海上多方位觀測系統(tǒng)照明分析

呂曉春,李　鵬,孫常新,成景旺,趙　陽,賈景超

(1.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450045;2.長江地球物理探測(武漢)有限公司,湖北武漢430010;3.長江大學(xué)地球物理與資源學(xué)院,湖北武漢430100)

海上多方位觀測系統(tǒng)照明分析

呂曉春1,李鵬2,孫常新1,成景旺3,趙陽1,賈景超1

(1.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450045;2.長江地球物理探測(武漢)有限公司,湖北武漢430010;3.長江大學(xué)地球物理與資源學(xué)院,湖北武漢430100)

摘要:海上多方位觀測系統(tǒng)能夠獲得多方位角的地震信息,從而增強地震照明度,提高勘探精度?；诓ㄇ皹?gòu)建法計算模擬偏移振幅(SMA)強度,作為照明量對多方位觀測系統(tǒng)的照明響應(yīng)進行研究,為評價和優(yōu)化多方位觀測系統(tǒng)提供指導(dǎo)和依據(jù)。理論模型和實際地質(zhì)模型照明結(jié)果表明,隨著方位角個數(shù)的增加,多方位觀測系統(tǒng)針對目的層的照明能量的連續(xù)性和均勻性變好,能夠有效地改善單個窄方位角觀測系統(tǒng)下的照明陰影區(qū)的照明效果,可廣泛應(yīng)用于海上復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的地震數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞：多方位觀測系統(tǒng);波前構(gòu)建法;模擬偏移振幅;照明分析

海洋深水區(qū)三維地震勘探主要以拖纜的方式采集,海上地震觀測系統(tǒng)主要類型包括:窄方位(NAZ)觀測系統(tǒng)、多方位(MAZ)觀測系統(tǒng)、寬方位(WAZ)觀測系統(tǒng)、富方位(RAZ)觀測系統(tǒng)和全方位(FAZ)觀測系統(tǒng)。NAZ觀測系統(tǒng)是海上最常規(guī)的觀測系統(tǒng),采集信息集中在與航向相關(guān)的較窄方位角內(nèi),遠偏移距方位角在地震船路徑的上、下10°范圍內(nèi),觀測系統(tǒng)的橫縱比較小,一般小于0.5,當?shù)貙訕?gòu)造較為復(fù)雜時,窄方位角觀測系統(tǒng)接收不到地震反射信息,成像效果無法滿足勘探要求。MAZ觀測系統(tǒng)通過多個窄方位觀測系統(tǒng)的疊加來提高覆蓋次數(shù),擴大方位角分布,獲得多個方位的反射信息,有利于巖石屬性和各向異性研究,能有效改善地震成像質(zhì)量。WAZ觀測系統(tǒng)通過擴大觀測系統(tǒng)的橫縱比來擴大方位分布及覆蓋次數(shù),橫縱比大于0.5;該方法的優(yōu)點是在有鹽丘、侵入體或高陡斷層等復(fù)雜構(gòu)造存在時,可以提供豐富的方位角信息,有利于消除側(cè)面反射對偏移成像的影響,但該方法受采集成本和設(shè)備的制約。RAZ觀測系統(tǒng)通過多個寬方位觀測系統(tǒng)的疊加來提高覆蓋次數(shù)、擴大橫縱比及方位角分布,獲得多個方位的反射信息;該方法的突出優(yōu)點是使得每個面元內(nèi)的各項屬性分布均勻,有利于壓制各種噪聲;但是該方法施工難度大,采集成本高,采集效率也較低,采集過程中由于船只掉頭等非生產(chǎn)時間較多,所以目前的應(yīng)用不是很廣泛。FAZ觀測系統(tǒng)是一種連續(xù)環(huán)狀采集系統(tǒng),幾乎可以在所有偏移距上都能獲得全方位的反射信息,能夠更全面地反映地下構(gòu)造,幾乎沒有非生產(chǎn)時間,具有極高的生產(chǎn)效率;但是環(huán)形觀測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)后期偏移處理的方法較少,處理難度較大。

