地震數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場實時輸出附地質(zhì)層位單炮記錄的智能方法

胡 峰 窩聿楷 梁順軍* 陳江力 張曉斌 敬龍江

(①東方地球物理公司西南物探分公司，四川成都 610213； ②西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

在地震勘探數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，技術(shù)人員通常采用“相面法”分析、評價單炮記錄質(zhì)量[1]，但對反射同相軸對應(yīng)的地質(zhì)層位并不明確，因此對單炮記錄中各層位的反射能量和信噪比的分析缺少針對性。諸多相關(guān)文獻[2-10]在分析和評價實際單炮記錄質(zhì)量及反射特征時，因單炮記錄未做地質(zhì)層位標(biāo)定，其分析的目的性不強。目前中國國內(nèi)大多數(shù)油氣田開發(fā)進入中晚期，對地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和所能達到的勘探精度提出更高要求，尤其對目的層地震資料品質(zhì)提出更高要求。因此，在單炮記錄上標(biāo)定地質(zhì)層位，對地震數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集具有實際意義，而且也可解決室內(nèi)數(shù)據(jù)處理人員的迫切需求。

通過VSP、合成記錄對地震剖面進行層位標(biāo)定，是常規(guī)地震資料解釋的重要環(huán)節(jié)，且已有相應(yīng)的成熟方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但對單炮記錄進行地質(zhì)層位標(biāo)定，尚鮮見相關(guān)文獻，目前基本處于空白階段。在單炮記錄上標(biāo)定層位，從地震勘探原理和方法看是可行的。但采用人工標(biāo)定單炮記錄方法通常是在室內(nèi)進行，且時效低，不能及時有效地應(yīng)用于地震采集現(xiàn)場，因此不能對實時采集的單炮記錄目標(biāo)反射層位品質(zhì)做出合理的評價。進入21世紀后，石油物探技術(shù)逐漸走向自動化、智能化數(shù)據(jù)采集、處理和解釋時代[11-12]。在地震數(shù)據(jù)采集中，采用地震單炮記錄地質(zhì)層位智能快速標(biāo)定方法與技術(shù)，利用計算機大數(shù)據(jù)運算、處理能力，能實時自動標(biāo)定單炮記錄地質(zhì)層位，有助于從地質(zhì)認識角度，結(jié)合信噪比、分辨率及能量，監(jiān)控單炮記錄質(zhì)量，從而實現(xiàn)高質(zhì)、高效的地震數(shù)據(jù)采集。近年來，該方法在四川盆地多個區(qū)域地震數(shù)據(jù)采集中，取得了良好的效果[13]。

1 單炮地質(zhì)層位標(biāo)定原理

1.1 水平疊加時間剖面與單炮記錄反射層位關(guān)系

依據(jù)地震勘探原理，水平疊加時間剖面(簡稱疊加剖面)上任意CMP點記錄時間和單炮記錄極小點時間(激發(fā)點時間)都是“自激自收”時間，因此可采用疊加剖面的層位標(biāo)定單炮記錄層位[14]。對于水平層狀界面(均勻介質(zhì))，單炮記錄反射同相軸為雙曲線，其極小點與激發(fā)點位置基本重合； 對于傾斜或彎曲界面(非均勻介質(zhì))，單炮記錄反射同相軸可能為非雙曲線，其極小點可能向界面上傾方向偏離一定距離，單炮記錄反射同相軸極小點與激發(fā)點位置不重合。利用VSP、聲波合成記錄和鉆井資料，標(biāo)定偏移時間剖面地質(zhì)層位，進而可確定疊加剖面地質(zhì)層位。將疊加剖面地形線作為單炮記錄計時零線(圖1)，確定單炮記錄極小點在疊加剖面上的位置，要求疊加剖面與單炮記錄的時間縱向比例一致，然后將解釋層位投影到單炮記錄上，從而實現(xiàn)單炮記錄層位標(biāo)定。為了突出效果，圖1只標(biāo)定了強反射標(biāo)志層。對于弱反射層或非標(biāo)志反射層，只要VSP、聲波合成記錄能確定其對應(yīng)地質(zhì)層位，疊加剖面與單炮記錄層位也是一一對應(yīng)的，因此單炮記錄也可標(biāo)定弱反射或非標(biāo)志反射層的地質(zhì)層位。

