准中沙漠区近地表特征及针对性勘探技术

尚新民

中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东 东营257022

引 言

长期以来，学者们对塔里木盆地沙漠区近地表特征研究较多[1]，发表了大量研究论文，形成了系列勘探技术。多年的勘探实践表明，塔克拉玛干沙漠表层结构有如下特点：（1）高速层顶界面即沙漠的潜水面是一个非常平稳的界面；（2）高速层以上的深度与地面到该深度的单层旅行时可以用沙丘曲线来表示。在沙漠区采用微测井、推水坑等联合近地表调查技术、避高就低潜水面下激发技术、沙丘曲线静校正等处理技术，在塔中等地区获得了大量的油气发现。相比而言，对准噶尔沙漠区的近地表特征及规律研究较少，没有形成针对性的地震采集及处理技术，造成准噶尔腹部沙漠区油气勘探程度较低。

2002 年二维测线施工时期，主要采用小折射法进行近地表结构调查，该方法利用低速层中传播的直达波和近地表折射界面传播的折射波的初至时间来研究低、降速带的变化，一般应用在地形平坦、折射界面水平且低、降速带厚度不大的地区。准中沙漠区沙丘起伏剧烈，低降速带厚度大，由于小折射排列长度一般只有50 m，受排列长度的限制，难以求取准确的低降速带厚度。由于受沙漠巨厚低、降速带的影响，地震有效波能量弱，资料信噪比低，反射波同相轴不连续，层间信息缺失，资料品质差，不能满足精细刻画岩性圈闭要求，各类地层、岩性圈闭情况无法落实。

2011—2012 年，在准中沙漠区开展了新一轮勘探攻关，分别部署了成1 井东与董2 井北三维，本轮勘探主要利用深井微测井及岩性取芯技术进行近地表调查，在此基础上研究得到了准中沙漠区精确近地表结构模型及地球物理参数[2]，并研发了针对性采集及处理技术，主要包括：单深井（沙丘厚度小于50 m）与多井浅井组合激发技术（沙丘厚度大于50 m）、综合沙丘曲线静校正技术、沙漠区近地表吸收补偿技术等，获得了高品质地震资料。

1 近地表地球物理特征研究

1.1 沙丘顶底板与厚度特征

研究区位于古尔班通古特沙漠。古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠，主体面积的80% 以上处于稳定状态[3]，地表为连绵起伏的沙丘覆盖，沙丘大多为陇状固定沙丘，沙中泥质成分较多，具有明显的第四纪陆相风成沉积特点，沙漠地表有梭梭柴、芨芨草等植被。地表海拔在400～650 m，沙丘相对高差一般在10～70 m。沙丘主体呈南北走向，总体趋势是东北高西南低。图1 是在中部4 区块董2 井北三维区两期地震资料地表高程变化对比分析，其中红线为2002 年二维施工时测量的地表高程，蓝线为对应位置2012 年施工时测量的地表高程，可以看到两条曲线基本重合，只是在沙丘顶、底位置略有变化，这与塔克拉玛干沙漠为流动性沙丘明显不同。

图1 董2 井北三维区2002—2013 年地表高程变化对比图Fig.1 Surface elevation comparison between year 2002 and 2013 in D2 Area

图2 是董2 井北与成1 井东三维工区沙丘底 板平面图，可以看出，虽然准中沙漠区地表起伏相对较大，但沙丘底界面变化较为平缓，且总体走势一致。从两个工区的高速顶平面图看出，虽然局部存在构造变化，但总体变化平缓。两工区虽然南北方向相距近30 km，但从变化趋势看，两者应该存在统一的高速顶界面[4]，类似塔中沙漠区的统一潜水面。

图2 成1 井东与董2 井北三维区沙丘底板平面图Fig.2 Sand base map in C1 and D2 Area

地表高程与沙丘底界面的差就是沙丘厚度，由于沙丘底板是一变化平缓的倾斜界面，沙丘厚度随着地表的升高而增大，总体趋势与地表高程基本一致。在董2 井北三维区，沙丘厚度从西南向东北部逐渐变大，在3.6～140.0 m 变化。成1 井东三维工区，沙丘厚度变化与董2 井北基本一致，从西南向东北厚度逐渐变大，在40.0～190.0 m 变化，与原测量成果30.0～85.0 m 相比，测量精度明显提高（图3）。

