全波场地震勘探技术

1、全波场地震勘探技术佘德平1 ,2 ,严建文2 ,3 ,吴继敏1( 1 . 河海大学土木学院 ,南京 210098 ; 2 . 中石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所 ,南京 210014 ;3 . 中国地质大学 ( 武汉) 资源学院 ,武汉 430074)摘 要 全波场地震勘探是近年来出现的一个全新的勘探理念 ,它包括全波场采集和全波场处理等各方面 . 本文首先描述了全波场地震勘探的特点 ,然后从观测系统设计 、对采集设备要求及布置方式 、矢量滤波 、各向异性速度分析 以及各向异性成像等方面介绍了其与常规 3d 地震勘探的差异 ,说明了全波场勘探可以从根本上解决有关储层物性 和流体性质方面

2、的信息问题 ,将引起地震勘探技术的革命 .关键词 全波场采集 ,矢量滤波 ,各向异性速度分析 ,各向异性成像中图分类号 p631文献标识码 a文章编号 100422903 (2006) 0220472206the f ull wave f iel d seismic explorations h e de2pi ng1 ,2 ,ya n j ia n2we n2 ,3wu j i2mi n1( 1 . col le ge o f ci v i l en g i nee ri n g , h ohai u ni v . , n an j i n g 210098 , chi an ;2 . n

3、an j i n g i nst i t u de o f geo p hsical p ros pect i n g f or pet role u m , s i n o p ec , 21 w ei g an g , n an j i n g 210014 , chi na ;3 . chi na geol o g ical u ni ve rsi t y . w u h an 430074 , chi na)abstract full wave field sei smic p ro sp ecting i s a new p ro sp ecting technolo gy. it

4、incl ude s f ull wave fiel d acqui sitio na nd p rocessing. the aut ho r s of t he p ap er int ro duce p ropert y a nd t he diff erence s bet ween t he f ull wave field p ro sp ecting a nd co nventio nal 3d sei smic p ro sp ecti ng f ro m t he design of acqui sitio n system ,t he requirement to equi

5、p ment , t he de2 plo ying mo de of acqui sitio n , vecto r filting , a ni st ropic velocit y a nalysi s , ani st ropic i maging. the info r matio n a bo ut p ropert y of rock and f l uid ca n be solved by f ull wave field sei smic p ro specting. it will lead t he new revol utio n i n sei s2 mic p r

6、o specting.key words full wave acqui sitio n , vecto r filting , a ni st ropic velocit y analysi s , a ni st ropic imaging波场勘探地震技术是近年来出现的一个全新的研究引言0领域 ,也是被专家看好的地震勘探未来发展的前缘随着石油勘探工作向着复杂构造和复杂岩性方向的发展 ,如何由地震勘探资料中获得更多有关储 层的岩石骨架构造 、岩性以及孔隙中流体性质及其 运移规律等信息 ,是摆在勘探地球物理学家面前的一项重要任务. 传统的 p 波勘探能够准确地确定一 般地区地层的构造特征 ,但

7、由于受采集与处理过程 中各种因素的制约 ,其对复杂地区构造 、岩性与储层 中有关流体性质及其运移规律却显得无能为力 ; 转 换波勘探可以部分弥补 p 波在识别流体性质方面的不足 ,但对复杂介质地区也难以解决这些问题 . 全技术 9 . 有专家预测 : 象 20 年前的 3d 地震勘探技术一样 ,全波场地震勘探技术正在快速成为地震勘探技术的一场革命 1 .全波场地 震勘 探是 一 种全 方 位 、全 频 带 、全 分量 、高保真的矢量地震勘探技术 ,尽管目前国内外还没有真正意义上的全波场勘探的实例 ,但与其密切相关的宽方位角勘探 、多分量勘探以及分频处理等技术的发展极为迅速 . 如 :国际上已于