多方位角勘探是以一個或多個(通常是3～6個)方位角對同一勘探目標區(qū)域重復(fù)進行常規(guī)NAZ勘探的方式。海上MAZ拖纜采集通過在不同方位角進行常規(guī)的重復(fù)激發(fā)采集以獲得WAZ照明,從而實現(xiàn)MAZ地震勘探。該方法所獲得的MAZ地震數(shù)據(jù)不但增加了覆蓋次數(shù),同時還擴大了勘探方位角的覆蓋范圍。MAZ拖纜勘探的成功,使該方法衍生出很多新的多方位角勘探采集設(shè)計方法[1-4]。2004年,BP公司在尼羅河三角洲首次進行了6個方位的MAZ寬方位數(shù)據(jù)采集,顯示出MAZ比1個方位角的NAZ有巨大的優(yōu)越性[5-7]。MAZ觀測系統(tǒng)的優(yōu)越性是:在成像困難或者照明較弱的局部區(qū)域,采用此方法可進行照明補償,提高成像質(zhì)量[8]。

目前,常用的觀測系統(tǒng)照明方法主要有射線法和波動方程法。射線法計算效率高,但存在著射線陰影區(qū)、焦散區(qū)等問題。波動方程法包括單程波法和雙程波法[9]。與射線法相比,波動方程法計算精度高,但計算效率低,不利于實際應(yīng)用。有人提出了射線束法,它將波場分解到具有一定寬度的射線束上來實現(xiàn)波場的模擬和延拓,不僅具有運動學(xué)特征,還具有動力學(xué)特征[10]。VINJE等[11]提出了波前構(gòu)建法,隨后CHILCOAT等[12]、SUN等[13]將波前構(gòu)建法應(yīng)用到三維地質(zhì)模型中,VINJE等[14]在已有的研究基礎(chǔ)上實現(xiàn)了在開放模型上的波前構(gòu)建。何洋[15]基于波前構(gòu)建法進行了射線走時和振幅的計算。韓復(fù)興等[16-20]在波前構(gòu)建法方面進行了大量的研究。波前構(gòu)建法可以計算地震多值問題,同時獲得走時、傳播路徑和多種振幅信息,還可以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,且對觀測系統(tǒng)沒有嚴格要求,穩(wěn)定性好。該方法的最大優(yōu)點是計算速度非常快,可以適用大型勘探工區(qū)。本文開展了不同的多方位觀測系統(tǒng)下的照明分析研究,采用波前構(gòu)建法獲得地震波的走時、射線路徑及振幅信息,結(jié)合Kirchhoff疊前深度偏移技術(shù)求得來自各個反射層的模擬偏移振幅,最后通過模擬偏移振幅的強度作為照明量,來衡量反射層對不同觀測系統(tǒng)的照明特征,為評價和優(yōu)化多方位觀測系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

1模擬偏移振幅照明方法原理

地震照明技術(shù)是一種十分有效的觀測系統(tǒng)設(shè)計工具。目前通常使用的地震照明振幅圖是基于簡單的射線理論面元能量疊加,沒有考慮地震脈沖和菲涅耳帶的影響。模擬偏移振幅(SMA)照明是基于Kirchhoff偏移的一種改進的照明方法,照明結(jié)果接近于疊前深度偏移振幅。

Kirchhoff偏移的數(shù)學(xué)表達式[21]為:

(1)

式中:x為深度點;U為地震道;F為正確恢復(fù)震源脈沖的濾波器;ξ為地震道位置;τ(x,ξ)為經(jīng)過深度點x的地震波反射雙程時;W(x,ξ)為偏移權(quán)值;β(x)為深度點x的偏移振幅。

在疊前深度偏移(PSDM)中,實際的地震數(shù)據(jù)通過兩個單程旅行時方程(從震源或檢波點到成像點)逐道進行疊加到深度域,在SMA中,通過疊加合成脈沖來模擬PSDM過程。為了用射線追蹤來模擬β(x),需要估計一個雙程旅行時t(x)。與兩個單程旅行時方程不同,這里使用一個鏡像射線來得到近似的旅行時場,即旁軸射線理論:

(2)

使用合成輸入道p來代替(1)式中的U:

p(t)=Re[A0s(t-t0)]-Im[A0h(t-t0)]

