地震采集方案評價優化分析方法及應用
——以準噶爾盆地阜康凹陷為例

楊萬祥,李獻民,宋志華,閻建國,任立龍

(1 新疆油田公司,克拉瑪依 834000;2 成都理工大學地球物理學院,成都 610059)

0 引言

寬方位、寬頻帶、高密度(簡稱“兩寬一高”)地震采集是近十年來國內外普遍采用的地震勘探采集技術,“兩寬一高”采集加上與之相適應的處理和解釋技術,組成“兩寬一高”技術體系,在解決復雜地質體成像、巖性勘探以及精細油氣藏描述等地質問題方面具有明顯的技術優勢,取得了許多重要的油氣勘探成果[1-2]。“兩寬一高”地震采集,由于高密度、寬方位所要求的采集方案具有縱橫向上的高覆蓋次數,較小的面元尺寸等特點,以及低頻激發接收對儀器設備和采集條件的要求,相比于常規地震采集而言,采集成本會明顯增加,采集效率也會受到很大影響。因此,近年來在繼續堅持“兩寬一高”采集技術的同時,根據地表及地下地震地質條件及勘探目標要求,從兼顧數據品質和采集成本的技術經濟一體化考慮,評價已有采集方案,提出優化方案,成為業界關注和研究的熱點之一,致力于達到“提質增效,高效勘探”的目標[3-4]。對于地震采集方案的評價優化方法及應用,國內外學者都做了較多的研究,主要方法包括:采用“退化處理”和“正演模擬”等方法的已有采集方案的后評估方法;采用照明模擬和野外試驗的地震參數優化設計方法。但是由于地表及地下地震地質條件的差異,影響地震數據品質的主要采集因素因地而異,較難確定。加之定量的評價和優化采集方案和采集參數的方法不多,因此進行采集方案評價優化的方法及應用研究,對于提高復雜地區的采集數據品質具有重要意義[5-6]。

準噶爾盆地是國內最早開展“兩寬一高”地震采集的地區之一,其多數勘探領域處于沙漠戈壁地區。由于近地表吸收衰減強和各種類型的噪聲多而強,常常導致采集得到的資料信噪比較低,筆者將其定義為低信噪比地區[7-8]。雖然這些地區已經采用了“兩寬一高”采集技術,而且為應對這種“低信噪比”,采集方案和采集參數都是盡量采用上限設計,稱為強化設計,但所采集的地震資料信噪比有時仍不能滿足勘探的需求,從而給這些低信噪比地區的地震資料采集方案設計及激發接收等采集參數的確定帶來許多挑戰[9]。筆者通過對準噶爾盆地阜康凹陷2015年以來已實施的7塊“兩寬一高”三維地震采集資料品質及其地質目標達成度的梳理對比,開展了對現有地震采集方案的評價,采取理論公式和實際資料分析結合的研究思路,研究建立一些定量評價指標,提出了一種“以關鍵采集參數與資料信噪比的定量關系為依據的采集方案評價優化方法和流程”。通過評價認為,阜康凹陷7塊采集方案71%是適合的,29%可以通過優化相關方案和采集參數,進一步提高地震資料的品質。通過實際資料的應用證明了所提出方法流程的正確性和適用性,為研究區下一步采集方案優化設計提供了有效指導。

1 地震采集方案評價優化方法

地震采集方案一般是指地震采集時所依據的地震采集觀測系統和一些具體的激發和接收參數。其中最重要的內容就是表示激發點、接收點和地下反射點的相互關系的觀測系統。表征觀測系統的參數一般可分為“獨立參數”和“綜合參數”。獨立參數主要包括激發接收的點線距,覆蓋次數,最大(最小)炮檢距;綜合參數是指可以由獨立參數以及已知排列方式(炮線數、檢波線數、排列片形式等)計算得到的參數,主要包括面元大小,炮道密度,橫縱比等[10]。對于三維地震采集,常用炮道密度(也稱覆蓋密度)、面元大小、橫縱比來衡量不同采集方案[11]。在激發方式(如井炮或可控震源激發)和接收方式(如單點接收或組合接收)確定后,地震采集的資料品質與觀測系統直接相關。目前評價地震采集資料品質的常用參數是資料信噪比。根據多年來的勘探實踐,針對準噶爾盆地巖性勘探目標,近年來實施的“兩寬一高”地震采集基本采用可控震源激發、單點接收及正交排列形式[12]。因此,筆者所指的地震采集方案評價優化主要是通過比較不同采集方案對地震資料信噪比的影響以及經處理后的地震資料的分辨率和地質目標達成度的分析,來得出有關采集方案是否合適的相應結論并提出在技術經濟一體化條件下可以進一步提高資料品質的采集方案優化設計[13-15]。

