准南低信噪比复杂构造地震采集接收方式对资料的影响及分析

2022-02-03杨镇魁娄兵范旭郑鸿明

新疆地质 2022年3期

杨镇魁，娄兵，范旭，郑鸿明

（新疆油田勘探开发研究院地球物理研究所，新疆乌鲁木齐 830000）

2012年新疆油田就开始在准噶尔盆地的巨厚沙漠、戈壁、农田、公益林等多种复杂地表条件下进行高密度地震勘探的探索与尝试。经过了多年尝试，总结出了基于宽频可控震源激发、高灵敏度单点检波器接收[1,2]、高密度观测系统相结合的“宽频、宽方位、高密度”地震采集经验[3]，在准噶尔盆地西北缘、腹部、东部均取得较好的勘探效果。

在准噶尔盆地南缘，存在地表和地下构造的双复杂情况，资料信噪比普遍较低。为获取信噪比较高的原始资料，以往南缘勘探区块均采用单串或多串组合检波器接收[4]，其目的是对资料采集时产生的随机干扰、规则干扰及环境噪声等进行压制，有利于弱反射信号接收[5,6]，从源头上提高原始资料的信噪比。但是也造成了有效波高频成分损失、通放带变窄、保真度降低等问题[7,8]。随着精细构造解释需求的不断提高，已有资料已无法满足目前勘探需求，需要充分考虑地震信号振幅、频率、相位等物理属性，确保资料的保真度[9,10]。

采用单点检波器接收的高密度地震勘探在构造更为复杂，地表条件更为多变的南缘低信噪比地区是否适用[11,12]，是本文论证的一个重点。近年来，通过南缘三维勘探的效果证实了采用单点检波器接收、高密度观测系统相结合的采集方式可满足目前勘探需求，并取得较好的勘探效果[13]。

1 信噪比与覆盖次数关系分析

在南缘低信噪比地区的地震勘探中，如何提高原始资料的信噪比是需要重点考虑的一个因素[14]。提高覆盖次数则是提高信噪比最直接、最有效的方式之一。若采用单点检波器接收，在保证勘探效果不弱于组合接收的情况下，须充分论证原始资料信噪比与观测系统覆盖次数之间的关系[15]。因此，建立一个正演模型分析信噪比与覆盖次数之间的关系，并对不同覆盖次数实际资料的信噪比进行对比，进一步对单点检波器接收的适用条件进行分析。

模型以不同反射系数进行模拟，建立两套水平层状地层和一套模拟山地陡倾角的正弦曲线地层。通过给定地层反射系数和雷克子波得到一个地震响应，以建立不同含信比动校拉平道集，以此来分析资料含信比（有效信号与所有信号的比值，通常以百分比来表示）与覆盖次数之间的关系。

从正演的叠加剖面分析，叠前道集含信比为50%时，叠加后可清晰地看到地层反射信息，与建立的正演模型一致；叠前道集含信比为20%～30%，可看到1.5 s、3.5 s两套水平地层信息，而约2.5 s陡倾角地层在剖面上无法看到有效反射；继续降低道集含信比为5%～10%，两套水平地层反射显示较弱，无法看到其他反射信息（图1）。说明资料的含信比越低，剖面的成像效果越差。此结论与地震勘探认识一致[16]，原始资料的信噪比决定最终成果剖面的成像品质。得到相对较好的叠加成像效果。

图1 正演模型（a）及不同含信比叠加剖面对比（b-f）Fig.1 Forward model(a)and comparison of stacking profiles with different signal ratios(b-f)

当含信比为10%，覆盖次数为1 000 的情况下，资料信噪比较低，几乎无法看到约2.5 s 的有效反射信息；覆盖次数增加到2 000 次，资料信噪比得到明显提升，可见连续的反射信息；增加到3 000次后，资

按照目前高密度地震勘探的经验，认为原始单炮资料信噪比低，可通过增加覆盖次数来提高成果资料信噪比[17]。利用此模型，在道集含信比为30%的前提下，研究覆盖次数对成像品质的影响。将覆盖次数从100次增加到300次，剖面的成像效果有了明显提升，与含信比为50%，覆盖次数为50次的剖面对比，成像效果相差不大。说明含信比在30%，300次覆盖就可基本还原模型，含信比在50%，50次覆盖就可得到和模型相近的成果（图2），即原始资料含信比越高，资料对覆盖次数的依赖程度就越低。

图2 不同含信比、覆盖次数叠加剖面对比Fig.2 Comparison of overlay profiles with different signal-to-signal ratios and coverage times

准噶尔盆地南缘的原始资料信噪比普遍较低。因此，我们对含信比在20%以下的正演资料进行了重点分析。当含信比为20%，覆盖次数为200 次的情况下，几乎无法看到约2.5 s 的有效反射信息；覆盖次数增加到400 次，资料信噪比得到明显提升，可见连续反射信息；增加到500次后，资料信噪比进一步提升，有效反射同相轴能量更聚焦，成像效果较好（图3）。说明在实际地震资料采集中，若原始资料的含信比约20%，覆盖次数至少大于500 次，才有可能料信噪比有提升，但不明显（图4）。说明在原始资料信噪比较低，成本可控的情况下，单纯的提高覆盖次数对资料的成像效果改善已不明显[18]。这是我们目前在南缘二维勘探中遇到的一个技术瓶颈，尽管覆盖次数已提高至3 000次甚至更高，仍无法达到成像的预期效果。

