尼泊尔喜马拉雅山山地高密度宽线采集技术及应用效果

蔡星星, 章多荣, 吴永国, 赵 刚, 刘志欢

(东方地球物理勘探有限责任公司 青海物探处，敦煌 736202)

0 引言

尼泊尔国内迄今为止尚无商业油气田开采，油气资源全部依赖进口，油气资源勘探开发意愿强烈。1982年-1992年期间，CGG、PCIAC、壳牌公司等先后在尼泊尔南部Terai平原和Siwaliks部分地区开展了二维地震勘探，地震资料总体品质不高，最终没有取得油气勘探突破，此后近30年尼泊尔未再开展地震勘探工作。2019年中国地质调查局与尼泊尔地质矿产局签订了中国援助尼泊尔油气资源调查实施协议，援助尼泊尔油气资源调查工程正式立项，为国家“一带一路”战略的重要组成部分。本次二维地震作为援尼泊尔油气资源调查工程的关键子项目，将为工作区下步有利目标区优选和参数井位部署提供重要的依据。

工作区位于低喜马拉雅MBT-MCT的油气潜在区，行政隶属于尼泊尔中西部发展区格(卡)尔纳利省(第六省)的Dailekh(代莱克)县，距离尼泊尔首都Kathmandu(加德满都)约580 km。工作区属于岭谷交错的山地，整体地势东北高西南低，海拔在500 m～2 800 m之间，相对高差达到200 m～2 000 m(图1)。工区海拔落差山大、坡陡，沟深、谷多，尤其北部和东部地势极其险峻，多数区段存在断崖，难以见到比较开阔的地表，地表条件极其复杂。另外由于工作区发生了多期次逆冲推覆，地层遭受构造活动改造严重，使得地质问题复杂，导致地球物理问题突出。

图1 工作区典型地貌Fig.1 Typical landform of working area

根据中尼合作协议，经过充分讨论，本次攻关以油气苗带下覆地层为勘探目标，结合工区地形地貌特征，2019年中国地质调查局成都地质调查中心在该区域部署二维地震实物工作量200 km，由中国石油集团东方地球物理公司青海物探处承担该项目的具体实施。借鉴国内、外逆掩推覆构造地震攻关经验，特别是祁连山北缘逆掩推覆构造带油气勘探攻关效果[1]，本次攻关采用高密度宽线二维地震采集技术，以落实推覆带地质结构为中心，开展地震资料采集、处理、解释一体化攻关，最终揭示工作区地质结构、基底构造形态，为摸清目的层构造特征、有利区带评价提供高品质二维地震资料。

1 高密度宽线采集技术

工作区属于地震勘探空白区，地面出露寒武-下古生界地层，地表为高大山体，下覆构造复杂程度不清，因此地震工作面临诸多难点。主要包括以下几方面：①提高原始资料品质难度大，表层速度较高，低降速带起伏剧烈，速度各向异性突出，速度反转，致使面波、折射波、次生干扰波等干扰发育，原始单炮记录信噪比低;②建立准确的表层结构难度大，岭谷交错起伏、落差大，岩性复杂多变，地表结构横向变化剧烈(包括速度和厚度)，常规表层调查方法即使付出昂贵代价也难以精准揭示表层结构特征;③提高地震反射能量难度大，受地表高速老地层对地震波的屏蔽影响，地震波难以下传，从下覆地层反射回地表的地震波能量弱、频率低[2]。针对以上勘探难点，提出以下几方面采集技术措施：①宽线长排列观测技术，针对工区地形起伏剧烈、植被茂密，推覆构造断面发育高陡的特点，利用该技术有利于物理点的布设和提高推覆构造有效覆盖，对于本地区地层倾角大、逆掩断层发育的情况，能够提升其地震波场的归位效果;②保护成像频带的激发技术，采用保护成像频带的药量与井深匹配激发方法，增强地震波下传能量，提高反射能量;③高灵敏度宽频接收技术，针对本区散射噪音发育和频率低的特点，采用宽频检波器接收，实现地震信号的“宽进宽出”，有利于提升复杂构造成像的低频响应;④复杂地表静校正技术，由于初至包含了丰富的表层信息，反演的表层模型能够解决该区由于地形起伏和结构变化产生的中长波长静校正量，高频静校正量可以通过初至波剩余和反射波剩余静校正解决。

