应用反射地震方法获取地下地质结构及储层含油气特征是油气勘探过程中最重要的手段之一, 包括地震采集、地震资料处理和地震解释3个子过程。但是, 对地下地质结构的客观观测和对储层的预测描述受诸多因素影响, 概括为4个方面:①近地表结构对地震波传播的影响, 复杂近地表结构导致了波场的复杂性, 降低了地震采集资料的信噪比^[1-2]; ②有限的经济投入导致观测系统布设的非充分性及采集数据体非完整性; ③低信噪比资料条件下, 地下构造的复杂程度对地震速度估计与偏移成像精度的影响^[2]; ④储层及储层含油气性的变化对油气预测准确度的影响。这些影响, 很大程度上源自地震采集工作, 尤其是地震采集观测系统设计研究, 一方面, 相对于地震资料处理和解释, 地震采集具有成本高和不可重复的特点; 另一方面, 观测系统设计与优化的目标是针对地震地质条件的复杂性, 获得消除或改善这些影响的条件与潜力, 并有效降低地震采集成本, 提高地震采集资料品质; 高品质的野外地震资料是地震资料处理和解释的基础。

基于模型的地震照明分析是地震采集观测系统设计中的一项关键技术。该技术的发展总体上经历了从简单二维水平层状介质模型到非均匀全三维模型; 由简单射线、高斯射线束到单程波方程、全波动方程模拟; 由采用CMP覆盖次数、CRP覆盖次数描述到照明能量描述等过程。20世纪90年代以前, 地震采集观测系统设计一般基于均匀速度场、水平反射层和对称地震射线等假设, 地震照明采用CMP覆盖次数描述; 20世纪90年代后期, 单程波方程地震照明方法^[3-4]、全波方程地震照明方法^[5-7]、高斯射线束地震照明方法^[8]等被逐步引入地震采集观测系统设计中, 基于非均匀介质全三维模型地震照明技术及基于目的层面元的CDP/CRP覆盖次数、照明能量等参数描述, 已成为地震采集观测系统设计、评价和优化的主要方法。对于一个已知的地震地质-物理模型, 地震照明为确定的观测系统提供了对地下地质目标观测能力的定量评价方法和优化依据。目前, 地震照明方法被开发成为软件模块, 如中国石化iSeisMountain软件实现了基于三维模型的目的层向炮检点照明的功能, 为解决观测系统设计中弱照明问题及设计的优化提供了工具和技术支撑。

更多的学者关注地震照明技术在地震采集观测系统设计中的具体应用:董良国等^[9]讨论了针对逆掩推覆构造的地震波照明与观测系统优化; 朱金平等^[10]研究了面向地下给定的目标地质体, 通过目的层向地表炮检点的照明, 实现观测系统设计及优化的策略; 谢小碧等^[11]基于波动理论, 给出了针对不同类型照明的计算方法, 讨论了照明分析方法在地震采集设计中的一些应用; 温书亮等^[12]利用高斯射线束地震波正演模拟方法, 研究了南海某凹陷深水崎岖海底区地震波对地下目的层的激发照明以及检波器接收照明能量的分布特征, 为地震采集参数设计提供了依据; 赵虎等^[13]面向山前带复杂地表和复杂构造地区, 提出了获得目的层照明能量均匀性最高的炮点组合的方法; 肖云飞等^[14]采用高斯射线束双向照明技术, 通过获得不同观测系统对溶洞体照明的偏移照明能量, 优选观测系统参数。关于地震照明方法适应性的应用研究, 单联瑜等^[15]基于胜利油田典型地质模型, 分析了照明阴影区的形成原因, 探讨了单程波和双程波照明的特点和应用范围。

实际生产应用中发现, 采用覆盖次数和照明能量等属性参数描述观测系统, 由于缺少地震地质条件、激发接收参数等因素对地震资料品质影响的评价和地震资料处理效果的预见性评估, 使得其结果缺乏严谨性和可信度, 在低信噪比地区尤为显著。建立地震照明与地震资料品质及信噪比的量化关系, 是地震照明技术发展需要解决的问题之一。

