單點地震采集優(yōu)勢與應用

趙邦六 董世泰 曾 忠 梁 奇

（1中國石油勘探與生產(chǎn)分公司； 2 中國石油勘探開發(fā)研究院）

0 引言

單點高密度地震采集是野外采用單點檢波器接收、高空間采樣密度觀測的一種地震勘探方式。該技術包含兩個關鍵點，一是野外接收檢波器，二是高密度采集觀測系統(tǒng)，其發(fā)展有較長的歷史。1973年Newman和Mahoney首次提出單點接收思路，并分析了檢波器組合存在一定誤差[1]，激發(fā)和檢波器組合接收存在的信號誤差引起了人們普遍關注，如何消除采集帶來的信號誤差，成為地球物理技術發(fā)展關注的方向。1987年，Ongkiehong 和 Huizer系統(tǒng)分析了記錄信號中噪聲類型及不同觀測方式對記錄到的信號和噪聲影響[2]。1988年，Burger提出了單點接收通過處理改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的思路，Ongkiehong進一步闡述了通過單點采集來改善地震數(shù)據(jù)[3]。Burger等(1998)研究證明，采用單點檢波器接收時，高頻信號只出現(xiàn)在噪聲主頻范圍之外，而組合接收時，部分高頻信號出現(xiàn)在噪聲主頻范圍內(nèi)；如果在野外進行質(zhì)量控制，并對每個檢波器的數(shù)據(jù)進行預處理，記錄的質(zhì)量會大大提高[4]。研究和試驗進一步說明，點震源激發(fā)和點接收是兩個互補的過程。

隨著萬道地震儀和高性能檢波器的發(fā)展，單點高密度地震數(shù)據(jù)采集成為可能。2000年，Biro和 Orban系統(tǒng)介紹了用于單點采集的SN408輕便型萬道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析了單點采集是地震勘探技術發(fā)展方向[5]、輕便野外采集系統(tǒng)能夠帶來成本和質(zhì)量效益、實時無線單點地震采集系統(tǒng)帶來低環(huán)境傷害優(yōu)勢[6]，推動單點地震采集技術迅速發(fā)展。西方地球物理公司在2001年推出了Q-Land[7]和Q-Marine技術，在野外采用單點檢波器記錄，對信號和噪聲充分采樣，通過室內(nèi)數(shù)字組合提高信噪比[8]；CGG公司推出了Eye-D技術，采用單點高密度觀測，提高油藏描述精度；I/O公司于2001年推出正交三分量MEMS數(shù)字檢波器Vectorseis系統(tǒng)。此后，英國Vibtech公司的IT系統(tǒng)、美國Wireless公司的RT3系統(tǒng)、美國Fairfield公司的Z-land系統(tǒng)、美國Geospace公司的GSR系統(tǒng)、法國CGG公司的Unite系統(tǒng)和508系統(tǒng)、中美合資英諾瓦公司的G3i和HAWK等均具備單點高密度采集的能力。

地震儀器技術進步推動了單點高密度技術的普及推廣。在阿曼、科威特、沙特阿拉伯、阿拉伯聯(lián)合酋長國、阿爾及利亞、尼日爾、尼日利亞等沙漠、草原平坦地區(qū)開展了大量應用，地震資料信噪比大幅度提升，地震頻帶明顯拓寬。

中國大約在2000年以后開始單點高密度地震采集試驗，在野外信噪比較高的平原地區(qū)取得了較好的效果，但是，在信噪比相對較低的地區(qū)、近地表低降速帶較厚的地區(qū)，由于單點接收原始單炮能量弱、信噪比低，使單點地震采集技術應用存在較大爭議。

本文剖析了檢波器發(fā)展歷程，分析了單點和組合接收的優(yōu)劣勢，通過國內(nèi)大量實踐研究，認為提高信噪比的先決條件是解決好近地表問題，推廣單點高密度地震采集技術的條件已經(jīng)成熟，單點高密度地震采集技術應用是推動全波地震勘探技術發(fā)展的關鍵；提出了優(yōu)選檢波器、優(yōu)化野外檢波器埋置、推廣單點地震采集技術等建議。

1 地震檢波器發(fā)展歷程

地震檢波器是地震勘探過程中將地下振動信號轉變?yōu)殡娦盘柕牟▌觽鞲衅?，是采集地下振動信號的核心關鍵設備。

20世紀70年代前后，地震檢波器為磁電式電動檢波器，將地下振動信號轉變?yōu)槟M電信號，通過電纜直接傳輸?shù)侥M光點地震儀器，以模擬信號的形式記錄下來，頻帶較窄（14～60Hz）、靈敏度低[3～5V/(m·s-1)]、動態(tài)范圍?。?0dB），受技術條件限制，檢波器型號相對單一。

20世紀80年代初期，地震儀器實現(xiàn)了數(shù)字化，而后地震檢波器在性能及型號上發(fā)生了較大的變化，較高性能的20DX、SM4、SN4、SJ-2等檢波器相繼出現(xiàn)，靈敏度[21.1V/(m·s-1)]、自然頻率（10Hz）、失真系數(shù)（小于或等于0.2）、頻帶（8～120Hz）、動態(tài)范圍（70dB）等技術指標都得到較大改進，精度更高。但該階段國內(nèi)檢波器生產(chǎn)能力水平較低。80年代末期至90年代，國內(nèi)部分地震檢波器生產(chǎn)廠家引進了國外的檢波器生產(chǎn)線，如徐水儀器廠、西安石油儀器廠，經(jīng)過消化吸收，分別生產(chǎn)20DX、SN4 檢波器，技術水平達到了當時國際水平。

