王瑞貞，白旭明，王金寬，趙利慶，韓 力，邱文平

（1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司華北物探處，河北任丘062552；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北任丘062552）

二連盆地朝克烏拉凹陷位于蘇尼特隆起東部，是白堊系沉積盆地，油氣資源豐富。本區(qū)火成巖多期次噴發(fā)，新生界的巨厚玄武巖廣泛分布于地表；受新生代的地殼變動和風化剝蝕作用，地形起伏劇烈，地震地質條件十分復雜，激發(fā)接收條件極差，地震資料能量弱、信噪比低、成像困難，曾一度被稱為地震“勘探禁區(qū)”。華北油田1984—2005年曾先后采用井炮、可控震源開展過多次采集技術攻關，但始終沒有取得突破性進展。2015年，華北油田在火成巖覆蓋區(qū)邊緣鉆遇優(yōu)質烴源巖，證明本區(qū)具有巨大油氣勘探潛力，2016年再次對本區(qū)開展了地震勘探技術攻關。

表層火成巖覆蓋區(qū)地震勘探屬世界級技術難題，已經(jīng)引起了勘探學家的普遍關注和高度重視。安學勇等[1]對朝克烏拉凹陷地震采集方法進行了研究總結，認為火成巖覆蓋區(qū)“地震波散射嚴重和難以產(chǎn)生反射波這兩種因素無法克服，而地震波屏蔽嚴重和激發(fā)接收困難這兩種因素，可通過采取適當?shù)拇胧?，降低其對地震資料的影響”。張愛印[2]對宣化—下花園煤田火成巖覆蓋區(qū)地震勘探技術進行了研究，認為采用大藥量激發(fā)、高覆蓋接收、精細靜校正和精細去噪方法，能夠取得較好的效果。裴正林等[3]采用P 波廣角反射消除火成巖高速層對地震波的屏蔽作用。吳希光等[4-6]對復雜地區(qū)地震資料低信噪比的原因及對策進行了研究總結，認為在復雜地表區(qū)，強散射干擾是導致記錄信噪比低的根本原因。李燦蘋[7]對散射波特征與非均勻地質體對應關系進行了詳細分析研究，認為地震波的散射程度與非均勻地質體的尺度和波長的比值有關。本文通過對二連盆地朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地震地質特點的分析，在總結以往相關研究成果的基礎上，闡明了造成該區(qū)地震原始資料品質差的主要原因和地震勘探的技術難點，提出了一套以高精度可控震源低頻激發(fā)、寬線、長排列、高覆蓋接收為主的地震資料采集技術和以綜合靜校正、多域去噪和高精度速度分析為主的處理方法，展示了該方法技術的應用效果，希望對類似地區(qū)的地震勘探工作具有借鑒意義。

1 難點分析

1.1 地震地質條件

研究區(qū)為朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)，位于該凹陷朝三次洼中部以西，區(qū)內發(fā)育有下白堊系巴彥花群的賽漢組、騰二段、騰一段、阿爾善組地層，各層底界反射能量中等，連續(xù)性較差。其中騰二段、騰一段和阿爾善組地層為該區(qū)良好的儲集層，也是該區(qū)勘探的主要目的層，勘探深度為800～3000 m。區(qū)內火成巖覆蓋于近地表，有的出露地表，有的隱伏于近地表之下，表面粗糙、成不規(guī)則塊狀，內部多孔，分布零散、破碎，其間有第四系黃土不同程度填充（圖1）。根據(jù)以往地質露頭、電法等資料推測凹陷內表層火成巖夾沉積巖總厚度東部一般在50 m 左右；中部厚度變化較大，在50～200 m；西部火成巖普遍較厚，大部分地區(qū)在200 m 以上（圖2），分布極不均勻。根據(jù)表層調查結果，本區(qū)近地表低速層速度一般為650～1100 m/s，高速層速度一般為2100～3000 m/s，最高速度可達4 500 m/s（圖3）。

