四川盆地复杂地表地震采集关键技术及其应用效果

2021-09-17王晓阳张晓斌赵晓红王光银黎书琴孙偲轶王书彦

天然气工业 2021年7期

关键词：四川盆地观测资料

王晓阳张晓斌赵晓红胡峰任聪王光银黎书琴孙偲轶王书彦罗文

1.成都理工大学地球物理学院 2.中国石油东方地球物理公司西南物探分公司

3.中国石油西南油气田公司勘探事业部 4.中国石油东方地球物理公司物探技术研究中心

0 引言

四川盆地天然气资源量为39.94×1012m3，截至目前已探明天然气储量5.82×1012m3，探明率仅为14.57%，勘探处于早中期，是我国天然气勘探开发最具潜力的盆地[1-5]。

由于四川盆地经历了多期次构造运动，印支期形成盆地雏形，喜马拉雅期褶皱定形，导致盆地复杂地表区域山脉发育、构造复杂。根据出露地表岩性特征，以龙泉山和华蓥山为界，可将四川盆地地表地质情况分为川西北坳陷区、川中隆起区和川东高陡构造区3大区域：①川西北坳陷区是盆地内白垩系、古近系主要分布区和第四系大片覆盖区，也是川西北前陆盆地—中新生代主要坳陷区，地表主要为砂泥岩，坳陷区激发接受条件较好；其中龙门山推覆构造区因受龙门山逆掩推覆影响，褶皱强烈，地腹构造较复杂，断裂发育，地震地质条件较差[6-10]。②川中隆起区是盆地内褶皱最弱的地区，区内地腹构造较平缓，断裂发育较少，地震地质条件较好[11]。③川东高陡构造区是盆地内褶皱最强烈的地区，地腹构造较复杂，断裂发育，地腹地震地质条件差[12-16]。四川盆地复杂的地表和地腹地质条件给地震勘探工作带来了一系列的技术问题与挑战，其复杂地表地震采集亟需解决的核心问题是：①针对复杂地表区的复杂地质目标偏移准确归位难、成像效果差的问题[17]，如何设计更加经济有效的高精度三维观测系统方案；②面对复杂地表障碍物众多与地形高差大带来的施工难度和安全风险，如何更加安全、高效地实施地震采集项目；③复杂地表区局部大量出露刚性地层，地震波下传能量衰减严重，如何通过激发技术攻关有效提高地震波下传能量，进一步提高原始资料品质；④面对复杂地表区的岩性变化与干扰分布，如何对野外资料质量分析与自动评价，保证高品质地震资料的获得。总之，四川盆地复杂地表区浅、中、深层都面临着巨大的物探技术挑战，导致构造圈闭难以准确落实，严重制约了该区勘探进程，是亟待解决的重要地震勘探问题[18-19]。

近年来，针对上述四川盆地复杂地表地震采集技术瓶颈问题持续攻关，大力推进采集技术进步与施工作业能力升级，有效提升了复杂地表地震资料品质，复杂构造成像效果得到极大改善。

1 复杂地表地震采集关键技术

1.1 复杂地表地震观测技术

目前，在川西北坳陷区、川中隆起区、川东南坳褶区主要应用山地高密度宽方位三维地震观测技术，以提高地震成像精度，解决复杂储层精细描述问题；在龙门山推覆构造带与川东高陡构造带主要应用高密度线束三维观测技术，以改善复杂构造的地震成像效果，进一步落实构造模式。线束三维是一种特殊的三维观测方式，为获得窄条带地震信息而设计的高密度三维观测系统，其特点为覆盖次数高，接收线距小、模板排列横向不滚动，主要用于解决复杂构造地震成像问题[14][20]。

1.2 复杂地表GIS＋井炮智能布设技术

复杂地表GIS（地理信息系统，Geographic Information Systems，简称GIS）＋井炮智能布设技术就是在复杂地表区通过无人机低空航拍获得高精度遥感影像，自动提取地形及地表多类型障碍物信息，并结合野外精细踏勘，完成室内智能优化布设井炮物理点，进一步提高山地地震采集施工效率，降低施工作业风险。

