冀中坳陷深潛山及潛山內(nèi)幕地震采集關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

陳敬國(guó) 李海東 王冬雯 劉占軍 葛黛薇 劉勝利 付 濱 劉 穎

（ 1中國(guó)石油大學(xué)（北京）；2中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司；3中國(guó)石油華北油田公司 ）

0 引言

陷深潛山領(lǐng)域不斷刷新的認(rèn)知，深潛山及潛山內(nèi)幕等油氣藏正逐漸成為潛山勘探的重點(diǎn)方向。

渤海灣盆地冀中坳陷的潛山油氣藏是華北油田重要勘探領(lǐng)域之一，自任丘古潛山油田勘探獲得歷史性突破以來(lái)，冀中坳陷已開(kāi)展了近半個(gè)世紀(jì)的潛山勘探工作[1]。

早在20 世紀(jì)70 年代，就已拉開(kāi)了大型潛山地震勘探的序幕，此時(shí)地質(zhì)任務(wù)簡(jiǎn)單，目的層埋藏淺，地震勘探以二維為主，是潛山油氣藏的高產(chǎn)期，潛山油氣年產(chǎn)量占華北油田年產(chǎn)量的90%左右。80 年代末期，隨著地質(zhì)認(rèn)識(shí)的提高及大型潛山的開(kāi)采殆盡，勘探重點(diǎn)轉(zhuǎn)為中、小型潛山，地震勘探方式由以往的二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，但由于裝備及技術(shù)水平難以滿(mǎn)足地質(zhì)需求，導(dǎo)致對(duì)于潛山油氣藏評(píng)估認(rèn)識(shí)不足，潛山部署、開(kāi)發(fā)工作相對(duì)滯后，潛山年產(chǎn)量持續(xù)下降，90 年代末已不足100×104t，僅占華北油田年產(chǎn)量的20%[2]。

因此自2000 年起，冀中坳陷開(kāi)始了針對(duì)性的地震采集技術(shù)攻關(guān)工作，針對(duì)該區(qū)域的潛山油氣藏勘探仍不斷有新的認(rèn)識(shí)、新的發(fā)現(xiàn)[3-8]。伴隨著對(duì)冀中坳

1 潛山區(qū)域特征

1.1 地質(zhì)特征

冀中坳陷的潛山經(jīng)歷了前中生代建造形成、侏羅紀(jì)晚期擠壓、白堊紀(jì)—古近紀(jì)多幕伸展斷陷與新近紀(jì)—第四紀(jì)沉陷埋藏的形成過(guò)程。受控于長(zhǎng)期演化及內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力的聯(lián)合作用，潛山多具有復(fù)合成因，在平面上不同成因類(lèi)型的潛山帶有規(guī)律地出現(xiàn)[9]。

由于潛山成因和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該區(qū)潛山的分類(lèi)一直有多種劃分方案。根據(jù)科學(xué)性和實(shí)用性?xún)蓚€(gè)基本原則，臧明峰等結(jié)合地震解釋和地質(zhì)剖面等資料，從形成潛山的地質(zhì)背景和成因出發(fā)，將冀中坳陷的潛山分為地貌潛山和構(gòu)造潛山兩大類(lèi)（表1）；在生產(chǎn)實(shí)踐中，又據(jù)潛山油藏產(chǎn)出位置劃分為潛山頂、潛山坡、潛山內(nèi)幕3 種類(lèi)型[10]，其中潛山頂塊狀油氣藏由于埋藏淺、規(guī)模大而容易被發(fā)現(xiàn)，而潛山坡和潛山內(nèi)幕隱蔽型油氣藏的發(fā)現(xiàn)相對(duì)較少[11]。

表1 冀中坳陷潛山分類(lèi)表Table 1 Classification of buried hills in Jizhong depression

隱蔽型潛山主要分為深潛山及潛山內(nèi)幕、凸起區(qū)潛山及潛山內(nèi)幕兩類(lèi)，深潛山及潛山內(nèi)幕規(guī)模較?。ㄒ话悴怀^(guò)5km2）、埋藏較深（大于4000m）、類(lèi)型復(fù)雜（潛山內(nèi)幕、潛山坡）、目標(biāo)層系多，是潛山深化勘探的重要方向；凸起區(qū)潛山及潛山內(nèi)幕埋藏較淺（1000～2000m）、類(lèi)型相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單[12]。本文主要針對(duì)深潛山及內(nèi)幕開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)研究。

1.2 深部地球物理特征

從表2 來(lái)看，潛山面與內(nèi)幕速度差異較大，但內(nèi)幕反射系數(shù)小，特別是深潛山內(nèi)幕反射系數(shù)僅為0.01～0.05；深層資料信噪比低，3s 以下深潛山資料信噪比僅為0.35。資料頻帶較窄，以低頻為主。

