2. 中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司, 河北 任丘 062552;
3. 中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司, 甘肃 酒泉 735019
2. Huabei Oilfield Company, PetroChina, Renqiu 062552, China;
3. Yumen Oilfield Company, PetroChina, Jiuquan 735019, China
21世纪以来, 我国陆上油气勘探的重点迅速向复杂构造、地层岩性、碳酸盐岩和非常规储层4个领域转移[1-2]。地震勘探技术面临三方面的突出难题:一是储层薄而破碎, 微小断裂发育, 对地震资料的纵向、横向分辨率要求越来越高; 二是地表类型日趋复杂, 包括山地、沙漠、黄土塬、城区、水网区、油田开发设施分布区等, 构成了地震数据采集工程实施的巨大障碍, 同时又产生能量很强的干扰源, 提高地震资料信噪比的难度越来越大; 三是地层、岩性和断块油气藏的勘探目标不断受到重视, 对地震资料的保真度提出了更高要求[1-3]。针对这些难题及其技术需求, 近年来在学习国外物探新方法的基础上, 国内逐步发展和推广应用了“两宽一高”(宽方位、宽频带和高密度)地震勘探技术。通过该项技术的应用, 国内多个工区的地震资料品质有了大幅度提升[4-5]。
与传统的三维地震勘探技术相比, “两宽一高”地震勘探技术具有更宽的接收方位角、更宽的信号频带和更高的激发接收密度, 即在野外采用更宽频带、单点(或小组合)激发和接收, 对地震波场进行密集空间采样和宽方位或全方位观测, 在室内通过后续的信号处理较好地解决噪声压制的难题, 利用地震数据的“两宽一高”的特点在叠前偏移成像时提高资料的信噪比、分辨率和保真度[4, 6]。经过十几年的发展, “两宽一高”地震勘探技术成为一种综合性的地震采集、处理、解释技术系统, 主要包括了地震勘探采集方法设计、宽频激发和接收设备、野外高效采集的工业化实现[7]、室内资料处理与资料综合研究等配套技术系列。近十年来国内的陆上“两宽一高”地震勘探技术得到了广泛的推广应用, 在多个工区取得了很好的勘探效果[4]。
1 技术方法“两宽一高”地震数据采集观测系统基于充分、均匀、对称采样的理念, 趋向于使用宽频、单点的激发和接收、全方位、高密度、线点距相等的地震观测系统, 以得到高信噪比、高分辨率和高保真的地震成像结果。
1.1 宽频激发和接收为了提高地震资料的分辨率, 野外地震资料采集尽量采用单点激发和接收。为了拓宽地震资料频带, 趋向于采用比以往更宽频带的激发和接收。宽频激发的需求推动了可控震源技术的快速发展, 特别是近几年研制和发展了低频可控震源(LFV3)以及高精度可控震源(EV56)等, 它们实现了可控震源的宽频激发, 在低频段激发频率从以往的6~8Hz拓展到了1.5Hz, 高频段也从以往的70~90Hz提高到了160Hz, 实现了超过6个倍频程的宽频激发。可控震源技术的发展为“两宽一高”的宽频激发提供了保障[5, 8-9]。在实现宽频激发的同时, 宽频检波器技术也发展迅速。模拟检波器在宽频、高灵敏度、高精度等方面有新的进展, 数字检波器在低噪声、低功耗、低成本、小体积等方面有新的突破。单只的高精度模拟检波器(节点检波器)得到了高度重视, 少数探区已经实现了节点检波器单点接收的全面应用, 大多数探区都在积极探索节点检波器的应用技术[10]。