(3a)

t∈[t0,t0+T]

p(t)=0t?[t0,t0+T]

(3b)

式中:s(t)為持續(xù)時間為T的震源脈沖;h(t)為震源脈沖的希爾伯特變換;A0為通過射線追蹤估計的振幅系數(shù)。

單個脈沖點x處的模擬振幅值為:

(4)

式中:tpeak為震源脈沖的波峰所對應(yīng)的時間;d為脈沖,如圖1所示。

在點x處的所有脈沖的疊加為最終的模擬偏移振幅值:

(5)

圖1　時間估計和震源脈沖示意圖解

2多方位角采集觀測系統(tǒng)設(shè)計與評價

MAZ拖纜采集方法由NAZ拖纜采集方法發(fā)展而來,因此可采用與NAZ拖纜相似的采集參數(shù)。MAZ拖纜采集觀測系統(tǒng)設(shè)計中,方位個數(shù)是至關(guān)重要的參數(shù)。隨著采集方位個數(shù)的增加,三維海上勘探成本和數(shù)據(jù)處理工作量也隨之增加。方位個數(shù)的選擇與勘探目標的復(fù)雜程度相關(guān)。借助照明手段可以確定哪些方向的照明效果好,并將這些方向確定為優(yōu)勢方位,為多方位角觀測系統(tǒng)的設(shè)計提供幫助。國內(nèi)外學(xué)者對借助照明手段進行觀測系統(tǒng)設(shè)計做了大量的研究[25-28]。下面對沿不同方向采集的觀測系統(tǒng)進行對比評價。

多方位角采集對已知地下大致形態(tài)的老工區(qū)非常有效,可通過建立老工區(qū)地球物理模型進行正演模擬及分析。如果設(shè)計觀測系統(tǒng)是6個方位采集,那么就可以得到6個單方位、15個二方位、20個三方位(3MAZ)、15個四方位、6個五方位以及1個六方位,共63種方位的組合方式。而確定哪些組合的勘探效果好的工作量非常大,非常繁瑣。本文首先在目標工區(qū)分別針對0,30°,60°,90°,120°,150°共6個方向進行窄方位采集設(shè)計并作對比分析,選定0,90°,150° 3個角度為對目標區(qū)照明度較高的優(yōu)選方位角度;再將這3個優(yōu)勢角度與其它角度進行組合,通過屬性分析和照明分析評價所設(shè)計的組合多方位采集效果,確定最優(yōu)方向組合,這樣可以大幅度縮減工作量。經(jīng)過前期的照明分析,最終確定了0,45°,90°,135° 4個方向進行面向目標的照明分析,采集參數(shù)如表1。然后以這4個角度為優(yōu)勢角度,并借助幾何屬性分析、照明分析對設(shè)計的組合多方位觀測系統(tǒng)進行評價,確定最優(yōu)的方向組合。

為了說明不同多方位觀測系統(tǒng)的特征,首先對比分析了表1中6種不同的觀測系統(tǒng)的方位角-偏移距玫瑰圖、方位角偏移距的疊合顯示圖。方位角-偏移距玫瑰圖如圖2所示,紅色表示高覆蓋次數(shù),藍色表示低覆蓋次數(shù)。玫瑰圖中圓邊到圓心的距離表示偏移距,正北方向方位角為0,沿著順時針方向,方位角逐漸增大。從圖2中可以看出,隨著選擇方位的增加,多方位角拖纜觀測系統(tǒng)的方位角覆蓋范圍越來越寬,而單個方向的(窄方位)觀測系統(tǒng)的方位角分布范圍在20°左右,方位角非常窄。

表2給出了不同方位角觀測系統(tǒng)采集參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。從表2可以看出,隨著采集方位角的增加,整個觀測系統(tǒng)增加最明顯的就是總道數(shù)和總炮數(shù),道數(shù)和炮數(shù)的增加會增加處理工作量,同時采集成本大量增加,從而限制了多方位角采集的實施,這就要求我們盡可能用較少拖纜方位來解決問題,所以設(shè)計工作對多方位角拖纜采集顯得至關(guān)重要。本文對多方位角勘探的設(shè)計思路就是用多種手段來優(yōu)選角度,然后再組合成最優(yōu)的觀測系統(tǒng)。