表2 冀中坳陷潛山及內(nèi)幕地球物理特征參數(shù)Table 2 Geophysical characteristic parameters of buried hills and their interior structures in Jizhong depression

1.3 近地表特征

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，華北探區(qū)所處的京津冀城市群發(fā)展尤為迅速，城市的面積、人口、廠礦、交通設(shè)施得到飛速發(fā)展。冀中坳陷潛山構(gòu)造部分位于大型城礦區(qū)附近，在這類(lèi)地區(qū)進(jìn)行地震勘探的不利影響因素越來(lái)越多，歸結(jié)起來(lái)主要有：①城區(qū)及周邊低降速層縱、橫向變化復(fù)雜；②城礦區(qū)隨機(jī)干擾嚴(yán)重；③城區(qū)近地表障礙類(lèi)型多、分布密集[13]。

2 勘探難點(diǎn)及早期技術(shù)攻關(guān)分析

冀中坳陷復(fù)雜的近地表及地下地震地質(zhì)條件加大了該區(qū)潛山勘探的難度，歸結(jié)起來(lái)有以下地震勘探難點(diǎn)[14]：

（1）潛山面非均質(zhì)性強(qiáng)，對(duì)地震波下傳能量有屏蔽影響；內(nèi)幕速度差異小，使得反射系數(shù)小，難以形成良好的波阻抗界面；潛山地層傾角變化大、斷裂發(fā)育。上述因素反映在地震資料上就是深潛山及內(nèi)幕反射信噪比低，能量弱，斷層斷點(diǎn)不清楚（圖1）。

（2）表層結(jié)構(gòu)的變化對(duì)激發(fā)條件有較大影響，造成地震子波、能量不穩(wěn)定，資料品質(zhì)差異較大。

（3）地表?xiàng)l件復(fù)雜，激發(fā)參數(shù)選取困難、炮檢點(diǎn)難以規(guī)則布設(shè)，不僅造成資料缺失而且存在著安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 早期技術(shù)攻關(guān)二維（左）、三維（右）剖面效果Fig.1 Early 2D (left) and 3D (right) seismic sections

針對(duì)潛山勘探難點(diǎn)，自20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始技術(shù)攻關(guān)工作，2003 年以前的早期技術(shù)攻關(guān)多以二維勘探為主，受當(dāng)時(shí)技術(shù)、裝備水平的限制，基于三維的技術(shù)攻關(guān)還處在小規(guī)模嘗試階段。早期的潛山地震勘探技術(shù)攻關(guān)多采用炸藥、固定井深激發(fā)，二維覆蓋次數(shù)高（300 次），線(xiàn)元較?。?2.5m）（表3）；三維由于處在起步階段，因此參數(shù)選取較為常規(guī)（表4）。

表3 冀中坳陷潛山及內(nèi)幕早期二維地震采集技術(shù)攻關(guān) 主要參數(shù)Table 3 Technical parameters of the early 2D seismic acquisition for buried hills and their interior structures in Jizhong depression

表4 冀中坳陷潛山及內(nèi)幕早期三維地震采集技術(shù)攻關(guān)主要參數(shù)Table 4 Technical parameters of the early 3D seismic acquisition for buried hills and their interior structures in Jizhong depression

從資料效果來(lái)看存在以下不足：①受地表障礙物影響，淺層資料局部缺失，資料信噪比低。②深潛山（4000m 以下）及斷層斷點(diǎn)不清，構(gòu)造無(wú)法落實(shí)。整體來(lái)說(shuō)早期技術(shù)攻關(guān)效果遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足冀中坳陷深潛山及內(nèi)幕勘探的需求。

通過(guò)分析、總結(jié)，認(rèn)為早期技術(shù)攻關(guān)效果不佳主要有以下因素：

（1）當(dāng)時(shí)裝備水平的限制。

（2）采用固定井深激發(fā)，未做表層調(diào)查，未考慮近地表縱、橫向地層厚度、速度的變化。相關(guān)資料表明，冀中坳陷潛水面在逐年下降，低降速層厚度越來(lái)越大，使得表層吸收衰減嚴(yán)重，淺層折射嚴(yán)重，造成目的層反射弱，信噪比低。

（3）研究表明，寬方位（橫縱比0.5～1.0）、高密度地震資料有利于提高潛山內(nèi)幕及高陡控山斷層成像精度（圖2），但早期多為二維或窄方位低密度三維，顯然與寬方位、高密度地震資料存在較大差距，每個(gè)方位的信息不夠豐富，使得解釋存在多解性。

3 深潛山及潛山內(nèi)幕地震采集關(guān)鍵技術(shù)

