張 雨,張群英,董金偉,任麗瑩,黃 凱

(中國石油東方地球物理公司遼河物探處,盤錦 124010)

0 引言

近年來,隨著油氣勘探目標(biāo)越來越精細(xì),地震勘探方法不斷強化,炮道密度隨之大幅提升,地震勘探成本壓力日益增大[1]。面對復(fù)雜的地表條件、精細(xì)的地質(zhì)任務(wù)、繁雜的協(xié)調(diào)環(huán)境以及超額的勞動強度,在保證資料品質(zhì)的前提條件下,如何實現(xiàn)地震項目提質(zhì)增效是施工方一直以來研究的一項重要課題。

鄂爾多斯盆地黃土山地區(qū)地震地質(zhì)條件復(fù)雜多變,表層有黃土層覆蓋,溝壑縱橫,海拔高程變化較大,激發(fā)、接收條件受到很大的影響,導(dǎo)致地震資料干擾波發(fā)育、靜校正問題突出、資料分辨率及信噪比極低[2-3]。常規(guī)井炮激發(fā)方法是多組合、深井和大藥量來強化單炮品質(zhì)[4]。另外,在低信噪比區(qū)通過提高野外采集的覆蓋次數(shù),可以有效地提高剖面的品質(zhì)[5]。增加點位布設(shè)密度是提高覆蓋次數(shù)的主要方式之一,黃土山地區(qū)激發(fā)點布設(shè)主要分為溝壑區(qū)與塬臺區(qū)點位布設(shè),溝壑區(qū)在避開斷崖、陡坡等危險地形的情況下,可做到點位分布均勻;但在塬臺區(qū)布設(shè)點位時,受房屋、墳地、高壓線等各類障礙物的影響,激發(fā)點只能布設(shè)在障礙物安全距離以外的區(qū)域,遇到大型村鎮(zhèn)時,點位的均勻性將受到較大影響,進(jìn)而造成淺層資料缺失。生產(chǎn)效率方面,傳統(tǒng)井炮的放炮模式主要通過儀器與爆炸機聯(lián)機,聯(lián)機后爆炸機到點后確認(rèn)井口信息,之后充電排隊并向儀器發(fā)送RESDY信號,儀器接到信號后發(fā)出放炮指令,爆炸機根據(jù)排隊順序依次進(jìn)行采集[6]。受電臺限制,一臺儀器只能帶14組爆炸機,多臺儀器采集時,儀器間需來回切換,每次切換時間不少于3分鐘,嚴(yán)重影響采集效率。

近年來,隨著“兩寬一高”技術(shù)的不斷發(fā)展,可控震源已逐步走進(jìn)黃土塬,井震聯(lián)合激發(fā)對比以往純井炮采集,生產(chǎn)效率也有了一定提升[7]。但當(dāng)前激發(fā)系統(tǒng)只能同時控制一種激發(fā)源,即井炮采集時,無法實施可控震源采集,可控震源采集時,同樣無法實施井炮采集,且兩種采集模式的切換過程耗時較長,井震聯(lián)合采集未實現(xiàn)高度融合?；谝陨戏治?優(yōu)化點位布設(shè)、提高井震激發(fā)融度是實現(xiàn)黃土山地區(qū)地震采集提質(zhì)增效的關(guān)鍵。

1 井震聯(lián)合高精度預(yù)案設(shè)計技術(shù)

1.1 井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計原則

可控震源為車載裝置,具有便捷、靈活的特點,且對地表破壞性小,可在障礙物密集區(qū)進(jìn)行點位布設(shè),因此,可控震源是一種安全、環(huán)保的激發(fā)源[8]。井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計可有效提高項目整體點位均勻性,避免障礙區(qū)淺層資料缺失。具體設(shè)計原則如下:①溝壑區(qū)以井炮為主,盤山路、川道可控震源為輔的方式布設(shè)。井炮偏移按照“先縱后橫”的方式,優(yōu)先沿測線方向整道距偏移,合理規(guī)避斷崖、陡坡、窯洞等風(fēng)險區(qū)域;若沿測線方向無法避開障礙區(qū),則按照整接收線距垂直測線方面偏移,保證偏移后覆蓋次數(shù)分布均勻?？煽卣鹪袋c按照1/2炮點距的密度沿盤山路、川道布設(shè),用來彌補溝壑區(qū)覆蓋次數(shù)不足的問題。②塬臺區(qū)以可控震源為主,農(nóng)田、果園井炮為輔的方式布設(shè)?？煽卣鹪袋c按照1/2炮點距的密度沿道路、農(nóng)田布設(shè),避開危房、養(yǎng)殖、墳地等敏感障礙物;井炮采用“見縫插針”的方式在果園、農(nóng)田等可控震源無法通行的區(qū)域進(jìn)行補充,保證障礙區(qū)點位布設(shè)均勻。

