針對(duì)玄武巖屏蔽作用下的地質(zhì)目標(biāo)地震采集技術(shù)研究
——以冰島M區(qū)塊為例

胡興豪宋建國(guó)帥鵬宇

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）；2中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司；3中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司物探技術(shù)研究所）

針對(duì)玄武巖屏蔽作用下的地質(zhì)目標(biāo)地震采集技術(shù)研究
——以冰島M區(qū)塊為例

胡興豪1,2宋建國(guó)1帥鵬宇3

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）；2中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司；3中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司物探技術(shù)研究所）

冰島M區(qū)塊內(nèi)存在兩套覆蓋范圍較廣、厚度大的玄武巖，其強(qiáng)烈的屏蔽作用使得該區(qū)采集難度很大，以往采集得到的資料整體信噪比低，下伏地層基本無(wú)反射信號(hào)。為了獲得該地區(qū)更好的地震資料，特別是獲取玄武巖強(qiáng)屏蔽層下伏的中、深層地震信息，通過分析采集難點(diǎn)，經(jīng)關(guān)鍵參數(shù)論證和技術(shù)研究，設(shè)計(jì)出滿足地質(zhì)目標(biāo)的斜纜采集方式，保證了采集頻寬，配合低頻、大容量震源，提高了地震信號(hào)的穿透能力，得到了高品質(zhì)地震資料，最終形成了一套針對(duì)玄武巖屏蔽作用下的地質(zhì)目標(biāo)地震采集技術(shù)方法。

玄武巖屏蔽；地震采集；低頻大容量；傾斜電纜；信噪比

位于冰島所屬海域東北部的M區(qū)塊勘探項(xiàng)目，為中國(guó)首次在北極圈以作業(yè)者身份開展的海上石油勘探。M區(qū)塊與挪威海域盆地、格陵蘭島東部盆地在中生代同屬一個(gè)沉積盆地，具有相似的沉積特征和石油地質(zhì)條件。與此同時(shí)，挪威西部海域盆地和格陵蘭島東部盆地均已揭示了中生界侏羅系—白堊系含油氣系統(tǒng)。目前，挪威西部陸架Voring、More、Faroes-Shetland盆地等已獲得1.5×1010bbl當(dāng)量的油氣發(fā)現(xiàn)。冰島M區(qū)塊勘探程度低，盡管暫時(shí)沒有油氣發(fā)現(xiàn)，但通過地質(zhì)類比推測(cè)，此區(qū)應(yīng)該具備一定的油氣勘探潛力；附近的大洋鉆探也揭示了冰島M區(qū)塊存在活躍的侏羅系油苗，證實(shí)該區(qū)發(fā)生過油氣生成、運(yùn)聚過程，展示出良好的油氣勘探前景[1-5]。

結(jié)合已有的重力、磁法資料，在地層格架建立的基礎(chǔ)上，對(duì)全區(qū)中生界進(jìn)行追蹤分析，初步建立了“兩洼夾一隆”的構(gòu)造格局，研究人員提出北區(qū)和南區(qū)是有利區(qū)帶。M區(qū)塊位于揚(yáng)馬延脊南部?jī)A沒端，水深總體在800m至2000m之間，北部的揚(yáng)馬延島出露水面。研究區(qū)目前沒有油氣探井，只有9口深海大洋鉆探井，但鉆探深度較淺，均小于500m，只揭示了淺層上始新統(tǒng)以上地層。

整個(gè)揚(yáng)馬延脊共實(shí)施了8批次二維地震勘探，總計(jì)超過2×104km，無(wú)三維地震資料。Spectrum公司分別在2008年、2013年對(duì)該區(qū)所有批次的二維地震重新進(jìn)行處理。從已有資料可以看出晚期采集和處理的剖面地震品質(zhì)好于早期采集和處理的剖面，但地震資料品質(zhì)普遍較差，無(wú)法滿足勘探和研究需要。

1 地震勘探難點(diǎn)

為調(diào)研和收集冰島M區(qū)塊區(qū)域地質(zhì)和地震資料信息，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，決定在M區(qū)塊進(jìn)行二維地震勘探的部署及采集工作。

在實(shí)際的海洋地震資料采集中，為了盡量避免噪聲干擾，可選擇海況較好的季節(jié)進(jìn)行地震資料采集，或適當(dāng)增加震源、電纜的沉放深度，有利于減小涌浪等環(huán)境噪聲的影響[6]。