圖2 不同橫縱比疊加剖面對(duì)比Fig.2 Stacked sections at different aspect ratios

（4）受地表障礙物及炸藥激發(fā)相關(guān)的安全規(guī)定（要求與建筑有一定的安全距離等）影響[15]，觀測(cè)系統(tǒng)難以均勻布設(shè)，使得淺層資料缺失；同時(shí)受各類(lèi)干擾影響，淺層資料信噪比較低。

2003 年以來(lái)尤其是2010 年后，隨著裝備制造水平的不斷進(jìn)步，新一輪的技術(shù)攻關(guān)拉開(kāi)序幕，此時(shí)通過(guò)一次、二次及針對(duì)目標(biāo)區(qū)深入開(kāi)展了寬頻帶、寬方位、高覆蓋（兩寬一高）地震采集技術(shù)研究（表5），形成了一系列配套關(guān)鍵技術(shù)，有效提高了資料的縱橫向分辨率，解決了冀中坳陷深潛山、潛山內(nèi)幕及控山斷層成像效果差的問(wèn)題。

3.1 基于潛山資料品質(zhì)的激發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)

通過(guò)采取“收集水文資料、巖性取心、潛水面調(diào)查、小折射、微測(cè)井”等多種方法聯(lián)合調(diào)查的方式，對(duì)區(qū)域內(nèi)的潛水面進(jìn)行調(diào)查[16]，從而確保把控全區(qū)的表層情況。在上述精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的基礎(chǔ)上逐點(diǎn)設(shè)計(jì)井深，充分利用微測(cè)井資料的動(dòng)力學(xué)特征，追蹤出最佳巖性進(jìn)行激發(fā)，資料能量的均衡性、穩(wěn)定性及頻率較以往都有了明顯的提高（圖3）。

3.2 基于潛山構(gòu)造特征的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)潛山面非均質(zhì)性強(qiáng)、內(nèi)幕反射能量弱，大幅提高覆蓋次數(shù)以確保準(zhǔn)確成像。從整體構(gòu)造分析，冀中坳陷潛山縱向地層傾角較大，應(yīng)該提高縱向覆蓋次數(shù)，增加縱向接收信息；從斷層走向分析，潛山區(qū)發(fā)育有不同走向的斷層，在縱橫向都應(yīng)增加接收信息，因此針對(duì)潛山地層傾角變化大、斷裂發(fā)育的特征，設(shè)計(jì)長(zhǎng)排列、寬方位、高覆蓋的觀測(cè)系統(tǒng)[17]，確保了反射及散射信息的充分接收，剖面效果有顯著提高 （圖4）。

3.3 基于復(fù)雜地表區(qū)的觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)

首先采用“城礦區(qū)近地表障礙物綜合調(diào)查技術(shù)”，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下管線(xiàn)的探測(cè)定位結(jié)果，避免在管線(xiàn)正上方施工，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)[18]；其次，對(duì)于無(wú)法規(guī)避的地面障礙物引起的資料品質(zhì)差、資料缺失等問(wèn)題，采用三域互補(bǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)，即“正常排列與小排列互補(bǔ)”“大藥量與小藥量互補(bǔ)”“炸藥震源與可控震源互補(bǔ)”（圖5）。在城區(qū)無(wú)法實(shí)施布設(shè)炮點(diǎn)的區(qū)域，采用小排列加密的方式，保證該區(qū)的覆蓋次數(shù)；在城區(qū)內(nèi)適當(dāng)采用小藥量激發(fā)，以保證淺層的資料品質(zhì)，同時(shí)在城區(qū)外圍采用大藥量激發(fā)彌補(bǔ)中、深層的資料品質(zhì)；特別是對(duì)于安全要求較高的區(qū)域，采用炸藥震源與可控震源綠色勘探相結(jié)合的方式[19]，確保激發(fā)效果。

表5 冀中坳陷潛山及內(nèi)幕近期三維地震采集技術(shù)攻關(guān)主要參數(shù)Table 5 Technical parameters of the latest 3D seismic acquisition for buried hills and their interior structures in Jizhong depression

圖3 基于潛山資料品質(zhì)的激發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)施前（左）、后（右）共炮檢距剖面效果對(duì)比Fig.3 Common offset sections before (left) and after (right) performing the excitation design based on the quality of buried hill data

圖4 覆蓋次數(shù)大幅提高前、后疊加剖面效果對(duì)比Fig.4 Stacked sections before and after increasing coverages

3.4 多期采集垂直觀測(cè)技術(shù)

