近年来, 多分量地震技术得到了快速发展^[1]。由于多波多分量地震采集记录了纵波、横波和转换波等多种地震波信息, 有利于解决油气藏更多的、单纯纵波不能解决的问题^[2]。而数字三分量检波器的出现, 大幅度降低了多分量地震数据的采集成本, 使得开展高分辨率和高信噪比多波多分量地震勘探成为现实^[3]。

国内外关于多分量地震勘探的研究很多。特别是关于数字三分量检波器的研制中, 前人根据数字和模拟检波器各自的特点, 进行了大量的采集试验对比工作, 并对三分量数字检波器的应用方法及效果进行了讨论^[4]。自塔河油田勘探开发以来, 经过了多轮单分量地震数据采集和高分辨率储层预测攻关研究。但迄今为止, 仍未能定量、客观地评估三分量地震数据的适用性及其在碳酸盐岩缝洞型储层精细刻画等方面的应用潜力和意义。本文利用塔河地区沙48井区的数据, 开展常规模拟与数字检波器数据的综合对比分析研究, 针对该地区深层缝洞型储层特点, 从信噪比、分辨率的角度, 综合评判常规三维与三分量三维(3D3C)地震数据精细刻画沙漠地区缝洞型碳酸盐岩储层的能力, 以论证三分量三维地震技术在该类探区应用的可行性和先进性。

塔河勘探区的地层缺失侏罗系中、上统, 上石炭统和志留—泥盆系、上奥陶统, 其它地质时代的地层基本上发育齐全。三叠系以上为陆相碎屑岩沉积, 石炭系为海陆交互相碎屑岩夹薄层灰岩, 奥陶系为海相碳酸盐岩。奥陶系碳酸盐岩经风化剥蚀而形成众多低幅度的风蚀残丘, 裂缝及溶蚀孔洞发育, 储层非均质性极强^[5]。在地震剖面上, 本区存在多个良好的波阻抗界面, 主要碳酸盐岩目的层地震波组为:

T₅⁶波组:石炭系巴楚组顶面反射, 表现为强振幅、低频率、长连续, 全区易于追踪对比, 是本区的标志波组。T₇⁴波组:中下奥陶系顶面反射, 表现为较强振幅、中—短连续, 具有削截、超覆特征, 由于奥陶系顶面碳酸盐岩受岩溶、构造裂缝的影响, 使该反射波振幅横向上变化较大。

奥陶系碳酸盐岩缝洞体作为该地区的主要油气产层, 由于其埋深较大, 且缝洞体的分布随机性较强以及缝洞体发育规模不一, 尤其是较小规模的缝洞相对难以识别, 为储层的准确预测带来了很大的困难, 因此通过改进地震采集方法并配套对应的处理解释工作实现碳酸盐岩储层缝洞发育带及缝洞体发育尺度的精确识别和预测, 对储层的开发具有重要意义。

2006年底, 在塔河沙48井区用单分量高精度(小面元)三维常规纵波模拟检波器采集了三维地震数据, 在其中一束线的位置用三分量数字检波器同时采集了三维三分量地震数据, 我们利用这些数据进行了常规3D地震数据与3D3C地震数据的对比试验。

如图 1所示, 工区布设高精度测线5束, 在第5束线同时进行3D3C数据采集。图 1中, 蓝线为炮线, 红线为检波线, 纵横向分别为大地坐标。

图 1(Fig. 1)

图 1 三维模拟与数字检波器采集工区范围

单分量模拟检波器是输出信号为模拟信号的传感装置, 具有体积较小、通过组合可较好压制地面噪声等特点, 但随着对地震勘探精度要求的不断提高, 常规模拟检波器在一定程度上已无法满足高分辨率、高信噪比、高保真度的要求。本文所涉及的模拟检波器采集的数据均为单分量(Z分量)数据。

随着高分辨率地震勘探的发展, 三分量数字勘探技术也在不断发展。与模拟单分量检波器相比, 在相同的野外施工条件下, 三分量数字检波器不仅能获得优于单分量模拟检波器的纵波数据, 同时还能获得良好的X, Y分量数据, 经过相关处理可以获得P-SV波和P-SH波数据^[6], 数据采集性价比高^[7]。由于三分量数字检波器采用单点、高密度、无组合接收方式, 信号主频相对较高, 高频段能量相对较强, 频带相对较宽, 因此分辨率相对较高^[8]; 同时, 三分量数字检波器保真度高、畸变低、动态范围大, 具有极高的向量保真度, 不受外界电磁信号的干扰^[9]。采用三分量数字检波器采集的X, Y, Z三分量数据, 经过有效的处理解释, 可充分利用纵、横波联合勘探获得更丰富的地下信息, 并利用横波弥补某些地区纵波勘探无法得到好的记录的问题, 对许多复杂油气藏具有常规纵波不可比拟的优越性^[10]。但由于三分量数字检波器采用无野外组合的单检波器接收方式, 干扰波没有得到有效压制, 因此在单炮记录上干扰明显比模拟检波器强, 信噪比较低, 增加了室内压噪处理的难度^[11-12]。

