南疆沙漠区超深层高密度地震采集方法

徐雷良,宋智强

(1.中国石化地球物理公司科技研发中心，江苏南京 210005； 2.中国石化地球物理公司胜利分公司，山东东营 257100)

1 勘探现状及需求

南疆沙漠SHB地区奥陶系油气藏是多层系复合型油气田，埋藏深度一般超过7000 m。据中国对超深层的定义，该目标属典型的超深层地质目标。从目前已探明的多个油气富集区来看，大多是沿大型断裂带分布，断裂带控藏特征非常明显。以往高精度地震资料已不能满足油藏进一步开发需求。经过梳理分析，目前该区地震勘探主要存在以下问题：①地表为巨厚沙漠覆盖且沙丘起伏大，沙漠对地震波吸收衰减严重，且耦合较差； ②奥陶系目的层埋藏深(大于7000 m)，走滑断裂近垂直、断距小，水平位移小，地震资料分辨难度大； ③地震资料主频(18～20 Hz)低、信噪比较低，断溶体内幕分辨能力有限，解释结果存在多解性； ④采用目前地震资料指导钻井轨迹，从造成的钻井失利情况分析，放空漏失井均处于断裂带上，因此地震资料成像精度不能准确指导钻井轨迹[1-2]。

地震资料分辨率较低，与波场采集方法有直接关系[3-4]。以往采用的地震采集技术由于受到当时装备及理论限制，采集参数更注重深层能量，包括深井大药量(高速层顶界面下7 m，36 kg)、三串大组合(3串品字形，组合基距14 m×14 m)、较大面元(25 m×25 m)、大接收线距炮/线距(300 m)。为了探寻适用于超深小目标成像的采集方法，首先从理论上进行了分析。依据该区主干断裂及次级断裂构造模式及断裂、孔洞大小分布特征，建立该区典型地质模型(图1)，模拟从理论上分析满足小尺度目标分辨率需求的采集参数。

图1 构建SHB地区的地质模型

1.1 不同频率模拟分析

针对该地质模型首先进行不同频率模拟(图2)，模拟频率的范围是30～50 Hz。

从图2分析，随着频率的逐步提升，走滑断裂逐步清晰。30 Hz对走滑断裂系统刻画较差，无法精细刻画内部结构，仅仅是模糊的轮廓刻画。35～40 Hz走滑断裂清晰度提高，基本能够准确描述内部、断裂边界。因此，要满足走滑断裂成像需求，频率至少需达35～40 Hz。

图2 不同频率模拟分析—走滑断裂

1.2 不同噪声背景分析

该区地表沙丘起伏大，次生干扰严重影响了超深目的层弱反射的信噪比，对于小尺度目标识别具有较大影响[5-7]。对原始模拟单炮记录添加不同数量的噪声，并对这些不同信噪比单炮记录进行偏移成像，分析噪声对断溶体成像的影响。通过分析认为，经过偏移叠加虽然压制了一部分噪声，但剖面中残留噪声仍对断溶体识别影响较大，剖面中出现一些孔洞假象，无法准确判断真正孔洞、断裂位置(图3)。理论分析认为，目的层信噪比达5.6以上才能有效分辨走滑断裂。因此噪声是影响断溶体分辨的关键因素之一，针对该区沙漠地表噪声需进行深入研究。

图3 不同噪声比例单炮成像效果

通过以上分析，本文认为提高南疆超深层小尺度目标识别精度有两方面关键因素：①频率——分辨主干断裂内部及次级断裂，拓宽频带是关键，主频尽量达到35～40 Hz，这对野外实施难度较大，所以要求在激发/接收环节尽量拓宽频带，并准确求取近地表吸收衰减因子，用于拓宽频带； ②信噪比——超深目的层信噪比是影响断溶体识别的关键因素，需要针对噪声传播规律进行研究并采用相应的压制技术，以达到提高目的层信噪比的目的。

2 观测系统关键参数研究

东部老区采用单点+高密度的采集方式获得了较好的地震成像效果，单点与高密度两者缺一不可。单点有效拓宽了频带，确保了波场保真，但由于信噪比较低，必须由高密度观测系统进行信噪比方面的弥补。本地区也采用相同的思路，通过以上分析已经确定了采用两串小组合，但是单炮信噪比方面不足，必须要有高密度的观测系统进行匹配采集。通过详细分析，确定了覆盖次数、面元、横纵比等关键观测系统参数。

2.1 覆盖次数分析

采用两串昌字形进行波场采集，对资料进行不同覆盖次数的叠前深度偏移(图4)，随覆盖次数提升断溶体逐步清晰，但在396次以上断裂成像分辨率提升不太明显； 再通过定量分析(图5)得知396次是覆盖次数—信噪比趋势的拐点，因此从经济性角度分析，对两串组合图形相匹配的覆盖次数是396。

