長(zhǎng)排列大容量準(zhǔn)三維地震勘查技術(shù)在湍流海區(qū)的應(yīng)用

鐘廣見(jiàn),張莉,鄧桂林,易海,馮常茂,孫鳴,趙靜,趙忠泉

(1.自然資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510760)

0 引言

海域海相中生界是目前國(guó)家油氣勘探攻關(guān)的重要領(lǐng)域。南海北部中生代沉積區(qū)經(jīng)歷了多次隆升剝蝕，現(xiàn)今殘留盆地面積超過(guò)10萬(wàn)km2，是我國(guó)海域中生界油氣勘探實(shí)現(xiàn)突破的最有利地區(qū)[1-15]。南海北部由于強(qiáng)烈的隆升剝蝕，中生界中深層沉積結(jié)構(gòu)普遍不夠清晰，制約了地質(zhì)解釋，有必要進(jìn)行地震采集、成像攻關(guān)處理，獲得清晰的中生界深層成像。海洋地震數(shù)據(jù)采集會(huì)受海洋洋流影響，使采集過(guò)程復(fù)雜化，因此，選擇合適的采集技術(shù)是很必要的。東沙海域以往地震資料多是單線拖纜的二維線，特點(diǎn)是線距大、道距小。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，二維地震成像效果很難保證，尤其是中深層構(gòu)造成像。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局通過(guò)高密度(線距小、道距小)二維地震采集數(shù)據(jù)，并對(duì)二維地震采集數(shù)據(jù)按照準(zhǔn)三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理研究，獲得了比較滿意的三維地震成像效果。

1 準(zhǔn)三維地震采集系統(tǒng)

1.1 資料采集的海況背景

勘探突破離不開(kāi)高品質(zhì)的地震資料，南海北部東沙海域處于臺(tái)灣海峽沿岸流與巴士海峽黑潮兩股洋流的交匯處(圖1)，湍流異常發(fā)育，具有亂流強(qiáng)、形成時(shí)間及地點(diǎn)變化多端的特點(diǎn)。在該海區(qū)實(shí)施三維地震資料采集時(shí)，電纜容易纏裹在一起，造成設(shè)備損壞，目前條件下無(wú)法獲得三維地震資料。針對(duì)這種情況，通過(guò)單一組合震源放炮、單條長(zhǎng)電纜接收的傳統(tǒng)二維采集方式下的高密度采集，然后采用五維插值方法進(jìn)行面元均化處理，使得整個(gè)工區(qū)的覆蓋次數(shù)基本一致、不同炮檢距覆蓋分布較均勻，形成三維地震數(shù)據(jù)體。海上采集時(shí)電纜長(zhǎng)度達(dá)到6 000 m，震源容量6 400 in3，稱之為“長(zhǎng)排列大容量準(zhǔn)三維地震技術(shù)”。該技術(shù)吸收了廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物資源準(zhǔn)三維地震調(diào)查技術(shù)[16]，但接收電纜更長(zhǎng)、震源容量更大，在導(dǎo)航技術(shù)、定位技術(shù)、采集參數(shù)等方面提出了更高的要求[17]。

圖1 南海北部洋流分布Fig.1 Ocean current distribution in the northern of South China Sea

1.2 震源

作業(yè)船采用廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的“探寶號(hào)”物探船，“探寶號(hào)”船的震源由四排氣槍子陣、40支單槍組成(圖2)，總?cè)萘繛? 400 in3，震源中心距導(dǎo)航參考點(diǎn)為88 m，工作氣壓為2 000 psi。

1.3 電纜

使用480道數(shù)字固體電纜，電纜由以下單元組成：前導(dǎo)段(Lead-in)、短頭部彈性段(SHS)、頭部數(shù)據(jù)包(HAU)、頭部彈性段(HESE)、減震段(RVIM)、頭部彈性段適配器(HESA)、工作段(SSAS)、中繼數(shù)據(jù)包(LAUM)、尾部數(shù)據(jù)包(TAPU)、尾部彈性段(TES)、尾部鎧裝段(STIC)、尾標(biāo)船及尾標(biāo)RGPS組成(圖3)。