8、 20 世纪 70 年代已经开始了利用多分量勘探资料进行裂缝检测研究 2 ,其典型代表有 cra mpi n 等于 1977 利用横波分收稿日期 2005207210 ; 修回日期 2005208220 .作者简介 佘德平 ( 1965 年2) ,男 ,汉族 ,安徽巢湖人 ,高级工程师. 1990 年成都地质学院应用地球物理专业硕士研究生毕业 ,在读博士 , 主 要从事地震波波场正演数值模拟方法及其应用技术研究. ( e2mail : shedp i gp . cn 或 depi ngshe ya hoo . co m. cn)裂的方法研究介质的各向异性 , tho mse n 3 等利用地面

9、反射资料进行各向异性参数反演 , grech ka 和 tsva nki n 45 等利用 p 波和 p_ sv 联合反演各向异 性参数 ,马中高 6 利用 p 波资料反演裂缝 ,李绪宣 7 等利用多波资料研究各向异性 ;近十几年来 ,由于海 底电缆采集技术的发展 ,宽方位角采集在海洋勘探 中取得了较好的应用效果 ,并在中东地区的陆地地 震勘探中得到了广泛的应用 ,凌云研究小组 8 曾详 细研究了发展宽方位角地震勘探技术的意义 ; ge n2 na dy 910 等研究了低频 信号 在 划分 孔隙 流体 界 面 中的应用 , pat rick 11 研究了不同环境条件下地震信 号的频率与分辨率

10、的问题 ,佘德平 12 ,26 等利用低频 信号提高玄武岩覆盖区深层成像质量.本文介绍了全波场地震勘探技术与常规地震 勘探技术的差异 ,重点突出了对采集观测系统和仪 器设备的要求 ,最后对处理过程中的关键技术矢量滤波 、速度谱技术和各向异性成像等进行了详细描 述 .(3) 全方位 、多分量 、各向异性观测 ,确保得到精确的 p 波 、s 波的振幅和 a v o 特征 23 ,25 .( i4) 没有方位偏差 ,能够准确记录速度随方位 的变化 ,同时矢量速度分析所得到的随方位变化的v p 、v s 代替仅有的各向同性的 v p ,大大丰富了速度 场信息.(5) 完全对称的点接收波场记录避免了现今

11、采 集 、处理中的各种干扰.(6) 利用了一些常规地震勘探认为是噪音的信 号进行成像和解释.(7) 足够高的空间采样精度 ,避免了资料采集过程中易出现的空间假频现象.(8) 全波场矢量滤波 ,提高了对面波 、地滚波等 干扰波的压制能力.全波场采集技术全波场勘探技术首先从全波场采集开始 ,从全 波场特征中可以看出要实现全波场采集至少要考虑 下列几方面的因素 :(1) 高保真矢量记录 ,以确保高保真矢量处理的 需要 ,特别是保障不同分量信号之间振幅相对变化的稳定性 .(2) 点源激发 ,单点接收 ,以尽可能高保真记录 到波场各向异性 ,特别是记录到长偏移距时波场各 向异性随方位角的变化 ,避免震源

12、组合和检波器组 合对信号频率的人为压制作用.(3) 全波段记录 ,以确保来自深目标层信号的记 录 ,特别注意对低频信号的保护 ,因为对于复杂地下 结构的深层目标 ,常规 p 波勘探和转换波勘探信号 大都被介质所散射 ,而使得储层高分辨率处理时所 依赖的振幅和速度之间的相互关系也不存在 ,但低频信号具有更强的抗散射能力 ,因此保护好了低频 信号就确保了对深层目标的成像精度 .(4) 大方位角采集 24 . 研究表明 ,为了确保方位 各向异性的研究 ,在进行观测系统设计时 ,各个方向 上的排列长度差异很小 ,空间接收道间距基本保持一致.(5) 观测排列足够长 ,以确保来自目标层的反射 角度达到 4

13、5°, 要达此目标 , 在设 计观 测 系统 时 , 一 般地面观测排列长度为勘探目标层深度的 2 倍 .(6) 全方位角 、长偏移距和小间隔时 - 空观测点 密度 ,以避免 p 波和 c 波域中的假频现象 .从以上要求可以看出 ,全波场采集技术实际上2全波场勘探的特点传统的地震勘探技术是建立在各向同性水平层 状介质假设的基础上 ,并假定存在近地表低速带 ,这 样可以确保波场是垂直出射于近地表的. 另外受现 有技术水平的限制 ,采集设备的频带是限宽的 ,而在 资料处理过程中也会进行各种滤波 . 实际地下结构 极为复杂 ,来自地下不同深度的地震波场由于大地 的滤波作用各不相同而包含有