图3 成1 井东地区沙丘厚度变化图Fig.3 Sand thickness distribution in C1 Area

1.2 沙丘深度-时间曲线变化特征

对采集得到的微测井原始数据进行初至拾取，可以得到深度与初至时间的对应关系散点图，用于研究深度-时间关系，进而研究速度的变化规律。

图4a 是董2 井北全部微测井调查得到的深度-时间散点图，从图中看出，深度与时间的对应关系比较散，规律性较差，这是由于部分散点位于高速层中造成的。图4b 是将位于高速层内的时间点剔除后的深-时关系，所有散点收敛程度高，具有一致的深度-时间对应关系，这说明该区沙漠属于稳定的连续变化介质。稳定的深度-时间关系为后续静校正方法的选取提供了充分依据[5]。

图4 董2 井北工区微测井深度-时间对应关系散点图Fig.4 Micro-log depth-time scatters diagram in D2 Area

1.3 沙丘速度变化特征

连续变化介质不同于层状介质，原则上可以进一步分成N 层进行层速度解释，这也是利用微测井解释得到的分层厚度与层速度没有规律性的原因。对于连续变化介质，利用其深度与时间具有较好一致性的特点，可以计算出每一深度对应的平均速度，研究深度与平均速度的对应关系，同样可以获得沙漠区速度变化规律。首先选取高大沙丘与小沙丘进行平均速度对比，通过深度-平均速度散点图可以看出，小沙丘平均速度与高大沙丘对应深度的平均速度变化是一致的。再对工区南北向和东西向微测井得到的深度-速度散点进行分析（图5），可以发现平均速度变化具有较高的一致性，与沙丘走向无关，仅与沙丘的厚度即埋深有关。从全区深度-平均速度散点图看出，平均速度随沙丘厚度的增加而增加，相同的埋深对应基本相同的速度。

图5 董2 井北三维沙丘平均速度散点图Fig.5 Average LVL velocity scatter diagram in D2 Area

根据以上的认识，笔者认为，在沙漠区应改进利用微测井进行分层厚度与层速度解释方法，即首先将所有微测井深度-平均速度散点全部统计，研究工区平均速度总体变化趋势，划分出低速层与降速层深度关系，再对全区的微测井进行统一的解释。以董2 井北工区为例，可以看出低速层与降速层的边界大致在沙丘厚度20 m 的位置，因此，对于单个微测井进行解释时，当沙丘厚度小于20 m，不需划分降速层，只划分出低速层各层速度、厚度及高速层速度；当沙丘厚度大于20 m，首先划分出20 m 以上低速层各层的速度、厚度，再解释高速层速度，二者之间为降速层的速度与厚度。

通过岩性录井发现，低速层以含土湿沙层为主，降速层为干燥沙层，高速层为含水沙层，各层速度随季节变化而变化，且变化规律不同。以董2 井北三维S3 试验点为例，2012-03-20，积雪刚融化，测得的低速层速度为601 m/s，降速层速度为867 m/s，高速层速度为2 128 m/s；2012-05-25，温度已升高，含水饱和度降低，测得的低速层速度为524 m/s，降速层速度为893 m/s，高速层速度为2 104 m/s。可以看出，季节变化对低速层速度影响较大，降速层与高速层基本不受影响。

1.4 沙丘吸收衰减特征

品质因子即Q 值是反映介质吸收特性的一个重要参数。利用频谱比法对微测井原始资料进行计算，可以求取该位置处的Q 值[6-7]。具体方法为：取两个深度或两个时间上的子波，进行频谱分析得到两个振幅谱，对每个频率求两个振幅谱的比值，比值对频率的关系表示这个层段内衰减与频率的关系。由于微测井的高成本，通常一个工区内的微测井密度无法满足高精度近地表Q 建模的要求。因此，如何利用有限的微测井资料得到整个工区的近地表Q 模型，是实现近地表吸收补偿的关键。研究认为，地层的品质因子和纵波速度有着某种稳定的关系[8]，利用准中沙漠区微测井资料计算出各个测点品质因子与速度（图6），并对品质因子与速度之间的关系进行最小二乘法拟合，得出了适用于准中沙漠区的品质因子Q 与速度v 的公式

利用微测井资料得到的Q 与速度的关系，结合近地表速度建模技术建立全区近地表Q 模型，图7是层析反演获得的董2 井北近地表速度模型及利用公式（1）计算得到的三维近地表Q 体。

图6 微测井资料计算出的品质因子与速度散点图Fig.6 Q-velocity scatter diagram by micro-log

图7 董2 井北纵线2 265 近地表速度模型及近地表Q 体Fig.7 Near surface velocity and Q model of inline 2 265 in D2 Area

