曲壽利

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京102206)

隨著我國(guó)油氣勘探開發(fā)的深入,勘探開發(fā)的目標(biāo)越來越深、越來越復(fù)雜。如塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地的海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層,巖溶縫洞型、礁灘孔隙型、白云巖孔隙型儲(chǔ)層,以及中西部的致密碎屑巖儲(chǔ)層和頁(yè)巖油氣等。同時(shí),復(fù)雜非常規(guī)油氣在油氣勘探開發(fā)中的占比日益增大[1-2]。勘探開發(fā)目標(biāo)的復(fù)雜特征表現(xiàn)為地表與地下的“三復(fù)雜”,即復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜儲(chǔ)層,這給地震技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一是挑戰(zhàn)了常規(guī)地震成像理論方法,現(xiàn)行理論和方法不適用;二是挑戰(zhàn)了常規(guī)地震技術(shù)與流程,常規(guī)手段不能有效解決問題?？碧侥繕?biāo)“三復(fù)雜”問題制約了地震資料的精度。地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是后續(xù)地震資料處理和地震地質(zhì)解釋的基礎(chǔ),涉及到儀器、裝備、震源、觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、野外施工方式方法、投資費(fèi)用等多種因素。為了提高地震資料的精度,近年來,探索和應(yīng)用了很多新方法和新技術(shù),例如“兩寬一高地震技術(shù)”[3-4]、“高密度地震技術(shù)”[5]以及“小寬高”高密地震采集技術(shù)[6],另一方面是地震照明研究,改善目標(biāo)層數(shù)據(jù)的信噪比,以獲取目標(biāo)層更多的有效信號(hào)[7-8]?！叭龔?fù)雜”面臨的地震成像及油藏描述都要求新一代高精度地震勘探,要基于描述任意介質(zhì)中地震波傳播的波動(dòng)理論和貝葉斯參數(shù)估計(jì)理論,“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[9]。趙邦六等[10]討論了單點(diǎn)地震采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。一些作者展示了高密度地震數(shù)據(jù)采集的實(shí)際應(yīng)用效果[11-14]。針對(duì)中國(guó)石油“十四五”面臨油氣藏開發(fā)八大油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo),強(qiáng)調(diào)地震數(shù)據(jù)采集將重點(diǎn)開展“寬頻、全方位、超高密度、高靈敏度單點(diǎn)”等技術(shù)[15]。這些方法針對(duì)特定的地質(zhì)目標(biāo),在特定的技術(shù)條件下,對(duì)于提高地震資料的精度發(fā)揮了重要作用。盡管地震技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,但是,地震資料的精度依然滿足不了地質(zhì)家們對(duì)解決復(fù)雜油藏勘探開發(fā)問題的需求。那么,高精度地震技術(shù)向哪里走是地球物理工作者需要深思的一個(gè)重要問題。因此,針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體成像精度的需求,根據(jù)計(jì)算機(jī)和物探裝備的發(fā)展趨勢(shì),提出了新的地震技術(shù)思路,即“超密度地震技術(shù)”。

1 超密度地震技術(shù)的提出

為了滿足越來越深、越來越復(fù)雜的勘探開發(fā)目標(biāo)對(duì)地震資料精度的需求,地震技術(shù)在不斷地發(fā)展和進(jìn)步。地震技術(shù)的應(yīng)用,由常規(guī)三維地震發(fā)展到高精度三維地震、再到高密度三維地震。圖1展示了中國(guó)石化近四十年來三維地震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用歷程。應(yīng)對(duì)“三復(fù)雜”勘探開發(fā)目標(biāo),高密度地震技術(shù)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

圖1 中國(guó)石化不同類型三維地震技術(shù)的發(fā)展歷程

所謂高密度地震采集技術(shù)[16-19],最顯著的標(biāo)志是高炮道密度,即每平方千米內(nèi)的總的激發(fā)接收道數(shù)較高,一般大于100×104道。從圖1可以看出,以炮道密度分類三維地震技術(shù)：一是常規(guī)三維,即在2005前常規(guī)采集的老三維地震資料,一般炮道密度小于20×104道/km2;二是高精度三維,即從2005以后,隨著地震裝備的發(fā)展,逐步提高炮道密度,直到2016年左右,采集高精度三維地震資料的炮道密度為(20～100)×104道/km2;三是高密度三維,約從2017年開始,為了提高復(fù)雜探區(qū)的地震資料質(zhì)量,逐步實(shí)施高密度三維地震采集,炮道密度大于100×104道/km2。我之前討論過的“小寬高”高密度地震采集技術(shù)[6],是指采用小道距、小面元,寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度的高密度地震采集技術(shù)。為了滿足地下復(fù)雜構(gòu)造成像的需求,必須對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行高密度均勻采樣,盡量避免存在地震照明陰影。也就是說,地震野外采集時(shí)盡量得到更多、更全的波場(chǎng)信息,包括地表、地下的高密度均勻全方位采樣。如果沿用道密度來定義地震技術(shù),那么,未來的更高精度的地震技術(shù)就是炮道密度大于200×104道/km2的“超密度地震技術(shù)”。

