東海西湖凹陷深層三維地震采集技術(shù)探討

陳茂根，牛華偉，劉 苗，朱寶衡，李玉劍，蔣 涔

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

西湖凹陷是東海陸架盆地油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)，油氣勘探潛力巨大，目前已發(fā)現(xiàn)的油氣田主要集中在保俶斜坡帶和中央背斜帶（圖1）。早期以淺部構(gòu)造勘探為主。隨著勘探開發(fā)進(jìn)程不斷深入，勘探對象逐漸轉(zhuǎn)向中深層巖性、構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉以及潛山目標(biāo)，面向深層開展“二次勘探”，取得了重大突破[1-3]。

圖1 研究區(qū)在東海西湖凹陷位置縮略圖Fig.1 Location map of study area in Xihu Sag,East China Sea

西湖凹陷主體部位實(shí)現(xiàn)了常規(guī)單船窄方位拖纜（Narrow Azimuth Towed Streamer，簡稱 NATS）三維地震的全覆蓋。NATS 三維采集具有電纜短、沉放淺、覆蓋次數(shù)低、方位窄等特點(diǎn)，難以滿足對深層復(fù)雜目標(biāo)刻畫和地質(zhì)評(píng)價(jià)的需求。2015 年起，在一些重點(diǎn)油氣田區(qū)開展了多種拖纜寬方位（Wide Azimuth Towed Streamer，簡稱 WATS）二次三維地震采集探索，期待通過減小面元、增加覆蓋次數(shù)和方位等優(yōu)化采集參數(shù)手段，增強(qiáng)對深層復(fù)雜地質(zhì)體照明度，以進(jìn)一步提升深層資料品質(zhì)[4-6]。HY 區(qū)采用三船四源雙航次斜纜采集方式，采集方位較寬。在BT 區(qū)采用小面元、長偏移距的雙船四源單航次平纜采集方式，采集方位較窄。針對兩種典型WATS 采集方式，開展觀測系統(tǒng)屬性對比分析，通過不同方位數(shù)據(jù)對深層成像貢獻(xiàn)對比分析，揭示其優(yōu)勢和不足。同時(shí)與三維海底節(jié)點(diǎn)（Ocean Bottom Node，簡稱OBN)采集新技術(shù)進(jìn)行類比分析，提出下步西湖凹陷深層三維地震采集技術(shù)建議。

1 深層地質(zhì)特征及挑戰(zhàn)

保俶斜坡帶（圖2）深層勘探對象有：（1）始新統(tǒng)平湖組構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉；（2）始新統(tǒng)寶石組構(gòu)造、巖性圈閉；（3）基底潛山圈閉。前者是目前勘探開發(fā)的主要對象，后兩者是勘探潛力方向。鉆井證實(shí)，斜坡帶平湖構(gòu)造帶平湖組具有發(fā)育橫向連片、縱向疊置大型巖性油氣藏群的潛力。平湖組下段主要為邊緣海半封閉海灣沉積環(huán)境，發(fā)育受潮汐作用影響的潮坪、三角洲沉積體系。巖性以砂泥煤互層為主。砂巖厚度多小于15 m，局部夾有厚層砂，厚度達(dá)30 m。薄煤層頻繁分布，厚度僅為1～3 m。目的層埋深3 500～4 500 m。深層壓實(shí)效應(yīng)明顯，儲(chǔ)層物性相對較差，孔隙度平均10%，滲透率1 ×10?3μm2，局部發(fā)育甜點(diǎn)。

中央背斜帶主要目的層系為漸新統(tǒng)花港組，發(fā)育大型辮狀河及三角洲復(fù)合沉積體系，砂體厚度大。經(jīng)歷了拗陷期強(qiáng)烈擠壓反轉(zhuǎn)，形成了壓扭反轉(zhuǎn)斷層和大型反轉(zhuǎn)背斜，發(fā)育大型構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉（圖3）。儲(chǔ)層物性復(fù)雜。以中央背斜帶HY 氣田為例，花港組H3-H4 為中孔-中滲儲(chǔ)層；H5 及以下為中低孔-低滲儲(chǔ)層；低滲儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，多期復(fù)合河道砂體遷移疊置。

