二維彎線采集中測(cè)線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

劉軍勝

(中石化 石油工程地球物理有限公司,北京 100000)

0 引言

在復(fù)雜地形區(qū)域二維地震資料采集中(如在山地、黃土塬、水網(wǎng)、城鎮(zhèn)等區(qū)域),為了克服各種障礙物的影響,炮檢點(diǎn)變觀設(shè)計(jì)、折線施工、非縱觀測(cè)、彎線采集等方法得到廣泛地應(yīng)用[1-2]。相較于其他三種方法,彎線采集是最“友好”的施工方式。國(guó)內(nèi)學(xué)者自上世紀(jì)70年代開(kāi)始至今[3],對(duì)彎線施工的采集方法、資料處理、解釋方法做了大量地研究。陸上石油地震勘探資料采集技術(shù)規(guī)程中明確了二維地震采用折線或彎線施工時(shí),測(cè)線拐角和邊長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)CMP離散度確定,一般測(cè)線轉(zhuǎn)折方位角采用8°、16°、30°的遞進(jìn)方式,轉(zhuǎn)折點(diǎn)為激發(fā)點(diǎn)或接收點(diǎn),嚴(yán)重彎曲的地段應(yīng)增加覆蓋次數(shù)。頁(yè)巖氣調(diào)查地震資料采集與處理技術(shù)規(guī)程中指出彎線施工時(shí),物理點(diǎn)的橫向偏移距應(yīng)小于第一菲尼爾帶半徑。楊慶道等[4]則對(duì)彎線地震勘探技術(shù)應(yīng)用中采集和處理的問(wèn)題進(jìn)行了梳理和分析,提出“能直不彎、轉(zhuǎn)折角能小不大、轉(zhuǎn)折角太大時(shí)測(cè)線能交不連”的彎線設(shè)計(jì)原則,并提出以面元聚斂響應(yīng)作為指標(biāo),對(duì)炮檢路徑進(jìn)行優(yōu)化;強(qiáng)正陽(yáng)[5]總結(jié)了彎線設(shè)計(jì)應(yīng)滿足時(shí)間、空間、最大離散距等要求; 郭曉濱等[6]提出“三步法”靜校正解決處理方面的問(wèn)題。國(guó)外學(xué)者M(jìn)laden R. Nedimovic等[7-8]提出了振幅疊加和Cross-dip疊加方法,解決彎線處理的問(wèn)題,并提出了振幅疊加和CDMO校正量的計(jì)算公式。

就彎線設(shè)計(jì)而言,常規(guī)做法是炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)沿著相同的路徑布設(shè),這樣限制了CMP點(diǎn)的優(yōu)化。在2017年某項(xiàng)目中,筆者根據(jù)甲方要求設(shè)計(jì)了炮檢點(diǎn)沿不同路徑的寬彎線(三線一炮)施工方案,炮點(diǎn)為沿著道路均勻布設(shè)的震源點(diǎn),中心檢波線則為炮點(diǎn)線的中位線,兩側(cè)檢波線與中心檢波線平行。該設(shè)計(jì)在有效解決了檢波點(diǎn)施工問(wèn)題的同時(shí),也使CMP線得到了優(yōu)化,取得了較好的效果。筆者將以檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)沿不同路徑布設(shè)的思路,以某山地項(xiàng)目測(cè)線為例,利用Mladen R. Nedimovic等[7]提出的CDMO(橫向傾角時(shí)差校正)算式,針對(duì)主要目的層的有效CMP點(diǎn)進(jìn)行反演、正演運(yùn)算,找出檢波線和CMP線的最優(yōu)解。同時(shí)將通過(guò)分析不同面元尺寸下,目的層覆蓋次數(shù)的變化來(lái)判斷新測(cè)線CMP的收斂特性。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

