關(guān)鍵詞：三維地震采集，沙漠區(qū)，數(shù)據(jù)混疊，同步激發(fā)，井炮激發(fā)

0引言

塔里木盆地臺盆區(qū)占盆地總面積約80%，涵蓋塔克拉瑪干沙漠及其外圍，表層及深層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，石油地質(zhì)條件優(yōu)越，油氣資源豐富，是油田增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域[1?3]。區(qū)內(nèi)地表以沙漠和鹽堿地為主，低降速層厚度為5～150m；油氣藏類型以碳酸鹽巖油藏為主，埋深為4.5～11.0km。沙丘松散且起伏大，對地震波高頻成分衰減嚴重。另外，沙丘鳴震、多次波等干擾嚴重影響原始地震資料品質(zhì)和深層弱信號的成像質(zhì)量[4]。

隨著塔里木盆地油氣勘探力度的持續(xù)加大，臺盆區(qū)采取“區(qū)帶整體部署，集中高效采集”的方式加快高精度三維地震資料全覆蓋?！皟蓪捯桓摺钡卣鹳Y料采集技術(shù)大幅提高了地震成像質(zhì)量和儲層預(yù)測精度，推動了該區(qū)油氣高效勘探開發(fā)[5?7]。但地震采集呈現(xiàn)工作量大、有利時窗短、生產(chǎn)節(jié)奏快、復(fù)雜程度日趨增高等特點[8?10]。相鄰工區(qū)間不同地震隊同時施工產(chǎn)生的混疊噪聲嚴重影響深層弱反射信號。

數(shù)據(jù)混疊室內(nèi)分離方法可分為兩大類：基于去噪分離方法和基于稀疏反演方法。佘德平[11]提出2D彈性波交錯網(wǎng)格有限差分模擬多震源同步激發(fā)產(chǎn)生的復(fù)雜波場，同時指出鄰炮干擾在共炮檢距道集中呈隨機噪聲特征。徐雷良等[12]提出兩步法壓制鄰炮干擾，利用強振幅分頻濾波和中值濾波壓制可控震源獨立同步激發(fā)（ISS）數(shù)據(jù)中的鄰炮干擾。于富文等[13]根據(jù)多組震源滑動掃描激發(fā)產(chǎn)生的鄰炮干擾在檢波點域或共炮檢距域表現(xiàn)為隨機離散信號，而有效信號連續(xù)性不發(fā)生變化的特點，采用多方位矢量中值濾波將干擾信號分離。王文闖等[14]提出α?trimmed矢量中值濾波，相較于傳統(tǒng)的矢量中值濾波更加保幅，同時魯棒性也較好。宋家文等[15]和楊連剛等[16]提出FKK域采用稀疏反演分離混采數(shù)據(jù)中的有效信號和混疊噪聲。Chen等[17]利用Seislet域整形正則化方法獲得較好的數(shù)據(jù)分離結(jié)果?；谙∈璺囱莸姆椒ū然谌ピ敕椒ǚ蛛x干擾效果更好，但是計算成本更高。當?shù)卣鹳Y料信噪比低、數(shù)據(jù)量大、混疊程度高時，對分離方法的要求也就更高。

塔里木盆地沙漠區(qū)以井炮作業(yè)為主，深層信號能量弱、信噪比低、保幅性要求高，數(shù)據(jù)混疊分離技術(shù)在本探區(qū)應(yīng)用尚存在一定局限，當前主要通過野外采集規(guī)避混疊噪聲。具體方法是通過延長激發(fā)時間間隔和交替輪換施工降低這種噪聲，但該方法大幅降低了采集效率。東方地球物理公司（BGP）于2020年研發(fā)了井炮作業(yè)GNSS時序激發(fā)控制系統(tǒng)（簡稱防重炮系統(tǒng)），通過GPS統(tǒng)一授時和控制不同儀器主機激發(fā)時間，實現(xiàn)同時激發(fā)和交替激發(fā)，較好地解決了野外采集時能量互相影響問題，但當激發(fā)點距離過小，該系統(tǒng)的使用受限[18]。

