多船拖纜寬方位地震勘探設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

劉興達(dá)，劉春成，吳旭光，劉旭明，唐 進(jìn)

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部研究院，天津 300451；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027)

1 引 言

隨著國(guó)內(nèi)海域大規(guī)模進(jìn)行海洋地震勘探，普查類的一次勘探已進(jìn)行大半，接下來(lái)勘探的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到針對(duì)性的復(fù)雜巖體勘探，諸如高陡斷層、細(xì)小斷塊、特殊地質(zhì)體(火成巖、氣云區(qū))、裂縫等逐漸成為各勘探靶區(qū)的重點(diǎn)研究對(duì)象。近年來(lái)伴隨海洋地震勘探技術(shù)的迅猛發(fā)展，以寬頻帶、寬方位、高密度(簡(jiǎn)稱“兩寬一高”)為代表的高精尖采集手段日趨成熟，其憑借著對(duì)復(fù)雜巖體勘探的特有優(yōu)勢(shì)逐漸成為了各大油田針對(duì)性勘探的首選[1-3]。

寬方位采集是指通過(guò)改變炮檢關(guān)系或增加采集方位等方式拓寬觀測(cè)方位的一種采集模式，通常意義上定義橫縱比在0.5以上的采集稱為寬方位采集[4]。實(shí)現(xiàn)寬方位采集，在不同地理環(huán)境通常會(huì)選擇不同的勘探方法，比如在渤海地區(qū)，水深通常在30 m之內(nèi)，多使用海底電纜的采集方式進(jìn)行寬方位勘探，通過(guò)寬方位采集可以有效解決諸如淺層花狀斷層勘探、火成巖下屏蔽區(qū)勘探、深層裂縫勘探等特殊地質(zhì)問(wèn)題[5，6]，面對(duì)深水勘探，傳統(tǒng)海底電纜采集較難實(shí)施[7]，使用拖纜實(shí)現(xiàn)寬方位采集便成了深海寬方位破冰的首選。

國(guó)際上使用拖纜寬方位的采集目前主要有幾種方式，以CGG公司為代表使用的多船寬方位的采集模式、以西方奇科公司為代表使用的環(huán)形采集的模式和單船多航次的多方位采集模式[8]。國(guó)內(nèi)目前使用多方位采集相對(duì)較多，多船寬方位的模式于2015年底及2017年，在東海地區(qū)先后進(jìn)行了兩次采集試驗(yàn)，屬于國(guó)內(nèi)海域首次進(jìn)行拖纜多船三維采集的嘗試[9]。

隨著“兩寬一高”采集技術(shù)的興起和發(fā)展，觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法也在不斷進(jìn)步，從常規(guī)的基于共中心點(diǎn)(CMP)分析偏移距、面元覆蓋次數(shù)及其他屬性的方式[10，11]，到考慮地下真實(shí)構(gòu)造的基于復(fù)雜模型下的照明分析方法[12]，再到基于疊前偏移理論的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如基于繞射點(diǎn)成像的角度與照明分析的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[13]、基于多炮波動(dòng)方程正演模擬疊加偏移的觀測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法[14]以及高效的基于波動(dòng)方程延拓的聚焦分辨分析的三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法[15]等。近年來(lái)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)定量化評(píng)價(jià)的討論也日漸增多，如通過(guò)室內(nèi)正演模擬對(duì)采集系統(tǒng)中的炮點(diǎn)進(jìn)行定量分析并優(yōu)化的思路[16]，及通過(guò)抽稀觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)比相同覆蓋次數(shù)下不同觀測(cè)系統(tǒng)屬性并尋求最佳性價(jià)比方案的討論[17]等。上述方法多是針對(duì)陸地勘探的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)于海洋拖纜寬方位這一特殊采集系統(tǒng)并不適用。本文通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)典拖纜寬方位案例，結(jié)合地震數(shù)據(jù)分析手段，提出了一套基于構(gòu)造產(chǎn)狀分析的多船寬方位定量化設(shè)計(jì)方法，從最大非縱距這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)入手，結(jié)合以往地震資料品質(zhì)、構(gòu)造特征等確定權(quán)重因子及置信區(qū)間，最終以正演模擬的方式優(yōu)選采集方案；最后，展示本文方法在南海深水某靶區(qū)的應(yīng)用，證明該方法對(duì)于斷塊型構(gòu)造勘探有較強(qiáng)的適用性。

