趙殿棟

(中石化石油工程地球物理有限公司,北京100029)

塔里木盆地大沙漠區(qū)地震采集技術的發(fā)展及展望
——可控震源地震采集技術在MGT地區(qū)的試驗及應用

趙殿棟

(中石化石油工程地球物理有限公司,北京100029)

塔里木盆地大沙漠區(qū)地震勘探走過了30多年的歷程。在此期間,技術和裝備的發(fā)展使地震采集技術水平不斷提高,地震成像質量逐步改善,目前已經(jīng)形成了成熟的爆炸震源激發(fā)地震采集技術系列,為該區(qū)一系列勘探成果的取得和油氣突破發(fā)揮了關鍵作用。由于塔里木盆地大沙漠區(qū)惡劣的地理環(huán)境、疏松的沙漠表層、縫洞型儲集體和薄互層砂巖并存的勘探目標,以及超過7000m的最大勘探深度等一系列難點,使得可控震源激發(fā)技術一直難以得到有效應用。不久前在塔里木盆地沙漠區(qū)開展的以“點、線、束、面”逐步推進、對激發(fā)參數(shù)和觀測系統(tǒng)不斷優(yōu)化為技術思路的可控震源三維地震采集試驗獲得成功,推動了塔里木盆地大沙漠區(qū)地震勘探進入應用可控震源進行“高效、安全、環(huán)?！钡氖┕ぷ鳂I(yè)模式,開展高密度、寬方位、寬頻帶、高覆蓋次數(shù)地震采集的新階段。

大沙漠區(qū)；地震采集；可控震源；技術發(fā)展

塔里木盆地總面積56×105km2,可探明油氣資源總量巨大[1],是我國重要的油氣資源戰(zhàn)略接替區(qū)和油氣生產(chǎn)基地。盆地周邊被天山、昆侖山和阿爾金山所環(huán)繞,中部是有著“死亡之?！敝Q、面積33.7×105km2的塔克拉瑪干沙漠。沙漠區(qū)由連綿起伏且流動的沙丘、沙壟及復合體組成,相對高差從幾米到近百米,最高可達250m。沙漠近地表基本上為兩層結構,以潛水面為界,其上統(tǒng)稱為低速層,自上而下具有連續(xù)性介質的性質,速度為350～700m/s,厚度基本隨地表高程變化,一般為1～80m；潛水面以下為含水沙層,稱為降速層或高速層,速度為1600～1900m/s?？碧街饕繕藶閵W陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層,兼探志留系和石炭系厚度20m以下的薄層砂巖。該區(qū)具有目的層埋藏深度在4000～7000m、表層沙漠對地震信號衰減嚴重、干擾波發(fā)育,勘探目標隱蔽性強等特點[2]。因此,塔里木盆地沙漠區(qū)惡劣的地理環(huán)境、復雜的表層和深層地震地質條件給地震勘探帶來巨大的挑戰(zhàn),多年以來一直是地震勘探工作者攻關的舞臺。

1 塔里木盆地沙漠區(qū)地震采集技術的發(fā)展與現(xiàn)狀

塔里木盆地大沙漠區(qū)地震勘探始于20世紀80年代。1983年,當時的中國石油天然氣總公司地球物理勘探局與國外合作組建沙漠地震隊,開始了在塔克拉瑪干沙漠區(qū)的地震勘探。此后,經(jīng)過我國地震勘探工作者近30年的探索與實踐,形成了一套成熟的大沙漠區(qū)炸藥震源激發(fā)地震采集技術系列。

塔里木盆地沙漠區(qū)地震采集技術發(fā)展歷程大致可劃分為3個階段。

第1階段為20世紀80年代至90年代中期。該階段使用以DFS-V和SN338為代表的早期數(shù)字地震儀[3],采用50m道距、60～240次覆蓋觀測系統(tǒng),大藥量淺井組合激發(fā),檢波器面積組合接收,獲得了大沙漠區(qū)的地震資料。這一階段取得的地震資料剖面信噪比低,尤其是中深層的反射弱,內(nèi)幕結構模糊不清,難以在地震剖面上對目的層進行追蹤對比。

