地震信噪比照明分析研究及應用

殷厚成,彭代平,鄭 軍

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103;2.中石化石油工程地球物理有限公司南方分公司,四川成都610041)

應用反射地震方法獲取地下地質結構及儲層含油氣特征是油氣勘探過程中最重要的手段之一,包括地震采集、地震資料處理和地震解釋3個子過程。但是,對地下地質結構的客觀觀測和對儲層的預測描述受諸多因素影響,概括為4個方面:①近地表結構對地震波傳播的影響,復雜近地表結構導致了波場的復雜性,降低了地震采集資料的信噪比[1-2];②有限的經(jīng)濟投入導致觀測系統(tǒng)布設的非充分性及采集數(shù)據(jù)體非完整性;③低信噪比資料條件下,地下構造的復雜程度對地震速度估計與偏移成像精度的影響[2];④儲層及儲層含油氣性的變化對油氣預測準確度的影響。這些影響,很大程度上源自地震采集工作,尤其是地震采集觀測系統(tǒng)設計研究,一方面,相對于地震資料處理和解釋,地震采集具有成本高和不可重復的特點;另一方面,觀測系統(tǒng)設計與優(yōu)化的目標是針對地震地質條件的復雜性,獲得消除或改善這些影響的條件與潛力,并有效降低地震采集成本,提高地震采集資料品質;高品質的野外地震資料是地震資料處理和解釋的基礎。

基于模型的地震照明分析是地震采集觀測系統(tǒng)設計中的一項關鍵技術。該技術的發(fā)展總體上經(jīng)歷了從簡單二維水平層狀介質模型到非均勻全三維模型;由簡單射線、高斯射線束到單程波方程、全波動方程模擬;由采用CMP覆蓋次數(shù)、CRP覆蓋次數(shù)描述到照明能量描述等過程。20世紀90年代以前,地震采集觀測系統(tǒng)設計一般基于均勻速度場、水平反射層和對稱地震射線等假設,地震照明采用CMP覆蓋次數(shù)描述;20世紀90年代后期,單程波方程地震照明方法[3-4]、全波方程地震照明方法[5-7]、高斯射線束地震照明方法[8]等被逐步引入地震采集觀測系統(tǒng)設計中,基于非均勻介質全三維模型地震照明技術及基于目的層面元的CDP/CRP覆蓋次數(shù)、照明能量等參數(shù)描述,已成為地震采集觀測系統(tǒng)設計、評價和優(yōu)化的主要方法。對于一個已知的地震地質-物理模型,地震照明為確定的觀測系統(tǒng)提供了對地下地質目標觀測能力的定量評價方法和優(yōu)化依據(jù)。目前,地震照明方法被開發(fā)成為軟件模塊,如中國石化iSeisMountain軟件實現(xiàn)了基于三維模型的目的層向炮檢點照明的功能,為解決觀測系統(tǒng)設計中弱照明問題及設計的優(yōu)化提供了工具和技術支撐。

更多的學者關注地震照明技術在地震采集觀測系統(tǒng)設計中的具體應用:董良國等[9]討論了針對逆掩推覆構造的地震波照明與觀測系統(tǒng)優(yōu)化;朱金平等[10]研究了面向地下給定的目標地質體,通過目的層向地表炮檢點的照明,實現(xiàn)觀測系統(tǒng)設計及優(yōu)化的策略;謝小碧等[11]基于波動理論,給出了針對不同類型照明的計算方法,討論了照明分析方法在地震采集設計中的一些應用;溫書亮等[12]利用高斯射線束地震波正演模擬方法,研究了南海某凹陷深水崎嶇海底區(qū)地震波對地下目的層的激發(fā)照明以及檢波器接收照明能量的分布特征,為地震采集參數(shù)設計提供了依據(jù);趙虎等[13]面向山前帶復雜地表和復雜構造地區(qū),提出了獲得目的層照明能量均勻性最高的炮點組合的方法;肖云飛等[14]采用高斯射線束雙向照明技術,通過獲得不同觀測系統(tǒng)對溶洞體照明的偏移照明能量,優(yōu)選觀測系統(tǒng)參數(shù)。關于地震照明方法適應性的應用研究,單聯(lián)瑜等[15]基于勝利油田典型地質模型,分析了照明陰影區(qū)的形成原因,探討了單程波和雙程波照明的特點和應用范圍。