本文在传统射线覆盖次数和能量照明研究的基础上, 分析了道集信噪比非一致性对地震成像剖面的影响, 提出了地震信噪比照明的概念, 讨论了射线覆盖次数、射线束及波动方程能量照明与信噪比照明的量化关系, 以及地震信噪比照明在激发条件评价、观测系统设计优化等方面的应用。

1 地震信噪比照明 1.1 地震照明分析

照明是利用各种光源照亮工作和生活场所或个别物体的措施。地震照明有别于一般意义的照明, 如图 1所示, S_hi为震源, D是地震勘探的地质目标体(单元), R为地表检波器。地震采集可以简单理解为由震源S_hi向目标体D发射一束地震波, 经目标体D反射后返回到地表, 由检波器R接收, 得到对应的地震记录。对于震源S_hi, 地震照明是指地表检波器系统R(R₁, R₂, …, R_n)获得目标体D的地震反射信息能力的度量, 通常用地表检波器系统R(R₁, R₂, …, R_n)接收的覆盖次数或能量描述。地震照明有一定范围, 如图 1中震源点S_h1, 地表检波器R₃, R₄, R₅, …, R_n能获得目标体D的反射信息, 称其为有效照明, 而检波器R₁、R₂不能获得目标体D的反射信息, 称其为弱照明。除震源的能量及波在介质中传播的衰减之外, 影响地震照明的因素还主要包括:①震源点-接收点(炮检对)与地质目标体的空间相对关系; ②地质目标体与上覆地层的空间产状。这两个因素是地震照明研究中的重点, 因此, 对于同一个地质目标体, 不同的炮检对存在不同的地震照明。

理论上, D可被分为更小的单元即反射面元, 如图 1中的d₁, d₂, d₃, …, d_n等, 在地震采集观测系统设计中, 对面元照明的描述包括CMP覆盖次数、CRP覆盖次数和面元的照明能量(强度)等, 而面元所有炮检对的覆盖次数或照明能量是观测系统设计和优化的重要参数之一。

CMP和CRP覆盖次数对应于简单的射线照明, 面元的照明能量对应于高斯射线束和波动方程照明。从照明的一般意义理解, 覆盖次数是指地震波照射到目标体的次数多少, 照明能量是地震波照射目标体的强度大小。

假设I为地震照明能量, A为面元大小, F为有效照射次数(能被接收到为1, 反之为0), L为单位面积地震波的能量通量, m为覆盖次数, 则有:

$ {I_i} = \sum\limits_{i = 1}^m {{F_i}} \times {A_i} \times {L_i} $

(1)

从公式(1)可以看出, 覆盖次数可以狭义地理解为以面元大小为单位、单位面积能量通量为1的照明能量。

1.2 地震照明中的信噪比问题

在实际地震资料采集中, 检波点除了接收来自目标地质体D的反射信息S_i外, 还会接收到来自浅表层的、且与震源点S_hi相关的噪声N(图 1), 这是地震勘探基础性的问题即信号与噪声的问题。

以射线地震照明为例, 讨论观测系统设计中覆盖次数、剖面信噪比与单炮信噪比的关系。最理想的情况, 假设信号S稳定不变, 同相叠加, 叠加后的振幅为mS, m为覆盖次数, 对于平稳的随机噪声, 叠加后的振幅为m^1/2N, N为原始噪声, 叠加后的信噪比以dB表示为:

$ 20{\rm{log}}\frac{{\sqrt m S}}{N} = 20{\rm{log}}\frac{S}{N} + 20{\rm{log}}\sqrt m $

(2)

(2) 式右端第一项是原始资料的信噪比分贝数, 第二项是叠加后信噪比提高的分贝数。覆盖次数m与成像剖面信噪比(S/N)_p、原始道集信噪比(S/N)_sg存在如下关系:

$ m = {\left[ {\frac{{{{\left( {\frac{S}{N}} \right)}_{\rm{p}}}}}{{{{\left( {\frac{S}{N}} \right)}_{{\rm{sg}}}}}}} \right]^2} $

(3)