20世紀90年代中后期，為滿足高精度地震勘探的需要，地震檢波器向三高（高保真、高靈敏度、高分辨率）方向發(fā)展，檢波器的型號及品種越來越多，出現(xiàn)不同型號超級檢波器、渦流檢波器、高性能壓電檢波器，失真系數(shù)（小于或等于0.1）、頻帶（5～160Hz）等指標進一步改進。由于認識的誤區(qū)，還一度出現(xiàn)自然頻率為14Hz、28Hz、40Hz等所謂高頻模擬檢波器。

進入21世紀，隨著傳感器、電子、計算機、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g發(fā)展，光纖傳感、微電子機械傳感、高性能壓電材料、電容傳感等一批高新技術進入地震勘探檢波器研發(fā)應用領域，相繼出現(xiàn)了精度更高的檢波器，在地震檢波器本體內(nèi)全面實現(xiàn)數(shù)字化，如CGG公司的DSU數(shù)字地震單元、I/O公司的Vectorseis數(shù)字檢波器，減少了信號的模擬傳輸，檢波器的動態(tài)范圍（小于120dB）、靈敏度[大于80V/(m·s-1)]、失真系數(shù)（等于零）、頻帶（0～800Hz）等技術指標大幅度提高，抗電磁干擾能力顯著提升。

但數(shù)字檢波器成本過高，數(shù)據(jù)通信又必須與專有地震儀器相匹配，其應用范圍受到限制。因此，模擬檢波器隨之得到發(fā)展空間，向寬頻領域發(fā)展，自然頻率向更低頻率拓展，靈敏度向更高指標邁進，為高分辨率、高精度地震勘探創(chuàng)造了有利條件。2006年后，國內(nèi)外均研制成功了高靈敏度檢波器，如GeoSpace公司的GS-ONE檢波器，靈敏度為85.5V/(m·s-1)，自然頻率為10Hz；CGG公司的GS-5，靈敏度為80V/(m·s-1)，自然頻率為5Hz；國內(nèi)DS系列、SN系列等檢波器，靈敏度為82.5V/(m·s-1)，自然頻率分別為5Hz、10Hz，頻帶為2～160Hz。高靈敏度寬頻檢波器的出現(xiàn)，為單點高密度、高精度地震勘探的規(guī)模實施創(chuàng)造了條件。

2 單點采集與組合采集優(yōu)劣勢

除單個檢波器性能指標影響地震采集資料品質(zhì)外，其接收方式、探區(qū)地表條件也是影響地震資料品質(zhì)的關鍵因素。檢波器性能和地表條件在一定時期內(nèi)無法改變，但檢波器接收方式可以隨時改變，直接影響地震采集效果，所以本文對接收方式進行重點分析。

2.1 組合采集優(yōu)劣勢

野外組合采集是指使用通過串并聯(lián)方式將單個檢波器組成檢波器串，采用一串或多串按一定圖形擺放插置地表后作為一道地震信號接收，形成地震信號的接收陣列（圖1）。組合采集主要目的是壓制野外規(guī)則干擾及隨機干擾，其組合效果與檢波器性能及其與地面耦合條件、組合方式、組合參數(shù)和構建的組合效應有關。組合方式是指在每個地震道中，按一定形式和間隔將多個檢波器連接在一起接收地震波的樣式，包括沿測線方向以地震道樁號為中心對稱布置的線形組合、面積組合或花式組合等。

圖1 單點接收與檢波器組合接收示意圖Fig.1 Schematic diagram of single geophone and geophone array receiving

當?shù)乇泶嬖谄鸱鼤r，組合特征函數(shù)h(f)為

式中f——頻率；

ω——圓頻率；

i——檢波器組合個數(shù)；it

?——時差。

因此，組合采集的優(yōu)勢是：①壓制規(guī)則干擾和隨機干擾，具有低通濾波作用，提高了資料的信噪比；②降低環(huán)境噪聲影響,極大地擴大了動態(tài)范圍,有利于弱信號記錄。

地震信號通過檢波器組合接收后，頻率、相位、振幅都會發(fā)生相應的變化。因此，組合采集的劣勢是：①損失了有效波的高頻成分，使地震有效波的頻帶寬度變窄，資料分辨率整體降低[9]。②組內(nèi)每個檢波器接收信號時存在高程高差影響，使每個檢波器之間存在時差，導致通放帶變窄；且由于高程的無規(guī)律性，也無法做到點點測量，引起通放帶與壓制帶的頻率特征函數(shù)不規(guī)則。③引起地震信號相位、振幅變化，地震波信號的保真度降低。④由于野外地表情況的復雜性，檢波器組合不能完全按理論圖形布設，造成野外實際物理點位不準。⑤野外施工埋置檢波器工作量增大、勞動強度大、施工效率低，設備占用率和使用成本高，檢波器耦合質(zhì)量也難以保證（圖2a）。

