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物探与化探, 2022, 46(2): 402-409 doi: 10.11720/wtyht.2022.2372

方法研究·信息处理·仪器研制

长排列大容量准三维地震勘查技术在湍流海区的应用

钟广见,1,2, 张莉1,2, 邓桂林1,2, 易海1,2, 冯常茂1,2, 孙鸣1,2, 赵静1,2, 赵忠泉1,2

1.自然资源部 海底矿产资源重点实验室,广东 广州 510760

2.广州海洋地质调查局,广东 广州 510760

Application of long-streamer and large-capacity quasi-3D seismic survey technology in turbulent sea areas

ZHONG Guang-Jian,1,2, ZHANG Li1,2, DENG Gui-Lin1,2, YI Hai1,2, FENG Chang-Mao1,2, SUN Ming1,2, ZHAO Jing1,2, ZHAO Zhong-Quan1,2

1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources,Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510760,China

2. Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2020-09-5   修回日期: 2021-12-23  

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目“南海东北部中生界油气资源调查”(DD20190212)

Received: 2020-09-5   Revised: 2021-12-23  

作者简介 About authors

钟广见(1965-),男,教授级高工,主要从事海洋油气资源调查研究工作。Email: 2645078906@qq.com

摘要

长排列大容量准三维地震勘查技术指的是通过单一组合震源放炮、单条长电缆接收的传统二维采集方式的高密度采集,在处理中按照三维处理流程,采用五维插值技术进行面元规则化处理,使覆盖次数和不同炮检距覆盖分布较均匀的三维地震数据体。这种技术主要用于海洋湍流异常发育的海域,能较好地提高中深层的地震成像效果,满足油气勘探的需要。本文主要介绍了该技术的采集和处理关键方法。

关键词： 南海; 准三维地震; 湍流; 油气

Abstract

The long-streamer and large-capacity quasi-3D seismic survey technology is used to obtain 3D seismic data that cover the study area equal times under different source-detector distances.To this end,it obtains high-density acquisition of seismic data using a single source array in shooting,a single long cable for data receiving,and traditional 2D acquisition.Meanwhile,it conducts bin regulation using the 5D interpolation method according to the 3D process flow.This technology can used to effectively improve the seismic imaging effects in medium-deep parts in turbulent sea areas,thus satisfying the need for oil and gas exploration.This study primarily introduces the key methods for the acquisition and processing of seismic data.

Keywords： South China Sea; quasi-3D seismics; turbulence; oil and gas

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本文引用格式

钟广见, 张莉, 邓桂林, 易海, 冯常茂, 孙鸣, 赵静, 赵忠泉. 长排列大容量准三维地震勘查技术在湍流海区的应用[J]. 物探与化探, 2022, 46(2): 402-409 doi:10.11720/wtyht.2022.2372

ZHONG Guang-Jian, ZHANG Li, DENG Gui-Lin, YI Hai, FENG Chang-Mao, SUN Ming, ZHAO Jing, ZHAO Zhong-Quan. Application of long-streamer and large-capacity quasi-3D seismic survey technology in turbulent sea areas[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(2): 402-409 doi:10.11720/wtyht.2022.2372

0 引言

海域海相中生界是目前国家油气勘探攻关的重要领域。南海北部中生代沉积区经历了多次隆升剥蚀,现今残留盆地面积超过10万km2,是我国海域中生界油气勘探实现突破的最有利地区[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-15]。南海北部由于强烈的隆升剥蚀,中生界中深层沉积结构普遍不够清晰,制约了地质解释,有必要进行地震采集、成像攻关处理,获得清晰的中生界深层成像。海洋地震数据采集会受海洋洋流影响,使采集过程复杂化,因此,选择合适的采集技术是很必要的。东沙海域以往地震资料多是单线拖缆的二维线,特点是线距大、道距小。对于地质构造复杂地区,二维地震成像效果很难保证,尤其是中深层构造成像。广州海洋地质调查局通过高密度(线距小、道距小)二维地震采集数据,并对二维地震采集数据按照准三维地震数据进行相关处理研究,获得了比较满意的三维地震成像效果。

