海上雙正交寬方位地震勘探技術(shù)研究與實(shí)踐*

張金淼

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

我國(guó)海上油氣勘探開發(fā)正面臨著從淺層向中深層、由構(gòu)造油氣藏向復(fù)雜巖性油氣藏轉(zhuǎn)移的新形勢(shì)和新任務(wù)，勘探難度的不斷增大對(duì)地震勘探技術(shù)提出了更高的要求［1］。常規(guī)海洋拖纜三維地震勘探通常采用束線狀觀測(cè)系統(tǒng)，橫向排列窄、縱向排列長(zhǎng)，是窄方位角采集觀測(cè)系統(tǒng)，沿一個(gè)排列方向的地震傳播路徑對(duì)地下構(gòu)造進(jìn)行成像。因此，在地下構(gòu)造復(fù)雜、地層速度變化劇烈的情況下，地震波場(chǎng)復(fù)雜，窄方位角采集觀測(cè)系統(tǒng)會(huì)造成部分地下構(gòu)造點(diǎn)成為無反射的盲區(qū)而不能有效成像，降低勘探精度。

近年來，寬方位角地震勘探技術(shù)得到了迅猛發(fā)展［2-4］，相對(duì)于窄方位角地震勘探具有如下優(yōu)勢(shì)：①具有更高的覆蓋次數(shù)，同時(shí)能夠更好地利用三維波場(chǎng)空間特征壓制各種噪聲，提高資料信噪比；②具有更豐富的波場(chǎng)信息和強(qiáng)照明度，有利于陡傾角和復(fù)雜斷層等構(gòu)造成像；③具有更豐富的振幅隨炮檢距和方位角變化信息，可以增強(qiáng)裂隙和地層巖性變化的識(shí)別能力，有利于復(fù)雜油氣藏的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)［5-6］。

目前，國(guó)內(nèi)外各大地球物理公司陸續(xù)推出了多種多樣的海上寬方位地震采集方式［7-9］，主要有多方位拖纜、多船寬方位拖纜、環(huán)形全方位拖纜采集、海底電纜以及海底節(jié)點(diǎn)寬方位采集等，對(duì)改善復(fù)雜構(gòu)造成像效果起到了極大的推動(dòng)作用。針對(duì)渤海等中國(guó)近海地震地質(zhì)特征及地震采集作業(yè)環(huán)境，海底電纜地震采集技術(shù)得到了一定程度的推廣應(yīng)用［10］，相對(duì)于拖纜采集技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：①可根據(jù)地質(zhì)需求和水面的復(fù)雜情況靈活選用束狀采集或片狀采集；②電纜沉放在海底，有效降低了噪聲影響，提高了資料信噪比；③壓力檢波器數(shù)據(jù)與速度檢波器的Z分量數(shù)據(jù)合并處理可壓制電纜鬼波；④可記錄多分量地震數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)換波進(jìn)行油氣檢測(cè)等。

本文針對(duì)渤海某靶區(qū)開展了雙正交寬方位地震采集參數(shù)論證與優(yōu)選及點(diǎn)震源氣槍陣列設(shè)計(jì)，提出了雙正交寬方位海底電纜地震采集施工方案，并進(jìn)行了成功實(shí)施。實(shí)際資料采集及初步處理結(jié)果表明，本次雙正交寬方位采集實(shí)踐滿足了后續(xù)寬方位處理解釋對(duì)原始采集數(shù)據(jù)的要求，為解決實(shí)際生產(chǎn)問題、支持靶區(qū)增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了重要保障。

1 雙正交寬方位海底電纜采集方案設(shè)計(jì)

1.1 靶區(qū)地質(zhì)問題及資料現(xiàn)狀

靶區(qū)位于渤南低凸起中段，夾持于黃河口凹陷和渤中凹陷兩大富烴凹陷之間，成藏背景十分優(yōu)越。目前在該構(gòu)造區(qū)已發(fā)現(xiàn)多個(gè)油氣田及含油氣構(gòu)造，勘探實(shí)踐表明該區(qū)中深層具有較大勘探潛力，其中潛山是主要勘探目標(biāo)之一。該構(gòu)造區(qū)的地震資料為2002年拖纜采集資料，雖然經(jīng)過多次處理攻關(guān)，但仍無法滿足地質(zhì)需求，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①中深層成像較差，分辨率不足，信噪比低，潛山斜坡部位地層接觸關(guān)系模糊，斷裂組合不清楚，構(gòu)造落實(shí)困難，因此地震資料品質(zhì)制約了古近系優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。②作為中深層勘探目標(biāo)之一，潛山內(nèi)幕成像差，裂縫發(fā)育特征難以刻畫，有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)困難。

