阿联酋超大型地震勘探项目采集技术规划与集成

张慕刚 骆 飞 魏国伟 丁冠东 陈永胜

中国石油东方地球物理公司

0 引言

随着“一带一路”战略的推进，2018年7月19日，中国石油东方地球物理公司与阿联酋阿布扎比国家石油公司签订了勘探史上最大的一个勘探服务合同，含陆上采集23 000 km2和海上采集30000 km2。该项目为全三维采集，勘探区块几乎覆盖了整个阿布扎比酋长国；陆上勘探区域地表情况复杂，典型地型为沙漠，大型沙丘高度介于150～200 m，工区还穿越了大片城区，大范围的林场和保护区，几条横贯工区的主要高速公路宽度介于100～150 m且车速很快车流较多；海上勘探区域按照作业类型划分也较复杂，包括了深水开阔海域、浅水、极浅水、岛屿及过渡带类型。此外，工区内大量分布的沼泽区极易误车，广泛分布的岛屿、环境保护区、珊瑚礁、油田区、石油管线也为施工作业带来巨大的挑战。

本项目的勘探目标主要是深部的非常规目标层，即生储同层的烃源岩，多为泥岩或页岩，勘探层系多，深度跨度大，约3 000～9 000 m，成像精度要求高。

笔者主要介绍在超大区域内根据地表与勘探目标的变化，通过统筹规划勘探片区，不同区域合理配备装备、精确选择合适的采集参数，优质高效地实现了全勘探区域应用宽频[1-2]、高密度、大偏移距、全方位地震采集方案[3]，有效获得来自深层目的层的信号，满足非常规油气藏的识别与开发需求。

1 勘探服务要求与面临的挑战

因为勘探区域内地震老资料大部分都是采集于20世纪80——90年代的二维资料，地震有效反射信号接收量不够，品质不高，即便采用最高明的处理技术也得不到满意的处理结果，导致最终解释精度低，对目标储层的刻画不够准确，直接影响对区域地质和构造演变的理解，不能满足进一步勘探开发的需要。

1.1 合同对地震采集质量的要求

最终成果能满足水平井、井道方位设计和多阶段压裂空间位置设计的要求；

可建立三维地球物理机制模型，理解区域地质和该区的构造演变；

映射甜点和地震储层刻画（裂缝，孔隙，脆性，应力，有机碳含量）；

常规地震解释要做到结构层和断层对应、准确的时深转换，并进行地震层序分析。

1.2 地震采集难点

1） 勘探面积巨大，地表条件复杂、变化快；

2） 近地表速度异常（多层速度反转），增加了偏移速度场的精度，目标地层成像难；

3） 强振幅，低频频散和速度范围为300～1000 m/s的面波噪音，影响大；

强反射层间和表面多次波发育且识别困难；目标层Shilaif和Bab有地震多次波污染；

波阻抗对比度小，小断距断层识别困难。

1.3 勘探目标要求高：

1） 要求多阶段压裂横向分辨率达到100 ft（注：1 ft=0.304 8 m，下同）；

2） 要求资料满足从储层质量、烃源岩成熟度、有机碳含量和孔隙压力等因素分析需求，并在Shilaif、Bab和Thiab非常规油气地层中识别甜点；

3） 定量描述岩石属性和在Shilaif和Bab层的裂缝。

2 统筹分区设计采集方案

由于勘探面积巨大，地表情况复杂，为了保质保量完成地震采集任务并实现高效作业，在对整个工区进行了详细的踏勘后，根据地表地质特征进行分区划块，以宽频、高密度、全方位采集为最终要求，结合勘探目标的变化，将项目投标分成了陆上和海上部分，其中陆上划分为7个区块，海上划分为6个区块（图1）。最后针对不同的采集区块设计不同的采集方案并配备相应的采集装备。表1列举了针对不同油气勘探开发前景目标的采集方案，常规前景勘探区域采用百万道密度方案，如表中方案3；具有良好评价的采用千万道密度方案，如表中方案1、2；已具有开发价值区域实施数千万级，如表中方案5；油田开发区域采用近亿道密度的采集方案，如表中方案4。当然在实施过程中，根据实际与预算情况可能会进行调整[4]。

