二维弯线采集中测线优化设计方案与实现

2023-11-21刘军胜

物探化探计算技术 2023年5期

刘军胜

(中石化石油工程地球物理有限公司,北京 100000)

0 引言

在复杂地形区域二维地震资料采集中(如在山地、黄土塬、水网、城镇等区域),为了克服各种障碍物的影响,炮检点变观设计、折线施工、非纵观测、弯线采集等方法得到广泛地应用[1-2]。相较于其他三种方法,弯线采集是最“友好”的施工方式。国内学者自上世纪70年代开始至今[3],对弯线施工的采集方法、资料处理、解释方法做了大量地研究。陆上石油地震勘探资料采集技术规程中明确了二维地震采用折线或弯线施工时,测线拐角和边长应根据CMP离散度确定,一般测线转折方位角采用8°、16°、30°的递进方式,转折点为激发点或接收点,严重弯曲的地段应增加覆盖次数。页岩气调查地震资料采集与处理技术规程中指出弯线施工时,物理点的横向偏移距应小于第一菲尼尔带半径。杨庆道等[4]则对弯线地震勘探技术应用中采集和处理的问题进行了梳理和分析,提出“能直不弯、转折角能小不大、转折角太大时测线能交不连”的弯线设计原则,并提出以面元聚敛响应作为指标,对炮检路径进行优化;强正阳[5]总结了弯线设计应满足时间、空间、最大离散距等要求; 郭晓滨等[6]提出“三步法”静校正解决处理方面的问题。国外学者Mladen R. Nedimovic等[7-8]提出了振幅叠加和Cross-dip叠加方法,解决弯线处理的问题,并提出了振幅叠加和CDMO校正量的计算公式。

就弯线设计而言,常规做法是炮点和检波点沿着相同的路径布设,这样限制了CMP点的优化。在2017年某项目中,笔者根据甲方要求设计了炮检点沿不同路径的宽弯线(三线一炮)施工方案,炮点为沿着道路均匀布设的震源点,中心检波线则为炮点线的中位线,两侧检波线与中心检波线平行。该设计在有效解决了检波点施工问题的同时,也使CMP线得到了优化,取得了较好的效果。笔者将以检波点和炮点沿不同路径布设的思路,以某山地项目测线为例,利用Mladen R. Nedimovic等[7]提出的CDMO(横向倾角时差校正)算式,针对主要目的层的有效CMP点进行反演、正演运算,找出检波线和CMP线的最优解。同时将通过分析不同面元尺寸下,目的层覆盖次数的变化来判断新测线CMP的收敛特性。

1 设计参数分析

1.1 研究区地震地质条件

在某山地二维测线的施工中,测线穿越大范围的无人区且地形切割剧烈。工区内的山体走向主要为南北向,绵延数为60 km,东西向则约6 km～7 km。研究测线属于南北向联络测线,测线位于山中腹地,长约18 km,山中无任何道路,仅能依托山间南北向沟谷进行设备和人员运输。测线为位于某平缓背斜的一翼,沿测线方向地层平缓,且倾角近视为零。垂直测线方向存在较小倾角,约5°左右地层倾角。原设计和施工方案为利用沟谷等地形,在尽量降低转折角的基础上,根据“五避五就”的原则优选激发线,然后以激发线上对物理点进行适当调整,均匀布设检波点。现场叠加处理以后,浅层剖面资料显示相邻的数个CMP点波形与附近CMP波形一致性较差,有多相位,弱相位等问题(图1)。

图1 测线浅层初叠剖面(部分) Fig.1 Line brute stack section of shallow layer(partial)

分析原因认为,由于地层存在一定的倾角且CMP点位置离散的问题,现场资料处理做了动校正以后,不能完全消除共中心点炮集或道集的时差。如图2所示,CMP1、CMP2经过NMO以后仍然存在时差,当t0′-t0>T/4时叠加会产生空间假频。在这种情况下,多CMP点叠加不但不能提升资料信噪比,反而会削弱信号。此时需要进行CDMO处理,计算离散CMP点的静校正量,消除空间假频的影响。针对该区单一样式的构造形态,CDMO校正量能够准确地计算。然而,随着构造条件的复杂化,每个CMP点的静校正量的准确计算难度逐渐增大,笔者认为选择合理的弯线设计参数,从设计源头尽量减少空间假频的出现,同时辅以CDMO校正是解决问题的关键。

图2 CMP点时差示意图Fig.2 Time difference diagram of different CMP

1.2 关键设计参数的选取

假设传播介质为均匀介质,速度为V,针对平面反射界面,炮检点的双程旅行时t与共中心点CMP处的t0之间的关系可以表示为式(1)。

t2(x,y,h)=(t0(x)+pyy)2+p2h2

(1)

