河套盆地巨厚弱成巖覆蓋區(qū)地震勘探成像技術(shù)應(yīng)用研究

崔宏良 王瑞貞 王偉 袁勝輝 王金寬 汪關(guān)妹 程展展

（1 中國石油集團(tuán)東方地球物理公司；2 中國石油華北油田公司）

0 引言

河套盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)，在巴彥淖爾市和阿拉善盟境內(nèi)，是伊盟古陸核古元古界—太古宇變質(zhì)結(jié)晶基底之上的中、新生代坳陷—斷陷疊合盆地，平面上以狹長的弧形分布在鄂爾多斯盆地與陰山褶皺帶之間[1]，盆地面積約為40000km2，整體上可劃分為“兩隆三坳”5 個一級構(gòu)造單元[2]。其中，臨河坳陷是最主要的沉積坳陷，西北方向長約70km，東北方向長約320km，面積為22400km2；其具有南北分區(qū)、東西分帶的特征，南北向可以劃分為吉蘭泰凹陷和巴彥淖爾凹陷，東西向受狼山斷層和黃河斷層控制呈兩洼夾一壘的結(jié)構(gòu)特征?？碧降V權(quán)的主要部分位于臨河坳陷中央斷壘帶[3]。盆地北部為河套平原，地勢平坦，多為農(nóng)田；中南部為烏蘭布和沙漠，地形起伏較大，以沙漠、戈壁、山地為主。

自20 世紀(jì)80 年代開始，河套盆地共完成二維地震測線9741km，但是一直未取得油氣勘探的突破[4]。2017 年華北油田公司開始推動該區(qū)的勘探工作，部署鉆探的吉華2x 井當(dāng)年獲得高產(chǎn)工業(yè)油流，發(fā)現(xiàn)了古近系、白堊系、石炭系、太古宇等多套含油層系，標(biāo)志著河套盆地具有富油凹陷的特征，油氣資源潛力大[5]。

然而河套盆地目的層埋深為5000～7000m，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，上覆4000～5000m 的巨厚弱成巖地層，導(dǎo)致深層波阻抗界面不明顯，地震波波場復(fù)雜[6]，主要目的層反射系數(shù)?。?.02～0.05，不足冀中凹陷、二連盆地的1/2），難以形成良好的波阻抗界面；同時，上覆弱成巖引起的吸收衰減嚴(yán)重，整體Q值比冀中凹陷小一倍（冀中凹陷0～1000m 埋深的Q值為100左右，河套盆地0～1000m埋深的Q值為50左右），該區(qū)勘探進(jìn)程受到嚴(yán)重制約[7]。

針對地震波吸收衰減嚴(yán)重、資料信噪比低、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)成像精度差、儲層難以預(yù)測等關(guān)鍵難題，開展了信號設(shè)計、分區(qū)去噪、分步建模和基于平面屬性的斷層解釋等技術(shù)的應(yīng)用，提高了巨厚弱成巖引起的深層信號能量，拓寬了頻寬，提升了目的層分辨率，為精細(xì)解釋提供了支撐。

1 勘探面臨的技術(shù)難題

1.1 近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜

河套盆地位于黃河與狼山之間，相關(guān)研究成果表明[8]：黃河僅全新世時期就有5 次變道，古河道發(fā)育；且該區(qū)的農(nóng)田也多為后期人為改造而成，導(dǎo)致低降速帶速度低，對地震波的吸收衰減嚴(yán)重。

1.2 上覆巨厚疏松介質(zhì)

河套盆地主要目的層以上被巨厚弱成巖覆蓋，地震波組特征差。新近系由于快速堆積、欠壓實作用等原因，且為河流相沉積，導(dǎo)致地震反射波組特征不明顯[9]，中淺層地震反射橫向連續(xù)性差，也影響到深層資料信噪比。

1.3 目的層埋藏深

勘探目標(biāo)埋藏深且構(gòu)造復(fù)雜，資料信噪比低。河套盆地目的層埋深為5000～7000m，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，波場復(fù)雜，深層地層成像精度困難[10]。

2 配套勘探攻關(guān)技術(shù)

