炮道密度與觀測(cè)系統(tǒng)的變化及對(duì)地震成像影響的探討

殷厚成,朱相羽,倪良健

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國石化江蘇油田分公司勘探管理部,江蘇揚(yáng)州225000;3.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆烏魯木齊830011)

隨著油氣勘探的深入和三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展成熟,高密度-超高密度三維地震勘探技術(shù)已成為解決當(dāng)前油氣勘探中復(fù)雜問題的重要技術(shù)對(duì)策之一[1],在隱蔽油氣藏、復(fù)雜構(gòu)造油氣藏、超深層縫洞或碳酸鹽巖油氣藏以及致密砂巖油氣藏、非常規(guī)油氣藏等油氣勘探中,發(fā)揮了重要的作用[2-5],尤其在解決雙復(fù)雜條件下的地震成像問題方面效果非常顯著[6]。

地震采集成本的大幅度增加在一定程度上制約了新技術(shù)的大規(guī)模推廣及應(yīng)用,平衡采集參數(shù)與采集成本一直是地震采集設(shè)計(jì)關(guān)注的問題。VERMEER[7]提出了“對(duì)稱、均勻、充分空間采樣”的設(shè)計(jì)理念和方法,NORM[8-9]從疊前偏移的角度考慮,提出了道密度(trace density)的概念,國內(nèi)業(yè)界將這一概念理解為“覆蓋密度”或炮道密度,并廣泛應(yīng)用于三維地震采集設(shè)計(jì)中,屠世杰[10]通過對(duì)YA高精度三維觀測(cè)系統(tǒng)及其5種退化方案疊前偏移效果、信噪比和采集成本的對(duì)比分析,認(rèn)為疊前偏移效果與炮密度、道密度關(guān)系曲線存在門檻值,面元和覆蓋次數(shù)的選取只需滿足炮密度和道密度的要求即可。崔慶輝等[11]將120×104道/km2的炮道密度作為高密度三維地震采集的重要參考指標(biāo),用于指導(dǎo)油田高密度三維地震采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。彭曉等[12]認(rèn)為,減小炮線距和檢波線距可提高覆蓋密度,達(dá)到提高疊前偏移成像精度的目的。炮道密度(覆蓋密度)成為業(yè)界平衡地震采集觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)、地震采集成本與成像效果的重要指標(biāo)。

但仍有許多問題值得進(jìn)一步探討,如三維炮道密度的地球物理意義;炮道密度與傳統(tǒng)三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的面元、覆蓋次數(shù)、接收道數(shù)等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系等。從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)和了解相關(guān)問題,將有助于業(yè)界對(duì)炮道密度這一概念的準(zhǔn)確理解和應(yīng)用。

本文在NORM[8]定義的基礎(chǔ)上,完整地推導(dǎo)了三維炮道密度與面元大小、覆蓋次數(shù)、接收道數(shù)等參數(shù)的基本關(guān)系,探討了一定炮道密度條件下,觀測(cè)方式的變化及觀測(cè)方式偏移距、方位角等屬性參數(shù)的變化;基于YA三維和SHB三維實(shí)際資料,采用擴(kuò)大面元及剔除炮點(diǎn)或接收點(diǎn)線的方式,通過不同觀測(cè)方式地震剖面的對(duì)比,分析和總結(jié)了影響地震剖面品質(zhì)觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵屬性參數(shù)。

1 炮道密度的物理意義

NORM[8]將道密度、炮密度和炮道密度定義為:

(1)

(2)

(3)

DT=SS×DS×DR

(4)

式中:RI為接收道間距;RLI為接收線間距;SI為激發(fā)炮點(diǎn)間距;SLI為炮線間距;DR為道密度,單位面積內(nèi)的接收道數(shù)(即每平方米的接收道數(shù));DS為炮密度,單位面積內(nèi)的激發(fā)炮數(shù);SS為排列片有效面積;DT為炮道密度,有效單位面積內(nèi)炮點(diǎn)-檢波點(diǎn)對(duì)(即炮檢對(duì))的個(gè)數(shù),因?yàn)橐粚?duì)有效的炮檢對(duì)等同于面元一次有效的覆蓋次數(shù),所以炮道密度也稱為覆蓋密度。

為方便討論,將接收線間距和接收道間距等距離分割的含有檢波點(diǎn)的最小單位面積定義為檢波點(diǎn)子域MR(圖1);將炮線間距和炮點(diǎn)間距等距離分割的含有炮點(diǎn)的最小單位面積定義為炮點(diǎn)子域MS。有:

圖1 檢波點(diǎn)子域、炮點(diǎn)子域與子區(qū)示意

MR=RI×RLI

(5)

MS=SI×SLI

(6)

有效面積SS是指以最大有效偏移距為半徑的圓的面積。片狀三維排列,最大的有效面積等于排列片內(nèi)檢波點(diǎn)子域面積之和,或排列片內(nèi)炮點(diǎn)子域面積之和。則有:

SS=NR×RI×NRL×RLI

(7)

SS=NS×SI×NSL×SLI

(8)

SS=NTR×MR

(9)

SS=NTS×MS

(10)

NTR=NR×NRL

(11)

NTS=NS×NSL

(12)

式中:NRL為排列片的接收線數(shù);NR為一條接收線的接收道數(shù);NTR為排列片總的接收道數(shù);NSL為排列片覆蓋的炮排數(shù);NS為炮排的炮點(diǎn)數(shù);NTS為排列片覆蓋的總炮點(diǎn)數(shù)。

將公式(6)、公式(7)和公式(11)代入公式(3),得到炮道密度與排列片總的接收道數(shù)及炮點(diǎn)子域的關(guān)系式:

(13)

將公式(5)、公式(8)和公式(12)代入公式(3),得到炮道密度與排列片覆蓋的炮點(diǎn)總數(shù)及接收道子域的關(guān)系式:

(14)

三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,面元MB的大小為:

(15)

縱向覆蓋次數(shù)fL和橫向覆蓋次數(shù)fX定義為:

(16)

(17)

面元總的覆蓋次數(shù)F為縱、橫向覆蓋次數(shù)的乘積,即:

(18)

將公式(7)、公式(15)與公式(18)代入公式(3)整理得到:

(19)

公式(19)為國內(nèi)業(yè)界常用的炮道密度公式,一般被理解為炮道密度等于面元的總覆蓋次數(shù)與面元的面積之比。

由公式(3)還可以推導(dǎo)出:

(20)

(21)

式中:MSR為單一子區(qū)面積;NSR為子區(qū)內(nèi)相鄰炮線間一條接收線的道數(shù);NLS為子區(qū)內(nèi)相鄰接收線間的炮點(diǎn)數(shù)。

由公式(4)、(13)、(14)、(19)和公式(21),對(duì)炮道密度的物理意義重新梳理,得出以下認(rèn)識(shí):

1) 炮道密度是單位面積內(nèi)有效炮檢對(duì)的總個(gè)數(shù)或單位面積覆蓋范圍內(nèi)所有面元的總覆蓋次數(shù),等于面元有效覆蓋次數(shù)與面元大小的比值。

2) 以炮點(diǎn)子域?yàn)閱挝幻娣e的炮道密度等于排列片總接收道數(shù),與三維觀測(cè)系統(tǒng)屬性的接收線總道數(shù)相同。

3) 以接收道子域?yàn)閱挝幻娣e的炮道密度等于排列片覆蓋范圍內(nèi)的總炮數(shù),與三維觀測(cè)系統(tǒng)屬性的排列片覆蓋范圍內(nèi)總炮數(shù)相同。

4) 以面元為單位面積的炮道密度,即面元的有效覆蓋次數(shù),與三維觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋次數(shù)等同。對(duì)于擬定的三維觀測(cè)面元,炮道密度增加或減小即代表覆蓋次數(shù)增加或降低。

5) 以子區(qū)為單位面積的炮道密度,等于排列片總接收道數(shù)與子區(qū)炮點(diǎn)數(shù)的乘積,或?yàn)榕帕衅采w范圍內(nèi)總炮點(diǎn)數(shù)與子區(qū)接收道數(shù)的乘積,前者是子區(qū)共接收點(diǎn)子域(道集)的炮點(diǎn)數(shù),后者為子區(qū)共炮點(diǎn)子域(道集)的接收道數(shù)。

炮道密度概括了常規(guī)三維觀測(cè)系統(tǒng)中的排列片總接收道數(shù)、排列片總炮數(shù)及面元覆蓋次數(shù)、子區(qū)的接收道數(shù)和炮點(diǎn)數(shù)等參數(shù),將其作為三維地震采集評(píng)價(jià)的綜合參考指標(biāo),具有實(shí)際意義。由于炮道密度與面元、炮點(diǎn)子域和接收道子域的大小相關(guān),炮道密度區(qū)別于面元覆蓋次數(shù)、排列片接收道數(shù)和排列片覆蓋的炮數(shù)等概念,尤其是在相同炮道密度條件下,面元、炮點(diǎn)子域或檢波點(diǎn)子域大小的變化,將改變?nèi)S觀測(cè)系統(tǒng)的屬性如覆蓋次數(shù)、方位角和偏移距的分布等,在不同程度上影響地震成像效果,對(duì)常規(guī)三維觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的具體描述是炮道密度應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2 一定炮道密度條件下三維觀測(cè)系統(tǒng)的變化