圖3 震源與電纜相對(duì)位置Fig.3 Relative position map of seismic source and cable

1.4 觀測(cè)方式

準(zhǔn)三維地震數(shù)據(jù)采集采用束狀觀測(cè)系統(tǒng)，一條接收電纜，一個(gè)激發(fā)點(diǎn)，電纜480道。采用單邊放炮單邊接收，沿CMP線航行進(jìn)行(即Inline 測(cè)線方向)，類似于穿過(guò)面元中心的二維地震觀測(cè)，設(shè)計(jì)的測(cè)線橫向間距為100 m，采集參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地震采集參數(shù)Table 1 Seismic acquisition parameters

1.5 面元均一化處理

野外采集設(shè)計(jì)面元大小為12.5 m(縱向)×100 m(橫向)，電纜分近段1-160道、中段161-320道、遠(yuǎn)段321-480道。由于電纜羽角影響，電纜的遠(yuǎn)、中、近不同偏移距道分別落在不同的Inline 測(cè)線上。在采集過(guò)程中，通過(guò)電纜首、尾定位和羅盤鳥(niǎo)進(jìn)行了面元覆蓋次數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證電纜近段、中段、遠(yuǎn)段的面元覆蓋率。所有測(cè)線近、中、遠(yuǎn)道均沒(méi)有空缺面元(圖4)；對(duì)相鄰面元近道、中道、遠(yuǎn)道橫向擴(kuò)展50%(向兩邊各擴(kuò)展25%)，擴(kuò)展之后面元為25 m(縱向)×50 m(橫向)，使面元近道、中道、遠(yuǎn)道均勻覆蓋，近、中、遠(yuǎn)道綜合覆蓋率超過(guò)80%(圖5)。

圖4 原始面元覆蓋率Fig.4 Original bin coverage map

圖5 擴(kuò)展后面元覆蓋率Fig.5 Expanded bin coverage map

2 準(zhǔn)三維地震處理關(guān)鍵技術(shù)

由于地震采集設(shè)計(jì)為二維觀測(cè)系統(tǒng)，按照準(zhǔn)三維處理的處理方式，其基本處理思路是：先按照二維測(cè)線分別壓制各類噪聲；然后定義三維網(wǎng)格，按面元進(jìn)行道集分選，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行面元規(guī)則化處理、三維速度分析和三維疊前偏移成像處理等。在準(zhǔn)三維地震資料處理中采用的主要技術(shù)有：鬼波壓制技術(shù)，提高地震剖面的分辨率；組合去噪和壓制多次波技術(shù)，提高道集的信噪比；五維插值技術(shù)，進(jìn)行面元規(guī)則化處理，保證每個(gè)面元的覆蓋次數(shù)均勻；單源、單纜準(zhǔn)三維地震資料處理在常規(guī)二維地震資料處理基礎(chǔ)上增加了三維疊前時(shí)間和深度成像處理，以便獲取準(zhǔn)確的三維成像數(shù)據(jù)體[18-25]?；咎幚砹鞒倘鐖D6。其中準(zhǔn)三維處理的關(guān)鍵技術(shù)是三維面元規(guī)則化處理和鬼波壓制技術(shù)。

圖6 準(zhǔn)三維地震資料處理流程Fig.6 Quasi-three-dimensional seismic data processing flow

2.1 鬼波壓制技術(shù)

在海洋地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，鬼波也會(huì)被同時(shí)采集到，這嚴(yán)重影響了地震有效信號(hào)的保真度。震源和檢波點(diǎn)的鬼波會(huì)造成地震信號(hào)旁瓣變大，分辨率降低，在頻帶上產(chǎn)生與水深有關(guān)的陷波作用，使得有效頻率變窄，嚴(yán)重影響地震的分辨率和信噪比，進(jìn)而影響地震信號(hào)對(duì)油氣聚集區(qū)域的細(xì)節(jié)刻畫(huà)(圖7)。

圖7 去鬼波原理Fig.7 Synoptic map of deghost

在地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，去除鬼波影響，消除陷波作用，拓寬頻帶，使地震資料頻帶信息豐富，有利于開(kāi)展寬頻反演技術(shù)，可為油氣勘探提供更精確的信息。

