陳學強 王彥峰 呂景峰 周 旭 王 劍

(東方地球物理公司塔里木物探處，新疆庫爾勒 841000)

0 引言

塔里木盆地庫車坳陷石油地質(zhì)條件優(yōu)越，是中國天然氣主要產(chǎn)區(qū)之一，具有巨大的勘探潛力。該區(qū)地表發(fā)育高陡山體、山前洪積扇，遍布農(nóng)田城鎮(zhèn)等。山體區(qū)地形起伏劇烈、巖性多變、峭壁林立，施工難度及安全風險很大；同時，物理點分布不均勻、淺層成像非常困難，嚴重影響中深層成像質(zhì)量。山前帶多發(fā)育大型洪積扇，巖性以戈壁礫石為主，低降速層最大厚度超過200m，地震波能量衰減快，激發(fā)、接收條件差；在低降速層之下發(fā)育巨厚的高速礫巖(速度明顯高于下伏地層)，最大厚度超過4000m，空間分布規(guī)律性差，對下伏構(gòu)造的準確成像影響巨大。在洪積扇的前緣往往分布城鎮(zhèn)、村莊、農(nóng)田，伴隨有眾多廠礦、公路、鐵路等各類干擾源，嚴重影響了原始地震資料品質(zhì)。另外，該區(qū)作為古文明的繁榮地及古絲綢之路的交通要道，文物古跡分布廣泛，這些文物保護區(qū)當然也成了施工受限區(qū)，影響了資料的完整性。

該區(qū)復雜的地表條件導致原始資料信噪比低、炮檢點正常布設(shè)困難、觀測系統(tǒng)難以正常實施、地震屬性不均勻等一系列問題。區(qū)內(nèi)勘探目的層以古近系和白堊系為主，埋深一般在3000～8000m，發(fā)育以膏鹽巖為主要滑脫層的鹽上、鹽層和鹽下三個復雜構(gòu)造層次縱向疊置的逆掩推覆構(gòu)造。其中，鹽層厚度大、速度低，速度場縱橫向劇烈變化；鹽下發(fā)育逆沖疊瓦構(gòu)造，斷層發(fā)育、斷距大、地層疊置；鹽上發(fā)育滑脫逆沖斷層和相關(guān)褶皺，地層高陡、破碎，在構(gòu)造頂部淺層傾角近于直立[1-2]。復雜的地下構(gòu)造導致地震波場復雜、成像難度大，進而構(gòu)造難以準確落實、井震誤差大。

2010年以前，針對上述問題，重點從提高原始資料品質(zhì)及水平疊加成像質(zhì)量方面進行了地震采集處理技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)。在此基礎(chǔ)上，形成了基于斷層相關(guān)褶皺理論的解釋技術(shù)，在地表、地下地質(zhì)條件相對簡單、目的層埋藏較淺的區(qū)域取得突破，發(fā)現(xiàn)了克拉2和迪那2氣田[3-4]。

為進一步提高復雜地表及復雜構(gòu)造的成像質(zhì)量，在采集技術(shù)方面，李萬萬[5]、董良國等[6]提出了利用射線追蹤或波動方程計算目的層照明能量進行觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的方法[5-8]，由于“雙復雜”構(gòu)造成像的影響因素的多樣性及復雜性，照明分析方法不能有效地指導觀測系統(tǒng)設(shè)計。為得到高精度的成像結(jié)果，業(yè)內(nèi)人士開展了大量以FWI(全波形反演)技術(shù)為代表的地震波反演成像方法的研究[9-13]，但由于雙復雜區(qū)地震數(shù)據(jù)信噪比低及頻帶窄、初始模型欠精確、地震子波的未知和空變等問題，使得嚴格意義下的FWI方法尚不能很好地解決實際問題；在構(gòu)建近地表速度模型的方面，基本上還是以初至波層析成像技術(shù)為主[14-17]，若近地表存在高速礫巖體等速度反轉(zhuǎn)層時，這些技術(shù)存在嚴重的不適應性。

近年來，在充分總結(jié)本區(qū)以往勘探經(jīng)驗、借鑒其他地區(qū)技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，針對庫車坳陷雙復雜勘探問題，開展了基于三維地震物理模擬或數(shù)值模擬的三維觀測系統(tǒng)設(shè)計方法、激發(fā)接收等采集配套技術(shù)的研究與應用，探索和嘗試基于微測井資料、初至波與淺層反射波的多信息、多方法的分步、分層近地表速度建模技術(shù)。這些技術(shù)的研發(fā)和應用，使該區(qū)油氣勘探向更復雜區(qū)域持續(xù)挺進，并不斷獲得油氣發(fā)現(xiàn)和突破。本文梳理、歸納了這些技術(shù)的研究進展，并展示了實際應用效果。