圖1 不同采集方案觀測(cè)系統(tǒng)模板Fig.1 Geometry template of different acquisition plans

1.2 采集參數(shù)論證與優(yōu)選

在靶區(qū)現(xiàn)有地震資料分析基礎(chǔ)上，提取了目標(biāo)區(qū)典型地質(zhì)區(qū)域的地球物理參數(shù)，進(jìn)行了采集參數(shù)論證，獲得了采集面元尺寸、最大及最小炮檢距、采樣率、記錄長(zhǎng)度等基本采集參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)寬方位采集方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和對(duì)比分析。

目前海上經(jīng)濟(jì)可行的基于海底電纜采集的寬方位觀測(cè)系統(tǒng)主要包括Patch和正交束狀兩種方式。針對(duì)該靶區(qū)采集的主要目的和采集參數(shù)論證情況，結(jié)合該工區(qū)正在開展的4線8炮束狀采集方案（圖1a），設(shè)計(jì)了5線96炮的正交束狀寬方位海底電纜采集方案（圖1b，表1中方案2），并將該方案與Patch寬方位觀測(cè)系統(tǒng)屬性（表1中方案1）進(jìn)行了對(duì)比。

表1 不同采集方案觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)Table1 Geometry parameters of different acquisition plans

圖2 不同采集方案偏移距分布示意圖Fig.2 Offset distribution diagram of different acquisition plans

圖3 不同采集方案方位角分布圖Fig.3 Azimuth distribution of different acquisition plans

首先計(jì)算了Patch和正交束狀兩種寬方位海底電纜觀測(cè)系統(tǒng)的偏移距整體分布情況（圖2），在1 000～4 000 m的有效偏移距段上，方案2的覆蓋次數(shù)明顯高于方案1，并且方案2的偏移距分布均勻性提高，其中方案1橫縱比為0.590，方案2橫縱比為0.695。從圖3所示的方位角分布圖中可以看出，兩者的分布形態(tài)具有一定的相似性，但是方案2的方位角分布范圍更寬，有利于后續(xù)分方位角處理。為了分析偏移距和方位角分布的均勻性，將偏移距按照50 m間隔進(jìn)行劃分，方位角按照5°間隔進(jìn)行劃分，可以得到偏移距和方位角的均勻性分布圖（圖4、5），無論從偏移距還是從方位角的分布看，方案2的均勻性都明顯優(yōu)于方案1。

另外，為了分析不同觀測(cè)系統(tǒng)下的成像情況，進(jìn)一步從疊加響應(yīng)和DMO覆蓋情況進(jìn)行了對(duì)比分析。圖6為滿覆蓋區(qū)域的疊加響應(yīng)，色標(biāo)表示疊加振幅，這里采用均方差（變異系數(shù)）來指示振幅的擾動(dòng)，振幅擾動(dòng)越小，采集腳印越弱。從圖6可以看出，方案1中不同Patch子區(qū)之間的擾動(dòng)較為明顯，采集腳印較強(qiáng)，而方案2的滿覆蓋區(qū)域非常均勻，明顯優(yōu)于方案1。為了分析不同觀測(cè)系統(tǒng)的偏移成像效果，這里先根據(jù)地質(zhì)體均方根速度雙程旅行時(shí)計(jì)算DMO成像半徑，然后對(duì)成像半徑所穿過的面元按其到炮檢中點(diǎn)的距離計(jì)算加權(quán)覆蓋次數(shù)，可以獲得圖7所示的DMO覆蓋次數(shù)分布情況，覆蓋越均勻，偏移成像效果越好。由圖7可見，方案2的均勻性明顯優(yōu)于方案1，因此方案2的偏移成像效果要優(yōu)于方案1。由此可見，正交束狀的寬方位觀測(cè)系統(tǒng)方案明顯優(yōu)于Patch方案。

圖4 不同采集方案偏移距均勻性分布圖Fig.4 Offset uniformity distribution of different acquisition plans

圖5 不同采集方案方位角均勻性分布圖Fig.5 Azimuth uniformity distribution of different acquisition plans

圖6 不同采集方案疊加響應(yīng)Fig.6 Stacked response of different acquisition plans

圖7 不同采集方案DMO覆蓋次數(shù)Fig.7 DMO folds of different acquisition plans

圖8 常規(guī)氣槍陣列震源平面分布圖Fig.8 Plane distribution map of conventional air gun array

1.3 點(diǎn)震源氣槍陣列設(shè)計(jì)

