尼泊爾喜馬拉雅山山地高密度寬線采集技術及應用效果

蔡星星, 章多榮, 吳永國, 趙 剛, 劉志歡

(東方地球物理勘探有限責任公司 青海物探處，敦煌 736202)

0 引言

尼泊爾國內迄今為止尚無商業油氣田開采，油氣資源全部依賴進口，油氣資源勘探開發意愿強烈。1982年-1992年期間，CGG、PCIAC、殼牌公司等先后在尼泊爾南部Terai平原和Siwaliks部分地區開展了二維地震勘探，地震資料總體品質不高，最終沒有取得油氣勘探突破，此后近30年尼泊爾未再開展地震勘探工作。2019年中國地質調查局與尼泊爾地質礦產局簽訂了中國援助尼泊爾油氣資源調查實施協議，援助尼泊爾油氣資源調查工程正式立項，為國家“一帶一路”戰略的重要組成部分。本次二維地震作為援尼泊爾油氣資源調查工程的關鍵子項目，將為工作區下步有利目標區優選和參數井位部署提供重要的依據。

工作區位于低喜馬拉雅MBT-MCT的油氣潛在區，行政隸屬于尼泊爾中西部發展區格(卡)爾納利省(第六省)的Dailekh(代萊克)縣，距離尼泊爾首都Kathmandu(加德滿都)約580 km。工作區屬于嶺谷交錯的山地，整體地勢東北高西南低，海拔在500 m～2 800 m之間，相對高差達到200 m～2 000 m(圖1)。工區海拔落差山大、坡陡，溝深、谷多，尤其北部和東部地勢極其險峻，多數區段存在斷崖，難以見到比較開闊的地表，地表條件極其復雜。另外由于工作區發生了多期次逆沖推覆，地層遭受構造活動改造嚴重，使得地質問題復雜，導致地球物理問題突出。

圖1 工作區典型地貌Fig.1 Typical landform of working area

根據中尼合作協議，經過充分討論，本次攻關以油氣苗帶下覆地層為勘探目標，結合工區地形地貌特征，2019年中國地質調查局成都地質調查中心在該區域部署二維地震實物工作量200 km，由中國石油集團東方地球物理公司青海物探處承擔該項目的具體實施。借鑒國內、外逆掩推覆構造地震攻關經驗，特別是祁連山北緣逆掩推覆構造帶油氣勘探攻關效果[1]，本次攻關采用高密度寬線二維地震采集技術，以落實推覆帶地質結構為中心，開展地震資料采集、處理、解釋一體化攻關，最終揭示工作區地質結構、基底構造形態，為摸清目的層構造特征、有利區帶評價提供高品質二維地震資料。

1 高密度寬線采集技術

工作區屬于地震勘探空白區，地面出露寒武-下古生界地層，地表為高大山體，下覆構造復雜程度不清，因此地震工作面臨諸多難點。主要包括以下幾方面：①提高原始資料品質難度大，表層速度較高，低降速帶起伏劇烈，速度各向異性突出，速度反轉，致使面波、折射波、次生干擾波等干擾發育，原始單炮記錄信噪比低;②建立準確的表層結構難度大，嶺谷交錯起伏、落差大，巖性復雜多變，地表結構橫向變化劇烈(包括速度和厚度)，常規表層調查方法即使付出昂貴代價也難以精準揭示表層結構特征;③提高地震反射能量難度大，受地表高速老地層對地震波的屏蔽影響，地震波難以下傳，從下覆地層反射回地表的地震波能量弱、頻率低[2]。針對以上勘探難點，提出以下幾方面采集技術措施：①寬線長排列觀測技術，針對工區地形起伏劇烈、植被茂密，推覆構造斷面發育高陡的特點，利用該技術有利于物理點的布設和提高推覆構造有效覆蓋，對于本地區地層傾角大、逆掩斷層發育的情況，能夠提升其地震波場的歸位效果;②保護成像頻帶的激發技術，采用保護成像頻帶的藥量與井深匹配激發方法，增強地震波下傳能量，提高反射能量;③高靈敏度寬頻接收技術，針對本區散射噪音發育和頻率低的特點，采用寬頻檢波器接收，實現地震信號的“寬進寬出”，有利于提升復雜構造成像的低頻響應;④復雜地表靜校正技術，由于初至包含了豐富的表層信息，反演的表層模型能夠解決該區由于地形起伏和結構變化產生的中長波長靜校正量，高頻靜校正量可以通過初至波剩余和反射波剩余靜校正解決。