2 基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法

目前生產(chǎn)中寬方位所針對(duì)的問(wèn)題有如下幾種：①類花狀斷層的陡傾角斷層成像問(wèn)題。此類問(wèn)題由于斷層方向復(fù)雜，需寬方位觀測(cè)以盡可能減小斷層陰影帶來(lái)的成像影響，同時(shí)寬方位數(shù)據(jù)可以減小由于橫向速度變化對(duì)成像造成的影響。②各向異性成像問(wèn)題。目前海洋勘探對(duì)于各向異性的研究多集中于HTI類型的介質(zhì)，典型的如裂縫型儲(chǔ)藏的各向異性問(wèn)題，寬方位數(shù)據(jù)有助于消除速度各向異性帶來(lái)的影響，從而得到更好的成像結(jié)果，同時(shí)為后期儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供寬方位角度域道集數(shù)據(jù)。③屏蔽體下照明問(wèn)題。此類問(wèn)題通常是由于單向照明無(wú)法對(duì)屏蔽體下目標(biāo)進(jìn)行充分照明，需通過(guò)增加照明方位提高屏蔽體下照明度，從而提升目標(biāo)成像質(zhì)量。本文針對(duì)上述問(wèn)題的第①、③點(diǎn)，前期結(jié)合拖纜寬方位設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了一套基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法，此方法對(duì)于斷塊構(gòu)造勘探有較強(qiáng)的適應(yīng)性；后期結(jié)合靶區(qū)各向異性發(fā)育程度進(jìn)行對(duì)比分析，提出更為經(jīng)濟(jì)可行的最優(yōu)化采集方案。

2.1 最大非縱距

拖纜寬方位設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是最大非縱距的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析該地區(qū)老資料主要構(gòu)造(包括主斷裂、小斷層及斜坡帶等構(gòu)造)的產(chǎn)狀，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果；再根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量、解釋程度等設(shè)置權(quán)重因子將所得構(gòu)造產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這里可以對(duì)一些奇異值進(jìn)行基于地質(zhì)認(rèn)識(shí)的修正。如下公式所示：

(1)

(2)

在進(jìn)行地震勘探時(shí)，垂直于斷裂方向采集對(duì)斷裂的成像效果通常最好，故要提升工區(qū)構(gòu)造成像需至少囊括構(gòu)造統(tǒng)計(jì)方向的所有法向方向，根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)集置信區(qū)間，確定采集應(yīng)囊括最小范圍。如下公式所示：

θ=Imax-Imin

(3)

(4)

(5)

當(dāng)?shù)玫浇嵌圈群缶涂梢赃M(jìn)一步計(jì)算最大非縱距，最大非縱距的計(jì)算與主輔船的相對(duì)位置有關(guān)，下面計(jì)算公式以單邊施工方式為例，主輔船相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 雙船單邊施工方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction with two vessels

按照均勻化采集設(shè)計(jì)思路，L9為最大船距，L7+L8為最大非縱距；圖中L2與L5平行，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可進(jìn)行如下推導(dǎo)：

θ1=atan(L6/L3)

(6)

θ2=θ-θ1

(7)

L8=L3×tanθ2-L7

(8)

公式中θ1為L(zhǎng)3與船航行中軸線夾角，θ2為L(zhǎng)5與船航行中軸線夾角，θ為L(zhǎng)3與L5的夾角；根據(jù)所得最大非縱距結(jié)合基礎(chǔ)參數(shù)及輔助震源船數(shù)量及航次數(shù)，確定最終主輔船橫向距離，為后期確定采集模板確立基礎(chǔ)參數(shù)。