針對以上難點，在采集方面，圍繞反射系數(shù)小、吸收衰減嚴(yán)重造成的反射信號弱的難題，采用大噸位低頻震源組合激發(fā)和高靈敏度單點接收技術(shù)[11-12]，同時創(chuàng)新了基于目的層響應(yīng)特征的可控震源激發(fā)信號設(shè)計技術(shù)，提高了深層的反射能量；圍繞弱成巖地層吸收衰減嚴(yán)重難題，創(chuàng)新了常規(guī)+深井微測井調(diào)查與VSP 測井聯(lián)合建立近地表模型，通過Q補(bǔ)償提高弱信號能量和頻寬，提高了目的層分辨率。在處理方面，圍繞深層資料信噪比低的難題，創(chuàng)新了基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)去噪技術(shù)，有效提升了偏移前道集的信噪比。在解釋方面，圍繞斷層發(fā)育、斷裂組合復(fù)雜的難題，創(chuàng)新應(yīng)用了基于平面屬性的斷層解釋技術(shù)，精細(xì)落實了斷層展布特征。

2.1 基于目的層響應(yīng)特征的可控震源激發(fā)信號設(shè)計技術(shù)

可控震源勘探是通過電子控制箱體，將設(shè)計的一個掃描信號通過驅(qū)動平板產(chǎn)生連續(xù)震動信號，將能量可控地傳送給大地[13]，然后通過參考掃描與反射掃描互相關(guān)等運(yùn)算方法，最終獲得地震資料[14]。由于地震勘探時信號激發(fā)使用的是可控震源，需要對接收到的原始記錄和激發(fā)信號進(jìn)行相關(guān)處理，而這種數(shù)學(xué)運(yùn)算具有很強(qiáng)的濾波作用，因此可控震源原始記錄和激發(fā)信號相關(guān)后的單炮記錄可以壓制一些環(huán)境噪聲影響，震源相關(guān)記錄具有較高的信噪比[15]。

可控震源掃描信號直接關(guān)系到地震資料的品質(zhì)，最終單炮數(shù)據(jù)的頻帶信息與掃描信號的設(shè)計息息相關(guān)[16]。常規(guī)線性升頻掃描信號的設(shè)計一般都是由起始頻率和終止頻率確定，整個頻率時間段為均勻分配[17]。然而在復(fù)雜地表區(qū)，受近地表介質(zhì)吸收衰減和復(fù)雜深層資料的影響，實際采集接收到的資料中，某些頻率段衰減很快，影響了整體資料的分辨率，不利于資料的處理解釋。因此，可控震源掃描信號設(shè)計時，需要針對衰減較快的頻率段進(jìn)行大的補(bǔ)償，衰減慢或未衰減的頻率段進(jìn)行小的補(bǔ)償[18]，從而拓展資料的有效頻寬，提高資料信噪比。

針對河套盆地近地表復(fù)雜，且上覆巨厚疏松介質(zhì)，對地震波高頻吸收衰減嚴(yán)重的難題，將可控震源線性掃描單炮進(jìn)行振幅譜分析，根據(jù)振幅譜衰減情況進(jìn)行時間分段，計算各頻段理論掃描振幅與平均幅值比，再乘以相應(yīng)頻段線性掃描長度作為新信號該頻段的掃描長度，按線性掃描重新設(shè)計各頻段的掃描信號并串接形成新的掃描信號。

應(yīng)用新的掃描信號在現(xiàn)場開展了相關(guān)試驗，圖1a為以往掃描信號激發(fā)的單炮記錄，圖1b 為新的掃描信號激發(fā)的單炮記錄，兩者的差異表明補(bǔ)償信號后，資料品質(zhì)明顯改善，高頻有了較大提升，提高了目的層的分辨率。

圖1 信號補(bǔ)償前（a）、補(bǔ)償后（b）的單炮帶通50～100Hz 記錄Fig.1 Records of single shot bandpass at 50-100Hz before (a) and after (b) signal compensation

2.2 基于多信息約束的精細(xì)近地表建模及全深度Q 值補(bǔ)償技術(shù)

以往的建模方法受初至拾取精度、近地表模型約束及炮檢距選擇等問題的影響，層析反演的精度不能完全滿足精細(xì)處理的要求[19]。針對河套盆地古河道發(fā)育引起的近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難題，開展了分步層析的靜校正方法，有效提高了近地表速度模型反演的精度。

建模主要分為兩個步驟：（1）開展0～500m 偏移距的層析反演，應(yīng)用微測井約束淺層速度模型，提高淺層的速度模型精度；（2）再次開展全偏移距的層析反演，利用上一步得到的淺層速度模型開展約束層析反演，獲得最終的近地表速度模型。將淺層速度模型與近地表模型分開反演，可以獲得精度更高的速度模型。

