準南低信噪比復雜構(gòu)造地震采集接收方式對資料的影響及分析

楊鎮(zhèn)魁，婁兵，范旭，鄭鴻明

（新疆油田勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

2012年新疆油田就開始在準噶爾盆地的巨厚沙漠、戈壁、農(nóng)田、公益林等多種復雜地表條件下進行高密度地震勘探的探索與嘗試。經(jīng)過了多年嘗試，總結(jié)出了基于寬頻可控震源激發(fā)、高靈敏度單點檢波器接收[1,2]、高密度觀測系統(tǒng)相結(jié)合的“寬頻、寬方位、高密度”地震采集經(jīng)驗[3]，在準噶爾盆地西北緣、腹部、東部均取得較好的勘探效果。

在準噶爾盆地南緣，存在地表和地下構(gòu)造的雙復雜情況，資料信噪比普遍較低。為獲取信噪比較高的原始資料，以往南緣勘探區(qū)塊均采用單串或多串組合檢波器接收[4]，其目的是對資料采集時產(chǎn)生的隨機干擾、規(guī)則干擾及環(huán)境噪聲等進行壓制，有利于弱反射信號接收[5,6]，從源頭上提高原始資料的信噪比。但是也造成了有效波高頻成分損失、通放帶變窄、保真度降低等問題[7,8]。隨著精細構(gòu)造解釋需求的不斷提高，已有資料已無法滿足目前勘探需求，需要充分考慮地震信號振幅、頻率、相位等物理屬性，確保資料的保真度[9,10]。

采用單點檢波器接收的高密度地震勘探在構(gòu)造更為復雜，地表條件更為多變的南緣低信噪比地區(qū)是否適用[11,12]，是本文論證的一個重點。近年來，通過南緣三維勘探的效果證實了采用單點檢波器接收、高密度觀測系統(tǒng)相結(jié)合的采集方式可滿足目前勘探需求，并取得較好的勘探效果[13]。

1 信噪比與覆蓋次數(shù)關系分析

在南緣低信噪比地區(qū)的地震勘探中，如何提高原始資料的信噪比是需要重點考慮的一個因素[14]。提高覆蓋次數(shù)則是提高信噪比最直接、最有效的方式之一。若采用單點檢波器接收，在保證勘探效果不弱于組合接收的情況下，須充分論證原始資料信噪比與觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)之間的關系[15]。因此，建立一個正演模型分析信噪比與覆蓋次數(shù)之間的關系，并對不同覆蓋次數(shù)實際資料的信噪比進行對比，進一步對單點檢波器接收的適用條件進行分析。

模型以不同反射系數(shù)進行模擬，建立兩套水平層狀地層和一套模擬山地陡傾角的正弦曲線地層。通過給定地層反射系數(shù)和雷克子波得到一個地震響應，以建立不同含信比動校拉平道集，以此來分析資料含信比（有效信號與所有信號的比值，通常以百分比來表示）與覆蓋次數(shù)之間的關系。

從正演的疊加剖面分析，疊前道集含信比為50%時，疊加后可清晰地看到地層反射信息，與建立的正演模型一致；疊前道集含信比為20%～30%，可看到1.5 s、3.5 s兩套水平地層信息，而約2.5 s陡傾角地層在剖面上無法看到有效反射；繼續(xù)降低道集含信比為5%～10%，兩套水平地層反射顯示較弱，無法看到其他反射信息（圖1）。說明資料的含信比越低，剖面的成像效果越差。此結(jié)論與地震勘探認識一致[16]，原始資料的信噪比決定最終成果剖面的成像品質(zhì)。得到相對較好的疊加成像效果。

圖1 正演模型（a）及不同含信比疊加剖面對比（b-f）Fig.1 Forward model(a)and comparison of stacking profiles with different signal ratios(b-f)

當含信比為10%，覆蓋次數(shù)為1 000 的情況下，資料信噪比較低，幾乎無法看到約2.5 s 的有效反射信息；覆蓋次數(shù)增加到2 000 次，資料信噪比得到明顯提升，可見連續(xù)的反射信息；增加到3 000次后，資