2.2 單點采集優(yōu)劣勢

單點采集顧名思義就是在每個物理接收點（一個地震道）只布設一個檢波器，以單點方式接收地震信號（稱為單點接收）（圖1、圖2b），檢波器分為模擬和數(shù)字兩種。

圖2 檢波器組合接收（a）與單點接收（b）野外效果圖Fig.2 Field operation of single geophone (a) and geophone array (b) receiving

2.2.1 單點采集優(yōu)勢

(1)提高地震信號的保真度。①單點接收對地震信號和干擾噪聲充分采樣，對信號和噪聲無壓制作用，避免了全工區(qū)因采用固定組合模式壓制隨地變化的干擾噪聲，將壓制噪聲的環(huán)節(jié)后移到資料處理中心室內(nèi)來完成，使野外采集的資料忠實于原始面貌，不損失信號頻率、相位、振幅特性，具有野外原始資料保真的優(yōu)勢。②在起伏地表區(qū)，地震波到達每個檢波器的時間存在差異，組合后改變了地震波形特征，如圖3組合輸出記錄所示。單個檢波器接收消除了由于地形高差變化或近地表速度變化所造成的旅行時差異，克服了檢波器組合時組內(nèi)地震道疊加所造成的地震信號畸變、地震屬性失真[10]，如圖3單點輸出記錄所示。③單點接收檢波器不存在組合時組內(nèi)的系統(tǒng)誤差，而組合接收每個檢波器具有不同的靈敏度、自然頻率誤差，檢波器之間的誤差一般超過±2%。④單點接收初至波拾取準確，避免靜校正誤差，消除了原組合接收方式下的地震道野外時間誤差，有利于野外靜校正精度提高。工區(qū)一般均存在近地表問題，組合接收產(chǎn)生的靜校正問題室內(nèi)資料處理無法糾正。⑤單點接收有利于噪聲識別與壓制。單點接收針對信號和噪聲無壓制作用，一是實現(xiàn)了全波采樣，二是與波數(shù)響應相對應的時間和頻率可被充分采樣，將基本采樣定律擴展到了空間域，恰當?shù)膯吸c接收道距能消除假頻噪聲，有利于室內(nèi)識別規(guī)則干擾和壓制規(guī)則噪聲，提高室內(nèi)資料信噪比。⑥單點接收到的信號是獨立的，能夠校正由于虛假振幅變化和沿組合方向靜校正差所造成的影響[11-12]。

圖3 起伏地表組合接收示意圖（a）與組合接收和單點接收輸出波形示意圖（b）Fig.3 Schematic diagram of geophone array receiving on rugged ground (a) and comparison of output waveform of geophone array and single geophone receiving (b)

（2）有利于野外質(zhì)量控制。在地形復雜地段，單點接收很容易選擇檢波器的埋置點，特別是在地形起伏大或地面植被茂密區(qū)，單點接收不會帶來因組合接收造成的地面耦合不一致的情況。每個地震道只有一個檢波器，野外從地震儀器上很快能判斷檢波器的耦合狀態(tài)，避免組合接收時某一個或幾個檢波器出現(xiàn)耦合或其他性能問題時不易發(fā)現(xiàn)的難題。地震儀器在檢測組合檢波器串時檢測的是綜合效應，單個檢波器性能指標檢測難以實現(xiàn)，除非是單點接收。單點檢波器容易布設，耦合情況能夠一目了然地檢測到，可以有效控制野外檢波器埋置質(zhì)量。

（3）有利于降低野外采集成本。單點接收所用單個檢波器重量和體積是組合接收的十幾分之一至幾十分之一，可極大地節(jié)約運載設備的投入，除降低野外員工勞動強度外，有利于野外生產(chǎn)組織和作業(yè)效率提高，降低野外勞動力投入，很好地控制高密度地震采集條件下的野外施工成本。

（4）有利于提高空間分辨率。根據(jù)地震采集面元與假頻的計算公式，在均方根速度和偏移孔徑角度給定的情況下，面元尺寸與最大頻率（假頻點）成反比，面元尺寸縮小一倍，則假頻點擴大一倍。即小面元使有效地震頻帶展寬，加上單點高密度空間采樣率高，使單點高密度采集比常規(guī)采集更具有提高縱向、橫向分辨率的優(yōu)勢，特別在提高橫向分辨率方面優(yōu)勢更加明顯。

（5）有利于室內(nèi)先進處理技術的應用。實踐證明，檢波器組合不能完全壓制各種類型的噪聲，特別是對規(guī)則干擾壓制，反而傷害了有效信號而無法彌補，而隨著地震處理技術進步，通過處理壓制各類噪聲是有效且成功的做法。單點高密度采集沒有假頻現(xiàn)象，適合基于面波反演的地滾波壓制技術[10]、非規(guī)則相干噪聲壓制技術、五維插值技術等先進去噪技術應用。單點高密度采集覆蓋次數(shù)高[13-14]、方位角信息豐富，適合方位矢量道集域數(shù)據(jù)規(guī)則化技術應用，能夠改善空間振幅一致性；適合分方位處理、全頻帶提高分辨率處理等技術的應用，有利于保護野外采集到的微弱地震波有效信號，最終使地震處理成果質(zhì)量明顯提高。

