准噶尔盆地油气资源丰富, 从早期发现的克拉玛依、车排子、哈山等油田, 到最近新发现的玛湖大油田, 地震勘探的技术水平和解决地质问题的能力不断提高^[1-2]。但由于盆地地表地下条件复杂, 尤其盆地腹地的古尔班通古特巨厚沙漠区地表起伏剧烈, 低降速带巨厚, 对地震波的激发接收、吸收衰减补偿、静校正等造成了很大的困难。地球物理工作者为此开展了多种技术攻关, 取得了一定的进步, 比如在地震波激发方面, 应用了可控震源、深井激发以及避高就低的激发方式和高覆盖次数观测等技术^[3-5], 改善了资料质量; 在资料处理方面, 综合利用低降速带调查数据和大炮初至建立近地表模型, 进行层析静校正^[6-7]。但总体上看, 已有的物探技术和方法缺少系统性, 针对性也不够强, 在采集因素试验和处理方法的选择上还存在不确定性和局限性, 地震资料信噪比低、成像质量差等诸多难题还没有得到较好的解决^[8-12]。本文针对准噶尔盆地巨厚沙漠区地震勘探采集和处理环节的关键问题, 围绕制约地震资料品质提高的地震波激发接收、静校正及表层吸收衰减补偿等技术瓶颈开展研究, 形成了适合该盆地巨厚沙漠区的地震勘探关键技术系列。主要包括在表层湿沙层优选的地震组合激发接收技术、菲涅尔体层析反演高精度静校正技术和基于表层Q调查的粘弹波动方程波场延拓近地表吸收补偿技术等。

准噶尔盆地腹地古尔班通古特沙漠区属于巨厚沙漠区, 地震勘探存在的主要问题有:①地表为大沙漠, 高大沙丘广泛分布, 沙层巨厚, 岩性松散, 表层结构复杂, 对地震波的激发接收、吸收衰减补偿、畸变及时差校正带来了很大的影响; ②地下勘探目的层深, 油藏隐蔽性强, 对成像精度要求高, 需要地震资料有较高的信噪比和分辨率、较高的信号能量、较宽的信号频带以及更精细的时差校正和信号频率的表层吸收衰减补偿等。

针对巨厚沙漠区地震勘探存在的问题, 以调查分析巨厚沙漠区近地表结构特征为基础, 逐步开展了激发接收、静校正及表层吸收衰减补偿等各项技术的研究分析:①通过精细的表层调查, 落实巨厚沙漠区的表层结构特点; ②选择合适的激发岩性和激发方式, 激发高能量和宽频带的地震信号; ③加强地震检波器与沙漠的耦合, 减少地震波的畸变, 提高地震资料分辨率; ④开展精细的静校正技术研究, 提高静校正的精度; ⑤开展表层吸收衰减补偿技术研究, 消除表层对高频信号吸收衰减的影响, 拓宽信号的频带, 提高地震资料的分辨精度。

准噶尔盆地以往近地表结构调查一般采用小折射和常规微测井方法, 不能准确追踪到高速层, 且分析结果不够精细。为此, 在D2J北三维区块开展了精细的超深微测井调查(最深达到195m), 图 1为井中激发多点接收的超深微测井示意图。井中激发均采用10发雷管, 从井口至井深10m激发, 间隔为0.5m, 井深10m至井底激发间隔为1.0m。在激发井周边以5m为半径的半圆形上布设了15口接收井, 井间距1m, 井深分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0m, 每口井在井底放置一个常规检波器进行单点接收。图 2是0.2m深度点接收的微测井原始记录(井中激发, 地面接收)、自相关子波以及频谱。原始记录上从左至右激发点深度逐渐变浅, 可以看出巨厚沙漠区近地表可以分为三层:近地表的干沙层(3m以上)、低速的潮湿沙层(3~17m)和降速的干沙层(17~49m), 49m以下为高速含水沙层。从波场特征看, 下行初至波、上行波(反射波)、转换波、下行多次波信息丰富, 子波和振幅谱特性与近地表速度分层有良好的对应关系, 这主要是由该区独特的表层结构所决定的。根据微测井速度分析, 低速层速度为601m/s, 降速层速度为867m/s, 高速层速度为2128m/s。

图 1(Fig. 1)

图 1 井中激发多点接收超深微测井

图 2(Fig. 2)

