劉軍勝

(中石化 石油工程地球物理有限公司,北京 100000)

0 引言

在復雜地形區(qū)域二維地震資料采集中(如在山地、黃土塬、水網、城鎮(zhèn)等區(qū)域),為了克服各種障礙物的影響,炮檢點變觀設計、折線施工、非縱觀測、彎線采集等方法得到廣泛地應用[1-2]。相較于其他三種方法,彎線采集是最“友好”的施工方式。國內學者自上世紀70年代開始至今[3],對彎線施工的采集方法、資料處理、解釋方法做了大量地研究。陸上石油地震勘探資料采集技術規(guī)程中明確了二維地震采用折線或彎線施工時,測線拐角和邊長應根據CMP離散度確定,一般測線轉折方位角采用8°、16°、30°的遞進方式,轉折點為激發(fā)點或接收點,嚴重彎曲的地段應增加覆蓋次數。頁巖氣調查地震資料采集與處理技術規(guī)程中指出彎線施工時,物理點的橫向偏移距應小于第一菲尼爾帶半徑。楊慶道等[4]則對彎線地震勘探技術應用中采集和處理的問題進行了梳理和分析,提出“能直不彎、轉折角能小不大、轉折角太大時測線能交不連”的彎線設計原則,并提出以面元聚斂響應作為指標,對炮檢路徑進行優(yōu)化;強正陽[5]總結了彎線設計應滿足時間、空間、最大離散距等要求; 郭曉濱等[6]提出“三步法”靜校正解決處理方面的問題。國外學者Mladen R. Nedimovic等[7-8]提出了振幅疊加和Cross-dip疊加方法,解決彎線處理的問題,并提出了振幅疊加和CDMO校正量的計算公式。

就彎線設計而言,常規(guī)做法是炮點和檢波點沿著相同的路徑布設,這樣限制了CMP點的優(yōu)化。在2017年某項目中,筆者根據甲方要求設計了炮檢點沿不同路徑的寬彎線(三線一炮)施工方案,炮點為沿著道路均勻布設的震源點,中心檢波線則為炮點線的中位線,兩側檢波線與中心檢波線平行。該設計在有效解決了檢波點施工問題的同時,也使CMP線得到了優(yōu)化,取得了較好的效果。筆者將以檢波點和炮點沿不同路徑布設的思路,以某山地項目測線為例,利用Mladen R. Nedimovic等[7]提出的CDMO(橫向傾角時差校正)算式,針對主要目的層的有效CMP點進行反演、正演運算,找出檢波線和CMP線的最優(yōu)解。同時將通過分析不同面元尺寸下,目的層覆蓋次數的變化來判斷新測線CMP的收斂特性。

1 設計參數分析

1.1 研究區(qū)地震地質條件

在某山地二維測線的施工中,測線穿越大范圍的無人區(qū)且地形切割劇烈。工區(qū)內的山體走向主要為南北向,綿延數為60 km,東西向則約6 km～7 km。研究測線屬于南北向聯(lián)絡測線,測線位于山中腹地,長約18 km,山中無任何道路,僅能依托山間南北向溝谷進行設備和人員運輸。測線為位于某平緩背斜的一翼,沿測線方向地層平緩,且傾角近視為零。垂直測線方向存在較小傾角,約5°左右地層傾角。原設計和施工方案為利用溝谷等地形,在盡量降低轉折角的基礎上,根據“五避五就”的原則優(yōu)選激發(fā)線,然后以激發(fā)線上對物理點進行適當調整,均勻布設檢波點。現(xiàn)場疊加處理以后,淺層剖面資料顯示相鄰的數個CMP點波形與附近CMP波形一致性較差,有多相位,弱相位等問題(圖1)。

圖1 測線淺層初疊剖面(部分) Fig.1 Line brute stack section of shallow layer(partial)

