库车坳陷复杂山地地震采集适用技术及应用效果

2022-08-02陈学强王彦峰吕景峰

石油地球物理勘探 2022年4期

陈学强王彦峰吕景峰周旭王剑

(东方地球物理公司塔里木物探处，新疆库尔勒 841000)

0 引言

塔里木盆地库车坳陷石油地质条件优越，是中国天然气主要产区之一，具有巨大的勘探潜力。该区地表发育高陡山体、山前洪积扇，遍布农田城镇等。山体区地形起伏剧烈、岩性多变、峭壁林立，施工难度及安全风险很大；同时，物理点分布不均匀、浅层成像非常困难，严重影响中深层成像质量。山前带多发育大型洪积扇，岩性以戈壁砾石为主，低降速层最大厚度超过200m，地震波能量衰减快，激发、接收条件差；在低降速层之下发育巨厚的高速砾岩(速度明显高于下伏地层)，最大厚度超过4000m，空间分布规律性差，对下伏构造的准确成像影响巨大。在洪积扇的前缘往往分布城镇、村庄、农田，伴随有众多厂矿、公路、铁路等各类干扰源，严重影响了原始地震资料品质。另外，该区作为古文明的繁荣地及古丝绸之路的交通要道，文物古迹分布广泛，这些文物保护区当然也成了施工受限区，影响了资料的完整性。

该区复杂的地表条件导致原始资料信噪比低、炮检点正常布设困难、观测系统难以正常实施、地震属性不均匀等一系列问题。区内勘探目的层以古近系和白垩系为主，埋深一般在3000～8000m，发育以膏盐岩为主要滑脱层的盐上、盐层和盐下三个复杂构造层次纵向叠置的逆掩推覆构造。其中，盐层厚度大、速度低，速度场纵横向剧烈变化；盐下发育逆冲叠瓦构造，断层发育、断距大、地层叠置；盐上发育滑脱逆冲断层和相关褶皱，地层高陡、破碎，在构造顶部浅层倾角近于直立[1-2]。复杂的地下构造导致地震波场复杂、成像难度大，进而构造难以准确落实、井震误差大。

2010年以前，针对上述问题，重点从提高原始资料品质及水平叠加成像质量方面进行了地震采集处理技术的持续攻关。在此基础上，形成了基于断层相关褶皱理论的解释技术，在地表、地下地质条件相对简单、目的层埋藏较浅的区域取得突破，发现了克拉2和迪那2气田[3-4]。

为进一步提高复杂地表及复杂构造的成像质量，在采集技术方面，李万万[5]、董良国等[6]提出了利用射线追踪或波动方程计算目的层照明能量进行观测系统参数设计的方法[5-8]，由于“双复杂”构造成像的影响因素的多样性及复杂性，照明分析方法不能有效地指导观测系统设计。为得到高精度的成像结果，业内人士开展了大量以FWI(全波形反演)技术为代表的地震波反演成像方法的研究[9-13]，但由于双复杂区地震数据信噪比低及频带窄、初始模型欠精确、地震子波的未知和空变等问题，使得严格意义下的FWI方法尚不能很好地解决实际问题；在构建近地表速度模型的方面，基本上还是以初至波层析成像技术为主[14-17]，若近地表存在高速砾岩体等速度反转层时，这些技术存在严重的不适应性。

近年来，在充分总结本区以往勘探经验、借鉴其他地区技术成果的基础上，针对库车坳陷双复杂勘探问题，开展了基于三维地震物理模拟或数值模拟的三维观测系统设计方法、激发接收等采集配套技术的研究与应用，探索和尝试基于微测井资料、初至波与浅层反射波的多信息、多方法的分步、分层近地表速度建模技术。这些技术的研发和应用，使该区油气勘探向更复杂区域持续挺进，并不断获得油气发现和突破。本文梳理、归纳了这些技术的研究进展，并展示了实际应用效果。

