復(fù)雜黃土山地區(qū)井震聯(lián)合高效采集技術(shù)及應(yīng)用

張 雨,張群英,董金偉,任麗瑩,黃 凱

(中國石油東方地球物理公司遼河物探處,盤錦 124010)

0 引言

近年來,隨著油氣勘探目標(biāo)越來越精細(xì),地震勘探方法不斷強(qiáng)化,炮道密度隨之大幅提升,地震勘探成本壓力日益增大[1]。面對(duì)復(fù)雜的地表?xiàng)l件、精細(xì)的地質(zhì)任務(wù)、繁雜的協(xié)調(diào)環(huán)境以及超額的勞動(dòng)強(qiáng)度,在保證資料品質(zhì)的前提條件下,如何實(shí)現(xiàn)地震項(xiàng)目提質(zhì)增效是施工方一直以來研究的一項(xiàng)重要課題。

鄂爾多斯盆地黃土山地區(qū)地震地質(zhì)條件復(fù)雜多變,表層有黃土層覆蓋,溝壑縱橫,海拔高程變化較大,激發(fā)、接收條件受到很大的影響,導(dǎo)致地震資料干擾波發(fā)育、靜校正問題突出、資料分辨率及信噪比極低[2-3]。常規(guī)井炮激發(fā)方法是多組合、深井和大藥量來強(qiáng)化單炮品質(zhì)[4]。另外,在低信噪比區(qū)通過提高野外采集的覆蓋次數(shù),可以有效地提高剖面的品質(zhì)[5]。增加點(diǎn)位布設(shè)密度是提高覆蓋次數(shù)的主要方式之一,黃土山地區(qū)激發(fā)點(diǎn)布設(shè)主要分為溝壑區(qū)與塬臺(tái)區(qū)點(diǎn)位布設(shè),溝壑區(qū)在避開斷崖、陡坡等危險(xiǎn)地形的情況下,可做到點(diǎn)位分布均勻;但在塬臺(tái)區(qū)布設(shè)點(diǎn)位時(shí),受房屋、墳地、高壓線等各類障礙物的影響,激發(fā)點(diǎn)只能布設(shè)在障礙物安全距離以外的區(qū)域,遇到大型村鎮(zhèn)時(shí),點(diǎn)位的均勻性將受到較大影響,進(jìn)而造成淺層資料缺失。生產(chǎn)效率方面,傳統(tǒng)井炮的放炮模式主要通過儀器與爆炸機(jī)聯(lián)機(jī),聯(lián)機(jī)后爆炸機(jī)到點(diǎn)后確認(rèn)井口信息,之后充電排隊(duì)并向儀器發(fā)送RESDY信號(hào),儀器接到信號(hào)后發(fā)出放炮指令,爆炸機(jī)根據(jù)排隊(duì)順序依次進(jìn)行采集[6]。受電臺(tái)限制,一臺(tái)儀器只能帶14組爆炸機(jī),多臺(tái)儀器采集時(shí),儀器間需來回切換,每次切換時(shí)間不少于3分鐘,嚴(yán)重影響采集效率。

近年來,隨著“兩寬一高”技術(shù)的不斷發(fā)展,可控震源已逐步走進(jìn)黃土塬,井震聯(lián)合激發(fā)對(duì)比以往純井炮采集,生產(chǎn)效率也有了一定提升[7]。但當(dāng)前激發(fā)系統(tǒng)只能同時(shí)控制一種激發(fā)源,即井炮采集時(shí),無法實(shí)施可控震源采集,可控震源采集時(shí),同樣無法實(shí)施井炮采集,且兩種采集模式的切換過程耗時(shí)較長,井震聯(lián)合采集未實(shí)現(xiàn)高度融合。基于以上分析,優(yōu)化點(diǎn)位布設(shè)、提高井震激發(fā)融度是實(shí)現(xiàn)黃土山地區(qū)地震采集提質(zhì)增效的關(guān)鍵。