按照目前高密度地震勘探的經(jīng)驗，認為原始單炮資料信噪比低，可通過增加覆蓋次數(shù)來提高成果資料信噪比[17]。利用此模型，在道集含信比為30%的前提下，研究覆蓋次數(shù)對成像品質(zhì)的影響。將覆蓋次數(shù)從100次增加到300次，剖面的成像效果有了明顯提升，與含信比為50%，覆蓋次數(shù)為50次的剖面對比，成像效果相差不大。說明含信比在30%，300次覆蓋就可基本還原模型，含信比在50%，50次覆蓋就可得到和模型相近的成果（圖2），即原始資料含信比越高，資料對覆蓋次數(shù)的依賴程度就越低。

圖2 不同含信比、覆蓋次數(shù)疊加剖面對比Fig.2 Comparison of overlay profiles with different signal-to-signal ratios and coverage times

準噶爾盆地南緣的原始資料信噪比普遍較低。因此，我們對含信比在20%以下的正演資料進行了重點分析。當含信比為20%，覆蓋次數(shù)為200 次的情況下，幾乎無法看到約2.5 s 的有效反射信息；覆蓋次數(shù)增加到400 次，資料信噪比得到明顯提升，可見連續(xù)反射信息；增加到500次后，資料信噪比進一步提升，有效反射同相軸能量更聚焦，成像效果較好（圖3）。說明在實際地震資料采集中，若原始資料的含信比約20%，覆蓋次數(shù)至少大于500 次，才有可能料信噪比有提升，但不明顯（圖4）。說明在原始資料信噪比較低，成本可控的情況下，單純的提高覆蓋次數(shù)對資料的成像效果改善已不明顯[18]。這是我們目前在南緣二維勘探中遇到的一個技術瓶頸，盡管覆蓋次數(shù)已提高至3 000次甚至更高，仍無法達到成像的預期效果。

圖3 不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比Fig.3 Comparison of overlay profiles of different coverage times

圖4 不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比Fig.4 Comparison of overlay profiles of different coverage times

為使結(jié)論更加準確，我們做了一項極限對比試驗。當含信比為5%，覆蓋次數(shù)為1 000次的情況下，資料信噪比非常低，疊加剖面1.5 s、3.5 s可見斷續(xù)的平層反射，看不到約2.5 s的有效反射信息；覆蓋次數(shù)增加到5 000 次，資料信噪比有一定提升，平層反射信息較好，隱約可見約2.5 s 的反射層位；增加到10 000次后，可見部分2.5 s反射信息；增加到20 000次后，資料信噪比有較大提升，可還原正演模擬地層（圖5）。說明原始資料只要有信號存在，在不考慮成本、不考慮野外采集實際帶道能力的情況下，無限次增加覆蓋次數(shù)總可以疊加成像。

圖5 含信比5%不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比Fig.5 Comparison of overlay profiles of different coverage times with 5%signal ratio

通過正演模型對含信比與覆蓋次數(shù)的對比分析，得到以下2 個方面的認識：①要想得到同樣的疊加效果，含信比與覆蓋次數(shù)的關系是非線性的，含信比不會隨著覆蓋次數(shù)的增加而線性增加（圖6）；②理論上只要有信號，無限次增加覆蓋次數(shù)總可成像。但在實際的地震資料采集過程中，我們既要考慮采集成本，又要考慮采集設備的帶道能力，不可能無限制通過增加覆蓋次數(shù)來提高資料的信噪比。因此，要尋求原始資料信噪比與覆蓋次數(shù)之間的平衡，以求用最合適的采集方法組合獲取最具性價比的原始資料，保障成果資料的品質(zhì)。

圖6 含信比與覆蓋次數(shù)的關系Fig.6 The relationship between the signal-to-signal ratio and the number of coverage

本次建立的模型僅僅混入了隨機噪聲，對有效反射的影響相對較小，在此基礎上得出的結(jié)論比較接近理想狀態(tài)。在真實的地震采集中，噪聲的種類繁多，還存在近地表的影響，地層傾角及地層破碎的客觀地質(zhì)現(xiàn)象存在，對有效信號的影響更大，通過模型得出的結(jié)論還要大打折扣。