2.2 主輔船相對(duì)位置關(guān)系確立

當(dāng)?shù)玫阶畲蠓强v距后需進(jìn)一步確定輔助震源船數(shù)量及主輔船相對(duì)位置關(guān)系，除了考慮與最大非縱距的關(guān)系外，在進(jìn)行寬方位設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮如下兩點(diǎn)內(nèi)容[20-23]：①方位信息的獲取。通常情況下根據(jù)地球介質(zhì)速度各向異性橢圓擬合的規(guī)律，以長(zhǎng)短軸重新建立相對(duì)坐標(biāo)系后，所對(duì)應(yīng)的一、三象限內(nèi)滿足炮檢互換原理，相應(yīng)的二、四象限同樣滿足，故在進(jìn)行寬方位采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在經(jīng)費(fèi)允許的情況下通常應(yīng)盡量滿足采集到一、三象限中的一個(gè)及二、四象限中的一個(gè)，這樣可以保證經(jīng)炮檢互換后達(dá)到對(duì)該區(qū)域獲取到全方位的信息。②在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮多路徑照明對(duì)該地區(qū)地下目標(biāo)成像的影響。如在該區(qū)域主要斷裂及微斷裂的傾角方向，斷層陰影對(duì)射線路徑的屏蔽區(qū)域等，這里可以通過(guò)反向照明或射線追蹤的方式尋找最優(yōu)勘探方向范圍，從而確定主輔船相對(duì)位置關(guān)系。

2.3 成像影響分析

依據(jù)上述流程確立出幾套采集方案后，通過(guò)成像和照明兩個(gè)方面分析采集方案對(duì)地質(zhì)問(wèn)題的解決程度，對(duì)比優(yōu)化觀測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到方案經(jīng)濟(jì)實(shí)用最優(yōu)化。

下面以某工區(qū)為例進(jìn)行分析，對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)為使用本文方法篩選出的兩套寬方位系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的退化低配版和進(jìn)化高配版觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)模板如圖2所示。首先對(duì)比方案A和B的照明結(jié)果，根據(jù)分析可知A方案和B方案獲取的方位信息分別是一、二象限及一、四象限，如圖3所示。圖4為選取目的層不同采集方案的照明結(jié)果，可以看出，兩種寬方位方案在照明結(jié)果上整體差距不大，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，使用A方案進(jìn)行采集時(shí)對(duì)圖中構(gòu)造凸起兩側(cè)斜坡區(qū)域的照明更加均勻，分析原因主要是因?yàn)樵搮^(qū)域構(gòu)造傾角較陡，雙向照明對(duì)上下傾構(gòu)造更有優(yōu)勢(shì)。

圖2 對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)模板示意圖Fig.2 Comparison of different observing systems

圖3 照明對(duì)比方案玫瑰圖Fig.3 Comparison of rose diagram

圖4 SMA照明能量對(duì)比Fig.4 Comparison of seismic migration amplitude

圖5為目的層正演模擬成像深度切片，從結(jié)果中可以看出，方案A與B正演模擬效果基本相同，且與反射系數(shù)較為貼近，其相比方案C在斷點(diǎn)成像及細(xì)節(jié)刻畫(huà)方面有所改善，而方案D較方案A與方案B來(lái)講整體差距不大，成像效果提升較小，但經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)差于方案A與方案B。以上成像結(jié)果表明，通過(guò)基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法優(yōu)選出的觀測(cè)系統(tǒng)可對(duì)該地區(qū)有較好成像，且方案相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖5 目的層正演模擬深度切片示意圖Fig.5 Comparison of modeling result sections in depth domain

最終觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)充分結(jié)合基礎(chǔ)屬性分析、成像影響分析、經(jīng)濟(jì)可行性分析等綜合分析進(jìn)行選擇。

