经济高效的可控震地震勘探方法

—1—经济高效的可控震源地震勘探方法（东方地球物理公司吐哈物探公司）摘要陆上可控震源地震采集是一种安全环保、经济高效的油气勘探方法，利用其“能量可控、频率可调制、相关压噪”的技术特点，在全球陆上油气地震勘探市场占有半壁江山。近年面对中国西部、中东、非洲等地区干旱炎热的气候，脆弱的生态系统，复杂的勘探目标，随着油气勘探的不断深入，要求地震勘探的采集密度越来越大，炸药震源显得力不从心，而采用经济高效的可控震源勘探方法是提高勘探精度、降低成本、满足安全环保条件的科学持续发展之路。可控震源多台套组合激发技术、宽频扫描激发技术、交替扫描激发技术、“拆分振次”激发技术的开发应用，取得了重大技术进展，提供了一条实现陆上地震高密度采集的可行之路。本文以吐哈油田勘探和开发实践为例，说明在不大幅度增加勘探投入的情况下，应用经济高效的可控震源地震勘探方法，实现了高地震采集密度的二维和三维勘探方法设计和工业化生产，并提供了高品质、高精度的地震资料。关键词油气勘探陆上可控震源经济高效组合激发交替扫描“拆分振次”高密度采集地震勘探方法安全环保炸药震源问题的提出可控震源与传统的炸药（脉冲）震源相比，不同之处是采用了地面连续振动的工作方法，其产生连续扫描信号，通过控制激发时间，相关运算/处理，将一个连续激发的扫描信号“压缩”成类似脉冲的“子波”，用以记录/反映地下物性界面的变化特征。可控震源之所以能够大面积得到油气勘探与开发领域的广泛应用，主要表现为：①激发能量可控。通过增加扫描时间实现能量积累，按设计分配到不同频率成分；②扫描频率在较大的范围内可调制；③精确的相位控制可以实现多台激发，保证能量同步迭加；④安全、环保的激发源，对周围环境破坏和影响较小；⑤具有较灵活的震源组合性能，较高的施工效率。以往油气勘探中可控震源勘探方法的应用主要是采用多次振动、野外各振次相关后垂直叠加的施工方法，旨在通过垂直叠加压制随机干扰，提高单个炮点原始资料的信噪比。—2—主要存在的问题有以下三个方面：一是野外随机干扰具有很强的相干性，多次振动相关迭加压制随机干扰，提高资料信噪比的效果差；二是单个炮点振动次数一般为8-10次，累计时间长，施工效率低；三是一些外界工业干扰在不同振动次数上表现不同，通过垂直叠加后无法有效识别和压制；四是震源的一致性差，高频端扫描畸变大。随着大吨位（30吨）、性能更加优良（箱体改进）的可控震源设备的研制成功，基于低成本、低风险等因素的考虑，越来越多的油公司趋向于采用可控震源高效扫描技术，以提高作业效率。国内发展的陆上高密度油气地震勘探技术是针对隐蔽型油气藏、断块等复杂勘探目标而设计的，特别是在油气藏的描述方面，即在地震采集中加密空间采样，使其不仅能够满足地震信号的充分采样，而且还要满足对地滚波等规则干扰充分采样，取消或减小检波组合接收，信号和噪声均实行“宽进宽出”。这种地震勘探方法克服了过去存在的问题，其对提高地震资料分辨率和保真度将起到重要作用。但激发点密度的增加，直接导致勘探成本的大幅度上升，严重制约了该项技术在陆上的应用。炸药震源显得力不从心，而采用高效的可控震源采集方法能够满足提高勘探精度、降低成本及安全环保条件要求。可控震源多台套组合激发技术、宽频扫描激发技术、交替扫描激发技术、“拆分振次”激发技术等的开发应用，在不大幅度增加勘探投入的情况下，提供了一条实现陆上地震高密度采集的可行之路。基本原理1、多台套可控震源组合激发技术由于单个震源的激发能量不能满足较深目的层的要求，国内外可控震源地震勘探方法多采用增加震动台数（3-4台）、多次扫描（8-10次）叠加的组合激发技术，有效增强单位震次的输入能量，并达到更好的消除噪音的优良效果。当这种方法面对西部复杂低信噪比地区时，激发能量仍然难以满足要求。理论上增大激发能量的方法有四种：提高单台震源的吨位（出力）、增加台数激发、延长扫描的时间、增加扫描次数。大量的现场试验结果表明，增加扫描时间和次数，效果极不理想，并大大降低采集效率，增加成本；当震源吨位和台数增加时，地震子波能量呈近似二次函数形式增加。