實際生產應用中發(fā)現(xiàn),采用覆蓋次數(shù)和照明能量等屬性參數(shù)描述觀測系統(tǒng),由于缺少地震地質條件、激發(fā)接收參數(shù)等因素對地震資料品質影響的評價和地震資料處理效果的預見性評估,使得其結果缺乏嚴謹性和可信度,在低信噪比地區(qū)尤為顯著。建立地震照明與地震資料品質及信噪比的量化關系,是地震照明技術發(fā)展需要解決的問題之一。

本文在傳統(tǒng)射線覆蓋次數(shù)和能量照明研究的基礎上,分析了道集信噪比非一致性對地震成像剖面的影響,提出了地震信噪比照明的概念,討論了射線覆蓋次數(shù)、射線束及波動方程能量照明與信噪比照明的量化關系,以及地震信噪比照明在激發(fā)條件評價、觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化等方面的應用。

1 地震信噪比照明

1.1 地震照明分析

照明是利用各種光源照亮工作和生活場所或個別物體的措施。地震照明有別于一般意義的照明,如圖1所示,Shi為震源,D是地震勘探的地質目標體(單元),R為地表檢波器。地震采集可以簡單理解為由震源Shi向目標體D發(fā)射一束地震波,經(jīng)目標體D反射后返回到地表,由檢波器R接收,得到對應的地震記錄。對于震源Shi,地震照明是指地表檢波器系統(tǒng)R(R1,R2,…,Rn)獲得目標體D的地震反射信息能力的度量,通常用地表檢波器系統(tǒng)R(R1,R2,…,Rn)接收的覆蓋次數(shù)或能量描述。地震照明有一定范圍,如圖1中震源點Sh1,地表檢波器R3,R4,R5,…,Rn能獲得目標體D的反射信息,稱其為有效照明,而檢波器R1、R2不能獲得目標體D的反射信息,稱其為弱照明。除震源的能量及波在介質中傳播的衰減之外,影響地震照明的因素還主要包括:①震源點-接收點(炮檢對)與地質目標體的空間相對關系;②地質目標體與上覆地層的空間產狀。這兩個因素是地震照明研究中的重點,因此,對于同一個地質目標體,不同的炮檢對存在不同的地震照明。

理論上,D可被分為更小的單元即反射面元,如圖1中的d1,d2,d3,…,dn等,在地震采集觀測系統(tǒng)設計中,對面元照明的描述包括CMP覆蓋次數(shù)、CRP覆蓋次數(shù)和面元的照明能量(強度)等,而面元所有炮檢對的覆蓋次數(shù)或照明能量是觀測系統(tǒng)設計和優(yōu)化的重要參數(shù)之一。

圖1 地震照明示意

CMP和CRP覆蓋次數(shù)對應于簡單的射線照明,面元的照明能量對應于高斯射線束和波動方程照明。從照明的一般意義理解,覆蓋次數(shù)是指地震波照射到目標體的次數(shù)多少,照明能量是地震波照射目標體的強度大小。

假設I為地震照明能量,A為面元大小,F為有效照射次數(shù)(能被接收到為1,反之為0),L為單位面積地震波的能量通量,m為覆蓋次數(shù),則有:

(1)

從公式(1)可以看出,覆蓋次數(shù)可以狹義地理解為以面元大小為單位、單位面積能量通量為1的照明能量。

1.2 地震照明中的信噪比問題

在實際地震資料采集中,檢波點除了接收來自目標地質體D的反射信息Si外,還會接收到來自淺表層的、且與震源點Shi相關的噪聲N(圖1),這是地震勘探基礎性的問題即信號與噪聲的問題。

以射線地震照明為例,討論觀測系統(tǒng)設計中覆蓋次數(shù)、剖面信噪比與單炮信噪比的關系。最理想的情況,假設信號S穩(wěn)定不變,同相疊加,疊加后的振幅為mS,m為覆蓋次數(shù),對于平穩(wěn)的隨機噪聲,疊加后的振幅為m1/2N,N為原始噪聲,疊加后的信噪比以dB表示為:

(2)

(2)式右端第一項是原始資料的信噪比分貝數(shù),第二項是疊加后信噪比提高的分貝數(shù)。覆蓋次數(shù)m與成像剖面信噪比(S/N)p、原始道集信噪比(S/N)sg存在如下關系:

(3)

地震資料經(jīng)過去噪、地表一致性振幅補償和自動增益處理后,道集中炮檢對的信號S穩(wěn)定不變,信噪比的變化是信號S振幅的變化,疊加后道集的振幅為mSa,其中,Sa為疊加后道集的平均振幅,噪聲為平穩(wěn)的隨機噪聲,噪聲振幅為m1/2N,疊加后道集的信噪比以dB表示為:

(4)

定義K=S/Sa,則有:

(5)

用去噪后與去噪前道集信噪比的比值表述K時,表示地震資料去噪處理的能力。(5)式右端第3項表示去噪處理后成像剖面信噪比提高的分貝數(shù)。地震剖面信噪比一方面取決于單炮信噪比、有效覆蓋次數(shù),另一方面取決于地震資料去噪處理的能力,觀測系統(tǒng)設計應滿足針對性去噪處理的條件。從地震資料處理的角度出發(fā),觀測系統(tǒng)的理論覆蓋次數(shù)與剖面信噪比、去噪前道集的信噪比(S/N)ds存在如下關系:

(6)

K越大,去噪的效果越理想,需要的理論覆蓋次數(shù)越小。

K也可以理解為地震激發(fā)優(yōu)化(K1)、組合接收優(yōu)化(K2)和去噪處理能力(K3)的乘積,即K=K1K2K3,由(5)式可得:

(7)

從(5)式和(7)式可以看出,對于已知的區(qū)域和擬定的觀測系統(tǒng)即一定的單炮資料信噪比和確定的覆蓋次數(shù),理論上,道集信噪比提升1倍對成像剖面信噪比的影響大于覆蓋次數(shù)增加1倍的影響,優(yōu)化激發(fā)接收參數(shù)和針對性去噪處理技術流程,無疑是提高最終地震剖面信噪比最有效和最經(jīng)濟的方法。

在相同的激發(fā)和接收條件下,共炮點或共檢波點道集之間及道集中不同炮檢對的信噪比與K的變化,反映近地表結構及巖性的橫向變化。淺表層巖性和速度橫向變化越大,道集間及道集中炮檢對的信噪比差異就越顯著,K的變化就越大。因此,K是激發(fā)和接收條件與參數(shù)的評價指標。

從(5)式和(7)式還可以看出,以往的地震采集觀測系統(tǒng)設計,應用覆蓋次數(shù)或能量照明等方法,缺乏關于單炮信噪比、激發(fā)接收條件以及地震資料處理能力等因素對成像剖面影響的分析研究,這應是地震照明技術需要完善的內容。

1.3 地震信噪比照明概念與廣義地震照明

地震記錄或道集可分解為兩個部分,即有效的反射信號S與各類噪聲N,i為道集中炮檢對號,假設地震資料信噪比為Sn,基于公式(1)有:

(8)

(9)

對道集的有效反射或噪聲進行歸一化處理,不改變道集的信噪比。不失一般性假設,歸一化處理后的噪聲N能量相等且等于1,以面元大小為單位的疊加后道集的噪聲能量為:

(10)

有效反射能量為:

(11)

(12)

S=m×Sna

(13)

式中:Sna為疊加道集的平均有效反射能量。道集疊加后的信噪比為:

(14)

從(1)式、(2)式、(3)式、(14)式及上述討論可以看出,基于射線理論的觀測系統(tǒng)設計,其覆蓋次數(shù)是假設道集平均信噪比為1的地震信噪比照明;而高斯束和波動方程的能量照明,是假設噪聲為1的地震信噪比照明。