3 實(shí)例分析

3.1 靶區(qū)地質(zhì)問(wèn)題概況

靶區(qū)位于南海東部地區(qū)，成藏條件十分優(yōu)越，且探井表明此處潛力巨大，該地區(qū)已有多個(gè)油氣構(gòu)造并有在生產(chǎn)中的油氣田，該地區(qū)勘探目標(biāo)位于中深層，主力成藏構(gòu)造為斷塊構(gòu)造，靶區(qū)水深超過(guò)1 000 m，屬于深水勘探。該構(gòu)造區(qū)的已有地震資料為2015年采集的拖纜窄方位三維地震資料，經(jīng)過(guò)多次重處理仍無(wú)法滿足精細(xì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的要求，主要問(wèn)題有如下三個(gè)方面：①現(xiàn)有地震資料難以表征橫向特征變化，巖體展布特征難以有效識(shí)別。②區(qū)域斷層較為發(fā)育，但斷層邊界模糊，地層結(jié)構(gòu)難以識(shí)別。③地層主要目的層頻帶較窄，無(wú)法滿足儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的要求，地震分辨率有待提高。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有地震資料進(jìn)行詳盡的分析，通過(guò)單點(diǎn)及多點(diǎn)地球物理參數(shù)提取并論證采集參數(shù)，得到了包括最大/最小縱向偏移距、采集面元尺寸、記錄長(zhǎng)度、采樣率等基礎(chǔ)采集參數(shù)，并通本文提出的基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。

3.2 采集方案

通過(guò)分析該區(qū)域的構(gòu)造傾角數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)其主要數(shù)據(jù)集中在近南北向，如圖6所示；通過(guò)靶區(qū)地質(zhì)需求及靶區(qū)構(gòu)造統(tǒng)計(jì)分析研究，將該靶區(qū)置信區(qū)間定為95 %，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得在95 %置信區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)下斷裂方位角集中在170°～193°之間；通過(guò)將方位角集中范圍應(yīng)用于基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法后計(jì)算出最大非縱距應(yīng)大于2 150 m，根據(jù)施工滾動(dòng)距結(jié)合均勻性覆蓋的施工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定最大非縱距為2 450 m(最大船距為2 400 m)。由于靶區(qū)構(gòu)造產(chǎn)狀較為復(fù)雜，在主采集方向上的構(gòu)造既有上傾方向又有下傾方向，綜合考慮照明成像、均勻性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、施工性價(jià)比及安全性，提出最終方案如圖7所示。

圖6 區(qū)構(gòu)造傾向分布示意圖Fig.6 Distribution of tectonic tendency in the target area

圖7 靶區(qū)施工方案——三船單翼前后源Fig.7 Construction scheme of target region——single side acquisition with three vessels

3.3 成果分析

本次采集使用寬方位“犁式”斜纜采集，為了彌補(bǔ)寬方位在各個(gè)方位角上對(duì)總體覆蓋次數(shù)的“平攤”，使用了同步震源激發(fā)方式，大幅提升了覆蓋次數(shù)。同時(shí)在中心構(gòu)造區(qū)采用雙向采集，最終生產(chǎn)所得到的玫瑰圖及覆蓋次數(shù)如圖8所示。

圖8 靶區(qū)施工玫瑰圖及覆蓋次數(shù)圖Fig.8 Schematic diagram of rose diagram and fold diagram

