面元叠加地震采集技术

面元叠加地震采集技术

原油地质学家越来越重视深部和复杂区域的油气勘探。由于深部和复杂地区的油气勘探是寻找不同气田资源的重要领域，尤其是中国东部地区的深部。就深层石油地质条件而言,由于埋藏深(3500m以下),地层较老,构造演化剧烈,地质条件复杂,对深层油气成藏成因条件认识不足,制约着深层油气勘探的进程。深层及复杂地区之所以造成这种局面,其根本所在是缺乏真正能用于进行地质综合研究的地震剖面。所以,对深层地震勘探新技术、新方法的研究,就成为众多行家们关注的焦点。当今的地震勘探技术对解决3500m以上的各种类型圈闭和直接预测油气藏,是相当成熟的。但是要对3500m以下地层乃至结晶基底成像,甚至要了解莫霍面以上的地质结构,地震勘探技术还难以解决这些问题。深层及复杂地区(复杂地区是指地表、地下都复杂)地震勘探面临着的最大难点是地震资料采集技术还不适应勘探目标的需要。上述地区具有地震信号频率低,反射能量弱,受干扰严重,反射信号紊乱这些特点,造成地震剖面品质差,无法用于综合解释。即使是再先进的处理技术,也无能为力。我们通过对深层地震勘探技术的研究,在采集观测方式上进行了试验和总结,取得了很好的效果。在西部大沙漠、戈壁区也进行了试验,同样取得了很好的效果。1面元叠加采集技术深层地震资料的信噪比低,构造成像模糊,是造成深部油气资源难以查明的主要原因。随着油气勘探开发的不断深入,需要更先进的地震技术来解决现今遇到的复杂地质问题,油气勘探重点由过去寻找中、浅层油气藏,逐渐转移到复杂隐蔽油气藏及中、深层油气藏。埋藏深度大于3500m的第三系复杂隐蔽油气藏,中、古生界的潜山油气藏以及复杂表层结构的低信噪比地区是地震勘探的难点。为了解决这些技术难题,采用了面元叠加采集技术,该项技术在深层地震勘探中发挥了重要的作用,提高了地震勘探技术水平,拓展了地震勘探领域。从胜利油田辛镇、盘河和林樊家地区的应用效果来看,面元叠加观测方法是压制随机干扰,提高深层资料信噪比的有效方法。1.1地震数据处理面元叠加采集技术,实质上就是在野外使用小面元进行地震资料采集,在室内使用扩大面元对地震资料进行叠加处理。该技术在野外地震资料采集中采用的观测系统是多炮多线和超小CDP道距,采集到的面元比普通的二维或三维采集到的面元要小。其基本思想是在时间空间域内,将野外采集设计的子面元,根据地下构造的简单和复杂程度及单炮记录的信噪比值,通过室内处理重构新的处理面元,形成新的CMP道集;然后精细求取叠加速度及反射层的时间倾角,做好每一个参加叠加的CMP道的动校正及时间倾角校正,使其实现同相叠加,达到提高地震剖面信噪比和分辨率的目的。根据物理地震学原理,反射波是反射界面上所有若干个小面元产生的绕射波的总和。如图1,当地震波从震源出发,以球面波的方式向下传播,到达某一反射界面R,R就可以看成是若干个小面元ΔR的组成,当ΔR的线度接近地震波波长时,每一个小面元都可以看成是一个绕射体,而每个小面元都可以是一个新的点震源。对地面某一接收点S来讲,它所接收的反射波就是来自R反射界面上每一个小面元ΔR产生的绕射波叠加的结果。也就是说,S点接收到的反射波能量来自反射界面R上的所有点。R面元的大小就是所谓的第一菲涅耳带。第一菲涅耳带在空间上呈一锥体,其大小与地震波波长、层速度、反射界面深度有关。随着反射界面深度的增加,第一菲涅耳带逐渐变大。如图1所示,在波前面传播1/4个波长的区间内,反射到地面的波是相干的,此带内的2个反射点在地面是不可分辨的。面元叠加就是在第一菲涅耳带内实现共深度点面元叠加。