遼河油田青龍臺(tái)地區(qū)高分辨率地震采集技術(shù)攻關(guān)

董文波

(中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧盤錦 124010)

遼河油田青龍臺(tái)地區(qū)高分辨率地震采集技術(shù)攻關(guān)

董文波

(中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧盤錦 124010)

基于模擬檢波器采集的地震資料頻帶寬度窄，制約了分辨率的提高。針對(duì)此問題，開展了采用數(shù)字檢波器進(jìn)行高分辨率地震資料采集工作的研究，通過試驗(yàn)對(duì)比了數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收與模擬檢波器組合接收的差異，并在遼河油田青龍臺(tái)地區(qū)開展了基于數(shù)字檢波器的三維地震采集技術(shù)攻關(guān)。得出以下結(jié)論：數(shù)字檢波器單點(diǎn)采集的原始資料頻帶寬度為2～120 Hz，比模擬檢波器組合采集的資料拓寬近30 Hz，證明在該區(qū)采用數(shù)字檢波器進(jìn)行地震資料采集以提高原始資料頻帶寬度切實(shí)可行；采用10 m×10 m面元、縱橫比為0.83、覆蓋次數(shù)為300次的觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)在該區(qū)能較好地發(fā)揮數(shù)字檢波器的頻寬優(yōu)勢(shì)，并能使其信噪比滿足大于1的要求；可控震源與炸藥震源聯(lián)合使用可以提高激發(fā)點(diǎn)的密度和均勻性；風(fēng)干擾對(duì)資料高頻端信噪比影響較大，激發(fā)時(shí)風(fēng)力須不大于2級(jí)。

高分辨率地震勘探；地震采集；數(shù)字檢波器；可控震源；觀測(cè)系統(tǒng)

遼河油田經(jīng)過近50年的勘探與開發(fā)，勘探目標(biāo)已經(jīng)由淺層轉(zhuǎn)向深層，由簡(jiǎn)單的構(gòu)造油氣藏轉(zhuǎn)向隱蔽油氣藏[1]，由物性好的厚層轉(zhuǎn)向薄層、薄互層，而這些轉(zhuǎn)變需要具有高分辨率的地震資料作為研究基礎(chǔ)[2-5]。但是目前研究所應(yīng)用的地震資料，由于原始資料頻帶寬度的限制，盡管開展了高分辨率處理，分辨率有一定程度的提高，但是仍然難以滿足精細(xì)地質(zhì)研究的需要。為此遼河油田在青龍臺(tái)地區(qū)開展了高分辨率勘探地震采集技術(shù)攻關(guān)，通過采用數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收、優(yōu)化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、炸藥震源與可控震源聯(lián)合激發(fā)以及強(qiáng)化野外施工等幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，獲得了寬頻帶、高品質(zhì)的原始地震資料,為后續(xù)的高分辨率處理奠定了堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。本文旨在通過對(duì)本次地震采集進(jìn)行總結(jié)，探索一套適合遼河探區(qū)的高分辨率勘探地震采集工作方法，以期為遼河油田以及其他地區(qū)開展基于數(shù)字檢波器的高分辨率地震采集技術(shù)研究提供指導(dǎo)。

1 高分辨率地震采集關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字檢波器接收技術(shù)

