地震数据采集现场实时输出附地质层位单炮记录的智能方法

胡 峰 窝聿楷 梁顺军* 陈江力 张晓斌 敬龙江

(①东方地球物理公司西南物探分公司，四川成都 610213； ②西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500)

0 引言

在地震勘探数据采集现场，技术人员通常采用“相面法”分析、评价单炮记录质量[1]，但对反射同相轴对应的地质层位并不明确，因此对单炮记录中各层位的反射能量和信噪比的分析缺少针对性。诸多相关文献[2-10]在分析和评价实际单炮记录质量及反射特征时，因单炮记录未做地质层位标定，其分析的目的性不强。目前中国国内大多数油气田开发进入中晚期，对地震数据采集质量和所能达到的勘探精度提出更高要求，尤其对目的层地震资料品质提出更高要求。因此，在单炮记录上标定地质层位，对地震数据现场采集具有实际意义，而且也可解决室内数据处理人员的迫切需求。

通过VSP、合成记录对地震剖面进行层位标定，是常规地震资料解释的重要环节，且已有相应的成熟方法和技术标准。但对单炮记录进行地质层位标定，尚鲜见相关文献，目前基本处于空白阶段。在单炮记录上标定层位，从地震勘探原理和方法看是可行的。但采用人工标定单炮记录方法通常是在室内进行，且时效低，不能及时有效地应用于地震采集现场，因此不能对实时采集的单炮记录目标反射层位品质做出合理的评价。进入21世纪后，石油物探技术逐渐走向自动化、智能化数据采集、处理和解释时代[11-12]。在地震数据采集中，采用地震单炮记录地质层位智能快速标定方法与技术，利用计算机大数据运算、处理能力，能实时自动标定单炮记录地质层位，有助于从地质认识角度，结合信噪比、分辨率及能量，监控单炮记录质量，从而实现高质、高效的地震数据采集。近年来，该方法在四川盆地多个区域地震数据采集中，取得了良好的效果[13]。

1 单炮地质层位标定原理

1.1 水平叠加时间剖面与单炮记录反射层位关系

依据地震勘探原理，水平叠加时间剖面(简称叠加剖面)上任意CMP点记录时间和单炮记录极小点时间(激发点时间)都是“自激自收”时间，因此可采用叠加剖面的层位标定单炮记录层位[14]。对于水平层状界面(均匀介质)，单炮记录反射同相轴为双曲线，其极小点与激发点位置基本重合； 对于倾斜或弯曲界面(非均匀介质)，单炮记录反射同相轴可能为非双曲线，其极小点可能向界面上倾方向偏离一定距离，单炮记录反射同相轴极小点与激发点位置不重合。利用VSP、声波合成记录和钻井资料，标定偏移时间剖面地质层位，进而可确定叠加剖面地质层位。将叠加剖面地形线作为单炮记录计时零线(图1)，确定单炮记录极小点在叠加剖面上的位置，要求叠加剖面与单炮记录的时间纵向比例一致，然后将解释层位投影到单炮记录上，从而实现单炮记录层位标定。为了突出效果，图1只标定了强反射标志层。对于弱反射层或非标志反射层，只要VSP、声波合成记录能确定其对应地质层位，叠加剖面与单炮记录层位也是一一对应的，因此单炮记录也可标定弱反射或非标志反射层的地质层位。

图1 利用(川东DCG构造)叠加剖面(b)标定单炮记录(a、c)

1.2 偏移时间剖面与叠加时间剖面的层位关系

从理论及方法上看，叠加剖面标定单炮记录层位比偏移时间剖面精度高。但一般地震资料解释，都是在偏移时间剖面上标定层位，对比追踪反射同相轴[15]，确定构造解释方案，进而完成储层和裂缝预测。因此， 难以广泛、方便地应用叠加剖面标定单炮记录层位。但在一定误差范围内，用偏移时间剖面标定单炮记录层位更方便、快捷。应用偏移时间剖面和叠加剖面标定单炮记录，需厘清时间剖面T0时间与t0时间及其时差Δt、T0图与t0图以及埋时T0u图与埋时t0u图等基本概念。

