王華忠

(波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI),同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海200092)

2000年后,油氣地震勘探技術(shù)的發(fā)展有了快速的變化油氣地震勘探已經(jīng)進(jìn)入了面對(duì)復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜油藏(巖性油藏和隱蔽油藏)和深層/超深層(包括深水)油藏的階段;地震數(shù)據(jù)采集逐漸進(jìn)入了以“兩寬一高”采集方式為核心的階段;地震波成像逐漸進(jìn)入了彈性參數(shù)(主要是角度反射系數(shù)和/或?qū)拵Рㄗ杩?反演成像的階段(甚至地震波成像的理念也在由線性高斯反演成像逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性非高斯反演成像);機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能開始有效地進(jìn)入地震數(shù)據(jù)成像處理與地震地質(zhì)解釋領(lǐng)域。

油氣地震勘探的對(duì)象也在發(fā)生著顯著的變化。由橫向緩變的層狀介質(zhì)為主的構(gòu)造油藏的勘探向復(fù)雜巖性和隱蔽油藏的勘探轉(zhuǎn)移;由橫向緩變的層狀介質(zhì)為主的簡(jiǎn)單構(gòu)造情況的勘探向橫向劇變介質(zhì)為主的復(fù)雜構(gòu)造情況的勘探轉(zhuǎn)移;由面向大尺度構(gòu)造油藏的勘探向面向小尺度復(fù)雜油藏的勘探轉(zhuǎn)移。

與此相對(duì)應(yīng),地震波成像的思想與方法也必然發(fā)生變化。由定位反射/散射點(diǎn)位置的偏移成像(Migration)向估計(jì)反射系數(shù)和彈性參數(shù)擾動(dòng)量的反演成像(Inversion)轉(zhuǎn)變;由針對(duì)帶限反射系數(shù)的反演成像向全波數(shù)帶或?qū)挷〝?shù)帶的彈性參數(shù)(主要是波阻抗)估計(jì)轉(zhuǎn)變;由線性高斯假設(shè)下的反演成像向非線性非高斯假設(shè)下的反演成像轉(zhuǎn)變。地震波成像越來(lái)越依靠Bayes估計(jì)理論框架實(shí)現(xiàn)。地震信號(hào)分析與彈性參數(shù)估計(jì)在Bayes估計(jì)理論下正在逐漸地融為一體?，F(xiàn)代圖像分析方法在小尺度異常體和強(qiáng)變化異常體參數(shù)反演的正則化中起著越來(lái)越重要的作用,極大地促進(jìn)了反演與建模精度的提升。地震波成像不斷向信息綜合利用的方向發(fā)展。2018年的SEG年會(huì)上,機(jī)器學(xué)習(xí)方面文章的暴增預(yù)示著機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能真正開始進(jìn)入油氣勘探領(lǐng)域。地震波反演成像永遠(yuǎn)是在信息不全條件下尋找最佳解的過(guò)程。

地震波成像方法技術(shù)的轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在:應(yīng)對(duì)復(fù)雜的“兩寬一高”觀測(cè)、同時(shí)源觀測(cè)與連續(xù)源觀測(cè)、被動(dòng)源觀測(cè)、壓縮感知(Compressed Sensing)隨機(jī)采樣和多物理量觀測(cè)等新的地震采集方式獲得的新數(shù)據(jù)類型的處理和成像問(wèn)題;應(yīng)對(duì)由各向同性聲波介質(zhì)轉(zhuǎn)移到VTI、TTI、T_ORT、吸收衰減(Q)和彈性介質(zhì)提出的新的成像問(wèn)題;應(yīng)對(duì)由定位反(散)射點(diǎn)空間位置為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)成像轉(zhuǎn)移到由參數(shù)估計(jì)為目標(biāo)的反演成像提出的新的成像問(wèn)題;應(yīng)對(duì)由物理方程控制下的疊前數(shù)據(jù)成像問(wèn)題轉(zhuǎn)移到由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的各種處理與成像問(wèn)題。

上述所有變化都離不開地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步,否則都會(huì)變成無(wú)源之水、無(wú)本之木。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)促進(jìn)上述變化起到了巨大的推動(dòng)作用。地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步可以用“兩寬一高”采集技術(shù)作為代表,其中的內(nèi)涵是非常豐富的,包括采樣理論由Shannon采樣發(fā)展到壓縮感知(隨機(jī))采樣;寬方位、高密度和寬頻帶的地震數(shù)據(jù)采集;“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的高效實(shí)現(xiàn)方式,即同時(shí)源采集、各種自動(dòng)化采集技術(shù)、各種(單點(diǎn))節(jié)點(diǎn)檢波器、低頻與寬頻可控震源與海上可控震源等等。正是“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展支撐著地震成像質(zhì)量的逐步提高及勘探效益的提升。

以FWI+LS_RTM為代表的地震波反演成像技術(shù)是勘探地震領(lǐng)域中的另一項(xiàng)代表性技術(shù)。在FWI思想的引領(lǐng)下,地震波成像技術(shù)在2000年以來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。速度建模的精度和自動(dòng)化程度明顯提升,以最小二乘疊前深度偏移(Least Squares Prestack Depth Migration,LS_PSDM)為標(biāo)志的保真成像技術(shù)成為各大石油公司及地球物理服務(wù)公司著力發(fā)展的技術(shù),偏移成像的分辨率和保真度顯著提高,改善了油藏描述的精度。

機(jī)器學(xué)習(xí)理論及相關(guān)技術(shù)已開始應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)解釋領(lǐng)域。

盡管如此,“兩寬一高”地震勘探技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到比較成熟的階段,真正意義下的“兩寬一高”數(shù)據(jù)采集并未實(shí)現(xiàn);巨量的“兩寬一高”數(shù)據(jù)體中蘊(yùn)含的與儲(chǔ)層有關(guān)信息的挖掘技術(shù)更是相差甚多;對(duì)應(yīng)的地震地質(zhì)解釋技術(shù)大多還停留在定性階段。

本文試圖對(duì)“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的現(xiàn)狀、技術(shù)要點(diǎn)和進(jìn)一步發(fā)展的方向做出綜合性分析與評(píng)價(jià)。分析“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)地震成像的必要性、“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)對(duì)地震成像的貢獻(xiàn)、“兩寬一高”地震勘探階段的地震分辨率、“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)成像處理中的關(guān)鍵問(wèn)題,并簡(jiǎn)述對(duì)“兩寬一高”地震勘探中地震地質(zhì)解釋的觀點(diǎn),以促進(jìn)“兩寬一高”地震勘探技術(shù)在石油工業(yè)中的深入應(yīng)用。

1 對(duì)“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的需求分析

油氣地震勘探的最終目標(biāo)是預(yù)測(cè)含油氣儲(chǔ)層。當(dāng)前,油氣地震勘探面向復(fù)雜的近地表?xiàng)l件(地表高程變化大、地表巖性橫向變化劇烈)、復(fù)雜的地下介質(zhì)情況(各向異性、吸收衰減)、復(fù)雜的構(gòu)造情況(劇烈橫向變速、鹽體、斷塊和斷層等)和復(fù)雜的儲(chǔ)層類型(巖性油氣藏、隱蔽油氣藏、小尺度及薄互層油氣藏、火山巖油氣藏和縫洞型油氣藏等)。

對(duì)含油氣儲(chǔ)層的定位、形態(tài)刻畫、巖性描述和流體預(yù)測(cè),主要依賴地震波偏移成像和反演成像的結(jié)果。地震波成像的精度嚴(yán)重依賴疊前地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量。地震數(shù)據(jù)采集是整個(gè)油氣地震勘探鏈條中居于前端的重要環(huán)節(jié)。在上述復(fù)雜勘探條件下,對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)及所獲取的疊前數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求必然大幅度提升。

