海上多方位观测系统照明分析

吕晓春,李　鹏,孙常新,成景旺,赵　阳,贾景超

(1.华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045;2.长江地球物理探测(武汉)有限公司,湖北武汉430010;3.长江大学地球物理与资源学院,湖北武汉430100)

海上多方位观测系统照明分析

吕晓春1,李鹏2,孙常新1,成景旺3,赵阳1,贾景超1

(1.华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045;2.长江地球物理探测(武汉)有限公司,湖北武汉430010;3.长江大学地球物理与资源学院,湖北武汉430100)

摘要:海上多方位观测系统能够获得多方位角的地震信息,从而增强地震照明度,提高勘探精度。基于波前构建法计算模拟偏移振幅(SMA)强度,作为照明量对多方位观测系统的照明响应进行研究,为评价和优化多方位观测系统提供指导和依据。理论模型和实际地质模型照明结果表明,随着方位角个数的增加,多方位观测系统针对目的层的照明能量的连续性和均匀性变好,能够有效地改善单个窄方位角观测系统下的照明阴影区的照明效果,可广泛应用于海上复杂地质环境下的地震数据采集。

关键词：多方位观测系统;波前构建法;模拟偏移振幅;照明分析

海洋深水区三维地震勘探主要以拖缆的方式采集,海上地震观测系统主要类型包括:窄方位(NAZ)观测系统、多方位(MAZ)观测系统、宽方位(WAZ)观测系统、富方位(RAZ)观测系统和全方位(FAZ)观测系统。NAZ观测系统是海上最常规的观测系统,采集信息集中在与航向相关的较窄方位角内,远偏移距方位角在地震船路径的上、下10°范围内,观测系统的横纵比较小,一般小于0.5,当地层构造较为复杂时,窄方位角观测系统接收不到地震反射信息,成像效果无法满足勘探要求。MAZ观测系统通过多个窄方位观测系统的叠加来提高覆盖次数,扩大方位角分布,获得多个方位的反射信息,有利于岩石属性和各向异性研究,能有效改善地震成像质量。WAZ观测系统通过扩大观测系统的横纵比来扩大方位分布及覆盖次数,横纵比大于0.5;该方法的优点是在有盐丘、侵入体或高陡断层等复杂构造存在时,可以提供丰富的方位角信息,有利于消除侧面反射对偏移成像的影响,但该方法受采集成本和设备的制约。RAZ观测系统通过多个宽方位观测系统的叠加来提高覆盖次数、扩大横纵比及方位角分布,获得多个方位的反射信息;该方法的突出优点是使得每个面元内的各项属性分布均匀,有利于压制各种噪声;但是该方法施工难度大,采集成本高,采集效率也较低,采集过程中由于船只掉头等非生产时间较多,所以目前的应用不是很广泛。FAZ观测系统是一种连续环状采集系统,几乎可以在所有偏移距上都能获得全方位的反射信息,能够更全面地反映地下构造,几乎没有非生产时间,具有极高的生产效率;但是环形观测系统采集的数据后期偏移处理的方法较少,处理难度较大。

多方位角勘探是以一个或多个(通常是3～6个)方位角对同一勘探目标区域重复进行常规NAZ勘探的方式。海上MAZ拖缆采集通过在不同方位角进行常规的重复激发采集以获得WAZ照明,从而实现MAZ地震勘探。该方法所获得的MAZ地震数据不但增加了覆盖次数,同时还扩大了勘探方位角的覆盖范围。MAZ拖缆勘探的成功,使该方法衍生出很多新的多方位角勘探采集设计方法[1-4]。2004年,BP公司在尼罗河三角洲首次进行了6个方位的MAZ宽方位数据采集,显示出MAZ比1个方位角的NAZ有巨大的优越性[5-7]。MAZ观测系统的优越性是:在成像困难或者照明较弱的局部区域,采用此方法可进行照明补偿,提高成像质量[8]。