由于近道射線只在近地表淺層傳播，反演深層高速信息大多集中在遠(yuǎn)道的射線[20]，因此在淺層速度反演時，初至炮檢距范圍的選擇應(yīng)避免中遠(yuǎn)道信息。通過野外調(diào)查結(jié)果可知，河套盆地低降速帶速度在280～1100m/s，高速層速度為1600～1700m/s。圖2為單炮初至疊合圖，利用速度確定了采用500m 炮檢距以內(nèi)的初至進(jìn)行低降速帶反演，能夠更好地反演出低降速帶速度，采用4500m 炮檢距以內(nèi)的初至能反演出高速層速度。

圖2 反演炮檢距的選擇示意圖Fig.2 Offset determination for seismic inversion

圖3 為應(yīng)用不同靜校正量的疊加剖面對比，圖3a為常規(guī)層析靜校正量，圖3b 為基于多信息約束近地表模型計算的靜校正量，靜校正攻關(guān)后，剖面成像質(zhì)量進(jìn)一步提高。

圖3 新技術(shù)應(yīng)用前（a）、應(yīng)用后（b）的疊加剖面Fig.3 Comparison of stack profiles before (a) and after (b)the application of new technology

針對巨厚弱成巖覆蓋導(dǎo)致的深層地震波組特征差的難題，在精確的近地表模型的基礎(chǔ)上開展了全深度Q場的建立，主要實現(xiàn)過程分為三部分：（1）淺層Q值的求取，利用0～30m 深度的常規(guī)微測井和30～200m 深度的深井微測井聯(lián)合建立近地表層地層品質(zhì)因子模型；（2）深層Q場的求取，利用基于三維VSP 的離散采樣統(tǒng)計約束方法和深度學(xué)習(xí)多元非線性回歸技術(shù)求取深層Q值；（3）利用多元非線性回歸技術(shù)建立全區(qū)Q場。將河套盆地不同位置的微測井及VSP 數(shù)據(jù)估計得到的全地層品質(zhì)因子函數(shù)作為已知樣本標(biāo)簽，通過深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練形成全地層品質(zhì)因子的多元非線性回歸算子，建立三維全地層Q場。

通過Q補(bǔ)償，解決了由于復(fù)雜近地表和巨厚弱成巖地層導(dǎo)致的深部目的層吸收衰減嚴(yán)重的問題，求取的Q值更能反映地震波的實際吸收衰減，補(bǔ)償值域更準(zhǔn)確、精度更高。圖4、圖5 為全深度Q補(bǔ)償前后的資料對比，補(bǔ)償后的地震資料分辨率明顯提高，巨厚弱成巖地層導(dǎo)致的高頻吸收衰減問題得到了很好的恢復(fù)。

圖4 全深度Q 補(bǔ)償前（a）、補(bǔ)償后（b）疊加剖面對比Fig.4 Comparison of stack profiles before (a) and after(b) full depth Q-value compensation

圖5 全深度Q 補(bǔ)償前（a）、補(bǔ)償后（b）頻譜對比Fig.5 Spectrum comparison before (a) and after (b) full depth Q-value compensation

2.3 基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)去噪技術(shù)

針對河套盆地不同地表類型發(fā)育引起的噪聲難題，開展了近地表類型的分區(qū)去噪。由于折射波、面波的形成與表層結(jié)構(gòu)及表層的地震地質(zhì)條件密切相關(guān)，需要明確干擾波的形成機(jī)理及傳播速度的變化規(guī)律[21]。根據(jù)近地表類型進(jìn)行分區(qū)，對不同區(qū)域的原始單炮采用不同的去噪?yún)?shù)，以達(dá)到更好的去噪效果，盡可能在去除干擾的同時，保護(hù)有效波信息不受損失。

根據(jù)野外測量獲得的河套盆地近地表實際情況，按照近地表特點（綜合考慮高程、表層土質(zhì)、低降速帶厚度、低降速帶速度等因素），進(jìn)行基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)；若沒有野外測量獲得的該區(qū)近地表實際情況，可采用先拾取原始單炮的初至，開展初至層析反演獲得表層速度模型，利用常規(guī)地圖繪制軟件加載地表速度平面圖，根據(jù)不同區(qū)域的速度差異對該區(qū)進(jìn)行基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)。