1.1 作業(yè)時(shí)窗十分有限

M區(qū)塊地處高緯度67.2°～69.2°N，接近北極圈，部分甚至在北極圈以內(nèi)，有極晝極夜現(xiàn)象，適合作業(yè)的天氣為每年的6月到9月中旬。圖1為該地區(qū)年度平均浪高統(tǒng)計(jì)，可以看出，6、7、8三個(gè)月浪高低于3m的在10%以下，8月中旬或下旬浪高超過3m的約占8%，9月份浪高超過3m的約占22%，往后的月份更高。根據(jù)實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，浪高超過3m時(shí)，無(wú)論是作業(yè)安全，還是所采集的地震資料品質(zhì)都會(huì)受到較大影響。因此，采集時(shí)窗十分有限。

圖1 冰島M區(qū)塊年度平均浪高統(tǒng)計(jì)圖

1.2 玄武巖強(qiáng)烈屏蔽作用

M區(qū)塊新生代以來(lái)強(qiáng)烈的火山活動(dòng)，使得該區(qū)域內(nèi)存在兩套大型的玄武巖層，其中一套為全區(qū)發(fā)育，另一套為局部發(fā)育：古新世晚期玄武巖覆蓋整個(gè)研究區(qū)，而漸新世晚期玄武巖局部分布，主要集中在M區(qū)塊的中部和東南角、西北角位置。

玄武巖具有速度高、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)地震信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的屏蔽作用和散射作用，使得下傳地震波能量衰減嚴(yán)重，從而造成下伏地層的反射能量微弱，下伏地層和基底反射不清，信噪比低，多次波發(fā)育，干擾嚴(yán)重，中深層成像困難[7-15]。

1.3 以往多次采集突破難

冰島M區(qū)塊有過多次地震采集，關(guān)鍵參數(shù)見表1。不難看出，采集參數(shù)差別并不十分明顯，主要在于震源的容量及震源、電纜的沉放深度稍有差別。這幾次資料的處理效果差別也并不大，所以如果繼續(xù)采用類似參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，很難得到有突破的資料，需要通過對(duì)以往參數(shù)及處理結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，找到突破點(diǎn)。

通過對(duì)不同年度采用不同參數(shù)的原始資料及其重處理成果剖面資料，以及不同年度測(cè)線交會(huì)點(diǎn)處資料進(jìn)行對(duì)比分析，研究區(qū)已有資料品質(zhì)具有以下特點(diǎn)：①玄武巖層、海水面、海底共同作用造成多種形式的多次波發(fā)育，多次波波場(chǎng)復(fù)雜；②玄武巖下伏地層最佳成像頻段為3～20Hz，40Hz以上基本看不到有效反射信息，成像十分困難；③1985年采集資料時(shí)電纜長(zhǎng)度較短，無(wú)法真實(shí)反映深層波場(chǎng)信息，而2001年和2008年采集資料時(shí)，雖然有所改善，但震源能量仍然沒有達(dá)到最佳，深層反射信息仍然不足?？傮w來(lái)說(shuō)，晚期采集和處理得到的地震數(shù)據(jù)及剖面品質(zhì)雖優(yōu)于早期，但地震資料品質(zhì)普遍較差，無(wú)法滿足勘探和研究需要。

表1 工區(qū)內(nèi)已有采集參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 二維地震采集關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

通過以上難點(diǎn)分析，可以知道此次采集主要為解決玄武巖屏蔽作用下的地層成像問題，從而能夠較為清楚地識(shí)別深部地層和基底的地震反射特征。這需要從以下兩個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.1 低頻大容量震源

對(duì)3個(gè)年度的疊加成果資料進(jìn)行頻譜掃描，2001年資料中深層優(yōu)勢(shì)頻帶主要集中在5～20Hz，對(duì)其主要目的層進(jìn)行頻譜分析，強(qiáng)屏蔽層主頻主要集中在25Hz左右，屏蔽層下伏地層主頻基本在20Hz以下（圖2）；而2008年資料低頻成分豐富，中深層成像效果更好，優(yōu)勢(shì)頻帶主要集中在3～20Hz，原始資料比較缺少低頻信號(hào)。