1 井震聯(lián)合高精度預(yù)案設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計(jì)原則

可控震源為車載裝置,具有便捷、靈活的特點(diǎn),且對(duì)地表破壞性小,可在障礙物密集區(qū)進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè),因此,可控震源是一種安全、環(huán)保的激發(fā)源[8]。井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計(jì)可有效提高項(xiàng)目整體點(diǎn)位均勻性,避免障礙區(qū)淺層資料缺失。具體設(shè)計(jì)原則如下:①溝壑區(qū)以井炮為主,盤山路、川道可控震源為輔的方式布設(shè)。井炮偏移按照“先縱后橫”的方式,優(yōu)先沿測線方向整道距偏移,合理規(guī)避斷崖、陡坡、窯洞等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域;若沿測線方向無法避開障礙區(qū),則按照整接收線距垂直測線方面偏移,保證偏移后覆蓋次數(shù)分布均勻。可控震源點(diǎn)按照1/2炮點(diǎn)距的密度沿盤山路、川道布設(shè),用來彌補(bǔ)溝壑區(qū)覆蓋次數(shù)不足的問題。②塬臺(tái)區(qū)以可控震源為主,農(nóng)田、果園井炮為輔的方式布設(shè)。可控震源點(diǎn)按照1/2炮點(diǎn)距的密度沿道路、農(nóng)田布設(shè),避開危房、養(yǎng)殖、墳地等敏感障礙物;井炮采用“見縫插針”的方式在果園、農(nóng)田等可控震源無法通行的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充,保證障礙區(qū)點(diǎn)位布設(shè)均勻。

1.2 關(guān)鍵區(qū)可控震源強(qiáng)化設(shè)計(jì)

借助可控震源點(diǎn)位布設(shè)靈活、效率高、成本低等特點(diǎn),在關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行可控震源點(diǎn)位強(qiáng)化,提高資料品質(zhì)。

1)噪音發(fā)育區(qū)可控震源點(diǎn)位強(qiáng)化。噪音干擾是影響單炮品質(zhì)的主要原因之一,在無法降低噪音干擾的情況下,通過增加覆蓋次數(shù),提高資料信噪比的方式,可達(dá)到提升資料品質(zhì)的目的。設(shè)計(jì)原則是在村莊周邊、高速公路兩側(cè)等人員活動(dòng)頻繁的區(qū)域?qū)⒖煽卣鹪袋c(diǎn)布設(shè)密度提升一倍。

2)特殊地形小型震源點(diǎn)位強(qiáng)化。EV56、BV620等常規(guī)可控震源寬度為3.5 m,可滿足在一般村莊道路的通行作業(yè),遇到道路狹窄的大棚區(qū)、樹林區(qū)時(shí),常規(guī)可控震源因車身過寬無法實(shí)施作業(yè)。為此,東方地球物理公司專門研發(fā)了BV330小型震源,該震源車長8.05 m,車寬2.3 m,可滿足大部分狹小地形的通行作業(yè)。小型震源點(diǎn)的增設(shè),可進(jìn)一步提高了預(yù)案點(diǎn)位的均勻性、合理性。

1.3 井震動(dòng)態(tài)預(yù)案調(diào)整設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采集過程中,偶爾會(huì)遇到因惡劣天氣、百姓阻撓等不確定因素影響采集進(jìn)度,應(yīng)用井震動(dòng)態(tài)預(yù)案調(diào)整技術(shù)可有效降低影響程度,保證采集資料完整。為了實(shí)現(xiàn)井震動(dòng)態(tài)預(yù)案調(diào)整,要精細(xì)前期預(yù)案核實(shí)工作,詳細(xì)落實(shí)可控震源通行道路、敏感障礙物分布、協(xié)調(diào)困難區(qū)等關(guān)鍵信息,針對(duì)落實(shí)到的特殊障礙區(qū)、復(fù)雜農(nóng)田地表要提前設(shè)計(jì)兩套方案,便于隨時(shí)調(diào)整。方案一,在障礙區(qū)無法實(shí)施井炮采集時(shí),及時(shí)調(diào)用可控震源方案,通過在障礙區(qū)周邊增加可控震源點(diǎn)位來彌補(bǔ)井炮缺失的影響;方案二,因農(nóng)田區(qū)下雨導(dǎo)致可控震源無法進(jìn)行作業(yè)時(shí),及時(shí)調(diào)用井炮方案,由井炮代替可控震源,在確保最小破壞程度的情況下,進(jìn)行點(diǎn)位優(yōu)選布設(shè),補(bǔ)全資料缺失。