1 地震采集技术进展

1.1 基于复杂构造深度域成像的三维观测系统设计技术

针对复杂构造的三维观测系统设计，重点是考虑有利于深度域成像，利用数学理论分析很难确定合理的参数，利用实际数据分析确定需进行方法强化的攻关试验，无论是在经济性上还是在时间周期上，均不具备可行性。为此，选择库车坳陷典型目标区，通过三维地震物理模拟和数值模型波动方程正演方法进行三维观测系统参数的分析论证。

针对克深地区高陡逆掩推覆构造的三维物理模型(图1a)，通过模拟得到相同炮道密度下不同三维观测系统参数(表1)对应的叠前深度偏移(PSDM)剖面(图1b和图1c)。可见采用小线距窄方位参数时(图1b)浅层信噪比明显高于大线距较宽方位(图1c)，但中部断面(图中①位置)和深部反射层(图中②位置)成像质量变差。对比、分析图1可知，在相同炮道密度下，采用小线距有利于减少偏移噪声，采用宽方位观测有利于深层陡倾构造成像。

表1 图1b和图1c的三维观测系统参数

图1 克深构造三维地震物理模型及模拟数据的PSDM剖面

图2a为大北地区复杂断块构造的三维数值模型。对该模型进行三维波动方程正演，得到相同炮道密度下不同三维观测系统参数(表2)对应的PSDM剖面(图2b～图2d)。通过对比可知：采用小线距、窄方位观测系统的剖面(图2b)中，其背景噪声最弱；采用大线距、宽方位观测系统的剖面(图2d)中的背景噪声最强，但图2d局部深层(图中①位置)的成像质量更好。

表2 图2b～图2d的三维观测系统参数

对图2a模型进行三维波动方程正演，得到相同横纵比下不同三维观测系统参数(表3)对应的PSDM剖面(图3a～图3d)。对比看出，采用小线距、适中面元、高炮道密度观测系统的图3d的成像清晰度最高。采用相同的横纵比和炮道密度，只是通过调整面元大小、接收线数来改变线距(图3a～图3c)。从这三种观测系统的成像效果看，采用小面元、大线距的图3a剖面中的背景噪声最强，从浅层到深层信噪比均最低；而采用大面元、小线距的图3c剖面效果最佳。

表3 图3a～图3d的三维观测系统参数

图2 大北构造三维地质数值模型及波动方程正演数据的PSDM剖面

图3 大北构造不同观测系统参数三维波动方程正演数据的PSDM剖面

以上对比分析表明：采用小线距、高炮道密度的三维观测系统可实现对地下波场的均匀采样，从而有利于减少偏移噪声；采用宽方位观测可实现对地下波场的充分采样，有利于深层陡倾角成像，故高密度宽方位观测是复杂构造区三维观测系统的设计方向。

通过三维地震物理模拟实验分析，狄帮让等[18]认为：面元在满足最小目标地质体识别、无假频空间采样的条件下，减小面元对提高横向空间分辨率的作用非常有限；在总采集数据量相等的前提下，应优选属性更均匀的大面元三维观测系统，以利于提高目标地质体的地震成像质量。因此，在投资有限的情况下，设定三维观测系统参数时宜采用的先后顺序为：优先选择较小线距，其次是较宽方位，最后是适中面元。另外，在浅层低信噪比区，可采用观测系统的差异化设计，通过加密较短的子排列和炮线的方式，确保浅层信噪比，进而提高浅层速度精度，提高深层复杂构造成像质量。

图4是库车地区大北构造常规三维与宽方位较高密度三维的PSDM剖面对比。这两块三维的面元和炮线距相同，后者通过适当增大接收线距和接收线数，从而增加了观测宽度、覆盖次数和炮道密度(表4)。可以看出，宽方位较高密度三维提高了复杂区构造成像精度，对复杂断块识别能力更强，展示的断块接触关系更合理，有效地解决了复杂断块型气藏的精细刻画问题。