充分利用增加可控震源台数—3—这一提高激发能量的最有效方法，打破常规单套震源（3-4）台线性组合采集的思路，将两套大吨位可控震源（5台/套）组合成一套（图1），单点（6-8）台面积组合激发，提高激发地震子波的能量，满足深目的层勘探目标要求；同时通过改善震源的组合方式，更好地保护有效信号，压制噪音。2、可控震源宽频扫描技术随着油气勘探从构造走向岩性等隐蔽型油气藏，地震工作也逐步向精细勘探方向发展。可控震源宽频扫描技术是应用新型大吨位可控震源较宽的频率扫描特性，通过拓展高频段的信号扫描，提高地震信号优势频带的宽度，压缩相关地震子波（图2），提高资料的分辨率，满足复杂隐蔽油气藏勘探需求。3、可控震源交替扫描技术可控震源交替扫描技术是使用两组及以上多套可控震源同时在一个地震排列中交替作业，一组可控震源在另外组振动时移动搬点(图3)，从而节省震源搬点的时间，提高施工效率。该技术是在充分进行试验的基础上，分析研究可控震源移动产生的干扰波特征及影响范围，结合观测系统的有效覆盖次数分析，“以炮补道”，尽可能实现连续的接收扫描，达到高效采集的目的。常规方法6台面积组合组合基距30m检波点单台可控震源测线方向图1多台可控震源组合激发示意图典型的二维观测系统（道距：40m，炮距：40m）激发点第n炮第n+1炮第n+2炮4台线性组合组合基距45m新方法-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-50-40-30-20-1001020304050(8-24)Hz(8-48)Hz(8-72)Hz(8-96)Hz图2不同扫描频宽理论相关子波时间振幅—4—4、可控震源“拆分振次”激发技术可控震源“拆分振次”激发技术是在多台组合激发技术成功应用的基础上，结合地震观测系统的设计，将常规设计的多次扫描、垂直叠加的可控震源激发参数合理地拆分为不同点位的（1-2）次扫描激发方式来实现，即通过增加可控震源台数，减少单点的扫描次数，降低作业成本；通过拆分，实现高密度激发点位设计，优化观测系统属性（耦合程度、覆盖次数等），提高资料信噪比；拆分可实现缩小面元尺寸或空间采样间隔，进而提高资料的分辨率。以图4所示的三维地震观测系统为例，通过将第n、n+1炮单点（8-10）次振动分别拆分成多台4个点一次或两次振动，炮点密度增加4倍，相应的面元缩小1倍，相同面元的覆盖次数增加4倍。更重要的改善了观测系统炮检距、方位角等属性分布，有利于静校正计算，并有效地解决了采集方法和勘探投入之间的矛盾。应用实例及效果—5—中国西部复杂低信噪比地区的地震勘探，面临的主要问题：目的层埋藏深（大于3000m），下覆地层对地震波的吸收衰减严重，中深层反射能量弱；地表为巨厚的戈壁砾石和沙漠等（厚度200-500m），激发条件很差，影响能量下传；松散的地表及表层结构，散射干扰波发育，进一步降低资料的信噪比。常规可控震源由于吨位小（18吨）、信号畸变严重，应用受到限制，近年研制的新型大吨位震源，吨位大大提高（30吨）、性能更加优良（箱体改进，一致性好），在复杂的山前盆地应用前景广阔。下面以吐哈油田实践为例，介绍经济高效的可控震源地震勘探方法的应用。1、科学设计可控震源的激发参数吐哈盆地为西部地区典型的复杂山前盆地，地表以厚的砾石冲击扇为主，最大厚度达到800m，激发条件极差，井炮和常规可控震源勘探方法均受到限制，特别是井炮激发，钻井能力无法实现在理想的岩性中激发，并且油田区地下管网纵横交错，安全和环保风险大，勘探成本高。多年来在这一地区开展了大量的可控震源勘探方法的研究，结果表明，单个炮点采用双套（6-8）台大吨位可控震源组合激发技术和（16-24）s长度的长扫描时间作用，可以有效提高白垩系、侏罗系和三、二叠系等中深层勘探目标的能量和信噪比。图5为台北凹陷可控震源台数对比资料，可以看出8台可控震源组合激发的原始记录上，侏罗系地层的反射同相轴能量强、连续性好、信噪比高。