1.2 關(guān)鍵區(qū)可控震源強化設(shè)計

借助可控震源點位布設(shè)靈活、效率高、成本低等特點,在關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行可控震源點位強化,提高資料品質(zhì)。

1)噪音發(fā)育區(qū)可控震源點位強化。噪音干擾是影響單炮品質(zhì)的主要原因之一,在無法降低噪音干擾的情況下,通過增加覆蓋次數(shù),提高資料信噪比的方式,可達(dá)到提升資料品質(zhì)的目的。設(shè)計原則是在村莊周邊、高速公路兩側(cè)等人員活動頻繁的區(qū)域?qū)⒖煽卣鹪袋c布設(shè)密度提升一倍。

2)特殊地形小型震源點位強化。EV56、BV620等常規(guī)可控震源寬度為3.5 m,可滿足在一般村莊道路的通行作業(yè),遇到道路狹窄的大棚區(qū)、樹林區(qū)時,常規(guī)可控震源因車身過寬無法實施作業(yè)。為此,東方地球物理公司專門研發(fā)了BV330小型震源,該震源車長8.05 m,車寬2.3 m,可滿足大部分狹小地形的通行作業(yè)。小型震源點的增設(shè),可進(jìn)一步提高了預(yù)案點位的均勻性、合理性。

1.3 井震動態(tài)預(yù)案調(diào)整設(shè)計

項目采集過程中,偶爾會遇到因惡劣天氣、百姓阻撓等不確定因素影響采集進(jìn)度,應(yīng)用井震動態(tài)預(yù)案調(diào)整技術(shù)可有效降低影響程度,保證采集資料完整。為了實現(xiàn)井震動態(tài)預(yù)案調(diào)整,要精細(xì)前期預(yù)案核實工作,詳細(xì)落實可控震源通行道路、敏感障礙物分布、協(xié)調(diào)困難區(qū)等關(guān)鍵信息,針對落實到的特殊障礙區(qū)、復(fù)雜農(nóng)田地表要提前設(shè)計兩套方案,便于隨時調(diào)整。方案一,在障礙區(qū)無法實施井炮采集時,及時調(diào)用可控震源方案,通過在障礙區(qū)周邊增加可控震源點位來彌補井炮缺失的影響;方案二,因農(nóng)田區(qū)下雨導(dǎo)致可控震源無法進(jìn)行作業(yè)時,及時調(diào)用井炮方案,由井炮代替可控震源,在確保最小破壞程度的情況下,進(jìn)行點位優(yōu)選布設(shè),補全資料缺失。

2 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù)

2.1 VPM可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)

可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)英文譯為Vibroseis Production Management System,簡稱VPM,該系統(tǒng)是基于激發(fā)控制軟件與數(shù)字電臺、4G網(wǎng)絡(luò)、自組網(wǎng)電臺等多種通訊實施方案實現(xiàn)可控震源滑動掃描、動態(tài)掃描的高效生產(chǎn)組織管理系統(tǒng)[9]。其主要功能是與可控震源導(dǎo)航系統(tǒng)高度融合,配合節(jié)點儀器實現(xiàn)可控震源高效采集。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器采集系統(tǒng)之間的差別主要有以下幾點:①通訊方式:傳統(tǒng)儀器只支持?jǐn)?shù)傳電臺;VPM系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)傳電臺、公用網(wǎng)絡(luò)及自主網(wǎng)電臺。②激發(fā)控制方法:傳統(tǒng)儀器為輪詢-答復(fù)模式;VPM系統(tǒng)為多路直接應(yīng)答模式。③質(zhì)控數(shù)據(jù)量:傳統(tǒng)儀器只能提供PSS報告;VPM系統(tǒng)不僅可提供PSS報告,還具有COG無樁號施工的質(zhì)控、可控震源指標(biāo)參數(shù)實時監(jiān)控、無線任務(wù)分發(fā)、軌跡更新等功能。④高效采集:傳統(tǒng)儀器不支持動態(tài)滑掃(包括滑動掃描、DS3、DS4等,該技術(shù)是通過設(shè)計時間與空間的疊合關(guān)系,將交替、滑動和距離同步滑動三種掃描方式結(jié)合在一起,突破了以往只考慮時間域或空間域的局限,滑動時間不再固定,滑動時間隨距離變化而變化);VPM系統(tǒng)支持動態(tài)滑掃,不僅既提高了效率,又最小化了噪聲的影響。圖1為動態(tài)掃描示意圖。