由公式(13)、公式(14)和公式(19)可知,相對(duì)于一定的炮道密度,三維觀測(cè)系統(tǒng)的變化可以概括為3種方式,即炮點(diǎn)子域的變化、檢波點(diǎn)子域的變化和面元大小的變化。旨在討論上述3種方式的三維觀測(cè)系統(tǒng)屬性變化,結(jié)合野外實(shí)際,提出觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化的策略。

為討論方便,假設(shè)三維觀測(cè)系統(tǒng)模板為20L10S180F720T+正交,基本參數(shù)如下:接收道距為20m,接收道數(shù)為720道,接收線距為200m,接收線數(shù)為20線,總接收道數(shù)為14400道;炮點(diǎn)距為20m,炮線距為400m,子區(qū)內(nèi)相鄰炮線間的接收線道數(shù)為20道,相鄰接收線間的炮點(diǎn)數(shù)為10炮,面元大小為10m×10m,覆蓋次數(shù)為180次,炮道密度為180×104道/km2。

2.1 炮點(diǎn)子域變化的三維觀測(cè)方式

在實(shí)際生產(chǎn)中,炮點(diǎn)子域變化的三維觀測(cè)方式最常見的兩種形式分別為:①保持子域面積不變,僅改變子區(qū)內(nèi)炮點(diǎn)與炮線的相對(duì)幾何關(guān)系;②炮點(diǎn)間距不變,增大或縮小炮線間距。

子域面積不變,僅改變炮點(diǎn)與炮線的相對(duì)關(guān)系,業(yè)界習(xí)慣的做法是將一個(gè)炮排拆分為多個(gè)交錯(cuò)的炮排,稱之為炮排交錯(cuò)。如炮點(diǎn)子域?yàn)?00m×20m(炮線距×炮點(diǎn)距),采用炮排交錯(cuò)可變化為200m×40m,100m×80m,80m×100m和40m×200m 4種方式(圖2),其中,40m×200m觀測(cè)方式被定義為斜交觀測(cè)。相對(duì)于正交觀測(cè),炮排交錯(cuò)屬斜交觀測(cè)的一種形式。

圖2 三維正交、交錯(cuò)和斜交觀測(cè)系統(tǒng)示意

子區(qū)炮點(diǎn)規(guī)則性的變化與重復(fù),改變了觀測(cè)系統(tǒng)及面元的方位角分布和偏移距分布屬性。以400m×20m,200m×40m,80m×100m和40m×200m為例,正交觀測(cè)、炮排交錯(cuò)觀測(cè)和斜交觀測(cè)方式的變化具有如下特點(diǎn):

1) 排列片總接收道數(shù)不變,總炮點(diǎn)數(shù)不變,相對(duì)于滿覆蓋范圍,施工面積不變。

2) 炮點(diǎn)在子區(qū)內(nèi)沿縱向移動(dòng),沒有改變炮點(diǎn)與接收線的相對(duì)關(guān)系,觀測(cè)系統(tǒng)的總體方位角和偏移距分布的屬性不變,子區(qū)偏移距分布統(tǒng)計(jì)屬性沒有差異(圖3)。

圖3 基于標(biāo)準(zhǔn)面元的三維觀測(cè)系統(tǒng)子區(qū)偏移距分布均勻性統(tǒng)計(jì)分析(標(biāo)準(zhǔn)面元:子區(qū)中心面元;0～20%:相似性系數(shù))

3) 面元的方位角和偏移距的分布存在一定差異,相對(duì)于正交觀測(cè),斜交觀測(cè)面元的方位角和近偏移距分布屬性相對(duì)均勻,炮排交錯(cuò)介于兩者之間。模板4種觀測(cè)方式偏移距0～500m的覆蓋次數(shù),斜交觀測(cè)9～10次,正交觀測(cè)和交錯(cuò)觀測(cè)8～11次。面元全偏移距的分布交錯(cuò)觀測(cè)較正交觀測(cè)和斜交觀測(cè)更均勻(圖4)。

圖4 子區(qū)中心面元的全偏移距分布

4) 觀測(cè)系統(tǒng)的對(duì)稱性由正交觀測(cè)以炮線和接收線為對(duì)稱軸的鏡像對(duì)稱,轉(zhuǎn)變?yōu)樾苯挥^測(cè)以炮線與接收線交點(diǎn)為原點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)稱,炮排交錯(cuò)弱化了以上兩種對(duì)稱的特性,有利于消減采集痕跡。

5) 交錯(cuò)觀測(cè)相對(duì)于正交觀測(cè)和斜交觀測(cè)方式,炮點(diǎn)的均勻分布,更利于共檢波點(diǎn)域、共偏移距域、OVT域及共疊加道集等多域的噪聲估計(jì)與消除。

炮線間距增大或減小,其炮點(diǎn)子域的面積也隨其增加或減小,排列線的接收道數(shù)與排列片總接收道數(shù)亦隨其增加或減少。如炮線間距由400m增大到600m,排列線的接收道數(shù)由720道增加到1080道,排列片總的接收道數(shù)由14400道增加到21600道;反之,如炮線間距由400m減小到300m,排列線的接收道數(shù)由720道減少到540道,排列片總的接收道數(shù)由14400道減少到10800道。