已有NATS 三維地震資料品質(zhì)較差，深層信噪比低，能量弱，波組特征不明顯，頻帶窄，分辨率不足（圖2、圖3），給深層儲(chǔ)層描述、目標(biāo)刻畫和評(píng)價(jià)等帶來很大不確定性，進(jìn)而成為制約深層油氣勘探開發(fā)成效主要困難之一。面臨的主要地球物理挑戰(zhàn)是：（1）深層不同序級(jí)復(fù)雜斷裂成像質(zhì)量提升；（2）斜坡帶平湖組含煤薄互層儲(chǔ)層預(yù)測，巖性圈閉（側(cè)封、尖滅）有效識(shí)別和落實(shí)；（3）斜坡帶深層寶石組儲(chǔ)層物性預(yù)測、構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉識(shí)別；基底潛山內(nèi)幕成像精度提升，探索基底潛山勘探潛力；（4）中央背斜帶花港組多期復(fù)合河道疊置砂體識(shí)別、不同類型“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層預(yù)測。

2 西湖凹陷典型WATS 案例分析

2.1 觀測系統(tǒng)

2015 年起，面向深層復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)，在一些重點(diǎn)油氣田區(qū)開展了多樣的WATS 二次三維地震采集探索。觀測系統(tǒng)從復(fù)雜到簡單，對投入的船只、航次、震源數(shù)、斜/平電纜類型、主輔船位置、面元大小、覆蓋次數(shù)、方位等不斷進(jìn)行調(diào)整[4]，目的是探索有效的面向深層的WATS 三維地震采集技術(shù)。

首先在中央背斜帶HY 開發(fā)區(qū)開展了二次三維WATS 先導(dǎo)試驗(yàn)，采用斜纜寬頻寬方位方式，動(dòng)用船只較多[5]。后來，不斷減少船只以及航次，逐步形成雙船寬方位采集模式。近年來，在斜坡帶BT 開發(fā)區(qū)，采用小面元、長偏移距，實(shí)施了新的雙船高密度寬方位采集。

表1是HY區(qū)、BT區(qū)二次WATS以及原一次NATS三維的采集參數(shù)。圖4 是HY 區(qū)、BT 區(qū)二次WATS采集觀測系統(tǒng)示意圖，以及采集到的所有數(shù)據(jù)的偏移距-方位角分布玫瑰圖。

表1 HY 區(qū)、BT 區(qū)二次WATS 與原一次2009-NATS 采集參數(shù)Table 1 Seismic acquisition parameters of HY-WATS,BT-WATS and 2009-NATS

圖4 HY 區(qū)、BT 區(qū)二次WATS 采集觀測系統(tǒng)和偏移距-方位角分布玫瑰圖Fig.4 Acquisition geometries and rose diagram of HY-WATS and BT-WATS

HY-WATS 采用的觀測方式是三船四源雙航次寬頻寬方位，采用了業(yè)界經(jīng)典的斜纜寬頻三維采集。主船拖帶10 纜，單纜長度為 6 000 m，纜間距為 100 m，采用全曲斜纜沉放，沉放深度為7～40 m。每航次采用四組震源，主船采用雙震源、兩條輔船各一組，四源交替激發(fā)，放炮間距為18.75 m。為了得到更寬的方位數(shù)據(jù)，每條線施工兩次。輔船震源縱向距離約為3.2～3.3 km，接近電纜中間部位。

從方位-偏移距玫瑰圖上，HY-WATS 方位分布較寬，縱橫比達(dá)0.72，炮道密度102 萬道/km2，達(dá)到陸地油田單點(diǎn)高密三維的縱橫比大于0.5、炮道密度大于100 萬/km2的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)[7]，但其不足是偏移距-方位地震道分布不均，主要集中在30°方位左右，其它方位的偏移距分布很少，呈現(xiàn)寬而不密特征。