分析原因認為,由于地層存在一定的傾角且CMP點位置離散的問題,現(xiàn)場資料處理做了動校正以后,不能完全消除共中心點炮集或道集的時差。如圖2所示,CMP1、CMP2經過NMO以后仍然存在時差,當t0′-t0>T/4時疊加會產生空間假頻。在這種情況下,多CMP點疊加不但不能提升資料信噪比,反而會削弱信號。此時需要進行CDMO處理,計算離散CMP點的靜校正量,消除空間假頻的影響。針對該區(qū)單一樣式的構造形態(tài),CDMO校正量能夠準確地計算。然而,隨著構造條件的復雜化,每個CMP點的靜校正量的準確計算難度逐漸增大,筆者認為選擇合理的彎線設計參數,從設計源頭盡量減少空間假頻的出現(xiàn),同時輔以CDMO校正是解決問題的關鍵。

圖2 CMP點時差示意圖Fig.2 Time difference diagram of different CMP

1.2 關鍵設計參數的選取

假設傳播介質為均勻介質,速度為V,針對平面反射界面,炮檢點的雙程旅行時t與共中心點CMP處的t0之間的關系可以表示為式(1)。

t2(x,y,h)=(t0(x)+pyy)2+p2h2

(1)

式中:x為沿CMP線的偏移量;y為垂直CMP線方向的偏移量;h為炮檢距;py為垂直CMP線方向的慢度;pyy為垂直CMP線方向產生的時差,也就是CDMO量;p為平行測線方向的慢度。

Mladen R. Nedimovic[5]給出了詳細的py和p的計算公式,并進行了簡化,見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中:θx為平行CMP線方向的地層視傾角;θy為垂直CMP線方向的地層視傾角。

常規(guī)動校正和傾角時差校正能夠消除由炮檢距產生的影響,即p2h2,但無法消除pyy。y是彎線設計的關鍵點。|pyy|

(4)

為了有效消除空間假頻影響,要求同一面元內的任意兩個CMP點的離散距離均要小于y。即對于大小為dx*dy的面元,dx為道距的1/2,而dy應小于y。利用研究測線的地層參數計算y量,結果見表1。

表1 研究測線的地層參數及y量Tab.1 Layer parameters and y value of analyzed line

1)偏移距。項目設計的最大偏移距為4 000 m,而實際滿足該測線主要目的層的最大偏移距達到2 000 m即可。偏移距在2 000 m～4 000 m之間炮檢點產生的CMP點可視為冗余CMP點。圖3為不同偏移距下CMP點分布圖,可以看出原設計測線存在大量的冗余點。在測線優(yōu)化時應暫不考慮2 000 m～4 000 m范圍內的冗余點,否則將會影響CMP擬合線的選擇,最終影響整體測線優(yōu)化效果。

圖3 不同偏移距CMP點分布圖(局部) Fig.3 CMP distribution maps of different offset (partial)

2)面元尺寸。針對不同目的層,選擇合適的面元,剔除面元外CMP點,進而分析不同面元尺寸下的有效覆蓋次數,可以作為測線優(yōu)化程度的判定標準。在資料處理時,也可以根據面元尺寸進行不同偏移距和面元尺寸的分批疊加處理。若面元外的CMP點仍較多,則需考慮進行CDMO校正。根據表1計算結果,150 m為保障研究測線目的層資料的最優(yōu)離散距。本次分析則選擇面元尺寸12.5 m*150 m和12.5 m*300 m進行對比,研究優(yōu)化效果和改進方向。

2 測線優(yōu)化流程及應用效果

在炮點線和檢波點線一致的情況下,我們可以通過正演模擬分析,利用最小二乘法擬合出最優(yōu)的CMP線,從而實現(xiàn)面元內CMP點的最大程度收斂。而當炮點線和檢波點線可以分離時,測線優(yōu)化空間顯著增加。對于固定的檢波點或者炮點,選取初始CMP線,通過如圖4所示的流程即可實現(xiàn)對應物理點和CMP線的優(yōu)化。以研究測線為例分析部分關鍵流程和應用效果。