為系統(tǒng)地解決塔里木盆地沙漠區(qū)同步激發(fā)時激發(fā)點距離、激發(fā)時間間隔等問題，本文利用現(xiàn)場試驗調(diào)查資料建立數(shù)據(jù)混疊分析時間—空間圖板，在不同激發(fā)點距條件下部署不同的井炮激發(fā)方案。實例證明，所提方法在有效規(guī)避混疊噪聲的同時，采集效率得到大幅提高，成功解決了富滿油田Ⅱ區(qū)連片三維采集數(shù)據(jù)混疊問題。

1技術(shù)原理及流程

同步激發(fā)是通過GNSS將各地震隊之間激發(fā)時間從“無序”變“有序”，從而提高作業(yè)時長的采集技術(shù)。其基本原理為：在滿足本區(qū)和鄰區(qū)上一炮能量已經(jīng)衰減的前提條件下，通過控制兩個或多個儀器主機激發(fā)時間，使其按照一定激發(fā)時間間隔同時激發(fā)，確保儀器在當前炮記錄時間內(nèi)，鄰區(qū)傳播速度最快、能量較強的初至波到達前已經(jīng)停止記錄，避開鄰區(qū)初至波強能量干擾。GNSS時序激發(fā)控制系統(tǒng)的工作流程：①首先對各地震隊GPS統(tǒng)一授時，依據(jù)激發(fā)間隔和隊伍數(shù)量，劃分一系列數(shù)量與地震隊數(shù)量相同、時間長度為激發(fā)間隔的時間槽，并分配給每個地震隊；②各地震隊完成激發(fā)前的排列檢查、炮線連接等準備工作；③各地震隊按照各自激發(fā)時間槽等待激發(fā)，若輪到本隊時間槽時已做好激發(fā)準備則激發(fā)，否則等待下一輪激發(fā)時間槽到達，重復(fù)該過程，直至采集結(jié)束。

該系統(tǒng)以GPS統(tǒng)一授時時間為基準，應(yīng)用時間槽分配技術(shù)將多個GNSS時序控制器按需賦予一定的時間間隔，按組合方式同時或交替對儀器編碼器整秒發(fā)出點火命令，觸發(fā)地震儀器采集，實現(xiàn)自主激發(fā)，并保持與儀器主機采集同步，各相鄰地震隊可根據(jù)本隊施工情況24h作業(yè)，有效規(guī)避了數(shù)據(jù)混疊現(xiàn)象，保障了資料的品質(zhì)，在優(yōu)化采集時間分配的基礎(chǔ)上，提高了野外作業(yè)時長和效率。

2關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1工區(qū)概況

富滿Ⅱ區(qū)三維區(qū)位于阿滿過渡帶北部，為加快富滿油田有利區(qū)三維全覆蓋，為增儲上產(chǎn)夯實基礎(chǔ)，設(shè)計偏移處理前滿覆蓋面積為2408km2，炮道密度高達1.76×106次/km2。為按期完成采集任務(wù)，整個項目分為子項目Ⅰ、子項目Ⅱ，并由兩支地震隊同時施工完成。

圖1a、圖1b分別為子項目I和子項目II同時施工的單炮記錄，可見均有來自對方的鄰炮干擾（圖中平行四邊形）。對其進行頻譜分析可見，5s以下目的層中低頻信號干擾嚴重，數(shù)據(jù)混疊為線性特征的折射波干擾，主頻約11Hz，速度范圍約1800～3600m/s（圖1c）。需進一步分析數(shù)據(jù)混疊在時間、空間上的特征及其產(chǎn)生機理。

2.2數(shù)值模擬

為明確雙組震源激發(fā)時數(shù)據(jù)混疊的特征，采用聲波波動方程進行數(shù)值模擬。

根據(jù)富滿地區(qū)聲波測井曲線和地震資料，建立層狀地質(zhì)模型（圖2）。正演模擬參數(shù)：道距為10m，時間采樣為0.2ms，主頻為20Hz的Ricker子波，記錄長度為10s，最大炮檢距為8500m。

