三維地質(zhì)模型輔助地震采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁向豪，朱運(yùn)紅，劉依謀，高國(guó)成，段孟川，溫中濤

(1.塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)部，新疆庫(kù)爾勒 841000;2.東方地球物理公司塔里木物探處，新疆庫(kù)爾勒 841000)

隨著勘探程度的不斷深入，塔里木盆地越來(lái)越多的地震采集項(xiàng)目走向了“雙復(fù)雜”勘探階段，即勘探地表地形復(fù)雜，勘探地下復(fù)雜。復(fù)雜地區(qū)的三維設(shè)計(jì)該如何合理設(shè)計(jì)，是目前該區(qū)地震采集面臨的問(wèn)題。

參數(shù)論證是觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。參數(shù)論證的準(zhǔn)確性為下一步觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)［1］。針對(duì)復(fù)雜地區(qū)地震采集而言，以往的論證方法存在以下不足:

(1)傳統(tǒng)的地震采集參數(shù)的分析主要以典型的地球物理點(diǎn)為依據(jù)，將局部地球物理點(diǎn)分析的結(jié)果用于整個(gè)勘探工區(qū)，采用一種近似或折中的方案。

從圖1可知，針對(duì)庫(kù)車復(fù)雜地區(qū)，構(gòu)造頂部和翼部?jī)蓚€(gè)地球物理參數(shù)論證點(diǎn)不能控制全區(qū)，它將局部論證的結(jié)果應(yīng)用到了全工區(qū);同時(shí)只計(jì)算提取地球物理參數(shù)論證點(diǎn)二維方向的一個(gè)方向傾角，不能分析各個(gè)方向的參數(shù)需求;在計(jì)算顯示方面，通過(guò)套用公式 (圖1c，其中，Xmax為最大炮檢距;t0為雙程旅行時(shí);vrms為均方根速度;D為埋深;fp為反射主頻)計(jì)算成圖，圖件簡(jiǎn)單，不直觀。因此，常規(guī)參數(shù)論證存在著片面、簡(jiǎn)單、不直觀的特點(diǎn)，難以滿足復(fù)雜地區(qū)地震勘探需求。

圖1 常規(guī)采集參數(shù)論證圖Fig.1 Conventional acquisition parameter

(2)傳統(tǒng)的地震采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以水平層狀假設(shè)為前提，以共中心點(diǎn) (CMP)分析獲得地下有效反射信息為基礎(chǔ)，是對(duì)實(shí)際反射點(diǎn)近似的描述。因此對(duì)于地表起伏，地下反射界面傾斜、高陡的構(gòu)造及低幅度構(gòu)造而言，基于典型地球物理點(diǎn)論證采集參數(shù)和基于CMP的方法進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已難以滿足采集的要求。而基于三維地質(zhì)模型觀測(cè)系統(tǒng)分析是以共反射點(diǎn) (CRP)分析為基礎(chǔ)，采用射線、波動(dòng)等方法獲得地下有效反射信息，是對(duì)地下情況的真實(shí)描述 (圖2)。

圖2 CRP和CMP觀測(cè)系統(tǒng)分析原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of CRP and CMP Observation analysis theory

1 三維地質(zhì)模型設(shè)計(jì)技術(shù)

基于三維地質(zhì)模型數(shù)值模擬技術(shù)是以建立三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)部分波動(dòng)正演、射線追蹤、照明技術(shù)等多種手段，對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行分析和論證，同時(shí)針對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行共反射點(diǎn)CRP分析［2］。從而更好地進(jìn)行復(fù)雜地區(qū)地震采集參數(shù)合理確定及觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 三維地質(zhì)模型建立

三維地質(zhì)模型的建立是進(jìn)行三維地質(zhì)模型設(shè)計(jì)參數(shù)論證的基礎(chǔ)條件。三維地質(zhì)模型建立需要的原始資料主要包括地震解釋層位、測(cè)井曲線文件、速度場(chǎng)和解釋成果剖面等。主要用于三維建模的軟件包括 Omni、Norsar、KLseis、Mesa、TesseralPro等。

根據(jù)不同的原始數(shù)據(jù)形成如下4種建立三維地質(zhì)模型的方法。

1.1.1 地質(zhì)成果建模方法

首先，將工區(qū)內(nèi)不同層位地質(zhì)成果構(gòu)造圖的等值線提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成文本格式，將各層進(jìn)行插值;其次，將工區(qū)內(nèi)疊加速度庫(kù)文件轉(zhuǎn)換成層速度庫(kù)文件;最后，利用層位和速度生成三維地質(zhì)模型 (圖3)。這種方法是最快、最準(zhǔn)確的三維地質(zhì)建模方法。