1.2 地震采集观测系统设计在地震波场“充分、均匀、对称”空间采样理念的指导下, 兼顾技术的经济性, 通过大量实际资料试验分析和实践验证, 形成了一些行之有效的观测系统关键参数的设计方法。
1.2.1 相干噪声无假频检波在高密度地震数据采集时, 要求野外采用较小面元观测, 保证地震有效波场和噪声波场进行充分采样, 从而达到在室内地震数据处理时实现信噪较好分离, 最大限度地压制噪声、保护有效波的目的。但是, 要想对噪声波场充分采样, 必须选取很小的空间采样间隔(道距或面元), 这需要很高的勘探成本。为了节约成本, 在实际生产中采用了相干噪声无假频检波技术。相干噪声无假频检波是采用合适大小的检波点间距使相干噪声f-k谱与有效波期望频率范围在波数域不发生混叠。也就是说, 设计的检波点间距(或者说面元)可以稍微大一些, 大到相干噪声可以产生空间假频, 但相干噪声产生的空间假频在f-k谱与有效波的f-k谱不重叠。这样在室内处理时比较容易去除相干噪声, 而不伤害有效信号[11-12]。
1.2.2 基于波动照明分析的观测系统优化地震照明分析是定量描述反射地震探测能力的一种有效方法。基于地震波动方程的“双向照明”分析可以灵活地在特定的正演模型条件下生成三维地下照明能量数据体, 这种照明能量数据体可以是单炮某种特定接收排列的, 也可以是三维工区某个观测系统子集的。通过分析照明能量数据体, 可以在地表特定区域加密或抽稀激发和接收提高地下照明的均匀性, 也可以经济地选择横向、纵向炮检距等观测系统参数, 实现优化观测系统的目的。
1.2.3 基于原始单炮信噪比的覆盖密度设计覆盖密度是评价“两宽一高”三维地震勘探观测系统的重要参数, 相对于以往的覆盖次数设计, “两宽一高”在强调覆盖次数设计的同时更加强调单位面积的地震道量即覆盖密度的概念。
覆盖次数是指CMP面元内按炮检中心点统计的地震道数, 而覆盖密度是指单位面积内的按炮检中心点统计的地震道数(一般以每平方公里计)。讨论覆盖次数的大小和均匀性实际是以叠加成像和叠后偏移成像为目的。覆盖次数与CMP面元直接相关, 同样的采集密度处理面元不同覆盖次数就不同, 横向对比时需要说明面元大小, 否则易混淆。而覆盖密度是单位面积内的地震道数, 不会混淆。现代地震勘探采集处理都以改善叠前深度偏移成像为目的, 决定成像质量最主要的采集因素是覆盖密度和单道信噪比。
如果认为地震数据在叠加成像时干扰波表现为“随机干扰”的特性, 将按照统计特性来压制干扰波。叠加剖面的信噪比等于覆盖次数的平方根与叠前数据信噪比的乘积。叠前偏移可以理解为偏移孔径内的地震道依据波场传播规律或者说旅行时重新排列后的叠加。如果认为在速度场准确时有效波都得到准确归位、干扰波表现“随机干扰”特性, 那么叠前偏移剖面的信噪比正比于偏移孔径内的地震道数的平方根。因为偏移孔径内的地震道数就是覆盖密度乘以偏移孔径面积, 所以叠前偏移剖面的信噪比正比于覆盖密度的平方根。当地震采集任务确定以后, 期望的剖面信噪比也随之固定, 可以根据当地的单炮信噪比计算需要的覆盖密度[1, 13]。实际工作中叠加剖面或者单炮记录的信噪比很难准确求出。依据统计性原理叠前偏移剖面的信噪比正比于覆盖密度的平方根, 在采集设计中, 可以依据老地震资料或者借鉴类似工区的地震资料, 确定叠前偏移剖面或叠加剖面信噪比需要提高的倍数, 从而确定覆盖密度参数。
1.2.4 基于叠前偏移子波均匀性的观测系统设计陆上地震采集由于成本的原因, 往往难以达到均匀、对称采样的要求, 例如排列的横纵比往往小于1.0、炮点线距明显大于炮点间距、检波线距明显大于检波点距等, 这种空间采样的不均匀性通常表现为叠加剖面或偏移剖面的振幅切片上出现条带状痕迹, 也称为“采集脚印”。通过研究偏移子波的均匀性, 在三维正演模拟数据上对地震观测系统的均匀性作出评价, 可为野外实际地震观测系统设计提供参考依据[3]。