1.1 采集方案關鍵參數與資料信噪比的關系

根據準噶爾盆地多年來地震資料采集的實踐和采集方案評價優化的目的,通過比較,筆者選取了炮道密度(覆蓋密度)與資料信噪比、面元大小與分辨率這兩對參數,作為評價采集方案基本參數,通過定量計算以及基于實際資料的統計分析等方法,得出了這些參數之間定量關系,并將其應用到實際資料的評價優化中。

1)炮道密度與信噪比的定量關系

對于“兩寬一高”三維地震采集,炮道密度可以較好地描述采集方案的覆蓋密度,它包含了覆蓋次數和道間距即面元大小的含義。根據相關參數定義及相關理論[4],推導得到式(1),用于計算三維觀測系統的最大炮道密度:

(1)

式中,T為炮道密度(覆蓋密度)(萬道/km2),m為覆蓋次數(次),bx為縱向面元邊長(m),by為橫向面元邊長(m)。

設疊加后的信噪比為S/N(D)、疊加前的原始單炮信噪比為S/N(Q),則覆蓋密度T與資料信噪比的關系可以表示為:

(2)

圖1為根據以上理論公式,按準噶爾盆地常用的面元尺寸12.5 m×12.5 m,計算得到的炮道密度與疊加后信噪比的關系曲線。從圖中可以看到信噪比與炮道密度(覆蓋密度)成正比,覆蓋密度越高,信噪比越高。總體上,當覆蓋密度在200萬道/km2前,信噪比上升趨勢較快,而當覆蓋密度在200萬道/km2后,信噪比上升趨勢明顯變緩。對于準噶爾盆地低信噪比地區,原始單炮的信噪比都低于1,這種趨勢更為明顯。

圖1 疊加后信噪比與覆蓋密度關系Fig.1 Relationship between signal-to-noise ratio and folds density after stacking

2)面元大小與分辨率的定量關系

地震資料的分辨率,可以理解為地震資料表征地質體大小的能力。一般分為為縱向分辨率Rv,即地震資料沿垂直方向能分辨的最小地質體的大小;橫向分辨率Rx,即地震資料沿水平方向能分辨的最小地質體的大小。R值越大,表示能分辨的最小地質體的尺度較大,分辨率低。

根據相關理論,常用以下計算公式:

(3)

式中:Rv為縱向分辨率(m);Vint為地層層速度(m/s);fmax為有效信號最高頻率(Hz)。

(4)

式中:Rx為橫向分辨率(m),Vint為地層層速度(m/s),h為目的層埋深(m),fmax為有效信號最高頻率(Hz)。

根據采樣定理,我們可以推導出在滿足橫向分辨率的條件下,面元最大應為:

(5)

式中:b為縱橫向相等時的面元邊長(m),其余符號含義與前相同。

綜合式(3)-(5),經推導可以得到分辨率與面元大小的公式:

(6)

(7)

(6)-(7)式中的各符號含義與前相同。

根據以上公式,并按準噶爾盆地的一些典型參數,如有效信號的主頻一般為30 Hz左右;有效信號最高頻率一般為75 Hz左右;目的層埋深3 500 m等,計算得到縱橫向分辨率與面元大小的定量關系(圖2)。

圖2 橫向分辨率與面元大小(a)、縱向分辨率與面元大小(b)之間的關系Fig.2 Relationship between horizontal resolution and bin size (a),and between vertical resolution and bin size (b)

從圖中可以看到,面元越大,能夠分辨的最小地質體的尺度增加,縱橫向分辨率都變低,所以小面元采集有利于縱橫向的分辨率的提高。

1.2 退化處理方法及結果分析

在對采集方案進行評價時,除分析采集參數與資料信噪比和分辨率的定量關系外,還常常需要分析觀測系統參數與地質目標達成度關系,如觀測系統參數的不斷強化對復雜地質目標成像有多大作用,是否有弱化的可能。對于這類分析方法,常常采用“退化處理”的方法,即對野外已采集資料,通過弱化已有采集方案,如抽稀炮檢線,擴大面元等形成新的采集方案,然后重新處理原始資料,并分析新采集方案下數據品質的變化及與地質特征的關系。

退化處理是通過資料重新處理的方式進行觀測系統參數變化對地震數據品質的影響進行評價,包括分析不同觀測系統參數對目的層段地質特征的影響,提供觀測系統參數優選的方法和依據[11]。其中退化處理可以分別從面元尺寸、縱橫比,線點距、覆蓋密度對采集方案進行退化試驗,通過對不同參數變化對地震資料的信噪比影響分析,來評價退化處理的效果。