尽管已拆分成13个采集区块，但每一个区块的面积依然很大，地面设备投入量巨大，仍然不能一次性将排列铺满区块内的整个线束，所以需要再次将整个大块拆分为多个小区块后分别施工，每块大小约1 000道，块与块之间检波点相接，检波点外边重复半个排列（6 km）的炮点。对于个别特殊区块需要灵活调整分块办法和块的大小，以尽量减少重复炮。

精心设计区块之间的连接方式以保证区块间地震资料的无缝对接。能一次性施工最佳，即采用满排列方式直接从一个区块的边界推进到另外一个区块。但对于邻近老资料区相接时，因观测系统不一致，资料拼接会有一定难度，需要另行考虑。

图1 项目工区位置图

表1 采集方案设计一览表

城区面积大的区块，计划配备一定量的无线节点以辅助有线采集。在过高速公路方案中，因为公路宽、车速高，过路点少，存着大量偏点及架设二级排列的需求，虽然有线仪器具有较强的多路回传能力，但如果一边的排列不接到主光缆上，传输能力将非常有限，仅2 000道，因此需要考虑在公路两边架设2条主光缆通道，以适应排列横穿时对数据传输压力的平衡。

根据踏勘，海上6个区块可划分为深水开阔海域、浅水、极浅水、岛屿及过渡带5种类型（图2）。为此，针对性配置了5种震源类型：①10 m以上开阔海域采用双源深水气枪激发；②6～10 m浅水海域采用浅水单源气枪；③3～6 m极浅水海域采用小容量极浅水气枪；④岛屿采用AHV-380可控震源激发；⑤过渡带采用可控震源、炸药、气枪等混源激发方案。而接收仪器配置方案为：①复杂浅海区域采用MASS节点；②平坦浅水区域采用Z100；③极浅水区和开阔海域采用双检（常规检波器与水听器）及陆地采用GSR节点；④过渡带采用沼泽检波器。而采集方法则确定为：①浅水采用OBN；②极浅水采用OBC；③深水开阔海域采用Streamer；④过渡带采用陆地GSR；⑤在油田开发区，则要加密观测系统。

图2 海上作业区块划分与拟采用装备展示图

3 采集基本参数优化

3.1 检波器组合参数的优化

为确保地震资料品质，项目起始对采集的各项基本参数进行了优化与验证。程序如下：①对检波器组合参数进行盒子波调查试验，首先建立盒子波观测系统（图3），然后根据获得的盒子波调查资料确定该区域的随机干扰波干扰半径，以此确定检波器之间的组内距；②对盒子波的资料进行检波器组合模拟，用雷达扫描的方式观测对面波干扰的压制以及资料信噪比的变化，据此优化检波器组合方式（图4）；③进行线试验验证，决定最后的检波器组合参数。

图4 利用盒子波试验优选检波器组合流程图

通过盒子波观测试验的噪音记录分析可知，勘探区域的随机干扰半径要大于5 m，在盒子波的方形观测点矩阵中，任意选择组合方式进行雷达扫描分（图4-a、b），其结果显示相同组合长度，组内距大的信噪比高，组合个数与地震信号能量成正比；雷达扫描后根据模拟结果选择一种或几种最优组合方案进行线试验验证，笔者选择了2种组合进行线试验（图4-c），图4-c上是甲方原设计的检波器组合方式，图4-c下是模拟优选后的检波器组合方式，而图4-d则分别是2种组合的对应叠加剖面。图4-c上的组合方式实际上在沿接收线方向与炮线方向的投影组内间距都小于5 m，因此从叠加剖面对比看，原设计使用组合的随机干扰要强于组内间距大于5 m的优选检波器组合的组合方式，最后实际施工选用了新的组合方式。

