多船拖缆宽方位地震勘探设计方法及应用

刘兴达，刘春成，吴旭光，刘旭明，唐 进

(1.中海油田服务股份有限公司 物探事业部研究院，天津 300451；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100027)

1 引 言

随着国内海域大规模进行海洋地震勘探，普查类的一次勘探已进行大半，接下来勘探的重点逐渐转移到针对性的复杂岩体勘探，诸如高陡断层、细小断块、特殊地质体(火成岩、气云区)、裂缝等逐渐成为各勘探靶区的重点研究对象。近年来伴随海洋地震勘探技术的迅猛发展，以宽频带、宽方位、高密度(简称“两宽一高”)为代表的高精尖采集手段日趋成熟，其凭借着对复杂岩体勘探的特有优势逐渐成为了各大油田针对性勘探的首选[1-3]。

宽方位采集是指通过改变炮检关系或增加采集方位等方式拓宽观测方位的一种采集模式，通常意义上定义横纵比在0.5以上的采集称为宽方位采集[4]。实现宽方位采集，在不同地理环境通常会选择不同的勘探方法，比如在渤海地区，水深通常在30 m之内，多使用海底电缆的采集方式进行宽方位勘探，通过宽方位采集可以有效解决诸如浅层花状断层勘探、火成岩下屏蔽区勘探、深层裂缝勘探等特殊地质问题[5，6]，面对深水勘探，传统海底电缆采集较难实施[7]，使用拖缆实现宽方位采集便成了深海宽方位破冰的首选。

国际上使用拖缆宽方位的采集目前主要有几种方式，以CGG公司为代表使用的多船宽方位的采集模式、以西方奇科公司为代表使用的环形采集的模式和单船多航次的多方位采集模式[8]。国内目前使用多方位采集相对较多，多船宽方位的模式于2015年底及2017年，在东海地区先后进行了两次采集试验，属于国内海域首次进行拖缆多船三维采集的尝试[9]。

随着“两宽一高”采集技术的兴起和发展，观测系统设计及优化方法也在不断进步，从常规的基于共中心点(CMP)分析偏移距、面元覆盖次数及其他属性的方式[10，11]，到考虑地下真实构造的基于复杂模型下的照明分析方法[12]，再到基于叠前偏移理论的观测系统设计方法，如基于绕射点成像的角度与照明分析的观测系统设计方法[13]、基于多炮波动方程正演模拟叠加偏移的观测系统评价方法[14]以及高效的基于波动方程延拓的聚焦分辨分析的三维观测系统设计与评价方法[15]等。近年来对观测系统定量化评价的讨论也日渐增多，如通过室内正演模拟对采集系统中的炮点进行定量分析并优化的思路[16]，及通过抽稀观测系统对比相同覆盖次数下不同观测系统属性并寻求最佳性价比方案的讨论[17]等。上述方法多是针对陆地勘探的观测系统设计方法，对于海洋拖缆宽方位这一特殊采集系统并不适用。本文通过借鉴国内外经典拖缆宽方位案例，结合地震数据分析手段，提出了一套基于构造产状分析的多船宽方位定量化设计方法，从最大非纵距这个关键参数入手，结合以往地震资料品质、构造特征等确定权重因子及置信区间，最终以正演模拟的方式优选采集方案；最后，展示本文方法在南海深水某靶区的应用，证明该方法对于断块型构造勘探有较强的适用性。

2 基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法

目前生产中宽方位所针对的问题有如下几种：①类花状断层的陡倾角断层成像问题。此类问题由于断层方向复杂，需宽方位观测以尽可能减小断层阴影带来的成像影响，同时宽方位数据可以减小由于横向速度变化对成像造成的影响。②各向异性成像问题。目前海洋勘探对于各向异性的研究多集中于HTI类型的介质，典型的如裂缝型储藏的各向异性问题，宽方位数据有助于消除速度各向异性带来的影响，从而得到更好的成像结果，同时为后期储层预测提供宽方位角度域道集数据。③屏蔽体下照明问题。此类问题通常是由于单向照明无法对屏蔽体下目标进行充分照明，需通过增加照明方位提高屏蔽体下照明度，从而提升目标成像质量。本文针对上述问题的第①、③点，前期结合拖缆宽方位设计特点，提出了一套基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法，此方法对于断块构造勘探有较强的适应性；后期结合靶区各向异性发育程度进行对比分析，提出更为经济可行的最优化采集方案。

2.1 最大非纵距

拖缆宽方位设计的重点就是最大非纵距的设计，通过分析该地区老资料主要构造(包括主断裂、小断层及斜坡带等构造)的产状，得到统计结果；再根据数据质量、解释程度等设置权重因子将所得构造产状数据进行预处理，这里可以对一些奇异值进行基于地质认识的修正。如下公式所示：