前人关于数字检波器和模拟检波器的研究较多^[13-14], 本文仅从数据的野外地震采集和后期处理解释结果两方法进行比较(比较对象主要为两种检波器采集的Z分量纵波数据), 而且纵波数据是通过相同的处理环节得到, 不同点是三分量数据的纵波数据是通过波场分离除去了横波信息得到, 而单分量数据并没有进行波场分离处理。

选择相同炮点激发, 接收物理点最接近的单分量模拟检波器与三分量数字检波器单炮记录进行特征分析。图 2、图 3均是来自于单分量第682炮, 三分量第2炮, 排列中各物理点的Y坐标相同, X坐标相差100 m, 单分量道号为2 107~2 279, 三分量道号为2 703~2 875, 共172道。

图 2(Fig. 2)

图 2 模拟检波器Z分量(a)与数字检波器Z分量(b)单炮记录

图 3(Fig. 3)

图 3 模拟检波器与数字检波器Z分量的有效反射波对比 a模拟检波器Z分量有效反射段(左)的F-K谱(中)与频谱(右); b数字检波器Z分量有效反射段(左)的F-K谱(中)与频谱(右)

图 2所示为单分量模拟检波器采集的Z分量数据的单炮记录与三分量数字检波器采集的Z分量数据的单炮记录对比。从图 2中可以看到:①常规纵波数据的信噪比明显高于三分量数据的信噪比, 这是由于高密度采集与三分量采集的道间距相同, 单分量纵波通过野外检波器的组合压制了随机噪声和面波^[15], 获得了信噪比好于三分量单检波器接收的信号; ②在单分量纵波炮记录上可以看到明显的地下层位反射双曲线, 而Z分量基本淹没在噪声中。除了检波器组合的影响, 检波器类型的差异可能也是影响因素之一^{[2, 9]}。

为进一步量化分析模拟检波器Z分量与数字检波器Z分量的差异, 如图 3所示, 我们对有效反射波出现的窗口进行信号的频谱与F-K分析。从图 3a与图 3b对比可以看到:①二者主频差异不明显, 几乎相同; ②数字检波器Z分量具有明显宽于模拟检波器Z分量的频带, 这是检波器组合叠加损失频带的必然。例如, 以30 dB为对比基线, 模拟检波器Z分量的频宽为50 Hz, 而数字检波器Z分量的频宽可达75 Hz。但从F-K谱上可以看到:①Z分量的宽频并非都是有意义的, 模拟检波器Z分量有效频宽为10~30 Hz, 而数字检波器Z分量的有效频宽为10~45 Hz; ②高于50 Hz以上的Z分量信号主要是随机噪声; ③通过两者Z分量有效频宽的对比, 说明该地区的目的层反射波主要分布在10~50 Hz频带, 再高的频带没有意义。通过上述的分析可以得出认识:在后续的三分量处理中如何有效的保护10~50 Hz的频谱信号是实现三分量处理的关键。

单分量数据和三分量数据均采用了面元为15 m×15 m的观测系统, 覆盖次数均为320次, 从而保证了数据资料的一致性。

两种数据通过完全相同的处理环节得到。图 4为3D3C数据处理流程(常规3D数据处理没有波场分离环节)。

图 4(Fig. 4)

图 4 塔河油田3D3C数据处理流程

图 5与图 6为从处理后的三维数据体中抽取的过井叠前时间偏移剖面, 图 5a和图 6a对应三分量纵波剖面, 而图 5b和图 6b对应单分量纵波剖面(近似为只接收了纵波信息, 未做波场分离处理)。由T₇⁴波组特征及串珠状反射可以看出:①单分量纵波的剖面信噪比高于三分量纵波, 子波波形整齐, 缝洞体的串珠状反射特征明显; ②三分量纵波剖面信噪比相对较低, 子波波形不规则, 相位变化明显, 但也存在与单分量纵波相同的串珠状反射, 但能量聚焦程度稍差, 边界没有单分量纵波的清晰; ③上述变化可以认为是子波及其频谱的影响, 由图 5可以得到证明。若在处理中增加子波整形或反褶积处理, 可以进一步改善三分量纵波的处理效果。但经过叠后修饰性处理在提高三分量纵波信噪比的同时, 明显会带来频带的损伤和串珠状反射的弱化, 即叠后的去噪过程降低了三分量信号的分辨率和保幅性、保矢量特征, 因此, 从后续井震联合反演的角度考虑, 一般不采用偏移后去噪的数据体, 对于转换波剖面也存在类似的问题^[16]。

图 5(Fig. 5)

图 5 某联井线叠前时间偏移奥陶系灰岩顶反射特征对比 a三分量纵波; b单分量纵波

图 6(Fig. 6)