圖1 朝克烏拉凹陷火成巖地表

1.2 勘探難點分析

圖2 朝克烏拉凹陷表層火成巖厚度（單位：m）

2016年以前，在研究區(qū)共開展過4次地震勘探。圖4展示了1998年和2005年相鄰兩條火成巖區(qū)二維地震剖面。1998年利用AMG P23可控震源施工，主要采集參數(shù)：振動臺次為4臺×8次、掃描長度為10s、掃描頻率為13～64 Hz、道距為50 m、覆蓋次數(shù)為30次。在火成巖覆蓋區(qū)地震記錄信噪比低，有效信息微弱，剖面上（圖4a）難以見到有效目的層反射，缺少低頻信息。2005年利用井炮施工，采用25 m 固定井深、24 kg藥量、25 m 道距、180次覆蓋，地震剖面（圖4b）效果無明顯改善。

根據(jù)本區(qū)地震地質條件及以往勘探經(jīng)驗，認為本區(qū)地震勘探主要有以下難點。

圖3 朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)近地表反演速度剖面

難點一：散射波干擾嚴重，提高地震資料信噪比困難。從研究區(qū)典型的一條原始地震記錄（圖5）上可以看出，散射干擾遍布整個地震記錄，尤其是近道散射能量強，遠道能量衰減快，面波、有效波都發(fā)生了強烈的散射，很難見到有效反射波同相軸。雜亂分布的不規(guī)則塊狀火成巖與地表（圖1）以及埋藏于近地表的火成巖與第四系填充的黃土之間都存在不規(guī)則波阻抗界面，地震波在傳播過程中遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

圖4 1998年（a）和2005年（b）火成巖區(qū)二維地震剖面

圖5 原始地震記錄

1）由炮點下行的地震波在通過近地表巨厚火成巖覆蓋區(qū)時，遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，使下行波到達目的層反射界面的能量降低，激發(fā)效果變差。

2）由反射界面上行的反射波通過近地表巨厚火成巖覆蓋區(qū)時，遇到不規(guī)則波阻抗界面發(fā)生散射，使上行反射波到達接收點的能量降低，接收效果變差，上行波的散射產(chǎn)生的上行波被接收后降低了資料信噪比。

3）面波在近地表傳播時，遇到地表不規(guī)則波阻抗界面產(chǎn)生散射。由于面波能量一般較強，強面波散射嚴重影響地震記錄信噪比，如圖5所示的近道強干擾即是面波散射的結果。

難點二：巨厚火成巖屏蔽作用嚴重。用水鉆對近地表火成巖覆蓋區(qū)鉆孔發(fā)現(xiàn)，地表以下火成巖呈塊狀雜亂堆積，孔隙發(fā)育，漏水嚴重。由于表層大量孔隙的存在，使之與下伏地層形成很強的波阻抗界面，激發(fā)產(chǎn)生的地震入射波到達這一界面時，產(chǎn)生的反射波能 量 強 ， 透射波能量小，造成目的層反射能量弱，巨厚火成巖嚴重的屏蔽作用，影響目的層成像效果。

難點三：靜校正問題突出。火成巖覆蓋區(qū)地表起伏劇烈（圖6），從CK16-11 線近地表結構調查模型（圖7）可以看出，表層速度、厚度橫向變化大，靜校正問題嚴重，影響成像效果。

圖6 朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)地形

圖7 CK16-11線近地表結構調查模型與速度曲線疊合

從上述難點中可知，強散射波干擾是造成研究區(qū)地震資料信噪比低的最主要原因；巨厚火成巖散射和屏蔽作用是造成目的層反射能量弱的主要原因；靜校正問題突出進一步影響了研究區(qū)目的層的成像效果。

2 技術對策

針對上述難點，在地震資料采集環(huán)節(jié)采用可控震源低頻激發(fā)、寬線、長排列、高覆蓋接收提高原始資料品質；在地震資料處理環(huán)節(jié)，采用多域去噪、綜合靜校正和高精度速度分析技術提高剖面成像效果。