筆者主要研究了覆蓋密度退化處理對地震資料的影響。根據研究區三維地震采集觀測系統的特點,共設計了4個試驗觀測系統,其中方案A為原始觀測系統,其余方案為退化采集方案,各方案具體參數,見表1。

表1 退化處理試驗觀測系統參數表Tab.1 Parameters of observation system for degradation treatment test

對于面元大小均為12.5 m×12.5 m,進行覆蓋密度不同(表1的A、B、C、D觀測系統)的4組的數據進行對比。具體方法是,首先按3種退化方案對原始觀測系統下的采集數據,進始采集單炮的抽取,并按相同處理流程進行處理,得到了相關結果(圖3)。圖3展示了四種觀測系統下針對目的層百口泉組的疊前時間偏移數據體等時切片。從圖上可以看出,高覆蓋密度資料信噪比更高、斷層識別能力更強、同相軸連續性更好(圖中藍色圈出)。但對比圖3(a)和(b)可以看到,兩者的地震反射特征相近,沒有顯著差別,即地質目標達成度相近。但二者的覆蓋密度相差近一倍,其采集成本相差較大。因此,我們通過這種退化處理試驗可以認為,該地區針對百口泉組的地震采集覆蓋密度可以適當弱化,如350 萬道/km2,同樣可以取得相近的地質效果。

圖3 不同覆蓋密度疊前時間偏移剖面數據體等時切片Fig.3 Time slices from pre-stack time migration data with different folds density

圖4(a)為根據以上退化試驗,針對目的層百口泉組(平均埋深約4 500 m)按實際資料統計的信噪比與覆蓋密度的關系曲線;(b)為按理論公式(2)計算得到的信噪比與覆蓋密度關系曲線。可以得到兩者的趨勢相一致,而且具體數值也沒有大的差別。因此說明,利用定量分析手段進行采集方案評價是可行和準確的。

1.3 采集方案評價優化方法流程

在理論研究和退化處理試驗的基礎上,我們提出了主要以炮道密度(覆蓋密度)與資料信噪比、面元大小與分辨率這兩對參數為定量指標的采集方案評價優化方法流程,如圖5所示。

實際應用中,通過收集工區已進行了地震采集處理后的地震資料、采集方案和處理成果基礎上進行。通常具有以下幾個主要步驟:

1)根據地震勘探成果與地質目標的達成度,分析現有采集方案參數的合理性。

2)對影響資料品質的典型采集因素進行分析論證,說明采集方案的合理性,對采集方案進行評價,如,由于地表條件復雜,采集方案需要強化,更高密度、組合激發接收等。

3)在以上分析基礎上,提出采集方案優化的方向。

2 實際資料應用

2.1 阜康凹陷三維地震采集方案總體評價

為加快準噶爾盆地阜康凹陷內的二疊系、三疊系等巖性目標的勘探進程,自2015年～2019年共部署高精度三維7塊,滿覆蓋面積約1 800 km2,具體部署情況如圖6。圖7～9給出這7塊的一些地表條件及采集參數統計結果的相關信息。

圖7 三維區塊覆蓋密度(萬道/km2)統計結果圖 Fig.7 Statistical results of the 3D seismic blocks folds density(ten thousand traces/km2)

圖8 三維區塊橫縱比統計結果圖Fig.8 Statistical results of horizontal to vertical ratio of the 3D seismic blocks

從以上各圖中可以看到,2015年～2019年,覆蓋密度在逐漸增加,呈上升趨勢,但是在2018年之后會略有下降的趨勢。研究區地震采集參數橫縱比在0.5左右,但是近幾年有上升趨勢。從圖6可以看到,三維工區戈壁和沙漠占比較大,屬于低信噪比地區。2015年以后地震采集采用了低頻可控震源激發,掃描頻率均為1.5 Hz ～96 Hz,大多數區塊采用了單點接收。因此總體上,這7塊三維工區實施的是較為強化的“兩寬一高”地震采集,以滿足地質目標的勘探要求。

按照圖5的采集方案評價優化流程,我們對7塊三維從①各三維工區地表地質條件分析;②各工區典型單炮分析;③各工區疊加剖面處理效果分析;④各工區新采集資料與以前采集資料的對比分析等4個方面進行了逐一分析和評價,最后得到了整體評價結果:①7塊有5塊(占比71%)達到了地質目標勘探要求,其采集方案為適合;但有2塊(沙109井區和阜北3井區,占比29%)數據品質總體較低,表現為單炮信噪比普遍低,處理后成果剖面分辨率低,一些小斷裂目標的分辨率未達到要求。因此其采集方案評價為應進一步優化;②采集方案不適合應進一步優化的方向主要是在低信噪比地表條件下,覆蓋密度等采集參數不夠強化,應該采取更高覆蓋次數或更寬方位獲得更高的覆蓋密度。