（6）有利于推動全波地震勘探技術發(fā)展。全波地震勘探要求忠實地記錄完整的大地振動，包括震源噪聲，對目標進行無混疊空間采樣，記錄地下返回的全頻帶頻率。單點檢波器能夠實現(xiàn)高矢量保真度、多分量采集，能精確地保持矢量定向處理的各分量之間的相對振幅，盡可能忠實地保持各向異性，記錄和保存地下返回的方位角變化范圍全頻帶頻率數(shù)據(jù)，是全波地震勘探的基礎，有利于推動全波地震勘探技術發(fā)展。

2.2.2 單點采集劣勢

單點采集單炮記錄與組合采集單炮記錄相比，一是野外記錄信噪比較低，有較強的面波和背景噪聲，在信噪比相對較低的地區(qū)，原始記錄上難以識別到連續(xù)的反射同相軸；二是單點采集對檢波器的性能和埋置要求高，單個檢波器如果工作不正常，會影響整道數(shù)據(jù)；三是需要相對較高的炮道密度，確保提高數(shù)據(jù)處理效果。

3 如何認識原始資料信噪比問題

野外一般存在比有效地震信號能量更強的各類噪聲。理論上講，適當?shù)慕M合可以濾除部分噪聲，所以傳統(tǒng)地震采集常采用炮點或檢波點組合來抑制相干干擾和環(huán)境噪聲，采用這種接收方式已有很長歷史。而實際上，施工時理論設計的組合很難適應野外噪聲變化，且組合中每個檢波器高程變化、耦合的不一致性及組內(nèi)靜校正的誤差卻污染了地震數(shù)據(jù)。組合形式越復雜，地震波場采樣誤差就越大。因此，野外組合不僅使壓制干擾的效果打了折扣，而且?guī)砹说卣鹦盘柕幕儭２皇褂媒M合接收，野外原始記錄信噪比很低，看不到有效地震信號，如何評價記錄質(zhì)量是讀者關心的問題，應當從影響原始資料信噪比的因素入手進行分析。

所謂信噪比是指有效信號振幅或能量與記錄中認定的噪聲振幅或能量的比值，這是地震資料質(zhì)量評價的參考指標。常說信噪比低，是指噪聲干擾強且無法視覺識別出有效地震信號，但這并非是地震記錄中真的沒有有效信號，而是有效信號疊加或隱藏在“干擾波”之中?，F(xiàn)階段地震采集使用的檢波器和數(shù)字地震記錄儀動態(tài)范圍較大（80～120dB），地震反射信號完全可以記錄下來，經(jīng)過室內(nèi)針對性處理技術應用和精細處理，有效信號完全可以被處理出來。

信噪比問題實際上是近地表和環(huán)境引起的問題，地下地層響應影響十分有限，僅在幾個強波阻抗界面產(chǎn)生多次波時才影響有效信號。因此，要提高地震采集資料信噪比，首先應從解決近地表問題入手。眾所周知，野外噪聲具有規(guī)則和非規(guī)則之分，規(guī)則噪聲主要是面波和折射波，非規(guī)則噪聲為環(huán)境噪聲、繞射波、散射波和機械干擾。一般情況下，規(guī)則噪聲較非規(guī)則噪聲能量強，是影響地震信噪比的主要因素，也是研究人員關注和工作的主要對象。規(guī)則干擾是由于近地表低降速帶引起的干擾，而繞射波、散射波是由于地形起伏造成的非規(guī)則噪聲。所以，要解決資料信噪比問題，應從解決近地表問題做起。

提高地震資料信噪比，應首先開展高密度近地表調(diào)查工作，精細剖析低降速帶結構和信號衰減規(guī)律，為室內(nèi)靜校正處理和地震波吸收補償打好基礎。特別是去噪前的靜校正精度對噪聲衰減十分關鍵，靜校正量計算準確了，規(guī)則噪聲的特征就清晰了，室內(nèi)處理就可以認準和壓制，消除規(guī)則噪聲、提高資料信噪比就不會是難題。所以，研究人員關心信噪比問題，就不應該只盯著野外檢波器組合這一種方式，而更要關注地震檢波器的性能和耦合質(zhì)量提升。針對耦合質(zhì)量問題，在四川金華5井區(qū)開展了“體耦合”埋置和常規(guī)埋置對比試驗，采用專用工具將檢波器埋置于地表之下10～20cm，即“體耦合”（圖4a），而常規(guī)埋置檢波器“尾椎”依然暴露在地表（圖4b）。

圖4 “體耦合”埋置（a）與常規(guī)埋置（b）野外效果圖Fig.4 Field plant of “body coupling” (a) and conventional geophone (b)

“體耦合”埋置（圖5a）與常規(guī)埋置（圖5b）單炮記錄20～40Hz頻率掃描對比可知，“體耦合”使接收條件改善后資料頻帶拓寬，高頻信息豐富，提高了層間弱反射能量。

圖5 “體耦合”埋置（a）與常規(guī)埋置（b）單炮記錄20～40Hz頻率掃描對比圖Fig.5 Comparison of seismic reflection section by “body coupling” (a) and conventional geophone (b) receiving

資料信噪比是地震勘探不可回避的問題，是永恒存在的問題，只是需要換個思路去解決。現(xiàn)階段隨著計算機技術快速發(fā)展，室內(nèi)地震處理技術進步很快，依靠野外精細地表調(diào)查，室內(nèi)處理提高資料信噪比已成現(xiàn)實。所以，地震采集采用單點檢波器、小道距或小面元觀測，實現(xiàn)信號和噪聲的“寬進寬出”必成為提高勘探精度和油藏描述精度的關鍵技術方向。