針對(duì)不同角度、不同空間響應(yīng)的鬼波，筆者精確地估算出鬼波的延遲時(shí)間，有效地抑制了鬼波對(duì)一次反射成像的干擾，突出有效反射波同相軸，使地震剖面波組特征清晰，同時(shí)也提高了地震數(shù)據(jù)的分辨率，為后期的解釋工作提供可靠性基礎(chǔ)資料。如圖8、圖9、圖10所示，通過(guò)鬼波壓制處理成功地補(bǔ)償了數(shù)據(jù)的低頻成分，展寬了頻帶，豐富了數(shù)據(jù)的頻率信息。

圖8 去鬼波前后頻譜分析Fig.8 Frequency analysis before and after deghost

圖9 去鬼波前(a)后(b)道集對(duì)比Fig.9 Comparison of gather before(a) and after(b) deghost

2.2 面元規(guī)則化處理

由于是單源、單纜采集的地震資料，覆蓋次數(shù)、方位角等采集參數(shù)差異很大，對(duì)數(shù)據(jù)疊加成像、分辨率及橫向能量不均衡或成像空白影響很大，必須對(duì)野外采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間插值處理。因此，面元規(guī)則化處理的目的就是使二維采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)縱橫向數(shù)據(jù)插值，能夠適應(yīng)三維地震采集數(shù)據(jù)處理要求。如何能做好插值及面元規(guī)則化工作是處理的關(guān)鍵。

常規(guī)插值技術(shù)只考慮炮點(diǎn)方向、檢波點(diǎn)方向、時(shí)間、偏移距4個(gè)參數(shù)，而五維插值引進(jìn)了方位角信息，更加遵循了地震數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間(x,y)、偏移距及方位角的振幅變化。

五維插值原理就是在5個(gè)不同域?qū)Σ灰?guī)則數(shù)據(jù)在頻率域做傅里葉正、反變換，利用五維信息沿著炮線及檢波線輸出規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)據(jù)。五維插值可以保留原始采集的數(shù)據(jù)道，而不是簡(jiǎn)單地把它用插值道替換，這樣可以對(duì)比插值道與原始道的情況，來(lái)驗(yàn)證插值道的保真合理性。針對(duì)特別不規(guī)則的地震數(shù)據(jù)，五維插值內(nèi)部還可以選用反遺漏傅里葉變換的方法，進(jìn)一步避免輸入數(shù)據(jù)不規(guī)則造成的能量突變。圖11是五維插值前后疊加剖面對(duì)比，可以看出通過(guò)五維插值有效彌補(bǔ)了原始數(shù)據(jù)的缺失。

圖11 五維插值前(a)后(b)初始疊加剖面對(duì)比Fig.11 Comparison stacking profile before(a) and after(b) five-dimension interpolation

理論上講，面元網(wǎng)格越大，覆蓋次數(shù)越高；面元網(wǎng)格越小，覆蓋次數(shù)越低。但是增大面元往往會(huì)使得成像的分辨率降低。原始面元大小為12.5m×100m。根據(jù)野外采集參數(shù)綜合考慮實(shí)際處理情況，定義三維觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)選擇處理面元為12.5m×25 m。

由于實(shí)際處理面元與采集面元不同，所以面元的覆蓋情況發(fā)生了變化。圖12為原始資料覆蓋次數(shù)，整個(gè)工區(qū)覆蓋次數(shù)不均勻，由于野外采集的測(cè)線間距為100 m，存在許多平行Inline方向的低覆蓋區(qū)域，很多位置覆蓋次數(shù)小于5次甚至覆蓋空白區(qū)，少部分位置覆蓋次數(shù)達(dá)到120次以上。覆蓋次數(shù)不均勻使得成像數(shù)據(jù)的分辨率會(huì)下降，同相軸橫向連續(xù)差、振幅特征跳躍。面元規(guī)則化可以使每個(gè)面元內(nèi)覆蓋次數(shù)均勻，規(guī)則化后覆蓋次數(shù)見(jiàn)圖13，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)工區(qū)(除了邊緣不滿覆蓋的位置)的覆蓋次數(shù)均達(dá)到了120次，為后續(xù)三維體數(shù)據(jù)處理質(zhì)量提供了保障。