QL油田是吐哈油田的主力产油区，至1996年原油年产量达到最高峰，之后逐年递减，已进入中高含水期开发阶段，储采矛盾日益突出。1990年常规采集的三维地震资料品质是制约油田地质认识和开发效果的8台面积组合2台线性组合4台线性组合图5可控震源台数对比资料6台x2次4台x4次分频扫描频率：40－80Hz图6可控震源震动台次对比(扫频8-96Hz)—6—主要因素，主要表现在两个方面：一是资料品质差，对构造和断层分布的认识不够准确，不能满足精细油藏描述的需要，导致油田注采关系不够完善；二是油田周边滚动增储建产难以展开，无法弥补老油田原油产量的快速递减。区内断裂系统发育，主要有近北北东、北西西向两组断裂，前者是控制构造的主断层，断层因其不同部位两盘砂泥岩对接关系不同，对油藏既有封闭作用，又有破坏作用。北西西向断层主要发育在构造的中部和西部，将构造分隔成东西向的条带，使构造复杂化。针对该区复杂构造和断层组合特点，以及地面油田设施分布广、背景干扰严重等问题，采用了大吨位可控震源拆分振次激发技术、宽频扫描激发方式和交替扫描技术的工业化试验和生产，在不大幅增加勘探投入的情况下，有效地实现了小面元、高覆盖三维高密度地震采集，克服了油田作业区的强工业干扰，为油田开发提供了高品质的地震资料。采用的激发方法为大吨位可控震源6台组合、2次振动、（8-96）Hz宽频扫描激发方法，通过增加可控震源组合台数、减少振动次数，即以“台数补次数”，在有效增加激发效果的前提下，提高单个炮点的作业效率。图6为可控震源震动台次对比试验（40－80）Hz分频扫描记录，（6台x2次x16s）激发获得的原始资料主频达到40Hz以上，中侏罗统三间房组主要目的层层间弱反射能量明显增强。2、可控震源“拆分振次”激发，优化观测系统设计2005年在该区应用该项技术，对观测系统进行了多方面的优化设计，最终设计12线6炮240道的三维观测系统，将以往25m×50m面元、30次覆盖，优化设计为15m×15m面元、72次覆盖的高密度三维观测系统，选择“一多、一少、一高、两小、两对称”的观测系统类型，即：多线接收、少接收线滚动、高覆盖次数，小面元、小接收线距，对称面元和对称排列（表1）。通过采集密度的提高,大大地提高了资料的信噪比和分辨率，同时也改善面元中等炮检距和方位角的属性分布，减少了“采集脚印”的影响。三维地震采集成本中激发费用占很大的比例，通过“振次拆分”激发技术应用，设计12线6炮—7—240道的三维观测系统，拆分横向的炮点，在炮检点密度增加2倍，采集资源的投入增加12倍的基础上，保持炮数基本相当，可控震源的作业时间与原方法相比大幅度减少，激发成本降低。3、应用可控震源交替扫描激发技术，提高作业效率在野外应用两套可控震源交替扫描施工，根据实际的可控震源移动产生的干扰波影响范围，确定双套震源的作业距离2400m，采用同向移动、交替扫描、连续作业的方法，由原来的平均280炮/日提高到391炮/日，采集效率提高了35%，达到高效采集的目的，弥补了采集设备的大投入产生的附加成本，最终保证了采集成本没有大幅度增加。采集中编制SPS数据格式仪器采集模版文件，控制可控震源的交替放炮序列，保证可控震源扫描参数及激发点位的质量控制。实施监控可控震源移动产生的干扰波能量的变化，有效控制可控震源作业的距离。通过以上技术的应用，QL油田的三维地震资料品质上了一个新的台阶。与以往三维地震资料相比（图7），新采集地震资料反射内容丰富、层次清楚、信噪比高，能够真实反映构造细节，满足精细油藏描述的要求。资料的主频由原来的25Hz提高到45-50Hz，经过测井曲线重构和地震属性反演等技术手段，获得高精度三维地震属性反演剖面（图8），能够识别断距10m左右断层，准确反映10-15m的储层（油层）空间变化特征，与实钻吻合良好。经济高效的可控震源地震采集方法在QL油田的应用研究取得了良好的效果，获得高品质的地震资料，可以满足油田开发建立注水注气开采油藏模式的需要。该技术在其它地区的推广应用，均见到了