1.1 研究區(qū)地震地質(zhì)條件

在某山地二維測(cè)線的施工中,測(cè)線穿越大范圍的無(wú)人區(qū)且地形切割劇烈。工區(qū)內(nèi)的山體走向主要為南北向,綿延數(shù)為60 km,東西向則約6 km～7 km。研究測(cè)線屬于南北向聯(lián)絡(luò)測(cè)線,測(cè)線位于山中腹地,長(zhǎng)約18 km,山中無(wú)任何道路,僅能依托山間南北向溝谷進(jìn)行設(shè)備和人員運(yùn)輸。測(cè)線為位于某平緩背斜的一翼,沿測(cè)線方向地層平緩,且傾角近視為零。垂直測(cè)線方向存在較小傾角,約5°左右地層傾角。原設(shè)計(jì)和施工方案為利用溝谷等地形,在盡量降低轉(zhuǎn)折角的基礎(chǔ)上,根據(jù)“五避五就”的原則優(yōu)選激發(fā)線,然后以激發(fā)線上對(duì)物理點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,均勻布設(shè)檢波點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)疊加處理以后,淺層剖面資料顯示相鄰的數(shù)個(gè)CMP點(diǎn)波形與附近CMP波形一致性較差,有多相位,弱相位等問(wèn)題(圖1)。

圖1 測(cè)線淺層初疊剖面(部分) Fig.1 Line brute stack section of shallow layer(partial)

分析原因認(rèn)為,由于地層存在一定的傾角且CMP點(diǎn)位置離散的問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)資料處理做了動(dòng)校正以后,不能完全消除共中心點(diǎn)炮集或道集的時(shí)差。如圖2所示,CMP1、CMP2經(jīng)過(guò)NMO以后仍然存在時(shí)差,當(dāng)t0′-t0>T/4時(shí)疊加會(huì)產(chǎn)生空間假頻。在這種情況下,多CMP點(diǎn)疊加不但不能提升資料信噪比,反而會(huì)削弱信號(hào)。此時(shí)需要進(jìn)行CDMO處理,計(jì)算離散CMP點(diǎn)的靜校正量,消除空間假頻的影響。針對(duì)該區(qū)單一樣式的構(gòu)造形態(tài),CDMO校正量能夠準(zhǔn)確地計(jì)算。然而,隨著構(gòu)造條件的復(fù)雜化,每個(gè)CMP點(diǎn)的靜校正量的準(zhǔn)確計(jì)算難度逐漸增大,筆者認(rèn)為選擇合理的彎線設(shè)計(jì)參數(shù),從設(shè)計(jì)源頭盡量減少空間假頻的出現(xiàn),同時(shí)輔以CDMO校正是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖2 CMP點(diǎn)時(shí)差示意圖Fig.2 Time difference diagram of different CMP

1.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

假設(shè)傳播介質(zhì)為均勻介質(zhì),速度為V,針對(duì)平面反射界面,炮檢點(diǎn)的雙程旅行時(shí)t與共中心點(diǎn)CMP處的t0之間的關(guān)系可以表示為式(1)。

t2(x,y,h)=(t0(x)+pyy)2+p2h2

(1)

式中:x為沿CMP線的偏移量;y為垂直CMP線方向的偏移量;h為炮檢距;py為垂直CMP線方向的慢度;pyy為垂直CMP線方向產(chǎn)生的時(shí)差,也就是CDMO量;p為平行測(cè)線方向的慢度。

Mladen R. Nedimovic[5]給出了詳細(xì)的py和p的計(jì)算公式,并進(jìn)行了簡(jiǎn)化,見(jiàn)式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中:θx為平行CMP線方向的地層視傾角;θy為垂直CMP線方向的地層視傾角。

常規(guī)動(dòng)校正和傾角時(shí)差校正能夠消除由炮檢距產(chǎn)生的影響,即p2h2,但無(wú)法消除pyy。y是彎線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。|pyy|

(4)

為了有效消除空間假頻影響,要求同一面元內(nèi)的任意兩個(gè)CMP點(diǎn)的離散距離均要小于y。即對(duì)于大小為dx*dy的面元,dx為道距的1/2,而dy應(yīng)小于y。利用研究測(cè)線的地層參數(shù)計(jì)算y量,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 研究測(cè)線的地層參數(shù)及y量Tab.1 Layer parameters and y value of analyzed line

