黄土塬区三维地震采集炮检点优化设计技术研究及应用

刘忠群,杜春江,金东民

(中国石油化工股份有限公司华北油气分公司,河南郑州450006)



黄土塬区三维地震采集炮检点优化设计技术研究及应用

刘忠群,杜春江,金东民

(中国石油化工股份有限公司华北油气分公司,河南郑州450006)

摘要:巨厚黄土和地形起伏剧烈是影响黄土塬采集的地震资料品质的关键因素,如何在黄土塬探区自动、高效、合理地选择有利区域布设炮检点对于提高地震资料品质至关重要。在地震数据采集理论设计的基础上,综合利用高精度卫星遥感影像、数字高程模型、近地表调查数据等建立地震资料采集区域地形地貌和地理信息数字模型,通过对比研究,将炮检点布设区分为5类,即冲沟、汇流沟等资料较好的首要布设区,塬、峁等可布设调整区,陡坡等缓布调整区,山脊和山顶避高区,地表障碍禁炮区等,再根据这些区域的优先级别进一步优化采集设计,形成一套炮检点优化设计技术。将该技术应用于鄂尔多斯盆地南部的彬长三维工区地震采集设计,优化后适当增补了炮检点,炮点调整率近30%,新采集的地震资料叠加剖面的浅、中、深反射波组齐全、连续性较好,应用效果表明,该技术使用方便、快捷,能够有效提高黄土塬探区采集的地震资料品质。

关键词：黄土塬;高精度卫星遥感影像;数字高程模型;三维采集设计;炮检点优化

黄土塬探区是我国主要的油气勘探地区之一,如中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司和中国石油化工股份有限公司华北油气分公司位于鄂尔多斯盆地南部的镇泾、彬长、渭北油田等探区。鄂尔多斯盆地中生界储层中河道砂体发育、砂体分布不规律,横向厚度变化大;储层非均质性强,物性横向变化快;油藏展布及结构受构造和岩性控制。为实现高效勘探开发,要求地震资料有较高的信噪比和分辨率。

黄土塬表层结构以“沟、梁、塬、峁、坡”为典型特征[1]：黄土厚度大多为200～400m,实钻最大可达450m;地势起伏为200～300m;潜水面较深，为25～100m,呈倒漏斗状,在塬的中心部位潜水面较浅,水层厚度大,在塬的边缘部位潜水面较深,水层厚度较薄甚至没有。这种复杂表层结构对地震资料品质的影响主要表现在：一是黄土的吸收衰减作用,黄土厚度越大,吸收衰减越严重,资料信噪比越低,当黄土厚度大于200m时,如果不能在潜水层或胶泥层中激发,则很难获得有效反射信息;二是黄土层与下伏基岩的波阻抗差很大,造成屏蔽作用,激发能量下传很弱[2];三是斜坡带的影响复杂[3-7],可归纳为：①反射波传播路径受到限制,坡越陡,接收到的反射波面积就越小;②斜坡区激发能量逸散;③含水性相对差,不宜找到合适的激发层位;④炮点和接收点组合方式会因坡度变化,导致组合效应发生改变;⑤不同地形区域的炮间能量、信噪比差异大。这种复杂表层结构引起的静校正、干扰波问题[8-10]等都会对后续的去噪、一致性处理及地震属性反演产生很大影响。

黄土塬探区以往采集的地震资料信噪比低,成像精度低,提高分辨率的难度大,难以满足精细构造解释和岩性解释的需要,因此急需能够有效提高资料品质的、因地制宜的采集技术方法。在设计此类地区的三维地震观测系统时,通常在正测网观测系统的控制下提高地震资料信噪比的主要措施有[11-12]：①尽量沿沟布设炮点以获取良好的地震资料,在大面积塬上通常采用组合井、深井激发(因有较稳定的潜水面);②避开狭窄的峁、梁及坡度较大的斜坡带(区域激发条件很差,干扰波发育,资料品质横向不一致);③将炮点从较厚的黄土区移到较薄的黄土区;④尽量避开障碍物(如城镇、厂矿等)。总之,可概括为“避高、避陡、避厚、避障碍”。在以往施工中,这些措施主要以人工踏勘为主,以测量数据、地形图、卫片为辅来实施,效率非常低。

