可控震源升降頻同步掃描高效采集技術及其應用效果

盧光年，孫曉英，孫夢，劉陽

1.中國石油吐哈油田分公司 勘探事業部（新疆 哈密 839009）2.新疆職業大學 師范學院（新疆 烏魯木齊 830000）3.中國石油東方地球物理公司 吐哈物探處分公司（新疆 哈密 839009）

1 技術背景

2010—2019年吐哈油田共部署18塊三維地震勘探，滿覆蓋面積共3 478.31 km2，平均三維勘探面積約193.24 km2，炮道密度從20多萬道增長到200萬道左右，準東SHG三維更是達到479萬道（圖1）。

圖1 近年吐哈油田三維部署面積與炮道密度

三維勘探炮道密度的增長促進高效采集技術的應用和發展，吐哈探區可控震源采集技術可分為4個階段：

在第1階段（2010年），采用可控震源常規激發[1]，平均日效400炮。

在第2階段（2011年），采用可控震源交替掃描技術激發，將平均日效提高到1 150炮。

在第3階段（2012—2018年），采用可控震源滑動掃描技術激發，平均日效達到2 600炮左右。

在第4階段（2019年），采用可控震源動態掃描技術激發[2]，平均日效達到4 000炮以上。

尤其是2019年準東區塊SHG三維，借助可控震源動態掃描技術10組震源平均日效高達5 610炮，首次實現了小面元（12.5 m×12.5 m）、覆蓋密度達478.72萬次/km2三維地震采集，地震資料品質改善明顯，取得了較好的地質效益和經濟效益。

然而根據T-D統計和克朗模擬分析（圖2），SHG三維日效主要來源于10 s滑動掃描方式激發，實際激發最高日效6 749炮與克朗模擬滑動掃描7 040炮非常接近，而克朗模擬同樣T-D參數10組震源動態掃描日效為16 580炮，比實際平均生產效率高3倍。主要原因動態掃描技術是將交替掃描、滑動掃描和距離分離同步掃描綜合在一起的技術，比滑動掃描生產效率的提升，主要來源于距離分離同步掃描技術的使用[3]。距離分離同步掃描技術需要可控震源組空間距離大到其最深目的層反射相互不干擾[4]，一般要求大于2倍的最大炮檢距再加2 km，石樹溝三維按此計算要大于14.1 km，受三維部署面積和距離分離同步掃描技術的限制無法發揮動態掃描技術的全部優勢。因此對于一次部署面積不大的高密度地震勘探，還亟待一種突破距離分離同步掃描技術限制的高效采集技術。

圖2 SHG三維部署圖與生產效率統計對比

2 基本原理

可控震源升降頻同步掃描技術，是通過位于不同炮點兩組震源，采用不同的掃描方式：升頻或降頻掃描方式，其他掃描參數完全相同同步激發，接收排列為滿足每組震源接收的超級排列，記錄含有升頻和降頻地震信號的未相關地震數據，再通過對應升頻或降頻掃描信號進行相關實現波場分離，進行排列分割，形成各自炮點相關記錄的技術（圖3）。

圖3 升降頻同步掃描技術未相關記錄與分離后記錄

2.1 形成機制

在地震信號處理中，地震道是地震子波與地層反射系數序列的褶積。可控震源的記錄是地面振動信號與掃描信號的相關分析對比[5]，因此當地下地層為兩層介質反射系數為1的簡單模型時，掃描信號相關分析對比（圖4），可以看作是模擬反射地震道的分析。

圖4 不同掃描信號與相關前后分對比

采用升頻或是降頻的掃描方式（圖4中1、3行），振動信和掃描信號一樣，其相關波形（自相關子波）是一致的，相關后時頻域一樣收斂為尖脈沖，這保證了同一個采集項目可以采用升頻、降頻兩種方式同時進行采集，獲得相關后的記錄相一致。

可控震源升降頻同步激發時（圖4中2、4行），振動信號是升、降頻掃描信號的混合疊加，然后分別用升、降頻掃描信號進行相關分離，相關子波中多了鄰炮干擾[6]，其振幅遠遠小于自相關子波主瓣振幅。相關后時頻域對應掃描信號收斂為尖脈沖，另外混疊升、降信號成為線性的鄰炮干擾。除鄰炮干擾，同步激發分離后子波形態和頻寬與單獨采用升、降頻激發的一致，這保證了升降頻同步激發的可行性。

2.2 鄰炮干擾

從上述的模擬分析可知，升、降頻相關分離后存在鄰炮干擾，其振幅遠遠小于自相關子波主瓣振幅，在時頻域中為線性，斜率相反，大小相等，為掃描速率的一半，起止頻率與掃描信號一樣。實際相關后記錄長度為聽時間長度，留在相關后記錄的鄰炮干擾頻帶有限（圖5中第1行），頻帶范圍有以下計算關系。