前已述及,當(dāng)前的地震波成像已經(jīng)逐漸進(jìn)入到以估計(jì)地下介質(zhì)彈性參數(shù)為目標(biāo)的反演成像階段。在激發(fā)接收為寬帶的情況下,從五維空間(即中點(diǎn)坐標(biāo)(mx,my)、半偏移距(hx,hy)、雙程旅行時(shí)t)看,采集到關(guān)于相干噪聲和各種波現(xiàn)象對(duì)應(yīng)波場(chǎng)的完整連續(xù)值是理論上最完備的地震數(shù)據(jù)體。雖然這樣的數(shù)據(jù)能滿足地震數(shù)據(jù)去除噪聲和反演成像的需求,但在采集技術(shù)上是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此,需要明確提出滿足勘探需求的、精確的地震波成像需要什么樣的疊前數(shù)據(jù)體。地震數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)基于這樣的需求分析發(fā)展適應(yīng)的采集技術(shù)。

高精度地震波成像對(duì)疊前數(shù)據(jù)采集的基本要求[1]:①對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體有寬角度的、均勻的照明,這需要寬方位和長(zhǎng)偏移的觀測(cè);②對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體有能量足夠的照明,這還需要有足夠多的激發(fā)炮點(diǎn)且足夠強(qiáng)的單炮激發(fā)能量;③觀測(cè)到的反(散)射子波在多域中(單炮域、CMP域、OVT域等)存在一致性,即要求炮與炮和道與道之間的反(散)射子波在振幅、相位和頻帶上保持一致性,這是線性高斯假設(shè)下的去噪聲方法和地震波成像方法對(duì)數(shù)據(jù)的本質(zhì)要求;④觀測(cè)到的反(散)射子波具有較寬的頻帶范圍,譬如2～80Hz,期望具有5個(gè)以上的倍頻程;⑤能對(duì)波場(chǎng)和相干噪聲進(jìn)行無(wú)假頻采樣,既要進(jìn)行高密度的檢波端采樣,共檢波點(diǎn)道集也要能實(shí)現(xiàn)無(wú)假頻采樣。簡(jiǎn)而言之,高精度地震波成像需要“兩寬一高”疊前地震數(shù)據(jù)。

本文給出了地震波成像所需疊前數(shù)據(jù)體的比較嚴(yán)格的定義:任一反射界面上,沿界面均勻分布著同樣屬性的立體觀測(cè)角。每個(gè)立體觀測(cè)角存在等間隔的圓環(huán),圓環(huán)上均勻分布著“局部”炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)。炮檢點(diǎn)的空間采樣滿足采樣定理(不產(chǎn)生假頻)。立體觀測(cè)角張角足夠大?！熬植俊迸跈z點(diǎn)產(chǎn)生的能量均勻,入射子波波形一致。

地震數(shù)據(jù)采集必須與疊前深度偏移(PSDM)和偏移速度估計(jì)的要求緊密地結(jié)合在一起。據(jù)此,本文給出更為明確的對(duì)疊前數(shù)據(jù)的需求說(shuō)明:相對(duì)于一個(gè)共反射點(diǎn)(CRP)即地下成像點(diǎn),照明張角要足夠大(即偏移距足夠大),張角增量要均勻,角度增量盡可能小。方位角最好是全方位(360°)的或?qū)挿轿坏?方位角增量要均勻,角度增量盡可能小。CRP點(diǎn)之間照明覆蓋次數(shù)盡量一致,無(wú)論是淺層的CRP點(diǎn)或是深層的CRP點(diǎn),要求一樣。每個(gè)CRP點(diǎn)的照明都要滿足上述要求,即各CRP點(diǎn)間的照明要求(指的是照明覆蓋次數(shù))一致。依據(jù)這樣的要求設(shè)計(jì)復(fù)雜地表和復(fù)雜構(gòu)造探區(qū)的觀測(cè)系統(tǒng)是合理的,但很難做到。

更進(jìn)一步地,在層狀介質(zhì)假設(shè)下,從地表(或地下)面元的角度看,地震數(shù)據(jù)采集的基本原則:①每個(gè)地表(或地下)面元包含所有可能的偏移距和方位角;②各面元之間的偏移距和方位角的分布都一致。根據(jù)面元內(nèi)的覆蓋次數(shù)和這些覆蓋次數(shù)對(duì)應(yīng)的炮檢點(diǎn)位置分布的多樣性來(lái)評(píng)價(jià)觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣是在水平層狀介質(zhì)假設(shè)條件下審視炮檢點(diǎn)布設(shè)時(shí)的合理要求。實(shí)質(zhì)上,就是要求每個(gè)CMP面元的玫瑰圖顯示出基本相同的覆蓋次數(shù)、方位角展布均勻、偏移距展布均勻。按照這樣的要求設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)前地震數(shù)據(jù)采集中的基本做法,但是針對(duì)復(fù)雜的地下介質(zhì)情況,這樣設(shè)計(jì)出的觀測(cè)系統(tǒng)不一定滿足高精度成像的要求。

基于上述從復(fù)雜到簡(jiǎn)單的勘探目標(biāo)對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)的要求,野外地震數(shù)據(jù)采集時(shí)可以設(shè)計(jì)出合適的觀測(cè)方式,匹配合適的震源和檢波器系統(tǒng),得到具體探區(qū)的疊前數(shù)據(jù)體。因此本文建議:將五維數(shù)據(jù)體視為一個(gè)有機(jī)的整體,從五維數(shù)據(jù)體的角度看待地震數(shù)據(jù)(相干噪聲和波場(chǎng))采集、去噪和地震波成像,可以顯著地提升認(rèn)識(shí)水平,進(jìn)而改善各環(huán)節(jié)的工作效果。

據(jù)此可以看出,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集是高精度地震成像的基本要求。但是,要真正地實(shí)現(xiàn)滿足地震波成像處理要求的“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集卻是非常困難的,當(dāng)前的地震波成像都是在很不完全的疊前地震數(shù)據(jù)上進(jìn)行的地下地質(zhì)構(gòu)造和巖石彈性參數(shù)的近似估計(jì)。一般情況下,背景(各向異性)速度建模和基于背景速度的地震波偏移成像結(jié)果基本上可以滿足相對(duì)簡(jiǎn)單情形下的油氣勘探的需求。但是針對(duì)上述復(fù)雜的近地表?xiàng)l件、地下介質(zhì)情況和儲(chǔ)層類型,必須大幅度提高疊前地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量,才能更好地解決將來(lái)的油氣勘探問(wèn)題。

“兩寬一高”油氣地震勘探是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)系列,居于油氣地震勘探領(lǐng)域的中心地位。它不僅指“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù),更包括要挖掘出海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含的與儲(chǔ)層有關(guān)信息的先進(jìn)方法技術(shù)。對(duì)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行更精確的描述,并延伸到儲(chǔ)層開發(fā)階段,進(jìn)而提高整個(gè)勘探開發(fā)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益,這才是“兩寬一高”地震勘探的真正目標(biāo)。

2 “兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

地震數(shù)據(jù)采集是油氣地震勘探的核心環(huán)節(jié),地震波成像質(zhì)量的改善、地震地質(zhì)解釋精度的提高,甚至油氣勘探效益的提升,都直接建立在地震數(shù)據(jù)品質(zhì)的提高上面。當(dāng)前,地震數(shù)據(jù)采集理論和技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是數(shù)據(jù)采樣理論從Shannon規(guī)則采樣發(fā)展到壓縮感知隨機(jī)采樣;二是“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集成為了導(dǎo)向性的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