1 地震采集技術(shù)進展

1.1 基于復雜構(gòu)造深度域成像的三維觀測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

針對復雜構(gòu)造的三維觀測系統(tǒng)設(shè)計，重點是考慮有利于深度域成像，利用數(shù)學理論分析很難確定合理的參數(shù)，利用實際數(shù)據(jù)分析確定需進行方法強化的攻關(guān)試驗，無論是在經(jīng)濟性上還是在時間周期上，均不具備可行性。為此，選擇庫車坳陷典型目標區(qū)，通過三維地震物理模擬和數(shù)值模型波動方程正演方法進行三維觀測系統(tǒng)參數(shù)的分析論證。

針對克深地區(qū)高陡逆掩推覆構(gòu)造的三維物理模型(圖1a)，通過模擬得到相同炮道密度下不同三維觀測系統(tǒng)參數(shù)(表1)對應的疊前深度偏移(PSDM)剖面(圖1b和圖1c)?？梢姴捎眯【€距窄方位參數(shù)時(圖1b)淺層信噪比明顯高于大線距較寬方位(圖1c)，但中部斷面(圖中①位置)和深部反射層(圖中②位置)成像質(zhì)量變差。對比、分析圖1可知，在相同炮道密度下，采用小線距有利于減少偏移噪聲，采用寬方位觀測有利于深層陡傾構(gòu)造成像。

表1 圖1b和圖1c的三維觀測系統(tǒng)參數(shù)

圖1 克深構(gòu)造三維地震物理模型及模擬數(shù)據(jù)的PSDM剖面

圖2a為大北地區(qū)復雜斷塊構(gòu)造的三維數(shù)值模型。對該模型進行三維波動方程正演，得到相同炮道密度下不同三維觀測系統(tǒng)參數(shù)(表2)對應的PSDM剖面(圖2b～圖2d)。通過對比可知：采用小線距、窄方位觀測系統(tǒng)的剖面(圖2b)中，其背景噪聲最弱；采用大線距、寬方位觀測系統(tǒng)的剖面(圖2d)中的背景噪聲最強，但圖2d局部深層(圖中①位置)的成像質(zhì)量更好。

表2 圖2b～圖2d的三維觀測系統(tǒng)參數(shù)

對圖2a模型進行三維波動方程正演，得到相同橫縱比下不同三維觀測系統(tǒng)參數(shù)(表3)對應的PSDM剖面(圖3a～圖3d)。對比看出，采用小線距、適中面元、高炮道密度觀測系統(tǒng)的圖3d的成像清晰度最高。采用相同的橫縱比和炮道密度，只是通過調(diào)整面元大小、接收線數(shù)來改變線距(圖3a～圖3c)。從這三種觀測系統(tǒng)的成像效果看，采用小面元、大線距的圖3a剖面中的背景噪聲最強，從淺層到深層信噪比均最低；而采用大面元、小線距的圖3c剖面效果最佳。

表3 圖3a～圖3d的三維觀測系統(tǒng)參數(shù)

圖2 大北構(gòu)造三維地質(zhì)數(shù)值模型及波動方程正演數(shù)據(jù)的PSDM剖面

圖3 大北構(gòu)造不同觀測系統(tǒng)參數(shù)三維波動方程正演數(shù)據(jù)的PSDM剖面

以上對比分析表明：采用小線距、高炮道密度的三維觀測系統(tǒng)可實現(xiàn)對地下波場的均勻采樣，從而有利于減少偏移噪聲；采用寬方位觀測可實現(xiàn)對地下波場的充分采樣，有利于深層陡傾角成像，故高密度寬方位觀測是復雜構(gòu)造區(qū)三維觀測系統(tǒng)的設(shè)計方向。

通過三維地震物理模擬實驗分析，狄?guī)妥尩萚18]認為：面元在滿足最小目標地質(zhì)體識別、無假頻空間采樣的條件下，減小面元對提高橫向空間分辨率的作用非常有限；在總采集數(shù)據(jù)量相等的前提下，應優(yōu)選屬性更均勻的大面元三維觀測系統(tǒng)，以利于提高目標地質(zhì)體的地震成像質(zhì)量。因此，在投資有限的情況下，設(shè)定三維觀測系統(tǒng)參數(shù)時宜采用的先后順序為：優(yōu)先選擇較小線距，其次是較寬方位，最后是適中面元。另外，在淺層低信噪比區(qū)，可采用觀測系統(tǒng)的差異化設(shè)計，通過加密較短的子排列和炮線的方式，確保淺層信噪比，進而提高淺層速度精度，提高深層復雜構(gòu)造成像質(zhì)量。

