李忠雄,廖建河,程明道,王孝勛,余文科,雷 陽,馬 龍
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都610081;2.中國石油化工集團(tuán)公司西南石油局第二物探大隊,四川德陽618000;3.中國石油化工集團(tuán)公司華北石油局地球物理勘探公司,河南新鄉(xiāng)453700)
羌塘盆地地震勘探程度低且難度極大,目前尚處于二維地震勘探的概查-普查階段。盆地地表及深部地質(zhì)條件復(fù)雜,聲波、面波、隨機(jī)噪聲等干擾波極其發(fā)育,地震資料信噪比低。自20世紀(jì)90年代以來,雖經(jīng)國內(nèi)幾家油氣勘探單位的多年努力,但至今尚未取得突破性進(jìn)展,公開發(fā)表的地震勘探技術(shù)文獻(xiàn)也很少[1-2]。
基于前人工作成果的分析表明,影響羌塘盆地地震資料品質(zhì)的主要因素是:①表層結(jié)構(gòu)縱、橫向變化劇烈,潛水面及激發(fā)巖性變化大,導(dǎo)致記錄品質(zhì)變化大;②地形起伏劇烈,地表巖石風(fēng)化破碎嚴(yán)重,第四系礫石覆蓋層厚,地表多有老地層出露,尤其是灰?guī)r出露區(qū)不利于地震采集;③聲波、面波、隨機(jī)高頻噪聲等干擾波發(fā)育,資料信噪比低;④地下構(gòu)造復(fù)雜,斷層及喀斯特溶洞發(fā)育[3],加之存在凍土層,對震源激發(fā)及地震波的能量傳遞極為不利;⑤以往48~60次的覆蓋次數(shù)偏低,加上炮點距大,致使主要目的層有效覆蓋次數(shù)低,成像效果差。此外,藏北高原氣候條件惡劣,高寒風(fēng)大,氣溫時常驟變,雷暴、冰雹、雪天較多,也影響了野外地震資料采集工作的質(zhì)量及效果。
為推動羌塘盆地石油地震勘探進(jìn)程,針對上述技術(shù)難點,以提高地震資料信噪比為目的,2008—2012年,中國地質(zhì)調(diào)查局在雙湖特別區(qū)北東向約50km的托拉木-笙根地區(qū)部署了總長約532km的18條二維地震攻關(guān)試驗測線,從表層結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)查入手,開展了盒子波干擾波調(diào)查、常規(guī)激發(fā)接收試驗及寬線剖面試驗,優(yōu)選適合羌塘盆地的二維地震資料采集技術(shù),獲得了高質(zhì)量、高信噪比的地震資料。
采用露頭地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)雷達(dá)探測、小折射(1個/km)和單、雙井微測井(1個/5km)技術(shù)進(jìn)行工區(qū)表層結(jié)構(gòu)研究,重點是調(diào)查近地表結(jié)構(gòu)(包括潛水面及巖性)的變化規(guī)律,為逐點設(shè)計激發(fā)井深提供依據(jù),同時,也為工區(qū)靜校正量的提取提供參考。
調(diào)查結(jié)果顯示托拉木-笙根地區(qū)低、降速層平均厚度為2~18m,厚度變化較大;低、降速帶速度變化較大:低速層速度v0為500~1 000m/s;降速層速度v1為1 100~2 500m/s;高速層速度v2為1 600~3 900m/s。
1.2.1 盒子波觀測系統(tǒng)
盒子波排列采用41×41個點的三維方形接收網(wǎng),即1 681個點,點距Δx=Δy=4m,縱向組合基距、橫向組合基距均為160m,每個點擺放1串12個檢波器,檢波器埋置方式為點組合。在Inline(EW)和Crossline(SN)方向檢波器方陣組合中心點位置處(即第21道位置處)各布設(shè)1條炮線,兩個方向上均為31炮,炮點距240m,炮點距離中心點檢波器最小炮檢距95m,最大炮檢距7 295m。
