可控震源升降頻同步掃描高效采集技術(shù)及其應(yīng)用效果

盧光年，孫曉英，孫夢，劉陽

1.中國石油吐哈油田分公司 勘探事業(yè)部（新疆 哈密 839009）2.新疆職業(yè)大學(xué) 師范學(xué)院（新疆 烏魯木齊 830000）3.中國石油東方地球物理公司 吐哈物探處分公司（新疆 哈密 839009）

1 技術(shù)背景

2010—2019年吐哈油田共部署18塊三維地震勘探，滿覆蓋面積共3 478.31 km2，平均三維勘探面積約193.24 km2，炮道密度從20多萬道增長到200萬道左右，準(zhǔn)東SHG三維更是達(dá)到479萬道（圖1）。

圖1 近年吐哈油田三維部署面積與炮道密度

三維勘探炮道密度的增長促進(jìn)高效采集技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，吐哈探區(qū)可控震源采集技術(shù)可分為4個階段：

在第1階段（2010年），采用可控震源常規(guī)激發(fā)[1]，平均日效400炮。

在第2階段（2011年），采用可控震源交替掃描技術(shù)激發(fā)，將平均日效提高到1 150炮。

在第3階段（2012—2018年），采用可控震源滑動掃描技術(shù)激發(fā)，平均日效達(dá)到2 600炮左右。

在第4階段（2019年），采用可控震源動態(tài)掃描技術(shù)激發(fā)[2]，平均日效達(dá)到4 000炮以上。

尤其是2019年準(zhǔn)東區(qū)塊SHG三維，借助可控震源動態(tài)掃描技術(shù)10組震源平均日效高達(dá)5 610炮，首次實現(xiàn)了小面元（12.5 m×12.5 m）、覆蓋密度達(dá)478.72萬次/km2三維地震采集，地震資料品質(zhì)改善明顯，取得了較好的地質(zhì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

然而根據(jù)T-D統(tǒng)計和克朗模擬分析（圖2），SHG三維日效主要來源于10 s滑動掃描方式激發(fā)，實際激發(fā)最高日效6 749炮與克朗模擬滑動掃描7 040炮非常接近，而克朗模擬同樣T-D參數(shù)10組震源動態(tài)掃描日效為16 580炮，比實際平均生產(chǎn)效率高3倍。主要原因動態(tài)掃描技術(shù)是將交替掃描、滑動掃描和距離分離同步掃描綜合在一起的技術(shù)，比滑動掃描生產(chǎn)效率的提升，主要來源于距離分離同步掃描技術(shù)的使用[3]。距離分離同步掃描技術(shù)需要可控震源組空間距離大到其最深目的層反射相互不干擾[4]，一般要求大于2倍的最大炮檢距再加2 km，石樹溝三維按此計算要大于14.1 km，受三維部署面積和距離分離同步掃描技術(shù)的限制無法發(fā)揮動態(tài)掃描技術(shù)的全部優(yōu)勢。因此對于一次部署面積不大的高密度地震勘探，還亟待一種突破距離分離同步掃描技術(shù)限制的高效采集技術(shù)。

圖2 SHG三維部署圖與生產(chǎn)效率統(tǒng)計對比

2 基本原理

可控震源升降頻同步掃描技術(shù)，是通過位于不同炮點兩組震源，采用不同的掃描方式：升頻或降頻掃描方式，其他掃描參數(shù)完全相同同步激發(fā)，接收排列為滿足每組震源接收的超級排列，記錄含有升頻和降頻地震信號的未相關(guān)地震數(shù)據(jù)，再通過對應(yīng)升頻或降頻掃描信號進(jìn)行相關(guān)實現(xiàn)波場分離，進(jìn)行排列分割，形成各自炮點相關(guān)記錄的技術(shù)（圖3）。