4 單點高密度地震采集應用

4.1 國外應用效果

單點高密度地震采集技術在國外不同地表開展了大量應用。如在阿爾及利亞Hassi-Messaoud區(qū)塊，西方公司利用Q-Land單點高密度地震采集技術，面元為5m×5m，覆蓋次數(shù)為96次，野外儀器道數(shù)超過5萬道，采用單臺、單次可控震源高效激發(fā)，成像道密度達384萬道/km2，通過井約束處理，地震剖面頻帶寬度從原來的8～40Hz拓寬至6～80Hz（圖6），地震資料信噪比大幅度提升，準確落實了斷層、不整合面、溶蝕裂縫等地質(zhì)特征。在美國俄克拉何馬威奇托山地區(qū)，面元為16.7m×16.7m，72次覆蓋，激發(fā)主要采用可控震源，炮道密度為25萬道/km2，與老三維地震相比，剖面質(zhì)量明顯提升（圖7），斷裂成像精度大幅度提高，地層接觸關系清楚。

圖6 阿爾及利亞Hassi-Messaoud區(qū)塊組合采集常規(guī)三維地震（a）與單點高密度三維地震（b）剖面對比Fig. 6 Comparison of seismic section of conventional geophone array 3D (a) and single-point high-density 3D (b) acquisition in Hassi-Messaoud block, Algeria

圖7 美國俄克拉何馬威奇托山地區(qū)組合采集常規(guī)三維地震（a）與單點高密度三維地震（b）剖面對比Fig.7 Comparison of seismic section of conventional geophone array 3D (a) and single-point high-density 3D (b) acquisition in Wichita Mountain area, Oklahoma, USA

4.2 中國石油國內(nèi)應用效果

中國石油單點地震采集技術應用與國際基本同步。自2003年在蘇里格開展第一塊單點數(shù)字二維地震和三維地震勘探以來，共實施數(shù)字單點地震勘探二維地震約20000km、數(shù)字三分量三維地震總面積約5000km2。2009年開始分別在遼河油田、西南油氣田開展模擬單點地震采集試驗，2012年開始逐步推廣應用模擬檢波器單點采集。截至目前，共實施模擬單點三維地震總面積約19590km2。地表類型包括山地、沙漠、平原、城鎮(zhèn)油田區(qū)等，在提高分辨率、保真度和成像精度等方面，均見到明顯勘探效果。

4.2.1 平緩地表區(qū)應用

2013年中國石油召開渤海灣物探技術研討會，明確要求針對渤海灣盆地等高勘探程度區(qū)開展單點高密度寬頻、寬方位目標三維地震采集技術應用。遼河油田在雷家—高升地區(qū)部署210km2的單點高密度三維地震采集，工區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，村鎮(zhèn)、魚池等障礙區(qū)占工區(qū)面積的27.3%，地表為平原，近地表低降速帶為第四系腐殖土和膠泥，厚度為4～7m，河套區(qū)為8～9m。接收檢波器采用單點DS-10H檢波器，鉆孔埋置，激發(fā)采用高速層頂界面以下0.5m單井激發(fā)，村鎮(zhèn)區(qū)輔助使用單臺、單次、低頻可控震源。圖8為兩串組合檢波器單炮記錄與單點檢波器單炮記錄，圖9為對應的頻譜對比，單點記錄頻帶比組合記錄展寬約8Hz。

圖8 遼河雷家—高升地區(qū)組合采集與單點高密度采集單炮記錄對比Fig.8 Comparison of single-shot record of geophone array and high-density single geophone receiving in Leijia-Gaosheng area, Liaohe Oilfield

疊前時間偏移剖面對比，單點接收剖面主頻從16Hz提高到25Hz，提高了9Hz；頻帶從6～25Hz拓展到6～38Hz，拓寬了13Hz。單點接收剖面沉積特征清楚，易于層位解釋和層序地層學解釋。截至目前，在松遼、渤海灣、新疆、柴達木等盆地相對比較平緩的地區(qū)共實施三維單點高密度地震21217km2。

4.2.2 丘陵地表區(qū)應用

四川盆地川中地區(qū)地表多為丘陵水田區(qū)，其地下油氣藏類型為裂縫型致密砂巖油氣藏，精細識別與刻畫河道砂體和裂縫發(fā)育是油氣勘探開發(fā)的難點。為提高薄層砂巖儲層的縱向分辨能力[15]，精細刻畫裂縫的展布，在該區(qū)實施了單點高密度三維地震。

單點高密度采集對所有信號充分采樣，未經(jīng)任何形式的過濾，單點高密度采集與組合采集單炮頻率掃描對比可知（圖10），單點采集深層頻率可達40Hz，中淺層頻率可達70Hz，分別比組合采集高10Hz和20Hz左右。

圖9 遼河雷家—高升地區(qū)組合采集與單點高密度采集單炮記錄頻譜對比Fig.9 Comparison of frequency spectrum of single-shot record of geophone array and high-density single geophone receiving in Leijia-Gaosheng area, Liaohe Oilfield