第2階段為20世紀90年代中期至21世紀初。以2001年以后中國石油化工集團公司組織勘探隊伍在登記的塔里木盆地大沙漠區(qū)礦權區(qū)塊開展地震采集工作為例,各勘探隊伍憑借良好的裝備和雄厚的技術力量,在理論研究和野外實踐中不斷探索,形成了一套適合大沙漠區(qū)特點的二維地震采集技術,同時開始應用三維地震采集技術。

該階段采集方法的進步主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①采用SN388,Telseis-star,G.DAPS-4,408UL(XL)等為代表的24位地震儀；②潛水面以下5～9m單深井激發(fā)；③觀測系統(tǒng)的覆蓋次數(shù)和排列長度進一步增加；④通過微測井、小折射、推水坑三者結合,建立準確的近地表模型,為提高靜校正精度提供準確的基礎資料；⑤通過工藝改革,保證檢波器在疏松表層30cm以下接收,改善了檢波器的耦合條件。此外,針對巨大的沙丘區(qū)采用高分辨率衛(wèi)星照片或大比例尺地形圖指導選線,通過避高就低、合理變觀等方法過大沙丘。應用上述技術方法得到了較好的大沙漠區(qū)地震資料,剖面質量較以前有了很大程度的提高,表1和表2分別為21世紀初大沙漠區(qū)典型二維地震采集方法和三維地震觀測系統(tǒng)參數(shù)。這一階段取得的地震資料奧陶系內(nèi)幕反射波組的信噪比明顯改善,盆地中央隆起區(qū)的次級構造和次級大斷裂在剖面上顯示明顯,各構造單元間的接觸關系清楚。

表1 21世紀初大沙漠區(qū)典型二維地震采集方法

第3階段為21世紀初至現(xiàn)在。該階段采集儀器過渡到428XXL(UL),并且隨著地震勘探技術發(fā)展和油氣勘探程度的提高,二維地震基本被三維地震所取代。經(jīng)過不斷實踐和探索,形成了潛水面以下5～7m激發(fā),25m×25m面元、覆蓋次數(shù)200次左右經(jīng)濟有效的三維正交觀測系統(tǒng),以及“品”字形檢波器組合方式接收的采集方法。

表3為塔中沙漠區(qū)以中下奧陶統(tǒng)為勘探目的層的三維觀測系統(tǒng)參數(shù)。該階段觀測系統(tǒng)與以往相比,炮線距更小、覆蓋次數(shù)更高、方位角更寬、接收道數(shù)更多,進一步改善了觀測系統(tǒng)屬性的均勻性,更有利于提高地震資料的成像質量。

圖1對比了21世紀初塔中沙漠區(qū)采集的二維地震剖面與近年三維采集剖面(圖中構造形態(tài)差異是由于二者方向有角度偏差)。利用三維地震采集技術和疊前時間偏移處理技術獲得的成像資料上,奧陶系碳酸鹽巖溶洞響應明顯、小斷裂清楚、巖性變化邊界明顯,提高了縫洞型油氣藏的識別精度,為該區(qū)奧陶系重大油氣突破起到了關鍵作用,開創(chuàng)了油氣勘探的新局面。

表2 21世紀初大沙漠區(qū)典型三維地震觀測系統(tǒng)參數(shù)

表3 目前大沙漠區(qū)典型三維地震觀測系統(tǒng)參數(shù)