2 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù)

2.1 VPM可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)

可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)英文譯為Vibroseis Production Management System,簡稱VPM,該系統(tǒng)是基于激發(fā)控制軟件與數(shù)字電臺(tái)、4G網(wǎng)絡(luò)、自組網(wǎng)電臺(tái)等多種通訊實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)可控震源滑動(dòng)掃描、動(dòng)態(tài)掃描的高效生產(chǎn)組織管理系統(tǒng)[9]。其主要功能是與可控震源導(dǎo)航系統(tǒng)高度融合,配合節(jié)點(diǎn)儀器實(shí)現(xiàn)可控震源高效采集。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器采集系統(tǒng)之間的差別主要有以下幾點(diǎn):①通訊方式:傳統(tǒng)儀器只支持?jǐn)?shù)傳電臺(tái);VPM系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)傳電臺(tái)、公用網(wǎng)絡(luò)及自主網(wǎng)電臺(tái)。②激發(fā)控制方法:傳統(tǒng)儀器為輪詢-答復(fù)模式;VPM系統(tǒng)為多路直接應(yīng)答模式。③質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)量:傳統(tǒng)儀器只能提供PSS報(bào)告;VPM系統(tǒng)不僅可提供PSS報(bào)告,還具有COG無樁號(hào)施工的質(zhì)控、可控震源指標(biāo)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、無線任務(wù)分發(fā)、軌跡更新等功能。④高效采集:傳統(tǒng)儀器不支持動(dòng)態(tài)滑掃(包括滑動(dòng)掃描、DS3、DS4等,該技術(shù)是通過設(shè)計(jì)時(shí)間與空間的疊合關(guān)系,將交替、滑動(dòng)和距離同步滑動(dòng)三種掃描方式結(jié)合在一起,突破了以往只考慮時(shí)間域或空間域的局限,滑動(dòng)時(shí)間不再固定,滑動(dòng)時(shí)間隨距離變化而變化);VPM系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)滑掃,不僅既提高了效率,又最小化了噪聲的影響。圖1為動(dòng)態(tài)掃描示意圖。

圖1 動(dòng)態(tài)掃描示意圖Fig.1 Dynamic scanning diagram

2.2 SSC井炮分布式激發(fā)系統(tǒng)

分布式激發(fā)控制器英文譯為Separated Source Controller,簡稱SSC,該系統(tǒng)是基于高精度時(shí)鐘和授時(shí)技術(shù),控制井炮源按照主機(jī)下發(fā)的指令在指定時(shí)刻精準(zhǔn)起爆炮點(diǎn),并自動(dòng)生成包括激發(fā)位置、激發(fā)時(shí)間等信息文件的控制系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要用于井炮高效采集,其工作原理為爆炸機(jī)到點(diǎn)采集GPS坐標(biāo),再將采集GPS坐標(biāo)及爆炸機(jī)ID號(hào)的READY信號(hào)發(fā)送給編碼器,編碼器接收并傳發(fā)信息給SSC系統(tǒng),系統(tǒng)判斷GPS位置坐標(biāo)及炮排表對(duì)應(yīng)的炮點(diǎn)坐標(biāo)是否一致,如果判斷一致,向編碼器發(fā)出點(diǎn)火信息和F0信號(hào),編碼器收到點(diǎn)火命令后向爆炸機(jī)發(fā)出起爆指令。爆炸機(jī)起爆后將線號(hào)、點(diǎn)號(hào)、GPS位置、爆炸機(jī)ID及井口時(shí)間發(fā)送給系統(tǒng)。整個(gè)工作過程不需要人工干預(yù),減少了操作員人工點(diǎn)炮的時(shí)間。