1 准三维地震采集系统

1.1 资料采集的海况背景

勘探突破离不开高品质的地震资料,南海北部东沙海域处于台湾海峡沿岸流与巴士海峡黑潮两股洋流的交汇处(图1),湍流异常发育,具有乱流强、形成时间及地点变化多端的特点。在该海区实施三维地震资料采集时,电缆容易缠裹在一起,造成设备损坏,目前条件下无法获得三维地震资料。针对这种情况,通过单一组合震源放炮、单条长电缆接收的传统二维采集方式下的高密度采集,然后采用五维插值方法进行面元均化处理,使得整个工区的覆盖次数基本一致、不同炮检距覆盖分布较均匀,形成三维地震数据体。海上采集时电缆长度达到6 000 m,震源容量6 400 in3,称之为“长排列大容量准三维地震技术”。该技术吸收了广州海洋地质调查局天然气水合物资源准三维地震调查技术[16],但接收电缆更长、震源容量更大,在导航技术、定位技术、采集参数等方面提出了更高的要求[17]。

图1

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图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

作业船采用广州海洋地质调查局的“探宝号”物探船,“探宝号”船的震源由四排气枪子阵、40支单枪组成(图2),总容量为6 400 in3,震源中心距导航参考点为88 m,工作气压为2 000 psi。

图2

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图2   6 400立方英寸枪阵结构

Fig.2   Layout of 6 400 in3 gun array


1.3 电缆

使用480道数字固体电缆,电缆由以下单元组成:前导段(Lead-in)、短头部弹性段(SHS)、头部数据包(HAU)、头部弹性段(HESE)、减震段(RVIM)、头部弹性段适配器(HESA)、工作段(SSAS)、中继数据包(LAUM)、尾部数据包(TAPU)、尾部弹性段(TES)、尾部铠装段(STIC)、尾标船及尾标RGPS组成(图3)。

图3

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图3   震源与电缆相对位置

Fig.3   Relative position map of seismic source and cable


1.4 观测方式

准三维地震数据采集采用束状观测系统,一条接收电缆,一个激发点,电缆480道。采用单边放炮单边接收,沿CMP线航行进行(即Inline 测线方向),类似于穿过面元中心的二维地震观测,设计的测线横向间距为100 m,采集参数见表1。

表1   地震采集参数

Table 1  Seismic acquisition parameters

参数数值
接收道数480
道间距/m12.5
覆盖次数120
炮间距/m25
采样率/ms2
数字滤波高切频率200 Hz/-370 dB
数字滤波低切频率4 Hz/-3 dB
记录长度/s10
震源容量/in36400
工作压力/psi2000
震源沉放深度/m10-7-7-10
震源阵列激发延时/ms2-0-0-2
电缆沉放深度/m16
最小偏移距/m225
设计面元大小/m12.5(纵)×100(横)

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1.5 面元均一化处理

野外采集设计面元大小为12.5 m(纵向)×100 m(横向),电缆分近段1-160道、中段161-320道、远段321-480道。由于电缆羽角影响,电缆的远、中、近不同偏移距道分别落在不同的Inline 测线上。在采集过程中,通过电缆首、尾定位和罗盘鸟进行了面元覆盖次数的实时监控,保证电缆近段、中段、远段的面元覆盖率。所有测线近、中、远道均没有空缺面元(图4);对相邻面元近道、中道、远道横向扩展50%(向两边各扩展25%),扩展之后面元为25 m(纵向)×50 m(横向),使面元近道、中道、远道均匀覆盖,近、中、远道综合覆盖率超过80%(图5)。