2.1 由Shannon規(guī)則采樣到壓縮感知隨機(jī)采樣

從數(shù)據(jù)采樣理論角度看,Shannon采樣定理回答了如何進(jìn)行規(guī)則離散采樣才能完整地恢復(fù)成連續(xù)數(shù)據(jù)。眾所周知,實(shí)際采樣率小于用Nyquist頻率計(jì)算出的理論無(wú)假頻采樣率,就可以由離散數(shù)據(jù)完全恢復(fù)出連續(xù)數(shù)據(jù)。但是,這樣的采樣方式可能會(huì)采集到大量的冗余數(shù)據(jù)。

壓縮感知采樣理論實(shí)質(zhì)上也是建立了一套由隨機(jī)離散采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)成連續(xù)數(shù)據(jù)的理論。壓縮感知采樣理論同樣要回答兩個(gè)問(wèn)題[2]:一是如何進(jìn)行隨機(jī)采樣;二是如何將隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)成連續(xù)數(shù)據(jù)。隨機(jī)采樣原則上主要關(guān)注炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)如何進(jìn)行隨機(jī)布設(shè)才能使如此采樣的離散數(shù)據(jù)體以更高的精度恢復(fù)成規(guī)則無(wú)假頻數(shù)據(jù)體。但是,空間隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)成規(guī)則無(wú)假頻數(shù)據(jù)體與數(shù)據(jù)(波場(chǎng))的空間結(jié)構(gòu)有關(guān),而勘探地震數(shù)據(jù)本質(zhì)上是高維空間數(shù)據(jù),這與Shannon采樣僅僅關(guān)注一維數(shù)據(jù)是非常不同的。高維地震波場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)又取決于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu),平緩層狀地層中的地震波場(chǎng)要比復(fù)雜斷塊區(qū)的地震波場(chǎng)簡(jiǎn)單很多。而波場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單,空間隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)成規(guī)則無(wú)假頻數(shù)據(jù)體時(shí)越容易,對(duì)應(yīng)地,空間隨機(jī)采樣時(shí),采樣間隔可以越稀疏。亦即隨機(jī)采樣與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相關(guān),這與壓縮感知理論要求信號(hào)有稀疏特征完全一致。但是,目前的壓縮感知采樣還沒有涉及如此復(fù)雜的問(wèn)題,還沒有將隨機(jī)采樣方式的設(shè)計(jì)與地下介質(zhì)復(fù)雜度(以及相應(yīng)的波場(chǎng)復(fù)雜度)關(guān)聯(lián)。

另外,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集要求的激發(fā)炮數(shù)非常多,為了提高效率,需要若干炮同時(shí)激發(fā),這就導(dǎo)致這些炮激發(fā)的波場(chǎng)混疊在一起被接收到。為了使混疊數(shù)據(jù)的分解更容易,若干炮激發(fā)時(shí),起震時(shí)間必須是隨機(jī)的(這與空間隨機(jī)類似,都引入同相軸上反(繞)射波到達(dá)時(shí)的隨機(jī)變化)。隨機(jī)的起震時(shí)間將偽解碼后的波場(chǎng)變成連續(xù)同相軸上疊加隨機(jī)噪聲,壓制隨機(jī)噪聲即可達(dá)到數(shù)據(jù)分解的目的。本質(zhì)上,這也是壓縮感知理論下隨機(jī)采樣要解決的問(wèn)題。因此,同時(shí)源激發(fā)高效采集也是壓縮感知隨機(jī)采樣技術(shù)的一部分。

地震波成像本質(zhì)上要求復(fù)雜的地下地質(zhì)目標(biāo)得到均勻且有效的照明。地下介質(zhì)水平層狀展布時(shí),地表炮檢點(diǎn)的規(guī)則排放等價(jià)于地下目標(biāo)體照明是均勻的。而地下地質(zhì)體構(gòu)造復(fù)雜時(shí),地表炮檢點(diǎn)的離散規(guī)則排放,不一定帶來(lái)目標(biāo)地質(zhì)體的均勻照明;炮檢點(diǎn)的空間隨機(jī)放置,可能以更大的概率帶來(lái)對(duì)地下目標(biāo)體的均勻照明。這是地下復(fù)雜介質(zhì)分布情形下,隨機(jī)炮檢點(diǎn)分布時(shí)地震波照明的特點(diǎn)。很顯然這是值得充分利用的。但是,這對(duì)空間隨機(jī)采樣的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和野外施工提出了更高的要求,也對(duì)震源和檢波器提出了更高的要求,即它們必須是獨(dú)立且輕便的[3]。

在當(dāng)前勘探目標(biāo)越來(lái)越復(fù)雜、地表?xiàng)l件(由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步)越來(lái)越復(fù)雜、低油價(jià)成為常態(tài)的情況下,同等投資獲取數(shù)據(jù)情況下空間隨機(jī)采樣可能以更少的炮檢點(diǎn)帶來(lái)更高的成像質(zhì)量。另一方面,空間隨機(jī)采樣和時(shí)間上震源隨機(jī)激發(fā)混疊采樣具有同樣的理論基礎(chǔ),二者可以合并研究。在“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集逐漸普及的情況下,研究空間隨機(jī)采樣方法技術(shù)非常有意義。

但是,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是:壓縮感知隨機(jī)采樣的目的并不是為了用比較少的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)(從而降低成本)進(jìn)行稀疏采樣,恰恰相反,其目標(biāo)是以可以接受的成本實(shí)現(xiàn)更高要求的“兩寬一高”采樣。復(fù)雜介質(zhì)情形下,地面上規(guī)則的炮檢展布觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體照明的均勻程度,極大概率不如地面上隨機(jī)炮檢展布觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體照明的均勻程度。依據(jù)壓縮感知理論設(shè)計(jì)出的隨機(jī)觀測(cè)方式,可以插值出更多的炮道集,更進(jìn)一步地提高采樣密度。隨機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和地震數(shù)據(jù)插值及地震數(shù)據(jù)規(guī)則化都與地下介質(zhì)的復(fù)雜程度有關(guān)(復(fù)雜近地表引起的道間時(shí)差也嚴(yán)重影響地震數(shù)據(jù)插值及地震數(shù)據(jù)規(guī)則化！),也與噪聲情況有關(guān),而二者都是事先未知的,這直接導(dǎo)致了壓縮感知空間隨機(jī)采樣方式在實(shí)際應(yīng)用中的小心謹(jǐn)慎,甚至止步不前。

2.2 “兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方式

“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)代表當(dāng)前和今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)地震數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方向,這是毋庸置疑的。但是,如何高效并廉價(jià)地采集到寬方位、高密度、寬頻帶、高信噪比的地震數(shù)據(jù)依然任重道遠(yuǎn)。

解決問(wèn)題的基本方式是:①增加單炮的帶道能力,從而擴(kuò)大單炮觀測(cè)的方位角(更多的Crossline測(cè)線數(shù)以及更小的線間距)和偏移距(更大的Inline測(cè)線長(zhǎng)度),并保證檢波點(diǎn)的高密度(更小的道間距);②在保持上述單炮道集觀測(cè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加炮點(diǎn)數(shù),盡可能地使炮線距和炮點(diǎn)距相等,并與檢波線和檢波點(diǎn)保持幾何對(duì)稱性;③巨量的炮集觀測(cè)使采集效率成了巨大的障礙,需要利用同時(shí)源(或混疊源)的觀測(cè)方式;④更進(jìn)一步的觀測(cè)方式發(fā)展方向應(yīng)該是在考慮寬方位、高密度采集的基礎(chǔ)上,巨量的、獨(dú)立的檢波器和震源,在壓縮感知理論下,獨(dú)立地同時(shí)激發(fā)和接收。