圖4是庫車地區(qū)大北構(gòu)造常規(guī)三維與寬方位較高密度三維的PSDM剖面對比。這兩塊三維的面元和炮線距相同，后者通過適當增大接收線距和接收線數(shù)，從而增加了觀測寬度、覆蓋次數(shù)和炮道密度(表4)?？梢钥闯觯瑢挿轿惠^高密度三維提高了復雜區(qū)構(gòu)造成像精度，對復雜斷塊識別能力更強，展示的斷塊接觸關(guān)系更合理，有效地解決了復雜斷塊型氣藏的精細刻畫問題。

圖4 大北構(gòu)造常規(guī)三維(a)與寬方位較高密度三維(b)的PSDM剖面

表4 圖4a和圖4b的三維觀測系統(tǒng)參數(shù)

1.2 基于激光雷達測繪數(shù)據(jù)的物理點布設(shè)及變觀設(shè)計配套技術(shù)

目前，物理點的室內(nèi)設(shè)計大多是利用衛(wèi)星影像或無人機數(shù)碼航攝數(shù)據(jù)完成。受數(shù)據(jù)精度的影響，物理點設(shè)計結(jié)果與現(xiàn)場最終實施結(jié)果吻合度差，在復雜山地區(qū)的應用效果不理想[19]。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像和數(shù)碼航攝方法相比，激光雷達(LiDAR)測繪方法具有主動遙感、全自動化、少外業(yè)、高效、高精度、高性價比的優(yōu)勢。LiDAR測繪數(shù)據(jù)的平面及高程精度均可達到dm級，可提供全數(shù)字化DSM(數(shù)字表面模型)、DEM(數(shù)字高程模型)、DOM(數(shù)字正射影像)、DLG(數(shù)字線劃圖)、三維大場景、剖面圖等資料[20]。利用LiDAR測繪數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)復雜區(qū)物理點的精細布設(shè)和變觀設(shè)計。

在高難山體區(qū)，利用高精DEM數(shù)據(jù)解析地面坡度、地表起伏度、巖石破碎度信息和勾繪可通行的山脊線、山溝線，評定施工風險等級和規(guī)劃施工路徑；在此基礎(chǔ)上進行物理點的室內(nèi)設(shè)計，從而盡可能確保炮檢點布設(shè)均勻。

圖5是庫車佳木構(gòu)造陡峭山體區(qū)應用該技術(shù)后三維實際物理點分布與以往二維的對比，可見三維物理點的到位率及均勻性得到大幅度改善。在城鎮(zhèn)區(qū)，利用DOM數(shù)據(jù)分類精細識別各類地物，繪制數(shù)字線劃圖。根據(jù)數(shù)字線劃圖的障礙物分類及其安全距離要求，運用軌跡偏移技術(shù)提前設(shè)計物理點及變觀方案，確保點位分布相對均勻，實現(xiàn)了從指導性施工設(shè)計到精準設(shè)計施工的轉(zhuǎn)變。

圖5 佳木構(gòu)造陡峭山體應用新技術(shù)后的三維與以往二維實際物理點分布對比

針對文物古跡等禁入?yún)^(qū)和強外界干擾區(qū)，采用橫向增加或加密接收線、加大有效排列長度和根據(jù)干擾強度設(shè)計加密炮點等靈活變觀方案，保證復雜區(qū)地震資料品質(zhì)。圖6為該技術(shù)在庫車亞肯構(gòu)造復雜障礙區(qū)的實際應用效果。

圖6 亞肯構(gòu)造復雜障礙區(qū)變觀技術(shù)應用前(a)、后(b)的水平疊加剖面

1.3 井炮、高精度可控震源聯(lián)合激發(fā)配套技術(shù)

20世紀90年代末，通過大量的技術(shù)攻關(guān)試驗，形成了山地、山前帶井炮與大噸位可控震源聯(lián)合激發(fā)技術(shù)，并得到了推廣應用[21-22]。2016年，中國石油集團東方地球物理公司推出EV-56型新一代高精度可控震源，相比常規(guī)震源能獲得更穩(wěn)定的低頻地震信號(3Hz)，為解決超深層高陡復雜構(gòu)造成像問題提供了更有效的手段。圖7為庫車亞肯構(gòu)造山前帶礫石區(qū)EV-56震源激發(fā)與井炮激發(fā)單炮對比，可看出高精度可控震源激發(fā)單炮的反射波信噪比明顯高于降速層中炸藥震源激發(fā)的單炮。