1.1 宽线长排列观测技术

根据工作区地震地质特点，观测系统设计以解决推覆带下覆地层的照明问题为主[3]。由于工作区没有有效的地震资料参考，因此在以往地质成果基础上建立基本参数，并参考祁连山推覆带勘探经验，即采用中间放炮、长排列开展宽线试验，对最大炮检距和覆盖次数等进行优化[4]。

1.1.1 道距选择

从工作区高陡构造模型中部的正演单炮和实际的单炮f-k谱分析看，道距为30 m时基本没有折叠干扰波，因此，道距不大于30 m可以满足主要噪音假频不污染有效反射需要[5](图2)。

图2 工作区单炮f-k谱分析Fig.2 F-K spectrum analysis of single shot in working area(a)道距20 m;(b)道距30 m;(c)道距40 m

针对本区构造高陡和多岩性山地起伏地形的散射源发育的特点，CMP点距选择要优先考虑有利推覆断面的成像，即满足CMP点距≤n·Δx/(2n·Δt·f混)和有利于室内噪音压制。根据推覆带勘探认识，受高速推覆体对地震波的屏蔽影响，高频信息难以下传，一般推覆带成像频率不超过40 Hz，考虑保护60° 倾角信息，理论上CMP点距不超过15 m就可满足需要。尽可能采用较小的面元，增加对地下地质体的采样密度，保护相对高频信息，增强大角度绕射的收敛及降低偏移噪音。综合考虑，工作区采用30 m道距可以满足地质需求。

1.1.2 偏移距选择

工作区最大偏移距的选择重点考虑对地质目标的照明强度最大化[6]。从工作区地震模型波动方程照明看，偏移距在4 000 m～8 000 m之间，照明能量曲线基本重合，说明偏移距大于4 000 m后对照明的有效贡献增幅不大，因此最大炮检距选择不小于4 000 m即可(图3)。

图3 工作区深层波动方程照明能量曲线Fig.3 Lighting energy curve of deep wave equation in working area(a)地质模型;(b)照明能量曲线

从工作区试验线实际资料看，增加偏移距有利于获取中深层有效反射，改善中深层局部地质的成像。整体看5 925 m以上偏移距剖面无明显差异(图4)。综合考虑，本次工作区地震采集最大炮检距选择5 925 m。

图4 工作区试验线资料偏移距分析对比Fig.4 Offset analysis and comparison of test line data in working area(a)偏移距5 025 m;(b)偏移距5 925 m;(c)偏移距7 005 m

1.1.3 覆盖次数选择

覆盖次数的选择要有助于提高资料的整体信噪比[7]。对工作区重点考虑主要有利于主要断面和原地系统的成像。通过不同覆盖次数的对比剖面可以看出，整体上均有较好的成像效果、反射层次丰富，但随着覆盖次数增加，浅层及断裂附近资料同相轴能量有一定加强。整体看1S1L(覆盖次数66)剖面信噪比相对低，1S2L(覆盖次数132)以上剖面效果差异不大，视觉信噪比基本相当(图5)。

图5 工作区试验线资料覆盖次数分析对比Fig.5 Analysis and comparison of data coverage times of test line in working area(a)1S1L覆盖次数66次;(b)1S2L覆盖次数132次;(c)1S3L覆盖次数198次

1.2 保护成像频带激发技术

工作区地表出露高速老地层，推覆体是一个强的能量屏蔽体，因此激发方法要以满足单炮有足够能量的要求；同时考虑工作区有测线位于山前砾石区，要考虑巨厚砾石层的散射问题。因此我们借鉴酒泉盆地祁连山老地层露头山地和山前砾石覆盖区的经验，采用单井较大药量激发。生产开始前我们进行了系统的激发参数试验，对主要参数进行了验证优化。