图4 不同覆盖次数的叠前深度偏移

图5 不同覆盖次数信噪比定量分析

2.2 面元分析

面元大小的选择对于分辨断溶体至关重要，受目的层埋深、频率、速度和资料品质的影响，并不是面元越小分辨率越高，面元太小不但不会提升分辨率，反而造成大量的采集成本压力。钱荣钧教授提出横向分辨率为偏移后第一菲涅耳半径，所以面元的选择不大于该大小合适，这是理论极限，必须通过实际资料进行分析论证。

采用两串昌字形组合接收，396次覆盖次数条件下，对不同面元叠前深度偏移效果进行了对比分析(图6、图7)，对比了四种面元的效果。

图6 四种面元的叠前深度偏移

图7 四种面元叠前深度偏移的时间切片

从不同面元的叠前深度偏移的剖面效果和切片效果分析，四种面元对于刻画断溶体并无明显差异，且面元尺寸对勘探投入影响较大，从不同面元对成像效果及成本性价比考虑，认为采用25.0 m×25.0 m面元采集较为合理。

2.3 横纵比分析

目前高密度采集需要宽方位采集，一般要求横纵比大于0.6，宽方位意味着更大的接收线数，且横向覆盖次数提高。但太宽的方位是否有效？是否会增大采集成本？本文通过实际资料处理分析，获得适用于南疆沙漠超深层的横纵比。

图8是不同横纵比的叠前深度偏移剖面。从分析结果来看，随着横纵比逐渐增大，断溶体清晰度逐步提高，受实际采集三维观测限制，只能分析到横纵比0.72。从资料效果分析，横纵比为0.6～0.7，断溶体成像效果依然在改善，因此最终选择横纵比0.7以上较合适。

3 基于分辨需求的激发接收技术

3.1 激发技术

本区以往地震采集中，由于更注重超深层反射能量，所以大多采用大井深、大药量、大组合，虽然提高了深层反射能量和信噪比，但对高频成分的获取不利，所以本次采集兼顾频带、信噪比(适中井深、药量、小组合图形)，尽量保护频带。

理论分析认为，受虚反射界面的影响，井深增大低频能量提高，井深减小(距离高速层顶界面更近)高频能量提高[8]。而提高低频将有利于提高信噪比，提高高频将有利于提高分辨率，因此对于超深层小尺度目标的成像需求，高频和低频都需要兼顾，这就需要折中的激发因素，既能满足一定信噪比，又能提高分辨率。因此，研究了寻找激发频率和信噪比平衡点的激发因素选择方法，图9中两条线的交点就是该平衡点。

图9 井深对高频和低频的影响规律示意图

图10是不同井深资料的分频扫描结果，其中“+”代表高速层顶界面以下的深度。图10a为较低频(20～40 Hz)部分的分频扫描，可见随着井深的增大，低频能量、信噪比逐步提高，对于低频部分，井深至少大于等于高速层顶界面下5 m； 图10b为较高频(40～80 Hz)部分的分频扫描，随着井深变浅，高频能量、信噪比逐步提高。对于高频成分的获得，井深要至少小于等于高速层顶界面下5 m。因此，对于高频和低频的共同获得，选择高速层顶界面下5 m是平衡点，是最佳选择。可见选择+5 m比以往选择的+7 m高频更丰富，更有利于提高断溶体分辨率。

图10 不同频率(段)扫描效果

3.2 接收技术

东部地区的高密度地震采集一般采用单点接收，可以有效确保波场保真度及保护高频成分。由于东部地区目的层较浅，埋深一般为3000～4000 m，而且资料信噪比高，单点接收较为合适，但南疆沙漠区目的层埋深超过7000 m，且资料信噪比低，采用单点接收是否合适，以及到底采用什么样的接收方式更合适，需要详细分析。

首先从理论分析不同接收方式对目的层(7000 m)反射波频率的压制效果，图11所示，蓝色为点接收，红色为小组合接收(横向组合基距为10 m，纵向组合基距为6 m，组合面积为60 m2)。按本区目的层埋深为7000 m，层速度为4859 m/s计算，地震波从目的层传播到地表，在地表60 m2范围内时差较小，对低频影响较小，但对高频成分具有一定的压制作用。从图中可见对50 Hz以下影响较小，对50 Hz以上有一定影响。

图11 单点与小组合对不同频率的影响

图12是单点、一、二、三串接收资料的频谱分析，从图中可看出两串与单点的频谱在50 Hz以下基本相同，三串频带最窄。因此，单点对超深层的频带并不占优势。

图12 不同接收资料效果

图13是不同接收方式的单炮资料，受篇幅影响，这里只展示了单点、两串昌字形、三串品字形三种不同接收方式的资料效果，其中两串昌字形组合的面积是60 m2，三串品字形组合的面积是196 m2。可以看到单点方式的信噪比太低，不适合该地区。两串昌字形信噪比虽然比三串品字形低，但信噪比也较高，且两串昌字形与单点的频带范围基本相同。因此，从接收的角度分析，既要保证信噪比，又要确保分辨率，则两串组合接收方式是最合适的选择； 并且从叠前成像的角度分析，通过320次的高覆盖叠前偏移(图14)，两串方式的信噪比并不比三串的低，而且还最大程度地保留了高频成分。