BT-WATS 采用雙船四源單航次高密度寬方位觀測系統(tǒng)。主船拖帶10 根水平電纜，電纜沉放深度12 m，單條電纜長度加長至7 050 m，電纜間距從常規(guī)的100 m 減至50 m，由此采集的面元從常規(guī)的6.25 m×25 m 減至6.25 m×12.5 m，覆蓋次數(shù)從原一次NATS 三維的49 次增加到140 次。主輔船橫向間距為1 000 m，輔船震源與主船震源平行，各有雙震源，四源交替激發(fā)，炮間距為 12.5 m。由于采用了小面元和長纜觀測，BT-WATS 炮道密度高達(dá)180.48 萬道/km2，但方位分布很有限，橫縱比僅0.17，總體呈現(xiàn)密而不寬的窄方位特征。

綜上所述，與工業(yè)界采用的動(dòng)用更多設(shè)備及多次航行的經(jīng)典WATS 采集觀測系統(tǒng)（如BP 模式）相比[8-9]，從方位和偏移距分布上看，目前西湖凹陷采用的WATS 觀測方式總體方位不夠?qū)?，除了主船方位外，其它方位?shù)據(jù)比較稀疏，是非典型簡化版WATS。

2.2 不同方位數(shù)據(jù)的成像貢獻(xiàn)分析

在HY-WATS 處理中，采用相同的處理流程，對新采集主輔船、原NATS 采集數(shù)據(jù)進(jìn)行正交各向異性克?；舴虔B前深度偏移處理（PSDM），然后對偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方位數(shù)據(jù)組合，考察不同方位組合對深層成像的貢獻(xiàn)。

圖5 和圖6 分別是HY-WATS 不同方位數(shù)據(jù)PSDM 疊加對比及信噪比分析圖。與僅包含主船的NAZ 數(shù)據(jù)相比，加入第一航次的輔船1（NAZ+Gun3）后的信噪比提高明顯，提高約33%；再加上第一航次輔船2（NAZ+Gun3、4），噪聲得到進(jìn)一步壓制，信噪比再次提高約15%；最后加上第二航次兩條輔船（WAZ=NAZ+Gun3、4、5 & 6），其信噪比提升較小，約5%左右，表明第二航次兩條輔船的性價(jià)比較有限（圖6）。但總的來說，比較主船NAZ 數(shù)據(jù)，隨著輔船帶來的方位增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提升。

圖5 HY-WATS 不同方位PSDM 疊加Fig.5 PSDM stacks with different azimuthal combination from HY-WATS

圖6 對應(yīng)于圖5 中2～4 s 時(shí)窗內(nèi)信噪比分析Fig.6 Signal to noise ratio analysis within time window 2～4 s on Fig.5

對于PSDM 速度建模（包括各向異性模型），長偏移距很重要；但對最終反射波成像的貢獻(xiàn)，不同偏移距是不同的。圖7 是HY-WATS 中不同偏移距的PSDM 成像效果對比，可以看出斷層成像主要來自于偏移距1 000～2 000 m 之間的貢獻(xiàn)。第一航次輔船數(shù)據(jù)的橫向偏移距OFFSETY 范圍剛好為500～2 500 m；而第二航次輔船數(shù)據(jù)的OFFSETY 則為2 500～4 500 m，是第二航次輔船數(shù)據(jù)對最終成像貢獻(xiàn)較小的主要原因。

圖7 HY 區(qū)不同偏移距PSDM 成像效果對比Fig.7 PSDM imaging comparisons with different offsets from HY-WATS

針對BT 區(qū)WATS 資料處理，采用業(yè)界較先進(jìn)的寬頻寬方位處理技術(shù)。針對性技術(shù)有：去混波處理（de-blending）、三維線性噪聲壓制、基于3D 稀疏Tau-P 反演的三維鬼波去除和零相位化聯(lián)合處理、基于水底模型的三維淺水多次波去除（MWD）和三維水面相關(guān)多次波去除（SRME）、時(shí)延全波形反演（TL-FWI）、層析成像速度模型更新和多方位各向異性建模、Q 建模、最小二乘Q 正交各向異性PSDM 等。