遼河油田常規(guī)地震采集工作均采用模擬檢波器以面積組合的方式進(jìn)行接收，由此來提高原始資料的信噪比。這種采集方式對(duì)于壓制面波以及隨機(jī)干擾具有較好的效果[6]，但是對(duì)于以拓寬頻帶為目標(biāo)的高分辨率地震勘探則具有負(fù)面影響[7]，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①由于模擬檢波器動(dòng)態(tài)范圍、自然頻率以及敏感性等參數(shù)的影響，其線性頻帶僅為10～80 Hz，缺失低頻和高頻成分[8]，限制了原始資料的頻帶寬度，進(jìn)而影響了成果數(shù)據(jù)的分辨率；②野外檢波器組合接收將各個(gè)檢波點(diǎn)接收到的地下不同反射點(diǎn)的信號(hào)相互疊加后作為中點(diǎn)的信號(hào)輸入，這實(shí)際上是對(duì)多個(gè)信號(hào)取了平均，這種方式不僅具有低通濾波的作用，會(huì)濾掉地震波的高頻成分，使其頻譜變窄，波形被展寬，直接導(dǎo)致分辨率降低，而且組合后的地震波波形會(huì)發(fā)生畸變，這對(duì)于以拓寬頻帶提高分辨率為目的的高分辨率地震勘探是極為不利的[9]。

但數(shù)字檢波器與模擬檢波器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)字檢波器的頻率響應(yīng)是線性的，高頻端可達(dá)800 Hz，低頻端達(dá)3 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震反射的有效頻帶，有利于高頻弱反射信號(hào)的記錄[10]；而模擬檢波器超過350 Hz會(huì)產(chǎn)生寄生震蕩，難以記錄真實(shí)的地震信號(hào)。②數(shù)字檢波器的相位特性基本為一條直線，相位延遲小，有利于高頻成分的記錄(圖1)。③數(shù)字檢波器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB，比模擬檢波器的動(dòng)態(tài)范圍高出約50 dB，更有利于提高高頻弱信號(hào)的能量。④數(shù)字檢波器的諧波畸變指標(biāo)小于0.003%，對(duì)于外界電磁信號(hào)干擾的影響幾乎可以忽略不計(jì)。⑤數(shù)字檢波器可以實(shí)現(xiàn)24位全數(shù)字輸出，避免了數(shù)據(jù)傳輸過程中的電磁感應(yīng)和串音現(xiàn)象[11]，而且數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收避免了由于檢波器組合導(dǎo)致的地震波波形畸變，提高了原始資料的保真度[12]?；谏鲜龇治觯敬喂リP(guān)采用了數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收代替常規(guī)模擬檢波器組合接收的采集方式。

圖1 數(shù)字檢波器與模擬檢波器相位特性和頻率響應(yīng)對(duì)比

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

基于數(shù)字檢波器采集的單炮資料具有較寬的頻帶寬度，但是干擾背景強(qiáng)，所以采用數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收的方式進(jìn)行高分辨率地震勘探，觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是最大程度地發(fā)揮數(shù)字檢波器的頻帶寬度優(yōu)勢(shì)，并通過采集參數(shù)的合理設(shè)計(jì)彌補(bǔ)其抵抗噪音能力差導(dǎo)致原始資料信噪比低的缺點(diǎn)。本次采集在綜合考慮青龍臺(tái)地區(qū)地震地質(zhì)條件及目標(biāo)地質(zhì)體特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)考慮了以下幾個(gè)方面：①減小面元，以保護(hù)最高頻率，提高縱、橫向分辨率和成像清晰度，最大程度發(fā)揮數(shù)字檢波器的優(yōu)勢(shì)；②寬方位觀測(cè)，以獲得全方位的高分辨率空間成像和更好的多方向小斷層的成像效果[13]；③增加覆蓋次數(shù)以提高信噪比，由此彌補(bǔ)數(shù)字檢波器單點(diǎn)采集原始資料信噪比低的缺點(diǎn)。

