廣角地震反射在四川盆地超深儲層勘探中的應(yīng)用

楊智超 張 孟 敬龍江 胡 峰 王雪梅 周曉冀 張 鵬 劉 偉

中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司西南物探分公司

0 引言

地震波激發(fā)后，經(jīng)過長距離傳播，能量和高頻信息會被地層吸收衰減，同時，當?shù)馗勾嬖诟咚倨帘螌訒r，高速層對地震波向下傳播及深部地層反射信息向上傳播都起到屏蔽作用，使得深部地層的反射信息難以獲取，如果深部目的層波阻抗差值或反射系數(shù)較小，則地震反射波能量較弱，再加之噪聲的干擾，導致深部地層有效反射信息難以識別。研究發(fā)現(xiàn)[1-7]，隨著偏移距的不斷增大，當?shù)卣鸩ǖ娜肷浣谴笥谂R界角時，會收到一些特殊的波——廣角反射波，也叫超臨界角反射波。地球物理學家們研究通過接收超臨界角反射波并處理成像，來提高深層反射能量，從而提高地震資料品質(zhì)。近年，國內(nèi)在塔里木盆地利用廣角反射獲得的古生界尤其震旦－奧陶系資料，波組特征明顯、斷裂特征清晰，窄陡構(gòu)造內(nèi)部成像 有明顯改善，斷裂帶內(nèi)和構(gòu)造帶軸部中深層反射信噪比有較大提高。在鄂爾多斯盆利用廣角反射信息，處理剖面的主要目的層的能量、信噪比、連續(xù)性得到明顯改善。四川盆地震旦－寒武系儲層油氣資源豐富，屢屢獲得高產(chǎn)天然氣井，但是，該儲層埋藏深度一般在6 000 m以上，儲層與圍巖間的波阻抗差異小，反射系數(shù)小，常規(guī)地震勘探獲得地資料反射能量弱，資料信噪比低，為了能提高四川盆地震旦－寒武系等超深層油氣的勘探精度，筆者利用廣角反射對震旦－寒武系儲層勘探進行了探討，對震旦－寒武系儲層廣角反射的特征有了清楚的認識，同時也獲得高品廣角反射資料。

1 廣角反射原理

根據(jù)彈性波動力學的有關(guān)理論,當一個波入射到兩種介質(zhì)分界面上時,可能產(chǎn)生兩種反射波和兩種透射波。設(shè)界面兩側(cè)的縱橫波速度和密度分別為vP1、vS1、ρ1和vP2、vS2、ρ2，入射角為 α ，則所產(chǎn)生波的傳播方向和能量分配由 Snell 定律和 Zoeppritz 方程給出：

式中RPP、RPS、TPP和TPS分別表示反射 P 波、反射SV波、透射 P 波和透射SV波的反射（透射）系數(shù)；α、β、α′、β′分別為以上4個波的反射（透射）角。當vP1＜vP2,且入射角α＞arcsin[vP1/vP2]時，產(chǎn)生廣角反射。

經(jīng)過前人幾十年的研究，經(jīng)過理論公式推導和模型正演，形對廣角反射波的波場特征和傳播動力學特征有了較清楚認識。廣角反射產(chǎn)生的條件是，下覆地層層速度v2要大于上覆地層層速度v1，上下層速度比值越大，引起超臨界角反射的入射角越小，入射角越小，產(chǎn)生超臨界角反射的最大炮檢距也就越小。研究證實[8-12]，廣角反射與正常反射的波組特征相比具有以下特點：①超臨界反射的能量是一般反射能量的幾倍到幾十倍，因而能在遠排列接收到臨界角反射；②超臨界角反射同相軸為非雙曲線，其相位相對一般反射將發(fā)生變化；③超臨界角反射的頻率偏低。由于廣角反射具有與一般常規(guī)地震勘探不一樣得特點，因此，在資料采集中，要獲得有效的、高品質(zhì)的原始資料，就需要不一樣的觀測參數(shù)和采集參數(shù)。在廣角反射資料處理中，對相位、振幅和頻率的一致性校正技術(shù)，對大偏移距資料動校正技術(shù)，以及遠近偏移距資料成像技術(shù)也有著更高的要求。

2 應(yīng)用實例

2.1 工區(qū)概況

試驗區(qū)位于四川盆地西部和中部地區(qū)（圖1中藍線是試驗線），工區(qū)地表屬丘陵低山地貌，地勢平緩，海拔主要介于250～700 m，地表地層出露侏羅紀和白堊紀地層，局部被第四系礫石層覆蓋，地震地質(zhì)條件較好。地覆構(gòu)造簡單，地腹構(gòu)造為平緩構(gòu)造，主要目的層震旦系地層埋深在6 000 m以上，面臨的主要問題是目的層埋深大，反射能量弱，資料頻率低，易受干擾波影響，難以保證信噪比。如何設(shè)計合理的觀測參數(shù)、野外施工如何做才能保證獲得高品質(zhì)廣角反射資料，難度極大[13-15]。