14、各种 不同 频率 的 信 号 . 因此上述的假设条件和设备条件制约了传统的3d 地震勘探资料的使用价值 ,难以满足现代油气勘 探工作对复杂地质条件下的地层结构 、岩石物性 、流 体性质及其运移规律等情况了解的需要 ,并直接导致在寻找新油田时的裹足不前 ,而一些老油田也因 为现有的 3d 勘探技术的制约而过早退化 .全波场地震勘探技术是一种全方位 、全频带 、全 分量 、高保真 、矢量处理的勘探地震技术. 它不受传 统的勘探技术假设条件的限制 ,对采集设备 、观测系统设计和资料处理等提出了更高的要求. 与常规地 震勘探技术相比 ,全波场地震勘探具有下列特点 :(1) 能够准确记录到地面的全部运动

15、情况 ,这种 运动既包含有用的反射信号 ,也包含面波 、地滚波等 各种噪音 .(2) 全频带记录 宽度 , 特 别 是对 低频 信号 的 保护 ,低频降至 12 hz ,与测井信息结合的更紧密 ,高1 474 地球物理学进展21 卷图 1 常规采集常规滤波前后单炮记录对比图a 原始单炮记录 ; b 滤波后单炮记录co nventio nal acqui sitio n sho t reco r d befo re a nd af ter co nventio nal filting.a origi nal reco r d ; b sho t reco r d af t er filti ng

16、fig. 1图 2 全波场勘探矢量滤波前后单炮记录对比图( a) 原始单炮记录 ; ( b) 滤波后单炮记录 ; (c) 单炮滤除量图fig. 2 full_wave field sho t reco r d befo re a nd af ter vecto r filting.( a) ori gi nal reco r d ; ( b) sho t reco r d af t er fil ti ng ; ( c) noi se re mo ved采集系统 . 全波场采集最重要的特点是不采用组合检波器 ,而是采用单点接收 ,即使要进行组合也是在 室外采用单点接收 、单点记录 ,而在数据处

17、理时进行组合. 实验证明组合检波器实际上是一种高频截断 滤波 1 . 高频信号具有更强的探测各向异性的能力 ,因此损失了高频信号 ,就削弱了波场对各向异性的探测能力 ,降低了成像精度 . 但是高频信号具有较高的波场散射特征 ,同时传播介质对高频信号的吸收作用也更强 ,因此高频信号穿透复杂覆盖层和探测深层目标的能力都较弱 ,而低频信号则正好相反 ,因此保护好低频信号对提高波场对复杂介质条件下的深目标层的成像能力具有重要的作用. 全频带 、点接 收方式保护了低频信号 ,降低了震源噪音 . 在有些地 区 ,单点记录能够提高频带宽度 1020 hz . 在面波 发育地区 ,单点记录可以明显提高信噪比

18、;此外单点 记录没有方位偏差 ,因此它是唯一的能够反映方位 和垂直方向各向异性的记录方式 ; 可以压制部分不 需要长波长波场 ,降低空间假频 ,满足矢量滤波的需 要 ,克服组合检波器对高保真记录的影响 13 .近年来成像技术的进步保证了能够保护全频带 记录 ,如 :矢量处理技术 ,矢量滤波相干噪音散射法 ,体波分量的分离以及各向异性处理等.分析上述采集特点 ,可以看出全波场采集对采 集设备提出了更高的要求 :(1) 更多的记录通道 多分量采集使得接收道数至少增加为原来的 3倍每炮的接收道数 ,同时为了减少空间假频现象 ,空 间道间距也要做相应的减小 ,另外接受排列长度也 较常规勘探方法加大很多