圖1 動態(tài)掃描示意圖Fig.1 Dynamic scanning diagram

2.2 SSC井炮分布式激發(fā)系統(tǒng)

分布式激發(fā)控制器英文譯為Separated Source Controller,簡稱SSC,該系統(tǒng)是基于高精度時鐘和授時技術(shù),控制井炮源按照主機下發(fā)的指令在指定時刻精準(zhǔn)起爆炮點,并自動生成包括激發(fā)位置、激發(fā)時間等信息文件的控制系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要用于井炮高效采集,其工作原理為爆炸機到點采集GPS坐標(biāo),再將采集GPS坐標(biāo)及爆炸機ID號的READY信號發(fā)送給編碼器,編碼器接收并傳發(fā)信息給SSC系統(tǒng),系統(tǒng)判斷GPS位置坐標(biāo)及炮排表對應(yīng)的炮點坐標(biāo)是否一致,如果判斷一致,向編碼器發(fā)出點火信息和F0信號,編碼器收到點火命令后向爆炸機發(fā)出起爆指令。爆炸機起爆后將線號、點號、GPS位置、爆炸機ID及井口時間發(fā)送給系統(tǒng)。整個工作過程不需要人工干預(yù),減少了操作員人工點炮的時間。

2.3 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)

VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)是在可控震源生產(chǎn)管理系統(tǒng)(VPM)的基礎(chǔ)上結(jié)合井炮分布式激發(fā)控制器(SSC)開發(fā)的一種施工方法。該系統(tǒng)集成了可控震源和井炮雙源激發(fā)控制,并支持源驅(qū)動、動態(tài)掃描等高效采集方式。在井震雙源激發(fā)系統(tǒng)下,可為井炮設(shè)置時間-距離規(guī)則,實現(xiàn)井炮變間隔時間激發(fā)、遠(yuǎn)距離同步激發(fā),大幅度提高井炮采集效率。該系統(tǒng)的工作模式為由一臺VPM主機控制所有可控震源及SSC控制器,SSC控制器向下控制各爆炸機,形成可控震源與井炮兩套激發(fā)系統(tǒng)?？煽卣鹪醋詭PS衛(wèi)星定位系統(tǒng),可將自身坐標(biāo)信息實時回傳至VPM主機上;井炮激發(fā)方面,為爆炸機配坐標(biāo)收集器,可將采集到的GPS信息發(fā)送至SSC控制器,SSC控制器再將坐標(biāo)信息通過自主網(wǎng)回傳至VPM主機,因此,在VPM管理系統(tǒng)界面上可同時顯示可控震源及爆炸機的位置信息及采集進(jìn)度,便于生產(chǎn)指揮。操作人員可根據(jù)野外生產(chǎn)進(jìn)度及現(xiàn)場實際情況,隨時切換井炮與可控震源兩種激發(fā)系統(tǒng),切換無需等待時間。另外,系統(tǒng)默認(rèn)同一時間只能激活一種激發(fā)系統(tǒng),即可控震源進(jìn)行滑動掃描的時候,井炮無法采集;井炮排隊采集的時候,可控震源同樣無法介入,這樣避免了井震重炮的問題。

VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于實現(xiàn)了井炮與可控震源采集的高度融合,無論在哪種激發(fā)模式下,都可以實現(xiàn)井震瞬時切換,不僅將激發(fā)間隔智能優(yōu)化至最小,還提高了野外有效作業(yè)時間,真正做到了野外連續(xù)采集不間斷。圖2為VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)的工作原理圖。

圖2 VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of VPM+SSC explosive-vibroseis combined dual source excitation system

3 實際應(yīng)用效果

2022年鄂爾多斯盆地NXX三維項目應(yīng)用井震聯(lián)合高精度預(yù)案設(shè)計、VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)等先進(jìn)技術(shù)取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 采集效率大幅提升