M區(qū)塊內(nèi)以往勘探資料證明：大震源加長(zhǎng)電纜能夠改善中生界的成像效果。由于玄武巖的屏蔽作用，導(dǎo)致中生界低頻信息不足，對(duì)比3個(gè)年度資料，發(fā)現(xiàn)震源、電纜沉放較深時(shí)，低頻信號(hào)相對(duì)豐富一些，但深度較大的電纜接收道的高頻信息不足，為此提出寬頻采集攻關(guān)。

在玄武巖高速層的內(nèi)部及其地層與圍巖之間，具有較強(qiáng)的橫向、縱向非均質(zhì)性，這種特性會(huì)對(duì)地震波場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的散射和屏蔽作用。因此利用低頻信號(hào)可降低非均質(zhì)性強(qiáng)的玄武巖地層對(duì)地震波場(chǎng)的散射和屏蔽作用，提高深層成像質(zhì)量，利用低頻信號(hào)和低頻接收將在更大程度上得到高速層信息[6]。因此，有必要用強(qiáng)的低頻源進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

圖2 2001年度成果頻譜掃描分析

玄武巖屏蔽就震源來(lái)說(shuō)主要是屏蔽其穿透的能力，而穿透能力與其激發(fā)能量密切相關(guān)，因此通過增加震源總?cè)萘縼?lái)提高震源能量，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)加大單個(gè)大容量氣槍在整個(gè)震源陣列中所占比例，以提高子波的低頻成分。最終M區(qū)塊的地震采集使用G-GUNⅡ型氣槍、容量達(dá)6280in3的4子陣組合震源，其中單槍最大容量為310in3。

與此同時(shí)，在對(duì)玄武巖覆蓋區(qū)進(jìn)行中深部成像處理時(shí)，可以采用低頻信號(hào)成像的方法，強(qiáng)化非均質(zhì)性強(qiáng)的玄武巖層對(duì)波場(chǎng)傳播信號(hào)的散射和屏蔽作用[16]。

2.2 傾斜電纜采集

相對(duì)于常規(guī)海上拖纜，傾斜電纜采集隨著電纜沉放深度的不同，對(duì)應(yīng)的陷波點(diǎn)位置不同，隨著沉放深度遞增，第一個(gè)陷波點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率逐漸降低。陷波具有多樣性特征，在一個(gè)道集內(nèi)進(jìn)行不同深度的多道疊加，可以一定程度上抑制海面虛反射，拓寬頻帶。在低頻端，鬼波的振幅譜隨著深度增加而增加[17-20]。

根據(jù)2008年采集測(cè)線建立二維地質(zhì)模型（圖3），針對(duì)玄武巖下伏地層h6分別進(jìn)行不同參數(shù)傾斜電纜和不同深度水平電纜正演模擬，并進(jìn)行基于鬼波算子的脈沖響應(yīng)疊加平均譜對(duì)比分析。

如圖4所示，固定傾斜電纜展布方式0～4000m為變深度，4000～9000m為等深度，其沉放深度分別為5～10m、5～20m、5～30m、5～40m、5～50m，基于深層目的層h6進(jìn)行脈沖響應(yīng)頻譜分析。圖5為深層目的層h6不同沉放深度傾斜電纜脈沖響應(yīng)疊加頻譜對(duì)比，圖6為深層目的層h6傾斜電纜沉放深度5～30m和不同水平電纜沉放深度（10m、15m、30m、50m）脈沖響應(yīng)疊加頻譜對(duì)比?？梢钥闯觯簩?duì)于深層目的層，傾斜電纜擴(kuò)頻優(yōu)勢(shì)更加明顯，陷波點(diǎn)處能量增強(qiáng)；考慮深層最佳成像頻段為3～20Hz，此頻段內(nèi)，傾斜電纜沉放深度5～30m與水平電纜沉放深度30m效果差距不大。

圖3 依據(jù)2008年采集測(cè)線所建的二維地質(zhì)模型

圖4 不同沉放深度傾斜電纜示意圖

圖5 深層目的層h6不同沉放深度傾斜電纜脈沖響應(yīng)疊加頻譜對(duì)比圖

圖6 深層目的層h6傾斜電纜與不同沉放深度水平電纜脈沖響應(yīng)疊加頻譜對(duì)比圖

一般情況下，電纜沉放深度越淺，資料的主頻也就越高，頻帶越寬，分辨率越高。但是，當(dāng)目的層較深時(shí)，如果電纜沉放深度較淺，受風(fēng)浪影響噪聲較大，對(duì)資料品質(zhì)有一定影響。 M區(qū)塊水深在800～2000m，目的層又位于具有強(qiáng)烈屏蔽作用的玄武巖之下，為了保證采集資料具有良好的品質(zhì)，在后續(xù)處理中得到更加清晰可靠的成像成果，電纜的沉放深度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，既要保證所需的主頻、頻帶，又要兼顧深層信息的接收，盡量減少噪聲影響。

