新一代高精度地震技術(shù)的發(fā)展方向
——超密度地震技術(shù)

曲壽利

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京102206)

隨著我國油氣勘探開發(fā)的深入,勘探開發(fā)的目標(biāo)越來越深、越來越復(fù)雜。如塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地的海相碳酸鹽巖儲層,巖溶縫洞型、礁灘孔隙型、白云巖孔隙型儲層,以及中西部的致密碎屑巖儲層和頁巖油氣等。同時,復(fù)雜非常規(guī)油氣在油氣勘探開發(fā)中的占比日益增大[1-2]?？碧介_發(fā)目標(biāo)的復(fù)雜特征表現(xiàn)為地表與地下的“三復(fù)雜”,即復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜儲層,這給地震技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一是挑戰(zhàn)了常規(guī)地震成像理論方法,現(xiàn)行理論和方法不適用;二是挑戰(zhàn)了常規(guī)地震技術(shù)與流程,常規(guī)手段不能有效解決問題?？碧侥繕?biāo)“三復(fù)雜”問題制約了地震資料的精度。地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是后續(xù)地震資料處理和地震地質(zhì)解釋的基礎(chǔ),涉及到儀器、裝備、震源、觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、野外施工方式方法、投資費(fèi)用等多種因素。為了提高地震資料的精度,近年來,探索和應(yīng)用了很多新方法和新技術(shù),例如“兩寬一高地震技術(shù)”[3-4]、“高密度地震技術(shù)”[5]以及“小寬高”高密地震采集技術(shù)[6],另一方面是地震照明研究,改善目標(biāo)層數(shù)據(jù)的信噪比,以獲取目標(biāo)層更多的有效信號[7-8]?！叭龔?fù)雜”面臨的地震成像及油藏描述都要求新一代高精度地震勘探,要基于描述任意介質(zhì)中地震波傳播的波動理論和貝葉斯參數(shù)估計(jì)理論,“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[9]。趙邦六等[10]討論了單點(diǎn)地震采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。一些作者展示了高密度地震數(shù)據(jù)采集的實(shí)際應(yīng)用效果[11-14]。針對中國石油“十四五”面臨油氣藏開發(fā)八大油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo),強(qiáng)調(diào)地震數(shù)據(jù)采集將重點(diǎn)開展“寬頻、全方位、超高密度、高靈敏度單點(diǎn)”等技術(shù)[15]。這些方法針對特定的地質(zhì)目標(biāo),在特定的技術(shù)條件下,對于提高地震資料的精度發(fā)揮了重要作用。盡管地震技術(shù)有了長足的發(fā)展,但是,地震資料的精度依然滿足不了地質(zhì)家們對解決復(fù)雜油藏勘探開發(fā)問題的需求。那么,高精度地震技術(shù)向哪里走是地球物理工作者需要深思的一個重要問題。因此,針對復(fù)雜地質(zhì)體成像精度的需求,根據(jù)計(jì)算機(jī)和物探裝備的發(fā)展趨勢,提出了新的地震技術(shù)思路,即“超密度地震技術(shù)”。

1 超密度地震技術(shù)的提出

為了滿足越來越深、越來越復(fù)雜的勘探開發(fā)目標(biāo)對地震資料精度的需求,地震技術(shù)在不斷地發(fā)展和進(jìn)步。地震技術(shù)的應(yīng)用,由常規(guī)三維地震發(fā)展到高精度三維地震、再到高密度三維地震。圖1展示了中國石化近四十年來三維地震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用歷程。應(yīng)對“三復(fù)雜”勘探開發(fā)目標(biāo),高密度地震技術(shù)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