2 准中沙漠区针对性地震勘探技术及效果

根据研究得到的准中沙漠区近地表地球物理特征及认识，地震勘探中采用了以下针对性的采集技术及处理方法。

2.1 巨厚沙漠区“潮湿沙层”组合激发技术

激发深度的选择主要考虑激发时产生的虚反射、激发岩性对地震波的影响、能量散失和能量下传等因素。大量的研究与生产实践证明，沙漠区采用潜水面下激发，所得资料品质是最好的[1]。准中沙漠区虽然没有明显的潜水面，但是在高速层以下激发，效果明显好于在沙层中激发。对于厚度50 m以下的小沙丘区，利用建立的沙丘厚度模型进行逐点井深设计，保证了单深井区激发效果。

对于厚度大于50 m 的高大沙丘，钻井过程中易坍塌，成井困难，施工效率很低。前期勘探一般采用双井组合施工，井深45 m，采集资料效果较差。岩性和含水性调查发现，6～15 m 沙层受蒸发作用影响较小，湿度相对比较稳定；15 m 以下沙层，雨水无法渗透到该层，变得相对干燥。注水激发试验表明，沙层含水多，激发效果好。利用近地表低速层是含土湿沙层的特点，在低速层内进行了多井组合井数、浅井钻井深度等试验，最终选择12 口井、井深9 m 的组合方案进行施工。虽然组合井采集效果比钻至高速层的单深井效果差，但明显好于降速层中双深井组合激发效果，且施工效率大幅提高。图8 是董2 井北三维单炮与老二维单炮对比，这两炮位置相差30 m，沙丘厚度小于50 m，均采用单深井激发，2002 年二维施工时激发井深28 m，药量14 kg，最大偏移距9 860 m；2012年三维施工时激发井深30 m，药量16 kg，最大偏移距7 590 m，由于三维施工时采用了微测井及岩性取芯等近地表调查技术，近地表测量精度高、模型准确，在此基础上逐点设计激发井深，三维资料信噪比得到了明显提高。

图8 董2 井北三维区新老单炮对比Fig.8 Shot comparison between year 2002 and 2012 in D2 Area

2.2 综合沙丘量板静校正技术

对表层调查资料的分析后认为，准中沙漠区低降速带由于介质单一，且低降速带没有明显的速度界面，介质速度随着沙层厚度的增加稳定地增大，空间上对地震波的延迟只与所在位置的沙层厚度有关，在该区沙丘曲线静校正具备了应用的前提条件。沙丘曲线静校正是在沙漠区高效实用的一种静校正技术，其基本原理是：对微测井得到的初至时间与深度进行分析和拟合，得到一个符合工区的沙丘时深关系曲线；根据微测井测量得到的高速顶界面及各炮点、检波点高程建立工区近地表厚度模型；最后根据沙丘曲线量板将各炮点、检波点的近地表厚度换算为时间，并计算校正量，即完成了静校正。

图9 成1 井东、董2 井北野外测量沙丘曲线量板与所有微测井测量散点对比图Fig.9 Field sand template and micro-log scatter overlay map in C1 and D2 Area

常规的沙丘曲线量板建立方法是通过对全区最大沙丘进行高密度的表层调查，根据深度及对应的时间进行最小二乘多项式拟合得到的（图9）。图9中红线为成1 井东三维野外测量得到的沙丘曲线量板，绿线为董2 井北三维野外测量得到的沙丘曲线量板，黄线为利用董2 井北所有微测井散点拟合得到的沙丘曲线量板，可以发现，3 条曲线存在明显的差异。利用这3 条量板计算得到的静校正量，分别在成1 井东与董2 井北三维进行了应用，虽然能部分解决近地表静校正问题，但都存在局部不适用的问题。

将位于高速层内的微测井散点剔除后，对全区深度-时间散点进行最小二乘多项式拟合，得到了适用于全区的沙丘曲线量板（图10），与在高大沙丘区进行野外测量得到的量板相比，该量板综合了全区所有微测井点的共性信息，比在单一测点得到的量板具有更好的适用性[9]。针对准中沙漠区的典型特点，自主开发了适用于本区连续变化介质的综合沙丘曲线静校正软件，在成1 井东及董2 井北三维区应用，取得了很好的静校正效果（图11，图12）。

图10 董2 井北三维综合沙丘曲线量板Fig.10 Global fitting sand template in D2 Area

图11 董2 井北三维综合沙丘曲线静校正前后单炮Fig.11 Shot static correction by sand template in D2 Area