2.1 可控震源低頻激發(fā)技術

在地震勘探中，介質的非均勻性是針對地震波波長而言的[7-8]，一定尺度的非均質體對短波長的地震波而言是非均勻介質，而對長波長而言可等效為均勻介質，波長越長，被等效為均勻介質的地質體越大。根據(jù)這一理論，低頻長波長信號穿透非均勻介質的能力強，散射作用弱；相反，高頻信號穿透能力弱，散射作用強。圖8對比了二維不規(guī)則界面不同主頻正演模擬地震記錄的結果。由圖8b可見，不規(guī)則界面L1的散射波很弱，幾乎看不到連續(xù)的散射波；由圖8c和圖8d可以看出，大量連續(xù)的散射波形成背景干擾，同時使L2界面反射產(chǎn)生扭曲，這表明低頻信號較高頻信號抗散射能力強。另外，低頻信號下傳的能量較高頻信號強，有利于克服巨厚火成巖屏蔽作用，提高深層信號能量。因此，用低頻激發(fā)技術降低表層巨厚火成巖散射和屏蔽作用的影響，提高原始資料品質是可行的。

由于工區(qū)表層火成巖與黃土混雜、疏松，井炮激發(fā)鉆井困難，成功率低，激發(fā)效果差，以往井炮采集結果也證實了這一點。EV56 低頻可控震源具有噸位大、起始掃描頻率低、掃描頻帶寬的特點，并且其振板設計特殊，與地面耦合效果和彈性波轉換效能較常規(guī)震源有明顯提高，因此我們施工時采用EV56低頻可控震源，掃描頻率為1.5～64.0 Hz。圖9為可控震源不同掃描頻率的疊加剖面。從圖9a可以看出，掃描頻率為12～64 Hz所得的剖面從淺到深難以見到有效地層反射信息，從圖9b中可以看出，掃描頻率為1.5～64.0 Hz所得的剖面盡管分辨率較低，但可以清 晰見到主要目的層的反射信息。

圖8 理論模型（a）和3 Hz（b）、15 Hz（c）、30 Hz（d）主頻正演模擬地震記錄

圖9 可控震源不同掃描頻率疊加剖面

2.2 長排列接收技術

根據(jù)地震波傳播原理，當入射角大于臨界角時發(fā)生廣角反射[9-11]，廣角反射的能量一般大于常規(guī)反射的能量（圖10）。

采用廣角反射增大炮檢距的觀測方式，即可克服高速層屏蔽作用，同時由于廣角反射信號能量強，有利于低信噪比地區(qū)資料的獲得。廣角反射臨界角計算公式為：

圖10 地震反射波能量與入射角的關系

式中：θ為 臨 界 角；v1為 第1層 層 速 度；v2為 第2層層速度。

臨界排列長度計算公式為：

式中：Xmax為炮檢距；h為第1層厚度。

圖11是根據(jù)朝克烏拉凹陷的表層和深層資料建立的正演模擬速度模型，根據(jù)模型計算主要目的層騰二段底（T6）發(fā)生廣角反射的炮檢距為1600 m，阿爾善組頂（T8）發(fā)生廣角反射的炮檢距為3500 m，阿爾善組底（T11）發(fā)生廣角反射的炮檢距為4000 m。

圖11 朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地質模型

由火成巖覆蓋區(qū)（左支）4000 m 炮檢距的正演模擬地震記錄（圖12）可見，能產(chǎn)生阿爾善組底以上地層的廣角反射，地震記錄正演結果與理論計算結果一致。

圖13是20～40 Hz分頻地震記錄，可以清楚地看到廣角反射現(xiàn)象，且廣角反射較遠炮檢距反射能量更強。處理地震資料時可采用少切除或不切除和高階動效正處理技術，以更好地利用廣角反射信息。

2.3 寬線高覆蓋技術

圖12 火成巖覆蓋區(qū)（左支）4 000 m 炮檢距正演地震記錄

圖13 火成巖覆蓋區(qū)20～40 Hz分頻地震記錄

寬線觀測具有組合效應，可以有效壓制側面干擾。高覆蓋技術是地震勘探提高信噪比和目的層能量的主要技術?；鸪蓭r覆蓋區(qū)受表層火成巖影響，資料信噪比極低（如圖4），寬線、高覆蓋結合是有效解決目的層能量和信噪比的有效技術。

圖14顯示了火成巖覆蓋區(qū)采用不同覆蓋次數(shù)的照明效果。從圖14中可以看出，隨著覆蓋次數(shù)的增加，目的層的照明效果越來越好。

定量分析不同覆蓋次數(shù)疊加剖面，可以得到火成巖覆蓋區(qū)下伏目的層信噪比隨覆蓋次數(shù)的變化曲線，結果如圖15所示。從圖15可以看出，隨著覆蓋次數(shù)的增加，目的層的信噪比得到提高，當覆蓋次數(shù)大于1 000次時，信噪比增大幅度不明顯。