1.2.1 地形风险识别与分级评价

地形风险识别与分级评价是运用数字高程模型，利用多向坡度和起伏度同时约束，自动识别地形风险并实现分级评价的一种方法。

所谓坡度是地表位置上高程变化率的量度，可表达为百分数或者度数。前人研究成果表明三阶不带权差分方法计算坡度的精度较高，计算公式为：

式中 S 表示方向坡度值，（°）；Z1、Z2…Z9分别表示第 1、第2…第9个采样点的高程，m；dx表示x方向采样间隔，m；dy表示y方向采样间隔，m。

起伏度是指在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。通过对高差法、标准差法、投影面积法、矢量法等6种起伏度提取算法对比分析，认为标准差法较为实用。标准差法计算公式为：

通过提取2019年度四川盆地复杂地表多个地震采集项目中炮点实际部署位置的多向坡度、起伏度等信息，对地形风险等级进行分析、论证后，形成了四川盆地复杂地表地形风险4级评价标准，4级风险分别为低风险（蓝色）、中风险（黄色）、高风险（橙色）与极高风险（红色）（表1）。根据工区地形风险识别与评价结果，可在室内对理论设计炮点逐点优化调整，确保野外一次性精准放样，降低风险较高炮点的占比，提高测量、钻井等采集工序的野外施工效率。

表1 四川盆地复杂地表地形风险分级评价标准表

1.2.2 基于地表障碍物电子围栏的炮点智能避障技术

地表障碍物电子围栏的建立是采用轮廓跟踪方法标定地图上的房屋、河流、水库、公路等多类型障碍物，并进行矢量化自动提取后分类、分层存储，结合高精度遥感影像进行人工校验综合标定，进一步提高地表障碍物的标定精度。

考虑到井炮激发对不同障碍物的安全影响，根据地表不同障碍物对井炮激发安全距离的规范要求，采用“内外缓冲＋分层计算”的方法建立电子围栏，实现基于多类型障碍物的井炮激发安全距离的电子围栏分层批量建立、合并。图1为基于电子围栏的炮点智能避障方法流程图，应用该流程，最终实现了复杂地表井炮物理点的智能避障。

1.3 复杂目标三维观测系统优化设计技术

面向复杂目标的三维观测系统优化设计技术是围绕复杂目标地震成像效果改善问题，如何设计经济有效的三维观测系统方案，一方面从三维正演数据的成像处理分析来评价优选三维观测系统方案，另一方面从实际资料的处理分析来优选三维观测系统关键参数[20]。

1.3.1 基于三维声波方程正演与叠前偏移成像的观测系统方案优选技术

对于三维声波方程，即

式中u是一个标量，表示在特定位置和特定时间波的强度，无量纲；x、y、z表示空间位置的坐标，无量纲；v(x,y,z)表示空间位置波的传播速度，m/s；t表示波传播的时刻，s。

可以采用高阶差分解法来提高时间差分精度。同时为了提高空间差分精度，二阶导数可以通过以下形式的2M阶差分精度来近似计算，即

式中Δx表示离散后网格在x方向的大小，m；m表示高阶差分的阶数。

为了解决三维声波方程正演的边界计算耗时长的问题，应用自适应波场计算范围、自适应边界处理、反射波场的自适应计算等方法，有效地提高了波动方程正演的计算效率，使声波方程正演技术在采集工程设计中的广泛应用成为可能。

为了更加直观地展现不同采集方案对复杂目标叠前成像效果的影响，反过来论证优选采集方案，笔者建立了从复杂地质模型构建到三维声波方程正演、再到正演数据的叠前偏移成像、最后对采集方案进行评价的技术流程（图2）。

1.3.2 基于复杂目标成像效果评价的三维观测系统参数优选技术

基于复杂目标成像效果评价的三维观测系统参数优选技术是针对面元、覆盖次数、最大炮检距、接收线距等三维观测系统关键参数，通过实际资料的处理分析开展观测系统参数测试与评价工作，最终指导设计经济有效的三维观测系统方案。该技术是四川盆地复杂地区获得技术经济一体化三维观测系统方案的有效手段。图3为面向目标成像效果评价的三维观测系统关键参数优选流程：①划定地质目标作为成像效果评价区；②设计三维观测系统关键参数测试方案；③根据测试方案对三维数据体进行重构，并开展叠加和叠前偏移处理成像；④通过定性、定量分析与评价地质目标成像效果，优选三维观测系统关键参数；⑤指导设计经济有效的三维地震观测系统方案。