图 2 超深微测井记录、自相关子波与频谱

从图 2所示的多点接收超深微测井资料可以看出, 不同深度激发子波特征非常明显, 记录子波和振幅均与各速度层界面有较好的对应关系。为了计算巨厚沙漠区近地表的吸收衰减量, 利用频谱比法对不同检波器、不同炮点埋深的品质因子Q值进行了分析, 提取的Q值分为三层, 对应近地表的三层速度结构。其中, 0~17m之间Q值为4~7;17~47m之间Q值为12~16;47m以下Q值为25~34。图 3是巨厚沙漠区近地表的三层Q值典型结构, 每层均有明显的拐点, 低降速层的Q值均小于20, 明确了沙漠区近地表品质因子变化特征及其与速度的关系, 为近地表吸收衰减补偿提供了重要的基础资料。

图 3(Fig. 3)

图 3 CH1J东三维多点接收超深微测井Q值-深度曲线

根据以上近地表结构调查结果, 可以建立准确的近地表结构模型, 反映低降速带厚度和高速层顶界面高程分布(图 4)。以往老资料(图 4a)认为该区低降速带厚度最大为100m左右, 而新资料(图 4b)解释低降速带最大厚度接近200m, 主要原因是以往调查方法和解释方法不够精细。从高速层顶界面高程分布(图 4c)看, 全区高程相差较小, 近于水平面。精确的调查分析结果为改进和完善采集、处理方法奠定了良好的基础。

图 4(Fig. 4)

图 4 CH1J东三维区块新老低降速层厚度对比及高速层顶界面高程分布 a 老资料低降速带厚度; b 新资料低降速带厚度; c 高速层顶界面高程分布

通过以上调查分析, 获得了巨厚沙漠区近地表特征新认识:一是该区高速层顶界面近似一个平缓的水平面, 低降速带巨厚(最厚达200m), 改变了以往高速层顶界面随地表起伏变化的认识; 二是近地表存在“潮湿沙层”(图 2中3~17m), 岩性录井揭示, 低速沙层比较潮湿, 而降速层非常干燥, 从地震波激发角度考虑, 含水沙层激发效果要好于干沙层激发效果, 因此改变了以往在降速层(干沙层)组合激发的方式, 为大沙漠区组合激发井深的选择提供了重要依据; 三是通过沙漠区近地表品质因子变化特征及其与速度的关系, 明确了大沙漠区近地表吸收衰减规律, 为近地表吸收补偿技术的研究奠定了基础。

根据表层调查结果和以往激发试验记录, 巨厚沙漠区潜水面以下单深井激发的效果最好。但在巨厚沙漠区潜水面较深的区域, 打深井非常困难, 特别是潜水面超过50m时, 钻井效率极低。人们采用多井降速层(干沙层)组合激发来代替单深井激发, 但激发信号品质较差。我们通过微测井记录可以看出, 表层潮湿的沙层能够激发出频率较高的地震波, 为此开展了多井潮湿沙层组合激发的试验研究。

首先开展了沙层注水激发试验, 研究沙层含水性对激发效果的影响。图 5对比了注水前后激发的地震记录, 可以明显看出, 注水后的潮湿沙层无论是激发能量还是激发频带都明显好于注水前的干沙层激发, 这意味着沙层含水率高激发效果好。因此, 改善激发质量需要在相对潮湿的低速层激发, 而不是以往的降速层。以往2井×35m(降速层)组合激发效果差就是在降速层激发的原因。

图 5(Fig. 5)

图 5 注水前(a)、后(b)激发40~80Hz分频记录对比

根据表层调查结果, 潮湿的沙层深度在3~17m, 因此选择了7、9、11、13、15m进行激发井深试验, 结果如图 6所示。根据单炮记录、主要目的层信噪比、能量和频谱综合分析, 选择11m作为激发深度。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同深度激发效果对比 a 不同深度激发40~80Hz分频扫描记录; b 不同深度激发单炮信噪比、能量及频谱

根据激发参数理论分析^[13]和地震勘探检波器组合低频响应问题研究^[14]结果, 当震检组合有效反射方向特性相对固定的时候, 干扰波方向特性越小信噪比提高越多。归一化的震源或检波器组合方向特性为:

式中, n为参与组合的单震源个数, T^*为地震波视周期, λ^*为视波长, Δx为震源组合的组内距。

由公式(1)可以刻画出震源组合的方向特征(图 7)。当组合参量y=1/n, 2/n, …, (n-1)/n时, P(y)接近于0, 此时干扰波受到最大压制。即设置y值使之位于[1/n, (n-1)/n]区间时, 信噪比得到最大提升。图 7a中, n为奇数, 当n分别为13或15时, 组合参量y最接近0;图 7b中, n为偶数, 当n为12、14或16时, 组合参量y最接近0。所以, 组合井数的理论最佳值为11~16。为了便于对称设计组合井图形, 在野外现场对8、10、12、14、16、18等几种偶数组合井数进行了对比试验。图 8a为不同组合井数30~60Hz分频记录, 结合信噪比和能量分析(图 8b)认为, 12口井组合时信噪比最高, 12、14口井组合时能量最强, 因此, 12口井组合效果最佳, 这与理论分析结果吻合。