圖1 試驗線位置示意圖

2.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

廣角反射波只在臨界角范圍外出現(xiàn)，因此排列長度設(shè)計的合理性將直接決定是否能接收到廣角反射信息，而排列長度的設(shè)計的重點將會聚焦在尋找臨界角的位置，從而得出能接收到廣角反射的偏移距范圍。實際操作中，可以利用斯奈爾定律計算出接收廣角反射所需偏移距。偏移距分析步驟如下：①調(diào)查探區(qū)地質(zhì)條件，結(jié)合目標探區(qū)過往資料，研究探區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，建立探區(qū)地下地層模型；②根據(jù)廣角反射的形成條件，結(jié)合探區(qū)地下地層信息，合理選擇激發(fā)、接收排列的布設(shè)方式，計算出能獲取廣角反射信息的理論炮檢距離；③利用正演計算所得的理論值設(shè)計探區(qū)的大偏移距觀測系統(tǒng)，通過對模型的正演實驗確定能獲取廣角反射信息的偏移距范圍；④綜合分析探區(qū)勘探目標、地質(zhì)信息及經(jīng)濟指標，確定最后的觀測系統(tǒng)設(shè)計方案。

圖2 燈三段地震反射系數(shù)隨偏移距和入射角變化圖

圖2是利用Zoeppritz 方程計算的地震反射系數(shù)隨偏移距或入射角的變化曲線圖，得到超深目的層震旦系燈三段的反射系數(shù)曲線。結(jié)果表明，燈三段反射在入射角達到50 左右，偏移距10 km左右時，反射系數(shù)會快速增大，即產(chǎn)生廣角反射。

通過構(gòu)建高精度地質(zhì)模型，利用波動方程正演，可以更清晰反映廣角反射信息隨炮檢距增加，能量、相位的變化情況，更準確獲得滿足廣角勘探所需的最小偏移距。圖3是通過波動方程正演的川中試驗區(qū)資料，主要正演了須家河底界、陽新統(tǒng)底界、震旦系燈三組底界3套地層的地震波場情況，圖3中上圖是正演的炮集資料，在偏移距10 km后可以清楚看到反射能量由強變?nèi)?，再由弱變強的轉(zhuǎn)變過程，圖3下圖是上圖的局部放大，可以清楚地看到各地層反射的相位變化過程，由波谷 波峰 波谷的相位，逐漸變化成波峰 波谷 波峰（圖中藍色代表波谷，紅色代表波峰，即反射波由藍 紅 藍，變成紅 藍 紅）。在大偏移距位置，反射能量的由弱變強，表明了地層反射系數(shù)的變大，即出現(xiàn)廣角反射。

圖3 基于模型的彈性波正演單炮剖面圖

針對四川盆地川中地區(qū)的超深層寒武系及以下的震旦系，根據(jù)參數(shù)論證結(jié)果（偏移距大于10 km），同時考慮廣角反射資料成像的需要，確定野外采集中的最大偏移距采用16 km。

2.3 廣角反射資料采集

四川盆地川中地區(qū)的寒武系及震旦系埋藏深，其波阻抗界面也不明顯，屬于弱反射，再加之超大的偏移距，意味著地震波要經(jīng)過超長的傳播距離。同時，四川盆地人口密集，環(huán)境噪音強，要獲得高品質(zhì)的超深地層的廣角反射信息，難度遠遠超過常規(guī)地震勘探。在采集施工中，首先要保證激發(fā)的效果，既要保證能量充足，還要保證激發(fā)頻率盡可能的高。針對砂泥薄互層的地表，根據(jù)地震波激發(fā)能量、頻率、衰減情況，結(jié)合高精度的近地表調(diào)查結(jié)果和錄井資料，優(yōu)選激發(fā)巖性和激發(fā)井深的技術(shù)，確保了目的層能量和頻率。接收環(huán)節(jié)方面，利用遙感信息中的坡度、濕度、植被發(fā)育程度等信息，優(yōu)選接收物理點，在檢波器埋置過程中實行精確化、程序化控制，即針對不同地表條件，制定不同的埋置流程和方法，如森林區(qū)，進行挖坑去腐殖層及根系后埋置（15 cm邊長的方形坑，坑深20 cm ）。巖層裸露區(qū)，按照電鉆打孔 填土 插緊夯實的流程進行埋置。硬化地面區(qū)采用平底檢波器埋置精細施工技術(shù)，水田區(qū)采用挖淤泥 圍坑 硬底埋置技術(shù)。針對強的人為干擾，對干擾源提前摸排，分級、分類控制，實時動態(tài)監(jiān)控。將干擾源分為可完全協(xié)商關(guān)停、部分協(xié)商關(guān)停、不可協(xié)商關(guān)停3類。針對可完全協(xié)商關(guān)停的干擾源進行聯(lián)系關(guān)停，針對部分協(xié)商關(guān)停和不可協(xié)商關(guān)停的干擾源，提前干擾調(diào)查，掌握干擾范圍、頻率、強弱變化情況，以便有目的性的開展降低干擾協(xié)調(diào)工作。同時，在采集實施過程中，實時動態(tài)監(jiān)控干擾情況，根據(jù)干擾的強弱活動規(guī)律，找到其干擾最低的值和時間段，設(shè)定允許采集施工的干擾最高門檻值，確定最佳施工時間。對采集的資料，利用自動分析質(zhì)量監(jiān)控軟件，實時精確評判資料的能量、頻率、干擾和信噪比情況。這些技術(shù)，有效保證了采集資料的質(zhì)量。圖4是采集的廣角反射原始記錄，獲得了較清晰的廣角反射有效波信息。