1.2.2 干擾波特征分析
抽取東西向31炮對應(yīng)盒子波中心道形成31道的合成地震記錄,采用時窗切片和雷達(dá)掃描分析的方法[4-9],對記錄上的干擾波選取單點時窗進(jìn)行掃描,得到了干擾波的視速度、傳播方向、相對能量和反射資料的信噪比等定量數(shù)據(jù)。
背景干擾(圖1a):具有各態(tài)歷經(jīng)性,速度、方位變化范圍大,但有速度相對穩(wěn)定的固定干擾,速度3 092m/s,入射角45°,相對能量100%,信噪比0.06,頻率110Hz,波長30m。
線性干擾(圖1b):主要來自測線方向,最大能量處 速 度 5 298m/s,入 射 角 180°,相 對 能 量100%,信噪比0.50,頻率18Hz,波長295m;另有一組速度為2 624m/s的弱反射,入射角206°,相對能量76%,信噪比0.49。
折射波(圖1c):最大能量處速度5 598m/s,入射角為189°,相對能量99.5%,信噪比為0.56,頻率16Hz,波長350m。
多次折射波(圖1d):最大能量處速度為3 958m/s,入射角180°,相對能量100%,信噪比0.63,頻率16Hz,波長250m。
面波(圖1e):有4組能量較強(qiáng)的面波散射,速度分別為753,1 392,1 328,1 132m/s,入射角分別為143°,105°,235°和283°,相對能量分別為71%,71%,82%和90%,信噪比分別為0.38,0.35,0.30和0.27;頻率為10~12Hz,波長為75~109m。
檢波器組合基距對這些干擾波的壓制情況為:組合基距在120m以上時對面波干擾有壓制效果;組合基距40m時能夠壓制部分背景干擾,160m組合基距接收時對背景干擾有較好的壓制效果;而對于多次折射波、折射波及線性干擾,組合基距達(dá)160m時對其也無明顯壓制效果。
圖1 干擾波特征的雷達(dá)圖像分析
論證的主要采集參數(shù)有道距、覆蓋次數(shù)、采樣間隔、最大炮間距等。2008年第1次采集設(shè)計時的論證依據(jù)是前人早期在羌塘盆地獲得的地震剖面,其后的幾次采集設(shè)計論證則是根據(jù)新獲得的地震資料建立的工區(qū)地質(zhì)-地球物理模型(表1)進(jìn)行參數(shù)論證。主要采集參數(shù)論證結(jié)果是:道距不大于40m;覆蓋次數(shù)不低于72次;采樣率1ms;最大炮檢距8 000m。
表1 羌塘盆地托拉木-笙根地區(qū)地質(zhì)-地球物理模型
需要說明的是,研究工區(qū)屬低信噪比地區(qū),深層反射能量弱。因此,覆蓋次數(shù)的選擇應(yīng)能達(dá)到充分壓制干擾、增加主要目的層反射能量的疊加效果,以實現(xiàn)提高資料信噪比、確保成像質(zhì)量的目標(biāo)。根據(jù)以往資料情況和相鄰工區(qū)的施工經(jīng)驗,為保證二維地震勘探獲取較高信噪比的數(shù)據(jù),滿足地層構(gòu)造解釋的需要,在經(jīng)費保障的前提條件下,2008年采集的覆蓋次數(shù)為72次,2009年覆蓋次數(shù)為92次,2010—2012年覆蓋次數(shù)為120次(單線)。
2010—2011年地震觀測系統(tǒng)為8382.5-17.5-35-17.5-8382.5(單線接收),炮間距70m,接收道數(shù)480道;2012年地震觀測系統(tǒng)調(diào)整為7285-15-30-15-7285(單線接收),炮間距60m,接收道數(shù)480道。
2.2.1 檢波器組合圖形試驗
接收試驗進(jìn)行了平行測線矩形等靈敏度基距11m,平行測線矩形不等靈敏度基距10m,垂直測線矩形等靈敏度基距11m,雙口字型、大組合“X”型(Δx=2m)、大組合“X”型(Δx=4m)等不同方式的檢波器組合圖形試驗(圖2),對獲得的記錄進(jìn)行了原始記錄對比、分頻掃描、頻譜分析、信噪比分析及能量分析(圖3)。從圖3可以看出,各種組合形式接收效果頻譜差異不大,2m“X”字型和4m的“X”字型組合接收效果略好。