因此,開發(fā)自主移動(dòng)的、寬帶響應(yīng)的、有自動(dòng)、無(wú)線傳輸功能的單點(diǎn)檢波器(譬如陸上和海上節(jié)點(diǎn)檢波器)和可靈活移動(dòng)并可大量布置的寬帶震源是實(shí)現(xiàn)高密度、寬方位、寬頻帶(尤其是低頻端)數(shù)據(jù)高效采集的硬件技術(shù)發(fā)展方向。目前震源、檢波器和相應(yīng)的(自動(dòng))布設(shè)技術(shù)都是制約“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)的瓶頸。國(guó)際上大型石油公司和地球物理服務(wù)公司都在自動(dòng)化與智能化的地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)上,尤其在海上與陸上獨(dú)立節(jié)點(diǎn)檢波器技術(shù)和自主移動(dòng)寬帶震源技術(shù)研究方面,投入了大量的資金和人力[4-6]。

2.3 陸上地震勘探中“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)

目前為止,公認(rèn)的陸上地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)重點(diǎn)可以總結(jié)為側(cè)重低頻的寬帶(譬如1～150Hz)震源、寬帶響應(yīng)的單檢(陸上節(jié)點(diǎn)檢波器)、高密度、寬(全)方位。具體如下:炮檢點(diǎn)對(duì)稱的寬方位高密度采集方式;可無(wú)假頻采集到與地表相關(guān)的波現(xiàn)象及環(huán)境噪聲的采樣間隔;能激發(fā)低頻的寬帶(可控)震源;可對(duì)低頻有效響應(yīng)的寬帶檢波器(加速度檢波器有抑制低頻的作用)是陸上地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的關(guān)鍵。另外,高效的“兩寬一高”數(shù)據(jù)采集施工方案及配套保障技術(shù)也非常受關(guān)注;自動(dòng)化與智能化地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)在當(dāng)前高速無(wú)線通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和無(wú)人運(yùn)載設(shè)備的快速發(fā)展促進(jìn)下有顯著的進(jìn)步。

2018年1月,FirstBreak推出了1期陸上地震勘探技術(shù)專輯,將陸上地震勘探中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)基本上定位于陸上節(jié)點(diǎn)檢波器和側(cè)重低頻的震源技術(shù)在單點(diǎn)、高密度和寬方位地震數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用[7]。無(wú)論是盆地內(nèi)部、山前帶和山地勘探,精細(xì)的油藏定位、描述與刻畫的需求,都需要“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)。小節(jié)點(diǎn)檢波器(Nimble Node)為在復(fù)雜地表區(qū)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)高密度、寬方位采集提供了一定的硬件基礎(chǔ)[8-9]。據(jù)此,可以清楚地看出今后陸上油氣地震勘探中地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展方向。

2.4 海上地震勘探中“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)

從精細(xì)儲(chǔ)層描述角度看,對(duì)海上地震數(shù)據(jù)采集的要求與陸上是一樣的,都需要“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集。但是,由于海水層的存在,陸上和海上地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的差異性較為明顯。首先,海上拖纜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬方位采集更為困難,真正的寬方位采集需要OBS(OBC和OBN)采集技術(shù)[10-11]。沉浸纜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寬方位采集[12]。第二,海上高密度采集的實(shí)現(xiàn)方式需要具體分析。針對(duì)OBN系統(tǒng),海底節(jié)點(diǎn)(node)的布設(shè)成本很高,點(diǎn)距和線距都做不到很小,200m×400m已經(jīng)較密。針對(duì)OBC系統(tǒng),12.5m×200.0m比較常規(guī)。海上高密度采集需要用炮端激發(fā)的高密度來(lái)彌補(bǔ)檢波端密度的不足。拖纜系統(tǒng)可以做到6.25m×75.00m,但對(duì)應(yīng)的激發(fā)點(diǎn)做不到規(guī)則而密集。所謂的Coiling拖纜觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高密度觀測(cè),而且自動(dòng)化程度很高,但炮檢點(diǎn)空間位置都是隨機(jī)的,對(duì)野外施工技術(shù)和后續(xù)的處理技術(shù)要求很高,目前并沒有得到廣泛應(yīng)用。第三,海上鬼波壓制需要特殊的觀測(cè)系統(tǒng),因?yàn)閮H靠常規(guī)的平纜觀測(cè)數(shù)據(jù)壓制鬼波的效果不夠徹底;斜纜、立體纜和立體震源、多分量觀測(cè)等海上采集技術(shù)是專為壓制鬼波而設(shè)計(jì)的。第四,正是海水層的存在使得海上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化的數(shù)據(jù)采集更容易,因?yàn)楠?dú)立的震源和獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)檢波器可以自動(dòng)地、智能地移動(dòng)到既定的激發(fā)與接收位置。第五,為滿足海上生態(tài)保護(hù)的要求,氣槍震源需要逐步讓位于海上可控震源。最近幾年,海上可控震源已經(jīng)接近于商用化應(yīng)用的水平[13-14]。海上可控震源的研發(fā)成功為真正地實(shí)現(xiàn)按客戶需求定制震源子波的頻譜,從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高保真成像奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[15]。由于陸上地表介質(zhì)的復(fù)雜性,目前陸上可控震源實(shí)現(xiàn)客戶定制子波頻譜尚存難度。

3 “兩寬一高”數(shù)據(jù)對(duì)提高成像處理質(zhì)量的貢獻(xiàn)

“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)可有效提高地震波成像的質(zhì)量?？梢哉f(shuō),“兩寬一高”地震勘探技術(shù)是最近十幾年地震勘探最有價(jià)值的技術(shù)進(jìn)步,大幅度提升了油氣地震勘探的效益。但是,寬方位、寬頻帶和高密度地震數(shù)據(jù)對(duì)地震波成像質(zhì)量提高的貢獻(xiàn)是不同的。

寬方位地震數(shù)據(jù)最重要的是改善了復(fù)雜介質(zhì)情況下的地震波照明,提高對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體的方位及(入射)角度照明的范圍和均勻程度。尤其是它與高密度采集結(jié)合,可以顯著提高中、深層速度(也包括各向異性參數(shù)和Q值)估計(jì)與建模的精度,提高復(fù)雜構(gòu)造(尤其是鹽下構(gòu)造和陡構(gòu)造)成像的質(zhì)量,同時(shí)提高成像分辨率和保真度。另外,可以提供方位角度道集,用于AVAz分析和VVAz分析。這是在類似墨西哥灣復(fù)雜鹽丘廣泛發(fā)育探區(qū)必須開展寬方位和長(zhǎng)偏移距地震數(shù)據(jù)采集的主要原因[16-18]。

單點(diǎn)高密度采集是陸上地震勘探中推崇的采集方式。本質(zhì)上講,它是“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的另一種稱謂。目前,陸上地震勘探取消檢波器組合已經(jīng)成為共識(shí)。組合采集的缺點(diǎn):①無(wú)論組合距多小,組合檢波總會(huì)引起信號(hào)高頻成分的損失,而且完全無(wú)法彌補(bǔ);②組合檢波并不能總是有效地壓制相干噪聲,而在高密度/高覆蓋情形下,并不需要組合采樣的方式壓制隨機(jī)噪聲。單點(diǎn)高密度采集的優(yōu)點(diǎn):①保持原始信號(hào)的頻帶特征,有利于后續(xù)的寬帶地震數(shù)據(jù)成像處理,尤其是高頻端有效信號(hào)的保持;②去噪放在處理階段,增加了去噪的靈活性,不僅僅是靠硬性疊加一種方式,可以保真地壓制相干噪聲和隨機(jī)噪聲,有利于寬帶地震數(shù)據(jù)成像處理,有利于后續(xù)的高精度儲(chǔ)層描述。所謂的單點(diǎn)高密度采集的缺點(diǎn):增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量,成像處理的工作量也相應(yīng)增加。