1.2.1 药量选择

中深井药量试验采用10 kg、12 kg、14 kg、16 kg、18 kg药量进行对比(图6、图7)。从分频扫描的单炮记录和定量分析结果看，原始单炮均能见到有效反射，有效频带较窄。药量过小会损害有效信息，适当增加药量可提升低频和中高频能量：药量10 kg时的低频和中高频能量都得到提升，但难以获得深层目的层仍有效反射信息；药量增加到12 kg及以上，可以得到深层(主要时窗2 s～3 s)更丰富、同向轴清晰、信噪比高的有效反射信息，说明药量增加有利于提高深层反射能量。总体看16 kg与18 kg属同一级别，能量、信噪比差异不大，16 kg药量可以满足施工需求。

图6 工作区药量试验资料分析对比(分频资料带通15 Hz～30 Hz)Fig.6 Analysis and comparison of drug quantity test data in the working area (frequency division data band pass 15 Hz～30 Hz)(a)10 kg;(b)12 kg;(c)14 kg;(d)16 kg;(e)18 kg

图7 工作区药量试验资料定量分析对比Fig.7 Quantitative analysis and comparison of dose test data in working area(a)定量分析频谱曲线;(b)定量分析信噪比柱状图

1.2.2 井深选择

井深试验采用10 m、12 m、15 m、18 m井深，均在高速老地层激发。从分频扫描的记录和定量分析结果看(图8、图9)，有效频带均较窄，10 m、12 m、15 m、18 m井深资料没有明显差别，避开干燥低速层激发资料品质基本相当，均能见到有效反射。但井深10 m能量相对弱、背景噪音相对强，增加井深可提升能量，井深增加到12 m及以上均可获得较高品质地震资料。从定量分析结果看，10 m井深频谱相对较窄，能量、信噪比相对较低，12 m、15 m、18 m井深频谱、能量、信噪比基本相当。

图8 工作区井深试验资料分析对比(分频资料带通15 Hz～30 Hz)Fig.8 Analysis and comparison of well depth test data in working area (frequency division data band pass 15 Hz～30 Hz)(a)1口*10 m*16 kg;(b)1口*12 m*16 kg;(c)1口*15 m*16 kg;(d)1口*18 m*16 kg

图9 工作区井深试验资料定量分析对比Fig.9 Quantitative analysis and comparison of well depth test data in working area(a)定量分析频谱曲线;(b)定量分析信噪比柱状图

综合考虑，工作区激发药量不小于16 kg，井深12 m左右合适。

1.3 高灵敏度宽频接收技术

以往类似低信噪比地区野外地震采集大多采用多串检波器大面积组合压制相关规则噪音，在过去这种方法在提高信噪比、提高信号的幅度等方面起到了积极的作用，但是这种方法众所周知带来了地震勘探频率的损失、增加了地震波的失真度[8]。野外组合压制噪音的同时也压制了有效信号，使得地震频率下降，同时降低了信号的动态范围。而现在的地震技术更多要求保留完整的地震信号，同时对噪声进行充分、无污染的采样。较小的检波器组合或单点接收检波器能有效地减小甚至消除不规则的地震检波器耦合、地震检波器组合高差所造成的地震信号的畸变、地震属性失真及质量的下降，同时可以较好地压制高频噪音、削弱组合的低通效应，保持反射信号原始性和丰富性，有利于室内对规则噪声进行多域压制[9]。

工作区地表为元古-古生代变质岩，从相似地表的祁连山地区看，变质岩一般速度高，使得散射噪音波长，而且由于地形和岩性的各向异性散射噪音是多方向性的，因此野外噪音压制比较困难，在通行条件差的山地检波组合增加了劳动强度也会造成更多的安全风险。实践表明，复杂山地区除非采用高成本的面积形超级大组合，否则不但达不到设计效果，却大幅度增加了野外实施难度、成本，而且检波器组合接收的地震波会明显发生畸变，这种由于浅表结构变化引起的组合畸变在后期处理时是无法恢复的，这是许多复杂区地震勘探中明明单炮上能看到反射信息却难以成像的因素之一，同时对初至波静校正和初至波层析反演深度偏移浅表速度场非常不利，进而会降低初至波静校正和成像的效。