在此基礎(chǔ)上，加載原始單炮的散點文件，根據(jù)炮點的大地坐標(biāo)將所有單炮進(jìn)行分區(qū)輸出；然后對同一分區(qū)內(nèi)的原始單炮進(jìn)行干擾波特征分析（圖6），優(yōu)選適用的去噪方法和參數(shù)進(jìn)行干擾波去除；待所有分區(qū)的單炮去噪工作完成后，再將所有去噪后的單炮按原始單炮文件號順序合并到統(tǒng)一工區(qū)中，實現(xiàn)了基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)去噪工作。例如圖6a 中黃色區(qū)域的“400m/s、570m/s”代表河套盆地該區(qū)域發(fā)育兩組規(guī)則面波，其速度分別為400m/s、570m/s，因此該區(qū)域可以去除速度分別為400m/s、570m/s 的面波。

圖6 面波速度（a）及折射波速度（b）平面分區(qū)圖Fig.6 Zoning map of surface wave velocity (a) and refraction wave velocity (b)

圖7 為不同去噪方式得到的疊加剖面對比，攻關(guān)后，剖面的連續(xù)性更好。

圖7 攻關(guān)去噪前（a）、去噪后（b）剖面效果對比Fig.7 Profile comparison before (a) and after (b) noise removal

2.4 基于平面屬性的斷層解釋技術(shù)

針對河套盆地目的層埋藏深且斷裂系統(tǒng)發(fā)育的難題，為實現(xiàn)快速、智能的斷距計算，優(yōu)選斷層的平面屬性，通過層位賦值與對比，識別斷層兩盤升—降關(guān)系，斷層兩盤邊界分離、插值求得斷距，實現(xiàn)定量化描述的目的[22]。

圖8 為斷層分盤原理示意圖，即利用斷層平面幾何體與層位信息，得到斷層定量參數(shù)，包括斷層走向延伸長度、斷層走向、走向的方位、斷層傾向、斷層傾角、斷層滑距、斷層垂距等定量參數(shù)。利用參數(shù)，通過散點值的方式，在平面投影得到斷層各類屬性平面圖。通過各類屬性結(jié)合地質(zhì)特征，得到地質(zhì)認(rèn)識。

圖8 斷層分盤原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of fault plate classification

3 資料應(yīng)用效果

受近地表復(fù)雜和地下構(gòu)造復(fù)雜的影響，一直以來，河套盆地地震資料品質(zhì)較差。通過配套技術(shù)攻關(guān)后，資料品質(zhì)明顯改善。

圖9 為攻關(guān)前后的成果剖面對比，新技術(shù)攻關(guān)后，花狀斷裂帶區(qū)域信噪比明顯提升，斷面更清晰。利用三維勘探成果，納林湖構(gòu)造帶鉆井吻合率高，臨二段油氣分布與已鉆井吻合率達(dá)到80%以上。

圖9 相同位置二維（a）、三維（b）勘探成果剖面對比Fig.9 Comparison of 2D (a) and 3D (b) seismic exploration result profiles at the same location

4 結(jié)論

河套盆地近年來的勘探成果表明，新技術(shù)的應(yīng)用提高了地震勘探成像質(zhì)量。

（1）激發(fā)信號設(shè)計通過針對性的頻段補(bǔ)償設(shè)計，解決了弱成巖覆蓋地層引起的頻率衰減的難題。

（2）基于多信息約束的精細(xì)近地表建模和全深度Q值補(bǔ)償技術(shù)通過分步建模，解決了河套盆地古河道發(fā)育引起的近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難題及巨厚弱成巖覆蓋導(dǎo)致的深層地震波組特征差的難題。

（3）基于大地坐標(biāo)的近地表類型分區(qū)去噪技術(shù)通過干擾波與近地表的結(jié)合，解決了河套盆地不同地表類型發(fā)育引起的噪聲難題。

（4）基于平面屬性的斷層解釋技術(shù)通過智能優(yōu)選計算，解決了河套盆地目的層埋藏深且斷裂系統(tǒng)發(fā)育的難題。

（5）配套勘探技術(shù)在河套盆地花狀斷裂區(qū)應(yīng)用效果明顯，信噪比明顯提升，對于類似復(fù)雜探區(qū)具有借鑒意義。