海上拖纜采集時(shí)，通常方位角較窄，氣槍震源能量分布對(duì)采集的影響較小。但海底電纜寬方位采集時(shí)，采集觀測(cè)系統(tǒng)的橫縱比超過0.5，方位角較大，氣槍震源能量分布對(duì)采集的影響增大，成為氣槍陣列設(shè)計(jì)中的重要因素［11-12］。對(duì)于寬方位采集來說，理想震源的能量呈球形分布，但目前生產(chǎn)中常規(guī)氣槍陣列的能量并不是球形分布，其主能量沿Inline方向，Crossline方向能量明顯減弱，尤其是高頻能量。圖8、9展示了常規(guī)槍陣及其在不同頻率下的能量俯視圖，隨著頻率的升高，槍陣能量呈橢圓形分布，Inline方向的能量明顯強(qiáng)于Crossline方向。

理想震源的能量呈球形分布，整個(gè)槍陣的能量類似于單槍點(diǎn)震源所激發(fā)的能量分布特征（此處稱之為點(diǎn)震源），在不同頻率下其能譜圖應(yīng)該呈對(duì)稱分布。較優(yōu)的點(diǎn)震源氣槍陣列除了能量分布呈現(xiàn)上述特征外，子波質(zhì)量也非常重要，子波主脈沖、初泡比、低頻能量、頻譜光滑程度等要達(dá)到一定要求。

理論上點(diǎn)震源氣槍陣列設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到幾何上的完全對(duì)稱，即陣列中不同容量的氣槍分布位置能夠達(dá)到左右對(duì)稱和中心對(duì)稱，其能量分布更接近球形，但這種理想的設(shè)計(jì)方案存在很多弊端，最主要的弊端為氣槍陣列中使用的不同容量氣槍種類過于單一，其激發(fā)的子波質(zhì)量不高。因此，如何設(shè)計(jì)點(diǎn)震源氣槍陣列，使各氣槍單元幾何分布上不完全對(duì)稱，但陣列震源激發(fā)的子波能量分布能趨于球形是寬方位點(diǎn)震源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了設(shè)計(jì)出理想的能量呈球形分布的氣槍震源，本文提出了點(diǎn)震源槍陣設(shè)計(jì)方案。

如圖10所示，氣槍陣列由單元ABCD組成，在陣列幾何圖形中選取合適的中心點(diǎn)O，以大于陣列幾何尺寸的半徑畫圓，在圓上取任意一點(diǎn)X1，計(jì)算各能量點(diǎn)ABCD在X1點(diǎn)處的能量疊加。圓上X1的位置是隨機(jī)選取的，計(jì)算氣槍陣列在圓上任意一點(diǎn)處能量疊加值時(shí)，如果所有點(diǎn)的能量疊加值在允許的一定范圍誤差內(nèi)接近某統(tǒng)一值，即可認(rèn)為該氣槍陣列符合點(diǎn)震源陣列的設(shè)計(jì)。該方案對(duì)點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，但這只是數(shù)學(xué)上的猜想，目前還沒有找到物理意義上的理論依據(jù)。

圖9 常規(guī)槍陣不同頻率下的能量俯視圖Fig.9 Energy overlook at different frequencies of conventional gun array

圖10 氣槍陣列能量分布計(jì)算圖Fig.10 Calculation chart of air gun array energy distribution

圖11 點(diǎn)震源槍陣不同頻率下的能量俯視圖Fig.11 Energy overlook at different frequencies of point gun array

根據(jù)上述點(diǎn)震源槍陣設(shè)計(jì)方案，對(duì)圖8中的氣槍陣列進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的點(diǎn)震源設(shè)計(jì)，其模擬的能量空間分布特征如圖11所示。對(duì)比優(yōu)化前后的能量分布特征可以看出，優(yōu)化后槍陣的能量分布更集中，不同頻率下各個(gè)方向的能量分布均勻性明顯提高，整個(gè)槍陣的能量分布更接近球形，符合點(diǎn)震源分布特征。