圖3 地質(zhì)成果建立三維地質(zhì)模型圖Fig.3 Interpretation establish 3D gedogic model

1.1.2 時(shí)間層位解釋建模方法

有些工區(qū)只有時(shí)間解釋層位成果數(shù)據(jù)，通過(guò)變速成圖將時(shí)間域轉(zhuǎn)換成深度域，然后可按照第一種方法建模。

1.1.3 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)精細(xì)建模方法

在成熟的工區(qū)，可以利用多口井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)建模，通過(guò)對(duì)聲波測(cè)井曲線進(jìn)行分層劃分，直接多口井插值生成三維地質(zhì)模型。

1.1.4 解釋成果剖面建模方法

在研究程度相對(duì)較低的區(qū)域，工區(qū)內(nèi)未進(jìn)行過(guò)三維地震勘探，可以通過(guò)二維剖面的解釋資料進(jìn)行建模。通過(guò)將解釋層位數(shù)字化，建立多條二維模型，然后進(jìn)行插值生成三維模型。該方法建立的三維地質(zhì)模型與前幾種方法相比，精度最差。

1.2 基于三維地質(zhì)模型采集參數(shù)論證

在精細(xì)三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，可以論證的采集參數(shù)有:面元尺寸、最大炮檢距、分辨率、偏移孔徑、最大接收頻率、反射密度、表面密度等［3］?，F(xiàn)從面元尺寸和最大炮檢距這兩個(gè)常用采集參數(shù)論證進(jìn)行說(shuō)明。

1.2.1 面元尺寸

面元尺寸的確定主要考慮3個(gè)因素:目標(biāo)地質(zhì)體的尺度、考慮有利于斷點(diǎn)或縫洞的高頻繞射信息偏移歸位、滿足最高無(wú)混疊頻率和橫向分辨率的要求?；谌S地質(zhì)模型面元尺寸論證主要基于其中的兩個(gè)方面 (最高無(wú)混疊頻率和橫向分辨率)的要求。與常規(guī)公式計(jì)算相比，它計(jì)算的是一個(gè)面的概念，同時(shí)包含了各個(gè)方向的傾角信息。圖4是塔中地區(qū)計(jì)算奧陶系O3t層位的面元需求，從面元分析結(jié)果來(lái)看，位于構(gòu)造翼部的地區(qū)要求面元尺寸較小，通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖只需要選擇占絕對(duì)數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)的面元大小即可。

圖4 三維地質(zhì)模型面元論證圖Fig.4 The bin argument with 3D geologic model

1.2.2 最大炮檢距

最大炮檢距是觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其主要考慮以下因素:目的層埋深的要求、動(dòng)校正拉伸率的要求 (12.5%)、速度分析精度的要求(6%)、反射系數(shù)的穩(wěn)定、偏移歸位的需要等。

圖5為最大炮檢距傳統(tǒng)單點(diǎn)論證和基于三維地質(zhì)模型論證的對(duì)比圖，從結(jié)果來(lái)看，基于三維地質(zhì)模型論證結(jié)果更直觀，可以清楚地了解各個(gè)層位 (Ts1、To3l、To1－2y)不同位置所需要的最大炮檢距。

圖5 傳統(tǒng)單點(diǎn)論證與基于三維地質(zhì)模型最大炮檢距論證對(duì)比圖Fig.5 The max offset prove with 3D model

1.3 基于三維地質(zhì)模型觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化

三維地質(zhì)模型觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化包括基于共反射點(diǎn) (CRP)面元觀測(cè)系統(tǒng)屬性對(duì)比分析、觀測(cè)寬度選擇、線距的選擇、覆蓋次數(shù)選擇等。在相同的投資條件下，如何選擇更有利的觀測(cè)系統(tǒng)，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化的理念?，F(xiàn)從如下方面進(jìn)行說(shuō)明。

1.3.1 CRP觀測(cè)系統(tǒng)屬性對(duì)比分析

常規(guī)的共中心點(diǎn)CMP觀測(cè)系統(tǒng)屬性對(duì)比是以水平層狀假設(shè)為前提，根據(jù)地球物理點(diǎn)位的位置通過(guò)幾何運(yùn)算來(lái)確定其中心點(diǎn)位置落在哪個(gè)面元上?；谌S地質(zhì)模型觀測(cè)系統(tǒng)分析則以共反射點(diǎn)CRP為基礎(chǔ)，地表、地下都可以是起伏的，根據(jù)射線理論或波動(dòng)理論計(jì)算不同炮檢波點(diǎn)的反射點(diǎn)落在地下地質(zhì)體的哪個(gè)面元上。