(1)面元。

面元是影響數(shù)字檢波器能否最大程度發(fā)揮其寬頻優(yōu)勢(shì)以獲取高品質(zhì)原始資料的關(guān)鍵參數(shù)[14]。考慮到青龍臺(tái)地區(qū)目的層沙三段地層傾角較大的特殊性(平均大于30°)，面元的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該滿足地層傾角較大處90 Hz信息同相疊加的要求。通過計(jì)算，面元應(yīng)小于12.85 m。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮需要保護(hù)的最高頻率。通過前文試驗(yàn)結(jié)果可知，基于數(shù)字檢波器采集的單炮資料在沙三段頻帶寬度可達(dá)2～120 Hz，而滿足沙三段縱向分辨率10 m要求需要保護(hù)的最高頻率為90 Hz。通過圖2單炮F-K譜分析可以看出滿足90 Hz有效信號(hào)無污染采樣所要求的道距應(yīng)不大于20 m。而通過圖3對(duì)二維試驗(yàn)不同面元的剖面進(jìn)行對(duì)比可知，當(dāng)面元為5 m和10 m時(shí)，剖面成像清晰，層間信息豐富，細(xì)節(jié)變化明顯，而且兩者品質(zhì)相差不大；當(dāng)面元增加至15 m時(shí)，剖面品質(zhì)下降較大，成像清晰度、視分辨率以及層間信息明顯減少。綜合考慮上述因素，最終確定本次采集的面元為10 m×10 m。

圖2 10 m、20 m、30 m、40 m道距單炮F-K譜分析

圖3 不同面元對(duì)成果數(shù)據(jù)的影響

(2)覆蓋次數(shù)。

由于數(shù)字檢波器靈敏度高，且采用單點(diǎn)的方式進(jìn)行采集，壓制噪音的效果差，所以在設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，提高覆蓋次數(shù)壓制噪聲是提高信噪比的關(guān)鍵[15]；而信噪比又是分辨率的基礎(chǔ)，所以覆蓋次數(shù)直接影響著原始資料的分辨率。理論上覆蓋次數(shù)越高，壓制噪音的效果越好，越有利于三維速度分析和準(zhǔn)確地估算靜校正量。但覆蓋次數(shù)受限于采集作業(yè)成本，所以覆蓋次數(shù)的設(shè)計(jì)既要滿足原始資料高頻端的信噪比要求，同時(shí)也要兼顧采集作業(yè)成本。二維試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)覆蓋次數(shù)達(dá)到240次時(shí)，單炮信噪比平均為1.1，滿足期望信噪比大于1的要求且能兼顧勘探成本(圖4)。

(3)方位角。

青龍臺(tái)地區(qū)不同寬窄方位處理的疊加剖面表明：寬方位觀測(cè)有利于接收更多更強(qiáng)的繞射信息，而且復(fù)雜構(gòu)造區(qū)小斷層的成像效果更好。此外，據(jù)凌云研究組研究表明，寬方位觀測(cè)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在面元大小和覆蓋次數(shù)一定的條件下，寬方位角觀測(cè)的最終空間成像分辨率優(yōu)于窄方位角的觀測(cè)結(jié)果；②寬方位角觀測(cè)可以獲得全方位的高分辨率空間成像，更適合河流相儲(chǔ)層、巖性邊界及復(fù)雜斷裂的勘探；③寬方位角有利于衰減人文干擾和部分規(guī)則干擾；④寬方位角觀測(cè)具有更強(qiáng)的衰減多次波的能力[13]。本次采集具有較高的覆蓋次數(shù)和較小的面元，具備寬方位觀測(cè)的基礎(chǔ)。綜合考慮上述因素，通過論證采用了最大非縱距為2390 m、縱向最大炮檢距為2870 m、縱橫比為0.83的寬方位觀測(cè)系統(tǒng)(圖5)。

圖4 數(shù)字采集二維試驗(yàn)信噪比統(tǒng)計(jì)

圖5 方位角分布圖

基于上述分析，結(jié)合其他參數(shù)的論證，本次地震采集的觀測(cè)系統(tǒng)如下：

表1 觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)表

1.3 震源聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)

激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)的密度和分布均勻性直接影響偏移剖面的縱、橫向分辨率以及壓制噪聲的效果和偏移噪聲的大小[16-17]。青龍臺(tái)地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜，障礙物多，而炸藥震源受地表?xiàng)l件限制嚴(yán)重，激發(fā)點(diǎn)難以均勻布置。對(duì)此，為最大程度地提高激發(fā)點(diǎn)分布的均勻性，設(shè)計(jì)了炸藥震源和可控震源聯(lián)合的激發(fā)方式。