1.2.1T0与t0时间

T0是指偏移时间剖面中，水平接收面铅垂向下反射界面的双程旅行时间；t0是指叠加剖面中，反射界面自激自收的双程旅行时间。

若地下界面是水平的，偏移时间剖面T0时间等于叠加剖面t0时间，此时叠加剖面能直观地反映地下构造形态(图2a)。当界面倾斜时，叠加剖面反射层与地下真实构造形态和空间位置并非完全一致(图2b)，叠加剖面上的反射同相轴R′偏离界面的真实位置R。叠加剖面总是把记录道显示在共中心点的铅垂方向上，即共反射点位置偏离了共中心点下方的铅垂线，偏移时间剖面T0时间大于叠加剖面t0时间。

图2 水平界面(a)和倾斜界面(b)情形下T0时间与t0时间示意图

1.2.2 用偏移时间剖面标定单炮记录误差分析

由于界面倾斜，同一CMP点的T0时间与t0时间两者之间存在时差Δt(图3)，Δt与界面真倾角θm(θ为界面视倾角)之间存在关系

(1)

显然，Δt随地层倾角、埋深增大而增大(图4)。当地层倾角为0°时，Δt=0。故在允许的误差内，可用T0代替t0，即采用已有的偏移时间剖面反射层位和T0时间，方便地标定单炮记录层位。

常规地震勘探纵向分辨率为Δt=T/4(T为视周期)，因此层位标定的误差可定为T/4，在有井约束条件下可达到T/8。室内资料解释层位标定要求具有很高的精度，误差范围是T/8～T/4。对于现场单炮记录层位标定，不同于室内资料解释，只需知道主要目的层位相对位置和时间即可，可适度降低层位标定精度，其误差范围可扩大到T/2～T。设常规地震剖面反射同相轴周期T=30ms，则室内地震剖面层位标定误差为3.75～7.50ms，单炮记录层位标定误差为15～30ms。

图3 T0与t0时间关系示意图

图4 不同t0下Δt随地层倾角变化

中国石油集团东方地球物理公司西南物探分公司在四川盆地地震数据采集中，基于地震勘探纵向分辨率，以单炮记录层位标定误差15～30ms为依据，用T0代替t0标定单炮记录层位，并设定以下参考标准：

(1)当界面平缓(0°≤θm≤10°)时，用T0值标定单炮记录层位的误差较小，可用T0值代替t0值标定单炮记录层位；

(2)当界面较陡倾(θm>10°)时，用T0值标定单炮记录层位的误差较大，而应选用t0值标定单炮记录层位。

若要消除倾斜(θm)界面T0时间标定层位误差，用下式求取校正后t0值，即可精确标定地质层位

t0=T0cosθm

(2)

1.2.3 时间剖面T0、t0图与埋时T0u、埋时t0u图

地震资料解释中，为表征时间域构造形态，通常采用固定面作为计时零线，将以偏移时间剖面绘制的构造图称为T0图，以叠加剖面绘制的构造图称为t0图。

图5 固定面(a)和地形线(b)两种作图方法(位置见图6a)

图6 两种基准面作图方法的S1l界面形态(蜀南CN地区)(a)地貌； (b)T0图； (c)埋时T0u图

据1.1节所述，若用偏移时间剖面标定地震单炮记录层位，也需采用地形线到某一层反射界面时间值，因此需将地形线作为计时零线，拾取偏移时间剖面时间值，称为埋时T0u值(图5b)，对应的反射界面平面图称为埋时T0u图(图6c)；用叠加剖面作图称为埋时t0u图。当地面水平时，T0图和埋时T0u图的平面构造形态相同。

2 单炮地质层位智能标定方法

人工标定单炮记录方法因速度慢、效率低，不能及时高效地应用于地震数据采集现场。因此，需探寻快速、有效的单炮记录层位标定方法，即每放一炮，仪器就输出带有地质层位的单炮记录。通过采用地震单炮记录地质层位智能标定方法和流程(图7)，可达到此目的。