由圖3單、雙震源波場快照可見，雙震源激發(fā)使地震波波場變得復(fù)雜，高速的淺層干擾能量較強而深層反射波能量較弱。從圖4單炮記錄上看，與實際記錄呈現(xiàn)特征一致，混疊噪聲主要為線性折射波干擾，影響中深層信號。如圖4b所示，由于距離過近同步激發(fā)仍會產(chǎn)生數(shù)據(jù)混疊，因此使用同步激發(fā)技術(shù)必須控制震源間距離。由圖4b、圖4c看出，兩隊激發(fā)時差越大，深層受干擾影響范圍越小，即可以通過增加激發(fā)時間間隔避免干擾，但有效采集時間會減少，采集效率隨之降低。

2.3現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析

為進一步確定兩隊同步激發(fā)關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場開展如圖5所示調(diào)查試驗：①工區(qū)南部大沙區(qū)布設(shè)二維長排列調(diào)查線，最大炮檢距60km，記錄長度14s；②工區(qū)內(nèi)開展長記錄調(diào)查，由子項目Ⅰ小沙區(qū)激發(fā)，子項目Ⅱ排列接收，最小炮檢距為51.4km，最大炮檢距為67.7km，記錄長度為120s；在高速層下采用12kg高密度硝銨進行激發(fā)，地面采用2串檢波器組合接收。詳細采集參數(shù)見表1。折射干擾出現(xiàn)在20～40s（圖6）。需指出的是，兩者均受到來自井場機械干擾的影響，在分析時應(yīng)排除其影響。

由圖6可知，來自淺層低速折射波較深層高速折射波能量強，并且速度分布在1800～3000m/s的淺層折射波能量衰減相對較慢，而3000～3600m/s中深層折射波能量衰減相對較快，數(shù)據(jù)混疊主要產(chǎn)生于淺層的折射波。

通常地震采集記錄長度為8、9或10s，通過工區(qū)內(nèi)長排列試驗，發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)初至波出現(xiàn)的炮檢距為27.1、33.8、40.8km。圖7為長排列試驗資料得到的不同類型地震波振幅隨炮檢距變化曲線，排除機械干擾影響，背景環(huán)境噪聲能量為3～10μV，初至波能量在40km以內(nèi)衰減較快，在40km以后能量與背景噪聲能量水平一致。

圖8為120s長記錄資料不同類型地震波振幅隨炮檢距變化曲線。排除機械干擾影響，當炮檢距大于57km時，1800、3000m/s折射波能量從50μV開始衰減，炮檢距達到65km以后衰減到10μV以下；3600m/s折射波能量從20μV開始衰減，炮檢距達到65km以后衰減到10μV以下。由于小沙區(qū)激發(fā)能量更強，因此它與長排列試驗資料比較，相同炮檢距衰減到10μV所需距離更長，因此折射波衰減至10μV炮檢距取65km。

圖9為正常單炮最大炮檢距位置（8.3km）單道記錄在5s以后深層目的層地震波隨時間變化曲線?？梢钥闯?，有效波能量分布在100μV以上，即比背景環(huán)境噪聲高10倍以上，因此若要深層有效信號避開數(shù)據(jù)混疊，來自鄰隊折射波能量至少應(yīng)衰減到10μV以下。

由此建立如圖10所示數(shù)據(jù)混疊分析圖板，用于分析多激發(fā)源時在不同時間、空間位置數(shù)據(jù)混疊規(guī)律特征。分析可知，混疊干擾分為以下三種情況：①當激發(fā)時間間隔過短，本區(qū)上一炮低速（約400m/s）面波能量未全部消散（主要為以下低速面波），即本區(qū)上一炮干擾；②當兩個激發(fā)源距離較遠，數(shù)據(jù)混疊為上一炮附近時刻鄰隊淺層低速折射波；③當兩個激發(fā)源距離太近，數(shù)據(jù)混疊為當前炮附近時刻鄰隊深層高速折射干擾。