地震资料经过去噪、地表一致性振幅补偿和自动增益处理后, 道集中炮检对的信号S稳定不变, 信噪比的变化是信号S振幅的变化, 叠加后道集的振幅为mS_a, 其中, S_a为叠加后道集的平均振幅, 噪声为平稳的随机噪声, 噪声振幅为m^1/2N, 叠加后道集的信噪比以dB表示为:

$ 20{\rm{log}}\frac{{\sqrt m {S_{\rm{a}}}}}{N} = 20{\rm{log}}\frac{{{S_{\rm{a}}}}}{N} + 20{\rm{log}}\sqrt m $

(4)

定义K=S/S_a, 则有:

$ 20{\rm{log}}\frac{{\sqrt m S}}{N} = 20{\rm{log}}\frac{{{S_{\rm{a}}}}}{N} + 20{\rm{log}}\sqrt m + 20{\rm{log}}K $

(5)

用去噪后与去噪前道集信噪比的比值表述K时, 表示地震资料去噪处理的能力。(5)式右端第3项表示去噪处理后成像剖面信噪比提高的分贝数。地震剖面信噪比一方面取决于单炮信噪比、有效覆盖次数, 另一方面取决于地震资料去噪处理的能力, 观测系统设计应满足针对性去噪处理的条件。从地震资料处理的角度出发, 观测系统的理论覆盖次数与剖面信噪比、去噪前道集的信噪比(S/N)_ds存在如下关系:

$ m = {\left[ {\frac{{{{\left( {\frac{S}{N}} \right)}_{\rm{p}}}}}{{{{\left( {\frac{S}{N}} \right)}_{{\rm{ds}}}}}}} \right]^2} \times \frac{1}{{{K^2}}} $

(6)

K越大, 去噪的效果越理想, 需要的理论覆盖次数越小。

K也可以理解为地震激发优化(K₁)、组合接收优化(K₂)和去噪处理能力(K₃)的乘积, 即K=K₁K₂K₃, 由(5)式可得:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {20{\rm{log}}\frac{{\sqrt m S}}{N} = 20{\rm{log}}\frac{{{S_{\rm{a}}}}}{N} + 20{\rm{log}}\sqrt m + }\\ {20{\rm{log}}{K_1} + 20{\rm{log}}{K_2} + 20{\rm{log}}K_3} \end{array} $

(7)

从(5)式和(7)式可以看出, 对于已知的区域和拟定的观测系统即一定的单炮资料信噪比和确定的覆盖次数, 理论上, 道集信噪比提升1倍对成像剖面信噪比的影响大于覆盖次数增加1倍的影响, 优化激发接收参数和针对性去噪处理技术流程, 无疑是提高最终地震剖面信噪比最有效和最经济的方法。

在相同的激发和接收条件下, 共炮点或共检波点道集之间及道集中不同炮检对的信噪比与K的变化, 反映近地表结构及岩性的横向变化。浅表层岩性和速度横向变化越大, 道集间及道集中炮检对的信噪比差异就越显著, K的变化就越大。因此, K是激发和接收条件与参数的评价指标。

从(5)式和(7)式还可以看出, 以往的地震采集观测系统设计, 应用覆盖次数或能量照明等方法, 缺乏关于单炮信噪比、激发接收条件以及地震资料处理能力等因素对成像剖面影响的分析研究, 这应是地震照明技术需要完善的内容。

1.3 地震信噪比照明概念与广义地震照明

地震记录或道集可分解为两个部分, 即有效的反射信号S与各类噪声N, i为道集中炮检对号, 假设地震资料信噪比为S_n, 基于公式(1)有:

$ {S = \sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{F_i} \times {A_i} \times {L_i} \times {S_{n_{i}}}}}{{1 + {S_{n_{i}}}}}} } $

(8)

$ {N = \sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{F_i} \times {A_i} \times {L_i}}}{{1 + {S_{n_{i}}}}}} } $

(9)

对道集的有效反射或噪声进行归一化处理, 不改变道集的信噪比。不失一般性假设, 归一化处理后的噪声N能量相等且等于1, 以面元大小为单位的叠加后道集的噪声能量为:

