川西地区二叠系火山岩地震采集关键技术应用及效果

黎书琴 王晓阳 张 孟 赵晓红 王雪梅 周晓冀

(①东方地球物理公司西南物探分公司，四川成都610000； ②中国石油西南油气田公司勘探事业部，四川成都610000)

0 引言

中国沉积盆地内部及其周边地区火山岩广泛分布，总面积达2.157×106km2，预测有利勘探面积为3.600×105km2，展示了火山岩油气藏勘探领域的巨大潜力[1]。四川盆地位于上扬子克拉通盆地西北部，经历了古生代—早中生代的克拉通拗陷阶段和晚三叠世—新生代晚期的前陆盆地阶段，为海相克拉通和陆相前陆盆地的叠合。四川盆地及其相邻的云南、贵州等地区在中、晚二叠世发生强烈的火山喷发事件，形成了巨厚的“峨眉山玄武岩”，其呈近南北向的菱形，面积为2.500×105km2，是中国唯一一个被国际学术界认可的大火成岩省[2-5]。

四川盆地火山岩气藏为构造—岩性复合圈闭类型，主要受寒武系烃源岩、二叠系厚层喷溢相火山碎屑岩储层、深部断裂和盖层的控制。YT1井二叠系火山岩发育厚层优质孔隙性储层，储层岩石类型主要为角砾熔岩、含凝灰角砾熔岩。储集空间主要为溶蚀微孔、角砾间溶孔及气孔等。该盆地火山岩气藏勘探始于上世纪60年代，主要经历了初探(1966—1991年)、详探(1992—2013年)和突破(2014年至今)三个阶段。

2018年，四川盆地川西风险探井YT1井成功钻遇二叠系火山岩气藏并获得高产工业气流，展示了该区二叠系火山岩具有良好勘探前景[6]，YT1井的突破带动了四川盆地二叠系火山岩新一轮的勘探热潮； 2019年，中国石油西南油气田公司在川西YT1井地区采用井—震联合三维地震勘探技术，克服了地表条件复杂、地下目标隐蔽的难题，获得了较好品质的原始地震资料，提高了火山岩储层发育区地震成像精度，为精细刻画火山岩储层纵、横向展布特征提供了基础。

1 存在问题及技术思路

YT1井区三维探区地表复杂、障碍物广泛分布，构造受龙泉山主控断层的影响，褶皱和断裂主要在中三叠统以上的浅层发育，断层具有滑脱特征；其下嘉陵江—寒武、震旦系地层中均未发生大的变形，断裂不太发育。

二叠系火山岩储集条件优越，孔隙发育、物性好。火山岩厚度在200～350m之间变化，虽然火山岩埋深适中，地层厚度大，有利于储层识别和预测，但其内幕反射杂乱，细节刻画难度较大。因此，地震勘探采用高精度观测系统设计、井—震联合采集施工、动态激发井深设计、低频检波器接收等采集关键技术，以提高原始资料的信噪比和分辨率，使火山岩内幕或深层的成像效果及储层刻画精度得以提升。

2 高精度观测系统设计

2.1 基于弹性波波动方程正演的观测系统优选

地震采集观测系统设计方案直接影响速度模型精度、偏移成像质量及资料解释成效等，本文通过建立数学模型，利用波动方程正演模型数据得到不同观测参数的地震数据记录。对比、分析不同参数对地震叠前偏移成像质量的影响，从而优选有效参数。

地形起伏和复杂近地表引起面波、体波等地震波型之间的相互转化，会产生大量的散射P波、散射S波和散射面波。尤其是沿地表传播的强能量面波，在地表起伏处会产生大量的强能量散射面波，同时产生相对较弱的散射P波和散射S波，这是造成山地地震资料信噪比低的主要原因。

为了尽量接近真实记录，运用弹性波波动方程正演技术，基于沿层渐变表层模型模拟不同速度的表层结构，正演所产生的面波来自于地表低速层。如图1所示，表层速度的变化影响单炮资料品质，主要表现在：低速表层会产生强能量面波且频散现象较为严重； 高速表层产生能量一般、形态单一的面波。采用沿层渐变表层结构模型(图2)的正演单炮(图1d)与实际单炮(图1e)效果相似。