在资料处理时,把在第一菲涅耳带范围内所有接收到的有效信息,通过扩大面元,实现同相叠加。这种叠加方法,对提高深层弱反射信号,提高地震资料的信噪比必然会带来好处。因此,可根据目的层的深度及地质目标来选择采集和处理面元的大小,实现面元叠加的目的。1.2观测系统设计目前,在大部分主要含油气凹陷内,探区已被二维和三维地震勘探所覆盖。但是,当现有的地震资料仍然不能满足对3500m以下的深层地质构造解释的需要时,就必须想办法提高深层资料弱反射的能量和信噪比,主要途径是增加地下反射点的有效覆盖次数。该方法就观测系统而言,在二维地震时,观测系统设计是通过合理的布设炮检点位置,达到线状面元细分的目的。资料处理时通过扩大面元叠加,可提供多种不同覆盖次数的剖面,达到增强有效信号、压制干扰的目的。对于三维地震,观测系统是窄束状的观测方式。其观测方法是,当沿着测线布置接收点时,激发点则设在与测线交叉的线上,可以是正交线,也可以是成任意角度的线。只要按地质模型适当选择激发点距和接收点距,就可以获得几条平行于测线方向的多次覆盖的CDP线,也即形成了一个地下共反射点条带。实现面元叠加采集的技术关键是,合理地设计野外采集子面元大小,以便在处理过程中能够有重构可变面元的选择。资料处理中重构新的CMP面元,必须保证在叠加成像后剖面特征不失真,地质现象反映清楚,保证新的CMP面元形成的道集,能较好地实现同相叠加。由此可见,实现同相叠加的核心问题是速度。与常规地震采集方法相比,面元叠加采集技术具有以下3个特点。1均匀的原则常规叠加要求CDP点应尽量均匀地分布,覆盖次数要尽量均匀。而面元叠加采集到的CDP点分布,对二维而言,是一条超密度的CDP线,对三维而言,是沿测线附近的一窄束条带,且条带中心部位的覆盖次数较高。2在接枝件中实现面元叠加技术对二维而言,由于采集到的是高密度的地下反射点,只要在沿测线的菲涅耳带半径范围内的CDP道集实现同相叠加,组成一个新的CMP道集,依此类推,就完成了面元叠加技术,也就获得了一条超高覆盖次数的剖面。对三维窄束状的CDP道集而言,与二维处理一样,只是增加了横向CDP道集,也就是说在三维空间域内实现同相叠加,然后把完成了同相叠加后组成的新CMP道集,置于束状CDP中心线位置,也就获得了一条高覆盖次数的剖面。在处理过程中,对不同位置的CDP道集可以不同的加权方式进行同相叠加,加权系数的选择视倾角大小而定。1.3采集子面元大小和覆盖次数的确定面元叠加资料采集方法是一种用于解决深层复杂构造和地质问题的采集方法,其施工设计涉及到许多可选参数和许多不可改变的制约条件。尽管野外小面元采集和室内可变面元处理对提高深层资料信噪比有利,但采集子面元的大小和子面元的覆盖次数的确定仍是设计观测系统的关键。若采集子面元选择过大,不利于进行扩大面元叠加,达不到增加覆盖次数的目的;若采集子面元选择过小,或覆盖次数过高,又会增加施工难度和勘探成本。因此,必须以工区的深层地质条件为前提,从地质模型出发,在分析以往所做的二维、三维施工参数的基础上,结合面元叠加处理方法,选择合适的子面元大小和有效的覆盖次数,从而确定最佳的采集方法。图2为面元叠加野外采集方法论证流程图。1.3.1使用面元大小在面元叠加采集技术中,面元的大小问题实质上是包含着子面元和可变面元2个面元大小的问题。1cdp点距剖面的确定对二维而言,子面元的大小是由道间距和炮点距决定的。实现二维的面元叠加技术,在采集上要求炮点距不为道间距的整倍数,才能保证获得高密度CDP道集。对三维而言,子面元的大小是由道间距和接收线距的大小而决定的,道间距和接收线距一旦确定,则子面元的大小也随之确定。