地震資料的靜校正和成像精度,與去噪、速度建模、成像方法密切相關(guān),受復(fù)雜地表與復(fù)雜地質(zhì)體兩大因素的影響。復(fù)雜地表?xiàng)l件,如山地、沙丘、黃土塬等地表起伏大、近地表層速度縱橫向變化大,近地表速度模型層析反演結(jié)果的精度除了受方法的制約外,還要受地震數(shù)據(jù)采樣密度的制約。復(fù)雜地質(zhì)體條件,如小尺度縫洞、高陡斷裂、低序級(jí)小斷層、河道、小砂體等地質(zhì)體小、且埋深大,地震成像的精度除了受到地震成像方法技術(shù)本身的制約之外,也受到地震數(shù)據(jù)采樣密度的制約。因此,所謂“超密度地震技術(shù)”就是在高密度地震技術(shù)的基礎(chǔ)上,試圖通過提高地震數(shù)據(jù)的空間采樣密度,同時(shí)獲得滿足地表與地下又全、又好的地震數(shù)據(jù),以提高地表靜校正、去噪、近地表速度建模的精度,從而提高地下復(fù)雜地質(zhì)體的地震成像精度。為了說明超密度地震技術(shù)的有效性和可行性,本文開展了理論分析、模型正演試驗(yàn)、近地表采集試驗(yàn)分析,并給出了超密度地震技術(shù)的實(shí)施策略和相關(guān)配套技術(shù)。

2 超密度地震技術(shù)的理論依據(jù)

地震成像的水平分辨率,就是地震資料在橫向上能分辨地質(zhì)體的最小寬度,通常與Fresnel帶有關(guān)。Fresnel帶的定義如圖2所示。假設(shè),地層厚度為h;速度為v;T0和T1分別是相差半個(gè)周期的時(shí)間。某點(diǎn)周圍各點(diǎn)傳播時(shí)間與最短傳播時(shí)間小于半個(gè)周期的范圍稱為Fresnel帶。在圖2中,T0=2H/v;T1=T0+T/2。

圖2 Fresnel帶的定義

Fresnel半徑在地震剖面上的意義。圖3是教課書上展示的地質(zhì)模型橫向尺度大小與其對(duì)應(yīng)的疊加剖面上的繞射波。

圖3 小地質(zhì)體與疊加剖面的繞射波

第一Fresnel帶半徑在疊加剖面上和在不同的偏移剖面的形態(tài)和大小是不同的,如圖4所示。在未做偏移的疊加剖面上,第一Fresnel帶是個(gè)大圓,半徑是R;如果完成了二維疊前偏移,第一Fresnel帶是個(gè)橢圓,橢圓長(zhǎng)軸是R,短軸是r;如果實(shí)施了三維疊前偏移,第一Fresnel帶就是那個(gè)半徑為r的小圓。就是說,二維偏移使第一Fresnel帶成為以R,r為長(zhǎng)、短半軸的橢圓;三維偏移使第一Fresnel帶由大圓(半徑為R)變?yōu)樾A(半徑為r)。

圖4 第一Fresnel帶半徑成像示意

理論上講,偏移可以將Fresnel帶收斂成一個(gè)點(diǎn),繞射波得到收斂,但由于觀測(cè)點(diǎn)密度的限制、噪聲的存在以及介質(zhì)的不均勻等,這種理想的情況實(shí)際上是做不到的。因此,在其它條件相同的前提下,提高偏移成像的精度的另一個(gè)途徑,就是在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,最大限度地提高地震資料的空間采樣密度,即利用超密度地震技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3 超密度地震技術(shù)的有效性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證超密度地震技術(shù)對(duì)于近地表速度建模和深層高陡斷裂成像的有效性,開展了小網(wǎng)格正演模擬試驗(yàn)和小道距野外采集試驗(yàn)。

3.1 小網(wǎng)格正演模擬試驗(yàn)