2 塔里木盆地沙漠區(qū)可控震源三維地震采集試驗及效果

2.1 可控震源技術現(xiàn)狀

始于20世紀50年代的可控震源發(fā)展至今已成為較完善的機電一體化設備。與爆炸震源相比,可控震源的優(yōu)點主要表現(xiàn)在[4]:①所產(chǎn)生的地震信號為已知,可根據(jù)勘探目標的地震響應特性控制頻率、輸出力；②環(huán)保、高效、成本低,在流沙、礫石、工業(yè)和人口稠密區(qū)可發(fā)揮其優(yōu)勢；③避免炸藥震源在運輸、保管、工作過程中的危險性。

近10年來,性能更好的大噸位可控震源陸續(xù)投入應用,其峰值出力從最初的71.17kN發(fā)展到400.00kN,并且提高了驅動力和復雜地表的通過能力,震動畸變進一步降低。同時,隨著地震勘探技術的發(fā)展和對勘探目標成像精度要求的提高,地震采集觀測系統(tǒng)向著對稱性和對波場記錄的連續(xù)性方向發(fā)展,促進了滑動掃描(Slip Sweep)、距離分隔滑動掃描(Distance Separated Slip Sweeping,DSSS)、獨立同步掃描(Independent Simultaneous Sweeping,ISS)、高保真可控震源地震采集(High Fidelity Vibratory Seismic,HFVS)等可控震源高效采集技術快速發(fā)展[5],以提高地震采集的施工效率,節(jié)約勘探成本。

目前國外陸地地震采集以可控震源為主,而國內(nèi)由于復雜地理環(huán)境等客觀因素的限制,使用可控震源采集的比例較低[6]。

沙漠區(qū)可控震源地震采集有許多先例[7],但塔里木盆地流動性大沙漠區(qū)可控震源地震采集的技術難點在于厚度幾十至數(shù)百米的流動沙丘,以及超過7000m的目的層深度,使地震波能量在傳播過程中受到強烈的吸收衰減[8]；另外,疏松的沙漠地表使可控震源基板-大地耦合系統(tǒng)的數(shù)學關系十分復雜[9]。上述原因導致利用可控震源采集的地震資料信噪比低,也使得可控震源采集技術的應用多年來處于停滯狀態(tài)。

2.2 可控震源采集影響因素和試驗思路

可控震源激發(fā)地震波能量與可控震源自身重量、地面出力有正比關系。可控震源通過液壓平板對地面的作用力產(chǎn)生激發(fā)能量,信號能量與隨機噪聲(dB)有以下關系[10]:

(1)

式中:Nv為可控震源臺數(shù)；F為地面出力(最大出力×驅動幅度)；n為可控震源掃描次數(shù)；T為掃描長度。

影響可控震源激發(fā)能量的主要因素中,地面出力受到可控震源自身重量限制,基本為固定值。受可控震源機械保護、畸變和地面環(huán)境安全限制,驅動幅度一般小于75%左右。激發(fā)單炮能量和信噪比還與臺數(shù)、掃描次數(shù)平方根、掃描長度平方根成正比關系,其中臺數(shù)的影響最大。

試驗圍繞選擇合理的可控震源激發(fā)參數(shù)和觀測系統(tǒng)參數(shù),以獲得相當于常規(guī)爆炸震源生產(chǎn)的地震剖面的成像效果為目的進行。本著“打好基礎,有序推進”的指導思想,試驗地點選擇在沙丘相對高差30m左右、勘探目的層7000m左右的大沙漠區(qū)西南部MGT地區(qū)。這樣,一方面利于將試驗結果直接用于該區(qū)塊的生產(chǎn),另一方面便于將試驗成果向沙漠深處逐步推廣。

考慮到試驗結果能夠兼顧常規(guī)采集和高密度、高疊加采集兩種方式參數(shù)選擇的需求，試驗采用“點、線、束、面”逐步推進的方式進行。其中，“點”試驗用于判斷對能量影響最大的可控震源激發(fā)參數(shù)，“線”試驗用于對這些參數(shù)進行試驗剖面的對比，“束”試驗用于選擇合理的觀測系統(tǒng)，“面”試驗用于對試生產(chǎn)的剖面進行效果評估。為了便于對每一步的試驗效果進行評估，試驗線與幾年前施工的爆炸震源120次疊加的二維地震測線重合。