图 7(Fig. 7)

图 7 组合方向特性曲线 a n为奇数时; b n为偶数时

图 8(Fig. 8)

图 8 不同组合井数30~60Hz分频记录对比(a)和信噪比、能量分析(b)

在12井组合情况下, 依据组合激发理论和爆炸半径公式^[15]设计出多种组内距和组合形状的多浅井组合图形, 通过爆炸能量和信噪比模拟分析优选出线性组合、平行四边形组合等6种组合图形。图 9给出了6种多浅井组合图形的试验记录, 可以看出, 组内距为2m时的平行四边形组合激发效果最好。同时, 为满足组合激发对钻井效率的要求, 野外采用新型反循环钻机, 解决了吹沙筒效率低、钻深不足(仅钻6~8m)、成井质量差的问题。新型反循环钻机使工作时效提高了81.6%, 最大钻深能力提高了近3倍。

图 9(Fig. 9)

图 9 不同组合图形的多浅井组合激发40~80Hz分频记录对比(井深11m, 药量3kg) a 组合1; b 组合2; c 组合3; d 组合4; e 组合5; f 组合6

巨厚沙漠区检波器的耦合也是影响地震信号优劣的关键, 为此, 进行了检波器不同埋置深度试验。图 10是检波器不同埋置深度的记录和相应的频谱, 可以看出, 随着检波器埋深的增加, 频谱变窄, 且出现了一个严重的陷波。这是因为检波器埋置地下使地面形成了一个很好的虚反射界面, 压制了某些频率的信号。因此, 检波器不宜埋置太深。从不同记录的频谱来看, 埋深为0.2m时的记录频带最宽, 由此确定了检波器近地表埋置深度宜为0.2m, 一般不超过0.4m。

图 10(Fig. 10)

图 10 检波器不同埋置深度的记录(a)与频谱分析(b)

巨厚沙漠区的静校正影响到最终的成像精度, 因此, 研究高精度的静校正方法是巨厚沙漠区地震资料处理的关键工作之一^[16]。层析静校正是当前解决复杂近地表静校正问题的有效方法, 常规层析静校正方法主要有初至波走时层析和波动方程层析。波动方程层析对初始模型精度要求高, 加上震源子波反演困难、地震信号的信噪比较低、实际地震波传播难以准确描述等诸多问题, 其在巨厚沙漠区的应用受到严重制约。而初至波走时层析方法是利用地震记录中的初至旅行时求取介质的速度分布, 不仅利用折射波时间, 而且利用直达波、回折波、透射波等信息, 得到的结果更加可靠, 因而成为包括巨厚沙漠区在内的各类复杂地表区的典型近地表静校正方法。

鉴于初至波走时层析的优点, 本文采用了低降速带调查数据约束的菲涅尔体层析静校正技术^[17-18]。

该技术将初至波走时和振幅信息沿着射线邻域的第一菲涅尔带反投影获取近地表速度信息, 不仅考虑高频射线路径上的介质性质对地震波走时的影响, 而且考虑射线附近第一菲涅尔带内介质对走时的影响, 因此, 比常规走时层析静校正具有更高的精度, 更加适合大沙漠复杂地表区的静校正处理。该技术的关键是求取振幅层析核函数和走时层析核函数, 用来代替走时层析中的灵敏度核函数, 实现层析静校正。

根据刘玉柱等^[19]研究成果, 建立了菲涅尔体层析反演技术流程(图 11), 用核函数表示空间介质对地震波走时的影响, 通过走时计算圈定出菲涅尔范围, 即菲涅尔体, 利用基于Rytov近似的旅行时残差公式精确地刻画地震波传播旅行时。该流程在准噶尔盆地巨厚沙漠区D2J北等三维实际资料应用中取得了较好的效果。图 12显示了D2J北三维菲涅尔体层析静校正单炮记录与成像剖面, 可以看出, 无论是单炮记录, 还是成像剖面, 深浅层同相轴连续性都有较好的改善, 精度明显提高。图 13对比了D2J北常规层析静校正方法与本文菲涅尔体层析静校正方法的效果, 可以看出, 菲涅尔体层析静校正效果更好, 剖面同相轴连续性更好, 信噪比更高。

图 11(Fig. 11)

图 11 菲涅尔体层析反演技术流程

图 12(Fig. 12)

图 12 D2J北三维菲涅尔体层析静校正前(左)后(右)单炮记录(a, b)与剖面(c, d)对比

图 13(Fig. 13)