2.1 建立四维地震数据体

解释工区以往的偏移时间剖面，用VSP或声波合成记录标定目的层的地质层位，对比追踪反射同向轴，以地形线作为计时零线，固定面与地形线之间速度为静校正充填速度4000m/s(四川盆地)，从而编绘目的层的埋时T0u图。

将实测炮点坐标(x，y，z)投影到目的层埋时T0u图，以(x，y，z，T0u)格式将工区地形、炮点、地层代号与T0u值融合，构建工区单炮记录层位标定(地形、炮点、地质层位与埋时T0u图)四维地震数据体，输入到“地震单炮记录地质层位智能标定模块(SIGR)”中。

图7 人工智能快速单炮记录层位标定流程

2.2 实时标定单炮记录地质层位

2.2.1 二维单炮记录层位标定

在二维地震数据采集施工(图8a)中，依据观测系统有序放炮，获得单炮记录(图8b)； 应用SIGR模块，地震仪器自动确定炮点坐标(x，y，z)，自动读取当前监控炮点道头坐标、各反射层T0u时间和对应的地质层位(图8c)，进而标定并输出相应的单炮记录地质层位(图8d)。在二维勘探中，放一炮对应一个排列接收，输出一张单炮记录。

图8 地震数据采集智能标定单炮层位示意图(二维)(a)实时采集； (b)单炮记录； (c)自动层位标定； (d)有层位单炮记录

2.2.2 三维单炮记录层位标定

在三维地震勘探中，采用一点激发多线接收(图9a)方式，输出多张单炮记录。沿着炮线，Ln接收线上的单炮记录极小点(各接收线离炮点最近距离)的连线(或包络线)仍具有双曲线性质的时距曲线，可称为大时距双曲线(h为共中心点垂直深度)

(3)

同炮不同排列的单炮反射波时距曲线，可称为小时距双曲线(图9b、图10)。利用这一特点，在三维单炮记录标定中，将地震反射层位标注到最近接收线(过炮点排列L0，相当于二维观测系统)单炮记录极小点处，如要标定远接收排列Ln的单炮记录地质层位，则需利用动校正公式

图9 三维连续单炮记录时距曲线示意图(a)观测系统； (b)连续单炮记录

图10 实际三维连续单炮记录时距曲线(蜀南NC向斜)

(4)

图11 三维连续单炮层位标定示意图

将近炮T0u时间作相应延迟Δtn(图11)，即是将地质层位代号沿大时距双曲线进行时移Δtn，便得到三维各排列的单炮层位标定记录。式(4)中根号内第三项正负号的选择：规定界面的上倾方向与排列接收方向一致时，取负值； 反之取正值。

3 应用及效果

利用单炮层位智能标定模块，在仪器车上即可实现监控有地质层位的单炮记录质量。以蜀南CN三维地震施工为例(图12)，单炮记录上已标定层位的反射层信噪比高，能量强，同相轴连续，获得了上三叠统须家河组(T3x)—志留系龙马溪组(S1l)的浅、中、深层地震反射资料，反映了工区单炮地震资料品质良好，达到了施工设计的质量要求，完成了针对龙马溪组页岩层地震数据采集任务，为后续地震资料处理、解释及提交可靠的地震成果打下了良好的基础。

图12 蜀南CN地区三维地震单炮记录层位标定(a)三维单炮记录； (b)埋时T0u图

4 结论与认识

(1)采用地震单炮记录地质层位实时智能标定方法，能实时监控单炮记录目标反射层品质，从采集处理解释一体化角度出发，科学合理地评价单炮记录质量，从而确保高质量完成数据采集。

(2)该方法是基于埋时T0u图时间值，对单炮记录做地质层位标定，无论工区资料信噪比高或低，同相轴强、弱或是否连续，都可进行层位标定。

(3)在单炮记录上标定地质层位，有助于处理人员针对勘探目标开展精细叠前处理，提高剖面成像精度，满足油田精细勘探开发的需求。