图 6 某线叠前时间偏移奥陶系灰岩顶反射特征对比 a三分量纵波; b单分量纵波

图 7为单分量与三分量纵波叠加剖面的频谱特征对比, 可以看出, 尽管二者的主频相差不多, 均为30 Hz, 但单分量纵波的频带宽度只有不到60 Hz, 而三分量纵波的频带宽度高达80 Hz。这主要是由于三分量采集使用了单点无组合采集, 经过室内处理、压制面波等技术^[17]保证了三分量地震数据可以具有相对较好的频谱宽度, 且采取了保幅处理技术。因此, 从剖面特征上看尽管三分量纵波的信噪比低于单分量纵波, 但由于其频带宽度较大, 因而具有更明显的解释反演优势。

图 7(Fig. 7)

图 7 单分量纵波(a)与三分量纵波(b)的频谱特征

在塔河地区的碳酸盐岩缝洞型储层勘探中, 地震处理结果较好的地震剖面主要表现为串珠反射地震特征^[18-19]。图 8为三分量纵波和单分量纵波串珠成像效果对比, 分别截取了单分量数据体和三分量数据体相同位置的连井剖面, 并以数字标定明显的串珠反射地震特征(所标定的串珠状地震反射已由相应井位证明确实为溶蚀孔洞)。由图可见, 在识别孔洞的重合率的方面, 两种数据表现出很高的一致性; 从识别孔洞的数量上来看, 三分量纵波识别数量较多, 表现了较好的横向分辨率, 虽然部分缝洞反射能量较弱, 如2号、5号、6号、10号和11号反射特征, 但单分量纵波剖面上的串珠反射能量更强, 孔洞的边界更清晰(见图 8b), 这主要是因为检波器组合增强有效反射的能量。统计结果如表 1所示。

图 8(Fig. 8)

图 8 三分量(a)与单分量(b)纵波串珠成像效果对比

表 1(Tab. 1)

表 1 单分量与三分量纵波溶蚀孔洞成像效果对比 地震数据 识别孔洞数量 溶蚀孔洞特征 孔洞反射能量 孔洞边界清晰度 同一孔洞的大小对比 三分量纵波识别与单分量识别重合率 三分量纵波 14 弱 一般 纵向延伸较短，横向较长   三分量纵波剖面共识别14个孔洞，与单分量纵波识别重合率达到100%，即单分量纵波能识别的孔洞，三分量纵波同样可以识别；同时数量上要比单分量多 单分量纵波 12 强 清晰 纵向延伸较长，横向较短

表 1 单分量与三分量纵波溶蚀孔洞成像效果对比

将处理后的两种数据体加载到地震解释系统中, 尝试利用各种地震属性来表征碳酸盐岩溶蚀孔洞, 并与传统单分量地震缝洞成像效果对比, 最终选取了谱分解来表征孔洞特征, 特别是谱分解15 Hz的结果对溶蚀孔洞的识别效果最好(图 9、图 10), 识别孔洞的数量大大增加。

图 9(Fig. 9)

图 9 单分量纵波15 Hz谱分解剖面

图 10(Fig. 10)

图 10 三分量纵波15 Hz谱分解剖面

两种地震数据的谱分解剖面在识别溶蚀孔洞的数量及清晰度方面表现出很高的一致性, 且相比于原地震剖面都有大幅度的提高。三分量纵波剖面识别孔洞数量较多, 但是单分量纵波剖面中孔洞的能量更强, 孔洞的边界更清晰, 统计结果见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 单分量与三分量纵波谱分解效果对比 地震数据 识别孔洞数量 溶蚀孔洞特征 孔洞反射能量 孔洞边界清晰度 同一孔洞的大小对比 单分量与三分量纵波识别重合率 三分量纵波 28 强 清晰 纵向延伸较短，横向较长   三分量纵波剖面共识别28个孔洞，与单分量识别重合率100% 单分量纵波 21 强 清晰 纵向延伸较长，横向较短

表 2 单分量与三分量纵波谱分解效果对比

通过三分量地震信号的对比分析, 发现三分量地震信号中的纵波具有高于单分量纵波的主频和频道宽度, 有利于高分辨率勘探, 即该研究区的三分量地震数据采集是可靠的, 且具有信号频带上的优势, 但三分量地震的信噪比低于单分量纵波, 经过室内处理技术的攻关, 三分量地震可以获得相对较好的处理效果。单分量与三分量纵波对于洞体有类似的成像效果, 其中单分量纵波善于识别窄而长的洞体; 而三分量纵波善于识别宽而短的溶蚀孔洞, 尤其对于较小的溶蚀孔洞有好的识别效果。数量上单分量纵波识别的洞体个数稍少于三分量纵波。综合以上结论可以说明三分量地震纵波成像可以满足缝洞体串珠状反射识别的需要。

由于三分量采集信噪比较低, 所以偏移处理后剖面在溶蚀孔洞的成像能量强度上与常规纵波相比稍有欠缺; 但是三分量数据的频带较宽, 通过谱分解方法更有利于识别小规模(隐蔽)溶蚀孔洞, 而单分量数据由于频带限制无法达到三分量数据对于小规模(隐蔽)溶蚀孔洞的识别效果。