本文首先对影响黄土塬探区地震资料品质的地形、地貌进行了分区分类,确定了炮检点布设的优先级别;再综合分析高精度卫星遥感影像、数字高程模型、近地表调查成果数据等信息,形成了一种地形地貌自动快速识别技术;针对不同区域按照优先级别、斜坡坡度分区原则、黄土厚度分区原则等完成炮检点的初步优化布设,并根据初步优化后的面元、偏移距、方位角属性分析结果对炮点进行二次优化,从而实现复杂地表条件下通过炮检点优化布设来提高地震资料品质的目的。该方法在彬长三维工区地震数据采集中进行了实际应用。

1炮检点优化布设方法

1.1地貌特征及其快速识别技术

1.1.1地貌特征区域划分

根据黄土塬探区地形、地貌特征对勘探激发的限制和影响,其地形勘探属性可分为：①冲沟——首布设区(图1中绿色线条);②汇流沟——首布设区(图1中深绿色的河道);③陡坡——缓布调整区(图1 中浅蓝色区域);④山脊和山顶——避高区(图1中紫色线条);⑤塬——可布设调整区(图1中浅灰色区域)等。

获得的工区内分辨率为10m的卫星遥感影像资料和地表高程数字模型(digital elevation model,DEM)30m×30m的网格数据,能够满足地震勘探观测系统设计的精度要求。对有关卫星遥感影像、DEM数据进行编辑整理,进行高程数字模型网格细化,同时完成卫星遥感影像图坐标校准,这是黄土塬地形、地貌矢量化的重要基础资料。通过DEM三维图形与DEM平面等值线图形以及卫星遥感影像中特征地形和地貌图形之间对比、分析,进行黄土塬特征地形、地貌地理信息矢量化,以提高地理信息识别的准确性和高效性。

1.1.2地貌特征快速识别技术

基于DEM数据,利用DEM提取地形特征点,由一个3×3或更大的网格窗口,通过中心网格点与邻域内8个网格点的高程差、相对距离、方向等信息判断满足特定条件的所有山顶点,然后以山顶点等值线封闭属性确定真实的山顶点和所形成的避高区域矢量化地理信息。图2为某工区根据DEM数据确定的山顶“避高”区(图中浅蓝色区域)。

根据DEM网格数据中3×3的网格窗口对中心网格点高程、距离、方向进行坡度分析,获得所有网格点的坡度值,然后在给定判断阈值的条件下实现不同坡度区域边界的追踪。最后把追踪结果转换为地理信息矢量化数据,统计出不同坡度区域的面积。图3为某三维工区最终识别的斜坡区不同坡度矢量图。图3a中浅蓝色区域表示坡度大于8°的斜坡区;图3b和图3c中浅蓝色和红色区域分别表示坡度大于15°,25°的斜坡区;图3d中浅蓝色区域为坡度大于35°的区域,也是施工中要重点避开的“避陡”区域。

图1　黄土塬特征地形、地貌地理属性分类显示

图2　DEM山顶与搜寻封闭等值线

采用同样的算法可以得到冲沟、山脊的矢量化区域图。图4显示了某三维工区局部DEM冲沟、山脊分析结果。图中绿色、黄色线条为冲沟,可作为有利布设区;红褐色线条表示山脊,为避高区域;蓝色区域为斜坡区域。

1.2炮检点优化布设方法及流程

1.2.1避高、避陡优化设计方法

激发点空间位置在满足主要目的层地震采集属性的前提下对其进行分析调整,调整原则是“坡度分区,一区一策”。根据1.1节地形地貌特征识别结果,将工区划分为5种坡度区域,即：小于5°,5°～15°,15°～25°,25°～35°和大于35°,所有斜坡区内炮点位置均由大于35°区域向25°～35°区域调整,25°～35°区域向15°～25°区域调整,以此类推。结合地理特征,冲沟和汇流沟等5°以下区域列为首布设区,倘若不能调整到首布设区,先判断将可调整区(斜坡5°～35°)调整到可布设调整区(如塬上);倘若不能调整到可布设调整区,则保持该激发点在陡坡的空间位置不变。如果激发点空间位置包含山脊、山顶地形,地理信息区域内坡度大于35°,要求以激发点最大可调整范围进行避开调整,首选首布设区布设,其次考虑在最大可调整范围内选择最低海拔空间位置,实现避高优化。如果激发点空间位置在地表障碍禁炮区内,在避开禁炮地理信息的前提下,优化选择最佳空间位置,弥补缺失激发点的采集属性。