圖14 火成巖覆蓋區(qū)采用不同覆蓋次數(shù)的照明效果

圖15 火成巖覆蓋區(qū)目的層信噪比隨覆蓋次數(shù)變化曲線

本次朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)地震采集技術攻關采用了4線4炮120道960次覆蓋的觀測系統(tǒng)。對比不同覆蓋次數(shù)疊加剖面（圖16）可以看出，隨著覆蓋次數(shù)增加資料信噪比得到明顯提升。960次覆蓋剖面構造特征清楚，能夠滿足火成巖區(qū)勘探需求。

2.4 綜合靜校正技術

復雜地表區(qū)靜校正是地震資料處理的關鍵技術，目前單一的靜校正方法很難或不可能解決全區(qū)靜校正問題，需多種方法聯(lián)合使用。朝克烏拉火成巖覆蓋地區(qū)表層有巨厚火成巖，難以用小折射、微測井等常規(guī)近地表調查方法獲得精確的近地表結構，模型法靜校正技術不適宜該區(qū)。另外，該區(qū)表層結構復雜，地表起伏劇烈，表層速度、巖性橫向變化快，火成巖無穩(wěn)定折射層，難以劃分出統(tǒng)一折射層面，折射靜校正效果不好。因此，在該區(qū)采用高程靜校正、層析靜校正和綜合靜校正處理技術。

圖16 采用不同覆蓋次數(shù)的疊加剖面

對比圖17a和圖17b可以看出，除局部區(qū)域高程靜校正疊加剖面好于層析靜校正疊加剖面外，整體上層析靜校正疊加剖面好于高程靜校正疊加剖面。而綜合了高程靜校正與層析靜校正獲得的剖面（圖17c）兼有了兩者的優(yōu)勢，整體效果較好。

2.5 多域去噪技術

火成巖覆蓋區(qū)干擾波類型較多，除常見的面波、線性干擾、異常振幅和隨機噪聲干擾外，在近偏移距區(qū)還存在強能量散射干擾（圖18）。

這些干擾波的存在使反褶積過程的自相關函數(shù)變差，影響反褶積的效果。地震資料處理時依照“先低頻噪聲后高頻噪聲、先線性噪聲后隨機噪聲、先強能量噪聲后弱能量噪聲”的去除原則，根據(jù)各種干擾波的自身特點，分別在炮域、共檢波點域、CMP 域或OVT（共偏移距矢量片）域等進行分域去噪，逐步去除各種噪聲，提高資料信噪比。多域去噪的技術流程如圖19所示。

圖17 采用不同靜校正方法的疊加剖面

圖18 火成巖覆蓋區(qū)的干擾波

圖19 多域去除噪聲的技術流程

火成巖覆蓋區(qū)的強能量散射干擾是本次去噪的重點。在原始地震記錄上，近偏移距區(qū)散射干擾的能量明顯大于遠偏移距區(qū)（圖20），特別是在0～1250m 偏移距內散射波能量約為無散射干擾區(qū)道能量的70倍，因此，必須對散射波能量進行衰減。常規(guī)的地表一致性異常振幅去除技術，主要是基于多道統(tǒng)計單道壓制的原理，其應用前提是時窗中要衰減的噪聲的振幅大于有效信號的振幅。很顯然，火成巖覆蓋區(qū)的炮集記錄中近偏移距區(qū)不能滿足該應用條件。為此，采用OVT 域處理技術，先將炮集記錄按OVT 矢量片的方式進行劃分，并對OVT 域道集進行隨機重排，改變強能量干擾道的分布規(guī)律，然后進行地表一致性異常振幅處理，從而實現(xiàn)對近偏移距區(qū)強能量散射干擾的有效壓制（圖21）。