受地貌、施工條件及成本限制,雖曾設(shè)想用增加組合基距的方式來壓制干擾波,但各種試驗組合圖形的組合基距與干擾波的最小波長仍相距較遠(yuǎn),因而對干擾波的壓制效果均不太理想[10]。但綜合分析認(rèn)為,平行測線等靈敏度矩形面積組合和大組合“X”型(Δx=2m)的能量、信噪比較高,頻帶較寬,效果稍好于其它面積組合。因此,2010年之前采用平行測線等靈敏度矩形面積組合,2011年以后采用大組合“X”型(Δx=2m)。
2.2.2 激發(fā)井深試驗
分別在潛水面下 1,3,5,7,9m 深度采用18kg藥量進(jìn)行激發(fā),獲得5張井深試驗記錄,并進(jìn)行了原始記錄對比、分頻掃描、頻譜分析、信噪比分析及能量分析(圖4a),可見采用潛水面下3m激發(fā)的試驗記錄單炮能量相當(dāng),信噪比較好,頻帶較寬。
2.2.3 激發(fā)藥量試驗
對比潛水面以下3m深度,分別采用12,14,16,18,22,26kg藥量進(jìn)行激發(fā),獲得6張藥量對比試驗記錄,對記錄進(jìn)行了固定增益回放、分頻掃描、頻譜分析、信噪比分析及能量分析(圖4b),分析認(rèn)為18kg藥量的能量較強(qiáng),信噪比較高,頻帶最寬。
2.2.4 單井與多井組合試驗
采用最好的激發(fā)因素進(jìn)行了單井和組合井對比試驗,對試驗結(jié)果進(jìn)行分頻掃描和定量分析(圖5),分析認(rèn)為單井激發(fā)較好。
圖2 檢波器組合圖型
圖3 檢波器組合圖型試驗分析
圖4 激發(fā)井深(a)與藥量(b)試驗定量分析結(jié)果
圖5 單井與組合井試驗對比
采用較好的激發(fā)因素進(jìn)行多井組合試驗,從試驗原始記錄和各濾波記錄中可以看出,4~6井組合的目的層清晰、連續(xù)性較好、目的層的能量較強(qiáng)、信噪比較高、有效波段的振幅較強(qiáng)(圖5)。因此,確定4~6井為最佳組合。
2.2.5 前放增益試驗
在試驗點進(jìn)行了儀器前放增益試驗,并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分頻掃描和定量分析(圖6)。從分析結(jié)果可知,采用儀器前放12dB為較好施工因素。最終確定本工區(qū)地震采集激發(fā)/接收參數(shù)如下。
1)單井激發(fā),激發(fā)井深:藥包頂部距潛水面或高速層頂界面下3m(第四系覆蓋區(qū)高速層速度1 600m/s左右;侏羅系地層或基巖出露區(qū)高速層速度2 600m/s左右);
2)激發(fā)藥量:基本藥量18kg(山地為20kg,山頂增至22kg)。
圖6 前放增益試驗定量分析結(jié)果
2010年之前,托拉木-笙根地區(qū)二維地震勘探主要是通過優(yōu)化檢波器組合來壓制干擾,提高單炮記錄的信噪比;通過增加排列長度(增加接收道數(shù))、減小道距和炮距來提高覆蓋次數(shù),最終達(dá)到提高資料信噪比的目的。但這些措施提高覆蓋次數(shù)的能力有限,而且隨著道距和炮距的減小,隨機(jī)干擾的相干性增強(qiáng),利用疊加壓制隨機(jī)干擾的效應(yīng)降低。2008—2010年,羌塘盆地二維地震采集的覆蓋次數(shù)已從過去不足60次逐年增加到72次、92次和120次,剖面品質(zhì)雖逐年有明顯提高,但資料信噪比仍然較低,整體上依然不能滿足構(gòu)造解釋的需求。因此,通過試驗尋找其它先進(jìn)采集技術(shù)來提高資料品質(zhì)成為必然的選擇[11]。