通過(guò)對(duì)資料進(jìn)行針對(duì)性的寬方位資料處理，最終獲得靶區(qū)寬方位采集資料處理結(jié)果。如圖9所示，與2015年窄方位資料對(duì)比，多船寬方位數(shù)據(jù)在目的層3.5～5 s的中深層的信噪比明顯高于窄方位資料，同時(shí)在圖中標(biāo)出的高陡斷層處多船寬方位資料較窄方位資料也有明顯優(yōu)勢(shì)，多船寬方位數(shù)據(jù)在深層細(xì)小斷裂的識(shí)別及潛山頂面斷裂的識(shí)別均優(yōu)于窄方位資料。圖10為2015年窄方位資料與三船寬方位資料的蝸牛道集對(duì)比，可以看到，三船寬方位數(shù)據(jù)在中遠(yuǎn)偏移距(3 000 m以上)較窄方位數(shù)據(jù)能看到明顯的因各向異性引起的同相軸抖動(dòng)，說(shuō)明三船寬方位數(shù)據(jù)對(duì)各向異性的敏感度更強(qiáng)。通過(guò)抽取數(shù)據(jù)，分別對(duì)比了只保留第一象限的數(shù)據(jù)，保留一、三象限的數(shù)據(jù)，保留一、四象限的數(shù)據(jù)及全部數(shù)據(jù)，可以看到，僅保留第一象限的數(shù)據(jù)與保留一、三象限的數(shù)據(jù)結(jié)果差異不大，保留一、四象限與全部數(shù)據(jù)的對(duì)比也有相同的結(jié)果，而對(duì)比保留第一象限數(shù)據(jù)和保留一、四象限數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，后者明顯對(duì)各向異性更為敏感。上述結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)行采集設(shè)計(jì)時(shí)，奇對(duì)稱象限可依據(jù)炮檢互換原理進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只保留一個(gè)象限對(duì)結(jié)果影響不大，而偶對(duì)稱現(xiàn)象則不可依據(jù)此原理進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖9 窄方位與三船寬方位主測(cè)線疊前深度偏移(轉(zhuǎn)時(shí)間域)資料對(duì)比Fig.9 Comparison of PSDM(convert to time domain) with narrow azimuth schemeand wide azimuth scheme

圖10 蝸牛道集對(duì)比Fig.10 Comparison of snail gather

4 結(jié) 論

1)本文提出的基于構(gòu)造傾角分析的多船寬方位設(shè)計(jì)方法是針對(duì)海洋拖纜多船寬方位的定量化設(shè)計(jì)，對(duì)于傳統(tǒng)海洋觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種有效的補(bǔ)充；經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文所提出的方法有如下三個(gè)特點(diǎn)：①對(duì)于復(fù)雜斷裂系統(tǒng)成像有較強(qiáng)的適用性，且可提高采集方案性價(jià)比。②對(duì)各向異性介質(zhì)快慢波速度有較強(qiáng)敏感性。③本方法是基于老資料的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)老資料品質(zhì)結(jié)合解釋人員改變權(quán)重因子和置信區(qū)間，對(duì)于不同工區(qū)適用性較強(qiáng)，由于是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，因此原始數(shù)據(jù)質(zhì)量在一定程度上會(huì)影響最終設(shè)計(jì)結(jié)果。

2)最大非縱距是影響拖纜寬方位采集系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，最大非縱距的不足會(huì)對(duì)成像結(jié)果產(chǎn)生較大影響，通過(guò)分析論證得到最佳最大非縱距是提高觀測(cè)系統(tǒng)性價(jià)比的關(guān)鍵。

3)在進(jìn)行寬方位設(shè)計(jì)時(shí)，在經(jīng)費(fèi)允許的情況下盡可能使方案能同時(shí)囊括一、三象限和二、四象限其中的一個(gè)，通過(guò)實(shí)際資料驗(yàn)證表明奇對(duì)稱象限與單獨(dú)一個(gè)象限各向異性敏感度差距不大，可基于此準(zhǔn)則進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

4)本靶區(qū)應(yīng)用的三船拖纜寬方位采集系統(tǒng)成本相對(duì)較高，僅適用于定向精細(xì)目標(biāo)勘探或開(kāi)發(fā)階段的勘探，不同靶區(qū)最終應(yīng)用的采集方案需根據(jù)靶區(qū)地質(zhì)需求及施工成本綜合優(yōu)化評(píng)定，最終得到性價(jià)比最優(yōu)的方案。