將疊前或疊后道集的信噪比用來評估觀測系統(tǒng)獲得地下目標地質體反射信息的能力定義為地震信噪比照明。由于射線覆蓋次數(shù)、射線束或波動方程能量照明與信噪比照明存在特定的數(shù)學關系,因此可將信噪比照明稱為廣義地震照明。盡管如此,覆蓋次數(shù)、能量照明仍是地震照明的一種定量描述方式,其與信噪比照明都是地震采集觀測系統(tǒng)設計評價中不同的屬性參數(shù),且覆蓋次數(shù)是能量照明和信噪比照明實現(xiàn)的基本條件。地震信噪比照明的優(yōu)勢在于用實際地震資料的信噪比衡量地震采集效果及資料處理能力,彌補了覆蓋次數(shù)和能量照明法存在的不足。

在實際生產中,采用單炮地震記錄去噪后的信噪比代替疊加道集的信噪比,動態(tài)監(jiān)測地震采集質量和評估地震采集效果,有利于采集參數(shù)的實時優(yōu)化。

用道集信噪比的變異系數(shù)γ評價道集信噪比的非一致性,有:

(15)

原始道集信噪比變異系數(shù)的變化,反映了激發(fā)接收條件的非一致性及近地表結構與巖性的變化;地震資料處理后道集信噪比變異系數(shù)的變化,反映了觀測系統(tǒng)具備去噪處理的條件及地震資料處理流程和參數(shù)的有效性;而面元信噪比變異系數(shù)的變化,則反映了觀測系統(tǒng)信噪比屬性的均勻性變化。

綜上所述,信噪比照明的主要參數(shù)包括道集去噪前、后信噪比及其比值K、道集平均信噪比、道集信噪比的變異系數(shù)γ等。

2 實際應用

2.1 激發(fā)效果后評估

大多數(shù)情況下,激發(fā)比接收對單炮資料信噪比影響更大,因此,可以用單炮記錄的平均信噪比進行激發(fā)效果評估。

圖2a和圖2b分別為NJ地區(qū)地質圖與三維地震單炮記錄信噪比分布圖。地震采集的接收參數(shù)為:檢波器Dz10Hz×12,6串2并,沿測線線性組合,組內間距2m。激發(fā)參數(shù)為:三疊系(T)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r地層,激發(fā)井深20m,藥量16kg,單井;下侏羅統(tǒng)(J3)泥巖、中侏羅統(tǒng)(J1)石英砂巖及白堊系(K)砂泥巖地層,井深18m,藥量12kg,單井。炮集信噪比的計算采用目的層時間2000～4500ms帶通(10,15,60,65)濾波后的平均振幅值與低通(10,15)濾波后的平均振幅值之比。炮集信噪比的總體分布與區(qū)域巖性的展布基本一致,灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r與石英砂巖激發(fā)炮集的信噪比相對偏低,泥巖激發(fā)炮集的信噪比相對較高,激發(fā)巖性是影響炮集資料信噪比的主要因素。

2.2 可控震源激發(fā)覆蓋次數(shù)優(yōu)化設計

參照炸藥震源單炮記錄品質的可控震源覆蓋次數(shù)論證是地震信噪比照明應用于觀測系統(tǒng)優(yōu)化設計的一個實例。這里以炸藥震源資料為標準信號。圖3a和圖3b分別給出了西北地區(qū)某三維工區(qū)炸藥震源與可控震源激發(fā)的單炮記錄。圖3中勘探目的層(紅色方框區(qū)域)炸藥震源激發(fā)單炮記錄的相關信噪比為1.16,可控震源激發(fā)單炮記錄的相關信噪比為0.78,K為1.49。高密度三維地震采集中試采用12.5m×12.5m面元,炸藥震源激發(fā),PSDM處理。圖4為過區(qū)域走滑斷層炸藥震源激發(fā)不同覆蓋次數(shù)的三維PSDM試處理剖面。從圖4可以看出,當覆蓋次數(shù)大于264次時,剖面目的層(黃色方框)強反射信噪比改善不明顯;當覆蓋次數(shù)達到396次時,剖面目的層弱反射信噪比有顯著提升。由同一區(qū)域可控震源三維采集試驗結果可知,當覆蓋次數(shù)大于540次時,剖面目的層強反射信噪比改善不明顯;當覆蓋次數(shù)達到900次時,剖面目的層弱反射信噪比有顯著提升。可控震源與炸藥震源理論覆蓋次數(shù)之比為2.05～2.27,接近炸藥震源與可控震源信噪比比值(1.49)的平方(2.22)。實際生產中可控震源覆蓋次數(shù)約為炸藥震源的3倍,取得了較好的勘探效果(圖5)。