寬線剖面采集是一種特殊的三維地震采集技術(shù),近年來在黃土塬地區(qū)、南方山區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前帶、塔里木盆地庫車等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[12-16],它能增加有效覆蓋次數(shù),壓制干擾波,提高資料信噪比,并能增加炮點選擇范圍,優(yōu)選激發(fā)點[17]。前人通過研究發(fā)現(xiàn),寬線記錄質(zhì)量比單線記錄質(zhì)量有較大提高;寬線地震剖面比單線地震剖面的品質(zhì)有較大改善[16]。因此,在托拉木-笙根地區(qū)地震采集攻關(guān)中進(jìn)行了寬線采集技術(shù)試驗。
通過對主要采集參數(shù)的論證并參考其它地區(qū)寬線剖面的攻關(guān)經(jīng)驗[11],結(jié)合羌塘盆地地貌特征及以往地震采集工作中的成功經(jīng)驗,寬線采集試驗觀測系統(tǒng)方案如下。
1)方案Ⅰ(2010—2011年采用):兩炮兩線(2S2L),單線480道接收、雙線960道接收,道距35m,炮間距70m,炮點對應(yīng)分布在接收線上,最小炮檢距17.5m,最大炮檢距8 382.5m,接收線距70 m,單線覆蓋次數(shù)120次,最高覆蓋次數(shù)480次。
2)方案Ⅱ(2012年采用):兩炮兩線(2S2L),單線480道接收、雙線960道接收,道距30m,炮間距120m(單線),炮點對應(yīng)分布在接收線上,最小炮檢距15m,最大炮檢距7 185m,接收線距60m,覆蓋次數(shù)240次。
3)方案Ⅲ(2012年采用):三炮三線(3S3L),單線480道接收、三線1 440道接收,道距30m,炮間距90m(單線),炮點對應(yīng)分布在接收線上,最小炮檢距15m,最大炮檢距7 185m,接收線距60m,覆蓋次數(shù)720次。
本次寬線試驗采用多線激發(fā)、多線接收的觀測系統(tǒng),檢波線、炮線組合方式不同,CDP線元不變,按不同的線、炮組合方式進(jìn)行疊加處理,覆蓋次數(shù)從120次提高到240次、480次再到720次,覆蓋次數(shù)增加1~6倍,剖面的信噪比、分辨率及成像效果得到大幅改善。
圖7是采用方案Ⅰ(2S2L)獲得的寬線原始剖面,可以看出,隨著覆蓋次數(shù)的增加,有效壓制了橫向干擾,低信噪比區(qū)域疊加成像效果不斷改善;240次和480次覆蓋剖面上淺、中、深層反射波組均比120次覆蓋剖面更為齊全,同相軸連續(xù)性更好;主要目的層波組特征更清晰,信噪比、分辨率更高,取得了很好的地質(zhì)效果。從不同覆蓋次數(shù)疊加剖面來看(圖8),240次覆蓋和480次覆蓋疊加剖面品質(zhì)差異不大,但都明顯好于120次覆蓋疊加剖面,信噪比、反射同相軸連續(xù)性較好。
圖7 寬線不同覆蓋次數(shù)的原始剖面(方案Ⅰ:2S2L)
圖8 寬線不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比(方案Ⅰ:2S2L;局部)
圖9 TS2012-01線疊加處理剖面(方案Ⅱ:2S2L;240次覆蓋)
圖10 TS2012-05線疊加處理剖面(方案Ⅱ:2S2L;240次覆蓋)
圖11 TS2012-06線疊加處理剖面(方案Ⅲ:3S3L;720次覆蓋)
圖9(TS2012-01線)和圖10(TS2012-05線)是采用方案Ⅱ(2S2L)獲得的疊加處理剖面,圖11(TS2012-06線)是采用方案Ⅲ(3S3L)獲得的疊加處理剖面。TS2012-01線呈東西向,與南北向、相互平行的TS2012-05線和TS2012-06線相交。對比圖9至圖11可以認(rèn)為:①即便是相鄰?fù)虻牡卣饻y線(圖10和圖11),其剖面質(zhì)量也存在明顯差距,說明羌塘盆地地腹構(gòu)造非常復(fù)雜,橫向變化極其劇烈;②較高覆蓋次數(shù)的寬線采集技術(shù)是獲得高信噪比地震剖面的關(guān)鍵所在,但并非覆蓋次數(shù)愈高地震剖面質(zhì)量就愈好,從成本-效果的權(quán)衡對比來看,240次覆蓋的寬線技術(shù)較適合本區(qū)的地震資料采集。如采用240次覆蓋的TS2012-01線和TS2012-05線地震剖面的信噪比和反射同相軸的連續(xù)性明顯優(yōu)于采用720次覆蓋的TS2012-06線剖面。