(1)

(2)

在进行地震勘探时，垂直于断裂方向采集对断裂的成像效果通常最好，故要提升工区构造成像需至少囊括构造统计方向的所有法向方向，根据预处理后的数据结合数据集置信区间，确定采集应囊括最小范围。如下公式所示：

θ=Imax-Imin

(3)

(4)

(5)

当得到角度θ后就可以进一步计算最大非纵距，最大非纵距的计算与主辅船的相对位置有关，下面计算公式以单边施工方式为例，主辅船相对位置关系如图1所示。

图1 双船单边施工方式示意图Fig.1 Schematic diagram of construction with two vessels

按照均匀化采集设计思路，L9为最大船距，L7+L8为最大非纵距；图中L2与L5平行，根据三角函数关系可进行如下推导：

θ1=atan(L6/L3)

(6)

θ2=θ-θ1

(7)

L8=L3×tanθ2-L7

(8)

公式中θ1为L3与船航行中轴线夹角，θ2为L5与船航行中轴线夹角，θ为L3与L5的夹角；根据所得最大非纵距结合基础参数及辅助震源船数量及航次数，确定最终主辅船横向距离，为后期确定采集模板确立基础参数。

2.2 主辅船相对位置关系确立

当得到最大非纵距后需进一步确定辅助震源船数量及主辅船相对位置关系，除了考虑与最大非纵距的关系外，在进行宽方位设计时还应考虑如下两点内容[20-23]：①方位信息的获取。通常情况下根据地球介质速度各向异性椭圆拟合的规律，以长短轴重新建立相对坐标系后，所对应的一、三象限内满足炮检互换原理，相应的二、四象限同样满足，故在进行宽方位采集系统设计时，在经费允许的情况下通常应尽量满足采集到一、三象限中的一个及二、四象限中的一个，这样可以保证经炮检互换后达到对该区域获取到全方位的信息。②在设计时要充分考虑多路径照明对该地区地下目标成像的影响。如在该区域主要断裂及微断裂的倾角方向，断层阴影对射线路径的屏蔽区域等，这里可以通过反向照明或射线追踪的方式寻找最优勘探方向范围，从而确定主辅船相对位置关系。

2.3 成像影响分析

依据上述流程确立出几套采集方案后，通过成像和照明两个方面分析采集方案对地质问题的解决程度，对比优化观测系统，达到方案经济实用最优化。

下面以某工区为例进行分析，对比观测系统为使用本文方法筛选出的两套宽方位系统及对应的退化低配版和进化高配版观测系统，观测系统模板如图2所示。首先对比方案A和B的照明结果，根据分析可知A方案和B方案获取的方位信息分别是一、二象限及一、四象限，如图3所示。图4为选取目的层不同采集方案的照明结果，可以看出，两种宽方位方案在照明结果上整体差距不大，仔细观察可以发现，使用A方案进行采集时对图中构造凸起两侧斜坡区域的照明更加均匀，分析原因主要是因为该区域构造倾角较陡，双向照明对上下倾构造更有优势。

图2 对比观测系统模板示意图Fig.2 Comparison of different observing systems

图3 照明对比方案玫瑰图Fig.3 Comparison of rose diagram

图4 SMA照明能量对比Fig.4 Comparison of seismic migration amplitude

图5为目的层正演模拟成像深度切片，从结果中可以看出，方案A与B正演模拟效果基本相同，且与反射系数较为贴近，其相比方案C在断点成像及细节刻画方面有所改善，而方案D较方案A与方案B来讲整体差距不大，成像效果提升较小，但经济性远差于方案A与方案B。以上成像结果表明，通过基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法优选出的观测系统可对该地区有较好成像，且方案相对经济实用。

图5 目的层正演模拟深度切片示意图Fig.5 Comparison of modeling result sections in depth domain

最终观测系统应充分结合基础属性分析、成像影响分析、经济可行性分析等综合分析进行选择。

3 实例分析

3.1 靶区地质问题概况

靶区位于南海东部地区，成藏条件十分优越，且探井表明此处潜力巨大，该地区已有多个油气构造并有在生产中的油气田，该地区勘探目标位于中深层，主力成藏构造为断块构造，靶区水深超过1 000 m，属于深水勘探。该构造区的已有地震资料为2015年采集的拖缆窄方位三维地震资料，经过多次重处理仍无法满足精细储层预测的要求，主要问题有如下三个方面：①现有地震资料难以表征横向特征变化，岩体展布特征难以有效识别。②区域断层较为发育，但断层边界模糊，地层结构难以识别。③地层主要目的层频带较窄，无法满足储层预测的要求，地震分辨率有待提高。通过对现有地震资料进行详尽的分析，通过单点及多点地球物理参数提取并论证采集参数，得到了包括最大/最小纵向偏移距、采集面元尺寸、记录长度、采样率等基础采集参数，并通本文提出的基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法进行了方案设计。