在無障礙地區(qū)，根據(jù)藥量和激發(fā)井深考核試驗(yàn)結(jié)果，采用9 m井深、3 kg的炸藥震源進(jìn)行激發(fā)，高頻成分可以達(dá)到最佳效果。在障礙區(qū)內(nèi)采用可控震源激發(fā)，激發(fā)時(shí)需考慮以下兩方面的問題：一是將可控震源與炸藥震源在能量、頻譜、子波一致性等方面進(jìn)行對(duì)比，以確定激發(fā)參數(shù)；二是激發(fā)時(shí)減少震動(dòng)次數(shù)，增加激發(fā)點(diǎn)密度，由此避免多次震動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)一致性差的問題，并壓制環(huán)境干擾和激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾，有利于提高信噪比和成像精度[18]。由圖6可以看出，當(dāng)采用KZ28AS震源單臺(tái)單次滑動(dòng)掃描、掃描頻率6～90 Hz、掃描長(zhǎng)度14 s、驅(qū)動(dòng)幅度75%時(shí)，與9 m井深、3 kg的炸藥震源激發(fā)相比，在能量等激發(fā)參數(shù)上具有較好的一致性，可以聯(lián)合使用。采用可控震源激發(fā)的區(qū)域?qū)⒄鹪撮g距由20 m縮小到10 m，震源數(shù)量為采用炸藥震源數(shù)量的2倍，可以提高障礙區(qū)激發(fā)點(diǎn)的密度和均勻性。

圖6 可控震源與炸藥震源激發(fā)效果對(duì)比

1.4 低噪接收技術(shù)

由數(shù)字檢波器靈敏度高的特點(diǎn)可以得出，在野外施工時(shí)降低環(huán)境噪音的影響是提高信噪比的另一個(gè)重要方面。試驗(yàn)證實(shí)，對(duì)單炮資料影響較大的有兩個(gè)方面：一是檢波器的耦合效果[19]，二是風(fēng)干擾。

當(dāng)數(shù)字檢波器的耦合效果不好時(shí)，高頻微震增強(qiáng)反而不利于高分辨率勘探，所以采用數(shù)字檢波器進(jìn)行采集時(shí)必須改進(jìn)檢波器埋置工藝，以提高耦合效果。本次工作采用打眼機(jī)結(jié)合防傷害凍土鉆頭打眼來進(jìn)行檢波器的埋置。特殊地表如水泥地面、冰面以及柏油路等，則采用將檢波器插入特制的水泥坨中并用沙袋壓實(shí)的方式采集，確保水泥坨與大地最佳耦合。由圖7的對(duì)比試驗(yàn)可以看出，該埋置方式的記錄質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)的埋置方式。

圖7 數(shù)字檢波器不同埋置方式記錄質(zhì)量對(duì)比

第二個(gè)方面是風(fēng)干擾的影響。風(fēng)干擾的頻譜主要集中在高頻端，這對(duì)于保護(hù)高頻有效信號(hào)有較大的作用。由圖8可以看出，當(dāng)風(fēng)力大于2級(jí)時(shí)，記錄質(zhì)量開始受到嚴(yán)重影響，表明干擾背景明顯加強(qiáng)，所以需要嚴(yán)格控制激發(fā)時(shí)段，在風(fēng)力小于2級(jí)時(shí)進(jìn)行激發(fā)，以有效控制野外采集過程中產(chǎn)生的高頻噪音。