寬頻帶數(shù)據(jù)對(duì)地震波成像處理的主要貢獻(xiàn):①低頻長(zhǎng)偏移距數(shù)據(jù)可以進(jìn)行透射波波動(dòng)理論層析(當(dāng)前的FWI本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)了波動(dòng)理論的透射波層析成像,反射波的FWI很難收斂！),從而提供更準(zhǔn)確的背景速度以及各向異性參數(shù)和Q值,以改善疊前成像的同相疊加性;②展寬地震數(shù)據(jù)的低頻端,可以有效地壓制成像子波的旁瓣能量水平,而展寬地震數(shù)據(jù)的高頻端,可以有效地壓縮主瓣寬度,5個(gè)以上倍頻程(譬如2～80Hz)的成像結(jié)果能極大地提高縱、橫向分辨率;③數(shù)據(jù)中低頻成分的存在能有效地提高波阻抗估計(jì)的精度,改善儲(chǔ)層解釋的可靠性。

4 “兩寬一高”地震勘探中的地震分辨率

高分辨率地震波成像是油氣地震勘探的核心,也是進(jìn)行精細(xì)油藏描述的基礎(chǔ)。地震分辨率的概念在勘探地震中一直起著引領(lǐng)技術(shù)向前發(fā)展的作用。“兩寬一高”地震勘探時(shí)代應(yīng)該用什么樣的分辨率概念促進(jìn)地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)和地震波成像技術(shù)的發(fā)展？

瑞利(Rayleigh)準(zhǔn)則指出:一個(gè)反射波的分辨率的極限是1/4波長(zhǎng)”。李慶忠[19]認(rèn)為:“不同的頻率成分有不同的用處,缺了哪一部分都不成;要查明地下5～30m厚度的砂層,最重要的頻段是10～160Hz,對(duì)于查明大套灰?guī)r頂部的臺(tái)階狀波阻抗的情況,低頻成分十分重要;分辨率與頻寬成正比這句話雖然不錯(cuò),但是并不能光看頻寬數(shù)值愈大愈好還要注意不要丟掉低頻成分。我以后還要指出:那種丟掉低頻成分的、表面上看來(lái)主頻較高的分辨率是假分辨率?！比鹄?Rayleigh)準(zhǔn)則在零相位Ricker子波條件下給出層狀介質(zhì)分辨率的描述。李慶忠的觀點(diǎn)無(wú)疑是正確的,但勘探地震中的低頻最好是低至1Hz。10～160Hz頻段子波(僅有4個(gè)倍頻程！)具有所謂的高分辨率的判斷是不對(duì)的,一定沒有2～80Hz頻段子波(具有5個(gè)以上的倍頻程！)的分辨率高。另一方面,李慶忠沒有將地震分辨率與“兩寬一高”的觀測(cè)方式聯(lián)系在一起。

很顯然,簡(jiǎn)單地利用地震子波主頻(包括頻寬)及其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)定義分辨率,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足當(dāng)前復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造和復(fù)雜儲(chǔ)層情況下地震勘探的實(shí)際需求。

本質(zhì)上,地震分辨率的概念是由地震波反演成像理論給出的,是將地震數(shù)據(jù)觀測(cè)、地震波正演和反演成像方法緊密結(jié)合得到的。另外地震波偏移成像的分辨率與地震波反演成像的分辨率也是有區(qū)別的。需要指出的是,勘探地震中子波的概念貫穿始終,它與分辨率有密切的關(guān)系,包括震源激發(fā)的子波、檢波器接收到的地震子波、偏移成像及反演成像后的成像域中的空間子波。

最重要的是,勘探地震中所關(guān)心的分辨率主要是地震成像后空間子波的分辨率,它取決于背景偏移速度精度、觀測(cè)孔徑、接收子波的頻寬、成像中使用的正演算子和噪聲水平。

本文將“兩寬一高”地震勘探(當(dāng)然也包括一般地震勘探)的地震分辨率歸結(jié)為由空間子波的頻寬(倍頻程)決定,更嚴(yán)格地講,由空間子波完整的頻譜決定。由圖1可以看出空間子波的頻譜是如何影響分辨率的。圖1a為固定空間子波高頻成分僅增加低頻成分時(shí)子波的頻譜;圖1b為對(duì)應(yīng)的子波形態(tài)。圖1c 和圖1d顯示出當(dāng)固定空間子波低頻成分且不斷增加高頻成分時(shí),子波主瓣變窄,主瓣與主旁瓣峰值比也在上升(盡管上升不顯著),具有2～128Hz(6個(gè)倍頻程)頻寬的地震子波具有很高的分辨能力。圖1e 和圖1f顯示出子波頻帶寬度固定但優(yōu)勢(shì)頻段不同時(shí),子波的分辨率也不同,優(yōu)勢(shì)頻段在低中頻段時(shí),子波的分辨率更高。顯然,我們期望油氣地震勘探中無(wú)論是激發(fā)、接收和成像后的子波都具有較大的頻寬,如5個(gè)以上的倍頻程。隨著低頻成分的增加,子波的主瓣寬度變化不大,但主瓣與主旁瓣峰值比顯著上升,主旁瓣幅值明顯下降,次旁瓣震蕩水平明顯減弱,這說(shuō)明增加低頻成分能通過(guò)壓低子波主旁瓣和次旁瓣水平實(shí)質(zhì)性地提升分辨率。李慶忠[19]也特別強(qiáng)調(diào)了優(yōu)勢(shì)低頻的重要性。這就是勘探地震中需要用戶定制激發(fā)地震子波頻譜的根本原因,盡管在當(dāng)前的勘探地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中還無(wú)法做到用戶定制激發(fā)子波的頻譜,但這應(yīng)是未來(lái)的發(fā)展方向。

圖1 空間子波頻譜對(duì)地震分辨率的影響a 固定空間子波高頻成分僅增加低頻成分的子波頻譜; b 固定空間子波高頻成分僅增加低頻成分的空間子波; c 固定空間子波低頻成分僅增加高頻成分的子波頻譜; d 固定空間子波低頻成分僅增加高頻成分的空間子波; e 頻寬相同但優(yōu)勢(shì)頻段不同的子波頻譜; f 頻寬相同但優(yōu)勢(shì)頻段不同的空間子波

根據(jù)上述分析結(jié)果可知,地震成像后空間子波的分辨率決定了油氣地震勘探的分辨率,而它取決于背景偏移速度精度、觀測(cè)孔徑、接收子波的頻寬、成像中使用的正演算子和噪聲水平。本文認(rèn)為正是基于對(duì)成像后的寬帶空間子波分辨率的認(rèn)識(shí)才催生了“兩寬一高”地震勘探。

5 “兩寬一高”成像處理中的關(guān)鍵問(wèn)題分析

地震勘探的目標(biāo)地質(zhì)體越來(lái)越小、越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越隱蔽,不僅要求地震成像給出精確的地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像結(jié)果,更希望對(duì)儲(chǔ)層描述與刻畫的精度也得到有效的提高。針對(duì)當(dāng)前單點(diǎn)、高密度、寬方位、寬頻帶的地震數(shù)據(jù),成像處理方法分為如下4個(gè)部分應(yīng)該是合理的[20-24]。