图3　某三维工区局部矢量化坡度显示a 8°以上斜坡; b 15°以上斜坡; c 25°以上斜坡; d 35°以上斜坡

图4　某三维工区局部DEM冲沟、山脊分析结果

1.2.2避厚优化设计方法

坚持“厚度分区,一区一策”。避厚原则就是利用工区勘探、开发井的实钻资料和野外实测资料绘制的黄土厚度图,将激发点空间位置从黄土厚度大于400m的地方,调整到380m或更薄处;从黄土厚度为380～360m处调整至360m或更薄处,以此类推;汇流沟边激发点调至沟中,河道高岸处的调至河道;黄土厚度大于300m的激发点,若不能调整,就加大组合基距和增加组合井数。地形和厚度优化点数不得小于总物理点数的15%。

1.2.3避障碍优化设计方法

密点实测,以道补炮或以炮补道。遇大型障碍物(如城镇、厂矿等)时,采用加密炮点、检波点的方式,一般采用以道补炮或以炮补道的方式。

1.2.4面元属性分析

对避高、避厚、避陡、避障碍优化调整所造成的CMP面元偏移距、方位角的非均匀性进行分析判断,增加炮点或接收点以弥补面元属性的不足,指导观测系统优化设计。判断依据主要有两个：①方位角均匀性定量分析,先计算满覆盖区域的每个面元内的方位角分布的非均匀系数,然后计算所有面元的方位角非均匀系数的平均值,最后得到整个观测系统满覆盖区的非均匀系数,藉此来评价整个观测系统的方位角均匀性;非均匀系数越小,均匀性越好;②炮检距均匀性分析,先计算满覆盖区域的每个面元内的炮检距分布的非均匀系数,然后计算所有面元的炮检距非均匀系数的平均值,最后得到整个观测系统满覆盖区的炮检距非均匀系数,用此评价整个观测系统的炮检距均匀性;非均匀系数越小,均匀性越好。

2应用实例

以鄂尔多斯盆地南部的彬长地区某三维地震数据采集为例,介绍黄土塬炮检点优化布设技术的实际应用及效果。该工区属于典型黄土塬地区。图5为结合卫星遥感影像与DEM高程等值线图得到的矢量化地理信息图,图中土黄色区域为塬,浅蓝色区域为斜坡区,斜坡区中的黄色线条为冲沟,深蓝色线条为山脊。该图是实现炮检点优化布设的基础图件。

图5　彬长地区三维矢量化地理信息显示

2.1炮检点优化设计

2.1.1优化设计

根据建立的矢量化地理信息,在正测网的基础上,对自动识别出的山顶、山脊等坡度较大的地段(图5中蓝色线条区域)的炮点进行“避高、避陡、避厚”调整。图6为调整之后的炮点分布图,从图7局部放大图可以看出,原来规则的炮点排列除在塬、冲沟、大的河道位置保持不变外,紫色线条附近的山脊、山顶的炮点位置都依次向黄色线条附近的冲沟作了位移。冲沟上游炮点位置根据坡度、厚度分区原则依次向下游进行了位移。

2.1.2加密炮点

对炮点进行避陡、避高、避障碍的优化设计后,必然会造成某些区域的空炮距离过大,影响目的层段叠加次数的均匀性。例如：工区的156束至168束测线的排列经过某乡镇地区,有些区域炮点过密,有些区域炮点空缺,东西向炮点最大缺口达到540m,按照初步优化后的炮点分布,目的层段叠加次数分布见图8,目的层理论满覆盖区域最高覆盖次数达到161次(图中黄色部分),最低111次,叠加次数相差较大、均匀性较差。因此,在炮点位置初步优化的基础上又调整和增加了部分炮点。图9为炮点加密后的156束至168束测线炮点分布图。图中红点表示直接选取的理论炮点;红色外圈紫色实心的点表示对比后选择出来的采集属性更好的炮点;绿点表示用来弥补相邻测线束覆盖次数不足而增加的炮点。通过炮点整体优化设计,空炮区域减小,过乡镇区域理论最高满覆盖次数达到155次,最低111次,叠加次数的均匀性更好一些(图10)。

图6　彬长三维工区优化设计炮点分布(图中红点为炮点)

2.1.3区域内面元属性均匀性分析

对本工区的炮检点优化设计分布进行面元属性均匀性分析。图11为优化设计后叠加次数分布图。每一个数字区域代表一个面元,数字代表叠加次数,从局部地区分析结果可以看出,全区(局部)深部目的层覆盖次数最低137次,最高142次,覆盖次数分布相对均匀。

图7　彬长三维工区优化设计炮点分布(图6的局部放大显示)