圖3 升降頻同步掃描技術(shù)未相關(guān)記錄與分離后記錄

2.1 形成機(jī)制

在地震信號處理中，地震道是地震子波與地層反射系數(shù)序列的褶積?？煽卣鹪吹挠涗浭堑孛嬲駝有盘柵c掃描信號的相關(guān)分析對比[5]，因此當(dāng)?shù)叵碌貙訛閮蓪咏橘|(zhì)反射系數(shù)為1的簡單模型時，掃描信號相關(guān)分析對比（圖4），可以看作是模擬反射地震道的分析。

圖4 不同掃描信號與相關(guān)前后分對比

采用升頻或是降頻的掃描方式（圖4中1、3行），振動信和掃描信號一樣，其相關(guān)波形（自相關(guān)子波）是一致的，相關(guān)后時頻域一樣收斂為尖脈沖，這保證了同一個采集項目可以采用升頻、降頻兩種方式同時進(jìn)行采集，獲得相關(guān)后的記錄相一致。

可控震源升降頻同步激發(fā)時（圖4中2、4行），振動信號是升、降頻掃描信號的混合疊加，然后分別用升、降頻掃描信號進(jìn)行相關(guān)分離，相關(guān)子波中多了鄰炮干擾[6]，其振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相關(guān)子波主瓣振幅。相關(guān)后時頻域?qū)?yīng)掃描信號收斂為尖脈沖，另外混疊升、降信號成為線性的鄰炮干擾。除鄰炮干擾，同步激發(fā)分離后子波形態(tài)和頻寬與單獨采用升、降頻激發(fā)的一致，這保證了升降頻同步激發(fā)的可行性。

2.2 鄰炮干擾

從上述的模擬分析可知，升、降頻相關(guān)分離后存在鄰炮干擾，其振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相關(guān)子波主瓣振幅，在時頻域中為線性，斜率相反，大小相等，為掃描速率的一半，起止頻率與掃描信號一樣。實際相關(guān)后記錄長度為聽時間長度，留在相關(guān)后記錄的鄰炮干擾頻帶有限（圖5中第1行），頻帶范圍有以下計算關(guān)系。

圖5 鄰炮干擾信號模擬、升頻分離后記錄和升頻相記錄時頻譜對比

升頻分離后鄰炮干擾頻帶：

降頻分離后鄰炮干擾頻帶：

其中，F(xiàn)1為掃描最低頻率，F(xiàn)2為掃描最高頻率，Ts為掃描長度，Tl為聽時間。

可控震源升降頻同步激發(fā)分離升頻相關(guān)記錄與同一炮點只采用升頻掃描的相關(guān)記錄（圖5中第2、3行），鄰炮干擾表現(xiàn)為近炮點的中高頻干擾，通過時頻域和頻率域分析對比，與信號模擬保留聽時間范圍內(nèi)的鄰炮干擾頻帶一致。

綜上所述鄰炮干擾具有：振幅弱、頻帶分布可知、時頻譜中線性分布的特征，可以通過開發(fā)針對性的模塊進(jìn)行處理，也可以通過高覆蓋增強(qiáng)反射信號能量來壓制[7]。

2.3 實現(xiàn)方式

2.3.1 二維實現(xiàn)方式

升降頻同步掃描技術(shù)可以分居兩個不同炮點的震源成一組，組內(nèi)兩個震源分別采用升、降頻兩種掃描方式，“一炮雙響”同步激發(fā)，組間采用滑動掃描方式。共兩種組織方式:縱向組織方式和橫向組織方式（圖6），每組搬點距離都是40 m，滑動時間10 s。從統(tǒng)計炮間隔時間來看橫向組合效率更快，達(dá)到每炮（一炮雙響）平均40 s，按每天作業(yè)20 h計算日效可達(dá)1 800炮，3 600個炮點較以往采集效率高1倍。

圖6 升降頻同步掃描技術(shù)不同組織方式與炮間隔統(tǒng)計

由于目前還沒有針對的導(dǎo)航軟件，采用兩組模式導(dǎo)航平板不能直接分組，需要儀器對其進(jìn)行分組，每組選一臺震源為主震源進(jìn)行源驅(qū)放炮。平行分組不能保證每組震源平板都落地更容易產(chǎn)生廢振次，縱向分組是選擇后面一臺震源進(jìn)行源驅(qū)放炮，可以有效避免費振次的產(chǎn)生[8]，如果將來對導(dǎo)航軟件進(jìn)行升級就不會存在這種現(xiàn)象，目前來看縱向分組更符合生產(chǎn)需求。