具體評價過程及結果不一一贅述,下面僅就采集方案評價優化過程中一些定量指標的計算過程和結果進行舉例說明,以便說明筆者提出的采集方案評價優化方法流程的適用性。

2.2 地震采集方案的定量評價

下面以2018年北43井北三維為例,闡述以定量指標為標準的采集參數評價工作。研究區的勘探目的在于精細刻畫石炭系-侏羅系構造特征及儲層特征,落實各類圈閉目標。本次勘探任務量化指標:侏羅系砂體識別要求15 m～20 m厚的儲層、斷裂斷距在10 m～15 m。研究區的采集方案如表2所示。

表2北43井北三維采集方案Tab.2 3D seismic acquisition scheme of well Bei 43 North

首先選擇2個典型位置進行地球物理參數求取及理論論證。基于參數論證的要求,所選論證點要有代表性,能夠控制全區構造特征,否則難以得到較為合適的采集方法。根據本區構造特點,以石炭系頂面構造圖為依據,在工區西北側石炭系頂面埋深較深位置、東南側埋深較淺位置確定出2個代表性的論證點,如圖9所示。根據已采集資料及處理解釋成果,得到以下地球物理參數,見表3。

圖9 論證點位置圖Fig.9 The location of points chosen for evaluation

1)分辨率與面元大小論證

根據1.1節的公式(6)～(7)計算得出了各地震層位對應的最大面元尺寸以及縱向分辨率,如表4所示。

分析以上計算結果表可見,各層位的縱向分辨率,即能識別的儲層厚度在8 m～23 m范圍,侏羅系的儲層厚度均小于20 m,滿足地質勘探目標要求以及識別10 m～15 m斷距要求。而計算出的元尺寸最小為21 m,而實際采集方案中的面元為12.5 m,所以可以看到,研究區采集方案在面元尺寸上是合理的。

2)覆蓋密度的論證

根據1.1節的公式(2)和信噪比與覆蓋密度關系曲線,由已知原始單炮信噪比和室內處理的去噪能力可以計算覆蓋密度。首先根據研究區已經取得的地震資料成果,我們可以得到經過室內疊加去噪處理后的信噪比,如果取處理后資料信噪比比原始信噪比提高了2個倍頻程;三維工區處于低信噪比地區原始單炮信噪比較差,取平均值為0.5。通過公式計算得到平均覆蓋密度應達640萬道/km2以上。與現有采集方案對比可知,該地區的采集方案在覆蓋密度與計算結果相近,是合理的。

3)進一步優化的建議

從以上的論證可以看到,通過定量計算可以認為,研究區目前的采集方案在面元大小及覆蓋密度方面是合理的。但也可以發現,該采集方案的覆蓋密度較高,屬于強化參數。按照評價優化的流程,進一步探討能否適當弱化相關參數,以減少采集成本。

圖10展示了一條研究區不同覆蓋次數對比剖面。從圖中可以看到,提高覆蓋次數有利于提高深層資料信噪比,有效覆蓋次數從140到280次,280到420次,資料改善較為明顯。當有效覆蓋次數大于420次以后,資料品質仍有改善,但改善的幅度較小。通過量化分析,有效覆蓋次數在750次左右出現拐點,即這以后覆蓋次數的增加對改善資料品質作用不顯著。

圖10 研究區不同覆蓋次數疊加剖面對比Fig.10 Comparison of stacking sections with different folds in the study area

因此,根據覆蓋次數拐點,并參考相鄰區北43井區的覆蓋密度(560 萬道/km2)相比,通過計算認為,研究區(北43井北三維)的覆蓋密度過于強化,可以適當弱化,建議可以減小到550萬道/km2,從而可以在保證資料品質的前提下,降低采集成本。

3 結論

1)根據研究區的地表及地下的地震地質條件,建立地震采集方案的一些關鍵參數,如覆蓋密度、面元大小、橫縱比等與資料信噪比和分辨率的定量關系,可以對已有采集方案進行評價;結合已采集資料的品質分析,可以提出采集方案進一步優化的建議。

2)利用“退化處理”可以將地震采集與地震處理環節有機聯系起來。通過不同采集方案下的資料處理結果分析,以地質目標達成度為依據,可以得到采集方案關鍵參數對地震數據品質的影響的相關結論。該方法雖然比較耗時費力,但在進行采集方案評價優化時適當采用,可以提高評價優化的效果。

3)筆者提出將定量評價與實際資料分析相結合的采集方案評價優化方法流程在實際資料應用中取得了較好效果,對今后開展地震采集評價優化工作具有參考價值和指導意義。下一步在建立的定量關系時應考慮近地表的衰減情況,并有針對性進行采集方案的評價優化。