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物探与化探, 2023, 47(2): 377-383 doi: 10.11720/wtyht.2023.1110

方法研究·信息处理·仪器研制

基于大型低频可控震源的超深储层广角反射采集技术

苏海,1,2, 乔金1,2, 张忠楠3, 杜中东4, 张永豪1,2, 赵挥5, 李爱荣1,2

1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065

2.陕西省油气成藏地质学重点试验室,陕西 西安 710065

3.陕西省榆林市榆阳区第二采气厂作业七区,陕西 榆林 719054

4.中国石油集团东方地球物理公司 长庆物探处,陕西 西安 710016

5.长庆油田采气三厂第三处理厂,陕西 西安 710018

Wide-angle reflection acquisition technology for ultradeep reservoirs based on large-scale low-frequency vibroseis

SU Hai,1,2, QIAO Jin1,2, ZHANG Zhong-Nan3, DU Zhong-Dong4, ZHANG Yong-Hao1,2, ZHAO Hui5, LI Ai-Rong1,2

1. School of Earth Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China

2. Key Laboratory of Hydrocarbon Accumulation of Shaanxi Province, Xi'an 710065, China

3. The Seventh District of the Second Gas Production Plant in Yuyang District, Yulin City, Shaanxi Province,Yulin 719054,Cina

4. Changqing Geophysical Department,BGP Inc,CNPC, Xi'an 710016, China

5. The Third Treatment Plant of the Third Gas Production Plant of Changqing Oilfield, Xi'an 710018,China

第一作者: 苏海(1970-),男,陕西洋县人,博士,副教授,毕业于日本冈山大学,从事地震勘探处理方法的研究工作。Email:suhai@xsyu.edu.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-03-17   修回日期: 2022-04-26  

基金资助: 国家自然科学基金项目(41772140)
西安石油大学研究生创新与实践能力培养计划项目(YCS22113092)

Received: 2022-03-17   Revised: 2022-04-26  

摘要

随着超深储层的油气勘探力度不断加大,针对复杂的表层结构和地下地质构造地区,常规地震勘探方法难以获取信噪比较高的有效反射信息,地震资料成像效果差,地震剖面难以清楚刻画工区的地质构造。因此,基于大型低频可控震源激发技术,根据野外采集要求,结合地质任务,选择采用高密度二维广角反射地震观测系统进行地震资料采集,通过广角地震波数值模拟和野外试验工作,优选出适合本工区的野外采集参数。研究结果表明,基于大型低频可控震源的超深储层广角反射采集技术,能够获得较强能量的远偏移距处的弱反射地震信号,特别是深层的低频信息,有效地提高了地震资料信噪比。相对于常规地震叠加剖面,广角反射地震叠加剖面品质得到明显改善,同相轴连续,构造部位清晰可见,地震成像效果良好。野外生产实践证明,广角反射地震勘探技术对超深层油气勘探具有重要的应用价值。

关键词： 超深储层; 可控震源; 广角反射; 采集参数; 成像效果

Abstract

With the intensification of hydrocarbon exploration in ultradeep reservoirs, conventional seismic exploration methods are no longer applicable to areas with complex surface structures and underground geological structures because they are difficult to acquire effective reflection information with high signal-to-noise ratio, the imaging effects of seismic data are poor, seismic profiles fail to clearly present the geological structures of study areas. Based on the large-scale low-frequency vibroseis excitation technology, the field acquisition requirements, and geological tasks, this study adopted a high-density two-dimensional wide-angle reflection seismic observation system to collect seismic data. This study selected the optimal field acquisition parameters suitable for the study area through numerical simulation of wide-angle seismic waves and field tests. As indicated by the results of this study, the wide-angle reflection acquisition technology for ultradeep reservoirs based on large-scale low-frequency vibroseis can acquire weakly reflected seismic signals at locations with far offset and strong energy, especially the deep low-frequency information, thus effectively improving the signal-to-noise ratio of seismic data. Compared with conventional seismic stacked sections, the wide-angle reflection seismic stacked sections have significantly improved quality, continuous events, clearly visible structural parts, and encouraging seismic imaging effects. The field production practices dominate that the wide-angle reflection seismic exploration technology can be applied to ultradeep hydrocarbon exploration.