图1 不同表层速度的正演和实际单炮记录(a)无低降速带； (b)800m/s表层速度； (c)1800m/s表层速度； (d)800～2000m/s渐变表层速度； (e)实际单炮

图2 沿层渐变速度模型

基于波动方程的傅里叶有限差分传播算子可以进行面向目标的地震波照明和成像，分析不同观测系统对地下不同区域的照明强度，确定阴影区范围。同时，利用正演单炮记录进行分参数处理，可从叠前偏移整体成像的角度筛选观测系统。本文按照“含起伏地表和近地表渐变信息的模型构建—仿真实单炮正演—观测系统实验参数选取—偏移成像处理效果对比”的思路(图3)，制定了基于弹性波正演的观测系统参数论证流程，并在观测系统关键参数论证中得到进一步验证。论证结果不仅完成了对弹性波正演和深度偏移正确性的双向验证，同时将基于叠前偏移成像的参数论证策略融入了观测系统设计，使设计优选更加直观。

图3 基于正演技术的观测系统设计流程

2.2 基于弹性波波动方程正演的观测系统优选

图4是依据沿层渐变表层模型的YT1井的正演速度模型，表层速度设置为1000～2600m/s的渐变速度，低速表层会产生强能量面波和较为严重的频散，使得正演单炮更趋近于真实。通过正演数据的处理、分析开展观测系统参数优选，主要是针对面元、炮检距、覆盖次数等观测系统关键参数，最终指导设计经济可行的观测系统方案。

图4 YT1井正演速度模型

第一个关键参数是面元。从图5不同面元的正演单炮和F-K谱对比分析得出，面元为25m×25m的F-K谱显示，在主频30Hz以上会产生较为严重假频，因此推荐面元尺寸不超过25m×25m。

图5 不同面元尺寸正演单炮(左)和F-K谱对比(右)(a)5m×5m; (b)10m×10m; (c)15m×15m; (d)20m×20m; (e)25m×25m; (f)30m×30m

第二个关键参数是炮检距。首先对正演数据进行变炮检距处理，然后直接应用模型网格速度作为叠前深度偏移速度体进行Kirchhoff深度偏移，偏移剖面成像质量高，且构造形态、层位深度与模型完全一致。图6是炮检距分别为4、5、6、7、8和9km的叠前深度偏移剖面，通过对不同炮检距的叠前深度偏移剖面成像效果的比较，可确定最大炮检距。由图可见，炮检距为4～9km均能满足地下目标的成像要求，但是能量强弱不一。为了保证深层有更好的成像效果，对关键部位的成像解释更有帮助，往往采用大炮检距有利于深层成像，偏移归位较好、能量聚焦较强。为了实现从剖面效果的定性分析到定量分析的目的，提取叠前深度偏移剖面某一目的层的均方根振幅能量进行量化分析。每个炮检距的剖面提取一组数据，炮检距4～9km共有6组数据参与比较，形成能量随炮检距变化图。图7是深层目的层均方根振幅能量随炮检距变化曲线图，由图可见，炮检距7km以上振幅能量曲线区分不明显，炮检距7～9km的振幅能量曲线几乎重合。因此，为了达到技术、经济一体化的效果，合适的最大炮检距为7km左右。

图6 炮检距分别为4(a)、5(b)、6(c)、7(d)、8(e)、9(f)km的叠前深度偏移剖面

图7 目的层均方根振幅随炮检距变化曲线

基于地震波场数值模拟、深度偏移能量分析等技术，设计了YT1井火山岩地区的高信噪比、高分辨率的三维地震采集方案[7-11]。表1为该项目设计的三维观测系统参数，依据这些观测参数进行采集施工，获得了高质量的原始地震资料，为后续的资料处理和解释工作奠定了坚实的基础。

表1 观测系统参数设计

3 井—震联合采集施工

目前，国内陆上地震勘探通常采用炸药或可控震源激发。受野外施工条件、环境和生产成本的限制，越来越多的三维地震勘探采取井—震联采的方式[12-13]。川西火山岩地区在以往井—震联合采集施工技术基础上进行了改进和完善。