圖10 公115井區(qū)組合采集與單點高密度采集單炮頻率掃描對比Fig.10 Comparison of frequency scanning of single-shot record of geophone array and high-density single geophone receiving in Gong 115 well block

單點高密度成果剖面低頻和高頻信息豐富，頻寬比組合接收拓寬14Hz，反演能夠識別厚度為4m左右的砂體，涼上段底界相干切片能夠識別6m斷距的斷層（圖11），與實際地質(zhì)情況吻合度高。目前，四川盆地地震勘探全面實現(xiàn)單點地震采集。

4.2.3 沙漠地表區(qū)應用

4.2.3.1 新疆瑪湖地區(qū)

為查清環(huán)瑪湖地區(qū)10～15m厚度的有利儲層空間展布特征和識別10～15m斷距的斷層，2016年在準噶爾盆地達探1井區(qū)部署實施了620km2的單點高密度三維地震。工區(qū)地表疏松，低降速帶厚度為1～29m，部分地表為堿地，采用井震聯(lián)合激發(fā)方式。常規(guī)組合檢波器采集老三維地震資料（圖12a）頻寬為8～60Hz，主頻為33Hz；單點接收地震資料（圖12b）頻寬為5～66Hz，主頻為36Hz，單點采集資料頻寬拓寬8Hz，主頻提高4Hz，其成像精度大幅度提高，小斷層成像精度明顯改善，地層接觸關系清楚，中深層百口泉組砂體刻畫能力較老資料有明顯改善，有利于優(yōu)質(zhì)儲層平面展布規(guī)律預測。利用新三維地震資料在百一段落實巖性圈閉19個，在百二段落實巖性圈閉16個，為擴大儲量規(guī)模和勘探成果奠定了扎實基礎。

圖11 公115井區(qū)組合采集與單點高密度采集涼上段底界相干切片對比Fig.11 Comparison of coherent slice of base of Upper Liangshan Formation of geophone array and high-density single geophone receiving in Gong 115 well block

圖12 達探1井區(qū)組合采集與單點高密度采集偏移剖面對比Fig.12 Comparison of migration section of geophone array and high-density single geophone receiving in Datan 1 well block

4.2.3.2 塔里木中古43井區(qū)

塔中地區(qū)油氣藏類型為深層裂縫—洞穴—孔洞型油氣藏，石灰?guī)r及白云巖儲層橫向變化大，單井產(chǎn)量高，但準確識別十分困難，已發(fā)現(xiàn)儲量動用程度低?！按椤毙偷卣痦憫獙亩囱ㄐ陀蜌獠匾押茈y再發(fā)現(xiàn)，“小串珠”型地震響應對應的裂縫—孔洞型油氣藏是尋找的重點目標[16]。該區(qū)老三維地震資料雖經(jīng)多輪重新處理，但資料品質(zhì)難以提高，利用老地震資料識別難度巨大。為提高“小串珠”響應和裂縫識別精度，為碳酸鹽巖水平井鉆探提供更準確的地質(zhì)層位，在該區(qū)部署開展了單點2個寬頻檢波器高密度三維地震采集。該區(qū)地表主要以北北東向條帶狀的大沙丘為主，相對高差一般在40m以內(nèi)，工區(qū)平均沙丘厚度為20.4m，最大可達56m。采用炸藥激發(fā)，單炮記錄對比，2個檢波器單點組合能量較兩串10個常規(guī)組合檢波器弱（圖13），但對應部位的反射依然可見，從頻譜對比看，2個單點檢波器頻響范圍比兩串10個組合檢波器頻響范圍寬（圖14），更有利于去除規(guī)則噪聲。

圖13 中古43井區(qū)組合采集與單點高密度采集單炮記錄對比Fig.13 Comparison of single-shot record of geophone array and high-density single-point receiving in Zhonggu 43 well block

單點高密度三維地震成像剖面與老三維地震成像剖面相比（圖15），石灰?guī)r頂面清楚，縫洞體成像質(zhì)量高，背景噪聲低，斷裂清楚，與“串珠”狀反射關系更密切，斷溶體更易識別。

截至目前，在新疆、塔里木、鄂爾多斯等盆地沙漠區(qū)共實施單點二維地震20320km、單點高密度三維地震2153km2。

圖14 中古43井區(qū)組合采集（兩串10個20DX檢波器組合接收）與單點高密度采集（2個SN5檢波器接收）單炮頻譜對比Fig.14 Comparison of frequency spectrum of geophone array (2 series 20DX geophone arrays) and high-density single-point (2 SNS geophones) receiving in Zhonggu 43 well block

圖15 中古43井區(qū)組合采集與單點高密度采集深度偏移剖面對比Fig.15 Comparison of depth migration section of geophone array and high-density single-point receiving in Zhonggu 43 well block

4.2.4 山地地表區(qū)應用

截至目前，在四川、新疆、塔里木、鄂爾多斯、柴達木等盆地山地區(qū)共實施單點高密度三維地震4816km2。野外單點高密度地震采集工作量與常規(guī)組合檢波器在山地探區(qū)相比，優(yōu)勢更加明顯，在設備與人員投入、勞動強度、施工效率與成本等方面，都具有獨特技術和施工優(yōu)勢。“兩寬一高”單點三維地震采集，很好地控制了山地地震施工成本的快速增長，同時，單點采集技術優(yōu)勢也得到充分體現(xiàn)，復雜山地資料品質(zhì)大幅度提升，奠定了塔里木庫車、準噶爾南緣、柴達木西南緣、四川盆地周緣油氣大發(fā)現(xiàn)的基礎，取得了巨大應用成果。