2.3 可控震源采集試驗內(nèi)容及效果

表4為采用28t可控震源在相對高差30m的沙丘低、中、高部位分別開展的“點”試驗內(nèi)容?！包c”試驗的結果表明,影響記錄質量的主要因素是可控震源激發(fā)的震動臺數(shù)。圖2和圖3分別給出了2～8臺可控震源激發(fā)的單炮記錄和能量相對變化情況?？梢钥闯?隨著震動臺數(shù)的增加,單炮記錄變好,能量增加明顯,其中5臺1次達到了與井炮相當?shù)募ぐl(fā)效果。這就決定了“線”試驗的主要內(nèi)容是進行不同震源臺數(shù)的對比。

表4 可控震源“點”試驗內(nèi)容

考慮到使用更多的震源臺數(shù)組合基距較大,導致的混波效應不利于巖性油氣藏的勘探,也不利于保證初至波拾取精度以及整組震源在大沙漠區(qū)的移動,所以“線”試驗進行了2臺×1次、3臺×1次、5臺×1次的3種激發(fā)因素對比。

表5為“線”試驗所采用的寬線觀測系統(tǒng),表6為“線”試驗使用的震源參數(shù)。

圖4為3種激發(fā)因素所獲資料經(jīng)疊前時間偏移(PSTM)處理后的中、深部剖面?？梢钥闯?隨著臺數(shù)的增加剖面信噪比提高?；谇懊嫠龅恼鹪创蠼M合帶來的弊端，同時也考慮到今后大沙漠區(qū)高效采集技術應用的需要，決定選擇3臺×1次的激發(fā)因素進行高覆蓋次數(shù)的“束”試驗。

表5 可控震源“線”試驗所采用的觀測系統(tǒng)

圖2 2～8臺可控震源激發(fā)的單炮記錄

圖3 2～8臺可控震源激發(fā)記錄能量變化

表6 可控震源“線”試驗使用的震源參數(shù)

震源臺次2臺×1次、3臺×1次、5臺×1次掃描長度/s20掃描頻率/Hz6～84掃描方式線性驅動幅度70%震源斜坡/ms1000震源組內(nèi)距/m15

“束”試驗采用的觀測系統(tǒng)由“線”試驗20L×2S×320T改為20L×11S×320T,其它參數(shù)不變,這樣可以形成一個最高疊加次數(shù)為1760次的數(shù)據(jù)體。通過對該數(shù)據(jù)體進行不同疊加次數(shù)的PSTM處理分析,獲得滿足勘探任務要求、且疊加次數(shù)合理的觀測系統(tǒng)。

圖5顯示了爆炸震源120次疊加(圖5a)、可控震源“束”試驗120次疊加(圖5b)、可控震源“束”試驗640次疊加(圖5c)、可控震源“束”試驗1760次疊加(圖5d)的疊前時間偏移剖面對比。其中可控震源剖面上標出了滿覆蓋區(qū)域(兩條黑色豎線之間)?？梢钥闯?隨著疊加次數(shù)增加,可控震源資料成像質量逐步提高。

圖6和圖7分別顯示了爆炸震源120次疊加與可控震源440次疊加的PSTM剖面在50～100Hz,60～120Hz頻段的分頻掃描對比?？梢钥闯?可控震源剖面比爆炸震源剖面的優(yōu)勢帶寬要寬許多,說明大沙漠區(qū)的可控震源高覆蓋采集大大增強了壓噪能力,有利于地震資料分辨率的提高,這為隨后的“面”試驗采集參數(shù)的確定提供了可靠依據(jù)。