目前,常用的观测系统照明方法主要有射线法和波动方程法。射线法计算效率高,但存在着射线阴影区、焦散区等问题。波动方程法包括单程波法和双程波法[9]。与射线法相比,波动方程法计算精度高,但计算效率低,不利于实际应用。有人提出了射线束法,它将波场分解到具有一定宽度的射线束上来实现波场的模拟和延拓,不仅具有运动学特征,还具有动力学特征[10]。VINJE等[11]提出了波前构建法,随后CHILCOAT等[12]、SUN等[13]将波前构建法应用到三维地质模型中,VINJE等[14]在已有的研究基础上实现了在开放模型上的波前构建。何洋[15]基于波前构建法进行了射线走时和振幅的计算。韩复兴等[16-20]在波前构建法方面进行了大量的研究。波前构建法可以计算地震多值问题,同时获得走时、传播路径和多种振幅信息,还可以适应复杂的地质构造,且对观测系统没有严格要求,稳定性好。该方法的最大优点是计算速度非常快,可以适用大型勘探工区。本文开展了不同的多方位观测系统下的照明分析研究,采用波前构建法获得地震波的走时、射线路径及振幅信息,结合Kirchhoff叠前深度偏移技术求得来自各个反射层的模拟偏移振幅,最后通过模拟偏移振幅的强度作为照明量,来衡量反射层对不同观测系统的照明特征,为评价和优化多方位观测系统提供指导。

1模拟偏移振幅照明方法原理

地震照明技术是一种十分有效的观测系统设计工具。目前通常使用的地震照明振幅图是基于简单的射线理论面元能量叠加,没有考虑地震脉冲和菲涅耳带的影响。模拟偏移振幅(SMA)照明是基于Kirchhoff偏移的一种改进的照明方法,照明结果接近于叠前深度偏移振幅。

Kirchhoff偏移的数学表达式[21]为:

(1)

式中:x为深度点;U为地震道;F为正确恢复震源脉冲的滤波器;ξ为地震道位置;τ(x,ξ)为经过深度点x的地震波反射双程时;W(x,ξ)为偏移权值;β(x)为深度点x的偏移振幅。

在叠前深度偏移(PSDM)中,实际的地震数据通过两个单程旅行时方程(从震源或检波点到成像点)逐道进行叠加到深度域,在SMA中,通过叠加合成脉冲来模拟PSDM过程。为了用射线追踪来模拟β(x),需要估计一个双程旅行时t(x)。与两个单程旅行时方程不同,这里使用一个镜像射线来得到近似的旅行时场,即旁轴射线理论:

(2)

使用合成输入道p来代替(1)式中的U:

p(t)=Re[A0s(t-t0)]-Im[A0h(t-t0)]

(3a)

t∈[t0,t0+T]

p(t)=0t∉[t0,t0+T]

(3b)

式中:s(t)为持续时间为T的震源脉冲;h(t)为震源脉冲的希尔伯特变换;A0为通过射线追踪估计的振幅系数。

单个脉冲点x处的模拟振幅值为:

(4)

式中:tpeak为震源脉冲的波峰所对应的时间;d为脉冲,如图1所示。

在点x处的所有脉冲的叠加为最终的模拟偏移振幅值:

(5)

图1　时间估计和震源脉冲示意图解

2多方位角采集观测系统设计与评价

MAZ拖缆采集方法由NAZ拖缆采集方法发展而来,因此可采用与NAZ拖缆相似的采集参数。MAZ拖缆采集观测系统设计中,方位个数是至关重要的参数。随着采集方位个数的增加,三维海上勘探成本和数据处理工作量也随之增加。方位个数的选择与勘探目标的复杂程度相关。借助照明手段可以确定哪些方向的照明效果好,并将这些方向确定为优势方位,为多方位角观测系统的设计提供帮助。国内外学者对借助照明手段进行观测系统设计做了大量的研究[25-28]。下面对沿不同方向采集的观测系统进行对比评价。

多方位角采集对已知地下大致形态的老工区非常有效,可通过建立老工区地球物理模型进行正演模拟及分析。如果设计观测系统是6个方位采集,那么就可以得到6个单方位、15个二方位、20个三方位(3MAZ)、15个四方位、6个五方位以及1个六方位,共63种方位的组合方式。而确定哪些组合的勘探效果好的工作量非常大,非常繁琐。本文首先在目标工区分别针对0,30°,60°,90°,120°,150°共6个方向进行窄方位采集设计并作对比分析,选定0,90°,150° 3个角度为对目标区照明度较高的优选方位角度;再将这3个优势角度与其它角度进行组合,通过属性分析和照明分析评价所设计的组合多方位采集效果,确定最优方向组合,这样可以大幅度缩减工作量。经过前期的照明分析,最终确定了0,45°,90°,135° 4个方向进行面向目标的照明分析,采集参数如表1。然后以这4个角度为优势角度,并借助几何属性分析、照明分析对设计的组合多方位观测系统进行评价,确定最优的方向组合。