2.3 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)

VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)是在可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)(VPM)的基礎(chǔ)上結(jié)合井炮分布式激發(fā)控制器(SSC)開發(fā)的一種施工方法。該系統(tǒng)集成了可控震源和井炮雙源激發(fā)控制,并支持源驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)掃描等高效采集方式。在井震雙源激發(fā)系統(tǒng)下,可為井炮設(shè)置時(shí)間-距離規(guī)則,實(shí)現(xiàn)井炮變間隔時(shí)間激發(fā)、遠(yuǎn)距離同步激發(fā),大幅度提高井炮采集效率。該系統(tǒng)的工作模式為由一臺(tái)VPM主機(jī)控制所有可控震源及SSC控制器,SSC控制器向下控制各爆炸機(jī),形成可控震源與井炮兩套激發(fā)系統(tǒng)?？煽卣鹪醋詭PS衛(wèi)星定位系統(tǒng),可將自身坐標(biāo)信息實(shí)時(shí)回傳至VPM主機(jī)上;井炮激發(fā)方面,為爆炸機(jī)配坐標(biāo)收集器,可將采集到的GPS信息發(fā)送至SSC控制器,SSC控制器再將坐標(biāo)信息通過自主網(wǎng)回傳至VPM主機(jī),因此,在VPM管理系統(tǒng)界面上可同時(shí)顯示可控震源及爆炸機(jī)的位置信息及采集進(jìn)度,便于生產(chǎn)指揮。操作人員可根據(jù)野外生產(chǎn)進(jìn)度及現(xiàn)場實(shí)際情況,隨時(shí)切換井炮與可控震源兩種激發(fā)系統(tǒng),切換無需等待時(shí)間。另外,系統(tǒng)默認(rèn)同一時(shí)間只能激活一種激發(fā)系統(tǒng),即可控震源進(jìn)行滑動(dòng)掃描的時(shí)候,井炮無法采集;井炮排隊(duì)采集的時(shí)候,可控震源同樣無法介入,這樣避免了井震重炮的問題。

VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了井炮與可控震源采集的高度融合,無論在哪種激發(fā)模式下,都可以實(shí)現(xiàn)井震瞬時(shí)切換,不僅將激發(fā)間隔智能優(yōu)化至最小,還提高了野外有效作業(yè)時(shí)間,真正做到了野外連續(xù)采集不間斷。圖2為VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)的工作原理圖。

圖2 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of VPM+SSC explosive-vibroseis combined dual source excitation system

3 實(shí)際應(yīng)用效果

2022年鄂爾多斯盆地NXX三維項(xiàng)目應(yīng)用井震聯(lián)合高精度預(yù)案設(shè)計(jì)、VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)等先進(jìn)技術(shù)取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 采集效率大幅提升

項(xiàng)目前期采用井炮源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加可控震源VPM激發(fā)系統(tǒng)實(shí)施采集,井炮單組的采集時(shí)效為180炮/時(shí),井炮的采集時(shí)間由早上7點(diǎn)開始,至下午4點(diǎn)完成當(dāng)日井炮采集任務(wù),時(shí)長約10 h;可控震源從下午5點(diǎn)開始采集,由于采集時(shí)間較晚,采集過程中受阻事件頻發(fā),至晚上9點(diǎn)采集工作被迫停止,全天采集日效約2 200炮/d。項(xiàng)目中期,應(yīng)用VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù),為井炮設(shè)置了T-D規(guī)則,提高了空間與時(shí)間的轉(zhuǎn)換利用率,井炮采集時(shí)效由以往的180炮/h提升至240炮/h,采集效率提升33%,井炮采集時(shí)間由以往的下午4點(diǎn)結(jié)束降至下午1點(diǎn)結(jié)束,總采集時(shí)長縮短3 h。另外,井炮采集過程中,遇到受阻或搬點(diǎn)影響連續(xù)作業(yè)時(shí),通過切換至可控震源采集系統(tǒng),避免了采集時(shí)間的浪費(fèi)。井炮的高效采集為可控震源爭取了更多的作業(yè)時(shí)間,不僅降低了可控震源夜間在村莊內(nèi)施工的幾率,同時(shí)也保證了障礙區(qū)的可控震源實(shí)施率。項(xiàng)目應(yīng)用VPM+SSC井震雙源激發(fā)技術(shù)后,采集日效提升至3 000炮/d,較以往提升36%。圖3為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維應(yīng)用源驅(qū)動(dòng)+VPM激發(fā)系統(tǒng)與VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)下的采集日效對(duì)比圖。