炮道密度不變,炮點(diǎn)距不變,隨炮線距的增加觀測(cè)系統(tǒng)的變化具有以下4個(gè)特點(diǎn):

1) 總炮點(diǎn)數(shù)不變,但排列片總的接收道數(shù)增加,相對(duì)滿覆蓋范圍,炮點(diǎn)分布面積增加,一次覆蓋面積增大;

2) 觀測(cè)系統(tǒng)的方位角和偏移距分布屬性變化顯著,中-小偏移距覆蓋次數(shù)減少,大偏移距覆蓋次數(shù)增加,方位角覆蓋次數(shù)縱向上增強(qiáng),橫向上減少;

3) 觀測(cè)系統(tǒng)的對(duì)稱性相同,均勻性變差,采集痕跡增強(qiáng);

4) 面元的深層覆蓋次數(shù)相同,淺層覆蓋次數(shù)明顯減少。理論上,炮線間距增大不利于改善地震成像,尤其是中淺層目的層。

正交觀測(cè)是目前高密度三維地震采集首選的觀測(cè)方式。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,采用可能小的炮線間距,以增加小偏移距的覆蓋次數(shù),改善中小偏移距分布的均勻性,有利于提高地震剖面品質(zhì)。當(dāng)炮線間距明顯大于接收線間距時(shí)(1.5～2.0倍),可采用炮排交錯(cuò)方式,優(yōu)化中小偏移距分布的均勻性。

2.2 檢波點(diǎn)子域變化的三維觀測(cè)方式

與炮點(diǎn)子域的變化形式一樣,一是子域面積不變,采用增大接收道距、交錯(cuò)接收道和增加接收線數(shù)方式,類似于炮排交錯(cuò),多應(yīng)用于寬線采集或三維束采集試驗(yàn);二是接收道距不變,增大或減小接收線距,這種變化是三維地震采集設(shè)計(jì)常采用的模式。

炮點(diǎn)距不變,排列片接收線距增大,排列片的寬度增加(最大非縱距小于縱向最大偏移距),觀測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)為由窄方位向?qū)挿轿蛔兓奶卣?①子區(qū)或排列片覆蓋范圍內(nèi)的炮點(diǎn)數(shù)增加。如接收道子域?yàn)?00m×20m(接收線距×接收道距),子區(qū)炮點(diǎn)數(shù)為10炮,當(dāng)子區(qū)增大為240m×20m,子區(qū)的炮點(diǎn)數(shù)為12炮。排列片覆蓋范圍內(nèi)的炮點(diǎn)數(shù)由7200炮增加到8640炮,但滿覆蓋范圍內(nèi)總炮點(diǎn)數(shù)不變;②觀測(cè)系統(tǒng)的偏移距和方位角屬性變化顯著。小偏移距的覆蓋次數(shù)減少,大偏移距的覆蓋次數(shù)增加;而方位角的分布更趨均勻;③觀測(cè)系統(tǒng)的對(duì)稱性不變;④子區(qū)中心面元的淺層覆蓋次數(shù)明顯減少,面元間的相似性變差。

接收線距對(duì)成像的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:①接收線距的大小影響淺表層反演建模的精度,山前帶正演模擬研究表明[13],接收線距越小,反演的淺表層模型精度越高,接收線距小于200m。②小的炮線距和接收線距,提高了淺表層的有效覆蓋次數(shù),有助于改善疊前偏移的成像精度[12]。小面元、寬頻、寬方位、高覆蓋次數(shù)是高密度三維地震采集的共識(shí),小接收道距、小接收線距和小炮線距是關(guān)鍵措施。中國石化東部盆地二次三維地震采集,觀測(cè)系統(tǒng)的接收線距一般為50～240m[14]。

2.3 面元大小變化的三維觀測(cè)方式

炮道密度不變,面元大小變化的實(shí)質(zhì)是面元覆蓋次數(shù)的變化。面元增大,面元覆蓋次數(shù)增加,反之,覆蓋次數(shù)降低。如炮道密度為180×104道,面元大小為10m×10m,理論覆蓋次數(shù)為180次;當(dāng)面元大小為5m×5m,則覆蓋次數(shù)為45次;面元大小為5m×10m,覆蓋次數(shù)為90次;面元大小為20m×20m,覆蓋次數(shù)540次。