式中:x为沿CMP线的偏移量;y为垂直CMP线方向的偏移量;h为炮检距;py为垂直CMP线方向的慢度;pyy为垂直CMP线方向产生的时差,也就是CDMO量;p为平行测线方向的慢度。

Mladen R. Nedimovic[5]给出了详细的py和p的计算公式,并进行了简化,见式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中:θx为平行CMP线方向的地层视倾角;θy为垂直CMP线方向的地层视倾角。

常规动校正和倾角时差校正能够消除由炮检距产生的影响,即p2h2,但无法消除pyy。y是弯线设计的关键点。|pyy|

(4)

为了有效消除空间假频影响,要求同一面元内的任意两个CMP点的离散距离均要小于y。即对于大小为dx*dy的面元,dx为道距的1/2,而dy应小于y。利用研究测线的地层参数计算y量,结果见表1。

表1 研究测线的地层参数及y量Tab.1 Layer parameters and y value of analyzed line

1)偏移距。项目设计的最大偏移距为4 000 m,而实际满足该测线主要目的层的最大偏移距达到2 000 m即可。偏移距在2 000 m～4 000 m之间炮检点产生的CMP点可视为冗余CMP点。图3为不同偏移距下CMP点分布图,可以看出原设计测线存在大量的冗余点。在测线优化时应暂不考虑2 000 m～4 000 m范围内的冗余点,否则将会影响CMP拟合线的选择,最终影响整体测线优化效果。

图3 不同偏移距CMP点分布图(局部) Fig.3 CMP distribution maps of different offset (partial)

2)面元尺寸。针对不同目的层,选择合适的面元,剔除面元外CMP点,进而分析不同面元尺寸下的有效覆盖次数,可以作为测线优化程度的判定标准。在资料处理时,也可以根据面元尺寸进行不同偏移距和面元尺寸的分批叠加处理。若面元外的CMP点仍较多,则需考虑进行CDMO校正。根据表1计算结果,150 m为保障研究测线目的层资料的最优离散距。本次分析则选择面元尺寸12.5 m*150 m和12.5 m*300 m进行对比,研究优化效果和改进方向。

2 测线优化流程及应用效果

在炮点线和检波点线一致的情况下,我们可以通过正演模拟分析,利用最小二乘法拟合出最优的CMP线,从而实现面元内CMP点的最大程度收敛。而当炮点线和检波点线可以分离时,测线优化空间显著增加。对于固定的检波点或者炮点,选取初始CMP线,通过如图4所示的流程即可实现对应物理点和CMP线的优化。以研究测线为例分析部分关键流程和应用效果。

图4 技术路线和流程Fig.4 Technical route and flow chart

2.1 数据准备

数据准备阶段主要需要输入物理点、初始CMP线、偏移距、面元尺寸、检波点范围、炮点范围、施工模式(滚进或滚出)、分段拟合方式和断点等参数。研究测线的炮点是实际钻井点位,作为固定物理点,初始CMP线为根据原始检波点由设计软件OMNI 3D弯线设计模块计算的CMP线。项目施工模式为滚进滚出的模式。分段拟合方式和断点则是通过对初始CMP点进行回归和拟合分析得出的最优拟合方式,本测线为三次、四次多项式分两段分别拟合。

2.2 迭代运算

数据准备完毕以后,利用程序将对物理点和CMP点进行不断的正演、反演迭代优化,随着拟合次数的增加,测线的拟合优度、回归平方和逐渐减小,断点处的CMP线分段拟合误差也逐渐减小(图5)。当拟合优度和回归平方和变化较小时,可认为拟合得到近视最优解。随着迭代的继续增加,反而会出现测线端点处拟合度降低的问题(图6),这种现象在非滚进滚出的情况下更为突出。经过不断测试分析,选择三次迭代进行正反演模拟运算。

图5 断点附近拟合结果对比Fig.5 Comparison of fitted results near breakpoint

图6 端点附近拟合结果对比Fig.6 Comparison of fitted results near endpoint

2.3 不同面元有效覆盖次数分析

利用程序计算不同面元位置和尺寸条件下,覆盖次数的变化情况,验证目的层覆盖次数的均匀性和有效覆盖次数的变化。图7为偏移距为2 000 m条件下的计算和对比结果。从图7可以看出,经过优化后的测线覆盖次数均匀性、150 m范围内离散度等方面得到显著提升,CMP151-650段和CMP1146-1350段效果最为明显。然而,CMP 654-837和CMP932-1148段改善不明显,即使重新选择初始CMP线进行二次优化后仍然得到相似的结果。分析主要原因为该区域炮点成连续“S”型大范围偏移,CMP点难以有效收敛(图8)。CMP和检波点优化不能有效解决这一区域的问题,可通过加强CDMO攻关处理、调整炮点位置或者加密炮点等三种方式实现离散CMP点的叠加,提升目的层有效覆盖次数,进而保障资料品质。