圖1 中國石化不同類型三維地震技術(shù)的發(fā)展歷程

所謂高密度地震采集技術(shù)[16-19],最顯著的標(biāo)志是高炮道密度,即每平方千米內(nèi)的總的激發(fā)接收道數(shù)較高,一般大于100×104道。從圖1可以看出,以炮道密度分類三維地震技術(shù)：一是常規(guī)三維,即在2005前常規(guī)采集的老三維地震資料,一般炮道密度小于20×104道/km2;二是高精度三維,即從2005以后,隨著地震裝備的發(fā)展,逐步提高炮道密度,直到2016年左右,采集高精度三維地震資料的炮道密度為(20～100)×104道/km2;三是高密度三維,約從2017年開始,為了提高復(fù)雜探區(qū)的地震資料質(zhì)量,逐步實(shí)施高密度三維地震采集,炮道密度大于100×104道/km2。我之前討論過的“小寬高”高密度地震采集技術(shù)[6],是指采用小道距、小面元,寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度的高密度地震采集技術(shù)。為了滿足地下復(fù)雜構(gòu)造成像的需求,必須對地質(zhì)體進(jìn)行高密度均勻采樣,盡量避免存在地震照明陰影。也就是說,地震野外采集時盡量得到更多、更全的波場信息,包括地表、地下的高密度均勻全方位采樣。如果沿用道密度來定義地震技術(shù),那么,未來的更高精度的地震技術(shù)就是炮道密度大于200×104道/km2的“超密度地震技術(shù)”。

地震資料的靜校正和成像精度,與去噪、速度建模、成像方法密切相關(guān),受復(fù)雜地表與復(fù)雜地質(zhì)體兩大因素的影響。復(fù)雜地表?xiàng)l件,如山地、沙丘、黃土塬等地表起伏大、近地表層速度縱橫向變化大,近地表速度模型層析反演結(jié)果的精度除了受方法的制約外,還要受地震數(shù)據(jù)采樣密度的制約。復(fù)雜地質(zhì)體條件,如小尺度縫洞、高陡斷裂、低序級小斷層、河道、小砂體等地質(zhì)體小、且埋深大,地震成像的精度除了受到地震成像方法技術(shù)本身的制約之外,也受到地震數(shù)據(jù)采樣密度的制約。因此,所謂“超密度地震技術(shù)”就是在高密度地震技術(shù)的基礎(chǔ)上,試圖通過提高地震數(shù)據(jù)的空間采樣密度,同時獲得滿足地表與地下又全、又好的地震數(shù)據(jù),以提高地表靜校正、去噪、近地表速度建模的精度,從而提高地下復(fù)雜地質(zhì)體的地震成像精度。為了說明超密度地震技術(shù)的有效性和可行性,本文開展了理論分析、模型正演試驗(yàn)、近地表采集試驗(yàn)分析,并給出了超密度地震技術(shù)的實(shí)施策略和相關(guān)配套技術(shù)。

2 超密度地震技術(shù)的理論依據(jù)

地震成像的水平分辨率,就是地震資料在橫向上能分辨地質(zhì)體的最小寬度,通常與Fresnel帶有關(guān)。Fresnel帶的定義如圖2所示。假設(shè),地層厚度為h;速度為v;T0和T1分別是相差半個周期的時間。某點(diǎn)周圍各點(diǎn)傳播時間與最短傳播時間小于半個周期的范圍稱為Fresnel帶。在圖2中,T0=2H/v;T1=T0+T/2。

圖2 Fresnel帶的定義

Fresnel半徑在地震剖面上的意義。圖3是教課書上展示的地質(zhì)模型橫向尺度大小與其對應(yīng)的疊加剖面上的繞射波。

圖3 小地質(zhì)體與疊加剖面的繞射波

第一Fresnel帶半徑在疊加剖面上和在不同的偏移剖面的形態(tài)和大小是不同的,如圖4所示。在未做偏移的疊加剖面上,第一Fresnel帶是個大圓,半徑是R;如果完成了二維疊前偏移,第一Fresnel帶是個橢圓,橢圓長軸是R,短軸是r;如果實(shí)施了三維疊前偏移,第一Fresnel帶就是那個半徑為r的小圓。就是說,二維偏移使第一Fresnel帶成為以R,r為長、短半軸的橢圓;三維偏移使第一Fresnel帶由大圓(半徑為R)變?yōu)樾A(半徑為r)。

圖4 第一Fresnel帶半徑成像示意

理論上講,偏移可以將Fresnel帶收斂成一個點(diǎn),繞射波得到收斂,但由于觀測點(diǎn)密度的限制、噪聲的存在以及介質(zhì)的不均勻等,這種理想的情況實(shí)際上是做不到的。因此,在其它條件相同的前提下,提高偏移成像的精度的另一個途徑,就是在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,最大限度地提高地震資料的空間采樣密度,即利用超密度地震技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3 超密度地震技術(shù)的有效性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證超密度地震技術(shù)對于近地表速度建模和深層高陡斷裂成像的有效性,開展了小網(wǎng)格正演模擬試驗(yàn)和小道距野外采集試驗(yàn)。