3.2 采集方案

通过分析该区域的构造倾角数据，可发现其主要数据集中在近南北向，如图6所示；通过靶区地质需求及靶区构造统计分析研究，将该靶区置信区间定为95 %，经过计算可得在95 %置信区间的标准下断裂方位角集中在170°～193°之间；通过将方位角集中范围应用于基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法后计算出最大非纵距应大于2 150 m，根据施工滚动距结合均匀性覆盖的施工设计准则，确定最大非纵距为2 450 m(最大船距为2 400 m)。由于靶区构造产状较为复杂，在主采集方向上的构造既有上倾方向又有下倾方向，综合考虑照明成像、均匀性设计准则、施工性价比及安全性，提出最终方案如图7所示。

图6 区构造倾向分布示意图Fig.6 Distribution of tectonic tendency in the target area

图7 靶区施工方案——三船单翼前后源Fig.7 Construction scheme of target region——single side acquisition with three vessels

3.3 成果分析

本次采集使用宽方位“犁式”斜缆采集，为了弥补宽方位在各个方位角上对总体覆盖次数的“平摊”，使用了同步震源激发方式，大幅提升了覆盖次数。同时在中心构造区采用双向采集，最终生产所得到的玫瑰图及覆盖次数如图8所示。

图8 靶区施工玫瑰图及覆盖次数图Fig.8 Schematic diagram of rose diagram and fold diagram

通过对资料进行针对性的宽方位资料处理，最终获得靶区宽方位采集资料处理结果。如图9所示，与2015年窄方位资料对比，多船宽方位数据在目的层3.5～5 s的中深层的信噪比明显高于窄方位资料，同时在图中标出的高陡断层处多船宽方位资料较窄方位资料也有明显优势，多船宽方位数据在深层细小断裂的识别及潜山顶面断裂的识别均优于窄方位资料。图10为2015年窄方位资料与三船宽方位资料的蜗牛道集对比，可以看到，三船宽方位数据在中远偏移距(3 000 m以上)较窄方位数据能看到明显的因各向异性引起的同相轴抖动，说明三船宽方位数据对各向异性的敏感度更强。通过抽取数据，分别对比了只保留第一象限的数据，保留一、三象限的数据，保留一、四象限的数据及全部数据，可以看到，仅保留第一象限的数据与保留一、三象限的数据结果差异不大，保留一、四象限与全部数据的对比也有相同的结果，而对比保留第一象限数据和保留一、四象限数据时发现，后者明显对各向异性更为敏感。上述结果表明，当进行采集设计时，奇对称象限可依据炮检互换原理进行简化设计，只保留一个象限对结果影响不大，而偶对称现象则不可依据此原理进行简化设计。

图9 窄方位与三船宽方位主测线叠前深度偏移(转时间域)资料对比Fig.9 Comparison of PSDM(convert to time domain) with narrow azimuth schemeand wide azimuth scheme

图10 蜗牛道集对比Fig.10 Comparison of snail gather

4 结 论

1)本文提出的基于构造倾角分析的多船宽方位设计方法是针对海洋拖缆多船宽方位的定量化设计，对于传统海洋观测系统设计是一种有效的补充；经实际数据验证，本文所提出的方法有如下三个特点：①对于复杂断裂系统成像有较强的适用性，且可提高采集方案性价比。②对各向异性介质快慢波速度有较强敏感性。③本方法是基于老资料的数据驱动，可根据老资料品质结合解释人员改变权重因子和置信区间，对于不同工区适用性较强，由于是基于数据驱动，因此原始数据质量在一定程度上会影响最终设计结果。

2)最大非纵距是影响拖缆宽方位采集系统的关键指标，最大非纵距的不足会对成像结果产生较大影响，通过分析论证得到最佳最大非纵距是提高观测系统性价比的关键。

3)在进行宽方位设计时，在经费允许的情况下尽可能使方案能同时囊括一、三象限和二、四象限其中的一个，通过实际资料验证表明奇对称象限与单独一个象限各向异性敏感度差距不大，可基于此准则进行观测系统简化设计。

4)本靶区应用的三船拖缆宽方位采集系统成本相对较高，仅适用于定向精细目标勘探或开发阶段的勘探，不同靶区最终应用的采集方案需根据靶区地质需求及施工成本综合优化评定，最终得到性价比最优的方案。