炮道密度與觀測參數(shù)的關(guān)系研究

炮道密度與觀測參數(shù)的關(guān)系研究

隨著油氣勘探的深入和三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展成熟，高密度-高密度三維地震勘探技術(shù)已成為解決當前油氣勘探中復雜問題的重要技術(shù)對策之一。地震采集成本的大幅度增加在一定程度上制約了新技術(shù)的大規(guī)模推廣及應用，平衡采集參數(shù)與采集成本一直是地震采集設(shè)計關(guān)注的問題。VERMEER但仍有許多問題值得進一步探討，如三維炮道密度的地球物理意義；炮道密度與傳統(tǒng)三維觀測系統(tǒng)設(shè)計中的面元、覆蓋次數(shù)、接收道數(shù)等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系等。從本質(zhì)上認識和了解相關(guān)問題，將有助于業(yè)界對炮道密度這一概念的準確理解和應用。本文在NORM1面元總的覆蓋次數(shù)NORM(1)(2)(3)=式中：為方便討論，將接收線間距和接收道間距等距離分割的含有檢波點的最小單位面積定義為檢波點子域==有效面積======式中：將公式(6)、公式(7)和公式(11)代入公式(3),得到炮道密度與排列片總的接收道數(shù)及炮點子域的關(guān)系式：(13)將公式(5)、公式(8)和公式(12)代入公式(3),得到炮道密度與排列片覆蓋的炮點總數(shù)及接收道子域的關(guān)系式：(14)三維觀測系統(tǒng)設(shè)計中，面元(15)縱向覆蓋次數(shù)(16)(17)面元總的覆蓋次數(shù)(18)將公式(7)、公式(15)與公式(18)代入公式(3)整理得到：(19)公式(19)為國內(nèi)業(yè)界常用的炮道密度公式，一般被理解為炮道密度等于面元的總覆蓋次數(shù)與面元的面積之比。由公式(3)還可以推導出：(20)(21)式中：由公式(4)、(13)、(14)、(19)和公式(21),對炮道密度的物理意義重新梳理，得出以下認識：1)炮道密度是單位面積內(nèi)有效炮檢對的總個數(shù)或單位面積覆蓋范圍內(nèi)所有面元的總覆蓋次數(shù)，等于面元有效覆蓋次數(shù)與面元大小的比值。2)以炮點子域為單位面積的炮道密度等于排列片總接收道數(shù)，與三維觀測系統(tǒng)屬性的接收線總道數(shù)相同。3)以接收道子域為單位面積的炮道密度等于排列片覆蓋范圍內(nèi)的總炮數(shù)，與三維觀測系統(tǒng)屬性的排列片覆蓋范圍內(nèi)總炮數(shù)相同。4)以面元為單位面積的炮道密度，即面元的有效覆蓋次數(shù)，與三維觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)等同。對于擬定的三維觀測面元，炮道密度增加或減小即代表覆蓋次數(shù)增加或降低。5)以子區(qū)為單位面積的炮道密度，等于排列片總接收道數(shù)與子區(qū)炮點數(shù)的乘積，或為排列片覆蓋范圍內(nèi)總炮點數(shù)與子區(qū)接收道數(shù)的乘積，前者是子區(qū)共接收點子域(道集)的炮點數(shù)，后者為子區(qū)共炮點子域(道集)的接收道數(shù)。炮道密度概括了常規(guī)三維觀測系統(tǒng)中的排列片總接收道數(shù)、排列片總炮數(shù)及面元覆蓋次數(shù)、子區(qū)的接收道數(shù)和炮點數(shù)等參數(shù)，將其作為三維地震采集評價的綜合參考指標，具有實際意義。由于炮道密度與面元、炮點子域和接收道子域的大小相關(guān)，炮道密度區(qū)別于面元覆蓋次數(shù)、排列片接收道數(shù)和排列片覆蓋的炮數(shù)等概念，尤其是在相同炮道密度條件下，面元、炮點子域或檢波點子域大小的變化，將改變?nèi)S觀測系統(tǒng)的屬性如覆蓋次數(shù)、方位角和偏移距的分布等，在不同程度上影響地震成像效果，對常規(guī)三維觀測系統(tǒng)參數(shù)的具體描述是炮道密度應用的基礎(chǔ)。