圖12 原始資料覆蓋次數(shù)Fig.12 Coverage plot of initial data

圖13 規(guī)則化后覆蓋次數(shù)Fig.13 Coverage plot after interpolating

3 處理效果分析

在湍流海區(qū)域，針對(duì)長(zhǎng)排列大容量三維采集數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)三維處理，采用本文的技術(shù)思路，做好關(guān)鍵技術(shù)的處理參數(shù)選擇和優(yōu)化，獲得了比較理想的偏移成像數(shù)據(jù)體。圖14是 2D處理與準(zhǔn)3D處理的地震剖面結(jié)果。

圖14 2D(a)與準(zhǔn)3D(b)地震剖面對(duì)比Fig.14 Comparison of 2D profile(a) with 3D profile(b)

對(duì)資料進(jìn)行分析認(rèn)為：信噪比增強(qiáng)。各種隨機(jī)干擾、線性干擾、不同類型的多次波干擾均有效壓制，尤其是本工區(qū)比較嚴(yán)重的亂流干擾也得到很好的壓制，多次波和強(qiáng)線性干擾被壓制，明顯突出了淺、中、深各層的有效信息，信噪比得到很大提升。對(duì)比二維和準(zhǔn)三維地震剖面，二維剖面的信噪比較低，剖面上存在大量線性干擾、繞射波，反射同相軸成像比較模糊，而在準(zhǔn)三維地震剖面上就清晰得多，分辨率提高。二維地震分辨率較低，準(zhǔn)三維地震剖面的中、深層分辨率比二維明顯改善，構(gòu)造特征清晰。特別是深部，在二維地震剖面上幾乎看不到的深部地層有效反射波組，在采用準(zhǔn)三維地震勘查技術(shù)后獲得了比較好的成像效果，如：原來(lái)隱約存在的模糊同相軸都清晰展示出來(lái)，繞射波收斂歸位，斷點(diǎn)、斷面清晰，凹陷內(nèi)部反射清晰展現(xiàn)，斷層邊界明確。

基于三維地震剖面，可以較好地刻畫(huà)重點(diǎn)構(gòu)造的圈閉形態(tài)及重要目標(biāo)層段的沉積特征分析。如上侏羅統(tǒng)海底扇在三維數(shù)據(jù)體內(nèi)可持續(xù)追蹤。海底扇砂體底部與下伏厚層半深海相泥巖突變接觸，頂部與上覆厚層海陸過(guò)渡相泥巖呈漸變接觸，整體表現(xiàn)為一套穩(wěn)定的強(qiáng)振幅反射。其中，順物源方向(圖15)，地震剖面上為楔狀外形，可以明顯看到自SE往NW方向前積的下超特征。海底扇可以劃分為四期，其中，第二期和第三期是鼎盛期，推測(cè)其含砂率最大。

圖15 海底扇體地震反射特征Fig.15 Seismic reflection characteristics of submarine fan

4 結(jié)論

長(zhǎng)排列大容量準(zhǔn)三維地震勘查技術(shù)是通過(guò)單一組合震源放炮、單條長(zhǎng)電纜接收的傳統(tǒng)二維采集方式的高密度采集，野外施工按照三維面元覆蓋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控，室內(nèi)地震資料處理采用三維成像處理方法，形成三維地震數(shù)據(jù)體的地震勘查技術(shù)。它適用于湍流異常發(fā)育、無(wú)法進(jìn)行三維地震采集作業(yè)的復(fù)雜海區(qū)，采用二維采集、三維成像的方法，尤其是采用五維插值技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)則化處理關(guān)鍵技術(shù)，成功獲得三維地震成像數(shù)據(jù)體，并且三維地震剖面成像效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)二維地震剖面，明顯改善了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中、深層的地震成像效果，滿足油氣勘探的需要。該項(xiàng)技術(shù)在南海北部海域中生界油氣勘探中取得了較好的應(yīng)用效果。