Keywords： ultradeep reservoir; vibroseis; wide-angle reflection; acquisition parameter; imaging effect

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本文引用格式

苏海, 乔金, 张忠楠, 杜中东, 张永豪, 赵挥, 李爱荣. 基于大型低频可控震源的超深储层广角反射采集技术[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 377-383 doi:10.11720/wtyht.2023.1110

SU Hai, QIAO Jin, ZHANG Zhong-Nan, DU Zhong-Dong, ZHANG Yong-Hao, ZHAO Hui, LI Ai-Rong. Wide-angle reflection acquisition technology for ultradeep reservoirs based on large-scale low-frequency vibroseis[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(2): 377-383 doi:10.11720/wtyht.2023.1110

0 引言

随着油气地震勘探技术的不断发展,利用低频可控震源激发的地震信号具有穿透能力强、信号衰减小且不易发生频散的特点,可以提高超深层地震资料的信噪比和成像品质[1]。 Goloshubn等在研究油气成藏特征时发现,在油区上方1~10 Hz范围内噪声功率谱的幅值明显大于油区外的幅值[2];Castagna等通过10 Hz和30 Hz的滤波试验,发现低频高能量团逐渐消失[3];陶知非团队自主研发了LFV3低频可控震源技术,可以激发更加稳定、可靠的低频地震信号[4];周锦钟等在柴达木盆地采用低频可控震源“两宽一高”勘探技术,获得了低频信息丰富的地震资料[5]。随着油气勘探程度的不断深入,超深层地震勘探已成为油气资源勘探的重要趋势[6]。Richards发现在临界角及超过临界角范围内的反射波能量更强,即为广角反射波[7];杨智超等通过广角地震勘探对四川盆地超深储层进行了研究,获取到高速遮蔽层下的高信噪比地震资料[8];张岩等利用可控震源以及广角地震采集技术对某盆地进行了超深层目标勘探,获得了高品质的地震记录[9]。低频地震信号有利于深部地质构造的研究,在深层波阻抗反演中发挥了重要作用[10]。利用低频可控震源激发技术,不仅能够获取起始频率更低、频带更宽的地震记录,而且更加安全、经济、环保、高效。

在地震勘探过程中,针对逆掩断层、裂缝带等复杂地质构造,常规地震勘探方法难以获取信噪比较高的有效反射信息,如果出现了波的散射和转换波,会造成目的层位成像难的问题[11]。在高速层遮蔽区域或散射严重的地区,利用广角反射的特点,在炮检距大于折射盲区宽度的区域,能够获取能量强的广角反射地震信号,从而提高深层信号的能量,拓宽地震信号频带,解决常规地震勘探成像效果不佳的问题。逆时偏移成像技术虽然能够提高复杂构造的成像精度,但在偏移成像后损失了部分低频信息,使得地震资料的频带变窄[12]。为保留低频有效信息,拓宽频带,提高地震资料信噪比,改善成像品质,基于大型低频可控震源激发技术,对震源参数进行优选,采用高密度宽线广角地震采集方法,针对深度范围在6~10 km的超深储层进行勘探,获得了较好的广角反射地震成像效果。

1 低频可控震源激发技术

1.1 低频可控震源信号

目前非炸药震源普遍应用在陆地勘探工作中,可控震源激发正弦扫描信号,并对记录的信号进行相关处理,最后通过检波器获取地层反射信号。地震波在地下介质传播过程中,由于介质的非完全弹性会引起地震波振幅的衰减,而且高频信号比低频信号衰减的快。相较于常规可控震源,低频可控震源激发的低频信号在传播过程中穿透性强,不易发生衰减和散射,可以有效提高深层、超深层的反射能量,且低频正弦扫描信号的频带宽度和振幅在一定范围内可控。线性扫描信号s(t)的自相关函数Φ(τ)可表示为[13]

Φ(τ)≈A22Tdsinπ·ΔfτπΔfτcos(2π)f0+Δf2Tdτ,0≤τ≤Td;f0=fs+fe2。 

式中:A为扫描信号振幅;f0为中心频率;fs为起始频率;fe为终止频率;Δf为扫描频带宽度,Δf=fe-fs;Td为扫描信号持续时间;τ是信号处理后的记录时间。

扫描信号通过自相关处理后,形成了类似脉冲信号,其主瓣峰值代表信号的总能量,宽度为Δτ=2/Δf,通过选取合适的扫描宽度Δf,使得Δτ小于相邻界面的反射时差,便能达到垂向分辨率的要求[14]。

1.2 大型低频可控震源参数优选

目前,高精度低频可控震源激发频率已经达到1.5 Hz,能够满足低频信息对深层目标成像的要求,为了达到预期的勘探效果,可根据不同的地质条件选择不同的震源激发参数。可控震源参数主要包括起止频率、频带宽度、震源台次、扫描时间、驱动幅值等[15],本文重点研究了扫描频率、震源台次、扫描长度这3种震源参数。