圖1 利用(川東DCG構(gòu)造)疊加剖面(b)標(biāo)定單炮記錄(a、c)

1.2 偏移時間剖面與疊加時間剖面的層位關(guān)系

從理論及方法上看，疊加剖面標(biāo)定單炮記錄層位比偏移時間剖面精度高。但一般地震資料解釋，都是在偏移時間剖面上標(biāo)定層位，對比追蹤反射同相軸[15]，確定構(gòu)造解釋方案，進而完成儲層和裂縫預(yù)測。因此， 難以廣泛、方便地應(yīng)用疊加剖面標(biāo)定單炮記錄層位。但在一定誤差范圍內(nèi)，用偏移時間剖面標(biāo)定單炮記錄層位更方便、快捷。應(yīng)用偏移時間剖面和疊加剖面標(biāo)定單炮記錄，需厘清時間剖面T0時間與t0時間及其時差Δt、T0圖與t0圖以及埋時T0u圖與埋時t0u圖等基本概念。

1.2.1T0與t0時間

T0是指偏移時間剖面中，水平接收面鉛垂向下反射界面的雙程旅行時間；t0是指疊加剖面中，反射界面自激自收的雙程旅行時間。

若地下界面是水平的，偏移時間剖面T0時間等于疊加剖面t0時間，此時疊加剖面能直觀地反映地下構(gòu)造形態(tài)(圖2a)。當(dāng)界面傾斜時，疊加剖面反射層與地下真實構(gòu)造形態(tài)和空間位置并非完全一致(圖2b)，疊加剖面上的反射同相軸R′偏離界面的真實位置R。疊加剖面總是把記錄道顯示在共中心點的鉛垂方向上，即共反射點位置偏離了共中心點下方的鉛垂線，偏移時間剖面T0時間大于疊加剖面t0時間。

圖2 水平界面(a)和傾斜界面(b)情形下T0時間與t0時間示意圖

1.2.2 用偏移時間剖面標(biāo)定單炮記錄誤差分析

由于界面傾斜，同一CMP點的T0時間與t0時間兩者之間存在時差Δt(圖3)，Δt與界面真傾角θm(θ為界面視傾角)之間存在關(guān)系

(1)

顯然，Δt隨地層傾角、埋深增大而增大(圖4)。當(dāng)?shù)貙觾A角為0°時，Δt=0。故在允許的誤差內(nèi)，可用T0代替t0，即采用已有的偏移時間剖面反射層位和T0時間，方便地標(biāo)定單炮記錄層位。

常規(guī)地震勘探縱向分辨率為Δt=T/4(T為視周期)，因此層位標(biāo)定的誤差可定為T/4，在有井約束條件下可達到T/8。室內(nèi)資料解釋層位標(biāo)定要求具有很高的精度，誤差范圍是T/8～T/4。對于現(xiàn)場單炮記錄層位標(biāo)定，不同于室內(nèi)資料解釋，只需知道主要目的層位相對位置和時間即可，可適度降低層位標(biāo)定精度，其誤差范圍可擴大到T/2～T。設(shè)常規(guī)地震剖面反射同相軸周期T=30ms，則室內(nèi)地震剖面層位標(biāo)定誤差為3.75～7.50ms，單炮記錄層位標(biāo)定誤差為15～30ms。