圖8 是BT 區(qū)原NATS 的PSTM 數(shù)據(jù)以及經(jīng)上述流程處理后得到的老、新數(shù)據(jù)PSDM 疊加的對比。與原PSTM 數(shù)據(jù)相比，應(yīng)用新處理技術(shù)得到的老數(shù)據(jù)重處理結(jié)果在斷層和基底成像、信噪比、頻譜寬度等方面提升較明顯，顯示出先進(jìn)處理技術(shù)的應(yīng)用有助于進(jìn)一步挖掘老資料潛力。在深部時(shí)窗3～3.5 s 內(nèi)，對應(yīng)?10 dB 處，頻譜寬度由原PSTM 的10～50 Hz 拓展到5～50 Hz，信噪比從6～10 提升到14 左右（圖9）。而對比老資料重處理結(jié)果，僅包含新采集主船數(shù)據(jù)PSDM 疊加結(jié)果，深部時(shí)窗內(nèi)信噪比略高一些，斷裂成像效果略有改善；加入輔船及新老數(shù)據(jù)融合處理后，信噪比略有提升，但總體提升程度有限。

圖9 BT 區(qū)不同數(shù)據(jù)組合深層頻譜及信噪比分析（時(shí)窗見圖8-d 中黑色框）Fig.9 Spectral and S/N analysis on deep targets of BT-WATS (time window being black box on Fig.8-d)

綜上所述，對于BT-WATS，橫縱比為0.17，總體呈現(xiàn)窄方位特征，在此條件下通過增加電纜長度、減小面元等提高采集數(shù)據(jù)密度的措施對深層資料質(zhì)量改善效果較有限。而HY-WATS 資料不同方位組合深部成像結(jié)果對比顯示更寬方位有助于深層資料質(zhì)量改善。

2.3 WATS 應(yīng)用存在的不足

WATS 采集很難得到生產(chǎn)設(shè)施周邊的新數(shù)據(jù)。在HY-WATS 采集中，盡管在觀測系統(tǒng)方面采取了一些優(yōu)化措施[10]，但在生產(chǎn)平臺(tái)及周邊仍存在數(shù)據(jù)空洞。在BT-WATS 采集中，平臺(tái)周邊空洞達(dá)1.4 km×2.8 km。開發(fā)調(diào)整井目標(biāo)研究、鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)等亟需在生產(chǎn)平臺(tái)及周邊獲取更新更高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)。

比較原一次NATS 采集，二次WATS 三維地震資料質(zhì)量總體有所提升，特別是HY-WATS，信噪比有較大提高，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，斷層成像更加清晰。厚砂巖頂?shù)追瓷涮卣髑逦?，但對薄?薄互層、多期河道疊置關(guān)系和厚砂巖內(nèi)部“甜點(diǎn)”刻畫和描述仍較困難。以HY-WATS 為例，圖10 是過多口鉆井的PSDM疊加及疊前同時(shí)反演得到的Vp/Vs 剖面。在PSDM剖面上花港組上段反射特征清晰，但花港組下段信噪比有待提升。井上H3、H5 等厚砂巖頂?shù)自诘卣鹌拭嫔峡汕逦粉?；HY-B、HY-C 井點(diǎn)處深部H8 厚層地震反射特征也較清晰，但橫向連續(xù)性欠佳； H6 以下薄儲(chǔ)層（單砂體厚度小于15 m）的反射特征不清。從兩口井Vp/Vs 反演數(shù)據(jù)看，大于15 m 厚層砂的預(yù)測吻合度高達(dá)80%，而花下段薄層預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆情況差異大，在HY-B 井深部反演結(jié)果呈現(xiàn)“厚儲(chǔ)層”假象，這與WATS 數(shù)據(jù)在深部信噪比及分辨率低有關(guān)。

