絕對值降低，頻率拓寬基本不變，噪聲衰減沒有影響有效的低頻信息。

6 應用效果

通過高精度地震采集關鍵技術在火山巖地震勘探中的應用，工區原始單炮品質整體較好，單炮及初次疊加剖面可見明顯有效反射。

圖20為工區內可控震源激發單炮與鄰近泥巖中激發的單炮增益前(藍框)、后(綠框)的效果顯示。從單炮記錄看，各地層單炮資料能量適中,信噪比較高,目的層有效波連續性較好，記錄主頻較高。

圖20 可控震源與相鄰井炮單炮記錄左(藍框)：純波； 右(綠框)：加增益

將激發剖面進行頻譜掃描(圖21)，其有效頻帶為5～60Hz，低頻豐富，5Hz以下可見有效反射，高頻段55Hz以上可見弱有效反射。

圖21 井炮激發剖面頻率掃描

與老資料進行頻譜分析對比(圖22)可見，地震資料剖面的頻寬向低頻端拓展了3Hz，地震剖面品質得到大幅提高，為火山巖儲層的高精度成像提供了基礎保障。從成像效果看(圖23)，火山巖低頻信息豐富，形態結構清楚，內幕變化體現旋回特征。如圖24所示，火山通道特征明顯(虛線圈內)，主要表現在深層至下二疊統縱向上呈柱狀下凹特征，燈影組底、寒武系底、二疊系底、茅口組底等強反射中斷，沿火山通道內部地層雜亂反射。

圖22 新(左)、老(右)資料目的層頻譜曲線對比

圖23 火山巖地震采集新、老疊前時間偏移剖面對比

圖24 2019年YT1井火山巖地震采集疊前時間偏移剖面

7 結論

(1)高精度觀測系統設計技術采用基于起伏地表和近地表漸變速度信息的波動方程正演，獲得更接近于真實的單炮記錄，為面向火山巖內幕或深層成像效果的觀測系統參數論證奠定了基礎。

(2)應用井—震聯合采集技術可有效填補大型障礙區地震資料空白，保證激發點的均勻性，滿足勘探目標成像覆蓋次數的要求，確保淺、深層的成像質量。

(3)動態井深技術優化了井炮激發參數，一定程度上降低了由于井中巖性交替變化對炸藥震源地震資料品質造成的影響，有利于提高資料信噪比，拓寬頻帶，進而提高火山巖地震勘探的精度。

(4)針對火山巖勘探，低頻采集能有效解決火山巖成像問題。低頻檢波器接收具有突出低頻信息的優勢，其資料較常規檢波器接收的資料更能準確刻畫火山異常體； 低頻配套采集地震資料在10Hz以下具有更大的優勢，能量和成像效果都有明顯改善。