為了研究地下數(shù)據(jù)采樣網(wǎng)格密度對(duì)深層高陡斷裂成像的影響,依據(jù)塔里木盆地順北地區(qū)的地質(zhì)背景設(shè)計(jì)了地質(zhì)模型,進(jìn)行地震采集和成像網(wǎng)格的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了2.5維的地質(zhì)模型,其剖面如圖5所示。對(duì)該模型開展8階有限差分模擬的高密度三維地震數(shù)據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)采集,x方向最大偏移距為5800m,y方向線間距為100m;1條炮線;3條檢波線;炮間距為50m;接收點(diǎn)距為10m。模擬的單炮記錄如圖6所示。然后,對(duì)該記錄進(jìn)行不同網(wǎng)格的波動(dòng)方程疊前深度偏移處理,成像結(jié)果如圖7所示。

圖5 2.5維地質(zhì)模型

圖6 正演模擬的炮集記錄

圖7 不同網(wǎng)格高陡斷裂的成像結(jié)果a 20m×20m×10m; b 10m×10m×4m; c 4m×4m×2m

從圖7可以看出,從左向右的剖面上高陡斷裂的成像效果越來越清楚,說明網(wǎng)格越小高陡斷裂的成像越好。據(jù)此,我們可以得到這樣的結(jié)論：正演模擬揭示了超密度采集可以改善高陡斷裂的成像,為了得到深層高陡斷裂的成像,地震采集時(shí)應(yīng)盡可能采用小道距和小面元觀測(cè)。

3.2 小道距野外采集試驗(yàn)

在四川盆地鎮(zhèn)巴地區(qū)開展了小道距近地表調(diào)查野外采集試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一條二維測(cè)線,測(cè)線高程整體為中間高、兩側(cè)低的特點(diǎn),測(cè)線穿過周邊最高山鷂子巖,海拔600～1200m,測(cè)線位置如圖8紅線所示。二維淺層地震的主要施工參數(shù)：地震測(cè)線滿覆蓋范圍4000m,1075炮。觀測(cè)形式為中間激發(fā),接收道數(shù)600道,道間距為2m,炮點(diǎn)間距為4m,覆蓋次數(shù)不低于75次。觀測(cè)系統(tǒng)及炮集記錄如圖9所示。

圖8 測(cè)線位置(紅線)

圖9 二維觀測(cè)系統(tǒng)及炮集記錄

對(duì)不同道距采集的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表速度層析反演,反演結(jié)果如圖10所示,可以看出,從圖的最上端道距為2m的反演結(jié)果,到最下端道距為40m的反演結(jié)果,速度模型的高頻分量隨著道距的增大而減少,也就是說,近地表速度模型反演的精度隨著道距的增大而降低,道距越小、精度越高。

為了直觀地分析近地表速度模型的反演精度,對(duì)比某個(gè)點(diǎn)的不同道距反演速度模型曲線(圖11)可以看出,道距越小對(duì)淺表層速度變化的刻畫越精細(xì),道距大于10m后反演對(duì)速度擾動(dòng)不敏感,最右邊的曲線為測(cè)井結(jié)果。通過小道距野外采集試驗(yàn)可以得到結(jié)論：小道距有利于提高近地表速度反演精度,從而提高地震成像精度。另外,曲壽利[6]詳細(xì)討論過小道距、小面元對(duì)于深層成像的優(yōu)勢(shì),在這里不再贅述。

再分析炮點(diǎn)距對(duì)近表層速度反演的影響,由圖12 左側(cè)的幾條曲線可以看出,炮點(diǎn)間距的變化對(duì)于層析反演的影響不大;而右側(cè)圖中的接收道距的變化對(duì)速度反演的影響很明顯。因此,炮點(diǎn)距的影響可以忽略不計(jì)。

圖12 炮點(diǎn)距對(duì)近表層速度反演的影響對(duì)比

4 實(shí)施策略與配套技術(shù)

為了經(jīng)濟(jì)有效可行,提出了超密度地震技術(shù)的“變道距+插值”的實(shí)施策略及相關(guān)的儀器、存儲(chǔ)計(jì)算、插值和速度建模與成像等配套技術(shù)。

4.1 實(shí)施策略

由于超密度地震采集加密了空間采樣點(diǎn)數(shù),必然會(huì)帶來地震采集成本的增加。因此,在實(shí)施超密度地震采集時(shí),為了降低成本,可以按近偏移距和遠(yuǎn)偏移距進(jìn)行變道距采集,觀測(cè)系統(tǒng)變道距的思路如圖13所示。