圖6為相同覆蓋次數(shù)、不同觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋次數(shù)對(duì)比圖，從圖中可以看出，盡管方案一CMP覆蓋次數(shù)相同，但其CRP覆蓋次數(shù)不一樣，從CRP覆蓋次數(shù)的均勻性來(lái)看，方案二的觀測(cè)系統(tǒng)更好;因此，基于三維地質(zhì)模型CRP觀測(cè)系統(tǒng)屬性對(duì)比分析更合理。

圖6 不同觀測(cè)系統(tǒng)CRP對(duì)比圖Fig.6 Contrast between different geometry of CRP contrast

1.3.2 三維地質(zhì)模型正演分析技術(shù)

三維地質(zhì)模型觀測(cè)系統(tǒng)正演分析技術(shù)，就是通過(guò)布設(shè)不同觀測(cè)系統(tǒng)，利用射線理論、波動(dòng)理論進(jìn)行正演單炮;然后通過(guò)處理生成剖面，分析不同觀測(cè)系統(tǒng)的剖面成像效果，從而確定最佳的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)。該方法是最有效的方法。

圖7是不同觀測(cè)寬度的觀測(cè)系統(tǒng)采用射線理論正演，然后處理的剖面，從剖面來(lái)看，寬方位對(duì)小構(gòu)造歸位要好于窄方位。

圖7 不同觀測(cè)系統(tǒng)正演對(duì)比圖Fig.7 Contrast between different Geometry of forward contrast

三維地質(zhì)模型正演技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)就是速度慢，尤其是波動(dòng)方程正演的速度很慢，時(shí)間周期長(zhǎng)，同時(shí)處理也需要大量的時(shí)間，因此，雖然該方法最有效，但在采集技術(shù)設(shè)計(jì)中用得較少。

1.3.3 三維地質(zhì)模型照明分析技術(shù)

三維地質(zhì)模型照明分析技術(shù)同樣也是通過(guò)布設(shè)不同觀測(cè)系統(tǒng)，利用射線理論、波動(dòng)理論進(jìn)行照明，最后分析地下目標(biāo)體的照明強(qiáng)度，來(lái)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。其射線理論方面與CRP覆蓋次數(shù)類似，只是將穿透面元的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化成能量的振幅值。圖8中針對(duì)最下面三維層位目標(biāo)體進(jìn)行不同觀測(cè)系統(tǒng)照明分析，方案一和方案二的CMP覆蓋次數(shù)是相同的，但其接收線距、觀測(cè)寬度不一樣，方案一接收線距較小，觀測(cè)寬度相對(duì)較窄，方案二接收線距較大，觀測(cè)寬度較寬。從圖8中可以看出，方案二觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目的層照明貢獻(xiàn)能量強(qiáng)且均勻，因此該方案有利于獲得更好的資料品質(zhì)。

圖8 不同觀測(cè)系統(tǒng)照明對(duì)比圖Fig.8 Contrast between different geometry of illumination

2 應(yīng)用效果

近幾年來(lái)基于三維地質(zhì)模型輔助地震采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在塔里木盆地多個(gè)三維采集設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。為采集參數(shù)的合理選擇，觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的論證，取得了較好效果，提高了采集質(zhì)量。

圖9為塔中地區(qū)某工區(qū)同一位置三維疊前時(shí)間偏移剖面新老對(duì)比圖，通過(guò)三維模型觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化所獲得的剖面與老剖面相比，資料信噪比有著大幅度的提高，目的層內(nèi)幕信息豐富，反射特征更明顯，串珠儲(chǔ)層成像更清晰，收斂性更好。

圖9 塔中新老三維疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比圖Fig.9 Contrast between old and new 3D pstm

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)以三維模型為依據(jù)，對(duì)地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行分析和論證，通過(guò)基于三維模型分析技術(shù)合理選擇地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)，設(shè)計(jì)最佳觀測(cè)系統(tǒng)，保證最有效獲得地下反射資料，為提高速度分析精度，改善偏移成像質(zhì)量，獲得高品質(zhì)地震剖面創(chuàng)造了條件。

(2)三維模型觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的內(nèi)容更豐富，更接近地下規(guī)律，符合基于疊前偏移設(shè)計(jì)的理念。在實(shí)際應(yīng)用中，起到了豐富觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、提高采集質(zhì)量、降低勘探風(fēng)險(xiǎn)的效果。

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