為簡化表述，將兩隊當日炮點之間實際距離記作dr，自由激發(fā)時兩隊當日炮點之間最小距離記作df，同步激發(fā)時兩隊之間最小距離記為dsyn0。

df需滿足折射波衰減至10μV以下，即df=折射波衰減至10μV炮檢距+最大炮檢距=65km+8.3km=73.3km。

dsyn0需滿足在當前炮記錄時間內(nèi)，來自鄰隊的初至波還未達到。若考慮10s以上記錄，則dsyn0=鄰隊初至波10s傳播距離+最大炮檢距=40.8km+8.3km=49.1km；同理，若考慮9s和8s以上資料，則dsyn0分別為42.1km和35.4km。

激發(fā)時間間隔應(yīng)同時滿足時間、空間上避開數(shù)據(jù)混疊時的要求。時間上，塔里木盆地山地地表低速面波衰減到10μV以下約需20s，而沙漠地表約需35s，即激發(fā)時間間隔應(yīng)大于等于35s；空間上，避開鄰隊1800m/s低速折射波干擾，激發(fā)時間間隔應(yīng)大于等于32s（圖10）。最終沙漠區(qū)激發(fā)時間間隔應(yīng)大于等于35s。

在同步激發(fā)距離內(nèi)，若對數(shù)據(jù)混疊能量控制比10μV更嚴格，可將激發(fā)時間間隔調(diào)整為35～40s，具體可結(jié)合圖10數(shù)據(jù)混疊分析圖板。

2.4不同距離條件井炮激發(fā)方案

根據(jù)1.3節(jié)可知，若兩隊當天大排列片中待激發(fā)點之間存在dr小于dsyn0的情況，且雙方井炮激發(fā)時間接近，將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)混疊，距離越近，受數(shù)據(jù)混疊的單炮越多、分布越密集，加之每個地震隊大排列片上會同時布置多個炮班，因此數(shù)據(jù)混疊出現(xiàn)位置呈現(xiàn)一定隨機性。

分析可知，當兩隊當天大排列中待激發(fā)點之間最小距離大于dsyn0，仍然存在一部分激發(fā)點滿足同步激發(fā)條件，如果這部分激發(fā)點數(shù)量具備一定數(shù)量（達到當日采集炮次的1/3），那么就可考慮繼續(xù)使用同步激發(fā)系統(tǒng)，提高采集時效。因此在兼顧采集效率和施工組織便利的前提下，根據(jù)兩隊人員裝備配置、施工效率、當日工作量等客觀因素，將兩隊各自當天激發(fā)點按照dsyn0距離劃分成兩個區(qū)域，事先約定各個區(qū)域激發(fā)時間段，距離較遠的區(qū)域采取同步激發(fā)，距離較近的區(qū)域采取交替激發(fā)，即可實現(xiàn)傳統(tǒng)同步激發(fā)施工方式的基礎(chǔ)上進一步提高效采集日效（圖11）。

對于整個采集過程而言，根據(jù)工區(qū)以往資料或現(xiàn)場試驗資料分析求取關(guān)鍵距離參數(shù)：自由激發(fā)最小距離df、整線束同步激發(fā)最小距離dsyn0、分區(qū)同步激發(fā)最小距離dsyn1。兩隊安裝GNSS時序激發(fā)防重炮系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測每天兩隊大排列片待激發(fā)點之間最小距離dminr，按照該距離的大小分四種情況選取對應(yīng)激發(fā)策略施工直至某一隊結(jié)束采集：

（1）若dminr≥df，兩隊任意自由激發(fā)，互相之間不影響；

（2）若dsyn0≤dminr＜df，兩隊使用同步激發(fā)系統(tǒng)激發(fā)；

（3）若dsyn1≤dminr＜dsyn0，依據(jù)每天人員裝備配置、施工效率、當日工作量等劃分當日的同步激發(fā)區(qū)域、交替激發(fā)區(qū)域，即分區(qū)同步激發(fā)；