3.1 小網(wǎng)格正演模擬試驗(yàn)

為了研究地下數(shù)據(jù)采樣網(wǎng)格密度對深層高陡斷裂成像的影響,依據(jù)塔里木盆地順北地區(qū)的地質(zhì)背景設(shè)計(jì)了地質(zhì)模型,進(jìn)行地震采集和成像網(wǎng)格的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了2.5維的地質(zhì)模型,其剖面如圖5所示。對該模型開展8階有限差分模擬的高密度三維地震數(shù)據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)采集,x方向最大偏移距為5800m,y方向線間距為100m;1條炮線;3條檢波線;炮間距為50m;接收點(diǎn)距為10m。模擬的單炮記錄如圖6所示。然后,對該記錄進(jìn)行不同網(wǎng)格的波動方程疊前深度偏移處理,成像結(jié)果如圖7所示。

圖5 2.5維地質(zhì)模型

圖6 正演模擬的炮集記錄

圖7 不同網(wǎng)格高陡斷裂的成像結(jié)果a 20m×20m×10m; b 10m×10m×4m; c 4m×4m×2m

從圖7可以看出,從左向右的剖面上高陡斷裂的成像效果越來越清楚,說明網(wǎng)格越小高陡斷裂的成像越好。據(jù)此,我們可以得到這樣的結(jié)論：正演模擬揭示了超密度采集可以改善高陡斷裂的成像,為了得到深層高陡斷裂的成像,地震采集時應(yīng)盡可能采用小道距和小面元觀測。

3.2 小道距野外采集試驗(yàn)

在四川盆地鎮(zhèn)巴地區(qū)開展了小道距近地表調(diào)查野外采集試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一條二維測線,測線高程整體為中間高、兩側(cè)低的特點(diǎn),測線穿過周邊最高山鷂子巖,海拔600～1200m,測線位置如圖8紅線所示。二維淺層地震的主要施工參數(shù)：地震測線滿覆蓋范圍4000m,1075炮。觀測形式為中間激發(fā),接收道數(shù)600道,道間距為2m,炮點(diǎn)間距為4m,覆蓋次數(shù)不低于75次。觀測系統(tǒng)及炮集記錄如圖9所示。

圖8 測線位置(紅線)

圖9 二維觀測系統(tǒng)及炮集記錄

對不同道距采集的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表速度層析反演,反演結(jié)果如圖10所示,可以看出,從圖的最上端道距為2m的反演結(jié)果,到最下端道距為40m的反演結(jié)果,速度模型的高頻分量隨著道距的增大而減少,也就是說,近地表速度模型反演的精度隨著道距的增大而降低,道距越小、精度越高。

為了直觀地分析近地表速度模型的反演精度,對比某個點(diǎn)的不同道距反演速度模型曲線(圖11)可以看出,道距越小對淺表層速度變化的刻畫越精細(xì),道距大于10m后反演對速度擾動不敏感,最右邊的曲線為測井結(jié)果。通過小道距野外采集試驗(yàn)可以得到結(jié)論：小道距有利于提高近地表速度反演精度,從而提高地震成像精度。另外,曲壽利[6]詳細(xì)討論過小道距、小面元對于深層成像的優(yōu)勢,在這里不再贅述。

再分析炮點(diǎn)距對近表層速度反演的影響,由圖12 左側(cè)的幾條曲線可以看出,炮點(diǎn)間距的變化對于層析反演的影響不大;而右側(cè)圖中的接收道距的變化對速度反演的影響很明顯。因此,炮點(diǎn)距的影響可以忽略不計(jì)。

圖12 炮點(diǎn)距對近表層速度反演的影響對比

4 實(shí)施策略與配套技術(shù)

為了經(jīng)濟(jì)有效可行,提出了超密度地震技術(shù)的“變道距+插值”的實(shí)施策略及相關(guān)的儀器、存儲計(jì)算、插值和速度建模與成像等配套技術(shù)。

4.1 實(shí)施策略

由于超密度地震采集加密了空間采樣點(diǎn)數(shù),必然會帶來地震采集成本的增加。因此,在實(shí)施超密度地震采集時,為了降低成本,可以按近偏移距和遠(yuǎn)偏移距進(jìn)行變道距采集,觀測系統(tǒng)變道距的思路如圖13所示。