$ {N = \sqrt m } $

(10)

有效反射能量为:

$ {S = \sum\limits_{i = 1}^m {{S_{n_{i}}}} } $

(11)

$ {{S_{{n_{\rm{a}}}}} = \sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{S_{n_{i}}}}}{m}} } $

(12)

$ {S = m \times {S_{{n_{\rm{a}}}}}} $

(13)

式中:S_na为叠加道集的平均有效反射能量。道集叠加后的信噪比为:

$ {(S/N)_{{n_{\rm{p}}}}} = \sqrt m \times {S_{{n_{\rm{a}}}}} $

(14)

从(1)式、(2)式、(3)式、(14)式及上述讨论可以看出, 基于射线理论的观测系统设计, 其覆盖次数是假设道集平均信噪比为1的地震信噪比照明; 而高斯束和波动方程的能量照明, 是假设噪声为1的地震信噪比照明。

将叠前或叠后道集的信噪比用来评估观测系统获得地下目标地质体反射信息的能力定义为地震信噪比照明。由于射线覆盖次数、射线束或波动方程能量照明与信噪比照明存在特定的数学关系, 因此可将信噪比照明称为广义地震照明。尽管如此, 覆盖次数、能量照明仍是地震照明的一种定量描述方式, 其与信噪比照明都是地震采集观测系统设计评价中不同的属性参数, 且覆盖次数是能量照明和信噪比照明实现的基本条件。地震信噪比照明的优势在于用实际地震资料的信噪比衡量地震采集效果及资料处理能力, 弥补了覆盖次数和能量照明法存在的不足。

在实际生产中, 采用单炮地震记录去噪后的信噪比代替叠加道集的信噪比, 动态监测地震采集质量和评估地震采集效果, 有利于采集参数的实时优化。

用道集信噪比的变异系数γ评价道集信噪比的非一致性, 有:

$ \gamma = \frac{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{{({S_{{n_i}}} - {S_{{n_{\rm{a}}}}})}^2}}}{m}} } }}{{{S_{{n_{\rm{a}}}}}}} $

(15)

原始道集信噪比变异系数的变化, 反映了激发接收条件的非一致性及近地表结构与岩性的变化; 地震资料处理后道集信噪比变异系数的变化, 反映了观测系统具备去噪处理的条件及地震资料处理流程和参数的有效性; 而面元信噪比变异系数的变化, 则反映了观测系统信噪比属性的均匀性变化。

综上所述, 信噪比照明的主要参数包括道集去噪前、后信噪比及其比值K、道集平均信噪比、道集信噪比的变异系数γ等。

2 实际应用 2.1 激发效果后评估

大多数情况下, 激发比接收对单炮资料信噪比影响更大, 因此, 可以用单炮记录的平均信噪比进行激发效果评估。

图 2a和图 2b分别为NJ地区地质图与三维地震单炮记录信噪比分布图。地震采集的接收参数为:检波器Dz10Hz×12, 6串2并, 沿测线线性组合, 组内间距2m。激发参数为:三叠系(T)灰岩、白云岩、泥灰岩地层, 激发井深20m, 药量16kg, 单井; 下侏罗统(J₃)泥岩、中侏罗统(J₁)石英砂岩及白垩系(K)砂泥岩地层, 井深18m, 药量12kg, 单井。炮集信噪比的计算采用目的层时间2000~4500ms带通(10, 15, 60, 65)滤波后的平均振幅值与低通(10, 15)滤波后的平均振幅值之比。炮集信噪比的总体分布与区域岩性的展布基本一致, 灰岩、白云岩、泥灰岩与石英砂岩激发炮集的信噪比相对偏低, 泥岩激发炮集的信噪比相对较高, 激发岩性是影响炮集资料信噪比的主要因素。