基于叠前偏移子波均匀性的观测参数设计方法是对观测系统的模拟叠前地震数据进行积分法叠前偏移, 获取每一个面元的模拟偏移子波, 对其主瓣峰值(以下称最大振幅)、旁瓣扰动能量(以下称偏移噪声)等特征值进行分析评价, 从而为横纵比(三维观测系统横向偏移距与纵向偏移距之比)、激发接收线距、点距等参数的选择提供依据。
为了量化分析偏移子波特征与观测系统属性的关系, 定义偏移成像质量的评价指标振幅离散度(δA)和偏移噪声(Nm):
$ \delta_{A}=\frac{A_{\max }-A_{\min }}{A_{\mathrm{a}}} $ | (1) |
$ N_{\mathrm{m}}=20 \times \log \frac{A_{\mathrm{rms}}}{A_{\mathrm{main}}} $ | (2) |
式中:Amax为最大振幅; Amin为最小振幅; Aa为平均振幅; Arms为噪声的均方根振幅; Amain为信号主瓣振幅。δA、Amax、Amin和Aa均采用时间域振幅切片上的真值。
振幅离散度和偏移噪声的横向分布规律直观地反映了采集观测系统的均匀性。通过分析目的层段的振幅离散度和偏移噪声平面图, 反过来优化观测系统, 以提高空间采样的均匀性[3, 8-9]。
1.3 高效采集技术“两宽一高”地震勘探技术的实施使得激发点数、接收点数呈数倍地增加, 因而采集环节需要设备多、施工组织复杂、数据量大, 相应的采集成本与常规三维相比也成倍上升, 技术的经济实用性受到巨大挑战[5]。地震高效采集从技术上保障了“两宽一高”经济可行。
1.3.1 可控震源高效采集技术20世纪末国外已在研究可控震源高效采集技术, 先后推出了交替扫描(flip-flop sweep)和滑动扫描(slip sweep)等技术, 实现了多组震源在时间序列上无缝衔接或部分重叠激发, 从而提升了采集激发效率。随着生产效率需求的提高, 一些更加高效的可控震源激发方法被提出, 如利用地震数据空间上的分布特点和差异, 采用多空间位置的可控震源时间域重叠激发, 来实现相对更加高效的可控震源激发等。
目前业界在综合研究了多种高效采集技术的基础上, 发展并实现了可控震源动态扫描技术, 即通过设计时间与空间的叠合关系——T-D关系曲线(图 1), 将交替扫描、滑动扫描(等间隔滑扫和变间隔滑扫)和距离同步扫描(DSSS, 即在震源距离足够远时采用同步扫描)3种扫描方式结合在一起应用, 不再是以往的单一固定扫描方式, 而是在3种扫描方式之间自动切换[5, 14-15]。该技术突破了以往只考虑时间域或空间域的局限, 同时考虑以时间换空间和以空间换时间的施工方法, 既提高了效率, 又最小化了高效采集带来的噪声影响, 特别适用于我国三维勘探面积小、地表条件相对复杂的情况[10-11, 13]。
虽然可控震源高效采集技术发展迅速, 但受陆上复杂地表条件的限制, 井炮炸药激发仍是很多工区采用的主要激发方式。因此, 开发了一种适用于全地形的井炮高效采集技术系统, 综合应用北斗通讯技术、GPS授时技术、信号还原技术、时间槽控制技术等研制了包括北斗指挥系统(北斗指挥机、北斗接收机、爆炸组手持机)和独立激发控制器等在内的新设备, 实现了井炮的井口位置精确导航、爆炸机自主激发、仪器持续记录等高效采集方法, 可实现每6~8s激发一炮, 大幅度提高了野外的作业效率[16-17]。