图4 大北构造常规三维(a)与宽方位较高密度三维(b)的PSDM剖面

表4 图4a和图4b的三维观测系统参数

1.2 基于激光雷达测绘数据的物理点布设及变观设计配套技术

目前，物理点的室内设计大多是利用卫星影像或无人机数码航摄数据完成。受数据精度的影响，物理点设计结果与现场最终实施结果吻合度差，在复杂山地区的应用效果不理想[19]。与传统的卫星影像和数码航摄方法相比，激光雷达(LiDAR)测绘方法具有主动遥感、全自动化、少外业、高效、高精度、高性价比的优势。LiDAR测绘数据的平面及高程精度均可达到dm级，可提供全数字化DSM(数字表面模型)、DEM(数字高程模型)、DOM(数字正射影像)、DLG(数字线划图)、三维大场景、剖面图等资料[20]。利用LiDAR测绘数据，可实现复杂区物理点的精细布设和变观设计。

在高难山体区，利用高精DEM数据解析地面坡度、地表起伏度、岩石破碎度信息和勾绘可通行的山脊线、山沟线，评定施工风险等级和规划施工路径；在此基础上进行物理点的室内设计，从而尽可能确保炮检点布设均匀。

图5是库车佳木构造陡峭山体区应用该技术后三维实际物理点分布与以往二维的对比，可见三维物理点的到位率及均匀性得到大幅度改善。在城镇区，利用DOM数据分类精细识别各类地物，绘制数字线划图。根据数字线划图的障碍物分类及其安全距离要求，运用轨迹偏移技术提前设计物理点及变观方案，确保点位分布相对均匀，实现了从指导性施工设计到精准设计施工的转变。

图5 佳木构造陡峭山体应用新技术后的三维与以往二维实际物理点分布对比

针对文物古迹等禁入区和强外界干扰区，采用横向增加或加密接收线、加大有效排列长度和根据干扰强度设计加密炮点等灵活变观方案，保证复杂区地震资料品质。图6为该技术在库车亚肯构造复杂障碍区的实际应用效果。

图6 亚肯构造复杂障碍区变观技术应用前(a)、后(b)的水平叠加剖面

1.3 井炮、高精度可控震源联合激发配套技术

20世纪90年代末，通过大量的技术攻关试验，形成了山地、山前带井炮与大吨位可控震源联合激发技术，并得到了推广应用[21-22]。2016年，中国石油集团东方地球物理公司推出EV-56型新一代高精度可控震源，相比常规震源能获得更稳定的低频地震信号(3Hz)，为解决超深层高陡复杂构造成像问题提供了更有效的手段。图7为库车亚肯构造山前带砾石区EV-56震源激发与井炮激发单炮对比，可看出高精度可控震源激发单炮的反射波信噪比明显高于降速层中炸药震源激发的单炮。

图7 亚肯构造山前带砾石区EV-56震源激发与井炮激发单炮对比

针对复杂山区激发与质控难题，研发并应用了一系列配套技术。在高难山体区，采用基于北斗系统的井炮独立激发技术，利用卫星授时和北斗短报文通信功能，爆炸机自主激发，规避无线电通讯不畅的影响。在城镇、密林区，采用基于多种方式(4G网络、数字电台、MESH电台)联合组网的可控震源自组网激发技术(VPM)，实现无盲区限制、自主激发，并采用智能质控技术实时监控可控震源激发位置和工作状态，确保激发质量；同时，利用高精度DLG数据进行可控震源作业轨迹预设计，在此基础上应用车载导航系统引导施工，实现复杂障碍区智能化作业。通过这些激发配套技术的应用，保障了复杂区的安全、优质、高效采集。