3 OBN 技術(shù)優(yōu)勢

三維海底節(jié)點(diǎn)（OBN）集成了檢波器、存儲(chǔ)器、電池和各種傳感器，獨(dú)立工作，接收震源信號(hào)。OBN 觀測系統(tǒng)靈活，更容易得到全方位數(shù)據(jù)，是面向復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的關(guān)鍵手段，是近十年來海洋三維地震革命性技術(shù)[11-16]。OBN 三維地震技術(shù)優(yōu)勢如下：

（1）高覆蓋、富低頻。數(shù)百到數(shù)千次覆蓋次數(shù)，有利于提高資料信噪比；相較拖纜資料有更豐富的低頻信息。

（2）全方位。有利于更穩(wěn)健的速度分析、更好的照明和成像、裂縫研究。

（3）多波/多分量。P、Z 分量合并有利于接收點(diǎn)鬼波壓制；X、Y 分量記錄轉(zhuǎn)換波，可以挖掘更多儲(chǔ)層和流體信息。

（4）超長偏移距。更有利于通過FWI 獲得更準(zhǔn)確的速度模型；有利于深層、潛山內(nèi)幕的成像。

（5）受海上平臺(tái)和障礙物影響小，利于獲得障礙物周邊數(shù)據(jù)；更利于四維（時(shí)延）地震觀測。

OBN 三維采集的主要劣勢是作業(yè)效率較低，價(jià)格偏高。

由于數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，OBN 已成為目前主流海洋地震技術(shù)，其市場份額大于拖纜三維項(xiàng)目。目前OBN 合同主要分布在美國墨西哥灣、歐洲北海、南美巴西、中東、西非和東南亞等主要產(chǎn)油區(qū)[14-18]。在我國OBN 采集尚屬于先導(dǎo)試驗(yàn)采集階段。在南海、渤海等海域，針對部分復(fù)雜油氣藏目標(biāo)區(qū)，開展了一些小面積采集。如在南海珠江口盆地惠州某油田，OBN 資料上潛山內(nèi)幕成像更加清晰、斷層陰影帶成像明顯改善[6]。

4 西湖凹陷深層三維地震采集技術(shù)建議

基于前述對已有WATS 采集對比分析，借鑒陸地“兩寬一高”三維地震技術(shù)以及國內(nèi)外海域OBN 案例，西湖凹陷深層三維地震采集技術(shù)方向是大幅增加方位、覆蓋次數(shù)，實(shí)現(xiàn)更寬方位/全方位三維地震采集。

優(yōu)先考慮在勘探開發(fā)有利區(qū)（如中央背斜帶的玉泉北、斜坡帶武-寶地區(qū)等）開展OBN 先導(dǎo)采集，面積以100～200 km2為宜。可參考BP 印尼Tangguh OBN案例[17-18]，開展觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡量得到全方位數(shù)據(jù)。通過OBN 先導(dǎo)采集，提升深層分辨率和成像質(zhì)量，提高深層目標(biāo)刻畫精度，同時(shí)進(jìn)一步評(píng)估OBN 在西湖凹陷深層應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

5 結(jié)論

（1）東海西湖凹陷現(xiàn)有WATS 三維，方位分布是比較稀疏的；HY-WATS 呈現(xiàn)寬而不密特征，而BT-WATS 呈現(xiàn)密而不寬特征。

（2）在窄方位采集背景下，通過減小面元、加長電纜長度、提高覆蓋次數(shù)等得到的高密度WATS對研究區(qū)深部成像改善是較有限的；更寬方位數(shù)據(jù)有利于深部儲(chǔ)層成像改善；對深部小于15 m 厚度的薄儲(chǔ)層及甜點(diǎn)識(shí)別、描述等方面，現(xiàn)有的WATS 應(yīng)用效果仍欠佳。

（3）建議優(yōu)先選擇重點(diǎn)含油氣有利區(qū)開展全方位三維OBN 新技術(shù)先導(dǎo)采集，提升深層分辨率和成像質(zhì)量，提高深層目標(biāo)刻畫精度，同時(shí)進(jìn)一步評(píng)估OBN 在西湖凹陷深層應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。