2.3.2 三維實現(xiàn)方式

三維采集時，將炮點沿線束方向分成升頻和降頻掃描的兩個區(qū)塊，區(qū)塊長度最好大于最大炮檢距，這樣可以避免在分離記錄內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)鄰炮干擾，同一區(qū)塊內(nèi)震源采用滑動掃描技術(shù)進(jìn)行采集[9]，不同區(qū)塊的震源采用升降頻同步掃描技術(shù)采集。

實際采集時同動態(tài)掃描一樣按距離進(jìn)行控制：兩組震源距離大于或等于一個區(qū)塊長度時進(jìn)行同步激發(fā)；小于一個區(qū)塊長度時采用滑動掃描，這樣就可以用升降頻同步掃描技術(shù)替代以往動態(tài)掃描中的距離分離同步掃描，形成新動態(tài)掃描技術(shù)。由于其大大縮減了距離分離同步掃描中震源的空間距離，更適合有限部署面積三維地震勘探，從而大幅提高生產(chǎn)效率[10]。

3 應(yīng)用實例

自2019年初詹士凡首席專家提出思路，吐哈物探處經(jīng)過室內(nèi)模擬和點試驗，驗證了可控震源升降頻同步掃描技術(shù)的可行性，并依托吐哈盆地LB高精度三維項目，進(jìn)行了無滑動時間限制的升降頻混采段試驗，依托準(zhǔn)東SHG二維項目進(jìn)行“一炮雙響”方式升降頻同步激發(fā)段試驗，優(yōu)化了實施組織方式和驗證剖面疊加效果（圖7）。

圖7 準(zhǔn)東SHG二維試驗剖面對比

通過前期試驗2020年得到吐哈油田勘探公司認(rèn)可，4月在吐哈盆地TB-SQD二維項目TD2020-XX測線進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用（圖8），順利實現(xiàn)了縱向組合“一炮雙響”升降頻同步激發(fā)加組間滑動掃描方式。

圖8 吐哈TB-SQD剖面對比

TD2020-XX測線采用升降頻同步激發(fā)技術(shù)，增加炮點密度距，炮點距由40 m變?yōu)?0 m，覆蓋次數(shù)提高一倍達(dá)到3 000次。去除加油、繞路等時間，有效采集時效63炮/h（一炮雙響），126個炮點，相對其他測線40 m的炮點距，在增加炮點密度的情況下，采集效率基本一致。并且通過增加覆蓋次數(shù)現(xiàn)場處理剖面比以往三維資料，現(xiàn)場處理剖面淺層和深層資料都有提高，保障經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)了資料的地質(zhì)效果。

4 結(jié)論

通過研究和應(yīng)用表明，可控震源升降頻同步掃描技術(shù)進(jìn)一步提高了可控震源滑動掃描采集效率，并擴(kuò)大了動態(tài)掃描的應(yīng)用范圍。與其他同步掃描技術(shù)相比,升降頻同步掃描技術(shù)具有以下三方面的特點：

1）首次利用升降頻不同掃描方式實現(xiàn)同步激發(fā)，具有不受震源空間距離限制、數(shù)據(jù)分離簡單的特點。

2）可以利用現(xiàn)有的“一炮雙響”模式升級二維地震項目滑動掃描采集技術(shù)，替代距離分割同步掃描技術(shù)升級三維動態(tài)掃描技術(shù)，儀器放炮模式、作業(yè)模式無需太多改變，便于實施。

3）升降頻同步激發(fā)產(chǎn)生的鄰炮干擾，規(guī)律性強(qiáng)易針對性處理，衰減快影響范圍小易避讓。

下一步，將適機(jī)開展三維高密度項目中升降頻同步掃描技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步完善優(yōu)化三維實施方法。