为了说明不同多方位观测系统的特征,首先对比分析了表1中6种不同的观测系统的方位角-偏移距玫瑰图、方位角偏移距的叠合显示图。方位角-偏移距玫瑰图如图2所示,红色表示高覆盖次数,蓝色表示低覆盖次数。玫瑰图中圆边到圆心的距离表示偏移距,正北方向方位角为0,沿着顺时针方向,方位角逐渐增大。从图2中可以看出,随着选择方位的增加,多方位角拖缆观测系统的方位角覆盖范围越来越宽,而单个方向的(窄方位)观测系统的方位角分布范围在20°左右,方位角非常窄。

表2给出了不同方位角观测系统采集参数的统计结果。从表2可以看出,随着采集方位角的增加,整个观测系统增加最明显的就是总道数和总炮数,道数和炮数的增加会增加处理工作量,同时采集成本大量增加,从而限制了多方位角采集的实施,这就要求我们尽可能用较少拖缆方位来解决问题,所以设计工作对多方位角拖缆采集显得至关重要。本文对多方位角勘探的设计思路就是用多种手段来优选角度,然后再组合成最优的观测系统。

表1　窄方位及多方位角观测系统的采集参数

表2　不同方位角观测系统采集参数

图2　不同观测系统下的方位角-偏移距玫瑰图a 单个方向; b 2个方向; c 4个方向

图3为3种方案的多方位及窄方位观测系统的偏移距和方位角星状图的叠合显示。从图3可以看到,随着拖缆方位角的增加,观测系统的偏移距采样间距变小,分布越来越均匀,其中图3c的偏移距采样分布较均匀。通过以上的几何属性分析,我们初步优选出表1中的观测系统5与观测系统6为优选观测系统,具体的方案优选由照明分析结果来判断。

图3　3种不同方位角观测系统的偏移距和方位角的叠合显示a 单个方向; b 2个方向; c 4个方向

3模型测试及实际应用

3.1SEG三维盐丘模型照明分析

为了验证多方位观测系统的优势,选择SEG三维盐丘模型(图4)进行测试,模型大小约为13km×13km×4km。对该模型进行不同多方位角观测系统照明分析(观测系统参数见表1),本文只对模型的盐丘底界面进行照明分析,为了对比不同观测系统照明结果的差异性,下面从照明能量的强弱以及照明能量分布的均匀性等角度进行分析比较。

图4　三维盐丘地质模型

首先对比分析表1中所示的6个观测系统的射线照明结果,如图5至图10所示。可以看出:

图5　0(a)和45°(b)观测系统的盐层射线照明打击次数分布结果

图6　90°(a)和135°(b)观测系统的盐层射线照明打击次数分布结果

图7　0,90°组合(a)和0,45°,90°,135°组合(b)观测系统的盐层射线照明打击次数分布结果

图8　0(a)和45°(b)观测系统的盐层射线照明模拟偏移振幅

图9　90°(a)和135°(b)观测系统的盐层射线照明模拟偏移振幅

图10　0,90°组合(a)和0,45°,90°,135°组合(b)观测系统的盐层射线照明模拟偏移振幅

①目标层不同观测系统的照明能量分布规律为,反射能量集中于一些构造凸起点,且呈条带状分布,这与构造走势情况相一致;小断裂带发育的盐丘底部照明能量较其它地区均匀性差;②随着拖缆方位的增加,照明量逐渐增大,照明能量也越来越均匀,照明盲区得到改善;③由图7b和图10b可以看出,4个方位的多方位角观测系统的照明能量均匀性较好,有利于对目标区域的成像。

3.2实际工区模型照明分析

为了验证多方位观测系统的优势,选择的模型位于海上某工区,海底崎岖复杂,坡折带陡峭,断层发育良好。根据该地区三维叠前深度偏移层位数据和测井资料得到的速度数据,建立了如图11所示的三维层速度模型,对该三维模型不同多方位角观测系统进行照明分析(观测系统参数见表1),本文只对模型的bn_07层进行不同方位角的模拟偏移振幅的照明分析。