1.1 寬線長排列觀測技術

根據工作區地震地質特點，觀測系統設計以解決推覆帶下覆地層的照明問題為主[3]。由于工作區沒有有效的地震資料參考，因此在以往地質成果基礎上建立基本參數，并參考祁連山推覆帶勘探經驗，即采用中間放炮、長排列開展寬線試驗，對最大炮檢距和覆蓋次數等進行優化[4]。

1.1.1 道距選擇

從工作區高陡構造模型中部的正演單炮和實際的單炮f-k譜分析看，道距為30 m時基本沒有折疊干擾波，因此，道距不大于30 m可以滿足主要噪音假頻不污染有效反射需要[5](圖2)。

圖2 工作區單炮f-k譜分析Fig.2 F-K spectrum analysis of single shot in working area(a)道距20 m;(b)道距30 m;(c)道距40 m

針對本區構造高陡和多巖性山地起伏地形的散射源發育的特點，CMP點距選擇要優先考慮有利推覆斷面的成像，即滿足CMP點距≤n·Δx/(2n·Δt·f混)和有利于室內噪音壓制。根據推覆帶勘探認識，受高速推覆體對地震波的屏蔽影響，高頻信息難以下傳，一般推覆帶成像頻率不超過40 Hz，考慮保護60° 傾角信息，理論上CMP點距不超過15 m就可滿足需要。盡可能采用較小的面元，增加對地下地質體的采樣密度，保護相對高頻信息，增強大角度繞射的收斂及降低偏移噪音。綜合考慮，工作區采用30 m道距可以滿足地質需求。

1.1.2 偏移距選擇

工作區最大偏移距的選擇重點考慮對地質目標的照明強度最大化[6]。從工作區地震模型波動方程照明看，偏移距在4 000 m～8 000 m之間，照明能量曲線基本重合，說明偏移距大于4 000 m后對照明的有效貢獻增幅不大，因此最大炮檢距選擇不小于4 000 m即可(圖3)。

圖3 工作區深層波動方程照明能量曲線Fig.3 Lighting energy curve of deep wave equation in working area(a)地質模型;(b)照明能量曲線

從工作區試驗線實際資料看，增加偏移距有利于獲取中深層有效反射，改善中深層局部地質的成像。整體看5 925 m以上偏移距剖面無明顯差異(圖4)。綜合考慮，本次工作區地震采集最大炮檢距選擇5 925 m。

圖4 工作區試驗線資料偏移距分析對比Fig.4 Offset analysis and comparison of test line data in working area(a)偏移距5 025 m;(b)偏移距5 925 m;(c)偏移距7 005 m

1.1.3 覆蓋次數選擇

覆蓋次數的選擇要有助于提高資料的整體信噪比[7]。對工作區重點考慮主要有利于主要斷面和原地系統的成像。通過不同覆蓋次數的對比剖面可以看出，整體上均有較好的成像效果、反射層次豐富，但隨著覆蓋次數增加，淺層及斷裂附近資料同相軸能量有一定加強。整體看1S1L(覆蓋次數66)剖面信噪比相對低，1S2L(覆蓋次數132)以上剖面效果差異不大，視覺信噪比基本相當(圖5)。

圖5 工作區試驗線資料覆蓋次數分析對比Fig.5 Analysis and comparison of data coverage times of test line in working area(a)1S1L覆蓋次數66次;(b)1S2L覆蓋次數132次;(c)1S3L覆蓋次數198次

1.2 保護成像頻帶激發技術

工作區地表出露高速老地層，推覆體是一個強的能量屏蔽體，因此激發方法要以滿足單炮有足夠能量的要求；同時考慮工作區有測線位于山前礫石區，要考慮巨厚礫石層的散射問題。因此我們借鑒酒泉盆地祁連山老地層露頭山地和山前礫石覆蓋區的經驗，采用單井較大藥量激發。生產開始前我們進行了系統的激發參數試驗，對主要參數進行了驗證優化。