面元大小由炮點(diǎn)距和接收道距確定,小的面元需要小的接收道距和炮點(diǎn)距。小接收道距和炮點(diǎn)距的優(yōu)勢(shì)在于:①有利于近地表小尺度速度異常體的估計(jì)。理論模擬研究和鎮(zhèn)巴山前帶生產(chǎn)實(shí)踐證明[13],接收道距越小,對(duì)淺表層速度變化的刻畫越精細(xì),當(dāng)?shù)谰?10m時(shí),反演的速度沒有變化,且層析反演與微測(cè)井的走時(shí)誤差及累計(jì)誤差最小值隨接收道距的減小而減小。王華忠[15]認(rèn)為利用初至到達(dá)時(shí)及振幅進(jìn)行近地表速度及Q值估計(jì)是重要的處理環(huán)節(jié),在復(fù)雜地表探區(qū),充分利用高密度采集的地震數(shù)據(jù)開展精確的近地表速度建模非常有助于提高成像精度。②能對(duì)有效波場(chǎng)和噪聲進(jìn)行無假頻采樣,有助于提高信噪比處理。地震采集的干擾主要為地表散射波,在稀疏采樣時(shí)表現(xiàn)為非相干噪聲,小道距有利于無假頻地采集到此類干擾波,提高了信號(hào)和隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)可預(yù)測(cè)性,能更好地壓制隨機(jī)噪聲,提高資料信噪比。

面元減小,面元的覆蓋次數(shù)降低,將導(dǎo)致地震剖面的信噪比降低,而接收道距的減小,有利于噪聲的估計(jì)和壓制,一定程度上能彌補(bǔ)覆蓋次數(shù)降低后剖面信噪比的損失。殷厚成等[16]研究認(rèn)為,地震剖面信噪比一方面取決于單炮信噪比和有效覆蓋次數(shù),另一方面取決于地震資料后續(xù)處理去噪的能力。圖5解釋了地震成像剖面信噪比與單炮信噪比的關(guān)系,假設(shè)兩個(gè)區(qū)塊單炮的平均信噪比分別為0.80和0.25,地震剖面信噪比要求≥20dB,兩個(gè)區(qū)塊的理論覆蓋次數(shù)分別為156次和1600次,后一區(qū)塊是前一區(qū)塊的10倍,需要更高的設(shè)備與經(jīng)濟(jì)投入。圖6假設(shè)地震剖面信噪比保持不變,即≥20dB,兩個(gè)區(qū)塊的理論覆蓋次數(shù)均為100次,K為資料去噪處理后單炮平均信噪比提高倍數(shù),理論計(jì)算結(jié)果為:后一區(qū)塊(K≥4)大于前一區(qū)塊(K≥1.25),與生產(chǎn)實(shí)際和理論研究基本符合,即在準(zhǔn)確的信號(hào)和噪聲估計(jì)條件下,波場(chǎng)分離后,低信噪比區(qū)信噪比提升的幅度大于高信噪比區(qū),而小接收距或高密度采樣是滿足信號(hào)和噪聲估計(jì)的基本條件。針對(duì)地震采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),高信噪比區(qū)域可通過增加覆蓋次數(shù)提高剖面信噪比;而低信噪比區(qū)域,除增加覆蓋次數(shù)外,應(yīng)關(guān)注對(duì)主要噪聲的無假頻采樣。

圖5 不同單炮信噪比情況下的剖面信噪比與覆蓋次數(shù)的關(guān)系

圖6 一定剖面信噪比條件下,單炮信噪比、覆蓋次數(shù)與K的關(guān)系

綜上所述,一定的炮、道密度條件下,三維觀測(cè)系統(tǒng)的變化是復(fù)雜的,炮點(diǎn)和接收道子域的變化,影響面元方位角及偏移距覆蓋次數(shù)的分布,淺層較深層明顯;相對(duì)炮點(diǎn)和接收道子域的變化,面元大小的變化,導(dǎo)致面元覆蓋次數(shù)的增加或減少,對(duì)地震成像的影響更為顯著,基于對(duì)信號(hào)和噪聲的無假頻采樣及面元屬性均勻分布的需求,減小接收線距和接收道距,采用交錯(cuò)炮排觀測(cè)方式,是觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化可選擇的方式。

3 炮道密度及觀測(cè)方式與地震成像

3.1 YA高密度三維

YA高密度三維觀測(cè)系統(tǒng)為:36L7S360T180F+正交,接收道距為20m,接收線間距為140m,接收道密度為357道/km2,排列片總接收道數(shù)為12960道;炮排交錯(cuò)細(xì)分,炮點(diǎn)距為40m,炮線間距為180m,炮點(diǎn)密度為139炮/km2;細(xì)分面元大小為10m×10m,覆蓋次數(shù)180次;排列片寬度為5040m,橫縱比為0.72,炮道密度為180萬道/km2。單點(diǎn)數(shù)值檢波器接收;單井潛水面下0.5～1.0m激發(fā),井深為10～12m,藥量為4～6kg。