圖5 鄰炮干擾信號模擬、升頻分離后記錄和升頻相記錄時頻譜對比

升頻分離后鄰炮干擾頻帶：

降頻分離后鄰炮干擾頻帶：

其中，F1為掃描最低頻率，F2為掃描最高頻率，Ts為掃描長度，Tl為聽時間。

可控震源升降頻同步激發分離升頻相關記錄與同一炮點只采用升頻掃描的相關記錄（圖5中第2、3行），鄰炮干擾表現為近炮點的中高頻干擾，通過時頻域和頻率域分析對比，與信號模擬保留聽時間范圍內的鄰炮干擾頻帶一致。

綜上所述鄰炮干擾具有：振幅弱、頻帶分布可知、時頻譜中線性分布的特征，可以通過開發針對性的模塊進行處理，也可以通過高覆蓋增強反射信號能量來壓制[7]。

2.3 實現方式

2.3.1 二維實現方式

升降頻同步掃描技術可以分居兩個不同炮點的震源成一組，組內兩個震源分別采用升、降頻兩種掃描方式，“一炮雙響”同步激發，組間采用滑動掃描方式。共兩種組織方式:縱向組織方式和橫向組織方式（圖6），每組搬點距離都是40 m，滑動時間10 s。從統計炮間隔時間來看橫向組合效率更快，達到每炮（一炮雙響）平均40 s，按每天作業20 h計算日效可達1 800炮，3 600個炮點較以往采集效率高1倍。

圖6 升降頻同步掃描技術不同組織方式與炮間隔統計

由于目前還沒有針對的導航軟件，采用兩組模式導航平板不能直接分組，需要儀器對其進行分組，每組選一臺震源為主震源進行源驅放炮。平行分組不能保證每組震源平板都落地更容易產生廢振次，縱向分組是選擇后面一臺震源進行源驅放炮，可以有效避免費振次的產生[8]，如果將來對導航軟件進行升級就不會存在這種現象，目前來看縱向分組更符合生產需求。

2.3.2 三維實現方式

三維采集時，將炮點沿線束方向分成升頻和降頻掃描的兩個區塊，區塊長度最好大于最大炮檢距，這樣可以避免在分離記錄內出現強鄰炮干擾，同一區塊內震源采用滑動掃描技術進行采集[9]，不同區塊的震源采用升降頻同步掃描技術采集。

實際采集時同動態掃描一樣按距離進行控制：兩組震源距離大于或等于一個區塊長度時進行同步激發；小于一個區塊長度時采用滑動掃描，這樣就可以用升降頻同步掃描技術替代以往動態掃描中的距離分離同步掃描，形成新動態掃描技術。由于其大大縮減了距離分離同步掃描中震源的空間距離，更適合有限部署面積三維地震勘探，從而大幅提高生產效率[10]。

3 應用實例

自2019年初詹士凡首席專家提出思路，吐哈物探處經過室內模擬和點試驗，驗證了可控震源升降頻同步掃描技術的可行性，并依托吐哈盆地LB高精度三維項目，進行了無滑動時間限制的升降頻混采段試驗，依托準東SHG二維項目進行“一炮雙響”方式升降頻同步激發段試驗，優化了實施組織方式和驗證剖面疊加效果（圖7）。

圖7 準東SHG二維試驗剖面對比

通過前期試驗2020年得到吐哈油田勘探公司認可，4月在吐哈盆地TB-SQD二維項目TD2020-XX測線進行生產應用（圖8），順利實現了縱向組合“一炮雙響”升降頻同步激發加組間滑動掃描方式。

圖8 吐哈TB-SQD剖面對比

TD2020-XX測線采用升降頻同步激發技術，增加炮點密度距，炮點距由40 m變為20 m，覆蓋次數提高一倍達到3 000次。去除加油、繞路等時間，有效采集時效63炮/h（一炮雙響），126個炮點，相對其他測線40 m的炮點距，在增加炮點密度的情況下，采集效率基本一致。并且通過增加覆蓋次數現場處理剖面比以往三維資料，現場處理剖面淺層和深層資料都有提高，保障經濟效益促進了資料的地質效果。

4 結論

通過研究和應用表明，可控震源升降頻同步掃描技術進一步提高了可控震源滑動掃描采集效率，并擴大了動態掃描的應用范圍。與其他同步掃描技術相比,升降頻同步掃描技術具有以下三方面的特點：

1）首次利用升降頻不同掃描方式實現同步激發，具有不受震源空間距離限制、數據分離簡單的特點。

2）可以利用現有的“一炮雙響”模式升級二維地震項目滑動掃描采集技術，替代距離分割同步掃描技術升級三維動態掃描技術，儀器放炮模式、作業模式無需太多改變，便于實施。

3）升降頻同步激發產生的鄰炮干擾，規律性強易針對性處理，衰減快影響范圍小易避讓。

下一步，將適機開展三維高密度項目中升降頻同步掃描技術的應用，進一步完善優化三維實施方法。