19、 ,很显然仪器的接收通道 会大幅度增加.(2) 大数据存储空间任何一个导致接收通道增加的因素都会造成采 集存储数据的增加 ,相应的存储空间也会大幅度增 加 .(3) 宽频带范围(4) 高保真记录随着电子技术的发展 ,近年来出现的建立在矢 量地震基础上的全数字采集仪器 m em s 基本可以 满足全波场采集的要求 .(1) 矢量滤波是一道一道进行的 ,与相邻道没有任何关系 ,没有夹杂任何有关随方位变化的振幅和 时移信息 ,也不需要有关地层的任何信息 ,只是依赖 于单点记录道不同分量之间的质点的运动情况. 这 种方法对各种噪音的响应特征都是一样的 ,就像假 频一样 ,当然该方法是建立在高标准矢量保

20、真记录 的基础上的 .(2) 能够有效消除水平分量记录中旋转运动的 lo ve 和 raleigh 面 波 , 并 分 离 出 转 换 波 , 从 而 为 转 换波处理提供基础.(3) 有利于消除半相干噪音 ,如由近地表不连续点造成的散射噪 音 等 , 有望 用于 反演 近 地表 结构 、vp 和 v s 速度场 ,并试图进行地滚波反演 .图 1 和图 2 分别是常规地震勘探和全波场地震 勘探单炮 记 录 滤 波 前 后 对 比 图 13 , 从 图 中 可 以 看 到 ,全波场记录经矢量滤波后 ,各种干扰波滤得较干净 ,特别是对瑞雷波的压制更彻底.矢量采集与处理能够利用各分量中所分离的体 波

21、提高对复杂储层的成像质量 ,并确定储层性质. 常 规地震勘探是建立在对 p 波和 s 波垂直出射角的 假设基础上的 ,这是确保单分量垂直记录为压缩波场记录的基础 ,但这种假设是存在严重问题的 ,图 3 是一个简单水平层状介质模型弹性波模型及其模拟 所得到的垂直分量和纯 p 波单炮记录对比图 ,注意 图 3 b 和图 3c 表示 p 波反射的 p p 同相轴可以明显 看出 ,垂直分量记录的 p 波反射振幅与 p 波记录中的反射有明显的差异 ,这是由于近地表波场出射射 线不垂直 于 地 面 所 造 成 的 . 这 将 会 造 成 我 们 在 作 a v o 解释时的 严重 错 误 , 特别 是近

22、地表 为 高速 层 时 ,这种错误会更严 重 . 矢 量记 录没 有这 种 假设 条 件 ,因此可以避免这种错误 .3 . 2 各向异性速度分析常规地震资料的处理是建立在各向同性假设基 础上的 ,此时的资料处理主要局限于分析数据结构 随偏移距的变化特征 . 但是随着对地球结构研究的 深入 ,越来越多的资料证明 ,在复杂油气藏地区各向异性是其重要特征 ,如裂隙型油气藏是典型的各向 异性油气藏 . 各向异性地震资料的处理不仅要分析 数据结构随偏移距的变化特征 ,而且要分析数据结 构与方位角和长偏移距三者之间的变化规律 . 地震 波传播的能量随传播方向的变化是各向异性处理中 一个重要研究内容.全波场

23、处理技术33 . 1 矢量滤波技术矢量滤波是一种支持数字化和全波场信息的相 干噪音压制技术 ,它根据相互垂直的各分量记录中 噪音和有效信号的相关性来压制各分量中的噪音.对于地滚波 ,矢量滤波法使用的是垂直和径向道信息. 假定垂直记录道中含有目标信息和包含地 滚波的噪音 ,且地滚波在各方向上的振幅一样 ,而在 水平记录道中需确定的地滚波与垂直道中目标信息 是无关的 . 采用互相关和反滤波 ( 滤除有用信号 ,保 留噪音) 技术 , 首先在水平分量 记录 中分 离出 地 滚 波 ,然后在垂直分量中减去该地滚波即得到垂直分量中无地滚波的记录 . 相比于 f - k 域和其它的多 476 地球物理学进