选取工区中部开展检波器对比试验，其中R1线两串常规检波器面积组合，R2线1串常规检波器面积组合，R3线单只高灵敏检波器接收。从共接收点道集资料看(图10)，组合与单点能量差异不大，组合检波压制背景噪音较好，但组合的地震波发生明显时移(红框区)，初至约相差半个相位(箭头)。

图10 工作区检波器接收对比试验资料Fig.10 Receiving contrast test data of geophone in working area(a)R1线常规检波器20个组合;(b)R2线常规检波器10个组合;(c)R3线高灵敏度单只检波器

针对工作区起伏地表、岩性变化的特点，次生干扰发育，野外组合难以压制，采用单点接收，噪音通过高覆盖和室内处理压制，有效解决大组合带来的组合时差和混波问题，为复杂波场成像提供高精度的原始数据，同时也可以降低劳动强度和降低施工成本。

1.4 复杂地表静校正技术

工作区老地层发育，速度高，横向变化大，局部低降速带缺失，显然常规控制点内插的方法难以揭示出近地表结构的特点。利用初至数据的空间连续性，在CMP域选择合理的CMP控制点控制空间速度的变化，根据CMP点的时距关系解释出速度特点，形成初始速度模型，进行约束层析反演，能更好控制近地表空间速度的变化，解决该区因地形剧烈起伏产生的长、短波长问题及高速山体的地形突变和速度变化带来的中、短波场静校正问题(图11)。

图11 工作区静校正对比剖面Fig.11 Comparison section of static correction in working area(a)高程静校正剖面;(b)层析静校正剖面

2 采集效果分析

通过以上技术措施的实施，本次地震攻关首次在尼泊尔喜马拉雅逆掩推覆地区获得了超出预期的地震资料，从获得的地震剖面来看，主要构造形态清晰，浅、中、深层反射组齐全，同相轴连续性好；主要目的层地层波组特征清晰，信噪比高，可以进行追踪对比。剖面构造格局明显、特征清楚，能较好地揭示该区盆地构造格架，对进一步了解该区域地质、沉积规律、区域构造特征及盆地演化可以起到一定的指导作用。

3 结论与认识

通过本次尼泊尔喜马拉雅山地二维地震项目的成功实施(图12)，可以得出以下结论和认识：

图12 尼泊尔喜马拉雅山逆掩推覆带典型二维地震成果剖面Fig.12 Typical 2D seismic profile of Himalayan overthrust belt in Nepal

1)单点高精度、宽频接收。针对复杂山地组合高差会造成地震波的畸变，采用不组合激发和接收，提高原始地震波的准确性。针对逆掩推覆带地震波能量屏蔽，发挥低频地震波的穿透优势，采用高灵敏度低频检波器接收，加强对中低频的接收。

2)高速层适中药量激发。针对高速老地层普遍出露，采用相对统一的中深井，饱和能量激发。试验确定最小药量门槛，适当加大药量确保成像频带地震波能量。

3)宽线长排列高覆盖观测。针对地形起伏剧烈，障碍物多及下覆构造不清，采用宽线长排列观测系统，提高物理点布设和下覆构造有效观测，进而提高资料信噪比。

4)通过以上技术措施的实施，尼泊尔喜马拉雅推覆构造地区二维地震资料取得较好的结果，填补了地震勘探空白，为该区下一步油气调查打下了坚实的基础，以为类似地区提供技术借鉴和参考。

致 谢

在项目实施过程中，得到了中国地质调查局成都地质调查中心领导和专家热心指导和帮助，中国石油东方公司敦煌处理中心在资料处理方面做了大量工作，中国石油东方公司青海物探处294队在资料采集过程中付出了艰辛的劳动，在此表示深深的感谢！