图12 董2 井北综合沙丘曲线量板静校正前后叠加剖面对比Fig.12 Static correction section by Global fitting sand template in D2 Area

2.3 沙漠区近地表吸收补偿技术

准中沙漠区近地表疏松的沙丘引起了严重的高频能量吸收衰减问题，因此需要对近地表沙漠吸收的地震波的能量进行补偿，恢复地震波的高频成分[10]。反Q 滤波主要用于消除中深层等高速层对地震波的衰减，而非针对地震波吸收衰减更为严重的近地表。现有的针对近地表吸收的补偿方法大多基于单道数据进行补偿，只适用于叠后数据，补偿效果有限[11-13]。为了对叠前数据进行补偿，提出了以下方法：利用黏弹性波动方程波场延拓把地表接收到的地震波场延拓到高速层顶，相当于把检波器埋置在高速层顶，从而消除近地表对地震波吸收的影响，补偿被近地表吸收的高频能量[14]。

在实施波场延拓前，需要确定研究区近地表的黏弹介质类型，这关系到黏弹波动方程的求解问题。通过对准中沙漠区近地表取样的实验室测试，准中沙漠区近地表品质因子在小于100 Hz 时与频率无关，近似于常数（图13）；同时，品质因子与速度近似成正比关系。基于以上两点结论可以确定该地区近地表符合Kjartansson 模型。

在确定了近地表黏弹介质类型及品质因子和速度模型后，即可通过求解黏弹波动方程进行近地表的吸收衰减补偿，补偿是通过黏弹性波动方程延拓来实现的。经典的波场延拓算法包括：相移法、傅里叶有限差分法、裂步傅立叶法等，经过实验，综合考虑效率和精度，认为采用裂步傅立叶加插值法和相移加插值法进行波场延拓较为合适。由于三维叠前庞大的数据量，以及波场延拓频繁的二维傅立叶正、反变换，在单机上运行三维叠前波场延拓所耗费的机时难以忍受的，为此，开发了基于MPI 的频域数据分发、分频段处理、频域数据合并的并行处理模块，大幅度提高了计算效率和实用性。

图13 微测井得到的近地表品质因子与频率关系Fig.13 Frequency-Q relationship diagram by micro-log

另外，由于地震资料或多或少存在高频噪音，波场延拓过程中对于高频成分振幅恢复带来不稳定性，它关系到补偿后频带范围的大小，高频信号是否失真等问题，因此，高频补偿过程中必须施加稳定性条件[15]。

图14、图15 分别是董2 井北三维吸收补偿处理前后的单炮及剖面对比，经过吸收补偿后，地震资料的频带展宽了12 Hz，高频能量得到了较好恢复，分辨率明显提高。

图14 董2 井北三维近地表吸收补偿前后单炮对比Fig.14 Near surface absorption Compensation shot comparison in D2 Area

图15 董2 井北三维近地表吸收补偿前后剖面对比Fig.15 Near surface absorption Compensation section comparison in D2 Area

2.4 应用效果

处理效果表明，由于查清了沙漠区近地表结构，获得了准确的地球物理参数，在此基础上采用的针对性采集、处理技术是有效的。图16 是成1 井三维新老剖面对比，新资料信噪比高，具有较好的连续性，浅、中、深层资料成像准确，断层、河道沉积等地质现象丰富，地层接触关系明显，沙漠区地震攻关取得了显著效果。

图16 中部2 区块二维剖面与对应的成1 井东三维成果剖面对比Fig.16 Final section comparison between 2D and corresponding 3D line

3 结 论

（1）与塔里木盆地沙漠区属于流动性沙丘不同，准中沙漠区属于固定或半固定沙丘。准中沙漠区尽管没有明显的潜水面，但具有平缓稳定变化的统一沙丘底界面，这一特征与塔里木沙漠区是一致的。

（2）沙丘内部属于连续变化介质，具有一致性的深度-时间对应关系；沙丘速度随深度的增加而增大，不同区域相同的埋深对应基本相同的速度。

（3）利用沙丘具有一致性深度-时间对应关系的规律，综合拟合得到了适用于全区的沙丘曲线量板，自主开发了适用于连续变化介质的静校正软件。研究及应用表明，沙丘曲线静校正技术不但适用于塔里木盆地流动性沙漠地区，更适用于准噶尔盆地固定性、半固定性沙漠地区。

（4）利用品质因子与沙丘速度具有良好的对应关系的特点，建立了沙漠区近地表品质因子模型，研发了黏弹波动方程近地表吸收补偿模块，消除了近地表对地震波吸收的影响，补偿了高频能量损失。

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