1.4 基于节点仪器的因地制宜野外接收技术

原始资料中的噪声一般包括激发引起的规则噪声和以环境噪声为主的随机噪声。由于数据采集通常安排在环境噪声较小时进行，因此原始地震资料中噪声以激发引起的规则噪声为主。

山地、山前带地震勘探中干扰波的形成主要与近地表结构有关，其视速度与近地表速度接近。该区的干扰波调查试验分析表明：戈壁区低速干扰的速度一般为500～1500m/s，波长为50～100m；山体区低速干扰的速度一般为1000～2000m/s，波长为100～210m。理论分析表明(图8)，对起伏山体区视波长大于100m的干扰，受组合高差限制，野外检波器组合难以压制；而对于戈壁区视波长相对较小的干扰，通过野外检波器组合，可得到部分压制，且对反射波高频成分影响不大，进而可提高单炮信噪比。图9为检波器单点与20个组合接收的水平叠加剖面对比，可见砂泥岩山体区两种接收方式的剖面品质相当，但在戈壁砾石区，组合接收的剖面信噪比明显高于单点接收。因此，采用戈壁区检波器组合与山体区单点接收相结合的接收方式，既可保证资料品质，又降低施工难度。

图8 检波器组合(20个，矩形组合，基距20m)对不同波长干扰波的响应曲线(a)及对反射波频率的影响(b)

图9 克深构造检波器单点(a)与20个组合(b)接收的水平叠加剖面

针对复杂地表区有线仪器的连接问题，采用外接式与一体式全节点采集方式，确保复杂区物理点的到位率，且降低安全风险及施工难度。在城填区及高压线密集区，采用一体式节点施工，有效屏蔽交流电等共模干扰。针对障碍区及干扰区，利用节点可自由布设的特点，进行接收点的灵活变观、加密。另外，形成采集前系统检测、现场质控、数据回收与下载、合成与评价等节点采集质控流程，确保节点采集质量及数据整理、上交的及时性。

1.5 基于多信息的“两步法”野外表层建模技术

山体区风化层较薄，通过以适量的表层调查为基础的相似系数模型法，获得绝对精度较高的静校正量；山前戈壁砾石区的风化层虽然较厚，但由于地表起伏相对较小，因此通过微测井调查结果约束初至层析反演，可获得较高精度的风化层模型及静校正量。

在山前戈壁砾石区的冲积扇或洪积扇区，风化层之下往往发育高速砾岩体，初至波层析法无法刻画速度反转界面，严重影响构造成像质量[18]。为此，采用基于多信息的"两步法"野外表层建模技术：针对风化层，采用以微测井结果控制结构与初至层析反演控制空间趋势相结合的方法；针对高速砾岩体，利用反射波信息控制底部边界(图10a)、初至层析控制平面边界及速度(图10b)、深井微测井验证的迭代建模方法。应用该表层建模方法，可为后续处理中的三维精细速度建模提供更精准的初始模型(图10c)，提高处理质量和效率。

图10 亚肯构造高速砾岩反射波剖面(a)、初至层析反演结果(b)和近地表结构模型(c)

2 实际应用及效果

图11为库车克深构造新、老三维PSDM剖面的对比。老三维采用12L9S480T观测系统形式，面元尺寸为15m(纵)×30m(横)，接收线距为180m，炮线距为360m，覆盖次数为120，炮道密度为26.67万道/km2，横纵比为0.17，激发因素为井炮与常规震源联合激发，接收因素为40个检波器组合接收；未提前进行物理点设计；由于未认识到高速砾岩的存在，因此仅采用层析法建立表层模型。应用上述新技术新方法后，采用40L4S720T观测系统对该区块进行重新采集，面元尺寸与老三维一致，接收线距缩至120m，炮线距缩至240m，高陡构造部位加密到120m，覆盖次数增至810～1620，炮道密度为180～360万道/km2，方位角增至0.45，激发因素为井炮与低频震源联合激发，采用单个低频高灵敏度检波器与10个常规检波器组合相联合的接收方式；利用LiDar数据提前进行物理点精细设计；采用两步法对高速砾岩进行了精细刻画。可以看到，新三维的浅层资料实现了从无到有的变化，陡倾角及复杂断块成像精度得到了大幅改善，断点及叠瓦状逆冲构造样式非常清楚，提高了构造落实的准确性。