1)偏移距。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最大偏移距為4 000 m,而實(shí)際滿足該測(cè)線主要目的層的最大偏移距達(dá)到2 000 m即可。偏移距在2 000 m～4 000 m之間炮檢點(diǎn)產(chǎn)生的CMP點(diǎn)可視為冗余CMP點(diǎn)。圖3為不同偏移距下CMP點(diǎn)分布圖,可以看出原設(shè)計(jì)測(cè)線存在大量的冗余點(diǎn)。在測(cè)線優(yōu)化時(shí)應(yīng)暫不考慮2 000 m～4 000 m范圍內(nèi)的冗余點(diǎn),否則將會(huì)影響CMP擬合線的選擇,最終影響整體測(cè)線優(yōu)化效果。

圖3 不同偏移距CMP點(diǎn)分布圖(局部) Fig.3 CMP distribution maps of different offset (partial)

2)面元尺寸。針對(duì)不同目的層,選擇合適的面元,剔除面元外CMP點(diǎn),進(jìn)而分析不同面元尺寸下的有效覆蓋次數(shù),可以作為測(cè)線優(yōu)化程度的判定標(biāo)準(zhǔn)。在資料處理時(shí),也可以根據(jù)面元尺寸進(jìn)行不同偏移距和面元尺寸的分批疊加處理。若面元外的CMP點(diǎn)仍較多,則需考慮進(jìn)行CDMO校正。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果,150 m為保障研究測(cè)線目的層資料的最優(yōu)離散距。本次分析則選擇面元尺寸12.5 m*150 m和12.5 m*300 m進(jìn)行對(duì)比,研究?jī)?yōu)化效果和改進(jìn)方向。

2 測(cè)線優(yōu)化流程及應(yīng)用效果

在炮點(diǎn)線和檢波點(diǎn)線一致的情況下,我們可以通過(guò)正演模擬分析,利用最小二乘法擬合出最優(yōu)的CMP線,從而實(shí)現(xiàn)面元內(nèi)CMP點(diǎn)的最大程度收斂。而當(dāng)炮點(diǎn)線和檢波點(diǎn)線可以分離時(shí),測(cè)線優(yōu)化空間顯著增加。對(duì)于固定的檢波點(diǎn)或者炮點(diǎn),選取初始CMP線,通過(guò)如圖4所示的流程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)物理點(diǎn)和CMP線的優(yōu)化。以研究測(cè)線為例分析部分關(guān)鍵流程和應(yīng)用效果。

圖4 技術(shù)路線和流程Fig.4 Technical route and flow chart

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段主要需要輸入物理點(diǎn)、初始CMP線、偏移距、面元尺寸、檢波點(diǎn)范圍、炮點(diǎn)范圍、施工模式(滾進(jìn)或滾出)、分段擬合方式和斷點(diǎn)等參數(shù)。研究測(cè)線的炮點(diǎn)是實(shí)際鉆井點(diǎn)位,作為固定物理點(diǎn),初始CMP線為根據(jù)原始檢波點(diǎn)由設(shè)計(jì)軟件OMNI 3D彎線設(shè)計(jì)模塊計(jì)算的CMP線。項(xiàng)目施工模式為滾進(jìn)滾出的模式。分段擬合方式和斷點(diǎn)則是通過(guò)對(duì)初始CMP點(diǎn)進(jìn)行回歸和擬合分析得出的最優(yōu)擬合方式,本測(cè)線為三次、四次多項(xiàng)式分兩段分別擬合。