图8　156束至168束目的层段叠加次数分布

图9　炮点加密后156束至168束测线炮点分布

图10炮点加密后156束至168束目的层段叠加次数分布

图12为优化设计后工区局部区域的炮检距分布图,图中每个方格代表一个面元,数字是每个面元的炮检距非均匀系数(数值越小,代表均匀性越好)。从图12中可以看出,各面元内近、中、远炮检距分布比较均匀,满足设计的需要(该工区非均匀系数理论上小于3)。图13为优化设计后工区局部区域的炮检方位分布图,图中每个方格代表一个面元,数字是每个面元的方位角非均匀系数(数值越小,代表均匀性越好)。从图13中可以看出,炮检方位分布比较合理,满足理论设计的需要(该工区非均匀系数理论上小于3)。

图11　优化设计覆盖次数分布(局部,图中数字为叠加次数)

图12　优化设计后炮检距均匀性分布(图中数字为非均匀系数)

图13　优化设计后方位角均匀性分布(图中数字为非均匀系数)

2.2效果分析

图14　炮点不同位置激发能量差异(固定增益记录)a 沟中; b 斜坡带; c 塬上

经过整体优化设计,该工区三维地震数据共采集185束线,塬上13415炮,沟中、35°以下斜坡区31080炮,35°以上陡坡区7120炮,总计51615炮,其中优化调整率近30%。经过全区的采集优化设计,资料信噪比有了较大提高。图14为将激发点从斜坡带调整到沟中和塬上的炮记录能量差异图。从图14中可以看出,塬上、沟中激发效果要远远好于斜坡带(图中红色曲线为高程)。图15为工区内某测线的成像剖面。对比炮点优化前、后叠加剖面可以看出,优化后目的层段(图15中红框)信噪比、连续性得到明显提高,反射波组齐全,为后续勘探、开发提供了有利的基础资料。

图15　彬长三维工区采集优化设计前(a)、后(b)叠加剖面

3结论

针对黄土塬巨厚黄土和地形起伏剧烈的地震数据采集难题,综合利用高精度卫星遥感影像、DEM、近地表调查成果数据等建立地震资料采集区域地形地貌、地理信息数字模型,将地形地貌分为不同区域,并进行炮检点布设优先级别划分,实现炮检点“避高、避陡、避厚、避障碍”的布设设计优化,在陡坡、山脊、塬上、冲沟地区炮点的分析调整基础上,尽可能减少陡坡炮和山脊炮,保证勘探满覆盖区域CMP面元属性的均匀以及较浅目的层的覆盖次数,形成了一套针对黄土塬地震采集的炮检点优化设计技术。彬长三维工区地震数据采集结果表明,该技术有效地提高了地震资料品质。

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(编辑：顾石庆)

Optimization design of shot-receiver points for 3D seismic acquisition in loess tableland

LIU Zhongqun,DU Chunjiang,JIN Dongmin

(SinopecNortheastOilandGasCompany,Zhengzhou450006,China)

Abstract:Thick loess tableland and drastic terrain variation seriously affect the seismic data acquisition quality,in which how to automatically,efficiently and reasonably select favorable area to layout shot-receiver points is critical to improve data quality.Based on the theoretical design of seismic acquisition,the digital model containing topography,geographic and surface information of the seismic acquisition area are built by the comprehensive utilization of the high precision satellite remote sensing image,the digital elevation model and the near-surface survey results.As a result,five types of shot-receiver layout area are concluded:the primary layout area of better data such as the gully,the confluence ditch and so on,the layout adjustment area such as the tableland and hilly,the later adjustment zone of steep slopes,the avoid high area such as the ridges and peaks,and the explosion forbidden area of surface barrier,which have been further optimized according to the priority of these areas.Thus a set of shot-receiver points optimization design techniques are formed.The technique has been applied in Bin-Chang area,southern Ordos Basin,the shot-receiver points were supplemented appropriately and the shot adjustment rate is nearly 30% after the optimization design of the entire work area.In addition,the acquired seismic profile has completely reflection group and the better continuity in shallow,medium and deep layer,and has clear interlayer contact relationship.The application results show that this technique is convenient and rapid,and can effectively improve the quality of seismic data in the loess tableland area.

Keywords:loess tableland,high precision satellite remote sensing image,digital elevation model (DEM),3D geometry design,shot-receiver points optimization

文章编号：1000-1441(2016)02-0188-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.004

中图分类号：P631

文献标识码：A

作者简介：刘忠群(1972—),男,教授级高级工程师,现主要从事石油天然气开发技术研究和相关管理工作。

收稿日期：2015-10-09;改回日期：2016-02-07。