1.4 实时监控与管理技术 1.4.1 数字化作业指挥系统高效采集技术投入施工设备多, 同步作业区域范围大、可控震源组数多、高效激发方式多样, 尤其在地表障碍物复杂区域, 传统的施工方式(炮点地面放样、仪器操作人员通过电台语声指挥生产)已不能适应高效采集生产的需要。因此, 要保持高效的野外生产组织, 必须有一套高度自动化、简单易操作的野外采集管理系统[16]。目前国内实施的高密度地震数据采集都使用了一套脱离了地震记录系统的独立的野外地震作业管理系统。这套系统以高速数据链系统为通讯载体实现了可控震源高效采集作业所需的智能导航、用户定制高效激发、实时生产任务分配和管理等技术功能。该系统以可控震源导航、激发和作业管理为中心, 涵盖了野外地震采集生产的各个环节, 避免了可控震源高效采集依赖地震记录仪器且不能实时进行作业任务分配的技术缺点, 具备管控30组以上可控震源协同作业能力, 大幅降低了作业设备和人员的投入, 缩短了待工时间, 提高了生产效率, 实现了数字化、智能化的可控震源高效作业管理[5, 16-17]。
1.4.2 实时质量监控技术随着技术的发展, “两宽一高”采集道数越来越多, 在国内已经达到了5.0×104道/炮, 国际上已经开始采用超过了1.0×105道/炮采集, 每天的采集炮数超过万炮, 超大道数高效采集对数据质量实时质控提出了新挑战。对海量数据的现场快速分析、对影响采集数据质量的关键因素进行实时质控是高效采集必须具备的关键技术。为此, 研究和开发了地震采集实时质量监控技术和软件。该技术通过网络(有线和无线)连接地震记录仪器及相关采集设备, 实时获取地震采集数据及相关装备的状态数据, 通过对这些数据的自动分析, 及时发现地震采集存在的质量问题, 并主动提示操作人员进行补炮和设备更换等。主要的实时质量监控内容有:激发能量、频率监控、辅助道监控、采集参数监控、噪声道监控、掉排列监控、单炮初至时间监控等等。经过几年的研究和应用, 国内部分野外采集队伍具备了2.0×105道采集实时质控能力, 实现了对高效采集地震单炮数据质量、采集设备工作状态的实时监控[17-18]。
1.5 针对性资料处理技术“两宽一高”地震数据含有丰富的波场信息, 有利于提高复杂地质体的成像精度和对岩性油气藏的识别准确性。但高效采集所特有的混叠噪声的压制、宽方位波场信息的处理与提取等都需要针对性的处理技术[18]。
可控震源高效采集的混叠噪声主要有谐波干扰和邻炮干扰两类。这些噪声使得单炮记录信噪比很低。通过单个或组合应用模型法、滤波法、稀疏反演法等谐波干扰压制技术可以有效压制谐波干扰; 通过变系数矢量中值滤波邻炮干扰压制技术可以有效压制邻炮干扰。通过针对性的压制混叠噪声可以大幅度提高地震资料的信噪比[19-22]。
为了保护、处理和提取宽方位波场信息也需要使用针对性的处理技术。高保真叠前五维数据规则化与插值技术, 可以进一步提高数据空间采样的均匀性以更好地满足后续的叠前偏移成像的需求。使用OVT域叠前时间、深度偏移可以输出含有“五维”信息的CRP道集。它在常规偏移后CRP道集的共中心点平面位置(In-line和Cross-line)、时间或深度、标量炮检距4个维度信息基础上, 增加了方位角信息。增加方位角信息的五维CRP道集可用于方位各向异性分析、速度建模、裂缝预测、油气检测等[4, 6], 可以大幅度地增强地震勘探对隐蔽性油气藏的探测能力。
2 应用效果及实例 2.1 技术应用情况据不完全统计, 截止2017年底, “两宽一高”技术已经在国内外实施勘探项目369个, 面积1.73×105km2。其中, 国内实施项目294个, 应用面积35894km2; 国际实施项目121个, 面积137207km2。