2 應(yīng)用效果分析

由圖9可以看出，模擬檢波器組合接收采集的老資料的單炮記錄中的信噪比明顯高于數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)；但數(shù)字檢波器單點(diǎn)采集的單炮記錄品質(zhì)提高明顯，反射層次清晰、視頻率高且具有豐富的層間信息。由圖10頻譜對(duì)比可以看出，新資料具有明顯的頻率優(yōu)勢(shì)，東營(yíng)組(1.5s)頻帶寬度為2～145 Hz，沙河街組一段(2.0 s)頻帶寬度為2～125 Hz，沙三中亞段(2.5 s)頻帶寬度為2～120 Hz，與模擬檢波器組合檢波相比，頻帶寬度拓寬約30 Hz。由圖11中數(shù)字采集的疊加剖面的視頻率對(duì)比可以看出，圖11a中的視頻率明顯高于圖11b中的視頻率，而且具有更豐富的層間信息，地層接觸關(guān)系也更加清晰。

圖8 風(fēng)干擾對(duì)地震記錄的影響對(duì)比

圖9 單炮記錄效果對(duì)比

圖10 單炮記錄頻譜分析

圖11 Line1387疊加剖面效果對(duì)比

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

青龍臺(tái)地區(qū)基于數(shù)字檢波器的地震采集項(xiàng)目是遼河油田開展的諸多高分辨率地震勘探技術(shù)攻關(guān)中較為成功的一個(gè)，原始資料的頻帶寬度較老資料拓寬了近30 Hz，為后續(xù)的高分辨率處理奠定了基礎(chǔ)，由此證明了數(shù)字檢波器在高分辨率勘探地震采集中的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力。但是提高地震資料分辨率是一項(xiàng)涉及野外采集、室內(nèi)處理與解釋的系統(tǒng)工程，需要各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)水平同時(shí)加強(qiáng)。

通過本次研究，取得以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

(1)數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收在拓寬原始資料頻帶寬度方面效果明顯，在青龍臺(tái)地區(qū)，與模擬檢波器組合接收得到的資料相比，頻帶寬度拓寬了近30 Hz。

(2)減小面元、提高激發(fā)點(diǎn)的密度和均勻性，是使數(shù)字檢波器最大程度地發(fā)揮其寬頻優(yōu)勢(shì)的重要保證。

(3)數(shù)字檢波器抗噪音能力差，綜合提高覆蓋次數(shù)、震源聯(lián)合應(yīng)用以及提高檢波器耦合效果等多

種手段，是壓制噪音以提高原始資料分辨率的有效方法。

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An Application Example of High-Resolution Seismic Acquisition Technology of Qinglongtai Area in Liaohe Oilfield

Dong Wenbo

(PetroleumExplorationandDevelopmentResearchInstitudeofLiaoheOilfieldCompany,PetroChina,Panjin,Liaoning124010,China)

The bandwitdh of seismic data which acquisited from the analog geophones was narrow. It restricted the raise of the seismic resolution. To resolve this problem, we carried out the seismic acquisition job based on the digital geophone. At first ,We compared the difference between digital geophone and analog geophone through the 2D experiment . Besides, we carried out 3D seismic acquisition technology based on digital geophone in Qinglongtai area of Liaohe oilfield. Concluded as follows: The bandwidth of original data acquisited from digital geophone is 2～120 Hz, which is nearly 30 Hz higher than that of the analog geophone. It has proved that it is practicable to use the digital geophone for seismic data acquisition to improve the original data bandwidth. When the key parameters such as binning is 10m×10m, the mean aspect ratio is 0.83, the number of fold times is 300, the bandwidth advantage of the digital geophone can be well displayed in this area, and the SNR can meet the requirement of more than 1. The combination of vibrating source and explosive source can increase the density and uniformity of the excitation point. The acquisition job can not be go on when the wind exceed force 2, because the wind noise can have a bad effect on the front end of single shot record.

high-resolution seismic exploration； seismic acquisition； digital geophone； vibrator； observation system

董文波(1986—)，男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主要從事地震資料采集、解釋以及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等方面的工作。郵箱：dongwenbo.163@163.com.