子面元大小的确定需考虑反射能量随深度的变化规律、目的层的信噪比、地质目标的复杂性、地层倾角的大小和速度变化等几个主要因素,并根据子面元采集时需要增加(模拟)的最高覆盖次数和保证满足在第一菲涅耳带最大面元极限范围之内。因此,设计子面元的大小可以按以下步骤进行:①根据下列公式计算第一菲涅耳带半径(根据勘探要求,浅、中、深各选一目的层来计算)r(f)=√h×vJ2×fΖ≈√t0×vc×vJ2×fΖ(1)式中,h为反射点深度,t0为单程时间,fz为目的层反射的主频,vJ为目的层均方根速度,vc为目的层层速度。②根据满足可变面元的最大极限(第一菲涅耳带半径),子面元的基本覆盖次数和可变面元模拟达到的最高覆盖次数,计算子面元的边长b=r(f)√nΝ(2)式中,b为子面元的边长,n为模拟最高覆盖次数,N为基本覆盖次数。只要子面元的边长被确定,那么,面元叠加野外采集观测方式也就确定了。③对二维而言,在设计观测系统时,可通过炮点距和道距之比的余数,控制形成最小线性子面元大小,施工中形成几种不同的观测系统进行循环,就可以获得一条高密度的CDP点距剖面。为处理时可变面元选择更灵活且有效,采用计算公式nf=nc×2x/(si×2)(3)式中,nf为覆盖次数,nc为接收道数,x为CDP点距,si为炮点距。CDP点距(子面元大小)可根据地质目标的复杂程度而定,从而也可计算出炮点距。④三维地震采集时,野外采集的子面元以正方形为佳。2可变面元的设计可变面元大小的选择,必须首先考虑第一菲涅耳带,选在波前传播λ/4区间内,并随着深度(也可随着偏移距)而变化,由浅至深逐渐增大面元,构成符合菲涅尔原理的CMP面元。在这个面元内进行叠加,可增强反射信号的能量,提高信噪比,特别是深层反射信号的能量。可变面元的大小设计必须考虑以下4个因素:①第一菲涅耳带半径大小;②目标地质体的大小;③最高无混叠频率大小;④横向分辨率。如果子面元设计过大,可能产生假频;如果子面元设计太小,会增加野外采集施工的复杂性和采集成本以及处理的难度。1.3.2覆盖次数的确定理论和实践皆证明,基本覆盖次数的选择也需要依据勘探区域内地质沉积特点及信噪比的大小等因素而确定。考虑到基本覆盖次数设计过高,会增加施工难度和生产成本,而设计过低,在实现面元叠加采集过程中就会带来困难,因此,基本覆盖次数应根据本区以往勘探结果而确定。子面元覆盖次数应遵循以下几项原则:①对二维而言,野外采集的基本方式,应本着大排列、小道距、炮点距不等于道距的整倍数滚动前进的施工方法,覆盖次数的计算采用公式(3);②对三维而言,其观测方式与束线状三维观测系统相同,覆盖次数应与二维覆盖次数基本相同或略高于二维覆盖次数,应尽可能地满足横向覆盖次数要求;③在处理时,模拟最高覆盖次数以提高低信噪比及改进弱反射信号。1.3.3其他施工参数的确定当面元叠加采集方法中子面元的大小和覆盖次数确定后,其他施工参数的确定就与常规的施工参数确定方法及要求一样。但考虑到面元叠加采集方法主要针对深层和复杂地区,对其他施工参数的确定,有必要做进一步强调。1深层反射信号的选择选择最小炮检距(xmin),应充分考虑到深层资料的处理由浅层向深层延拓的需要,根据工区最浅目的层的深度,最小炮检距不应大于最浅目的层深度的■。选择最大炮检距(xmax)时,需要从地质模型出发,根据射线追踪和单炮理论进行记录综合分析。当反射目的层在5000m时,xmax选择在9000m以上仍能得到很强的深层反射信号,由此可见,对深层反射信号来讲,xmax选择大些有利。选择时不需要严格地考虑速度分析精度的要求,由于动校正拉伸虽然对浅层的影响较大,但对深层的影响则小,可适当放宽动校正拉伸量要求。