項目前期采用井炮源驅(qū)動系統(tǒng)加可控震源VPM激發(fā)系統(tǒng)實施采集,井炮單組的采集時效為180炮/時,井炮的采集時間由早上7點開始,至下午4點完成當(dāng)日井炮采集任務(wù),時長約10 h;可控震源從下午5點開始采集,由于采集時間較晚,采集過程中受阻事件頻發(fā),至晚上9點采集工作被迫停止,全天采集日效約2 200炮/d。項目中期,應(yīng)用VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù),為井炮設(shè)置了T-D規(guī)則,提高了空間與時間的轉(zhuǎn)換利用率,井炮采集時效由以往的180炮/h提升至240炮/h,采集效率提升33%,井炮采集時間由以往的下午4點結(jié)束降至下午1點結(jié)束,總采集時長縮短3 h。另外,井炮采集過程中,遇到受阻或搬點影響連續(xù)作業(yè)時,通過切換至可控震源采集系統(tǒng),避免了采集時間的浪費。井炮的高效采集為可控震源爭取了更多的作業(yè)時間,不僅降低了可控震源夜間在村莊內(nèi)施工的幾率,同時也保證了障礙區(qū)的可控震源實施率。項目應(yīng)用VPM+SSC井震雙源激發(fā)技術(shù)后,采集日效提升至3 000炮/d,較以往提升36%。圖3為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維應(yīng)用源驅(qū)動+VPM激發(fā)系統(tǒng)與VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)系統(tǒng)下的采集日效對比圖。

圖3 不同激發(fā)系統(tǒng)的采集日效對比圖Fig.3 Comparison of acquisition daily efficiency of different excitation systems

3.2 資料品質(zhì)得到有效保障

項目加大了可控震源點位的布設(shè),不僅提升了障礙區(qū)點位均勻性,還緩解了以往井炮實施難大的問題。對于一些存在不確定因素的區(qū)域設(shè)計了井、震兩套實施方案,便于隨時調(diào)整方案。精細(xì)的前期預(yù)案點位設(shè)計、動態(tài)的現(xiàn)場預(yù)案調(diào)整,保證了項目預(yù)案高實施率,最終項目預(yù)案實施率達(dá)到了97.88%。通過不同偏移距覆蓋次數(shù)分析,淺層資料無缺失,中深層覆蓋次數(shù)分布均勻,全偏移距覆蓋次數(shù)達(dá)到設(shè)計滿覆蓋的95%以上。圖4為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維采集點位分布圖,圖5為全偏移距下覆蓋次數(shù)分析圖。

圖4 NXX三維激發(fā)點位分布圖Fig.4 Distribution of NXX 3D shots

圖5 NXX三維覆蓋次數(shù)分析圖Fig.5 Analysis diagram of NXX 3D folds

均勻、有效的覆蓋次數(shù)使得最終資料品質(zhì)得到明顯改善,資料有效頻寬得到拓展,層間信息明顯豐富,復(fù)雜構(gòu)造的刻畫更加清晰,斷裂成像改善明顯。圖6為2022年度鄂爾多斯盆地NXX三維疊前時間偏移剖面,資料目的層反射形態(tài)清晰,層間信息豐富,延長組和石盒子組、太原組等地層可連續(xù)追蹤對比;深層成像效果好,地層間不整合接觸關(guān)系和構(gòu)造特征比較清晰。

圖6 NXX三維疊前時間偏移剖面Fig.6 NXX 3D prestack time migration profile

4 結(jié)論

通過本項目的研究與實施,對復(fù)雜黃土山地區(qū)井震聯(lián)合高效采集技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向,形成以下認(rèn)識:

1)在復(fù)雜黃土山地區(qū)應(yīng)用井震聯(lián)合預(yù)案設(shè)計技術(shù)可以大幅度提升點位均勻性,實施過程中,通過井震動態(tài)調(diào)整,可有效保證預(yù)案實施率。

2)應(yīng)用VPM+SSC井震聯(lián)合雙源激發(fā)技術(shù)可實現(xiàn)井震高度融合、瞬時切換,通過設(shè)置T-D規(guī)則,可實現(xiàn)井炮與可控震源變間隔時間采集,有效提升采集效率。

3)相對于井炮激發(fā)方式,可控震源激發(fā)具有環(huán)保、安全、高效等優(yōu)勢,在復(fù)雜黃土山地區(qū)加大可控震源的實施比例是項目提質(zhì)增效重要措施。