对比分析这6个观测系统的照明结果(图12,图13,图14),得到如下结论:①不同观测系统在bn_07(图11b中的粉色层)目标层的照明能量分布规律为在凹陷(向斜)处照明能量较其它地区弱,且均匀性较差,为照明的阴影区;②随着拖缆方位的增加,照明量逐渐增大,照明能量也越来越均匀,照明盲区得到改善;③由图14b可以看出,4个角度的多方位观测系统的照明能量均匀性较好,有利于对目标区域的成像。

图11　实际三维模型a 工区三维层速度模型; b 工区模型切片显示(粉色层为目标层)

图12　0(a)和45°(b)观测系统的实际靶区目的层射线照明模拟偏移振幅

图13　90°(a)和135°(b)观测系统的实际靶区目的层射线照明模拟偏移振幅

图14　0,90°组合(a)和0,45°,90°,135°组合(b)观测系统的实际靶区目的层射线照明模拟偏移振幅

4结束语

通过计算目标层位的模拟偏移振幅能量来评价目标层在不同观测系统下的照明情况,能有效评价所设计的观测系统,进而达到优选观测系统的目的。该方法的突出优点是既考虑了地震波的运动学特征,也考虑了地震波传播的动力学特征,与传统的偏移成像方法相比,计算量大幅度减少,快速高效地实现了海量观测系统的设计方案优选,非常适合海洋大工区的采集方案设计。

本文对SEG盐丘模型和实际模型进行了观测系统评价,得到的结论一致,验证了该方法的稳定性与有效性。利用属性分析、射线照明分析、模拟偏移振幅等技术,针对海上复杂区开展了多方位观测系综合采集成本、施工难度、数据处理等方面因素,兼顾成像精度要求,对比实际模型的照明分析结果后认为,采用2个方位或4个方位的MAZ采集方案对目标层的照明较均匀,有利于提高实际靶区偏移成像精度。

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(编辑：顾石庆)

Illumination analysis for offshore multi-azimuth seismic survey

LV Xiaochun1,LI Peng2,SUN Changxin1,CHENG Jingwang3,ZHAO Yang1,JIA Jingchao1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China; 2.ChangjiangGeophysicalExploration&TestingCO.,LTD,Wuhan430010,China; 3.CollegeofGeophysicsandOilResource,YangtzeUniversity,Wuhan430010,China)

Abstract:Multi-azimuth seismic survey is a new acquisition geometry,which can gain multi-azimuth seismic information,eventually strengthens seismic illumination and improves exploration precision.On the basis of 3D ray modeling by wavefront construction,simulated migration amplitude (SMA) intensity is calculated,which is regarded as the measure of illumination to study the responses of multi-azimuth survey,and provides guide for evaluating and optimizing multi-azimuth survey.The application results of the numerical model and actual geological model demonstrates that the illumination of the target strata collected by multi-azimuth survey had much better continuity and uniformity,improved the illumination intensity at the shadow area gathered by parallel geometries.So multi-azimuth survey is an ideal offshore seismic survey,and can be widely used in complex geological environments in the offshore exploration.

Keywords:multi-azimuth geometry,wavefront construction,simulated migration amplitude,illumination analysis

收稿日期：2015-06-26;改回日期：2015-11-25。

作者简介：吕晓春(1985—),男,讲师,博士,主要从事地震数据处理、地震波成像反演方法以及海上地震观测系统设计研究。

基金项目：国家自然科学基金(41504102,51408222,51409102,51209093)、华北水利水电大学高层次人才启动项目(40438)和华北水利水电大学“青年科技创新人才支持计划”(70460)共同资助。

中图分类号：P631

文献标识码：A

文章编号：1000-1441(2016)03-0341-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.03.004

This research is financially supported by the National Science Foundation of China (Grant Nos.41504102,408222,409102,209093),the North China University of Water Resources and Electric Power Startup Funds for the High-tech Personnel (Grant No.40438) and the North China University of Water Resources and Electric Power “Youth Science and Technology Innovation Talent Support Program” (Grant No.70460).