同時,通過抽線、抽炮對TS2012-06線進(jìn)行了不同覆蓋次數(shù)疊加剖面的對比分析(圖12),可以看出隨著覆蓋次數(shù)的增加信噪比增高,但覆蓋次數(shù)達(dá)到240次后剖面質(zhì)量再無明顯變化,因此,本區(qū)采用240次覆蓋是較為適宜的。
圖12 不同覆蓋次數(shù)疊加剖面對比分析(局部)
羌塘盆地地下構(gòu)造復(fù)雜,斷層、溶洞發(fā)育,巖石風(fēng)化破碎嚴(yán)重,地表礫石覆蓋厚,凍土層發(fā)育,表層結(jié)構(gòu)變化劇烈,規(guī)則與隨機(jī)干擾波發(fā)育,是典型的地震資料低信噪比地區(qū)。托拉木-笙根地區(qū)二維地震采集技術(shù)攻關(guān)試驗的結(jié)果表明:干擾波面積調(diào)查和表層結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)查,客觀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟杉瘏?shù)論證,認(rèn)真細(xì)致的激發(fā)/接收參數(shù)試驗,以增加有效覆蓋次數(shù)壓制干擾波、提高資料信噪比為目的的寬線采集技術(shù),加上先進(jìn)的儀器設(shè)備,是獲得高質(zhì)量、高信噪比地震資料的充要技術(shù)措施。
通過近幾年的二維地震采集技術(shù)攻關(guān)試驗取得了以下認(rèn)識與成果:
1)運用小折射、微測井、地質(zhì)雷達(dá)和鉆井編錄、剖面測量等技術(shù)進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查,精細(xì)刻畫表層結(jié)構(gòu)特征,可為逐點設(shè)計激發(fā)井深提供準(zhǔn)確的依據(jù),確保在潛水面、高速層或凍土層之下激發(fā);同時也能為地表靜校正提供重要參數(shù)。
2)采用盒子波技術(shù)進(jìn)行干擾波調(diào)查的量化分析結(jié)果表明,托拉木-笙根地區(qū)除發(fā)育速度、方位變化范圍較大的背景干擾外,還發(fā)育有4組面波散射、2組線性干擾、1組多次折射波和1組折射波。面波速度為753~1 392m/s;線性干擾速度均為5 298m/s(入射角不同);折射波速度為5 598m/s;多次折射波速度為3 958m/s。
3)托拉木-笙根工區(qū)的最佳采集參數(shù)為:覆蓋次數(shù)240次,最大炮檢距7 000~8 000m,采樣間隔1ms,道距小于50m;激發(fā)/接收條件:單井激發(fā),井深不低于15m(河灘礫石區(qū)井深大于14m),藥柱頂部距潛水面或高速層下3m;激發(fā)藥量18kg以上;檢波器組合圖形為2串檢波器、組內(nèi)距為2m的平行測線或“X”型大組合。
4)采用在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均可行的“兩炮兩線”或“一炮兩線”、240次覆蓋次數(shù)的寬線采集技術(shù),在羌塘盆地托拉木-笙根地區(qū)獲得了目前質(zhì)量最好的地震剖面資料。
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