图4

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图4   原始面元覆盖率

Fig.4   Original bin coverage map


图5

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图5   扩展后面元覆盖率

Fig.5   Expanded bin coverage map


2 准三维地震处理关键技术

由于地震采集设计为二维观测系统,按照准三维处理的处理方式,其基本处理思路是:先按照二维测线分别压制各类噪声;然后定义三维网格,按面元进行道集分选,并在此基础上进行面元规则化处理、三维速度分析和三维叠前偏移成像处理等。在准三维地震资料处理中采用的主要技术有:鬼波压制技术,提高地震剖面的分辨率;组合去噪和压制多次波技术,提高道集的信噪比;五维插值技术,进行面元规则化处理,保证每个面元的覆盖次数均匀;单源、单缆准三维地震资料处理在常规二维地震资料处理基础上增加了三维叠前时间和深度成像处理,以便获取准确的三维成像数据体[18⇓⇓⇓⇓⇓⇓-25]。基本处理流程如图6。其中准三维处理的关键技术是三维面元规则化处理和鬼波压制技术。

图6

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图6   准三维地震资料处理流程

Fig.6   Quasi-three-dimensional seismic data processing flow


2.1 鬼波压制技术

在海洋地震数据采集过程中,鬼波也会被同时采集到,这严重影响了地震有效信号的保真度。震源和检波点的鬼波会造成地震信号旁瓣变大,分辨率降低,在频带上产生与水深有关的陷波作用,使得有效频率变窄,严重影响地震的分辨率和信噪比,进而影响地震信号对油气聚集区域的细节刻画(图7)。

图7

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图7   去鬼波原理

Fig.7   Synoptic map of deghost


在地震数据处理过程中,去除鬼波影响,消除陷波作用,拓宽频带,使地震资料频带信息丰富,有利于开展宽频反演技术,可为油气勘探提供更精确的信息。

针对不同角度、不同空间响应的鬼波,笔者精确地估算出鬼波的延迟时间,有效地抑制了鬼波对一次反射成像的干扰,突出有效反射波同相轴,使地震剖面波组特征清晰,同时也提高了地震数据的分辨率,为后期的解释工作提供可靠性基础资料。如图8、图9、图10所示,通过鬼波压制处理成功地补偿了数据的低频成分,展宽了频带,丰富了数据的频率信息。

图8

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图8   去鬼波前后频谱分析

Fig.8   Frequency analysis before and after deghost


图9

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图9   去鬼波前(a)后(b)道集对比

Fig.9   Comparison of gather before(a) and after(b) deghost


图10

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图10   去鬼波前(a)后(b)叠加剖面对比

Fig.10   Comparison of stacking profile before(a) and after(b) deghost


2.2 面元规则化处理

由于是单源、单缆采集的地震资料,覆盖次数、方位角等采集参数差异很大,对数据叠加成像、分辨率及横向能量不均衡或成像空白影响很大,必须对野外采集到的数据进行三维空间插值处理。因此,面元规则化处理的目的就是使二维采集的数据,通过纵横向数据插值,能够适应三维地震采集数据处理要求。如何能做好插值及面元规则化工作是处理的关键。

常规插值技术只考虑炮点方向、检波点方向、时间、偏移距4个参数,而五维插值引进了方位角信息,更加遵循了地震数据在时间、空间(x,y)、偏移距及方位角的振幅变化。

五维插值原理就是在5个不同域对不规则数据在频率域做傅里叶正、反变换,利用五维信息沿着炮线及检波线输出规则网格的数据。五维插值可以保留原始采集的数据道,而不是简单地把它用插值道替换,这样可以对比插值道与原始道的情况,来验证插值道的保真合理性。针对特别不规则的地震数据,五维插值内部还可以选用反遗漏傅里叶变换的方法,进一步避免输入数据不规则造成的能量突变。图11是五维插值前后叠加剖面对比,可以看出通过五维插值有效弥补了原始数据的缺失。

图11

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图11   五维插值前(a)后(b)初始叠加剖面对比

Fig.11   Comparison stacking profile before(a) and after(b) five-dimension interpolation