4.2.4.1 庫車地區(qū)東秋8構造

東秋8構造位于塔里木盆地庫車坳陷山前沖斷帶東秋構造帶西段，地表為典型的復雜山地，海拔為1000～2300m，山體區(qū)風化層較薄，一般小于10m，局部高速層出露，山前過渡帶低速帶厚度較大，厚度為50～100m，局部厚達180m。地下構造斷層下盤及淺層信噪比偏低，以往資料無法滿足構造建模、圈閉落實需求。經(jīng)多輪次論證，2015年在該區(qū)部署實施了單點高密度三維地震。單點采集單炮記錄與兩串組合采集單炮記錄相比（圖16），面貌基本一致、能量相當，局部層段單點采集反射波組更為清楚，噪聲特征更加明顯、更具有規(guī)律性。

單點高密度地震資料有利于山地靜校正和疊前去噪技術優(yōu)勢的發(fā)揮，采用基于起伏地表的整體速度建模技術，成像精度大幅度提升，單點采集偏移剖面較組合采集老剖面反射能量強，波組特征更清楚，同相軸連續(xù)性更好，波形更為活躍，構造頂部成像更為合理，隱伏構造形態(tài)更為清晰（圖17），較好地落實了背斜構造。

圖16 東秋8構造組合采集與單點高密度采集單炮對比Fig.16 Comparison of single-shot record of geophone array and high-density single geophone receiving in Dongqiu 8 structure

圖17 東秋8構造組合采集與單點高密度采集偏移剖面對比Fig.17 Comparison of migration section of geophone array and high-density single geophone receiving in Dongqiu 8 structure

4.2.4.2 準噶爾南緣霍爾果斯山地

準噶爾南緣具有豐富的油氣資源，但地表和地下雙復雜使南緣勘探面臨構造落實程度低等挑戰(zhàn)。為落實霍爾果斯背斜目的層軸部斷裂特征及斷點準確位置，2012年在該區(qū)部署實施了單點高密度采集試驗。該區(qū)地表起伏大，海拔為600～1500m，山體部位出露新近系沙灣組，兩翼依次出露新近系塔西河組、獨山子組及第四系西域組等。采用炸藥震源激發(fā)，單點GAC檢波器接收，波場采樣均勻，規(guī)避了低速面波等干擾假頻現(xiàn)象。采用折射層析靜校正+反射波剩余靜校正、非規(guī)則相干噪聲壓制[17]、規(guī)則環(huán)境噪聲壓制[18]、曲波變換面波壓制、徑向變換線性去噪等技術手段，偏移成像精度較老資料有大幅度提升，中淺層信噪比大幅度改善，深層構造形態(tài)更加可靠（圖18）。

圖18 霍爾果斯背斜組合采集與單點高密度采集偏移剖面對比Fig.18 Comparison of migration section of geophone array and high-density single geophone receiving in Huoerguosi anticline

4.2.5 黃土山地地表區(qū)

自2015年開始，在鄂爾多斯盆地南部巨厚黃土山地開展單點高密度先導試驗，先后在古峰莊、慶城北、盤克、洪德等區(qū)塊共實施單點高密度三維地震2140km2。

在隴東地區(qū)，為精細刻畫砂體展布，準確預測含油氣甜點區(qū)，有效支撐開發(fā)水平井軌跡導向設計及井位部署，在慶城北部署三維地震600km2。工區(qū)屬于典型的黃土山地地貌，沖溝、陡坎區(qū)域占施工面積的35%，表層覆蓋黃土，最厚達260m左右，溝中多有砂巖出露，地表起伏較大，最大高差約為250m。此次三維地震采用炸藥激發(fā)，在局部障礙區(qū)采用可控震源補炮；選用DS-5高靈敏度、低失真、適用傾角大、高可靠性、重量輕的單點檢波器接收；檢波器采用鉆孔埋置在地表30cm以下，降低環(huán)境噪聲，確保檢波器和大地實現(xiàn)“體耦合”。單點采集單炮資料及頻率掃描與一串12個常規(guī)檢波器組合采集單炮資料及頻率掃描對比可知（圖19），初至清晰，能夠滿足初至波法層析靜校正的需求；頻率掃描分析顯示，各頻段視信噪比差異不大。DS-5單點檢波器采集有利于提升低頻段信噪比，頻帶寬度基本相當。

圖19 慶城北區(qū)塊組合采集與單點采集原始單炮和頻率掃描對比Fig.19 Comparison of original single-shot record and frequency scanning of geophone array and single geophone receiving in North Qingcheng block

圖20 陜18井區(qū)單點采集與組合采集偏移剖面對比Fig.20 Comparison of migration section of single geophone and geophone array receiving in Shaan 18 well block