图 13 D2J北三维常规层析静校正(a)和菲涅尔体层析静校正(b)效果对比

在前人研究的基础上^[20-24], 本文采用了粘弹波动方程波场延拓近地表吸收补偿技术, 通过波动方程延拓, 将地表接收到的地震波场延拓到高速层顶, 相当于将检波器埋置在高速层顶, 从而消除近地表对地震波吸收衰减的影响。利用微测井资料和频谱比法计算近地表Q值, 对求出的Q值与速度进行最小二乘法拟合, 得到Q-v关系式:

式中, v是近地表层速度。由公式(3)可将近地表速度模型换算为Q模型。由实际测量资料的品质因子与速度、频率关系曲线可知, 沙漠区近地表Q值与频率基本无关, 仅与速度v有关。这样, 利用近地表层析反演得到的速度模型建立近地表三维Q模型, 采用粘弹波动方程波场延拓技术, 就可以实现近地表吸收衰减补偿。图 14对比了补偿前、后的单炮记录及对应的频谱, 可以看出, 补偿后的单炮记录有效频带得到明显拓宽, 地震分辨率得到提高, 弱反射能量得到加强。图 15对比了补偿前、后的地震剖面, 可以看出, 补偿后剖面的分辨率(图中红线框和粉线圈处)和岩性识别能力(图中蓝线框处)得到大幅提高。

图 14(Fig. 14)

图 14 补偿前(a)、后(b)单炮记录及其频谱对比

图 15(Fig. 15)

图 15 补偿前(a)、后(b)地震剖面对比

将上述采集处理关键技术应用于准噶尔盆地巨厚沙漠区, 完成了CH1J东、D2J北等6块新资料的采集、处理, 三维面积共计2189.91km², 合计256932炮, 地震成像精度均有大幅度提高。同时, 采用本文提出的高精度静校正、吸收衰减补偿等技术对征沙村等2221.2km²三维老资料进行了重新处理, 明显改善了地震资料品质, 促进了石炭系的勘探突破。

CH1J东三维新采集单炮记录信噪比较以往得到明显提高, 地震成像精度有了较大提高(图 16), 有效频带拓宽了16Hz, 地震波组的岩性特征更加明显, 整体剖面品质得到显著提高。

图 16(Fig. 16)

图 16 CH1J东新老地震剖面与频谱对比 a 老成果; b 新成果

图 17对比了准中D2J北新老地震剖面及对应的频谱, 可以看出, 新地震剖面信噪比明显提高, 成像剖面更加清晰, 有效频带拓宽了12Hz, 改善效果非常显著。

图 17(Fig. 17)

图 17 准中D2J北新老地震剖面及频谱对比 a 老成果; b 新成果

在CH1J东、D2J北、D1J等三维区块应用巨厚沙漠区地震勘探关键技术后, 较好地解决了地震勘探存在的技术难题, 使地震资料品质明显提高, 取得了良好的勘探效益。在D2J北三维描述圈闭148个, 圈闭面积341km², 预测资源量9600×10⁴t。在准中区块部署完成了D7、D8、D701等多口探井, 获得良好的油气显示, 其中D701井获得高产, 上报控制储量191×10⁴t。

将菲涅尔层析反演高精度静校正技术和粘弹波动方程近地表吸收衰减补偿技术应用于准噶尔盆地ZSHC、D1J、ZH3J、SH1等区块老三维地震资料重新处理后, 成像精度得到明显改善(图 18), 河道砂体空间展布形态更加清楚可靠。老三维重新处理效果优于老三维处理成果, 新采集的三维处理成果也优于老三维处理成果。利用三维连片重新处理成果, 提出了新的地质认识, 促进了准噶尔盆地巨厚沙漠区油气勘探的突破。

图 18(Fig. 18)

图 18 D1J和D2J北老三维处理成果(a)、重新处理成果(b)与新采集三维处理成果对比

通过本文研究, 明确了准噶尔盆地巨厚沙漠区的近地表结构特征, 查清了影响该区地震采集和处理质量的主要因素, 形成了适合准噶尔盆地巨厚沙漠区的表层湿沙层激发接收、菲涅尔体层析反演高精度静校正及粘弹波动方程波场延拓近地表吸收衰减补偿等采集处理关键技术, 较好地解决了盆地巨厚沙漠区的勘探技术难题, 明显改善了地震资料品质, 加快了该区的勘探进程, 取得了较好的勘探效果。

文中所提出的技术方法不仅能够大幅度提升新采集地震资料的品质, 也可以应用于老资料的重新处理, 为地震精细解释、叠前属性分析、储层精细预测等提供更好的地震资料。本文研究成果也为我国其它类似地表复杂区的地震勘探提供了有益的借鉴。