表1　窄方位及多方位角觀測系統(tǒng)的采集參數(shù)

表2　不同方位角觀測系統(tǒng)采集參數(shù)

圖2　不同觀測系統(tǒng)下的方位角-偏移距玫瑰圖a 單個方向; b 2個方向; c 4個方向

圖3為3種方案的多方位及窄方位觀測系統(tǒng)的偏移距和方位角星狀圖的疊合顯示。從圖3可以看到,隨著拖纜方位角的增加,觀測系統(tǒng)的偏移距采樣間距變小,分布越來越均勻,其中圖3c的偏移距采樣分布較均勻。通過以上的幾何屬性分析,我們初步優(yōu)選出表1中的觀測系統(tǒng)5與觀測系統(tǒng)6為優(yōu)選觀測系統(tǒng),具體的方案優(yōu)選由照明分析結(jié)果來判斷。

圖3　3種不同方位角觀測系統(tǒng)的偏移距和方位角的疊合顯示a 單個方向; b 2個方向; c 4個方向

3模型測試及實際應(yīng)用

3.1SEG三維鹽丘模型照明分析

為了驗證多方位觀測系統(tǒng)的優(yōu)勢,選擇SEG三維鹽丘模型(圖4)進行測試,模型大小約為13km×13km×4km。對該模型進行不同多方位角觀測系統(tǒng)照明分析(觀測系統(tǒng)參數(shù)見表1),本文只對模型的鹽丘底界面進行照明分析,為了對比不同觀測系統(tǒng)照明結(jié)果的差異性,下面從照明能量的強弱以及照明能量分布的均勻性等角度進行分析比較。

圖4　三維鹽丘地質(zhì)模型

首先對比分析表1中所示的6個觀測系統(tǒng)的射線照明結(jié)果,如圖5至圖10所示。可以看出:

圖5　0(a)和45°(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明打擊次數(shù)分布結(jié)果

圖6　90°(a)和135°(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明打擊次數(shù)分布結(jié)果

圖7　0,90°組合(a)和0,45°,90°,135°組合(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明打擊次數(shù)分布結(jié)果

圖8　0(a)和45°(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明模擬偏移振幅

圖9　90°(a)和135°(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明模擬偏移振幅

圖10　0,90°組合(a)和0,45°,90°,135°組合(b)觀測系統(tǒng)的鹽層射線照明模擬偏移振幅

①目標層不同觀測系統(tǒng)的照明能量分布規(guī)律為,反射能量集中于一些構(gòu)造凸起點,且呈條帶狀分布,這與構(gòu)造走勢情況相一致;小斷裂帶發(fā)育的鹽丘底部照明能量較其它地區(qū)均勻性差;②隨著拖纜方位的增加,照明量逐漸增大,照明能量也越來越均勻,照明盲區(qū)得到改善;③由圖7b和圖10b可以看出,4個方位的多方位角觀測系統(tǒng)的照明能量均勻性較好,有利于對目標區(qū)域的成像。

3.2實際工區(qū)模型照明分析

為了驗證多方位觀測系統(tǒng)的優(yōu)勢,選擇的模型位于海上某工區(qū),海底崎嶇復(fù)雜,坡折帶陡峭,斷層發(fā)育良好。根據(jù)該地區(qū)三維疊前深度偏移層位數(shù)據(jù)和測井資料得到的速度數(shù)據(jù),建立了如圖11所示的三維層速度模型,對該三維模型不同多方位角觀測系統(tǒng)進行照明分析(觀測系統(tǒng)參數(shù)見表1),本文只對模型的bn_07層進行不同方位角的模擬偏移振幅的照明分析。

對比分析這6個觀測系統(tǒng)的照明結(jié)果(圖12,圖13,圖14),得到如下結(jié)論:①不同觀測系統(tǒng)在bn_07(圖11b中的粉色層)目標層的照明能量分布規(guī)律為在凹陷(向斜)處照明能量較其它地區(qū)弱,且均勻性較差,為照明的陰影區(qū);②隨著拖纜方位的增加,照明量逐漸增大,照明能量也越來越均勻,照明盲區(qū)得到改善;③由圖14b可以看出,4個角度的多方位觀測系統(tǒng)的照明能量均勻性較好,有利于對目標區(qū)域的成像。