理论上讲,面元网格越大,覆盖次数越高;面元网格越小,覆盖次数越低。但是增大面元往往会使得成像的分辨率降低。原始面元大小为12.5m×100m。根据野外采集参数综合考虑实际处理情况,定义三维观测系统时选择处理面元为12.5m×25 m。

由于实际处理面元与采集面元不同,所以面元的覆盖情况发生了变化。图12为原始资料覆盖次数,整个工区覆盖次数不均匀,由于野外采集的测线间距为100 m,存在许多平行Inline方向的低覆盖区域,很多位置覆盖次数小于5次甚至覆盖空白区,少部分位置覆盖次数达到120次以上。覆盖次数不均匀使得成像数据的分辨率会下降,同相轴横向连续差、振幅特征跳跃。面元规则化可以使每个面元内覆盖次数均匀,规则化后覆盖次数见图13,可以发现整个工区(除了边缘不满覆盖的位置)的覆盖次数均达到了120次,为后续三维体数据处理质量提供了保障。

图12

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图12   原始资料覆盖次数

Fig.12   Coverage plot of initial data


图13

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图13   规则化后覆盖次数

Fig.13   Coverage plot after interpolating


3 处理效果分析

在湍流海区域,针对长排列大容量三维采集数据进行准三维处理,采用本文的技术思路,做好关键技术的处理参数选择和优化,获得了比较理想的偏移成像数据体。图14是 2D处理与准3D处理的地震剖面结果。

图14

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图14   2D(a)与准3D(b)地震剖面对比

Fig.14   Comparison of 2D profile(a) with 3D profile(b)


对资料进行分析认为:信噪比增强。各种随机干扰、线性干扰、不同类型的多次波干扰均有效压制,尤其是本工区比较严重的乱流干扰也得到很好的压制,多次波和强线性干扰被压制,明显突出了浅、中、深各层的有效信息,信噪比得到很大提升。对比二维和准三维地震剖面,二维剖面的信噪比较低,剖面上存在大量线性干扰、绕射波,反射同相轴成像比较模糊,而在准三维地震剖面上就清晰得多,分辨率提高。二维地震分辨率较低,准三维地震剖面的中、深层分辨率比二维明显改善,构造特征清晰。特别是深部,在二维地震剖面上几乎看不到的深部地层有效反射波组,在采用准三维地震勘查技术后获得了比较好的成像效果,如:原来隐约存在的模糊同相轴都清晰展示出来,绕射波收敛归位,断点、断面清晰,凹陷内部反射清晰展现,断层边界明确。

基于三维地震剖面,可以较好地刻画重点构造的圈闭形态及重要目标层段的沉积特征分析。如上侏罗统海底扇在三维数据体内可持续追踪。海底扇砂体底部与下伏厚层半深海相泥岩突变接触,顶部与上覆厚层海陆过渡相泥岩呈渐变接触,整体表现为一套稳定的强振幅反射。其中,顺物源方向(图15),地震剖面上为楔状外形,可以明显看到自SE往NW方向前积的下超特征。海底扇可以划分为四期,其中,第二期和第三期是鼎盛期,推测其含砂率最大。

图15

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图15   海底扇体地震反射特征

Fig.15   Seismic reflection characteristics of submarine fan


4 结论

长排列大容量准三维地震勘查技术是通过单一组合震源放炮、单条长电缆接收的传统二维采集方式的高密度采集,野外施工按照三维面元覆盖进行现场质控,室内地震资料处理采用三维成像处理方法,形成三维地震数据体的地震勘查技术。它适用于湍流异常发育、无法进行三维地震采集作业的复杂海区,采用二维采集、三维成像的方法,尤其是采用五维插值技术进行数据规则化处理关键技术,成功获得三维地震成像数据体,并且三维地震剖面成像效果明显优于传统二维地震剖面,明显改善了复杂地质构造中、深层的地震成像效果,满足油气勘探的需要。该项技术在南海北部海域中生界油气勘探中取得了较好的应用效果。

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