在觀測(cè)系統(tǒng)36L7S360T180F+正交的基礎(chǔ)上,抽取不同面元、不同炮道密度及觀測(cè)方式(表1),可以看出:①面元大小不變,增加或減少接收線。②擴(kuò)大面元,面元大小20m×20m,剔除接收道或線,或剔除炮點(diǎn)或炮線。不同的觀測(cè)方式是以10m×10m為基本面元的疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體,具有相同的去噪、靜校正和偏移速度場(chǎng)及處理流程。

表1 YA三維觀測(cè)系統(tǒng)退化分析方案

面元不變,接收線增加,其炮道密度和覆蓋次數(shù)增加,假設(shè)目的層深度為3000m,觀測(cè)方式為16L7S360T,20L7S360T,28L7S360T和36L7S360T,按NORM[8]計(jì)算的有效炮道密度分別為72,86,114和136×104道/km2。從地震剖面(圖7)可以看出:①不同的觀測(cè)方式反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致,且信噪比較高,從觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化的角度分析,說明近-中偏移距對(duì)地震成像的貢獻(xiàn)大于遠(yuǎn)偏移距,當(dāng)前單炮資料品質(zhì)條件下,觀測(cè)系統(tǒng)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間;②接收線的增加,地震剖面對(duì)斷層和火成巖下的成像不斷改善,潛山面及內(nèi)幕的反射更加清晰,寬方位角觀測(cè)有利于不規(guī)則地質(zhì)體的地震成像。

圖7 YA三維面元大小不變,不同炮道密度的疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比(藍(lán)色實(shí)線為層狀火成巖反射;粉紅色虛線為上古生界潛山;紅色箭頭為潛山內(nèi)幕反射)a 16L,排列片16線接收; b 20L; c 28L; d 36L

剔除接收道或接收線,擴(kuò)大面元處理,觀測(cè)方式為18L7S180T(D1),18L7S360T(C1),36L7S180T(B1)和36L7S360T(A1)的理論覆蓋次數(shù)分別為180次、360次、360次和720次,剖面相關(guān)信噪比分別為2.07,2.24,2.51和2.67(圖8),觀測(cè)方式RI/RLI的比值分別為1/7,1/14,2/7和1/7。剖面對(duì)比得出基本結(jié)論:①對(duì)于一定的面元,剖面的信噪比隨覆蓋次數(shù)或炮道密度的增加而增加,增加炮道密度即增加有效覆蓋次數(shù)是提升剖面信噪比的有效途徑。②相同的炮道密度,接收道子域不同(C1和D1,圖8a和圖8b),剖面信噪比存在一定的差異,接收道分布的均勻性也是影響地震成像的因素,如圖8c和圖8d所示,接收道分布越均勻(RI/RLI∝1),面元的方位角和偏移距分布越均勻,剖面的信噪比越高。

圖8 YA三維擴(kuò)大面元處理,剔除接收道或接收線不同觀測(cè)方式的疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比a D1,信噪比為2.07; b C1,信噪比為2.24; c B1,信噪比為2.51; d A1,信噪比為2.67

剔除炮點(diǎn)或炮線的觀測(cè)方式得到了相同的結(jié)論:①覆蓋次數(shù)增加,剖面信噪比增加;②相同的道密度,炮點(diǎn)分布越均勻(RS/RLS∝1),剖面的信噪比越高(圖9)。

圖9 YA三維擴(kuò)大面元處理,剔除炮點(diǎn)或炮線不同觀測(cè)方式的疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比a D2,信噪比為1.78; b C2,信噪比為2.07; c B2,信噪比為2.31; d A1,信噪比為2.67

剔除接收道的觀測(cè)方式獲得的地震剖面信噪比明顯高于剔除炮點(diǎn)的觀測(cè)方式,高的炮點(diǎn)密度(DS/DR∝1),使得面元的方位角和近-中偏移距覆蓋次數(shù)具有更均勻的分布,有利于多域的噪聲估計(jì)與消除和偏移噪聲的壓制,從而提高了剖面的信噪比。

3.2 SHB高密度三維

SHB高密度三維觀測(cè)系統(tǒng)為48L8S528T792F+正交,接收道距為25m,接收線距為200m,排列片接收總道數(shù)為25344道,接收道密度為200道/km2;炮點(diǎn)距為25m,炮線距為200m,炮點(diǎn)密度為200炮/km2;面元大小為12.5m×12.5m,覆蓋次數(shù)為792次;排列片寬度為9600m,橫縱比為0.73,炮道密度為506.88×104道/km2?！安弊中徒M合接收,炸藥震源,潛水面5m,16kg激發(fā)?？碧降哪繕?biāo)為斷裂及沿?cái)嗔寻l(fā)育的縫洞儲(chǔ)集單元。