2 雙正交寬方位海底電纜資料采集與初步處理效果分析

2.1 采集資料品質(zhì)分析

為了獲得寬方位地震資料，將平行束狀和正交束狀寬方位相結(jié)合，先采集與纜線垂直方向的炮線，然后電纜不動(dòng)再采集平行纜線的炮線，由此形成了炮線與纜線正交、炮線與炮線正交的雙正交寬方位海底電纜地震采集施工方案（圖12），并在靶區(qū)成功實(shí)施野外采集作業(yè)。圖13展示了該區(qū)窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、正交束狀寬方位海底電纜采集單炮資料情況，對(duì)比分析可以看出高覆蓋窄方位海底電纜采集的資料品質(zhì)較窄方位拖纜采集資料明顯改善。對(duì)比正交束狀寬方位和高覆蓋窄方位海底電纜采集的資料，可以看出在2～4 s的中深層寬方位采集資料品質(zhì)得到改善，此次海底電纜資料水檢資料信噪比遠(yuǎn)高于陸檢資料。圖14、15分別為窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、正交束狀寬方位海底電纜采集的水檢及陸檢初疊剖面，對(duì)比可以看到高覆蓋窄方位海底電纜和正交束狀寬方位海底電纜中深層資料品質(zhì)優(yōu)于窄方位拖纜資料。

圖12 雙正交寬方位地震采集Fig.12 Biorthogonal wide azimuth seismic acquisition

圖13 窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、正交束狀寬方位海底電纜采集單炮資料對(duì)比Fig.13 Shot data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

2.2 初步處理效果分析

為了獲得雙正交寬方位處理成果，處理中把窄方位高覆蓋海底電纜和雙正交寬方位海底電纜融合處理。與常規(guī)處理技術(shù)流程相比［14-15］，寬方位處理技術(shù)［13］流程（圖16）有4項(xiàng)特色技術(shù)：①OVT域五維規(guī)則化技術(shù)；②三維Radon變換多次波壓制技術(shù)；③OVT域疊前時(shí)間偏移及深度偏移技術(shù)；④方位各向異性校正技術(shù)。

通過寬方位處理技術(shù)流程的綜合應(yīng)用，最終獲得了雙正交寬方位海底電纜采集資料處理結(jié)果。如圖17所示，與窄方位拖纜處理結(jié)果對(duì)比，雙正交寬方位海底電纜資料在1.6～3.0 s的中深層的信噪比明顯高于窄方位拖纜資料，同時(shí)古近系地層、潛山界面及內(nèi)幕的成像質(zhì)量也優(yōu)于窄方位拖纜資料，因此寬方位資料有利于中深層復(fù)雜構(gòu)造和儲(chǔ)層研究。與高覆蓋窄方位海底電纜處理結(jié)果對(duì)比，雙正交寬方位海底電纜資料在潛山內(nèi)幕的信噪比和成像質(zhì)量得到了提高。證明了雙正交寬方位采集達(dá)到了高覆蓋次數(shù)和富角度照明的效果。因此，寬方位地震勘探技術(shù)能大幅提高中深層勘探精度。

圖14 窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、正交束狀寬方位海底電纜水檢初疊剖面對(duì)比Fig.14 Initial hydrophone stack data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

圖15 窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、正交束狀寬方位海底電纜陸檢初疊剖面對(duì)比Fig.15 Initial geophone stack data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

圖16 靶區(qū)寬方位地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程Fig.16 Wide azimuth seismic data processing flow in the target area

圖17 窄方位拖纜、高覆蓋窄方位海底電纜、雙正交寬方位海底電纜主測(cè)線疊前時(shí)間偏移資料對(duì)比Fig.17 Inline PSTM data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and biorthogonal wide azimuth OBC

3 結(jié)論與建議

1）本文設(shè)計(jì)的雙正交寬方位海底電纜采集觀測(cè)系統(tǒng)縱橫比達(dá)到0.695，相對(duì)于常規(guī)海底電纜采集在偏移距、方位角、疊加響應(yīng)和DMO覆蓋次數(shù)等觀測(cè)系統(tǒng)屬性均勻性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，本文提出的點(diǎn)震源氣槍陣列設(shè)計(jì)方法優(yōu)化了槍陣在不同頻率下各個(gè)方向能量分布的均勻性，更加符合寬方位地震采集的要求。

2）實(shí)際資料采集和初步處理效果表明，雙正交寬方位采集達(dá)到了高覆蓋次數(shù)和富角度照明的效果，因此寬方位地震勘探技術(shù)能大幅提高中深層勘探精度。

3）本文提出的雙正交寬方位海底電纜地震采集方案相對(duì)于常規(guī)拖纜采集的作業(yè)成本較高，僅適用于有一定儲(chǔ)量規(guī)模的精細(xì)目標(biāo)勘探或開發(fā)階段，因此，探索更加經(jīng)濟(jì)、高效的寬方位海底電纜地震采集方法是推動(dòng)海上寬方位地震勘探技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要手段。