24、展21 卷图 3 水平层状介质弹性波模拟不同分量记录对比图 .( a) 层状模型 ; ( b) 垂直分量 ; (c) p 波the diff erent quanlit y co mpa ri so n of ho rizo n layer ela stic mo deli ngho rizo n layer mo del ; ( b) vertical shot reco r d ; (c) p_wave sho t reco r dfig. 3( a)图 4 各向同性与各向异性叠前时间偏移结果对比图 .( a) 各向同性叠前时间偏移剖面 ; ( b) 各向异性叠前时间偏移剖面fig. 4

25、ps tm co mp ari so n of i so t rop y a nd a n i so t rop y.( a) iso t ropic ps tm sectio n ; ( b) a ni sot ropic ps tm sectio n各向异性处理的焦点是速度分析. 它不仅要分析出速度与偏移距和方位角的关系 ,而且要分析其 与空间网格样点密度之间的关系 ,这种要求只有采 用实时统计方法才能 完 成 , 如 : a zim . 它 分析 了 地 震道中的正常剩余时差 ,并采用最小平方法近似拟合一个椭圆速度模型以确定方位时差 ,并用四次曲 线确定长偏移距道信号的时间畸变 ,这样就

26、能产生 一个方位速度体 ,这种速度体能够反映地震数据体 中速度随方位的变化 ,也是我们进行动校正 、叠加 、 偏移等处理的基础. 方位 - 速度体可以被看作是多种属性体 ,从这些属性体重可以直接提取方位信息 、 层段速度 、梯度等对勘探极为有用的信息 .3 . 3各向异性成像全波场速度分析方法能够得到方位各向异性的 全波场速 度 体 , 该 速 度 体 既 包 含 了 随 方 位 变 化 的v p , 也包含随方位变化的 v s . 利用该数据体 ,针对每 一个方位角方向 ,对 p 波 、s 波和 c 波综合进行叠前深度偏移成像 . 这种成像结果不仅反映地下结构的方位各向异性 、岩性变化特征

27、,而且可以直接得到储层内部的流体性质. 图 4 是 cc p 面元叠加和各向异性叠前时间偏移剖面对比图 ,由此可以看出 ,采用各向异性偏移明显提高了对地下结构的成像质量 .结语4我国是一个油气资源相对贫乏的国家 ,而勘探条件却极为复杂 22 ,未来的主要勘探对象包括大面积低丰度复杂岩性油气藏 、复杂山地山前高陡构造的油气藏 、高成熟区的小断块油气藏 、台盆区碳酸盐岩油气藏等 . 全波场地震勘探是一个前缘勘探技术 .尽管它对采集设备和资料处理提出了很多特殊的要求 ,很多技术也处于探索阶段 ,但它能够提供解决许多常规地震勘探难以解决的有关储层 、岩石物性 、流体性质及其运移规律等方面的问题 ,因此

28、开展该研究将有助于我们提高对这种复杂油气藏的勘探命中率 ,同时提高老油田的采收率 .receiver t echnolo gy2a re fiel d a r rays a requi re ment any lo nger ? a , 2004 cs e g natio nal co nventio n c ,2004 .mo ugeno t d . l a nd sei smic : needs a nd an swer s j . fi r stbrea k ,2004 , 22 ( 2) ,5963 .ro t h m . sei smic proce ssi ng : p a st

29、, p re sent a nd f ut ure j . fi r st brea k ,2004 , 22 ( 8) ,5357 .burch d , kappi u s r , te ssma n j . successf ul noi se at t enuatio n usi ng poi nt receiver s i n t he p re sence of alia sed noi se a . 74t h se g meeti ng , exp a nded a b st ract s c ,2004 ,1316 .q uigley j . a n i nt egrat ed

30、 3d acqui sitio n a nd p roce ssi ng t ech2 nique u si ng poi nt so urces and poi nt receiver s a . 74t h s e g meeti ng , exp a nded a bst ract s c ,2004 ,1720 .go mez c ,a ngerer e. wide2azi mut h p roce ssi ng fo r a ni so t rop y a nal ysi s j , 74t h s e g meeti ng , exp a nded a bst ract s c ,

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