圖3 T0與t0時間關(guān)系示意圖

圖4 不同t0下Δt隨地層傾角變化

中國石油集團東方地球物理公司西南物探分公司在四川盆地地震數(shù)據(jù)采集中，基于地震勘探縱向分辨率，以單炮記錄層位標(biāo)定誤差15～30ms為依據(jù)，用T0代替t0標(biāo)定單炮記錄層位，并設(shè)定以下參考標(biāo)準(zhǔn)：

(1)當(dāng)界面平緩(0°≤θm≤10°)時，用T0值標(biāo)定單炮記錄層位的誤差較小，可用T0值代替t0值標(biāo)定單炮記錄層位；

(2)當(dāng)界面較陡傾(θm>10°)時，用T0值標(biāo)定單炮記錄層位的誤差較大，而應(yīng)選用t0值標(biāo)定單炮記錄層位。

若要消除傾斜(θm)界面T0時間標(biāo)定層位誤差，用下式求取校正后t0值，即可精確標(biāo)定地質(zhì)層位

t0=T0cosθm

(2)

1.2.3 時間剖面T0、t0圖與埋時T0u、埋時t0u圖

地震資料解釋中，為表征時間域構(gòu)造形態(tài)，通常采用固定面作為計時零線，將以偏移時間剖面繪制的構(gòu)造圖稱為T0圖，以疊加剖面繪制的構(gòu)造圖稱為t0圖。

圖5 固定面(a)和地形線(b)兩種作圖方法(位置見圖6a)

圖6 兩種基準(zhǔn)面作圖方法的S1l界面形態(tài)(蜀南CN地區(qū))(a)地貌； (b)T0圖； (c)埋時T0u圖

據(jù)1.1節(jié)所述，若用偏移時間剖面標(biāo)定地震單炮記錄層位，也需采用地形線到某一層反射界面時間值，因此需將地形線作為計時零線，拾取偏移時間剖面時間值，稱為埋時T0u值(圖5b)，對應(yīng)的反射界面平面圖稱為埋時T0u圖(圖6c)；用疊加剖面作圖稱為埋時t0u圖。當(dāng)?shù)孛嫠綍r，T0圖和埋時T0u圖的平面構(gòu)造形態(tài)相同。

2 單炮地質(zhì)層位智能標(biāo)定方法

人工標(biāo)定單炮記錄方法因速度慢、效率低，不能及時高效地應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場。因此，需探尋快速、有效的單炮記錄層位標(biāo)定方法，即每放一炮，儀器就輸出帶有地質(zhì)層位的單炮記錄。通過采用地震單炮記錄地質(zhì)層位智能標(biāo)定方法和流程(圖7)，可達到此目的。

2.1 建立四維地震數(shù)據(jù)體

解釋工區(qū)以往的偏移時間剖面，用VSP或聲波合成記錄標(biāo)定目的層的地質(zhì)層位，對比追蹤反射同向軸，以地形線作為計時零線，固定面與地形線之間速度為靜校正充填速度4000m/s(四川盆地)，從而編繪目的層的埋時T0u圖。

將實測炮點坐標(biāo)(x，y，z)投影到目的層埋時T0u圖，以(x，y，z，T0u)格式將工區(qū)地形、炮點、地層代號與T0u值融合，構(gòu)建工區(qū)單炮記錄層位標(biāo)定(地形、炮點、地質(zhì)層位與埋時T0u圖)四維地震數(shù)據(jù)體，輸入到“地震單炮記錄地質(zhì)層位智能標(biāo)定模塊(SIGR)”中。

圖7 人工智能快速單炮記錄層位標(biāo)定流程

2.2 實時標(biāo)定單炮記錄地質(zhì)層位

2.2.1 二維單炮記錄層位標(biāo)定

在二維地震數(shù)據(jù)采集施工(圖8a)中，依據(jù)觀測系統(tǒng)有序放炮，獲得單炮記錄(圖8b)； 應(yīng)用SIGR模塊，地震儀器自動確定炮點坐標(biāo)(x，y，z)，自動讀取當(dāng)前監(jiān)控炮點道頭坐標(biāo)、各反射層T0u時間和對應(yīng)的地質(zhì)層位(圖8c)，進而標(biāo)定并輸出相應(yīng)的單炮記錄地質(zhì)層位(圖8d)。在二維勘探中，放一炮對應(yīng)一個排列接收，輸出一張單炮記錄。