1) 與地表相關(guān)的波現(xiàn)象(噪聲)與環(huán)境噪聲的壓制。主要是對(duì)與地表相關(guān)的波現(xiàn)象(相干噪聲)的壓制,因?yàn)檫@部分波現(xiàn)象是地下反(散)射體成像的主要干擾波。另外,地表?xiàng)l件的空間變化引起的炮與炮及道與道之間的反射子波在振幅、相位和頻帶的變化(或不一致性)必須得到有效的消除。

2) 高維地震數(shù)據(jù)規(guī)則化。寬方位地震數(shù)據(jù)的偏移距和方位角分布更不均勻,尤其是近偏移距時(shí)更是如此。高維地震數(shù)據(jù)規(guī)則化在保真成像中有重要意義,僅僅重視構(gòu)造成像還凸顯不出其真正的價(jià)值。

3) (各向異性)速度建模與成像。折射波與Diving Wave在大偏移距和寬方位情況下是十分明顯的波現(xiàn)象,它們主要體現(xiàn)為初至波與早至波(值得注意的是深層折射波和Diving Wave在超長(zhǎng)偏移距勘探中也可能與反射波混疊在一起)。利用這兩種波進(jìn)行層析成像獲取近地表速度是非常重要的環(huán)節(jié),能有效提高速度建模和成像的精度。全方位角道集反射波層析成像會(huì)是當(dāng)前及今后很長(zhǎng)一段時(shí)間寬方位地震數(shù)據(jù)(各向異性)速度建模的核心工具。TTI介質(zhì)情形下能產(chǎn)生方位角度成像道集且針對(duì)OVT數(shù)據(jù)或共角度(或共射線參數(shù))數(shù)據(jù)的Kirchhoff積分疊前深度偏移是寬方位高密度數(shù)據(jù)成像的首選成像方法,主要原因是其具有很高的計(jì)算效率。

4) 成像道集的后處理。疊前成像的本質(zhì)是同相疊加,基本實(shí)現(xiàn)方法是將數(shù)據(jù)域中的反射(散射或繞射)子波擴(kuò)散到成像空間的等時(shí)面上。地表不一致性引起的炮與炮、道與道之間的子波變化會(huì)影響成像的保幅性,其中包括剩余靜校正量、子波振幅變化、子波相位(非零相位)變化等。地震道的空間非規(guī)則性影響成像結(jié)果的振幅。數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的存在會(huì)影響成像結(jié)果的保真性,相干噪聲的存在會(huì)產(chǎn)生假的成像結(jié)果。更重要的是偏移速度不準(zhǔn)確引起各炮檢對(duì)的反射子波不能排齊。不完善的成像方法也會(huì)產(chǎn)生不正確的成像結(jié)果。上述各種因素使得成像道集的去噪、剩余時(shí)差處理、子波相位處理等顯得非常必要。

下面分別闡述“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)成像處理環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

寬方位地震數(shù)據(jù)成像處理中的關(guān)鍵問(wèn)題可以總結(jié)為:

1) 寬方位及長(zhǎng)偏移距觀測(cè)數(shù)據(jù),必然引入VTI地震各向異性現(xiàn)象。因此,成像處理中必須至少考慮VTI介質(zhì)情況下的各向異性速度建模及相應(yīng)的偏移成像方法。

2) 寬方位數(shù)據(jù)采集,由于地下介質(zhì)參數(shù)橫向變化大,導(dǎo)致照明更不均勻(與窄方位觀測(cè)比),因此,照明不均勻性需要在成像過(guò)程中校正。

3) 寬方位數(shù)據(jù)采集往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)的空間采樣不規(guī)則。數(shù)據(jù)規(guī)則化處理是必須的,在OVT數(shù)據(jù)成像處理技術(shù)中,這是核心的處理步驟。

4) 寬方位數(shù)據(jù)能很好地改善速度(及各向異性參數(shù))的估計(jì)精度。因此,全方位或?qū)挿轿唤嵌鹊兰瘜游龀上袷潜仨毦邆涞慕＜夹g(shù)。

5) 偏移成像技術(shù)中方位角度道集的輸出應(yīng)該是必須的,否則VVAz和AVAz分析方法無(wú)法進(jìn)行。因此,方位角度成像道集的輸出技術(shù)是必備的。

6) 各種成像道集的后處理技術(shù)也是必須具備的。

高密度地震數(shù)據(jù)成像處理中的關(guān)鍵問(wèn)題可以總結(jié)為:

1) 反演成像階段,噪聲對(duì)FWI及LS_RTM這類迭代反演成像方法有重要影響。這也是反演成像時(shí)代為什么業(yè)界對(duì)噪聲特別關(guān)注的根本原因。無(wú)假頻去除面波,保持信號(hào)低頻分量的有效性,相當(dāng)于拓展了低頻成分。地表散射波在稀疏采樣時(shí)表現(xiàn)為不相干噪聲(但它們不是隨機(jī)噪聲),高密度采樣有利于無(wú)假頻地采集到此類干擾波,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行有效壓制。高密度采樣提高了隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)可預(yù)測(cè)性,能更好地壓制隨機(jī)噪聲。無(wú)論相干噪聲還是隨機(jī)噪聲,都應(yīng)在高維數(shù)據(jù)空間中進(jìn)行壓制。

2) 高密度采集特別有利于近地表小尺度速度異常體的估計(jì),利用初至到達(dá)時(shí)及振幅進(jìn)行近地表速度及Q值估計(jì)是重要的處理環(huán)節(jié)。在復(fù)雜地表探區(qū),初至波(包括早至波)的信噪比遠(yuǎn)高于反射波的信噪比,充分利用高密度采集的地震數(shù)據(jù)開展精確的近地表速度建模非常有助于提高成像精度。這是高密度地震數(shù)據(jù)處理中特別值得關(guān)注的問(wèn)題。

3) 高密度采樣提高了信號(hào)(包括相干噪聲)的可預(yù)測(cè)性,非常有利于提高高維地震數(shù)據(jù)插值和數(shù)據(jù)規(guī)則化的效果,并做到了更徹底的去噪。實(shí)質(zhì)上也提高了隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)可預(yù)測(cè)性,更好地壓制了隨機(jī)噪聲。

4) 高密度采樣有利于提高基于統(tǒng)計(jì)原則的地表一致處理的精度。

總之,針對(duì)高密度采集數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的地震數(shù)據(jù)處理可以顯著提高地震波成像處理的分辨率,這主要是通過(guò)提高近地表速度和Q值建模的精度、通過(guò)消除噪聲對(duì)有效信號(hào)的低頻成分和高頻成分的損害實(shí)現(xiàn)的。噪聲當(dāng)然也損害優(yōu)勢(shì)頻段的信號(hào),高密度采樣同樣可以有效地降低對(duì)優(yōu)勢(shì)頻段信號(hào)的傷害,通過(guò)高密度采樣數(shù)據(jù)更徹底地去噪可顯著提高信號(hào)低頻成分和高頻成分在去噪后的保真度。提高近地表速度建模精度能更顯著地改善不同炮檢對(duì)接收到的反(散)射子波的同相疊加性;近地表較低的Q值模型的準(zhǔn)確建立能有效補(bǔ)償高頻成分的衰減。這些均是高密度采樣顯著改善成像結(jié)果分辨率的主要原因。高密度地震數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的問(wèn)題是巨量的數(shù)據(jù)體給成像處理各環(huán)節(jié)帶來(lái)了計(jì)算上的壓力。

寬帶地震數(shù)據(jù)成像處理的關(guān)鍵問(wèn)題可以總結(jié)為:

1) 寬帶地震勘探首先是各環(huán)節(jié)(指采集和成像處理環(huán)節(jié))中頻率成分向低頻端的擴(kuò)展,譬如從8Hz下推到1Hz就展寬了3個(gè)倍頻程,而從60Hz的高截頻再提高1個(gè)倍頻程,也難以做到！

2) 從數(shù)據(jù)采集的角度展寬頻帶(物理方法展寬頻帶)是基本的要求,而不是一開始就專注于用處理手段展寬頻帶。數(shù)學(xué)方法展寬頻帶提高的基本是視覺分辨率,無(wú)助于進(jìn)行精確的油藏描述。即便是進(jìn)行Q值補(bǔ)償,主要也是展寬高頻端,且不能保證展寬的頻帶有物理意義。

3) 展寬信號(hào)的高頻端可以壓縮子波的主瓣寬度,展寬信號(hào)的低頻端可以降低子波的旁瓣能量水平。只有寬帶的地震子波(譬如達(dá)到5個(gè)以上的倍頻程)才有較高的分辨率。地震子波的低頻成分對(duì)于相對(duì)波阻抗反演有切實(shí)的貢獻(xiàn)。

4) 寬帶地震勘探效果的體現(xiàn)是成像剖面上空間子波的高分辨率(即寬頻帶)。期望成像后的空間子波有5個(gè)以上的倍頻程。

5) 對(duì)反射系數(shù)成像而言,數(shù)據(jù)中反(散)射子波的寬頻帶似乎對(duì)于成像域空間子波的寬頻帶貢獻(xiàn)最大。但是,這種觀點(diǎn)可能帶來(lái)嚴(yán)重的偏差！成像剖面上空間子波的寬頻帶首先是由同相疊加實(shí)現(xiàn)的,(各向異性)偏移速度場(chǎng)的精度對(duì)高分辨率成像的影響最大。

6) 海上寬帶地震數(shù)據(jù)成像處理的3個(gè)核心環(huán)節(jié)是:壓制鬼波展寬數(shù)據(jù)中地震子波的頻帶;Q值估計(jì)及吸收衰減補(bǔ)償;精確的各向異性速度建模以保證同相疊加。

7) 陸上寬帶地震數(shù)據(jù)成像處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),本文認(rèn)為應(yīng)該包括地表一致子波形態(tài)校正(可以統(tǒng)一成零相位子波)、精確的近地表建模、精確的近地表Q值估計(jì)和精確的中深層速度估計(jì)。數(shù)學(xué)拓頻方法只能作為一種圖像處理手段,輔助解釋人員識(shí)別小或薄的地質(zhì)體,而且對(duì)它的不可靠性要保持足夠的警覺。

6 “兩寬一高”地震勘探中的地震地質(zhì)解釋

油氣地震勘探的最終目標(biāo)是定位油氣藏和(半定量地)描述油氣藏?；诏B前地震數(shù)據(jù)的地震波偏移成像與反演成像為油氣藏的定位、描述與刻畫提供了重要信息。本文將地震波反演成像定位為:在不完全數(shù)據(jù)下的地下介質(zhì)彈性參數(shù)(主要是速度、波阻抗和反射系數(shù))的估計(jì)問(wèn)題。油氣藏描述與刻畫定位成:在信息(高度)不完全情況下對(duì)油氣藏的定性(或半定量)描述問(wèn)題。

油氣藏描述與刻畫的核心工作主要包括:①油氣藏幾何形態(tài)的刻畫;②油氣藏巖性參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)的估計(jì);③油氣藏流體參數(shù)的估計(jì)?！皟蓪捯桓摺钡卣鸩ǒB前地震數(shù)據(jù)采集和成像處理為油藏描述提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括:①高分辨和高保真的成像道集以及相應(yīng)的疊加成像剖面;②高精度背景速度場(chǎng)?；谇罢?地震地質(zhì)解釋主要包括:①AVA及AVAz分析與反演;②疊前地震屬性參數(shù)的提取;③基于地震成像疊加剖面的進(jìn)一步圖像增強(qiáng)處理,開展沉積、構(gòu)造與斷層系統(tǒng)等的描述;④開展疊后屬性參數(shù)的提取;⑤編制構(gòu)造圖。基于后者,主要開展寬帶波阻抗反演。

地震地質(zhì)解釋的基本理念:①油氣地震勘探中,認(rèn)識(shí)地下巖石介質(zhì)性質(zhì)的主要手段是利用人工激發(fā)的地震波;②地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí),透射、反射或繞射等各種波場(chǎng)攜帶了關(guān)于地下介質(zhì)的幾何性質(zhì)和巖石性質(zhì)的信息;③利用單炮道集、CMP道集、共偏移距道集等可以定性地了解到地下介質(zhì)的部分變化信息,但它們僅僅是地表觀測(cè)的疊前數(shù)據(jù),不是地下介質(zhì)參數(shù)的變化信息;④疊前時(shí)間/深度偏移成像和疊前地震數(shù)據(jù)反演成像是將疊前數(shù)據(jù)投影成地下介質(zhì)幾何參數(shù)與彈性參數(shù)的方法技術(shù),這些技術(shù)將地下巖石介質(zhì)變化的信息提取出來(lái),展現(xiàn)在解釋人員面前;⑤鉆井可以更為直接地得到巖石物性的信息,但是這樣做的代價(jià)太高,而且只能得到井孔處局部點(diǎn)上的信息,適用于約束反演成像或評(píng)價(jià)反演成像結(jié)果的可靠性;⑥基于反射界面的幾何(構(gòu)造)解釋和基于反射子波屬性的解釋目前依然是地震地質(zhì)解釋中最為核心的兩項(xiàng)工作;⑦基于1D波阻抗反演剖面、AVA疊前彈性參數(shù)反演剖面進(jìn)行解釋,缺乏對(duì)反演結(jié)果可靠性的評(píng)價(jià),屬于定性解釋。

本文對(duì)地震地質(zhì)解釋的基本觀點(diǎn):①基于地震波到達(dá)時(shí)層析反演地下介質(zhì)背景(各向異性)速度,并基于該速度場(chǎng)進(jìn)行疊前深度偏移成像,一般情況下這樣的成像結(jié)果具有較高的可靠性,是地震地質(zhì)解釋最基本的信息;②1D波阻抗反演、AVA疊前參數(shù)反演以及經(jīng)典的FWI反演,這些基于地震波振幅的反演,目前都嚴(yán)重缺乏對(duì)反演結(jié)果準(zhǔn)確性/可靠性的評(píng)價(jià)。將這些結(jié)果用于地震地質(zhì)解釋時(shí),要特別注意對(duì)解釋結(jié)果可靠性的評(píng)價(jià)[25]。

本文關(guān)于深度域地震地質(zhì)解釋的觀點(diǎn)總結(jié)如下。

6.1 構(gòu)造解釋

基于成像疊加剖面的構(gòu)造、斷層等的解釋,甚至包括更細(xì)致的地震地層學(xué)解釋應(yīng)直接在疊前深度偏移后的剖面上進(jìn)行,并直接在解釋結(jié)果上得出構(gòu)造圖。深度偏移成像提供了基本正確的、定量的反射界面定位結(jié)果。將深度域成像結(jié)果轉(zhuǎn)回時(shí)間域,并基于測(cè)井速度對(duì)反射層位進(jìn)行深度標(biāo)定可以得到更可靠的構(gòu)造圖,而基于深度偏移結(jié)果得到的構(gòu)造圖誤差大的觀點(diǎn)是沒有理論依據(jù)的。在目前勘探目標(biāo)區(qū)域構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜的情況下,基于深度偏移結(jié)果直接得到構(gòu)造圖是唯一正確的選擇。若基于疊前深度偏移成像結(jié)果進(jìn)行深度域解釋得到的構(gòu)造圖不合理,說(shuō)明所建立的(各向異性)速度模型的精度不夠,需要繼續(xù)迭代更新。