1.4 空腔激发方法

空腔激发指在药柱和岩石之间存在间隙，炸药爆炸后产生高压爆轰气体，爆轰气体冲击作用于岩层，岩层产生破碎和塑性形变，塑性形变过程中形成弹性波[21]。为了提高地震单炮资料有效信噪比（有效信号能量与噪音能量比），可采用单井空腔激发方法，增加塑性形变的时间来增加弹性波的能量。其方法原理如下[22]。

炸药起爆产生冲击波（应力波）压缩岩石，冲击波能量大小由冲量表示，也就是压力对作用时间的积分，计算公式如下：

式中I表示爆破冲量，N·s；t表示爆破作用时间，s；pm表示爆破脉冲初始压力，N（1 N=0.102 kgf）。

空腔装药（下空）可假设为爆炸性质不变、密度均匀分布的连续装药，空腔装药的折算密度计算式为：

式中ρ、ρo分别表示折算密度、炸药密度，kg/m3；Kl=lb/lc表示不耦合系数，无量纲；lb表示装药段长度，m；lc表示药柱长度，m。

通过上式可以优化空腔装药激发方法参数，降低爆炸脉冲的初始压力，延长爆炸作用时间。该方法通过降低初始压力与延长作用时间，提高激发能量转化为有效弹性波能量的转化率，从而提高地震单炮资料品质。

1.5 山地地震野外资料质量自动评价技术

根据四川盆地野外地震资料3级质量评价的要求，为了提高评价效率、节约评价成本，对自动评价技术实现有形化并完全替代人工评价。2016年，研究形成了山地地震野外资料自动评价技术与GMLiveQC软件，实现了山地地震资料品质影响因素的自动精细评价（主要功能如表2所示），进一步保证了高质量地震原始资料的获得。2019年在KL Seis II平台融合研发，移植完善了频率波数域面波识别与定量分析、炮检关系实时检查与自动定位、异常振幅线性拟合声波识别、基于参考库的地震资料自动评价等分析与评价技术，目前已研发形成了KL-GMLiveQC 1.0版，其中功能项7项，功能点41个。

表2 KL-GMLiveQC 1.0软件功能项与功能点统计表

根据四川盆地以往单炮资料人工评价方法，用软件自动分析得到单炮能量、外界干扰道数、异常道数、声波干扰、面波干扰、炮检关系分析结果，通过对每一质量影响因素设置自动识别参数与评价门槛，对野外资料开展一级、二级和废品的质量评价。根据复杂地表不同特征、地表出露岩性，经2017—2018年四川盆地所有采集项目的测试应用后，建立了四川盆地复杂地表野外资料自动评价的参考库，指导了四川盆地地震采集项目的评价参数设置，自动评价结果更加科学合理。

2 应用效果

2.1 复杂地表地震观测系统技术应用效果

针对四川盆地多领域、多目标和复杂地质对象对地震资料信噪比和成像精度的高要求，通过高密度地震观测技术攻关与经济技术一体化评价，形成了山地高密度宽方位三维地震观测技术，深层地震资料信噪比与分辨率得到大幅度提高（图4），为精细储层预测奠定了坚实基础，确保了四川盆地海相碳酸盐岩气藏、页岩气藏、火山岩气藏、浅层致密砂岩气藏4大领域的立体勘探开发工作持续取得重大突破。

高密度线束三维地震采用小面元、小线距、高炮道密度，大幅度提高了复杂构造地震成像品质，在龙门山推覆构造区开展的12.5 m×12.5 m面元的高密度线束三维地震攻关试验，推覆体构造特征更加清晰（图5），新发现①号断层下盘隐伏构造带。

2.2 复杂地表GIS＋井炮智能布设技术应用效果

根据复杂地表GIS＋井炮智能布设技术方法原理，在KL SeisⅡ平台上开发软件模块，包括4项功能：地形风险自动识别与4级风险评价、地表障碍物综合标定、电子围栏建立、炮点智能避障，主要解决四川盆地复杂地表基于地形风险评价的炮点优选与基于地表障碍物电子围栏的炮点智能避障问题。

2020年FSC三维地震项目位于四川盆地龙门山推覆构造区，工区地形高陡、沟壑纵横，中部近8 km范围为无人区。为了提高施工效率、降低风险，在采集技术设计前期开展了GIS＋井炮智能布设工作。根据四川盆地地形风险4级评价标准，对井炮物理点逐点进行风险评价，并对高风险区的炮点进行室内优选布设，优选后不可工作区、高风险区与中风险区的炮点比例降低近50%，有力地支撑了该项目安全高效施工。