位于陜18井區(qū)的單點采集偏移剖面與組合采集偏移剖面對比可知（圖20），單點檢波器采集信噪比、保真度更高，剖面連續(xù)性好，細節(jié)優(yōu)于組合接收，頻帶寬度由組合采集的8～60Hz拓寬到單點采集的4～65Hz。在長慶探區(qū)合水、銀洞子、演武、慶城北、古峰莊、洪德等區(qū)塊黃土山地地表開展的單點地震采集實踐表明：在黃土較厚區(qū)，覆蓋次數(shù)增加到400次以上，單點采集與組合采集資料品質(zhì)有一定提升,特別是在成像聚焦度、弱反射連續(xù)性方面存在明顯優(yōu)勢；在黃土較薄區(qū)，單點采集資料具有較高的分辨率[16]，單點采集在復雜黃土山地具有廣闊的應用前景。

5 認識

5.1 單點高密度地震采集技術具有廣泛的適應性

隨著油氣勘探開發(fā)對象向米級儲層及低幅度構造、復雜碳酸鹽巖、火山巖、基巖潛山等非均質(zhì)儲層、致密油氣、深層構造等領域轉移，傳統(tǒng)構造解釋已不能滿足勘探開發(fā)地質(zhì)需求，需要通過精耕細作，利用高保真、高分辨率資料精細解剖復雜地質(zhì)目標，這就需要采用精細的提高分辨率處理[19-21]、疊前方位矢量片道集處理、分方位處理解釋、高分辨率反演等技術來實現(xiàn)。高密度、全方位、高保真的原始數(shù)據(jù)是提高地震勘探精度的重要基礎，而單點地震采集技術是實現(xiàn)高密度、全方位、高保真采集的必然選擇，該技術使經(jīng)濟型高密度三維地震勘探成為可能，是實現(xiàn)地震勘探降本增效的關鍵技術。

上述應用涵蓋了巖石出露的山地、黃土山地、沙漠、平原等，說明單點高密度地震采集技術在不同地表具有廣泛的適應性。

5.2 優(yōu)選單點檢波器是地震采集質(zhì)量提升的關鍵

如前所述，影響模擬檢波器性能的指標主要包括靈敏度、失真度、頻響范圍、動態(tài)范圍等，其穩(wěn)定性主要受制于材料和制造工藝。靈敏度是反映微弱信號輸入檢波器后對其的響應能力，靈敏度越高，檢波器越好。同時，為確保信號變化大時，最大輸入信號必須同樣具有適當?shù)木_度，要求檢波器有良好的動態(tài)范圍。新一代模擬檢波器的頻率響應范圍（簡稱頻響范圍）與自然頻率相關，自然頻率低，則頻率特性曲線向低頻率延伸。以20DX檢波器為例，自然頻率為4.5Hz時，其頻響范圍約為1.6～160Hz；自然頻率為10Hz時，其頻響范圍約為5～160Hz；自然頻率為28Hz時，其頻響范圍約為10～160Hz。

在實際應用中，應選擇高靈敏度、低失真度、低自然頻率、頻響范圍寬、動態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好、從頂部出線的檢波器，并選擇大道數(shù)、輕便靈活、大動態(tài)范圍、低系統(tǒng)噪聲的記錄系統(tǒng)，具備質(zhì)量控制數(shù)據(jù)實時傳輸能力，才能確保采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

5.3 適當?shù)某上竦烂芏仁翘岣邌吸c高密度采集資料品質(zhì)的有力保障

單點高密度采集未實施野外組合壓噪，單道記錄未經(jīng)過組合疊加，野外原始記錄一般信噪比較低，在室內(nèi)通過對各類波形特征分析，根據(jù)噪聲特點選用不同的噪聲壓制方法進行剔除[22-23]。為了達到較好的噪聲壓制效果，并提升弱反射信號能量，一般應確保有較高的成像道密度。在炸藥震源激發(fā)情況下，一般在山地地區(qū)成像道密度應大于100萬道/km2，在沙漠和較厚低降速帶地區(qū)成像道密度應大于120萬道/km2，在平原地區(qū)成像道密度應大于80萬道/km2。如采用可控震源施工，成像道密度應達到炸藥震源的兩倍以上。

5.4 強化檢波器耦合質(zhì)量是野外施工管理的重要環(huán)節(jié)

野外施工時，一方面要重點確保野外單點檢波器耦合效果，應采取專用工具鉆孔，將檢波器整體埋置在地表之下，做到真正“體耦合”，降低環(huán)境噪聲。另一方面，采用地震儀器自帶的質(zhì)量控制工具，對野外排列進行實時質(zhì)控，監(jiān)控檢波器的阻值、漏電、傾斜度等狀態(tài)，確定檢波器工作正常；同時，采用量化地震采集質(zhì)控軟件，對野外單炮記錄進行實時質(zhì)量分析，重點檢查不工作道、激發(fā)能量、背景噪聲等，確保野外施工質(zhì)量[24]。

6 結語

單點高密度地震采集技術已經(jīng)成熟，是進一步提高成像精度和儲層預測精度的有效技術，有利于提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低野外施工成本，實踐證明具有廣闊的推廣應用前景。建議優(yōu)選高靈敏度的寬頻單點檢波器，在不同類型地表面向不同類型油氣藏，大力推廣單點高密度地震采集技術，以提高靜校正精度、數(shù)據(jù)保真度，增強高頻弱信號能量，進而提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。為高效勘探、低成本開發(fā)作出更大貢獻，并推動地震勘探技術升級換代，向矢量全波地震勘探時代邁進。

致謝：感謝中國石油相關油田公司和東方地球物理公司相關物探處提供試驗資料。