將測(cè)井速度與疊前時(shí)間偏移結(jié)果結(jié)合,采用射線深度偏移進(jìn)一步調(diào)整速度和構(gòu)造并得到構(gòu)造圖的方法,只適用于橫向速度變化較小的層狀介質(zhì)情況,在橫向速度變化劇烈和構(gòu)造變化較大的情況下,這種方法不可能得到精細(xì)的構(gòu)造圖,更不能進(jìn)行正確的油藏體系評(píng)價(jià)。

6.2 子波屬性

正是時(shí)間域成像子波與深度域成像子波之間的關(guān)系不清楚造成解釋人員固守時(shí)間域解釋。它們之間的關(guān)系由偏移速度決定,深度域成像子波是時(shí)間域成像子波的擠壓或拉伸結(jié)果。本文認(rèn)為在深度域成像子波與時(shí)間域成像子波上的屬性提取結(jié)果存在一定的差異,但是二者振幅能量屬性在平面展布上應(yīng)該基本一致,頻率與相位屬性在平面展布上會(huì)有一些差異,但沒有必要將深度域成像子波映射回時(shí)間域成像子波進(jìn)行屬性提取。事實(shí)上,本文認(rèn)為地震地質(zhì)解釋中只有振幅能量屬性比較可靠。關(guān)鍵原因是深度域無(wú)法進(jìn)行一維波阻抗反演和合成地震記錄的對(duì)比阻止了解釋人員開展深度域解釋。本文認(rèn)為復(fù)雜構(gòu)造情況下,因?yàn)榛跁r(shí)間域成像結(jié)果的一維波阻抗反演沒有任何理論基礎(chǔ),所以一維波阻抗反演結(jié)果的可靠性無(wú)從談起。

6.3 AVA分析

水平層狀介質(zhì)或橫向緩變介質(zhì)情況下,利用AVA分析進(jìn)行儲(chǔ)層描述和含油氣性預(yù)測(cè)是地震地質(zhì)解釋中的一項(xiàng)標(biāo)志性工作?；诮嵌瘸上竦兰寞B前彈性參數(shù)反演有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。但是,該項(xiàng)技術(shù)在儲(chǔ)層描述中真正的貢獻(xiàn)到目前為止依然深受質(zhì)疑[22]。在當(dāng)前復(fù)雜構(gòu)造及復(fù)雜儲(chǔ)層勘探階段,Zeoppritz方程的理論假設(shè)的有效性、各種復(fù)雜因素(包括數(shù)據(jù)不規(guī)則、噪聲、偏移速度、成像方法等)影響下角度成像道集完全無(wú)法做到振幅保真使得AVA分析難以有效進(jìn)行,基于角度成像道集的疊前彈性參數(shù)反演的可靠性更是難以保證。

對(duì)于“兩寬一高”勘探地震時(shí)代地震地質(zhì)解釋進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展方向,本文以設(shè)問(wèn)的方式表達(dá)看法:①油藏幾何形態(tài)的刻畫下一步尚需要發(fā)展什么新技術(shù)？②地震相識(shí)別和巖相識(shí)別需要發(fā)展什么新技術(shù)？③基于疊前成像道集和基于成像疊加剖面的屬性提取需要發(fā)展什么新技術(shù)？④屬性聚類的新方法應(yīng)該是什么？⑤地震屬性與儲(chǔ)層含油氣性關(guān)聯(lián)性分析需要什么新技術(shù)？⑤井震信息融合需要發(fā)展什么新技術(shù)？⑥地震自動(dòng)解釋需要發(fā)展什么新技術(shù)？⑦AVA反演是否要融入FWI中?合理的方法技術(shù)是什么？⑧“兩寬一高”數(shù)據(jù)下直接估計(jì)寬帶波阻抗的技術(shù)應(yīng)該是什么？

7 結(jié)論與討論

油氣地震勘探面對(duì)的地下介質(zhì)情況(包括地表?xiàng)l件)和油藏情況的日益復(fù)雜化迫切要求地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、成像處理技術(shù)、地震地質(zhì)解釋技術(shù)和油藏評(píng)價(jià)技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前,“兩寬一高”地震勘探技術(shù)應(yīng)該是針對(duì)上述需求發(fā)展起來(lái)的一種標(biāo)志性的技術(shù)體系。

“兩寬一高”地震勘探首先必須是采集技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展較為迅速,各種形式的觀測(cè)系統(tǒng)、各種震源及激發(fā)形式、各種檢波器及自動(dòng)布設(shè)技術(shù)等層出不窮。但是,真正廉價(jià)且高效地實(shí)現(xiàn)“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集還存在巨大障礙,首先是與震源和檢波器相關(guān)的硬件條件不滿足需求,自動(dòng)化與智能化地實(shí)現(xiàn)“兩寬一高”的數(shù)據(jù)采集即便在海上也存在很大的困難。陸上的“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集主要是針對(duì)中深層目標(biāo)地質(zhì)體,問(wèn)題是精確的油氣地震勘探必須首先弄清楚近地表巖石介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和參數(shù),否則不可能做到針對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體的真正高分辨與高精度成像。這與海上油氣勘探有較大差異。兼顧淺層的高密度地震數(shù)據(jù)采集目前還很難做到。陸上DAS采集系統(tǒng)有這樣的潛力,但何時(shí)能實(shí)用化還很難預(yù)測(cè)。

從海量的“兩寬一高”數(shù)據(jù)中提取與精確描述儲(chǔ)層有關(guān)信息的技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重滯后。無(wú)論是地震波反演成像或是地震地質(zhì)解釋與儲(chǔ)層描述,都遠(yuǎn)沒有發(fā)展到將“兩寬一高”數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的有意義的信息提取出來(lái),指導(dǎo)油藏的有效開發(fā)。以“FWI+LS_RTM”為標(biāo)志的反演成像方法技術(shù)還不能大規(guī)模用于生產(chǎn)實(shí)際,以AVA/AVAz疊前彈性參數(shù)反演為代表的儲(chǔ)層(半定量)描述方法由于其高度的不可靠性深受質(zhì)疑。疊前地震數(shù)據(jù)的反演成像中對(duì)井孔數(shù)據(jù)(包括各種地質(zhì)信息)的有效利用遠(yuǎn)未達(dá)到有機(jī)融合的程度。

“兩寬一高”地震數(shù)據(jù),包括來(lái)自井孔的數(shù)據(jù),是一個(gè)巨量的數(shù)據(jù)體,但對(duì)于復(fù)雜的油藏描述問(wèn)題而言,并不是一個(gè)完備的數(shù)據(jù)體。地震波反演成像問(wèn)題及油藏描述問(wèn)題就是一個(gè)信息不完全情形下的“最佳”判斷問(wèn)題。因此,本文認(rèn)為:在“兩寬一高”油氣地震勘探的旗幟下,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、融合地質(zhì)和測(cè)鉆井信息的地震波反演成像技術(shù)和(半)定量的油藏描述技術(shù)是今后油氣工業(yè)界長(zhǎng)期關(guān)注并不斷完善的關(guān)鍵技術(shù)。

致謝:感謝中石油勘探開發(fā)研究院及西北分院、中海油研究院和湛江分公司、中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院和勝利油田分公司對(duì)波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI)研究工作的資助與支持。