最大炮检距应综合考虑以下2个因素:①考虑速度分析精度,xmax应满足xmax≥{2t0ΔΔt/[1/v2R-1/(vR+Δv)2]}■(4)式中,vR为对应于t0的均方根速度(m/s);Δv为允许的速度误差(m/s),一般取Δv/vR在4%～10%之间,在深层采集时可以适当放宽;ΔΔt为正常时差可达到的精度。综合考虑工区内各个目的层的情况,以满足主要目的层为原则。②考虑最深目的层的深度。一般情况下,xmax应不小于最深目的层的埋藏深度,但可以尽可能大一些,这对接收深层信号有利(出现广角反射信号也无妨)。2fmm的确定道距的选择首先要考虑采集面元的大小,其次要考虑空间假频。对于倾斜反射层,在偏移前都有一个可能的最高无混叠频率fmax,它依赖于此反射层以上的层速度vint、倾角α和道距xn。其关系应满足公式xn＜vint/(4sinα×fmax)(5)道距的确定主要依据以下3个方面:①目标地质体的纵向尺度。根据经验法则,要分辨出一个小的地质体,在目标体内至少要有3道的信息,即道距小于或等于纵向目标尺度。②最高无混叠频率。每个倾斜同相轴都有一个偏移前可能的最高无混叠频率fmax,它依赖于此同相轴的上一层的层速度vint、倾角α和道距xn,它们满足下列关系sinα=vint/(4×xn×fmax)(6)③横向分辨率。横向分辨率依赖于目的层段反射的最高频率。2个绕射的距离若小于最高频率的一个空间波长,它们就不能分开。由于最高频率在实际工作中很难测出,一般认为在优势频率fdom的波长上取2个样点,就能得到良好横向分辨率的道距,即xn=vint/(2×fdom)(7)式中,vint是目标层上一层的速度。对于某个工区,应该对不同的目的层进行计算,综合分析后,才能选取合适的道距。3变相叠加、dmo和三维选取这里主要是指三维窄束状施工时的情况,接收线和震源线是沿测线方向的检波点线和激发点线,其数量的确定,主要依据CMP面元的覆盖次数。根据经验公式,要使S/N提高一倍,CMP面元的覆盖次数就要增大4倍左右。当然,还要考虑到经过可变面元同相叠加、DMO和三维偏移处理所增加的有效覆盖次数。一般纵向覆盖次数可低于以往二维的覆盖次数,横向的最高覆盖次数应该不小于2次覆盖,以增加横向反射信息。确定了CMP面元的覆盖次数,根据现有仪器的道数,就可以初步定出三维窄束状观测方式的接收线数和激发点线数。接收线距和激发点线距的设计,主要是依据可变面元的横向长度,而这个长度的选择又要根据目的层需要分辨的最小地质体的横向尺寸来确定。也就是说,在设计接收线距和激发点线距时,要使可变面元横向的最大长度不大于所要分辨的最小地质体的横向尺寸。激发点线上的炮点间距主要与接收线长度和纵向覆盖次数有关,可由下式求得Si=l/(2×nΖ)(8)式中,Si为炮点距;l为接收线长度;nZ为纵向覆盖次数。4观测方式的确定主要是根据目的层的构造情况来确定。通过对工区内老资料的分析,确定目的层的大致构造形态,再借助模型技术来选择最佳的观测方式。当目的层构造复杂,断裂发育,地层倾角变化较大时,采用下倾激发的观测方式或中间激发观测方式为佳。2地震勘探的效益胜利油区随着勘探程度的加深,大面积三维地震连片测量,已基本查清了沙三段以上中、浅层油气藏。而对于深层油气藏的勘探,如果按照常规的做法,通常使用”四大一高”的采集方法,即大井深,大药量,大排列,大组合基距,高覆盖次数,其结果始终不尽人意。如果再进一步加大老方法的力度,突出的矛盾是:①生产成本成倍上升,经济效益甚微;②高覆盖次数,从生产组织到施工环境都不允许,特别在农业发达和城镇稠密区就更为困难,质量也达不到保证。