3.2 宽频信号的设计与优化

常规震源上进行低频信号激发输出低频能量时，受流量泵和重锤位移影响，低频部分的相位差变大，由此产生了很强的力信号畸变(图5-a)，震源有效出力大幅降低，并伴随了很强的非线性谐波干扰，严重降低了低频段地震信号的信噪比。为此引进了低频压制模块SMartLF，将其直接安装在VE464箱体上，施工前在典型的地表条件下预先进行多次震动，该模块可以根据每一次的震动情况对扫描信号进行自动调整，直至低频部分产生的谐波畸变最小（图5-b右），从而保证低频段能量输出具有足够的信噪比。

图5 低频扫描信号对比图

与此同时，在宽频信号的高频段测试时，发现对8×104磅（1磅= 0.45 kg）大吨位震源来讲，高频段信号在工作时会产生较大畸变，究其原因，主要是为保证高频段有足够的能量输出，其负载需求大大增加，频率需求越高，负荷越大，如图6上所示红线是1.5～100 Hz的力矩马达负荷，蓝线是1.5～120 Hz的力矩马达的负载数据，由图6可见蓝线的负荷要比红线的高很多；而负荷越大，振子系统的响应产生的畸变越大。因此通过限制高频部分的出力就能实现减少畸变的目的，试验验证了这一思路是正确的（图6）[5-6]。

4 高效作业

4.1 陆上震源高效采集方案优化

根据地形与野外实际排列的情况，需要进行合理震源位置布设，并投入相应数量的震源以实现仪器无等待采集，达到最大化的生产效率。为此配备了30台AHV-380可控震源，并采用2种分布管理方式：①预先规划当天施工线束炮点分配，由于线束内因地表不同等原因导致震源效率不一致，需精细分配每一组震源的震源台数，或者在地表复杂区域适当少分配一些任务，做到接收线搬迁不压线，最大可能地提高生产效率；②考虑滑动时间——距离（T-D）规则的情况，因每束线炮点长度较长（最长可达32 km），如图7所示列排列震源，蓝框内的3台1簇（Cluster）震源可以是任意震源，其间距满足同时激发条件，簇与簇之间满足T-D规则中的滑动时间，尽量缩短放炮的时间间隔，有效提高施工效率。

图6 噪音水平对比图

图7 陆上满足高效采集的震源分布方案示意图

为了达到高效采集的目的，在运作过程中采用了无桩号施工，由推土机智能导航，对推土机轨迹进行自动偏点；同时有效利用动态滑动扫描、KLSeispro海量数据管理系统、RtQC快速质控等一系列高效采集配套技术，采集的单位小时作业效率介于1 000～1 500炮；本项目投入了目前最先进的百万道采集能力的有线系统和近万道无线节点，可以全天候不间断进行采集，最大可能地减少施工过程中带来的影响[7-15]。

4.2 海上高效采集方案实现

海上的工区面积超过30 000 km2，观测系统也采用高密度采集，设计总炮数近1×108炮，高效采集势在必行。首先通过合队等方式来减少划分ZIPPER产生的重炮炮点[16]，以降低总炮数；同时基于现有对海上高效采集的认识，组织现场攻关，形成海上多船高效混采作业方法（HEBS）。该方法距离分离6 km最小距离限制，采用独立激发的高效采集方案[10]，目前达到4船6源高效采集模式，大幅度地提升了生产效率（图8）。