以觀測(cè)系統(tǒng)48L8S528T+正交為基礎(chǔ),采用剔除炮點(diǎn)或炮線及接收點(diǎn)或接收線等方式,得到不同的觀測(cè)方式與地震數(shù)據(jù)體,限于篇幅,這里僅介紹三種變化的觀測(cè)方式(表2),討論一定面元條件下,覆蓋次數(shù)及炮道密度的變化對(duì)縫洞儲(chǔ)集單元成像的影響。變化的觀測(cè)方式與原觀測(cè)系統(tǒng)的區(qū)別在于,方式A減少了接線數(shù),近偏移距覆蓋次數(shù)不變,中遠(yuǎn)偏移距覆蓋次數(shù)顯著減少,覆蓋次數(shù)在方位角45°～135°和225°～315°域基本不變,在135°～225°和315°～45°域顯著減少;方式B為交錯(cuò)炮排,減少了炮點(diǎn)數(shù);方式C減少接收線和增加接收線距,兩者的不同偏移距覆蓋次數(shù)和不同方位角覆蓋次數(shù)同等程度減少,差別在于前者近-中偏移距覆蓋次數(shù)的分布較后者更均勻。3種觀測(cè)方式的理論覆蓋次數(shù)均為396次。

序號(hào)方式A方式B方式C退化觀測(cè)系統(tǒng)24L8S528T+正交48L4S528T+交錯(cuò)24L16S528T+正交道距/m252525接收線距/m200200400炮點(diǎn)距/m2550(奇偶交替)25炮線距/m200200(奇偶交替)200面元大小12.5m×12.5m12.5m×12.5m12.5m×12.5m覆蓋次數(shù)/次396396396

不同觀測(cè)方式的逆時(shí)偏移成像剖面具有較高的信噪比,所反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂及沿?cái)嗔寻l(fā)育的縫洞儲(chǔ)集單元的結(jié)構(gòu)特征和振幅屬性總體相似(圖10)。

圖10 SHB三維不同觀測(cè)方式的逆時(shí)偏移成像剖面對(duì)比(面元大小12.5m×12.5m)a、d 24L8S528T+正交,396次; b、e: 48L4S528T+交錯(cuò),396次; c、f 24L16S528T+正交,396次

地層產(chǎn)狀平緩,走滑斷裂產(chǎn)狀直立,縫洞儲(chǔ)集單元呈強(qiáng)振幅或亮點(diǎn)沿?cái)嗔逊植肌５浼?xì)節(jié)存在一些明顯差異,觀測(cè)方式A對(duì)斷裂及縫洞描述的精度明顯較觀測(cè)方式B和C更為精細(xì),斷面的空間產(chǎn)狀展布更為清晰。與觀測(cè)方式A相比,方式B和C略有差異,觀測(cè)方式B與A的相似程度略高于觀測(cè)方式C。

觀測(cè)方位對(duì)高傾角走滑斷裂及縫洞儲(chǔ)集單元成像的影響在業(yè)界備受關(guān)注。保持炮點(diǎn)、炮排和面元大小不變,在觀測(cè)系統(tǒng)48L8S528T+正交的基礎(chǔ)上,通過剔除接收線方式,獲得以下5種不同橫縱比的觀測(cè)方式,分別為:A 24LF396,橫縱比為0.362;B 32LF528,橫縱比為0.484;C 36LF594,橫縱比為0.545;D 40LF660,橫縱比為0.605;E 48LF792,橫縱比為0.727。觀測(cè)方式屬性的變化特點(diǎn)是:由觀測(cè)方式A到觀測(cè)方式E,隨接收線數(shù)的增加,炮道密度增加,中-遠(yuǎn)偏移距面元覆蓋次數(shù)增加,橫縱比增加,135°～225°和315°～45°角度域的覆蓋次數(shù)增加。采用同一速度場(chǎng)的疊前深度偏移剖面上總體構(gòu)造特征基本一致(圖11);縫洞儲(chǔ)集單元表現(xiàn)為中-強(qiáng)振幅的“串珠”,并隨接收線的增加即覆蓋次數(shù)的增加,4000～5500ms目的層信噪比明顯增加,“串珠”的截面積明顯增大。換一個(gè)角度理解,即①一定面元大小,剖面信噪比隨覆蓋次數(shù)或炮道密度增加而增加;②一定高的覆蓋次數(shù),近-中偏移距更有利于縫洞儲(chǔ)集單元及邊界的準(zhǔn)確成像與精細(xì)刻畫,斷裂產(chǎn)狀更清晰。分選偏移距的疊前深度偏移剖面也得到相同的結(jié)論(圖12),圖中,最大偏移距范圍為3000～4000m,斷裂邊界及縫洞儲(chǔ)集單元特征比5000～8000m偏移距更為明顯?？p洞儲(chǔ)集單元及邊界產(chǎn)狀是斷層的組成要素,斷裂的成像問題其實(shí)質(zhì)是沿?cái)嗔寻l(fā)育的縫洞儲(chǔ)集單元及斷層邊界的成像問題。實(shí)際資料表明,近-中偏移距分布均勻的三維數(shù)據(jù)體提高了斷裂帶成像的精度,高覆蓋次數(shù)有利于提高信噪比。