图1给出了3~96 Hz和1.5~84 Hz扫描频率的试验对比结果,震源台次为2台1次,扫描长度为20 s,驱动幅值为65%。试验结果表明:分频扫描38—40—50—52(Hz)范围内,同相轴连续清晰,随着扫描频段的增加,优势频段的激发能量也在减弱,而3~96 Hz频率扫描的激发能量相对较弱。因此,结合浅表层激发岩性和井炮炸药震源采集的资料频宽,选择1.5~84 Hz作为震源扫描频率。

图1

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图1   低频可控震源扫描频率优选

Fig.1   Optimal scanning frequency band of low frequency vibroseis


为了避免单台震源输出功率过大,应当选择合适的震源台次,利用震源组合的统计效应来有效压制地表干扰[16]。图2给出了震源台次分别为3台和4台时的试验对比结果。图中可见,随着振动台次的增加,深层的反射能量逐渐增强,同相轴更加清晰,连续性变好,深层反射的信噪比明显改善。因此,选择4台1次进行激发。

图2

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图2   低频可控震源台次优选

Fig.2   Optimal setiing of low frequency vibroseis


图3给出了扫描长度分别为20 s和22 s时的试验对比结果。图中显示,当扫描长度增加到22 s时,同相轴连续性有所下降,因此选择扫描长度为20 s,这样不仅可以满足分频谐波在有效波的记录之外,而且降低了有效信号垂直叠加的风险,提高了信号的稳定性,满足了节能的要求。

图3

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图3   低频可控震源扫描长度优选

Fig.3   Optimal scanning length of low frequency vibroseis


通过参数试验对比,最终优选出工区的可控震源参数为:扫描频率1.5~84 Hz,震源台次4台1次,扫描长度20 s。

2 超深储层广角反射地震采集参数优选

工区位于鄂尔多斯盆地西缘冲段带北段,通过已有地震资料得知,工区内中—新元古界坳陷槽发育有利的烃源岩地层,埋深约为5 500 m,属于超深储层。工区表层地震地质条件差,低降速带发育,西部为黄土沟壑区,东部为平坦沙草地区,表层岩性变化大,地震波吸收衰减严重;北部分布大量胶泥夹石膏,东南部砂岩地层出露,地震波散射现象严重。地下断裂构造发育,导致地震波场复杂,目的层成像难度较大。因此,使用广角地震采集技术,建立该工区地质模型进行超深储层广角地震波场数值模拟,优化广角反射观测系统的采集参数,并和已有的非广角地震资料进行对比,最终确定采集参数。

2.1 广角地震波数值模拟

当炮检距大于折射盲区的宽度,且入射角大于临界角时,可以接收到广角反射波[17]。工区中—新元古界目标层(T4)埋深5 400 m左右,根据地质资料建立水平层状地质模型[18](图4)。

图4

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图4   广角反射地质模型、目标层反射系数分析、模拟单炮记录及振幅系数能量分布

Fig.4   Wide-angle reflection geological model, target layer reflection coefficient analysis and energy distribution chart of amplitude coefficient of simulated single shot record


图4a为广角反射地质模型,模型由6个地层组成,地层分界面埋藏深度分别为200、1 600、2 300、3 600、5 400 m,对应的纵波速度分别为1 700、3 000、3 500、4 000、4 600、5 000 m/s。道间距20 m,炮间距40 m,震源子波为40 Hz的雷克子波,采用声波波动方程进行模拟正演。

图4b反映了目标层(5 400 m)分界面反射系数随偏移距的变化,可以发现,从炮检距6 700 m左右开始,反射系数逐渐增大,并在7 800 m处达到峰值。图4c为模拟单炮记录振幅系数能量分布图,在炮检距6 720 m处振幅能量呈明显上升趋势,并在7 800 m处达到峰值,由此计算出工区的折射盲区宽度约为7 200 m,并在炮检距为8 000 m处出现广角反射。因此,观测系统的炮检距应该大于8 000 m,才能够确保接收到广角反射波。对比以往的地震资料发现,在8 400 m处接收到了广角反射波,说明模拟广角反射信号的产生与实际情况基本符合。