冀中坳陷常規(guī)三維勘探覆蓋率高（已近60%），為了適應(yīng)并滿(mǎn)足超深層勘探領(lǐng)域及復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的技術(shù)需求，充分利用已有的三維地震數(shù)據(jù)，在采集環(huán)節(jié)遵循“方位角拼接、橫縱比拓寬、采樣點(diǎn)加密、炮檢距互補(bǔ)”等四大理念[20]，在以往三維的基礎(chǔ)上，從時(shí)間域融合的角度進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)充分、均勻、對(duì)稱(chēng)、波場(chǎng)連續(xù)無(wú)假頻采樣。在處理環(huán)節(jié)對(duì)不同期次三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過(guò)調(diào)查新、老地震資料的采集參數(shù)，開(kāi)展基于時(shí)空域的原始資料評(píng)價(jià)、綜合靜校正、子波整形、數(shù)據(jù)規(guī)則化處理等工作[21-22]，形成一個(gè)新的時(shí)間域融合數(shù)據(jù)體（圖6），以實(shí)現(xiàn)提高地震剖面偏移成像的目的。實(shí)現(xiàn)寬（全）方位高密度地震勘探，同時(shí)也減小野外施工的難度，節(jié)省勘探成本。

圖5 三域互補(bǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of three-domain complementary design

圖6 多期采集垂直觀測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)融合處理示意圖Fig.6 Schematic diagram of fusion processing of data recorded with multi-stage acquisition and vertical observation system

4 應(yīng)用效果

近年來(lái)，隨著上述采集關(guān)鍵技術(shù)在多個(gè)深潛山及潛山內(nèi)幕勘探項(xiàng)目中的應(yīng)用，針對(duì)不同勘探目標(biāo)的配套技術(shù)及相應(yīng)運(yùn)作模式也已較為成熟。如圖7 所示，所取得的勘探成果資料效果較之以往有大幅提升，潛山內(nèi)幕淺、深層不僅反射信息豐富，而且波組特征明顯，控山斷層、高陡傾角地層成像精度也顯著提高。

圖7 新（右）、老（左）成果剖面對(duì)比Fig.7 New (right) and old (left) seismic sections

基于高品質(zhì)的地震攻關(guān)資料，2006 年在饒陽(yáng)凹陷長(zhǎng)洋淀潛山探索“新生古儲(chǔ)古堵”成藏新模式獲得成功，長(zhǎng)3 井在霧迷山組獲日產(chǎn)518.4m3的高產(chǎn)油流，華北探區(qū)潛山勘探沉寂20 年后首次發(fā)現(xiàn)了潛山高產(chǎn)、高效富集油藏，開(kāi)啟了深潛山及潛山內(nèi)幕勘探新階段。2009—2010 年在饒陽(yáng)凹陷凹邊低凸起孫虎潛山構(gòu)建“大山—峰聚”成藏新模式，部署鉆探虎8 井、虎19X 井、虎16X 井獲得成功，發(fā)現(xiàn)了日產(chǎn)超千立方米的高產(chǎn)高效潛山油藏，虎16X 井獲日產(chǎn)1036m3高產(chǎn)油流，虎19X 井日產(chǎn)油945m3，控制儲(chǔ)量561×104t。截至2018 年，冀中坳陷共勘探發(fā)現(xiàn)10 多個(gè)潛山帶、50 余個(gè)潛山油氣藏、15 個(gè)潛山高產(chǎn)油氣藏，實(shí)現(xiàn)了深潛山、潛山坡和潛山內(nèi)幕的潛山勘探的全面新突破。

5 結(jié)論

基于復(fù)雜地表復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的深潛山及潛山內(nèi)幕三維地震采集關(guān)鍵技術(shù)，可以有效解決以往冀中坳陷深潛山及內(nèi)幕資料品質(zhì)難以滿(mǎn)足地質(zhì)需求的問(wèn)題，深層資料品質(zhì)得到質(zhì)的改善，值得在東部復(fù)雜地表復(fù)雜目標(biāo)勘探中推廣應(yīng)用。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，地表及近地表附著物更加復(fù)雜多樣，對(duì)地震作業(yè)施工的安全要求會(huì)越來(lái)越高，以可控震源作為激發(fā)源的綠色勘探技術(shù)終將取代炸藥震源，全面迎接綠色勘探時(shí)代的到來(lái)。隨著勘探開(kāi)發(fā)的日益深入，地質(zhì)家的地質(zhì)目標(biāo)規(guī)模日益變小，必然對(duì)物探的需求日益精細(xì)精準(zhǔn)，所以基于復(fù)雜地表復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的深潛山及潛山內(nèi)幕三維地震采集關(guān)鍵技術(shù)需要不斷地持續(xù)深化攻關(guān)完善，以適應(yīng)新形勢(shì)、新任務(wù)。

目前正在試驗(yàn)攻關(guān)應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)儀器采集技術(shù)，是在復(fù)雜地表區(qū)推廣應(yīng)用高密度地震勘探技術(shù)的關(guān)鍵，也是未來(lái)采集的發(fā)展方向之一。