圖13 變道距觀測系統(tǒng)示意

觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的思路是：在“小寬高”高密地震采集技術(shù)的基礎(chǔ)上,增加變道距地震采集,再結(jié)合壓縮感知插值技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)插值。

近偏移距如小道距、超高密度采集,主要用于解決靜校正、去噪和淺層速度建模等問題。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,近地表層析一般在1000m之內(nèi)即可,道距盡量小于10m。

遠(yuǎn)偏移距,即等同于常規(guī)的高密度地震采集數(shù)據(jù),主要用于深層速度建模和各向異性參數(shù)估計(jì)。為了統(tǒng)一處理成像的面元大小,建議可以利用壓縮感知技術(shù)或五維插值技術(shù)對遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。這樣就形成了統(tǒng)一網(wǎng)格的超密度地震采集數(shù)據(jù)。

4.2 配套技術(shù)

超密度地震技術(shù)是地震技術(shù)向更高精度方向發(fā)展的一個重要跨越,該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到相關(guān)技術(shù)的制約,如地震采集裝備、海量存儲、計(jì)算能力、成像處理新技術(shù)等。只有這些配套技術(shù)都發(fā)展了,才能保障超密度地震技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用。

一是超密度地震采集需要10×104道級以上地震儀器接收系統(tǒng),需要加快發(fā)展節(jié)點(diǎn)儀單點(diǎn)采集裝備。隨著節(jié)點(diǎn)儀的發(fā)展應(yīng)用,在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)10×104道級的節(jié)點(diǎn)儀三維地震采集完全是可行的。

二是超密度地震采集獲得的地震數(shù)據(jù)是海量的,一方面需要大規(guī)模的海量存儲裝備,另一方面需要有應(yīng)對海量數(shù)據(jù)處理的超算能力,需要大力發(fā)展計(jì)算機(jī)海量存儲和計(jì)算能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,海量存儲裝備、海量超算能力都在飛速發(fā)展,能夠滿足海量數(shù)據(jù)存儲與計(jì)算的需求。

三是對超密度地震采集的遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)的插值技術(shù),目前的五維插值技術(shù)和壓縮感知插值技術(shù)都是比較成熟的技術(shù),只是需要研發(fā)適應(yīng)變道距的實(shí)用化的工具,以適用于超密度地震采集的數(shù)據(jù)插值。

四是需要進(jìn)一步發(fā)展適用于超密度地震采集的高效近地表與深層速度建模技術(shù)和高效疊前深度偏移處理技術(shù),以適應(yīng)海量數(shù)據(jù)計(jì)算的效率需求。

五是要通過正演模擬科學(xué)設(shè)計(jì)和必要的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)最佳的觀測系統(tǒng)和采集參數(shù),并盡可能地提高采集和處理效率、降低采集與處理成本,才能夠?qū)嵱没?/p>

5 結(jié)束語

地表、構(gòu)造與儲層“三復(fù)雜”條件的地震勘探是一個世界級的難題,超高密度地震技術(shù)提供了一個新的解決途徑。超高密度地震技術(shù)的基本理論依據(jù)是在觀測點(diǎn)密度足夠的前提下,Fresnel帶可以收斂成一個點(diǎn),繞射波真正得到收斂。本文基于野外小道距采集實(shí)驗(yàn)和小網(wǎng)格正演模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了超密度采集對近地表速度建模與靜校正及深層高陡斷裂成像的改善作用,從而證實(shí)了超密度采集技術(shù)的潛在有效性。在此基礎(chǔ)上,考慮超高密度地震采集的儀器和裝備需求及海量數(shù)據(jù),為了經(jīng)濟(jì)可行,提出了“變道距+插值”的實(shí)施策略及相關(guān)儀器、存儲、計(jì)算配套技術(shù)。認(rèn)為,10×104道級節(jié)點(diǎn)儀、海量計(jì)算與存儲是實(shí)現(xiàn)“超高密度地震技術(shù)”的基礎(chǔ),“小寬高”高密地震采集技術(shù)、“小平滑面”RTM疊前深度偏移技術(shù)和壓縮感知或五維插值技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù),科學(xué)設(shè)計(jì)、降低成本、一體化應(yīng)用是成功實(shí)施的保障。該技術(shù)能否成功應(yīng)用,有待于進(jìn)一步探索和實(shí)踐。

致謝：感謝中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司殷厚成專家和中國石油化工股份有限公司勘探開發(fā)研究院朱成宏專家提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)及圖件。