2.2 迭代運(yùn)算

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢以后,利用程序?qū)?duì)物理點(diǎn)和CMP點(diǎn)進(jìn)行不斷的正演、反演迭代優(yōu)化,隨著擬合次數(shù)的增加,測(cè)線的擬合優(yōu)度、回歸平方和逐漸減小,斷點(diǎn)處的CMP線分段擬合誤差也逐漸減小(圖5)。當(dāng)擬合優(yōu)度和回歸平方和變化較小時(shí),可認(rèn)為擬合得到近視最優(yōu)解。隨著迭代的繼續(xù)增加,反而會(huì)出現(xiàn)測(cè)線端點(diǎn)處擬合度降低的問(wèn)題(圖6),這種現(xiàn)象在非滾進(jìn)滾出的情況下更為突出。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試分析,選擇三次迭代進(jìn)行正反演模擬運(yùn)算。

圖5 斷點(diǎn)附近擬合結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of fitted results near breakpoint

圖6 端點(diǎn)附近擬合結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of fitted results near endpoint

2.3 不同面元有效覆蓋次數(shù)分析

利用程序計(jì)算不同面元位置和尺寸條件下,覆蓋次數(shù)的變化情況,驗(yàn)證目的層覆蓋次數(shù)的均勻性和有效覆蓋次數(shù)的變化。圖7為偏移距為2 000 m條件下的計(jì)算和對(duì)比結(jié)果。從圖7可以看出,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的測(cè)線覆蓋次數(shù)均勻性、150 m范圍內(nèi)離散度等方面得到顯著提升,CMP151-650段和CMP1146-1350段效果最為明顯。然而,CMP 654-837和CMP932-1148段改善不明顯,即使重新選擇初始CMP線進(jìn)行二次優(yōu)化后仍然得到相似的結(jié)果。分析主要原因?yàn)樵搮^(qū)域炮點(diǎn)成連續(xù)“S”型大范圍偏移,CMP點(diǎn)難以有效收斂(圖8)。CMP和檢波點(diǎn)優(yōu)化不能有效解決這一區(qū)域的問(wèn)題,可通過(guò)加強(qiáng)CDMO攻關(guān)處理、調(diào)整炮點(diǎn)位置或者加密炮點(diǎn)等三種方式實(shí)現(xiàn)離散CMP點(diǎn)的疊加,提升目的層有效覆蓋次數(shù),進(jìn)而保障資料品質(zhì)。

圖7 不同面元尺寸線測(cè)線優(yōu)化前后有效覆蓋次數(shù)對(duì)比(偏移距2 000 m)Fig.7 Effective folds comparison between different bin sizes before and after line optimization

圖8 CMP651-1145不同偏移距物理點(diǎn)和CMP點(diǎn)分布Fig.8 Shots, receivers, CMP distribution comparison of different offset of CMP651-1145

3 結(jié)論

筆者提出了一種以提升CMP收斂度為目標(biāo)的二維彎線采集測(cè)線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,能夠改善彎線采集資料品質(zhì)。通過(guò)研究分析,認(rèn)為彎線采集中應(yīng)注意以下問(wèn)題:

1)合理的測(cè)線設(shè)計(jì)是彎線二維施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)中應(yīng)針對(duì)測(cè)線的主要目的層參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)論證分析,靈活優(yōu)化物理點(diǎn),在提升CMP點(diǎn)收斂度的基礎(chǔ)上,提升目的層有效覆蓋次數(shù)。

2)彎線設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免連續(xù)的“S”型彎折。大偏移量的“S”型彎折,一方面會(huì)造成淺層覆蓋次數(shù)的缺少或嚴(yán)重降低;另一方面影響CMP點(diǎn)收斂度,造成CDMO量的急劇增大,降低資料的可信度。

3)檢波點(diǎn)、炮點(diǎn)、CMP點(diǎn)之間的迭代正演、反演計(jì)算,輔以擬合分析能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)線的不斷優(yōu)化。而編程軟件中的擬合回歸分析、方程求根、循環(huán)計(jì)算等算法也促進(jìn)了測(cè)線自動(dòng)優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)。

4)在復(fù)雜構(gòu)造帶或陡傾角地層區(qū)域應(yīng)盡量避免彎線設(shè)計(jì)或僅采用小彎折施工。若采用彎線采集,資料處理階段需不斷開(kāi)展CDMO校正攻關(guān),提升疊加資料的可靠性。