圖4 可控震源“線”試驗2臺×1次(a)、3臺×1次(b)、5臺×1次(c)3種激發(fā)因素所獲資料的PSTM處理剖面

圖5 爆炸震源120次疊加(a)和可控震源“束”試驗120次疊加(b)、640次疊加(c)、1760次疊加(d)的PSTM剖面

圖6 爆炸震源120次疊加(a)與可控震源440次疊加(b)的PSTM剖面50～100Hz分頻掃描對比

圖7 爆炸震源120次疊加(a)與可控震源440次疊加(b)的PSTM剖面60～120Hz分頻掃描對比

“面”試驗采用表6給出的震源參數(shù)、3臺×1次激發(fā)、交替掃描的施工方式和表7所示觀測系統(tǒng)參數(shù)進行。圖8a顯示的是獲得的可控震源544次疊加的PSTM剖面(時間深度范圍為3.1～5.0s),圖8b顯示的是相鄰區(qū)塊爆炸震源180次疊加的三維PSTM剖面(時間深度范圍為2.7～4.6s),兩個區(qū)塊的地表條件相當。圖中的白色框線范圍為二者勘探的相同目的層范圍。對比可見,雖然由于震源類型不同導致波組特征有所差異,但從成像質量看,勘探目的層在4.0s左右的高疊加可控震源剖面全面優(yōu)于勘探目的層在3.5s左右的爆炸震源剖面。

試驗的成功確保了該區(qū)塊可控震源采集進入生產(chǎn)應用階段,施工中采用三組震源交替掃描方式的平均施工日效在1000炮以上,并且剖面成像質量十分穩(wěn)定。

表7 可控震源“面”試驗使用的觀測系統(tǒng)參數(shù)

圖8 可控震源544次疊加(a)和鄰區(qū)爆炸震源180次疊加(b)PSTM剖面對比

本次塔里木盆地大沙漠區(qū)可控震源采集試驗的主要技術特點是采用了多臺震源組合激發(fā)和高疊加的觀測系統(tǒng)。此外,施工作業(yè)中使用了足夠數(shù)量推土機進行推路作業(yè)以利于震板耦合、震源通行,并使激發(fā)點分布均勻,保障地震數(shù)據(jù)的整體質量且提高作業(yè)效率。

3 塔里木盆地沙漠區(qū)地震采集技術展望

理論和實踐證明了地震采樣的連續(xù)性、對稱性、均勻性在提高地震成像質量方面的優(yōu)勢[11]。因此,高密度、寬方位、高覆蓋是當前地震采集技術的發(fā)展趨勢。由于炸藥震源激發(fā)點密度的提高會導致采集成本迅速上升,因此,上述技術應用的實現(xiàn)只有與可控震源高效采集技術結合才具有更現(xiàn)實的可行性和生命力[12-13]。這不但可以大大提高塔里木盆地大沙漠區(qū)地震采集的經(jīng)濟效益和對地質目標的成像精度,而且可控震源地震采集也是一種綠色、環(huán)保的勘探方法,更符合我國新疆地區(qū)社會安全的需要。

通過以“點、線、束、面”逐步推進的方式開展試驗,形成了可控震源激發(fā)參數(shù)和觀測系統(tǒng)參數(shù)合理結合的采集方案,使得塔里木盆地大沙漠區(qū)MGT地區(qū)的可控震源地震采集獲得成功,并在隨后的生產(chǎn)中得到了有效應用,這將推動塔里木盆地大沙漠區(qū)地震采集技術的進一步發(fā)展。一方面,試驗形成的技術方法可以在廣大的地震地質條件類似地區(qū)推廣應用,另一方面,也為可控震源采集技術向塔里木盆地大沙漠區(qū)腹地推廣,特別是在大沙漠區(qū)開展可控震源高效采集技術的應用奠定了基礎。