1.2.1 藥量選擇

中深井藥量試驗采用10 kg、12 kg、14 kg、16 kg、18 kg藥量進行對比(圖6、圖7)。從分頻掃描的單炮記錄和定量分析結果看，原始單炮均能見到有效反射，有效頻帶較窄。藥量過小會損害有效信息，適當增加藥量可提升低頻和中高頻能量：藥量10 kg時的低頻和中高頻能量都得到提升，但難以獲得深層目的層仍有效反射信息；藥量增加到12 kg及以上，可以得到深層(主要時窗2 s～3 s)更豐富、同向軸清晰、信噪比高的有效反射信息，說明藥量增加有利于提高深層反射能量。總體看16 kg與18 kg屬同一級別，能量、信噪比差異不大，16 kg藥量可以滿足施工需求。

圖6 工作區藥量試驗資料分析對比(分頻資料帶通15 Hz～30 Hz)Fig.6 Analysis and comparison of drug quantity test data in the working area (frequency division data band pass 15 Hz～30 Hz)(a)10 kg;(b)12 kg;(c)14 kg;(d)16 kg;(e)18 kg

圖7 工作區藥量試驗資料定量分析對比Fig.7 Quantitative analysis and comparison of dose test data in working area(a)定量分析頻譜曲線;(b)定量分析信噪比柱狀圖

1.2.2 井深選擇

井深試驗采用10 m、12 m、15 m、18 m井深，均在高速老地層激發。從分頻掃描的記錄和定量分析結果看(圖8、圖9)，有效頻帶均較窄，10 m、12 m、15 m、18 m井深資料沒有明顯差別，避開干燥低速層激發資料品質基本相當，均能見到有效反射。但井深10 m能量相對弱、背景噪音相對強，增加井深可提升能量，井深增加到12 m及以上均可獲得較高品質地震資料。從定量分析結果看，10 m井深頻譜相對較窄，能量、信噪比相對較低，12 m、15 m、18 m井深頻譜、能量、信噪比基本相當。

圖8 工作區井深試驗資料分析對比(分頻資料帶通15 Hz～30 Hz)Fig.8 Analysis and comparison of well depth test data in working area (frequency division data band pass 15 Hz～30 Hz)(a)1口*10 m*16 kg;(b)1口*12 m*16 kg;(c)1口*15 m*16 kg;(d)1口*18 m*16 kg

圖9 工作區井深試驗資料定量分析對比Fig.9 Quantitative analysis and comparison of well depth test data in working area(a)定量分析頻譜曲線;(b)定量分析信噪比柱狀圖

綜合考慮，工作區激發藥量不小于16 kg，井深12 m左右合適。

1.3 高靈敏度寬頻接收技術

以往類似低信噪比地區野外地震采集大多采用多串檢波器大面積組合壓制相關規則噪音，在過去這種方法在提高信噪比、提高信號的幅度等方面起到了積極的作用，但是這種方法眾所周知帶來了地震勘探頻率的損失、增加了地震波的失真度[8]。野外組合壓制噪音的同時也壓制了有效信號，使得地震頻率下降，同時降低了信號的動態范圍。而現在的地震技術更多要求保留完整的地震信號，同時對噪聲進行充分、無污染的采樣。較小的檢波器組合或單點接收檢波器能有效地減小甚至消除不規則的地震檢波器耦合、地震檢波器組合高差所造成的地震信號的畸變、地震屬性失真及質量的下降，同時可以較好地壓制高頻噪音、削弱組合的低通效應，保持反射信號原始性和豐富性，有利于室內對規則噪聲進行多域壓制[9]。

工作區地表為元古-古生代變質巖，從相似地表的祁連山地區看，變質巖一般速度高，使得散射噪音波長，而且由于地形和巖性的各向異性散射噪音是多方向性的，因此野外噪音壓制比較困難，在通行條件差的山地檢波組合增加了勞動強度也會造成更多的安全風險。實踐表明，復雜山地區除非采用高成本的面積形超級大組合，否則不但達不到設計效果，卻大幅度增加了野外實施難度、成本，而且檢波器組合接收的地震波會明顯發生畸變，這種由于淺表結構變化引起的組合畸變在后期處理時是無法恢復的，這是許多復雜區地震勘探中明明單炮上能看到反射信息卻難以成像的因素之一，同時對初至波靜校正和初至波層析反演深度偏移淺表速度場非常不利，進而會降低初至波靜校正和成像的效。