圖7 亞肯構(gòu)造山前帶礫石區(qū)EV-56震源激發(fā)與井炮激發(fā)單炮對比

針對復雜山區(qū)激發(fā)與質(zhì)控難題，研發(fā)并應用了一系列配套技術(shù)。在高難山體區(qū)，采用基于北斗系統(tǒng)的井炮獨立激發(fā)技術(shù)，利用衛(wèi)星授時和北斗短報文通信功能，爆炸機自主激發(fā)，規(guī)避無線電通訊不暢的影響。在城鎮(zhèn)、密林區(qū)，采用基于多種方式(4G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電臺、MESH電臺)聯(lián)合組網(wǎng)的可控震源自組網(wǎng)激發(fā)技術(shù)(VPM)，實現(xiàn)無盲區(qū)限制、自主激發(fā)，并采用智能質(zhì)控技術(shù)實時監(jiān)控可控震源激發(fā)位置和工作狀態(tài)，確保激發(fā)質(zhì)量；同時，利用高精度DLG數(shù)據(jù)進行可控震源作業(yè)軌跡預設(shè)計，在此基礎(chǔ)上應用車載導航系統(tǒng)引導施工，實現(xiàn)復雜障礙區(qū)智能化作業(yè)。通過這些激發(fā)配套技術(shù)的應用，保障了復雜區(qū)的安全、優(yōu)質(zhì)、高效采集。

1.4 基于節(jié)點儀器的因地制宜野外接收技術(shù)

原始資料中的噪聲一般包括激發(fā)引起的規(guī)則噪聲和以環(huán)境噪聲為主的隨機噪聲。由于數(shù)據(jù)采集通常安排在環(huán)境噪聲較小時進行，因此原始地震資料中噪聲以激發(fā)引起的規(guī)則噪聲為主。

山地、山前帶地震勘探中干擾波的形成主要與近地表結(jié)構(gòu)有關(guān)，其視速度與近地表速度接近。該區(qū)的干擾波調(diào)查試驗分析表明：戈壁區(qū)低速干擾的速度一般為500～1500m/s，波長為50～100m；山體區(qū)低速干擾的速度一般為1000～2000m/s，波長為100～210m。理論分析表明(圖8)，對起伏山體區(qū)視波長大于100m的干擾，受組合高差限制，野外檢波器組合難以壓制；而對于戈壁區(qū)視波長相對較小的干擾，通過野外檢波器組合，可得到部分壓制，且對反射波高頻成分影響不大，進而可提高單炮信噪比。圖9為檢波器單點與20個組合接收的水平疊加剖面對比，可見砂泥巖山體區(qū)兩種接收方式的剖面品質(zhì)相當，但在戈壁礫石區(qū)，組合接收的剖面信噪比明顯高于單點接收。因此，采用戈壁區(qū)檢波器組合與山體區(qū)單點接收相結(jié)合的接收方式，既可保證資料品質(zhì)，又降低施工難度。

圖8 檢波器組合(20個，矩形組合，基距20m)對不同波長干擾波的響應曲線(a)及對反射波頻率的影響(b)

圖9 克深構(gòu)造檢波器單點(a)與20個組合(b)接收的水平疊加剖面

針對復雜地表區(qū)有線儀器的連接問題，采用外接式與一體式全節(jié)點采集方式，確保復雜區(qū)物理點的到位率，且降低安全風險及施工難度。在城填區(qū)及高壓線密集區(qū)，采用一體式節(jié)點施工，有效屏蔽交流電等共模干擾。針對障礙區(qū)及干擾區(qū)，利用節(jié)點可自由布設(shè)的特點，進行接收點的靈活變觀、加密。另外，形成采集前系統(tǒng)檢測、現(xiàn)場質(zhì)控、數(shù)據(jù)回收與下載、合成與評價等節(jié)點采集質(zhì)控流程，確保節(jié)點采集質(zhì)量及數(shù)據(jù)整理、上交的及時性。

1.5 基于多信息的“兩步法”野外表層建模技術(shù)

山體區(qū)風化層較薄，通過以適量的表層調(diào)查為基礎(chǔ)的相似系數(shù)模型法，獲得絕對精度較高的靜校正量；山前戈壁礫石區(qū)的風化層雖然較厚，但由于地表起伏相對較小，因此通過微測井調(diào)查結(jié)果約束初至層析反演，可獲得較高精度的風化層模型及靜校正量。