2.2 广角反射观测系统采集参数优选

根据广角反射波的特点,当入射角大于临界角时,在大偏移距处能够接收到能量强、频率低的超深层广角反射波[19]。根据野外采集要求,结合地质任务,采用高密度二维广角地震观测系统进行采集,观测系统的参数为:道数2×1 200道,道间距20 m,炮间距40 m,排列长度为30 km,炮线数1线,接收线数2线,覆盖次数1 200次。采用盒子波调查方法确定的最佳检波器组合方式为:每道3串12个频率为10 Hz的检波器,由接收点距3 m、排距3 m面积组合

接收。

3 野外采集资料效果分析

利用可控震源激发的低频地震波具有传播距离远且不易衰减的特点,能够有效提高深层反射波的能量,提高地震资料信噪比。图5为常规地震勘探与广角反射单炮记录及其频谱,通过对单炮记录进行分频扫描可知,低频可控震源激发的广角反射波在各个频段包含的地震信息更加丰富,中深层弱反射能量明显增强,凸显出更多清晰的同相轴,信号频带变宽。从常规和广角反射单炮记录的频谱对比可知,广角反射单炮记录的频带较宽,在1~20 Hz范围内低频信息更加丰富,40~70 Hz范围内高频能量系数有所降低,但是常规反射单炮振幅能量系数还有突出的峰值。采用广角反射地震勘探技术,虽然在远偏移距处能够获得较强能量的深层弱反射地震信号,尤其能够得到更多的低频信息,但是损失了中高频段的地震信号。在广角反射勘探工作中,可以通过优化激发参数,例如增加震源台数和振动次数,在地震资料处理过程中,应用Q补偿、谱白化、子波整形改造等方法,解决中高频信号损失问题。

图5

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图5   常规地震勘探与广角反射单炮记录及其频谱

Fig.5   Conventional exploration and wide-angle reflection single shot records and their spectrum analysis diagrams


工区近地表结构复杂,容易产生转换波,初至以下深层反射信号能量弱,地震资料信噪比较差,运用广角反射地震勘探技术,对提高深层—超深层反射波振幅能量以及信噪比起着重要作用。图6为常规地震测线和广角反射测线的叠加剖面对比。采用常规地震勘探技术得到的叠加剖面(图6a),2 800~3 200 ms范围的深层反射波组模糊不清,同相轴连续性较差,构造部位未能显示出来。采用广角反射地震勘探技术,叠加剖面(图6b)的品质得到明显改善,2 800~3 200 ms反射波能量得到明显加强,断层上下盘更加清晰,构造形态细节刻画清楚,同相轴、反射波组连续性好,有效提高了地震成像品质。

图6

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图6   常规地震测线和广角反射测线的叠加剖面对比

Fig.6   Stacked profile comparison of wide-Angle reflection line and common line


综上所述,采用低频可控震源激发技术,能够获取低频信息丰富的有效反射波,采用广角反射地震勘探技术,对超深层油气勘探具有重要的应用价值。

广角反射采集技术虽然提高了超深层反射波的信噪比,拓宽了信号频带,但是通过单炮记录的频谱对比,高频信号有所缺失,而地震资料处理中的大偏移距动校正问题也有待进一步解决。针对上述问题,需要进一步优化广角反射观测系统的采集参数,以及对动校正方法进行研究。

4 结论

1)根据野外采集要求,结合地质任务,选择采用高密度二维广角地震观测系统进行采集,通过广角地震波数值模拟和野外试验工作,优选出适合本工区的野外采集参数,获取了高品质的地震资料。

2)基于大型低频可控震源的超深储层广角反射采集技术,能够获得较强能量的远偏移距处弱反射地震信号,特别是深层的低频信息,可有效提高地震资料信噪比。

3)相对于常规地震叠加剖面,广角反射地震叠加剖面品质得到明显改善,同相轴连续,构造部位清晰可见。广角反射地震勘探技术对超深层油气勘探具有重要的应用价值。

4)虽然广角反射地震资料具有更加丰富的低频信息,但是损失了部分中高频信号。此外,需要进一步优化广角反射观测系统采集参数,解决资料处理中大偏移距地震记录的动校正问题。

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[C]// 2018年中国地球科学联合学术年会论文集(四十三)——专题93: 超深层(油气)重磁电震勘探技术、专题94:深部预测方法, 2018:61-63.

[本文引用: 1]

Ni Y D, Du Z D, Wang Y D, et al.

Wide-angle seismic acquisition and processing technology based on ultra-deep target layer

[C]// Proceedings of the 2018 China Geosciences Joint Academic Annual Conference (forty-three)-Topic 93:Ultra-deep (oil and gas) Gravity Magnetic Electroseismic Exploration Technology,Topic 94:Deep Prediction Methods, 2018:61-63.

[本文引用: 1]

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