四川盆地地表障碍密集，极其复杂的地面条件导致勘探部署和观测系统设计实施难度大、采集变观多、井—震点位布设难、炮检点不均匀等问题突出。为保证地震采集激发物理点的均匀性，以满足勘探目标成像的要求，采用基于电子围栏的井炮设计和基于道路分级的可控震源激发设计技术的井—震联采模式来分段、分区优化设计炮点(图8)。

图8 井—震联合三维观测系统设计技术流程

3.1 基于电子围栏的井炮设计技术

针对井—震联合施工区域的井炮布设，采用基于高精度遥感影像智能识别的井炮自动避障设计技术。利用“最短路径”偏移方法，在Inline线方向设置偏移参数，沿接收线偏移； 并结合“反射面元连续采样”原则，在Xline 线方向按接收线的整数倍移动炮点，将在障碍物影响范围内的理论炮点偏移到电子围栏区外，对于在偏移规则内无法偏移的炮点进行删除处理，最终偏移后的物理点效果是保持炮点不会落在同一面元内，并最大程度保持面元反射点均匀分布，提高覆盖次数的均匀性。在室内精细设计的同时，野外需全面踏勘以保证井位设计的精准合理和布设的可靠。

基于电子围栏的井炮设计包括障碍物综合标定、电子围栏缓冲、多属性自动避障三项技术。

(1)障碍物综合标定技术。由于国家地理信息公共服务平台的栅格图等有明显色彩标识，地表物体经颜色编辑后具有很强的对比度，因此可直接进行边界跟踪算法提取地表障碍物。如图9所示，按顺序依次跟踪P0、P1、P2等像素边缘点，然后连接起来形成一个闭环多边形，即障碍物边界。

图9 轮廓追踪示意图

(2)电子围栏缓冲技术。将矢量化后的各种障碍物数据(平面图件、地下实测管路等)综合汇总，在地震采集系统软件上，按照国家标准、行业规范、地方政府主管部门的有关规定及测试结果，对不同类别的障碍物设置安全距离， 形成地物电子围栏； 同时，通过测区高分辨率数字高程模型(DEM)，计算坡度、起伏度，形成四级风险(安全区、低风险作业区、中风险作业区和高风险作业区)分级图，分别输出各区域矢量数据，形成地形风险电子围栏。将地物电子围栏和地形风险电子围栏合并处理，电子围栏区内禁止作业，整体判定激发点的禁止布设区，以便进行物理点智能避障设计。

(3)多属性电子围栏自动避障技术。多属性风险包括地形风险、地物风险、地下风险以及人文风险等。采用最短路径偏移法，同时考虑各类风险的安全距离进行炮点的逐点偏移设计。并且考虑炮点偏移后覆盖次数的均匀性，从而为激发点布设优化。

3.2 基于道路分级的可控震源激发技术

针对可控震源激发，结合室内优选与室外精细踏勘，采用基于道路分级的可控震源点位网格化逐点设计技术，根据工区内道路实际情况，结合可控震源施工可行性，将道路进行细化分级，然后根据覆盖次数模拟结果，依次按尺寸为40、20及10m的网格逐级优化布设震源点，在选出的可实施可控震源的道路上均匀布设和加密激发点。

工区障碍物星罗棋布，为了加快道路情况调查，在对道路进行细化分级的时候可采用轮廓追踪技术获取道路的矢量数据，基于这些分级道路的基础数据可快速完成激发点的布设和行进线路的规划。

通过对分区激发点的优化设计，三维观测系统覆盖次数变得更合理、更均匀，主要目的层段的覆盖次数满足了技术设计要求。图10为优化设计后工区的井炮和可控震源激发点分布图。

图10 优化设计后的工区井—震激发点分布图

根据采集参数对可控震源进行子波处理，其最小相位化处理与炸药震源保持一致，并满足最小相位条件假设； 采用可控震源向炸药震源进行匹配处理。

通过井—震联合设计及运用，采集的原始地震资料经过井—震联合处理后，在外界不可控干扰极其严重的情况下，仍获得了较高信噪比的地震剖面(图11)。

图11 YT1井三维最小相位化后井、震单独叠加剖面(上)和整体叠加剖面(下)