4.3 稀疏反演数据分离技术

陆上或者海上采用高效混叠采集的基础是混采数据分离技术[16-17]的进步，BGP研发的基于稀疏反演混采数据分离方法[18]很好地满足了当前陆上基于T-D规则的距离分离滑动扫描与海上HEBS采集数据分离需要。解决了作业方法带来的混叠数据对成像效果的影响，极大地提高了单位装备投入产生的效率。具体单炮分离效果如图9所示，图9-a为海上混叠数据分离前后的对比，可见利用稀疏反演分离方法在强近炮能量中很容易分离出远离炮点的接收线数据；而图9-b是陆上混叠数据分离前后的对比，从中可以看到即便震源之间的距离很近，且还是多个炮点同时激发，利用稀疏反演分离方法也能有效地将需要的地震数据分离出来，大大减少了分离混叠数据对距离的要求。这意味着可以投入较少的地面电子设备实现混叠高效采集，减少了资产的投入，大大节约了成本。

4.4 节点的使用与质控技术

图8 海上项目高效采集方法示意图

图9 混采数据分离前后炮集展示剖面图

陆上施工中，在大型城区采用了节点和有线混合采集，由于节点是独立采集数据的，这使混合采集方案更具灵活性和通过性，极大地降低了城区的空点率，同时施工效率也有较大的提升，基本上与常规施工区域的施工效率一致，而陆上节点采集的质控方案[10-11]已经非常成熟，直接应用KLseis-seismicpro 就能满足。海上施工区域，由于BLOCK1/2/3浅水环境复杂，岛屿、环境保护区、珊瑚礁、油田区、石油管线分布较多，采用了新型MASS节点，该节点与z100相比，具有体积小，重量轻，易于布设和回收等特点，更适合在复杂水域施工，但由于该节点是新引入的，因此需要根据该节点的特征，开发相应的质控软件，在实施过程中，开发对应的KL-NodeQC软件，完成了Mass节点SGD3.0数据读取、切分、时钟校正、数据旋转（图10）、水检灵敏度检查、节点水深检查、SGY数据体生成、可控震源数据切分等诸多功能及对标工作，图10为新开发的MASS节点的基于数据驱动的4分量旋转方法，而原厂家提供的COMPASS LOGGER记录值校正是不能满足4分量旋转需求的，尤其是X、Y分量，但新方法校正后，X、Y的能量指示和方向完全一致，满足了项目需求。

图10 应用COMPASS LOGGER记录值与技术数据驱动计算值旋转后质控图

5 结论

这次超大型地震勘探项目采集技术规划与集成是针对大区域精细地质目标勘探而实现的一次挑战，总结起来可以归纳为：

1）面对众多不同的地表条件，地质目标深且多变，统筹规划分区，有利于装备配备的合理性与生产过程管理的高效性，建立的观测系统参数更加贴近地质任务。

2）进一歩划块进行精细采集参数设计,提升了地震资料的单炮品质，有效地拓宽了频带。

3）高效采集方式设计，无论海上还是陆上因地制宜进行高效采集方式的选择，最大程度上提高了生产效率，从以往的日效2 000炮提升到10 000炮以上。

4）稀疏反演分离方法实现近距离混叠数据的分离，使滑动时间与距离进一步的缩小，因此在相同装备投入的情况下，容纳更多的震源进行高效生产。

5）众多不同类型装备的质控方法，全面控制了地震采集资料品质，实现了甲方对资料品质的需求。

这些技术的集成与应用成为超大型项目低成本实现高精度地震勘探的解决方案骨架，目前项目运行良好；当然超大型地震勘探项目采集还有许多的技术需要攻关及优化，还有一些挑战需要应对，尤其是高效作业需要的装备还很多，规模较大，精细的野外作业管理和质量控制还需进一步优化完善。如何在进一步降低成本的情况下，不断改进地震资料的成像效果，提升油气预测的精度是地震采集永恒的追求。

致谢： 阿联酋超大型地震勘探项目是集BGP众多从事野外采集以及研发人员多年来技术之大成，里面包含了他们的不懈努力，在此向他们表示衷心的感谢！同时特别感谢为本文提供技术资料的BGP国际勘探事业部阿联酋项目经理部和采集技术支持部等单位的技术人员！