最終本次項(xiàng)目采集所用的電纜長(zhǎng)度為8100m，電纜沉放在9m至50m的深度。圖7為理論設(shè)計(jì)電纜沉放深度與實(shí)際實(shí)時(shí)電纜沉放深度監(jiān)控顯示對(duì)比圖，在M區(qū)塊較差的海況和天氣情況下，可見電纜沉放狀態(tài)控制得非常好，為獲取最佳資料奠定了基礎(chǔ)。

3 實(shí)際采集效果

選取M區(qū)塊相同位置的老資料與新采集的資料進(jìn)行對(duì)比（圖8），可以明顯看到：新采集的資料有效提高了地震資料分辨率，成像效果有很大的提高，特別是玄武巖屏蔽下的中、深層成像更為清晰，取得了較好的地震勘探效果。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玄武巖屏蔽下的地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行地震勘探是一項(xiàng)困難復(fù)雜的工作，除了考慮常規(guī)的天氣和海況等影響因素，地震勘探設(shè)計(jì)時(shí)必須著重考慮如何使信號(hào)穿透玄武巖屏蔽層；而冰島M區(qū)塊的特殊地理位置帶來(lái)的極晝極夜影響，又使得采集時(shí)窗一定程度上受到限制，因此實(shí)際作業(yè)難上加難。通過傾斜電纜采集方式，采用低頻、大容量震源設(shè)計(jì)，能夠在玄武巖屏蔽區(qū)取得高品質(zhì)的地震資料：

圖7 M區(qū)塊電纜理論設(shè)計(jì)與實(shí)際沉放對(duì)比

圖8 新、老資料對(duì)比圖

(1）針對(duì)玄武巖下伏地層成像問題，最有效的解決方案是增大震源激發(fā)子波的低頻端能量，提高低頻信號(hào)，配備大容量震源。

(2）傾斜電纜采集可以實(shí)現(xiàn)寬頻采集，兼具高、低頻成分，成像效果好，同時(shí)也利于有效去除鬼波，對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)刻畫得更為清晰。

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Seismic acquisition technology for geological targets under the shield of basalt: a case study on M Block, Iceland

Hu Xinghao1,2, Song Jianguo1, Shuai Pengyu3
( 1 China University of Petroleum (East China); 2 China National Offshore Oil Co., Ltd. (CNOOC); 3 Geophysical Research Institute, CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co. )

There are two sets of thick basalts covering large areas within M Block, Iceland. Due to their strong shielding effect, the seismic acquisition in this block is rather diff i cult. The signal-to-noise ratio of previously acquired data is overall low with no ref l ected signal acquired from the underlying strata. To acquire eff i cient seismic data in this block, especially that of the middle and deep strata underlying the basalts, the inclined-cable acquisition mode subject to the geological targets was designed after the analysis of acquisition diff i culties, key parameter demonstration and technical study. While guaranteeing the acquisition frequency width, this mode can combine with low-frequency largecapacity seismic source to improve the penetration capacity of seismic signals, thereby facilitating the acquisition of high-quality seismic data. A set of seismic acquisition technology for the geological targets under the shield of basalt is ultimately developed.

basalt shielding, seismic acquisition, low-frequency high-capacity, inclined cable, signal-to-noise ratio (SNR)

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.04.012

P631.4

：A

中國(guó)海洋石油有限公司一級(jí)科技專項(xiàng) “斜纜采集地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與應(yīng)用”（2015-YXKJ-002）。

胡興豪（1985-），男，山東臨清人，在讀碩士，工程師，現(xiàn)主要從事海外物探項(xiàng)目相關(guān)管理和技術(shù)支持工作。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號(hào)中國(guó)海洋石油大廈，郵政編碼：100027。E-mail：huxh2@cnooc.com.cn

2016-08-25；修改日期：2017-05-08