随着该技术的推广应用, 国内三维地震采集的空间采样密度持续提高。我们统计了2009—2017年国内西部探区45个三维项目的覆盖密度和接收点检波器组合个数的变化情况, 结果如图 2所示, 图中红色曲线为覆盖密度统计曲线, 可以看出, 2009—2017年覆盖密度存在逐渐升高的趋势。2010年, 主要覆盖密度基本都在1.0×106道/km2以下, 到了2017年已达到5.0×106道/km2以上。相应的接收点检波器组合个数在下降, 2010年基本在20个检波器以上, 2016—2017年开始出现单点检波器接收的情况。从单个三维项目的接收道数看, 随着覆盖密度的提高, 地震队配备的仪器地震道数也在快速增加, 我们统计了2010—2017年国内西部探区的35个三维采集项目采集仪器配备道数如图 3所示。图 3中三维采集项目按施工先后从左到右排序, 可以看出, 在2013年之前地震队配备的仪器道数一般不超过2.0×104道, 到2017年后有的采集道数已经超过了6.0×104道。
西部KLS地区三维工区处于青藏高原的北缘, 是典型的逆冲断裂发育背景下的复杂山地, 地表最高海拔达到4580m。在该地区部署三维的目的是:①通过叠前时间和叠前深度偏移处理, 分析确定KLS地区构造形态和各套地层展布状况, 查明KLS地区构造带样式, 落实有利拓展目标; ②通过处理技术攻关, 改善大倾角地层的地震成像质量, 使得逆冲断裂成像清楚, 资料信噪比得到提高, 偏移归位准确, 小断层清楚, 各套目的层反射特征清楚, 横向可追踪对比, 以满足构造解释需求。
由于工区自然条件恶劣, 地震地质条件苛刻, 2002年完成的三维地震勘探试验未能取得预期效果, 后经多次论证, 但一直未能实施新一轮三维地震勘探。随着“两宽一高”技术的发展, 2017年在该区重新部署了三维地震勘探项目, 通过实施井炮高效采集、节点仪器接收、高密度宽方位观测等技术(观测参数见表 1), 地震资料成像品质获得极大提高(图 4)。从图 4可以看出, 与以往普通三维资料相比, 新采集的“两宽一高”三维地震资料经过叠前偏移成像处理, 南倾的逆冲断层主断面成像清晰, 断层下盘地层成像完整, 基底反射信息较好, 断层夹片及下伏地层的成像也较清楚。
在我国东部的松辽盆地和渤海湾盆地大部分地区, 深层勘探、潜山勘探、精细勘探已成为勘探的主要方向。2017年在廊坊和天津交界地区部署了超过300km2的地震勘探项目。该项目以落实YSW潜山和SCD潜山构造为主要目的, 同时探索武清凹陷古近系岩性圈闭及河西务断层上升盘多层系复杂断块构造。
地震采集人员通过实时、交互、仿真模拟施工过程优化、城镇区节点与有线仪器联合采集、可控震源与井炮联合激发等多项技术的应用实现了在东部经济发达地区的“两宽一高”地震采集。本工区中农田村庄区CMP面元覆盖次数可以到达500次以上, 廊坊城区的CMP面元覆盖次数超过1000次; SCD潜山横纵比达到0.70, YSW潜山横纵比达到0.88。该地区新、老三维采集的关键参数见表 2。
图 5为YSW地区以往普通三维剖面和新采集的过廊坊城区的“两宽一高”三维地震剖面。对比图 5a和图 5b可以看出, 新资料信噪比高, 成像效果好, 波组特征清楚, 横向分辨率高。