图3 不同覆盖次数叠加剖面对比Fig.3 Comparison of overlay profiles of different coverage times

图4 不同覆盖次数叠加剖面对比Fig.4 Comparison of overlay profiles of different coverage times

为使结论更加准确，我们做了一项极限对比试验。当含信比为5%，覆盖次数为1 000次的情况下，资料信噪比非常低，叠加剖面1.5 s、3.5 s可见断续的平层反射，看不到约2.5 s的有效反射信息；覆盖次数增加到5 000 次，资料信噪比有一定提升，平层反射信息较好，隐约可见约2.5 s 的反射层位；增加到10 000次后，可见部分2.5 s反射信息；增加到20 000次后，资料信噪比有较大提升，可还原正演模拟地层（图5）。说明原始资料只要有信号存在，在不考虑成本、不考虑野外采集实际带道能力的情况下，无限次增加覆盖次数总可以叠加成像。

图5 含信比5%不同覆盖次数叠加剖面对比Fig.5 Comparison of overlay profiles of different coverage times with 5%signal ratio

通过正演模型对含信比与覆盖次数的对比分析，得到以下2 个方面的认识：①要想得到同样的叠加效果，含信比与覆盖次数的关系是非线性的，含信比不会随着覆盖次数的增加而线性增加（图6）；②理论上只要有信号，无限次增加覆盖次数总可成像。但在实际的地震资料采集过程中，我们既要考虑采集成本，又要考虑采集设备的带道能力，不可能无限制通过增加覆盖次数来提高资料的信噪比。因此，要寻求原始资料信噪比与覆盖次数之间的平衡，以求用最合适的采集方法组合获取最具性价比的原始资料，保障成果资料的品质。

图6 含信比与覆盖次数的关系Fig.6 The relationship between the signal-to-signal ratio and the number of coverage

本次建立的模型仅仅混入了随机噪声，对有效反射的影响相对较小，在此基础上得出的结论比较接近理想状态。在真实的地震采集中，噪声的种类繁多，还存在近地表的影响，地层倾角及地层破碎的客观地质现象存在，对有效信号的影响更大，通过模型得出的结论还要大打折扣。

2 资料效果分析

在南缘山前构造带以新采集的DN 三维边框内以往不同接收方式的单炮为例，整体资料信噪较低，几乎无法看到有效反射[19]。但从信噪比直方图的对比分析可看出，采用3 串组合接收的单炮信噪比较高，可达到0.42，而采用单个检波器接收的单炮信噪比只有0.27，换算为含信比分别为30%和21%。也就是说，两种接收方式含信比都在20%以上，但在相同的4 kg 药量激发环境下，组合检波器接收原始单炮的信噪比要明显高于单只检波器接收（图7）。

图7 不同接收方式单炮对比及信噪比分析Fig.7 Comparison of single shots with different receiving methods and analysis of signal-to-noise ratio

在此前提下，通过初始叠加剖面（只做静校正，不做其他任何处理）对信噪比与覆盖次数的关系进行对比分析，并选取针对主探目的层1～4 s的大时窗进行信噪比估算（图8-f）。从剖面及信噪比估算值分析，相同90 次覆盖次数条件下，单点接收剖面信噪比远低于组合接收；覆盖次数翻倍到180次，单点接收信噪比仍较低；当覆盖次数提升4 倍至360 次后，单点接收信噪比与组合接收相当，但剖面背景噪声略强；当覆盖次数提升至560次后，单点接收剖面信噪比明显优于组合接收（图8）。

图8 不同覆盖次数初始叠加剖面对比及信噪比估算Fig.8 Comparison of initial stack profiles with different coverage times and estimation of signal-to-noise ratio

结合正演模拟结果，若采用多串组合接收，覆盖次数达到300 次即可满足勘探需求；若采用单点接收，覆盖次数须大于500次才可满足需求。

综上表明，在准南低信噪比区采用高覆盖观测系统与单点接收的组合方式，在实现不弱于组合接收勘探效果的同时，可进一步提高资料的成像品质。目前针对南缘深大构造的地震采集方案，覆盖次数均大于500次，单点接收方式更具有优势。

由于工区范围内没有以往采集的三维资料，因此截取相同位置的二维成果资料进行对比（表1）。新采集三维覆盖次数约为二维资料的三分之一，从时间偏移剖面上看，新采集资料信噪比相较以往二维资料有了明显提升，剖面频率特征丰富、背景干净，波组特征清晰，目的层反射层次分明，构造形态刻画清晰，山前隐覆带目标背斜刻画清晰，取得了较好的勘探效果（图9）。

图9 新（a）老（b）成果对比Fig.9 Comparison of new(a)and old(b)results

表1 准南山前二三维新老观测系统参数对比Table 1 Comparison of the parameters of the new and old observation systems in the two and three dimensions of the Zhunnan piedmont

因此，我们认为在南缘地表条件起伏多变，地下构造复杂，尤其在构造形变较为剧烈的山前构造带，采用单点检波器，结合小面元、高覆盖、宽方位的高密度观测系统进行接收，可取得较好的勘探效果[20]，在提高资料成像品质的同时，大幅度提高勘探时效，助力南缘深大构造的油气发现。