1 地质概况与主要问题 1.1 地质概况

M区块位于哈萨克斯坦阿克纠宾州, 地质上属于滨里海盆地东缘。M区块构造包括西部断鼻和东部主体两部分^[1]。区内地层发育较为齐全, 自浅至深依次发育第四系至泥盆系的多套地层(图 1), 多为相对平缓的层状构造, 整体断裂不发育。

区块及周边以往进行过多次二维和三维地震采集作业, 勘探程度相对较高。以往勘探的主要目的层均为石炭系中上统的Ⅰ、Ⅱ层段碳酸盐岩储层, 该段地层具有良好的油气显示, 为主力含油层段, 埋深不超过3 000 m。2019年, 在重点勘探Ⅰ、Ⅱ层段等主力油气层段的同时, 还提出查明深度约为7 000 m的Ⅲ层段的地质构造。

M区块地表总体较为平坦, 最大高差约为60 m, 障碍物较少, 激发接收条件总体较好。近地表主要为两层结构, 低降速带厚度为4~15 m, 速度为300~1 600 m/s, 表层结构横向变化较小, 总体上静校正问题不大。

1.2 资料现状及主要问题

以往勘探项目中各项技术参数主要面向Ⅰ、Ⅱ两个目的层, 均未针对深度约7 000 m的Ⅲ层。分析以往采集参数(表 1)和地震资料发现, 对深层Ⅲ层反射而言, 以往采集参数以及地震资料在信噪比、成像精度等方面主要存在以下问题。

1.2.1 倍频程不足

如表 1所示, 2014年二维地震资料扫描频率范围为3.0~84.0 Hz, 频宽为81.0 Hz, 倍频程不足5。二维地震资料单炮记录分频扫描结果(图 2)显示, 低通5 Hz扫描结果中基本无明确的反射信息, 高通80 Hz扫描结果显示反射信息主要集中在1.0 s以上的浅层, 主要目标层和兼探层均无80 Hz以上高频反射。可见二维地震资料中5 Hz以下的低频成分较为缺乏, 高频端也存在拓宽的空间。

邻区三维地震资料低频端拓展至1.5 Hz, 高频端拓展至90.0 Hz, 频宽相对二维地震资料增加了7.5 Hz, 但倍频程仍然不足6。三维地震资料单炮记录分频扫描结果(图 3)显示, 低通5 Hz的扫描结果在2.5 s左右出现较弱但较为明确的反射信息, 高通80 Hz的扫描结果显示, 在3.0 s左右存在较为清晰的反射信息。可见相对二维地震资料, 邻区三维地震资料拓宽扫描频带效果明显。

与绝对频宽相比, 相对频宽即倍频程决定了主脉冲与旁瓣的比值, 因此增加倍频程更能提高地震资料的分辨率^[2]。由于新的三维地震勘探的目的层更深, 理论上相对频宽(倍频程)仍有进一步拓展的必要。

1.2.2 深层成像精度偏低

三维地震资料叠前深度偏移(PSDM)剖面(图 4)显示, Ⅱ层之下的各层虽有一定的反射能量, 可以识别总体构造形态, 但Ⅲ层顶(5 500 m左右)断点不清, 同一相位追踪不连续, 断层精确位置存在多解性, 成像精度不足。分析并归纳主要原因如下。

1) 最大炮检距不足。

为提高深层的成像精度, 一般需要一定的排列长度, 排列过短会造成速度谱分辨率不足。根据6%的速度分析精度要求, Ⅲ层顶部的最短炮检距不能低于5 500 m(图 5), 而以往参数中二维地震资料最大炮检距为4 790 m, 三维地震资料最大炮检距为5 265 m。对深层而言, 原参数中最大偏移距显然偏小。

2) 覆盖次数及覆盖密度偏低。

2014年二维地震采集满覆盖次数为240次, 主要目的层Ⅰ层、Ⅱ层的有效覆盖次数分别为100次与150次。2017年三维地震采集满覆盖次数提高到420次, Ⅰ层、Ⅱ层的有效覆盖次数分别为150次与230次。