随着“两宽一高”技术的发展, 单个项目投入的地震采集道数越来越多, 一个三维项目投入(3~4)×104道已成为常态, 有的甚至超过2.0×105道。随着地震道数的增加, 有线检波器笨重、复杂地形铺设困难、查线时间长、大道数排列易中断等不足日益明显, 油公司和服务商都希望能采用更灵活、更轻便的检波器。近年来, 节点检波器得到了快速发展, 节点检波器具有小巧轻便、可扩展性强、布设灵活、无等待时间等优点。节点检波器不仅能独立使用, 还能和有线检波器混合使用, 投入应用后受到了用户欢迎。随着技术的日益成熟, 节点检波器所占的比例将会越来越高。多种检波器联合采集可能会成为未来几年的主要趋势[5]。
3.2 智能化技术应用地震勘探与人工智能、机器人、现代通信等技术结合是新一代地震勘探技术的主要发展方向[1, 10, 16]。地震勘探在经历了光点、模拟、数字化发展时代之后, 可能要进入智能化时代, 智能化地震勘探将具备以下特点:项目事前仿真; 经营情况可准确预知; 过程自动优化; 核心装备“机器人”化; 装备、人员、设备物资等全面实现互联; 作业工序的集成化和一体化等。该技术的应用将大大缓解“两宽一高”采集技术的经济困境, 进一步提高地震采集的资料密度和施工效率。
3.3 超高效采集技术“两宽一高”三维地震采集技术需要采集大量的野外数据, 根据以往经验, 覆盖密度越高成像效果越好[1, 5, 10]。要想取得更好的成像结果, 势必会要求成像数据不断增加, 同时作为一项工程技术, 又会受成本的约束。尽管最近几年高效采集技术发展迅速, 但仍然满足不了勘探家对地震资料品质的期望和降低成本的要求。因此, 超高效混叠采集一直是研究的一个重要方向[23]。经过近3年的研究和试验, 2017年成功实现了超高效混叠采集技术的工业化生产, 该技术采用可控震源作为激发源, 其采集效率相对于以往的滑动扫描、距离同步扫描等技术可以成倍提高。2018年该技术在阿曼实现了42826炮/天的陆上最高效率采集。
3.4 压缩感知(CS)空间随机采样技术压缩感知理论(compressed sensing, CS)突破了传统奈奎斯特-香农采样定律的限制, 仅用不完备(远低于奈奎斯特-香农采样率)的测量即可高精度地重构未知目标。该技术主要包括:随机采集(炮点、检波点的随机分布)、目标的稀疏表达和稀疏约束优化重构算法[24]。简单地说, 就是通过随机空间域的随机采样, 可以在野外采集较少数据的情况下, 通过数据重构实现与高密度采样相接近的勘探效果。目前国际上及国内都有大批学者和机构在研究该项技术, 甚至有部分油气公司已经开始做采集试验工作, 国外已有公司开展了实际的资料采集试验[25], 国内中石油和中石化也开展了相关方法的研究和试验。该项技术如果能走向工业化应用, 将对减少野外采集工作量、提高成像精度等产生深远影响。
4 结束语由于配套技术系列的发展, 相对于以往的常规地震勘探, 国内陆上“两宽一高”地震勘探技术通过更宽频带、单点或小组合激发和接收、宽方位观测、更高密度激发和接收点布设, 实现了对地震波场更加丰富、充分的采样。可控震源及井炮高效采集技术的进步保障了该技术的经济可行, 切实推动了该项技术的推广应用。配套的资料处理技术的发展提高了“两宽一高”高效采集数据的信噪比、保真度和成像精度, 在最终地震成像阶段体现出了勘探效果。该项技术近年来发展和推广应用很快, 资料密度越来越高, 地震成像资料品质大幅度提升。未来的地震资料采集将向更高密度、更高效率和智能化方向发展; 地震资料处理解释技术将围绕提高高密度海量地震数据的处理效率、低信噪比数据的噪声压制、提高偏移成像精度和提取丰富的波场和地质信息等主题研究和发展。
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