可控震源地震采集技術向塔里木盆地大沙漠區(qū)推廣及進行高效采集會遇到以下難點:①與爆炸震源相比,可控震源是在大沙漠區(qū)地表激發(fā),近百米甚至數(shù)百米高的沙丘、沙壟對地震波的吸收衰減作用更加強烈,需要在增強可控震源激發(fā)的下傳能量方面采取更加有效的措施；②巨大沙丘、沙壟的背風面沙層非常疏松,更容易產(chǎn)生諧波畸變和能量損失,需要通過更多的試驗進行震源參數(shù)和技術方法的合理選擇；③高陡的沙丘、沙壟會使可控震源移動受到限制,尤其是在進行高密度、高效采集時,需動用更多的設備予以保障,這會導致采集成本的加大。這些難點需要在今后的實踐中不斷探索與總結,使大沙漠區(qū)可控震源技術方法更加系統(tǒng)和完善。

在需要克服上述技術難點的同時,可控震源地震采集在向大沙漠區(qū)的推廣應用中還應做好以下工作:首先,面對深層碳酸鹽巖儲層和其它復雜圈閉的精細勘探,需要加強大沙漠區(qū)可控震源資料處理、解釋的配套技術研究,建立一套適應技術發(fā)展需求的塔里木盆地大沙漠區(qū)可控震源地震勘探技術系列；其次,加強可控震源低頻勘探的試驗與研究[14],增加有效信號低頻信息是提高成像分辨率和地震反演精度的有效手段,人們正在開展可控震源低頻激發(fā)技術的研究,相信快速發(fā)展的可控震源低頻激發(fā)技術可以滿足未來地震勘探的激發(fā)需要。

油氣資源勘探開發(fā)的需求推動了地震勘探的技術發(fā)展,地震勘探技術的發(fā)展為油氣資源的勘探開發(fā)提供了更可靠的技術保障。地震儀器正向著具備大道數(shù),有線、無線、節(jié)點混裝系統(tǒng),以及能夠進行遠程技術支持和實時質量控制等功能的方向發(fā)展[15]。經(jīng)濟、高效、安全、環(huán)保、低頻性能更好的可控震源技術在塔里木盆地大沙漠區(qū)的推廣應用與地震儀器的發(fā)展相結合,將使該區(qū)地震采集能夠適應高密度、寬方位、高覆蓋次數(shù)、寬頻的發(fā)展趨勢,使塔里木盆地大沙漠區(qū)地震采集進入新的階段,推動該區(qū)地震勘探水平的進一步提高。

致謝：本文撰寫過程中,常鑒、王炳章、宋桂橋、胡立新給予了幫助,在此表示感謝！

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(編輯：陳 杰)

Development and expectation on the seismic acquisition technology for the massive desert in Tarim Basin

Zhao Diandong

(SinopecGeophysicalCorporation,Beijing100029,China)

The massive desert in Tarim basin has more than 30 years’ seismic exploration history.During the period,thanks for the development of geophysical technology and equipments,seismic acquisition has been improved continuously and high-resolution imaging has been acquired; moreover,a series of mature seismic acquisition techniques with explosion source has been formed,which played a key role for the achievements of hydrocarbon exploration in this area.The massive desert in Tarim Basin is characterized by harsh geographical environment,loose surface layers,fracture-cave reservoirs and thin bed reservoirs coexisting complex exploration targets,more than 7 000 m maximum exploration depth,which challenges the effective application of the vibroseis.Recently,a 3D vibroseis acquisition test has been successfully carried out in the massive desert,and the technical clue is that “survey parameters is optimized and vibrating points is acquired gradually from point,line,gathers to the whole area”.The successful test will certainly promote the vibroseis operation mode in Tarim Basin massive desert into more efficient,more safe and environmental friendly,carry out high-density,wide-azimuth and high-fold seismic acquisition.

massive desert,seismic acquisition,vibroseis,technology development

2015-01-20;改回日期：2015-05-20。

趙殿棟(1962—),男,教授級高級工程師,主要從事地球物理方法研究、應用及技術管理工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0367-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.001