2.2 可控震源激发覆盖次数优化设计

参照炸药震源单炮记录品质的可控震源覆盖次数论证是地震信噪比照明应用于观测系统优化设计的一个实例。这里以炸药震源资料为标准信号。图 3a和图 3b分别给出了西北地区某三维工区炸药震源与可控震源激发的单炮记录。图 3中勘探目的层(红色方框区域)炸药震源激发单炮记录的相关信噪比为1.16, 可控震源激发单炮记录的相关信噪比为0.78, K为1.49。高密度三维地震采集中试采用12.5m×12.5m面元, 炸药震源激发, PSDM处理。图 4为过区域走滑断层炸药震源激发不同覆盖次数的三维PSDM试处理剖面。从图 4可以看出, 当覆盖次数大于264次时, 剖面目的层(黄色方框)强反射信噪比改善不明显; 当覆盖次数达到396次时, 剖面目的层弱反射信噪比有显著提升。由同一区域可控震源三维采集试验结果可知, 当覆盖次数大于540次时, 剖面目的层强反射信噪比改善不明显; 当覆盖次数达到900次时, 剖面目的层弱反射信噪比有显著提升。可控震源与炸药震源理论覆盖次数之比为2.05~2.27, 接近炸药震源与可控震源信噪比比值(1.49)的平方(2.22)。实际生产中可控震源覆盖次数约为炸药震源的3倍, 取得了较好的勘探效果(图 5)。

2.3 在观测系统评价与优化中应用的基本思路

对给定的地质模型和拟定的地震采集观测系统进行评估与优化, 采用地震信噪比照明法与能量照明法具有相同的技术流程, 区别在于地震信噪比照明基于叠后道集信噪比一致性原则。限于篇幅, 这里只简单叙述信噪比建模和观测系统优化的技术要点。

信噪比建模是指获得与地质模型对应的地震单炮记录去噪处理后的不同岩性的炮检对-偏移距的信噪比值。选择去噪后的单炮记录计算信噪比, 体现当前技术条件下地震资料处理的基本能力; 选择炮检对-偏移距的信噪比, 则反映区域激发和接收条件的影响。如前所述, 激发比接收对地震资料信噪比的影响更大, 因此, 可用单炮记录平均信噪比代替炮检对-偏移距信噪比。

道集或面元信噪比照明, 即按照前文公式和炮检对-偏移距的信噪比模型, 计算去噪前、后道集的信噪比及其比值K、信噪比的变异系数γ等参数。

应用于观测系统优化的技术要点为:①根据理论计算或实际需要, 选择道集信噪比的阈值范围, 例如8~10;②计算拟定观测系统去噪前、后成像道集的信噪比, 统计道间距与K及覆盖次数与道集信噪比的变化关系; ③观测系统优化。通常, 对低信噪比(＜8)照明区域, 采用缩小接收道距或加密接收线或炮点的方式, 增加去噪后和增加有效覆盖次数后剖面信噪比的分贝数, 理论上, 当K值变化显著时, 采用缩小接收道距的方法, 反之, 采用增加覆盖次数的方法。而高信噪比(＞10)地震照明区域, 可采取适当加大激发线距降低覆盖次数或减小激发井深药量、降低单炮记录信噪比等措施, 降低地震勘探成本。

3 结束语

1) 道集或剖面的信噪比取决于单炮记录信噪比、有效覆盖次数和地震资料去噪处理后道集信噪比的提高, 优化激发接收参数和针对性去噪处理技术流程, 是提高地震剖面信噪比最有效和最经济的方法。

2) 覆盖次数、能量及信噪比是观测系统设计中的3种不同属性参数。用实际地震资料的信噪比来衡量地震采集效果及地震资料处理能力, 弥补了覆盖次数和能量照明法在这一方面存在的不足。

3) 对给定的地质模型和拟定的观测系统进行评估与优化, 地震信噪比照明法与能量照明法具有相同技术流程, 地震信噪比照明基于叠后道集信噪比一致性准则, 有别于覆盖次数和能量照明。

4) 地震信噪比照明可用于激发接收条件评价及观测系统设计参数优化等, 在实际应用中取得了一定效果。

将地震信噪比照明技术应用于动态监测地震采集质量、评估去噪处理的有效性和地震采集效果等方面, 还需要进一步研究和完善。

致谢: 本文在撰写过程中得到了中国石化首席专家王延光先生的指导和帮助, 在此表示衷心感谢！