2020年四川盆地JT三维地震项目，地表障碍物众多且类型多样，为了满足大幅度提高障碍物自动识别的需要，应用无人机低空航拍获得了高精度遥感影像，地表障碍物识别率从原来的60%～70%提升到90%以上，地表障碍物识别效率提升了3倍。

2.3 复杂目标成像观测系统优化设计技术应用效果

针对川东高陡构造的三维地震观测系统优化设计，建立了四川盆地SPC构造三维地质模型，针对宽方位和窄方位两套观测系统方案（表3）进行了三维地震声波方程正演，网格采用25 m×25 m，工区6 144炮正演总耗时近120 h（20个节点）。通过对两种观测方案的正演资料进行叠前深度偏移成像处理，并对目标区成像效果做分析评价。从两套观测系统沿层振幅切片可以看出，宽方位资料上目的层振幅能量明显强与窄方位（图6），指导了SPC构造三维地震的采集方案设计。

表3 三维地震声波方程正演观测系统方案

通过以往观测系统参数分析得出炮道密度（由面元大小与覆盖次数双参数决定）是影响复杂构造成像效果的关键敏感参数，其又直接体现出采集观测系统方案的投入大小。图7为川西龙门山推覆构造区不同炮道密度的成像效果对比。通过加密炮点与增加接收线的方式，炮道密度从74×104道/km2提高到235×104道/km2。通过对比得出：随着炮道密度的提高，FSC主体构造浅层中深层成像效果逐渐改善，当炮道密度达到134×104道/km2后效果改善不明显，那么该地区观测系统的炮道密度应大于134×104道/km2。该结论对今后龙门山推覆构造区三维地震观察系统参数设计具有重要的指导意义。

2.4 空腔激发方法在石灰岩地层中的应用效果

2019年在川东SZ地区中三叠统雷口坡组石灰岩开展了激发试验，试验采用1 m的空药筒安装于药柱底部实现空腔装药。通过同一点的生产和试验去噪后单炮效果对比，发现应用空腔激发方法的有效反射能量与单炮资料的有效信噪比都得到提升（图8）。通过雷口坡组不同点的空腔激发的7炮单炮资料与对应生产炮对比分析，有效信噪比得到明显提升（平均提高了11.7%）。

2.5 山地地震野外资料质量自动评价技术应用效果

目前山地地震野外资料自动评价技术与软件已在四川盆地所有采集项目中全面推广应用。根据声波在剖面上呈现频率高、振幅异常、横向连续且近排列呈线性关系特点，在时空域进行扫描拟合识别声波，识别率大于90%，为地震资料的准确监控、客观评价和指导后续采集处理生产奠定了基础。扫描拟合识别的声波先在时间域甄别异常振幅，再在空间域线性拟合。针对理论与实际初至对比来检查炮检关系效率低、效果差的问题，基于数据加权统计的炮检关系实时检查与自动定位技术，为及时纠正炮检关系错误提供了强有力的技术手段。针对原GMLiveQC分析效率较低的问题，研发形成了智能线程管理资料分析技术，自动判断计算资源，使其得到充分利用，资料分析效率较以往提升200%以上。针对不同激发接收条件差异引起单炮资料品质差异的问题，通过灵活便捷的区域划分，分门别类建立对应评价参考库，形成了基于参考库的地震资料自动评价技术，减少了人工评价主观性，评价效率相对人工评价提高50倍以上。

以四川盆地西北部某工区为例，项目地形高陡复杂，大型厂矿众多，干扰源类型复杂，干扰控制难度大，且第四系河滩砾石及黄土砾石出露面积大，激发、接收条件差。对工区全部11 664炮进行软件自动评价，声波识别率达到91%，评价废品70炮。通过对声波的分析，工区第5束线资料在砾石区声波干扰严重。指导了第6束线施工时加深砾石区井位钻井深度，提高闷井质量，在第6束砾石区声波干扰得到明显改善（图9）。

根据野外资料属性分析对单炮进行3级质量精细评价，资料合格率达99.4%，其中一级品8 779炮（占比75.3%），二级品2 815炮（占比24.1%），废品70炮（占比0.6%）。二级品主要分布在工区西南部的城区周围、山脊位置与砾石区，其原因主要为外界干扰造成单炮资料评价降级，地形与岩性因素引起降级也占一定比例。