2 資料效果分析

在南緣山前構(gòu)造帶以新采集的DN 三維邊框內(nèi)以往不同接收方式的單炮為例，整體資料信噪較低，幾乎無法看到有效反射[19]。但從信噪比直方圖的對比分析可看出，采用3 串組合接收的單炮信噪比較高，可達到0.42，而采用單個檢波器接收的單炮信噪比只有0.27，換算為含信比分別為30%和21%。也就是說，兩種接收方式含信比都在20%以上，但在相同的4 kg 藥量激發(fā)環(huán)境下，組合檢波器接收原始單炮的信噪比要明顯高于單只檢波器接收（圖7）。

圖7 不同接收方式單炮對比及信噪比分析Fig.7 Comparison of single shots with different receiving methods and analysis of signal-to-noise ratio

在此前提下，通過初始疊加剖面（只做靜校正，不做其他任何處理）對信噪比與覆蓋次數(shù)的關系進行對比分析，并選取針對主探目的層1～4 s的大時窗進行信噪比估算（圖8-f）。從剖面及信噪比估算值分析，相同90 次覆蓋次數(shù)條件下，單點接收剖面信噪比遠低于組合接收；覆蓋次數(shù)翻倍到180次，單點接收信噪比仍較低；當覆蓋次數(shù)提升4 倍至360 次后，單點接收信噪比與組合接收相當，但剖面背景噪聲略強；當覆蓋次數(shù)提升至560次后，單點接收剖面信噪比明顯優(yōu)于組合接收（圖8）。

圖8 不同覆蓋次數(shù)初始疊加剖面對比及信噪比估算Fig.8 Comparison of initial stack profiles with different coverage times and estimation of signal-to-noise ratio

結(jié)合正演模擬結(jié)果，若采用多串組合接收，覆蓋次數(shù)達到300 次即可滿足勘探需求；若采用單點接收，覆蓋次數(shù)須大于500次才可滿足需求。

綜上表明，在準南低信噪比區(qū)采用高覆蓋觀測系統(tǒng)與單點接收的組合方式，在實現(xiàn)不弱于組合接收勘探效果的同時，可進一步提高資料的成像品質(zhì)。目前針對南緣深大構(gòu)造的地震采集方案，覆蓋次數(shù)均大于500次，單點接收方式更具有優(yōu)勢。

由于工區(qū)范圍內(nèi)沒有以往采集的三維資料，因此截取相同位置的二維成果資料進行對比（表1）。新采集三維覆蓋次數(shù)約為二維資料的三分之一，從時間偏移剖面上看，新采集資料信噪比相較以往二維資料有了明顯提升，剖面頻率特征豐富、背景干凈，波組特征清晰，目的層反射層次分明，構(gòu)造形態(tài)刻畫清晰，山前隱覆帶目標背斜刻畫清晰，取得了較好的勘探效果（圖9）。

圖9 新（a）老（b）成果對比Fig.9 Comparison of new(a)and old(b)results

表1 準南山前二三維新老觀測系統(tǒng)參數(shù)對比Table 1 Comparison of the parameters of the new and old observation systems in the two and three dimensions of the Zhunnan piedmont

因此，我們認為在南緣地表條件起伏多變，地下構(gòu)造復雜，尤其在構(gòu)造形變較為劇烈的山前構(gòu)造帶，采用單點檢波器，結(jié)合小面元、高覆蓋、寬方位的高密度觀測系統(tǒng)進行接收，可取得較好的勘探效果[20]，在提高資料成像品質(zhì)的同時，大幅度提高勘探時效，助力南緣深大構(gòu)造的油氣發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)論

（1）在準噶爾盆地南緣低信噪比區(qū)，單點接收與小道距、小面元、高覆蓋等提高信噪比的方法結(jié)合使用，可取得不弱于組合接收資料效果，能滿足南緣高陡構(gòu)造的勘探需求。

（2）南緣山前構(gòu)造帶地表條件十分復雜，地下構(gòu)造破碎，構(gòu)造變形嚴重，各種不規(guī)則次生干擾較為發(fā)育，單炮信噪比低，需要通過多種處理手段提高資料信噪比，結(jié)合高覆蓋密度觀測系統(tǒng)，提高地震資料成像效果。

（3）低信噪比復雜構(gòu)造采集是系統(tǒng)工程，無論單點接收還是組合接收，都與觀測系統(tǒng)、激發(fā)方式有著密不可分的聯(lián)系。單點接收對于覆蓋密度的依賴性更強，要充分體現(xiàn)兩寬一高的采集方式才能得到較好勘探效果。