選取工區中部開展檢波器對比試驗，其中R1線兩串常規檢波器面積組合，R2線1串常規檢波器面積組合，R3線單只高靈敏檢波器接收。從共接收點道集資料看(圖10)，組合與單點能量差異不大，組合檢波壓制背景噪音較好，但組合的地震波發生明顯時移(紅框區)，初至約相差半個相位(箭頭)。

圖10 工作區檢波器接收對比試驗資料Fig.10 Receiving contrast test data of geophone in working area(a)R1線常規檢波器20個組合;(b)R2線常規檢波器10個組合;(c)R3線高靈敏度單只檢波器

針對工作區起伏地表、巖性變化的特點，次生干擾發育，野外組合難以壓制，采用單點接收，噪音通過高覆蓋和室內處理壓制，有效解決大組合帶來的組合時差和混波問題，為復雜波場成像提供高精度的原始數據，同時也可以降低勞動強度和降低施工成本。

1.4 復雜地表靜校正技術

工作區老地層發育，速度高，橫向變化大，局部低降速帶缺失，顯然常規控制點內插的方法難以揭示出近地表結構的特點。利用初至數據的空間連續性，在CMP域選擇合理的CMP控制點控制空間速度的變化，根據CMP點的時距關系解釋出速度特點，形成初始速度模型，進行約束層析反演，能更好控制近地表空間速度的變化，解決該區因地形劇烈起伏產生的長、短波長問題及高速山體的地形突變和速度變化帶來的中、短波場靜校正問題(圖11)。

圖11 工作區靜校正對比剖面Fig.11 Comparison section of static correction in working area(a)高程靜校正剖面;(b)層析靜校正剖面

2 采集效果分析

通過以上技術措施的實施，本次地震攻關首次在尼泊爾喜馬拉雅逆掩推覆地區獲得了超出預期的地震資料，從獲得的地震剖面來看，主要構造形態清晰，淺、中、深層反射組齊全，同相軸連續性好；主要目的層地層波組特征清晰，信噪比高，可以進行追蹤對比。剖面構造格局明顯、特征清楚，能較好地揭示該區盆地構造格架，對進一步了解該區域地質、沉積規律、區域構造特征及盆地演化可以起到一定的指導作用。

3 結論與認識

通過本次尼泊爾喜馬拉雅山地二維地震項目的成功實施(圖12)，可以得出以下結論和認識：

圖12 尼泊爾喜馬拉雅山逆掩推覆帶典型二維地震成果剖面Fig.12 Typical 2D seismic profile of Himalayan overthrust belt in Nepal

1)單點高精度、寬頻接收。針對復雜山地組合高差會造成地震波的畸變，采用不組合激發和接收，提高原始地震波的準確性。針對逆掩推覆帶地震波能量屏蔽，發揮低頻地震波的穿透優勢，采用高靈敏度低頻檢波器接收，加強對中低頻的接收。

2)高速層適中藥量激發。針對高速老地層普遍出露，采用相對統一的中深井，飽和能量激發。試驗確定最小藥量門檻，適當加大藥量確保成像頻帶地震波能量。

3)寬線長排列高覆蓋觀測。針對地形起伏劇烈，障礙物多及下覆構造不清，采用寬線長排列觀測系統，提高物理點布設和下覆構造有效觀測，進而提高資料信噪比。

4)通過以上技術措施的實施，尼泊爾喜馬拉雅推覆構造地區二維地震資料取得較好的結果，填補了地震勘探空白，為該區下一步油氣調查打下了堅實的基礎，以為類似地區提供技術借鑒和參考。

致 謝

在項目實施過程中，得到了中國地質調查局成都地質調查中心領導和專家熱心指導和幫助，中國石油東方公司敦煌處理中心在資料處理方面做了大量工作，中國石油東方公司青海物探處294隊在資料采集過程中付出了艱辛的勞動，在此表示深深的感謝！