实际地震资料对比研究表明, 三维地震采集时, Ⅰ、Ⅱ层信噪比得到了较为明显的提高, 成像精度更为精确; 深层Ⅲ层有效覆盖次数虽然达到360次, 满覆盖密度达到67万次/km², 但由于多次波、次生干扰等干扰波较为发育, 加上上覆的强反射界面Ⅱ层底部的屏蔽影响, 导致实际地震资料的能量和信噪比有所下降, 断裂位置成像精度及清晰度也不够高, 因此需要进一步提高覆盖次数和覆盖密度。

1.2.3 深层多次波较为发育

本区干扰波主要是面波和折射波以及多次波。其中面波、折射波分布范围较广。原始单炮记录显示, 在较强面波的干扰下, 总体上浅、中层(2.5 s以上)依然存在明显的反射信息, 干扰波影响较小, 具有较高的信噪比(图 6)。

在Ⅱ层底与Ⅲ层底两个强反射界面间, 层间多次波比较发育^[3]。图 6b显示, 在绿色框中存在多个形态相近的同相轴。根据时间和深度信息, 并依据相应的井资料、速度谱和波组特征综合分析, 这些同相轴应该为Ⅱ层与Ⅲ层之间的层间多次波, 这些多次波对深层成像结果影响较大。后期经过拉冬变换等处理, 取得了一定的压制效果, 但图 7所示的三维地震资料PSDM剖面中, 依据井资料和速度谱层位对比可以推定Ⅱ层与Ⅲ层之间依然存在层间多次波(图 7绿色框)。因此新的三维地震采集参数需要在原三维地震采集参数的基础上进一步优化, 在采集环节对多次波进行压制。

2 参数优化

针对深层目前存在的主要问题, 对新的三维地震采集参数进行优化。

2.1 观测系统优化 2.1.1 提高深层覆盖密度

覆盖密度与面元、覆盖次数、炮检距分布等均存在密切的关系, 它能够反映观测系统的综合状况, 决定了叠前偏移成像的质量^[4-5]。

本文建立了4个相关的观测系统模型, 以验证覆盖密度对叠前偏移属性的影响。4种观测系统具有相同的排列片、横纵比以及不同的覆盖次数、覆盖密度, 具体模型参数见表 2。

分别对上述4种方案得到的PSTM(叠前时间偏移)响应属性进行对比, 结果表明(图 8), 利用4种模型得到的子波主瓣与第一旁瓣的峰峰比基本一致, 但模型1得到脉冲响应振幅值最高, 模型2与模型3相同, 模型4最弱, 这与各模型覆盖密度规律一致。可见, 对叠前偏移属性起关键作用的是覆盖密度而不是覆盖次数。覆盖密度越高, 地震资料的叠前偏移效果预期越好^[4]。

鉴于邻区三维地震资料中Ⅱ层的信噪比与成像精度能满足该层的地质目标。因此本次深层优化覆盖密度的原则是确保Ⅱ层覆盖次数不低于邻区三维地震资料的覆盖次数, 并由此推算深层Ⅲ层的覆盖次数与覆盖密度。

经推算, 新的三维地震采集需要满覆盖达到630次, 覆盖密度增加到100万次/km²才能保证Ⅱ层有不弱于邻区三维地震资料的成像效果。

2.1.2 最大炮检距优化

最大炮检距可以有效提高深部地震资料的信噪比^[6-8], 本文通过理论分析和正演模拟来确定优化后的最大炮检距。

1) 理论分析。

传统理论认为, 最大炮检距选取时需要考虑动校拉伸畸变的影响^[8]。一般选取12.5%的拉伸畸变来限定最大炮检距的范围。动校拉伸畸变与最大炮检距的关系公式如下:

$ {X_{\max }} \le \sqrt {2t_0^2v_{{\rm{rms}}}^{\rm{2}}D} $

(1)

式中: X_max为最大炮检距; t₀为垂直双程反射旅行时; v_rms为均方根速度; D为动校拉伸畸变。根据理论计算, Ⅲ层满足12.5%的拉伸畸变需要不大于7 230 m的最大炮检距。