圖8 地震數(shù)據(jù)采集智能標(biāo)定單炮層位示意圖(二維)(a)實時采集； (b)單炮記錄； (c)自動層位標(biāo)定； (d)有層位單炮記錄

2.2.2 三維單炮記錄層位標(biāo)定

在三維地震勘探中，采用一點激發(fā)多線接收(圖9a)方式，輸出多張單炮記錄。沿著炮線，Ln接收線上的單炮記錄極小點(各接收線離炮點最近距離)的連線(或包絡(luò)線)仍具有雙曲線性質(zhì)的時距曲線，可稱為大時距雙曲線(h為共中心點垂直深度)

(3)

同炮不同排列的單炮反射波時距曲線，可稱為小時距雙曲線(圖9b、圖10)。利用這一特點，在三維單炮記錄標(biāo)定中，將地震反射層位標(biāo)注到最近接收線(過炮點排列L0，相當(dāng)于二維觀測系統(tǒng))單炮記錄極小點處，如要標(biāo)定遠接收排列Ln的單炮記錄地質(zhì)層位，則需利用動校正公式

圖9 三維連續(xù)單炮記錄時距曲線示意圖(a)觀測系統(tǒng)； (b)連續(xù)單炮記錄

圖10 實際三維連續(xù)單炮記錄時距曲線(蜀南NC向斜)

(4)

圖11 三維連續(xù)單炮層位標(biāo)定示意圖

將近炮T0u時間作相應(yīng)延遲Δtn(圖11)，即是將地質(zhì)層位代號沿大時距雙曲線進行時移Δtn，便得到三維各排列的單炮層位標(biāo)定記錄。式(4)中根號內(nèi)第三項正負號的選擇：規(guī)定界面的上傾方向與排列接收方向一致時，取負值； 反之取正值。

3 應(yīng)用及效果

利用單炮層位智能標(biāo)定模塊，在儀器車上即可實現(xiàn)監(jiān)控有地質(zhì)層位的單炮記錄質(zhì)量。以蜀南CN三維地震施工為例(圖12)，單炮記錄上已標(biāo)定層位的反射層信噪比高，能量強，同相軸連續(xù)，獲得了上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)—志留系龍馬溪組(S1l)的淺、中、深層地震反射資料，反映了工區(qū)單炮地震資料品質(zhì)良好，達到了施工設(shè)計的質(zhì)量要求，完成了針對龍馬溪組頁巖層地震數(shù)據(jù)采集任務(wù)，為后續(xù)地震資料處理、解釋及提交可靠的地震成果打下了良好的基礎(chǔ)。

圖12 蜀南CN地區(qū)三維地震單炮記錄層位標(biāo)定(a)三維單炮記錄； (b)埋時T0u圖

4 結(jié)論與認識

(1)采用地震單炮記錄地質(zhì)層位實時智能標(biāo)定方法，能實時監(jiān)控單炮記錄目標(biāo)反射層品質(zhì)，從采集處理解釋一體化角度出發(fā)，科學(xué)合理地評價單炮記錄質(zhì)量，從而確保高質(zhì)量完成數(shù)據(jù)采集。

(2)該方法是基于埋時T0u圖時間值，對單炮記錄做地質(zhì)層位標(biāo)定，無論工區(qū)資料信噪比高或低，同相軸強、弱或是否連續(xù)，都可進行層位標(biāo)定。

(3)在單炮記錄上標(biāo)定地質(zhì)層位，有助于處理人員針對勘探目標(biāo)開展精細疊前處理，提高剖面成像精度，滿足油田精細勘探開發(fā)的需求。