在山前戈壁礫石區(qū)的沖積扇或洪積扇區(qū)，風化層之下往往發(fā)育高速礫巖體，初至波層析法無法刻畫速度反轉(zhuǎn)界面，嚴重影響構(gòu)造成像質(zhì)量[18]。為此，采用基于多信息的"兩步法"野外表層建模技術(shù)：針對風化層，采用以微測井結(jié)果控制結(jié)構(gòu)與初至層析反演控制空間趨勢相結(jié)合的方法；針對高速礫巖體，利用反射波信息控制底部邊界(圖10a)、初至層析控制平面邊界及速度(圖10b)、深井微測井驗證的迭代建模方法。應用該表層建模方法，可為后續(xù)處理中的三維精細速度建模提供更精準的初始模型(圖10c)，提高處理質(zhì)量和效率。

圖10 亞肯構(gòu)造高速礫巖反射波剖面(a)、初至層析反演結(jié)果(b)和近地表結(jié)構(gòu)模型(c)

2 實際應用及效果

圖11為庫車克深構(gòu)造新、老三維PSDM剖面的對比。老三維采用12L9S480T觀測系統(tǒng)形式，面元尺寸為15m(縱)×30m(橫)，接收線距為180m，炮線距為360m，覆蓋次數(shù)為120，炮道密度為26.67萬道/km2，橫縱比為0.17，激發(fā)因素為井炮與常規(guī)震源聯(lián)合激發(fā)，接收因素為40個檢波器組合接收；未提前進行物理點設(shè)計；由于未認識到高速礫巖的存在，因此僅采用層析法建立表層模型。應用上述新技術(shù)新方法后，采用40L4S720T觀測系統(tǒng)對該區(qū)塊進行重新采集，面元尺寸與老三維一致，接收線距縮至120m，炮線距縮至240m，高陡構(gòu)造部位加密到120m，覆蓋次數(shù)增至810～1620，炮道密度為180～360萬道/km2，方位角增至0.45，激發(fā)因素為井炮與低頻震源聯(lián)合激發(fā)，采用單個低頻高靈敏度檢波器與10個常規(guī)檢波器組合相聯(lián)合的接收方式；利用LiDar數(shù)據(jù)提前進行物理點精細設(shè)計；采用兩步法對高速礫巖進行了精細刻畫。可以看到，新三維的淺層資料實現(xiàn)了從無到有的變化，陡傾角及復雜斷塊成像精度得到了大幅改善，斷點及疊瓦狀逆沖構(gòu)造樣式非常清楚，提高了構(gòu)造落實的準確性。

圖11 克深構(gòu)造新(左)、老(右)三維PSDM剖面的對比

3 結(jié)論與認識

(1)高密度寬方位觀測是復雜構(gòu)造區(qū)三維勘探未來發(fā)展的趨勢?？紤]經(jīng)濟效益，通常做法是優(yōu)選小面元并采用增加線距的方式實現(xiàn)寬方位觀測。從有利于減小偏移噪聲角度，本文認為應優(yōu)先選擇較小線距，其次是較寬方位，最后是適中面元。

(2)以往基于高精度遙感數(shù)據(jù)的物理點設(shè)計結(jié)果與現(xiàn)場最終實施結(jié)果吻合度差。采用基于高精度LiDAR測繪數(shù)據(jù)的智能優(yōu)選技術(shù)，可以實現(xiàn)在施工前進行物理點位置及變觀方案的精確設(shè)計，真正做到按設(shè)計精準施工，確保點位分布相對均勻，保證三維屬性的均勻性。

(3)應用井炮與高精度可控震源聯(lián)合、井炮獨立激發(fā)與可控震源VPM激發(fā)、可控震源作業(yè)軌跡預設(shè)計及智能實時質(zhì)控等技術(shù)，可實現(xiàn)在保證單炮品質(zhì)的基礎(chǔ)上高效施工，具有很高推廣應用價值。

(4)采用戈壁區(qū)檢波器組合與山體區(qū)單點接收相結(jié)合、外接式節(jié)點與一體式節(jié)點聯(lián)合采集的方法，與傳統(tǒng)的有線儀器采集方法相比，極大地提高了技術(shù)應用及施工方案的靈活性，既提高了資料品質(zhì)又降低了安全風險及施工難度。該方法有望成為復雜區(qū)地震勘探未來的一個發(fā)展趨勢。

(5)采用基于多信息的“兩步法”野外表層建模技術(shù)，搞清風化層及高速礫巖體的空間展布特征，在數(shù)據(jù)采集階段相對準確地構(gòu)建山地山前帶近地表結(jié)構(gòu)模型，但仍需在數(shù)據(jù)處理階段綜合利用各種信息及方法進一步建立高精度的高速礫巖體模型。