圖11 SHB三維不同橫縱比的逆時(shí)偏移成像剖面對(duì)比(面元大小12.5m×12.5m,目的層深度為4000～5000ms信噪比)a SHB三維逆時(shí)偏移剖面; b 橫縱比為0.362; c 橫縱比為0.484; d 橫縱比為0.545; e 橫縱比為0.605; f 橫縱比為0.727

圖12 SHB三維分選偏移距的逆時(shí)偏移成像剖面對(duì)比(0～3000m偏移距范圍)

散射波的理論研究認(rèn)為,散射體產(chǎn)生的散射波,表現(xiàn)為一組頂點(diǎn)沿散射體分布的繞射波,頂點(diǎn)能量最大。波場(chǎng)記錄上,散射波最小走時(shí)的位置位于散射體上方,與激發(fā)點(diǎn)位置無關(guān)。散射波強(qiáng)度與波阻抗差和入射角以及散射體的尺度與地震波波長比有關(guān),散射體尺度和地震波波長接近時(shí),散射能量最大。地表激發(fā)和接收時(shí),其主能量區(qū)位于散射體在地表的投影;點(diǎn)散射波的能量比水平界面產(chǎn)生的反射能量一般小于20～40dB。SHB地區(qū)沿?cái)嗔寻l(fā)育的縫洞儲(chǔ)集單元或斷層分割的巖塊,其尺度多小于地震波長,屬于點(diǎn)散射體,散射能量弱,小面元和近-中偏移距采集有利于地震成像。

YA和SHB三維實(shí)例說明,相同的炮道密度及不同的觀測(cè)方式,獲得的地震剖面存在一定的差異,總體上,覆蓋次數(shù)和炮點(diǎn)密度是影響地震成像的兩個(gè)重要參數(shù),地震剖面的信噪比在很大程度上取決于覆蓋次數(shù),隨面元有效覆蓋次數(shù)的增加而增加;一定覆蓋次數(shù)條件下,高炮點(diǎn)密度(DS/DR∝1)和均勻分布的炮點(diǎn)與接收點(diǎn),使得面元的方位角和近-中偏移距屬性具有更均勻的分布,利于多域的噪聲估計(jì)與消除和偏移噪聲的壓噪,提高了剖面信噪比。

不同偏移方法對(duì)偏移數(shù)據(jù)體的要求存在一些差異,如克希霍夫偏移和逆時(shí)偏移成像,前者為共偏移距域,后者為共炮點(diǎn)域。這些差異或?qū)⒂绊懹^測(cè)系統(tǒng)對(duì)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的密度和分布有不同的要求,DS/DR多少更合適克?；舴蚱坪湍鏁r(shí)偏移成像或其它的偏移方法,需要進(jìn)一步研究。而成像道集或面元均勻分布的方位角和偏移距,對(duì)克?；舴蚱坪湍鏁r(shí)偏移成像都有益。

4 結(jié)論與建議

1) 炮道密度是單位面積內(nèi)有效炮檢對(duì)的總個(gè)數(shù)或單位面積覆蓋范圍內(nèi)所有面元的總覆蓋次數(shù),以面元為單位面積的炮道密度,即面元的有效覆蓋次數(shù)。

2) 相同炮道密度條件下的觀測(cè)方式變化是復(fù)雜多變的,炮點(diǎn)子域和接收道子域的變化,影響面元方位角和偏移距的分布,面元大小的變化導(dǎo)致面元覆蓋次數(shù)的增減,對(duì)三維觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的具體描述是炮道密度應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3) YA三維和SHB三維實(shí)際資料對(duì)比研究表明,覆蓋次數(shù)和炮點(diǎn)密度是影響地震成像的兩個(gè)重要參數(shù),高覆蓋次數(shù)提升了剖面信噪比,較高的炮點(diǎn)密度(DS/DR∝1)使得面元的方位角和近-中偏移距覆蓋次數(shù)的分布更均勻,利于縫洞儲(chǔ)集單元及斷層邊界的準(zhǔn)確成像。

4) 對(duì)于擬定的三維觀測(cè)系統(tǒng),采用縮小接收線距、增加接收線數(shù)和交錯(cuò)炮排的觀測(cè)方式,能改善面元的方位角覆蓋次數(shù)和近-中偏移距覆蓋次數(shù)分布的均勻性,且滿覆蓋范圍內(nèi)總炮點(diǎn)數(shù)不變,是一種較為經(jīng)濟(jì)的方案。

5) 不同偏移方法對(duì)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的密度和分布有不同要求,DS/DR多少更合適、更經(jīng)濟(jì),需要進(jìn)一步研究。