各向异性PSTM技术的发展极大地改善了大炮检距同相轴动校正效果, 相对较好地保持了大炮检距振幅, 远道反射特征得到了很好的保持, 可以提供更多的深层岩性信息^[7], 这就在理论上突破了远炮检距不能超过12.5%动校拉伸的限制^[7]。因此我们可以采用更大的炮检距来提高深层资料的信噪比。

2) 正演模拟。

根据区内二维构造解释剖面, 建立了正演地质模型(图 9), 模型长为20 000 m, 深度为9 000 m。利用波动方程正演模拟和照明分析技术, 分析面向深层勘探目标的最大炮检距^[9]。

图 10为利用全排列进行正演模拟得到的单炮记录(道间距为20 m), 其中蓝色线段和红色线段分别是目的层Ⅱ层与Ⅲ层同相轴与严重干扰的折射波的交点到时间0线的垂直线段, 3 800 m和7 200 m分别为该交点在地表的投影到炮点的水平距离。由图 10可见, 当最大炮检距超过3 800 m时, 主要目的层Ⅱ层的反射同相轴会受到其它波(主要为折射波)严重干扰。当最大炮检距超过7 200 m时, 目的层Ⅲ层顶的反射同相轴被干扰波湮没, 理论上, 超过部分不再对叠加记录有所贡献^[10]。

为验证正演模拟结论的可靠性, 本文对经过动校正的实际CMP道集(图 11)进行分析, 结果显示Ⅱ层正演模拟结果与实际CMP道集大体一致。因此选择面向目的层Ⅲ层顶的最大炮检距时, 7 200 m是重点参考值。

3) 照明能量分析。

照明能量是分析判断具体目的层反射能量多少的重要指标^[9]。我们分析了针对Ⅲ层顶多种炮检距下的照明能量。如图 12所示的照明能量曲线反映Ⅲ层顶的照明能量会随着炮检距增加而明显增加, 但当炮检距达到或超过7 000 m时, Ⅲ层顶的照明能量增幅明显降低, 此时增加炮检距对该层能量提升作用有限。

分别对比6 000 m与7 000 m、8000 m与7 000 m炮检距照明能量的差值, 结果如图 13所示, 对深层Ⅲ层顶而言, 8 000 m与7 000 m炮检距的照明能量差值接近为0(图中红色代表差值较大, 蓝色代表差值较小), 对于Ⅲ层而言, 7 000 m是照明能量差异的拐点, 超过7 000 m的偏移距对深层照明能量增长意义不大。

2.2 多次波压制

实际资料分析表明, 本区发育的多次波主要为界面Ⅰ层、Ⅱ层以及Ⅱ层与Ⅲ层之间等强反射界面之间产生的短周期的层间多次波。

在采集环节, 压制多次波主要是利用多次波和一次反射波在速度校正后存在剩余时差, 而且剩余时差会随着炮检距的增加而增加的原理, 通过增加炮检距的方法一定程度压制多次波^[11-12]。

假设v和v_d分别为一次波和多次波速度, 它们对应的正常时差为Δt和Δt_d, 则有:

$ \Delta t = \frac{{{x^2}}}{{2{t_0}{v^2}}} $

(2)

$ \Delta {t_{\rm{d}}} = \frac{{{x^2}}}{{2{t_0}{v_{\rm{d}}}^2}} $

(3)

式中: x为炮检距; t₀为垂直双程旅行时; Δt为一次波正常时差; Δt_d为多次波正常时差。

由(2)式与(3)式可以得到两者的剩余时差ΔΔt表达式:

$ \Delta \Delta t = \Delta {t_{\rm{d}}} - \Delta t = \frac{{{x^2}}}{{2{t_0}}}(\frac{1}{{v_{\rm{d}}^2}} - \frac{1}{{{v^2}}}) $

(4)

由(4)式可以看出, 在采集环节, 压制和衰减多次波最主要的技术手段是增加炮检距。由(4)式推导出炮检距与多次波剩余时差的关系如下:

$ x \ge v{v_{\rm{d}}}\sqrt {\frac{{\Delta \Delta t * 2{t_0}}}{{{v_2} - v_{\rm{d}}^2}}} $

(5)

根据(5)式, 令深层Ⅲ层反射主频f=20 Hz, 剩余时差至少需要达到1/2反射波周期T(T=1/f)方可区分多次波进行计算。压制速度为4 200 m/s的多次波所需的最大炮检距不小于6 000 m(图 14)。

2.3 激发参数优化

根据Widess准则, 分辨率取决于频带宽度, 频带越宽, 可分辨的时间厚度就越小, 即分辨率越高, 这也是高成像精度的基础^[13]。当子波为零相位子波时, (6)式表示了时间分辨率与频宽的关系, 根据(6)式计算得到的不同频率宽度的时间分辨率如表 3所示。综合其它因素, 新的三维地震采集将扫描频带范围优化为1.5~96.0 Hz, 达到6个倍频程。

$ {R_{\rm{a}}}{\rm{ = }}\frac{1}{{2\Delta f}} $

(6)

式中: R_a为时间分辨率; Δf为频宽。

2.4 优化后参数

根据以上兼顾面向深层目标的分析论证结果, 新的三维地震采集最终采用以下4种参数优化措施: ①增加最大炮检距; ②提高深层覆盖次数; ③增大深层覆盖密度; ④拓宽频带宽度, 优化后的采集参数如表 4所示。

3 应用效果

图 15为相同位置处, 基于原二维地震与新的三维地震资料的PSTM剖面, 对比发现, 新的三维地震采集资料的PSTM剖面上主要层位的分辨率更高, 连续性更好, 成像精度提升明显, 层间反射信噪比也得到了较大提高。

图 16为优化后新的三维地震资料与原三维地震资料的速度谱, 新的三维速度谱在2.0 s以下的深层收敛效果更好, 反射波能量明显提高, 并且一定程度上削弱了多次波能量。

对PSTM剖面的局部进行放大, 得到的剖面细节如图 17所示, 从细节来看, 新的三维地震资料较好地解决了礁滩体速度横向剧烈变化引起的地层畸变问题, 礁滩体边界成像更加清楚。

图 18为邻区原三维地震与本区新的三维地震资料的PSDM剖面, 可以看出, 新的三维地震资料各目的层特别是深层偏移成像更加清晰, 精度增高, 侏罗系与下覆地层的接触关系更加清晰, 因此能够更好地识别各层反射特征。需要强调的是: 本区内无以往的三维地震采集资料, 邻区三维地震资料与本区边界相连, 地质上属于同一构造, 因此此处采用邻区原三维地震资料加以对比。

由此可见, 优化后的采集参数在新三维地震采集中取得了较好的勘探效果, 达到了改善深层成像的目的。

4 结论

本区新的三维地震勘探基于理论分析和正演照明等论证结果, 优化了覆盖密度、最大炮检距、拓展了扫描频宽等主要采集参数, 提高了深层成像精度, 在实际应用中取得了明显的地质效果, 并得出以下主要结论。

1) 覆盖密度由于综合了面元、覆盖次数、炮检距分布等多个因素, 更能决定叠前偏移成像的质量。正演模型分析结果证明提高覆盖密度能有效提高叠前偏移成像精度。

2) 照明能量分析结果表明, 最大炮检距存在临界值, 超过该值后, 更大的炮检距对目的层照明能量的增长作用明显减弱。

3) 对于深层目的层成像, 在降低低频和增加倍频程的双重作用下, 能更有效地增加深层地震资料能量和信噪比。

4) 增大偏移距能一定程度上压制多次波, 但仅增加覆盖次数, 不增大偏移距, 不能有效压制多次波。

通过对以上主要参数的优化, 新的三维地震采集在深层信噪比、成像精度、分辨率和多次波压制等方面取得了一定的效果, 较好地满足了兼顾深层地震勘探的预期, 为深层地震资料采集提供了借鉴。

致谢: 在课题研究和论文撰写过程中得到了中国石油集团东方物探采集技术中心领导专家的指导和同事们的帮助, 在此表示衷心感谢。