圖13 變道距觀測(cè)系統(tǒng)示意

觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的思路是：在“小寬高”高密地震采集技術(shù)的基礎(chǔ)上,增加變道距地震采集,再結(jié)合壓縮感知插值技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)插值。

近偏移距如小道距、超高密度采集,主要用于解決靜校正、去噪和淺層速度建模等問題。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,近地表層析一般在1000m之內(nèi)即可,道距盡量小于10m。

遠(yuǎn)偏移距,即等同于常規(guī)的高密度地震采集數(shù)據(jù),主要用于深層速度建模和各向異性參數(shù)估計(jì)。為了統(tǒng)一處理成像的面元大小,建議可以利用壓縮感知技術(shù)或五維插值技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。這樣就形成了統(tǒng)一網(wǎng)格的超密度地震采集數(shù)據(jù)。

4.2 配套技術(shù)

超密度地震技術(shù)是地震技術(shù)向更高精度方向發(fā)展的一個(gè)重要跨越,該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到相關(guān)技術(shù)的制約,如地震采集裝備、海量存儲(chǔ)、計(jì)算能力、成像處理新技術(shù)等。只有這些配套技術(shù)都發(fā)展了,才能保障超密度地震技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用。

一是超密度地震采集需要10×104道級(jí)以上地震儀器接收系統(tǒng),需要加快發(fā)展節(jié)點(diǎn)儀單點(diǎn)采集裝備。隨著節(jié)點(diǎn)儀的發(fā)展應(yīng)用,在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)10×104道級(jí)的節(jié)點(diǎn)儀三維地震采集完全是可行的。

二是超密度地震采集獲得的地震數(shù)據(jù)是海量的,一方面需要大規(guī)模的海量存儲(chǔ)裝備,另一方面需要有應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)處理的超算能力,需要大力發(fā)展計(jì)算機(jī)海量存儲(chǔ)和計(jì)算能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,海量存儲(chǔ)裝備、海量超算能力都在飛速發(fā)展,能夠滿足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算的需求。

三是對(duì)超密度地震采集的遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)的插值技術(shù),目前的五維插值技術(shù)和壓縮感知插值技術(shù)都是比較成熟的技術(shù),只是需要研發(fā)適應(yīng)變道距的實(shí)用化的工具,以適用于超密度地震采集的數(shù)據(jù)插值。

四是需要進(jìn)一步發(fā)展適用于超密度地震采集的高效近地表與深層速度建模技術(shù)和高效疊前深度偏移處理技術(shù),以適應(yīng)海量數(shù)據(jù)計(jì)算的效率需求。

五是要通過正演模擬科學(xué)設(shè)計(jì)和必要的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)最佳的觀測(cè)系統(tǒng)和采集參數(shù),并盡可能地提高采集和處理效率、降低采集與處理成本,才能夠?qū)嵱没?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

地表、構(gòu)造與儲(chǔ)層“三復(fù)雜”條件的地震勘探是一個(gè)世界級(jí)的難題,超高密度地震技術(shù)提供了一個(gè)新的解決途徑。超高密度地震技術(shù)的基本理論依據(jù)是在觀測(cè)點(diǎn)密度足夠的前提下,Fresnel帶可以收斂成一個(gè)點(diǎn),繞射波真正得到收斂。本文基于野外小道距采集實(shí)驗(yàn)和小網(wǎng)格正演模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了超密度采集對(duì)近地表速度建模與靜校正及深層高陡斷裂成像的改善作用,從而證實(shí)了超密度采集技術(shù)的潛在有效性。在此基礎(chǔ)上,考慮超高密度地震采集的儀器和裝備需求及海量數(shù)據(jù),為了經(jīng)濟(jì)可行,提出了“變道距+插值”的實(shí)施策略及相關(guān)儀器、存儲(chǔ)、計(jì)算配套技術(shù)。認(rèn)為,10×104道級(jí)節(jié)點(diǎn)儀、海量計(jì)算與存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)“超高密度地震技術(shù)”的基礎(chǔ),“小寬高”高密地震采集技術(shù)、“小平滑面”RTM疊前深度偏移技術(shù)和壓縮感知或五維插值技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù),科學(xué)設(shè)計(jì)、降低成本、一體化應(yīng)用是成功實(shí)施的保障。該技術(shù)能否成功應(yīng)用,有待于進(jìn)一步探索和實(shí)踐。

致謝：感謝中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司殷厚成專家和中國(guó)石油化工股份有限公司勘探開發(fā)研究院朱成宏專家提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)及圖件。