2.4 廣角反射資料處理

圖4 川中地區(qū)廣角反射原始單炮記錄圖

廣角反射波發(fā)育區(qū)波場比常規(guī)地震勘探復雜得多，折射波與廣角波互相干涉、上覆地層反射波與下方地層反射波互相重疊。同時，廣角波處在反射系數(shù)振幅、相位劇烈變化區(qū)域，隨著地層的變化同一界面不同位置的臨界角還會變化，情況愈加復雜，地震振幅不能代表地下反射系數(shù)，地震勘探多次覆蓋的方法失效。廣角反射資料處理主要面對3個難題：①如何有效分離出有效反射，并保證其能量和頻率；②如何減小大偏移距資料在動效正過程中拉伸畸變的影響；③如何校正廣角反射的相位，保證其成像。

針對區(qū)內(nèi)不同類型的噪聲的去除，遵循 循序漸進、逐步去噪、分頻去噪、多域去噪 原則。采用F-k域、F-x域噪聲壓制，異常振幅壓制等多種去噪技術(shù)方法，并把它們有機地結(jié)合起來。從圖5中可以看到，通過精細的噪聲壓制，干擾波得到了有效衰減，突出了有效信息，噪聲壓制效果明顯。

由于廣角反射不具有雙曲線特征，利用常規(guī)校正方法，動校正效果會比較差（圖6）。采用4次高階動校正+各向異性動校正后，對于淺中深的地層的大偏移距資料，都能較好的校平（圖7），通過對校正后的道集資料分析，在四川盆地川中地區(qū)，入射角50 以外的反射信息，可以判斷為廣角反射信息。

圖8是采用了各項異性+4次高階動校正后全偏移距（入射角0～60 ）疊加剖面，寒底反射層附近弱反射同相軸能量得到的一定幅度的提升。圖9是經(jīng)過各項異性+4次高階動校正處理的入射角0～40 小偏移距資料疊加剖面。明顯可見入射角0～40 小偏移距資料成像效果優(yōu)于全偏移距成像效果，淺、中、深層成像無論信噪比還是分辨率均有所降低，波組特征還存在一定差異。造成這種現(xiàn)象的原因就是因為廣角反射的相位變化所導致。圖10是入射角40 ～60 大偏移的廣角反射疊加剖面，廣角反射的同相軸較連續(xù)，信噪比較高，但是與小偏移距正常反射波剖面相比，成像效果還不夠理想，并且二者間還存在波組特征差異。

圖5 單炮去噪前后對比剖面圖

圖6 常規(guī)動校正與各項+4次高階動校正道集對比圖

圖7 各項異性+4次高階動校正疊加剖面（0～60 ）

圖9 各項異性+4次高階動校正疊加剖面（40 ～60 ）

3 結(jié)論

1）在四川盆地寒武系、震旦系超深地層，可以獲得較好廣角反射資料。但是偏移距應(yīng)該足夠大，20 km左右，且要保證廣角反射有足夠的覆蓋次數(shù)。

2）廣角反射的偏移距大，受球面擴散和地層衰減的影響嚴重，在采集中應(yīng)考慮更大激發(fā)能量，保證檢波器埋置質(zhì)量，控制好外界干擾的影響以獲得激發(fā)效果。

3）廣角反射資料的去噪處理和動校正是影響成像的關(guān)鍵技術(shù)。通過循序漸進的逐步去噪、分頻去噪、多域去噪，可以得到高信噪比資料，利用各項異性+4次高階動校正方法可以較好解決動校正問題。

4）由于廣角反射與正常地震反射波之間，存在相位變化，并且相位隨入射角的變化逐漸變化，如要讓二者有機疊加在一起，還需要進行精細的相位校正。目前，國內(nèi)外還沒有較好的解決辦法，還需進行深入的處理攻關(guān)研究。