过去由于受到采集设备和采集工艺的限制,在二维和三维地震勘探中,将勘探目标主要放在了中、浅层。因此,以往采集的资料难以实现面元叠加。主要存在以下问题:①野外采集观测系统所设计的CDP网格较大。大多数为25×50m的网格,部分地区为50×100m的网格,实现面元叠加困难。②覆盖次数偏低。一般二维只有20～30次,三维为2×10次,由于CDP网格较大,处理过程中无法提高覆盖次数。较低的覆盖次数是不利于提高深层资料信噪比的。③排列长度相对较短。受采集设备的制约,以往所使用的排列长度一般都在3000m左右,这不利于深层反射波的接收。④处理过程中也主要是针对提高中、浅层的分辨率,而对在较强干扰背景中的微弱深层反射信息,也缺乏有效的处理手段来保证深层反射波成像。由于深层地震资料反射信号弱、信噪比低,难以满足深层构造研究的需要。因此,在济阳坳陷深层地震勘探研究中,试验了窄束状面元叠加采集方法。2.1变面元叠加窄束状观测系统的应用辛镇地区处在东营凹陷中央隆起带附近,沙三段以上地层是一组受反向正断层切割而复杂化的背斜构造,断裂系统相当复杂,地层倾角变化较大(0°～±25°)。在2.5s以下从沙四至孔店组沉积了巨厚的膏盐层,膏盐层自浅至深厚度由几m、十几m甚至上百m不等。每套膏盐层又是含膏泥岩、膏盐岩、硬石膏、白云岩及泥岩的互层,而且厚薄不均。由于破碎复杂的背斜构造和断裂系统,以及巨厚的膏盐层屏蔽,造成深层反射波能量弱和严重的发散,使该区地震资料品质较差,深层资料信噪比极低,严重影响了对膏盐层及其以下地层的综合解释。通过正演地质模型计算,确定采用面元叠加窄束状采集观测方式,开展该地区的深层试验工作。为了对比观测系统的效果,在室内将地震资料分别抽成了常规240道二维、2线1炮、2线2炮、2线3炮和2线5炮的观测系统进行了对比分析。结果表明,2线5炮的面元叠加剖面效果最好。因此在该区采用2线5炮面元叠加窄束状观测系统(图3)进行了数据采集的段试验。同时对激发井深、药量等因素通过常规试验进行了选择。完成野外采集工作量23km,共获得1002炮,7条CDP线,每个满CDP点道集为20次覆盖,子面元(采集面元)大小为25×12.5m。对采集的资料在室内经过可变面元的叠加处理(重构新的CMP面元叠加道集,组成150×75m的长方形可变面元,模拟覆盖次数240次),所得叠加剖面与同一测线的老剖面(覆盖次数30次)对比,变面元叠加剖面占有绝对优势,信噪比有了明显的改进。剖面上不仅基底反射清晰,而且获得了膏盐层内幕的反射;膏盐层上覆地层的断面清楚,断层特征明显(如图4,图5)。2.2观测系统及剖面的确定惠民凹陷是济阳坳陷内的又一主要含油气凹陷,盘河地区位于该凹陷的中央隆起带附近,该区因受临邑大断层的控制,T6以上断层发育,断块较小,地层倾角变化较大,下传射线畸变、穿透能量不足以及严重的侧散射噪音,导致了该区深层地震资料的品质较差。为此,在总结东营辛镇地区面元叠加窄束状观测方法的基础上,对该区的地震地质资料(包括表层地质结构、单炮记录、地震剖面、地表地形等资料)和以往的施工方法、激发和接收条件进行了研究,建立了盘河地区的深层地质模型,利用相应的地震正演模拟和处理方法,完成了7种观测方法的数学模型正演和14种剖面的处理和显示。在模型试验的基础上,结合大量的点试验资料,确定采用2线3炮面元叠加窄束状的采集方法,其观测系统如图6所示。这种观测系统所形成的CDP网格较小,只有15×25m。CMP面元的横向覆盖次数最高为2次,纵向覆盖次数为30次。