圖2 NJ地區(qū)地質圖(a)和三維地震單炮記錄信噪比分布特征(b)

圖3 西北地區(qū)某三維工區(qū)炸藥震源(a)與可控震源(b)激發(fā)的單炮記錄

圖4 過區(qū)域走滑斷層炸藥震源激發(fā)的不同覆蓋次數(shù)的三維PSDM試處理剖面

圖5 可控震源900次覆蓋(a)與炸藥震源294次覆蓋(b)的成像剖面

2.3 在觀測系統(tǒng)評價與優(yōu)化中應用的基本思路

對給定的地質模型和擬定的地震采集觀測系統(tǒng)進行評估與優(yōu)化,采用地震信噪比照明法與能量照明法具有相同的技術流程,區(qū)別在于地震信噪比照明基于疊后道集信噪比一致性原則。限于篇幅,這里只簡單敘述信噪比建模和觀測系統(tǒng)優(yōu)化的技術要點。

信噪比建模是指獲得與地質模型對應的地震單炮記錄去噪處理后的不同巖性的炮檢對-偏移距的信噪比值。選擇去噪后的單炮記錄計算信噪比,體現(xiàn)當前技術條件下地震資料處理的基本能力;選擇炮檢對-偏移距的信噪比,則反映區(qū)域激發(fā)和接收條件的影響。如前所述,激發(fā)比接收對地震資料信噪比的影響更大,因此,可用單炮記錄平均信噪比代替炮檢對-偏移距信噪比。

道集或面元信噪比照明,即按照前文公式和炮檢對-偏移距的信噪比模型,計算去噪前、后道集的信噪比及其比值K、信噪比的變異系數(shù)γ等參數(shù)。

應用于觀測系統(tǒng)優(yōu)化的技術要點為:①根據(jù)理論計算或實際需要,選擇道集信噪比的閾值范圍,例如8～10;②計算擬定觀測系統(tǒng)去噪前、后成像道集的信噪比,統(tǒng)計道間距與K及覆蓋次數(shù)與道集信噪比的變化關系;③觀測系統(tǒng)優(yōu)化。通常,對低信噪比(<8)照明區(qū)域,采用縮小接收道距或加密接收線或炮點的方式,增加去噪后和增加有效覆蓋次數(shù)后剖面信噪比的分貝數(shù),理論上,當K值變化顯著時,采用縮小接收道距的方法,反之,采用增加覆蓋次數(shù)的方法。而高信噪比(>10)地震照明區(qū)域,可采取適當加大激發(fā)線距降低覆蓋次數(shù)或減小激發(fā)井深藥量、降低單炮記錄信噪比等措施,降低地震勘探成本。

3 結束語

1) 道集或剖面的信噪比取決于單炮記錄信噪比、有效覆蓋次數(shù)和地震資料去噪處理后道集信噪比的提高,優(yōu)化激發(fā)接收參數(shù)和針對性去噪處理技術流程,是提高地震剖面信噪比最有效和最經(jīng)濟的方法。

2) 覆蓋次數(shù)、能量及信噪比是觀測系統(tǒng)設計中的3種不同屬性參數(shù)。用實際地震資料的信噪比來衡量地震采集效果及地震資料處理能力,彌補了覆蓋次數(shù)和能量照明法在這一方面存在的不足。

3) 對給定的地質模型和擬定的觀測系統(tǒng)進行評估與優(yōu)化,地震信噪比照明法與能量照明法具有相同技術流程,地震信噪比照明基于疊后道集信噪比一致性準則,有別于覆蓋次數(shù)和能量照明。

4) 地震信噪比照明可用于激發(fā)接收條件評價及觀測系統(tǒng)設計參數(shù)優(yōu)化等,在實際應用中取得了一定效果。

將地震信噪比照明技術應用于動態(tài)監(jiān)測地震采集質量、評估去噪處理的有效性和地震采集效果等方面,還需要進一步研究和完善。

致謝:本文在撰寫過程中得到了中國石化首席專家王延光先生的指導和幫助,在此表示衷心感謝！