圖3 不同激發(fā)系統(tǒng)的采集日效對(duì)比圖Fig.3 Comparison of acquisition daily efficiency of different excitation systems

3.2 資料品質(zhì)得到有效保障

項(xiàng)目加大了可控震源點(diǎn)位的布設(shè),不僅提升了障礙區(qū)點(diǎn)位均勻性,還緩解了以往井炮實(shí)施難大的問題。對(duì)于一些存在不確定因素的區(qū)域設(shè)計(jì)了井、震兩套實(shí)施方案,便于隨時(shí)調(diào)整方案。精細(xì)的前期預(yù)案點(diǎn)位設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場預(yù)案調(diào)整,保證了項(xiàng)目預(yù)案高實(shí)施率,最終項(xiàng)目預(yù)案實(shí)施率達(dá)到了97.88%。通過不同偏移距覆蓋次數(shù)分析,淺層資料無缺失,中深層覆蓋次數(shù)分布均勻,全偏移距覆蓋次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)滿覆蓋的95%以上。圖4為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維采集點(diǎn)位分布圖,圖5為全偏移距下覆蓋次數(shù)分析圖。

圖4 NXX三維激發(fā)點(diǎn)位分布圖Fig.4 Distribution of NXX 3D shots

圖5 NXX三維覆蓋次數(shù)分析圖Fig.5 Analysis diagram of NXX 3D folds

均勻、有效的覆蓋次數(shù)使得最終資料品質(zhì)得到明顯改善,資料有效頻寬得到拓展,層間信息明顯豐富,復(fù)雜構(gòu)造的刻畫更加清晰,斷裂成像改善明顯。圖6為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維疊前時(shí)間偏移剖面,資料目的層反射形態(tài)清晰,層間信息豐富,延長組和石盒子組、太原組等地層可連續(xù)追蹤對(duì)比;深層成像效果好,地層間不整合接觸關(guān)系和構(gòu)造特征比較清晰。

圖6 NXX三維疊前時(shí)間偏移剖面Fig.6 NXX 3D prestack time migration profile

4 結(jié)論

通過本項(xiàng)目的研究與實(shí)施,對(duì)復(fù)雜黃土山地區(qū)井震聯(lián)合高效采集技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向,形成以下認(rèn)識(shí):

1)在復(fù)雜黃土山地區(qū)應(yīng)用井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計(jì)技術(shù)可以大幅度提升點(diǎn)位均勻性,實(shí)施過程中,通過井震動(dòng)態(tài)調(diào)整,可有效保證預(yù)案實(shí)施率。

2)應(yīng)用VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)井震高度融合、瞬時(shí)切換,通過設(shè)置T-D規(guī)則,可實(shí)現(xiàn)井炮與可控震源變間隔時(shí)間采集,有效提升采集效率。

3)相對(duì)于井炮激發(fā)方式,可控震源激發(fā)具有環(huán)保、安全、高效等優(yōu)勢(shì),在復(fù)雜黃土山地區(qū)加大可控震源的實(shí)施比例是項(xiàng)目提質(zhì)增效重要措施。