4 动态激发井深设计技术

4.1 基于岩性识别的动态井深设计技术

四川盆地白垩系和侏罗系出露地层普遍存在砂、泥岩互层的情况，在表层15m深度范围内，有多层砂岩和泥岩交替出现，并且在不同位置两者厚度不一致。勘探证实，泥岩中激发的资料品质明显优于砂岩(图12)。因此，期望钻井的深度可确保炸药在泥岩中爆炸。

图12 泥岩(左)与砂岩(右)中激发的单炮对比

基于岩性识别的井炮动态井深设计技术的核心是对所钻遇地层的岩性进行识别，追踪泥岩激发，确定最佳炸药爆炸井深范围。由于同组地质层位激发的单炮资料品质可能存在较大差异，因此需针对不同海拔、不同地表高程的深井进行岩性录井及激发试验，以调整动态井深范围。设计流程如图13所示。

图13 基于岩性识别的动态井深设计流程图

4.2 追踪泥岩激发试验

工区白垩系苍溪组及侏罗系蓬莱镇组砂、泥岩占比达90%以上，浅表层主要为砂、泥岩互层。为了尽可能在泥岩中激发以提高单炮资料品质，根据工区地表岩性分布情况和地表高程，应用岩性录井调查工区的浅表层岩性分布特征，实钻的岩性调查表明，在深度12～15m均能追踪到泥岩，结合分海拔设计调整，将白垩系苍溪组动态井深调整为15～17m，最终动态设计的激发井深见表2。

表2 工区地表主要岩性对应的动态设计激发井深

采用动态井深设计和追踪泥岩激发技术，统计了YT1井区完钻井位岩性，得出在泥岩中激发的井位占91.23%。

图14为基于浅表层岩性录井的激发井深动态设计应用效果对比。可以看出，合适的激发井深可保证炸药在泥岩中激发，单炮品质将得到有效提高。同时，采用动态井深激发的地震资料信噪比明显提高，分辨率更高(图15)。

图14 基于浅表层岩性录井的激发井深动态设计应用效果对比上：苍溪组泥岩内激发，井深15.0m； 下：苍溪组砂岩内激发，井深16.8m

图15 固态(左)与动态(右)井深设计时间剖面效果对比

5 低频检波器接收技术

5.1 低频检波器接收理论

Kroode等[14]对低频信息在宽频资料中的重要性进行了系统分析，指出拓展地震资料的低频端能量可有效减小旁瓣能量，进而提高资料分辨率。低频信号通常可更有效地避免近地表处因吸收和散射产生的屏障，有效穿透高速岩体，实现对地下隐藏目标的成像。同时，低频信息的存在能有效防止全波形反演中产生的跳频(Cycle skipping)现象，使结果更好地收敛于真实速度模型。从地震采集的角度出发，获得有效的低频信号主要取决于低频激发和低频接收两个方面[15-17]，其在四川盆地的火山岩勘探实例中得到了印证。随着山地地震逐步向深层迈进，针对火山岩勘探，井炮和可控震源激发地震波中的低频成分对解决低频采集、保低频处理等深层成像问题十分有利。

罗福龙[18]指出自然频率是决定检波器低频接收能力的关键参数。理论分析表明，如欲接收低至1.5Hz的低频信号，则自然频率不能高于6Hz。同时，为有效接收地面微小振动，结合主频带内灵敏度随频率总体以12dB/oct衰减的规律，自然频率为5Hz的低频检波器的灵敏度应大于80V·m-1·s。如图16所示，在理论上自然频率为5Hz的低频检波器相对于10Hz的常规检波器在低频端有着更高的振幅响应。

图16 GT DS-5H与10Hz单只检波器的低频响应能力

通过对比、分析低频检波器GT DS-5Hz和常规检波器GT DS-10Hz的低频响应能力，得出以下的结论：单只5Hz低频检波器在1～10Hz振幅能量明显较高，且响应频谱范围宽，在大于10Hz时，两者基本趋于一致； 频率5Hz时，响应值从GT DS-10Hz的23增加到GT DS-5Hz的65，增大2倍以上；频率10Hz时两者响应值相当； 响应值为50时，频率值从GT DS-5Hz的4Hz提高到GT DS-10Hz的7.5Hz，提高了3.5Hz左右。