圖4 技術路線和流程Fig.4 Technical route and flow chart

2.1 數據準備

數據準備階段主要需要輸入物理點、初始CMP線、偏移距、面元尺寸、檢波點范圍、炮點范圍、施工模式(滾進或滾出)、分段擬合方式和斷點等參數。研究測線的炮點是實際鉆井點位,作為固定物理點,初始CMP線為根據原始檢波點由設計軟件OMNI 3D彎線設計模塊計算的CMP線。項目施工模式為滾進滾出的模式。分段擬合方式和斷點則是通過對初始CMP點進行回歸和擬合分析得出的最優(yōu)擬合方式,本測線為三次、四次多項式分兩段分別擬合。

2.2 迭代運算

數據準備完畢以后,利用程序將對物理點和CMP點進行不斷的正演、反演迭代優(yōu)化,隨著擬合次數的增加,測線的擬合優(yōu)度、回歸平方和逐漸減小,斷點處的CMP線分段擬合誤差也逐漸減小(圖5)。當擬合優(yōu)度和回歸平方和變化較小時,可認為擬合得到近視最優(yōu)解。隨著迭代的繼續(xù)增加,反而會出現(xiàn)測線端點處擬合度降低的問題(圖6),這種現(xiàn)象在非滾進滾出的情況下更為突出。經過不斷測試分析,選擇三次迭代進行正反演模擬運算。

圖5 斷點附近擬合結果對比Fig.5 Comparison of fitted results near breakpoint

圖6 端點附近擬合結果對比Fig.6 Comparison of fitted results near endpoint

2.3 不同面元有效覆蓋次數分析

利用程序計算不同面元位置和尺寸條件下,覆蓋次數的變化情況,驗證目的層覆蓋次數的均勻性和有效覆蓋次數的變化。圖7為偏移距為2 000 m條件下的計算和對比結果。從圖7可以看出,經過優(yōu)化后的測線覆蓋次數均勻性、150 m范圍內離散度等方面得到顯著提升,CMP151-650段和CMP1146-1350段效果最為明顯。然而,CMP 654-837和CMP932-1148段改善不明顯,即使重新選擇初始CMP線進行二次優(yōu)化后仍然得到相似的結果。分析主要原因為該區(qū)域炮點成連續(xù)“S”型大范圍偏移,CMP點難以有效收斂(圖8)。CMP和檢波點優(yōu)化不能有效解決這一區(qū)域的問題,可通過加強CDMO攻關處理、調整炮點位置或者加密炮點等三種方式實現(xiàn)離散CMP點的疊加,提升目的層有效覆蓋次數,進而保障資料品質。

圖7 不同面元尺寸線測線優(yōu)化前后有效覆蓋次數對比(偏移距2 000 m)Fig.7 Effective folds comparison between different bin sizes before and after line optimization

圖8 CMP651-1145不同偏移距物理點和CMP點分布Fig.8 Shots, receivers, CMP distribution comparison of different offset of CMP651-1145

3 結論

筆者提出了一種以提升CMP收斂度為目標的二維彎線采集測線優(yōu)化設計方案,能夠改善彎線采集資料品質。通過研究分析,認為彎線采集中應注意以下問題:

1)合理的測線設計是彎線二維施工的關鍵環(huán)節(jié)。設計中應針對測線的主要目的層參數進行設計論證分析,靈活優(yōu)化物理點,在提升CMP點收斂度的基礎上,提升目的層有效覆蓋次數。

2)彎線設計中應盡量避免連續(xù)的“S”型彎折。大偏移量的“S”型彎折,一方面會造成淺層覆蓋次數的缺少或嚴重降低;另一方面影響CMP點收斂度,造成CDMO量的急劇增大,降低資料的可信度。

3)檢波點、炮點、CMP點之間的迭代正演、反演計算,輔以擬合分析能夠實現(xiàn)測線的不斷優(yōu)化。而編程軟件中的擬合回歸分析、方程求根、循環(huán)計算等算法也促進了測線自動優(yōu)化地實現(xiàn)。

4)在復雜構造帶或陡傾角地層區(qū)域應盡量避免彎線設計或僅采用小彎折施工。若采用彎線采集,資料處理階段需不斷開展CDMO校正攻關,提升疊加資料的可靠性。