（4）若dminr＜dsyn1，采用分時交替激發(fā)，即劃分兩隊允許采集的時間段，各隊只在劃分給本隊的時間段內(nèi)可以采集。

3實際應(yīng)用效果

兩隊采集時間均安排在2020年11月18日至次年2月3日，為保證同步采集炮點距離符合要求，將相鄰隊伍采集相互干擾降至最低水平，實際實施時將采集方案劃分為3個階段進行控制（圖12）：

第一階段，11月18日至12月16日采用整線束同步采集，共29d；

第二階段：12月17日至1月22日采用分區(qū)同步采集，將兩隊每日激發(fā)區(qū)域分為A、B區(qū)，約定時間段同時采集A區(qū)或B區(qū)，共37d；

第三階段：1月23日至2月3日采用分區(qū)同步采集+交替采集，將兩隊每日激發(fā)區(qū)域分為A、B區(qū)，子項目Ⅰ的B區(qū)與子項目Ⅱ的A區(qū)最小距離滿足同步激發(fā)條件，繼續(xù)采用分區(qū)同步激發(fā)，子項目Ⅰ的A區(qū)與子項目Ⅱ的B區(qū)距離過近時采用分時交替激發(fā)，共12d。

若采用往常的整線束同步激發(fā)方案，12月16日以后只能采用交替激發(fā)，每日兩隊采集效率將下降一半，導(dǎo)致工期延誤。通過應(yīng)用本文方法，富滿Ⅱ區(qū)子項目Ⅰ采集共歷時112d，最高日效率為2012炮，平均日效為1245炮；子項目Ⅱ采集共歷時78d，最高日效為1383炮，平均日效為960炮。從兩子項目每日采集炮次趨勢上看，除三次排列搬家采集炮數(shù)減少外，整體運行平穩(wěn)，采集效率幾乎未受影響，表明本文所提方案增加了有效采集時間，采集效率提高，確保了富滿Ⅱ區(qū)項目高效、按期完成。

圖13為新、老資料剖面及目的層頻譜分析，新采集高密度資料較老資料信噪比更高，同相軸橫向連續(xù)性更好，目的層寒武系—奧陶系（紅框區(qū)域）主頻由老資料的29Hz提高到32Hz，頻帶更寬，有效地拓寬了低頻成分。深層目的層自西向東，臺地內(nèi)—臺地邊緣—斜坡地震波波組特征更加清楚，地質(zhì)細節(jié)信息更加豐富，斷裂成像精度更高，斷點干脆，縱向發(fā)育規(guī)律性好，表明新采集資料混疊噪聲得到了有效控制，保證了深層資料品質(zhì)。

4結(jié)論

針對塔里木盆地大沙漠區(qū)地震采集出現(xiàn)的數(shù)據(jù)混疊問題，通過數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場長記錄調(diào)查試驗和長排列資料分析，建立了數(shù)據(jù)混疊時間—空間圖板，明確了數(shù)據(jù)混疊的類型、產(chǎn)生機理、傳播規(guī)律及同步激發(fā)技術(shù)的距離控制方式，為今后更為合理地應(yīng)用同步激發(fā)系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。

文中創(chuàng)新地提出分區(qū)同步激發(fā)，建立了“任意自由激發(fā)+整線束同步激發(fā)+分區(qū)同步激發(fā)+分時交替激發(fā)”井炮激發(fā)實施方案，大幅增加了同區(qū)多地震隊施工的有效采集時間。富滿Ⅱ區(qū)實際三維采集項目在確保資料品質(zhì)前提下，采集效率得到提高。

目前提出的井炮激發(fā)技術(shù)方案是建立在同步激發(fā)系統(tǒng)未能實時通訊的基礎(chǔ)上，將來若解決實時通訊問題，使得兩隊當前時刻待激發(fā)點坐標能夠?qū)崟r傳遞到各自同步激發(fā)系統(tǒng)并計算出距離，可進一步減少交替采集的時間。