圖11　實際三維模型a 工區(qū)三維層速度模型; b 工區(qū)模型切片顯示(粉色層為目標層)

圖12　0(a)和45°(b)觀測系統(tǒng)的實際靶區(qū)目的層射線照明模擬偏移振幅

圖13　90°(a)和135°(b)觀測系統(tǒng)的實際靶區(qū)目的層射線照明模擬偏移振幅

圖14　0,90°組合(a)和0,45°,90°,135°組合(b)觀測系統(tǒng)的實際靶區(qū)目的層射線照明模擬偏移振幅

4結(jié)束語

通過計算目標層位的模擬偏移振幅能量來評價目標層在不同觀測系統(tǒng)下的照明情況,能有效評價所設(shè)計的觀測系統(tǒng),進而達到優(yōu)選觀測系統(tǒng)的目的。該方法的突出優(yōu)點是既考慮了地震波的運動學(xué)特征,也考慮了地震波傳播的動力學(xué)特征,與傳統(tǒng)的偏移成像方法相比,計算量大幅度減少,快速高效地實現(xiàn)了海量觀測系統(tǒng)的設(shè)計方案優(yōu)選,非常適合海洋大工區(qū)的采集方案設(shè)計。

本文對SEG鹽丘模型和實際模型進行了觀測系統(tǒng)評價,得到的結(jié)論一致,驗證了該方法的穩(wěn)定性與有效性。利用屬性分析、射線照明分析、模擬偏移振幅等技術(shù),針對海上復(fù)雜區(qū)開展了多方位觀測系綜合采集成本、施工難度、數(shù)據(jù)處理等方面因素,兼顧成像精度要求,對比實際模型的照明分析結(jié)果后認為,采用2個方位或4個方位的MAZ采集方案對目標層的照明較均勻,有利于提高實際靶區(qū)偏移成像精度。

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(編輯：顧石慶)

Illumination analysis for offshore multi-azimuth seismic survey

LV Xiaochun1,LI Peng2,SUN Changxin1,CHENG Jingwang3,ZHAO Yang1,JIA Jingchao1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China; 2.ChangjiangGeophysicalExploration&TestingCO.,LTD,Wuhan430010,China; 3.CollegeofGeophysicsandOilResource,YangtzeUniversity,Wuhan430010,China)

Abstract:Multi-azimuth seismic survey is a new acquisition geometry,which can gain multi-azimuth seismic information,eventually strengthens seismic illumination and improves exploration precision.On the basis of 3D ray modeling by wavefront construction,simulated migration amplitude (SMA) intensity is calculated,which is regarded as the measure of illumination to study the responses of multi-azimuth survey,and provides guide for evaluating and optimizing multi-azimuth survey.The application results of the numerical model and actual geological model demonstrates that the illumination of the target strata collected by multi-azimuth survey had much better continuity and uniformity,improved the illumination intensity at the shadow area gathered by parallel geometries.So multi-azimuth survey is an ideal offshore seismic survey,and can be widely used in complex geological environments in the offshore exploration.

Keywords:multi-azimuth geometry,wavefront construction,simulated migration amplitude,illumination analysis

收稿日期：2015-06-26;改回日期：2015-11-25。

作者簡介：呂曉春(1985—),男,講師,博士,主要從事地震數(shù)據(jù)處理、地震波成像反演方法以及海上地震觀測系統(tǒng)設(shè)計研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41504102,51408222,51409102,51209093)、華北水利水電大學(xué)高層次人才啟動項目(40438)和華北水利水電大學(xué)“青年科技創(chuàng)新人才支持計劃”(70460)共同資助。

中圖分類號：P631

文獻標識碼：A

文章編號：1000-1441(2016)03-0341-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.03.004

This research is financially supported by the National Science Foundation of China (Grant Nos.41504102,408222,409102,209093),the North China University of Water Resources and Electric Power Startup Funds for the High-tech Personnel (Grant No.40438) and the North China University of Water Resources and Electric Power “Youth Science and Technology Innovation Talent Support Program” (Grant No.70460).