通過保幅、保真的漸進式去噪，各種干擾得到很好的壓制，有效波成分得到突出，成像剖面整體信噪比得到明顯改善（圖22）。

圖20 火成巖覆蓋區(qū)炮域強能量干擾波

圖21 散射波強能量干擾壓制過程與效果

圖22 多域去除噪聲前（a）、后（b）成像剖面

2.6 基于散射波的速度分析技術

在低信噪比地區(qū)，經(jīng)常會由于速度分析精度低造成剖面成像質量變差，甚至會出現(xiàn)假構造現(xiàn)象。BANCROFT 等[12]提出了基于共散射點道集等效偏移距的疊前時間偏移速度分析方法，即依據(jù)地震波旅行時的雙平方根方程，采用疊前克?；舴蚍e分偏移原理，將地震道按產(chǎn)生的散射點，在給定的偏移距范圍內抽道集，稱為共散射點道集（CSP道集）。CSP道集與CMP道集相比具有較高的信噪比，利用CSP道集進行速度分析，具有提高覆蓋次數(shù)的優(yōu)勢，能獲取高精度的均方根速度場，從而提高地震剖面質量[13-18]。

圖23 CMP道集（a）和CSP道集（b）的速度譜

圖23是相同點CMP道集和CSP道集速度譜對比結果，可以看出后者比前者信噪比高，能量團更集中，大道集中淺層能看到明顯的雙曲線同相軸，速度解釋可靠性更高。

圖24是采用某二維測線的CMP 道集和CSP道集進行速度分析建立的速度模型。從圖24a可以看出，淺層速度橫向變化平緩，而深層速度橫向變化相對劇烈，這種現(xiàn)象與本區(qū)地層發(fā)育和速度變化規(guī)律都不符，而從圖24b可以看出，由淺到深速度的變化更符合本區(qū)地層發(fā)育和速度變化規(guī)律。圖25是與圖24對應的疊加剖面，可以看出，圖25b所示剖面波組特征清晰，更符合本區(qū)地層發(fā)育規(guī)律。

圖24 采用CMP道集（a）和CSP道集（b）進行速度分析建立的速度模型

圖25 利用CMP道集（a）和CSP道集（b）速度模型得到的疊加剖面

3 應用效果分析

本次攻關野外采集采用EV56低頻高精度可控震源，振動臺次為2臺1 次，掃描長度為14 s，掃描頻率為1.5～64.0 Hz，驅動幅度為65%，采用4線4炮120道的觀測系統(tǒng)，道距為50 m，炮點距為50 m，覆蓋次數(shù)為960 次。地震資料處理過程中在完成前文介紹的綜合靜校正、疊前系列去噪的基礎上，開展基于散射波的速度分析，獲得了高質量的速度場。以此開展真地表疊前時間偏移成像攻關，取得了較為理想的效果。圖26是朝克烏拉火成巖覆蓋區(qū)相距2 km 的老新成果剖面對比結果。從圖26可以看出，新的疊前時間偏移剖面信噪比明顯提高，主要目的層反射清楚，地質現(xiàn)象清晰，剖面質量較老剖面有很大提高。

圖26 朝克烏拉火成巖區(qū)老（a）、新（b）PSTM 成像剖面

4 結論

朝克烏拉凹陷火成巖覆蓋區(qū)地震勘探技術的再次攻關研究結果表明：

1）近地表散射是造成本區(qū)地震資料反射能量弱、信噪比低的最主要原因，嚴重的靜校正問題進一步影響了研究區(qū)目的層的成像效果。可控震源低頻激發(fā)是取得攻關突破的關鍵技術，寬線、長排列、高覆蓋接收是提高原始資料信噪比的有效技術手段；

2）多域去噪處理技術是提高地震成像剖面信噪比的關鍵，基于散射波理論的高精度速度分析技術是提高低信噪比資料速度分析精度的有效措施。

本次地震勘探攻關雖然取得了突破性進展，所采用的配套技術對類似地區(qū)具有重要借鑒意義，但還有一些技術難題有待進一步攻關研究：

1）成像剖面上主要目的層發(fā)育及展布清楚，能夠滿足構造解釋需要，但火成巖散射嚴重，對地震資料的分辨率和信噪比的影響還沒有完全消除，需進一步深入研究；

2）最新地質研究成果表明，研究區(qū)不僅近地表被火成巖覆蓋，深層火成巖也十分發(fā)育，提高成果剖面的品質還需進一步研究深層火成巖成像效果影響因素及先進技術，比如基于散射波的成像處理技術等。

致謝：本文在撰寫過程中得到了范國增老專家的指導與幫助，在此表示衷心感謝!