同时对4种不同低截频率的单道子波理论模拟(图17)也存在如下的结论：低频子波振幅大、频带宽，即随着模拟频率的增加，子波旁瓣的振幅能量变大，频带范围变窄，子波主瓣基本不变； 反之，频率越低，频带范围越宽[19]。

图17 4种不同低截频率的子波(上)和频谱(下)特征

5.2 低频检波器试验分析

为提高火山岩强屏蔽层以下有效信号能量，满足高精度地震成像需求，针对5Hz(低频检波器)与10Hz(常规检波器)采集的原始(图18a)和去噪后(图18b)单炮资料效果进行对比。

图18 常规10Hz(左)与低频5Hz(右)单点检波器原始单炮资料去噪前(a)、后(b)对比

原始和去噪单炮资料频谱分析(图19)表明：低频检波器具有突出低频信息的优势，并呈现出相似趋势，5Hz单点检波器的有效弱反射能量得到有效提高；分频显示5Hz比10Hz检波器低频信息更加丰富，且单炮频谱拓宽，频谱图上10Hz以下的低频成分能量得到有效提高。可见，5Hz低频检波器接收的单炮资料10Hz以下低频信息丰富，振幅值增强，具有一定的低频拓宽能力。

图19 不同单点检波器单炮资料去噪前(a)、后(b)频谱对比

另外，去噪后低频端振幅值减弱，降低20%，但5Hz低频检波器比10Hz常规检波器能量强； 振幅绝对值降低，频率拓宽基本不变，噪声衰减没有影响有效的低频信息。

6 应用效果

通过高精度地震采集关键技术在火山岩地震勘探中的应用，工区原始单炮品质整体较好，单炮及初次叠加剖面可见明显有效反射。

图20为工区内可控震源激发单炮与邻近泥岩中激发的单炮增益前(蓝框)、后(绿框)的效果显示。从单炮记录看，各地层单炮资料能量适中,信噪比较高,目的层有效波连续性较好，记录主频较高。

图20 可控震源与相邻井炮单炮记录左(蓝框)：纯波； 右(绿框)：加增益

将激发剖面进行频谱扫描(图21)，其有效频带为5～60Hz，低频丰富，5Hz以下可见有效反射，高频段55Hz以上可见弱有效反射。

图21 井炮激发剖面频率扫描

与老资料进行频谱分析对比(图22)可见，地震资料剖面的频宽向低频端拓展了3Hz，地震剖面品质得到大幅提高，为火山岩储层的高精度成像提供了基础保障。从成像效果看(图23)，火山岩低频信息丰富，形态结构清楚，内幕变化体现旋回特征。如图24所示，火山通道特征明显(虚线圈内)，主要表现在深层至下二叠统纵向上呈柱状下凹特征，灯影组底、寒武系底、二叠系底、茅口组底等强反射中断，沿火山通道内部地层杂乱反射。

图22 新(左)、老(右)资料目的层频谱曲线对比

图23 火山岩地震采集新、老叠前时间偏移剖面对比

图24 2019年YT1井火山岩地震采集叠前时间偏移剖面

7 结论

(1)高精度观测系统设计技术采用基于起伏地表和近地表渐变速度信息的波动方程正演，获得更接近于真实的单炮记录，为面向火山岩内幕或深层成像效果的观测系统参数论证奠定了基础。

(2)应用井—震联合采集技术可有效填补大型障碍区地震资料空白，保证激发点的均匀性，满足勘探目标成像覆盖次数的要求，确保浅、深层的成像质量。

(3)动态井深技术优化了井炮激发参数，一定程度上降低了由于井中岩性交替变化对炸药震源地震资料品质造成的影响，有利于提高资料信噪比，拓宽频带，进而提高火山岩地震勘探的精度。

(4)针对火山岩勘探，低频采集能有效解决火山岩成像问题。低频检波器接收具有突出低频信息的优势，其资料较常规检波器接收的资料更能准确刻画火山异常体； 低频配套采集地震资料在10Hz以下具有更大的优势，能量和成像效果都有明显改善。