图13 不同接收条件资料效果

图14 不同接收资料的叠前偏移效果

4 基于近地表的拓频技术

沙漠地表介质疏松，对高频成分具有强烈的吸收衰减作用，为减弱这种作用，笔者研究了基于近地表的吸收衰减补偿技术，补偿高频成分，对于提高超深层的断溶体分辨率具有重要意义[9-11]。在整个工区部署了图15所示的近地表吸收衰减调查观测系统。该观测方式特点是5发雷管激发(S1～Sn+2)，间隔相同，在高速层下激发两炮，不同埋深检波器和地表同时接收，其中不同井深检波器(R3～R7)与R1、R2距离井口平面距离为5 m(图15b)，根据近地表厚度平均布设4个检波器R4～R7接收，激发点按照0.5～5 m深度范围以0.5 m间隔分布，深度5～10 m范围内以1 m间隔分布，深度10 m以下以2 m间隔分布，其中Sn位于高速层顶界面上，Sn+1和Sn+2位于高速层顶界面之下。

图15 近地表吸收衰减调查观测系统平面(a)和剖面(b)示意图

通过对不同埋深资料(图16)分析，振幅及频率衰减特征明显，最终选择S1激发，R1(地表)和R7(高速层顶界面)接收资料，利用频谱比法求取补偿因子(图17)。

图16 不同接收埋深资料

图17 求取的补偿因子

从补偿前、后剖面及频谱效果可看出，补偿后剖面分辨率得到显著提升(图18b)，超深层走滑断裂内幕分辨率明显得到提高，断点更清晰干脆，层间信息更丰富，补偿后频带有效拓宽约12 Hz(图18c)，表明所求取的近地表补偿因子的正确性。

图18 补偿前(a)、后(b)剖面及频谱(c)的对比

5 主要噪声规律分析及压制方法

南疆沙漠地区沙丘起伏较大，非均质性强，次生干扰严重，主要噪声类型是沙丘鸣震，对深层弱反射的影响较大，严重影响了目的层信噪比[12]。图19是典型沙丘鸣震干扰在单炮中的表现，从图中可以看到，在初至波反方向位置有一个反向“碗状”的波组(图中红色箭头)，而向下延续时间长，严重影响了深层弱反射信息，该波组与地表高大沙丘位置具有对应关系，可以看出是由于地震波在高大沙丘位置反复振荡产生，能量较强。

图19 沙丘鸣震在单炮中的表现

该噪声对资料的影响较大，它在炮点道集并没有波场规律，只与地表有对应关系，呈现强能量条带状，难以压制。但经分析发现沙丘鸣震在检波点道集具有波场规律，呈线性特征。利用该特性，在共检波点道集对其进行压制，收到良好效果。

进一步尝试基于邻道相关性的沙丘鸣震压制方法，再抽回炮点域进行压噪处理(图20)。可见沙丘鸣震噪声压制明显，奥陶系反射同相轴在单炮记录上清晰可辨，信噪比提升明显，对于后期针对目的层的处理意义较大。图21是沙丘鸣震压制前、后剖面，两个剖面在处理流程中除了沙丘鸣震压制方面存在差异，其他参数流程都相同。可见沙丘鸣震压制后深层信噪比显著提高。

图20 沙丘鸣震压制前(a)、后(b)的单炮记录

图21 沙丘鸣震压制前(a)、后(b)剖面

6 应用效果分析

通过以上分析，在南疆沙漠地区获得了针对超深层断溶体的小组合+高密度地震采集的关键采集参数，使用这些技术在南疆沙漠地区取得较好的应用效果，新剖面刻画的走滑断裂更清晰，奥陶系断溶体更明显，对于该区后续的油气开发具有重要意义(图22b)。

图22 新(a)、老(b)剖面对比

7 结论与认识

(1)南疆沙漠超深层地质目标的勘探需求是分辨尺度较小的断溶体，对地震资料的信噪比和分辨率提出了较高要求，需在确保一定信噪比的前提下，尽量拓宽频带，而以往的方法更注重的是信噪比，对分辨率影响较大。通过实际资料分析，受到奥陶系埋藏深及资料信噪比低的特征影响，针对南疆超深目的层的高密度采集更适合小组合+高密度的形式，单点接收在该地区不合适；

(2)在目前的采集资料品质条件下，南疆沙漠SHB地区采用25 m×25 m面元、约400次覆盖，330万/km2炮道密度、横纵比0.7的观测系统较合适；

(3)采用两串小组合、适中的井深药量对拓宽高频有效；

(4)采用本文研究的近地表Q值调查方法和沙丘鸣震噪声压制方法对地震资料的品质提高具有明显作用。