如果我们将CMP面元扩大到45×75m时,每个可变面元在理论上的覆盖次数将达到360次,如果将CMP面元再扩大到90×125m时,每个可变面元在理论上的覆盖次数将高达1080次。当然,这些覆盖次数仅仅是理论上的,在实际资料的处理过程中,还要考虑到地层的倾角,需要通过地层倾角剖面来实现同相叠加。该区共设计面元叠加窄束状测线12条,设计工作量3069炮。对所采集的数据,经过可变面元、同相叠加处理之后,每个CMP面元的模拟覆盖次数达到了200次以上,比以往30次覆盖的老资料(同一测线)高出6倍左右(图7)。通过面元叠加窄束状采集的剖面和普通三维地震剖面的比较,可以看出:1)大断层的位置更加准确,由大断层控制的一系列派生断层,在剖面上更加清晰,在大断层下降盘的深层沙三段-孔店组发育的一组断层,比普通三维剖面清楚。2)波组特征清楚可靠,强弱分明,分辨率和信噪比高,地质现象丰富,特别是深层中生界的不整合面及不整合以下地震反射十分清楚(图中箭头指示处),普通三维地震剖面则未能反映出细节。3)大断层上升盘的三角地带,普通三维剖面未获得有效反射,而精细面元窄束状采集剖面不但可以连续追踪强波组,而且地质现象也非常清楚。4)整个大断层上升盘沙四-孔店组反射波组清楚,比老资料有较大改进。2.3扩大覆盖次数的强化面元在林樊家地区曾进行过2次二维地震勘探(东部二维测网密度为300×300m,大部分地区测网密度为600×1200m),资料的品质较差,尤其是深层资料的信噪比极低,标准层反射不清,深层构造很难落实。为了提高该区深层资料信噪比,本次施工共设计了16条面元叠加窄束状测线。根据以往资料采集情况,结合该区的井资料,利用正演模拟技术对该区深层资料品质差的原因进行了分析,得出如下认识:该区深层勘探的主要目标是孔店组地层。从综合录井资料的自然电位曲线、视电阻率曲线以及岩性剖面分析,Ek1与Ek2之间的波阻抗变化不大,因而使得反射界面T8的反射系数较小。而孔店组地层与下覆中生界地层之间属角度不整合接触关系,虽然反射系数相对较大些,但从同一炮地震记录上看,深层信号与浅层的强反射信号相比,差异仍然很大。由于上覆地层的吸收衰减作用和随机噪音的干扰,造成深层反射信号弱、信噪比低、资料品质差。而老的二维观测系统最大炮检距只有3100m,对深层速度的求取也很困难,造成深层资料难以成像。基于上述原因,在林樊家地区采用了3线2炮观测系统,观测系统及子面元属性如图8所示。该观测系统对应的二维观测系统为255010001005550,可获得4条纵向间距为12.5m的CDP线,中间2条的覆盖次数为32次,两边为16次,最小CDP面元为12.5×25m。若在条带中间选择50×50m的处理面元,则覆盖次数可达256次;若选择50×75m或100×50m的处理面元,则覆盖次数可达384次;若选择100×75m的处理面元,则覆盖次数可达576次;若选择100×100m的处理面元,则覆盖次数可达768次。从林樊家地区525.5测线的处理试验效果来看,采用50×50m的可变面元处理后,模拟覆盖次数达192次所得的叠加剖面,其深层效果明显地好于12.5×12.5m、32次覆盖所得叠加剖面效果(见图9,图10),这说明通过扩大处理面元后,提高了覆盖次数,增强了深层有效波的能量。从该区处理的剖面来看,各主要目的层齐全,中、浅层断裂系统清晰,尤其是经过可变面元处理后,中、浅层比该区的老二维地震剖面有明显的改进(图11)。2.4维面元叠加观测西部沙漠和戈壁地区表层结构十分复杂,巨厚的沙丘及砾石层,造成表层能量的大量吸收,致使中、