2觀測系統(tǒng)優(yōu)化由公式(13)、公式(14)和公式(19)可知，相對于一定的炮道密度，三維觀測系統(tǒng)的變化可以概括為3種方式，即炮點子域的變化、檢波點子域的變化和面元大小的變化。旨在討論上述3種方式的三維觀測系統(tǒng)屬性變化，結(jié)合野外實際，提出觀測系統(tǒng)優(yōu)化的策略。為討論方便，假設(shè)三維觀測系統(tǒng)模板為20L10S180F720T+正交，基本參數(shù)如下：接收道距為20m,接收道數(shù)為720道，接收線距為200m,接收線數(shù)為20線，總接收道數(shù)為14400道；炮點距為20m,炮線距為400m,子區(qū)內(nèi)相鄰炮線間的接收線道數(shù)為20道，相鄰接收線間的炮點數(shù)為10炮，面元大小為10m×10m,覆蓋次數(shù)為180次，炮道密度為180×10正演觀測方式特點在實際生產(chǎn)中，炮點子域變化的三維觀測方式最常見的兩種形式分別為：①保持子域面積不變，僅改變子區(qū)內(nèi)炮點與炮線的相對幾何關(guān)系；②炮點間距不變，增大或縮小炮線間距。子域面積不變，僅改變炮點與炮線的相對關(guān)系，業(yè)界習慣的做法是將一個炮排拆分為多個交錯的炮排，稱之為炮排交錯。如炮點子域為400m×20m(炮線距×炮點距),采用炮排交錯可變化為200m×40m,100m×80m,80m×100m和40m×200m4種方式(圖2),其中，40m×200m觀測方式被定義為斜交觀測。相對于正交觀測，炮排交錯屬斜交觀測的一種形式。子區(qū)炮點規(guī)則性的變化與重復，改變了觀測系統(tǒng)及面元的方位角分布和偏移距分布屬性。以400m×20m,200m×40m,80m×100m和40m×200m為例，正交觀測、炮排交錯觀測和斜交觀測方式的變化具有如下特點：1)排列片總接收道數(shù)不變，總炮點數(shù)不變，相對于滿覆蓋范圍，施工面積不變。2)炮點在子區(qū)內(nèi)沿縱向移動，沒有改變炮點與接收線的相對關(guān)系，觀測系統(tǒng)的總體方位角和偏移距分布的屬性不變，子區(qū)偏移距分布統(tǒng)計屬性沒有差異(圖3)。3)面元的方位角和偏移距的分布存在一定差異，相對于正交觀測，斜交觀測面元的方位角和近偏移距分布屬性相對均勻，炮排交錯介于兩者之間。模板4種觀測方式偏移距0～500m的覆蓋次數(shù)，斜交觀測9～10次，正交觀測和交錯觀測8～11次。面元全偏移距的分布交錯觀測較正交觀測和斜交觀測更均勻(圖4)。4)觀測系統(tǒng)的對稱性由正交觀測以炮線和接收線為對稱軸的鏡像對稱，轉(zhuǎn)變?yōu)樾苯挥^測以炮線與接收線交點為原點的點對稱，炮排交錯弱化了以上兩種對稱的特性，有利于消減采集痕跡。5)交錯觀測相對于正交觀測和斜交觀測方式，炮點的均勻分布，更利于共檢波點域、共偏移距域、OVT域及共疊加道集等多域的噪聲估計與消除。炮線間距增大或減小，其炮點子域的面積也隨其增加或減小，排列線的接收道數(shù)與排列片總接收道數(shù)亦隨其增加或減少。如炮線間距由400m增大到600m,排列線的接收道數(shù)由720道增加到1080道，排列片總的接收道數(shù)由14400道增加到21600道；反之，如炮線間距由400m減小到300m,排列線的接收道數(shù)由720道減少到540道，排列片總的接收道數(shù)由14400道減少到10800道。炮道密度不變，炮點距不變，隨炮線距的增加觀測系統(tǒng)的變化具有以下4個特點：1)總炮點數(shù)不變，但排列片總的接收道數(shù)增加，相對滿覆蓋范圍，炮點分布面積增加，一次覆蓋面積增大；2)觀測系統(tǒng)的方位角和偏移距分布屬性變化顯著，中-小偏移距覆蓋次數(shù)減少，大偏移距覆蓋次數(shù)增加，方位角覆蓋次數(shù)縱向上增強，橫向上減少；3)觀測系統(tǒng)的對稱性相同，均勻性變差，采集痕跡增強；4)面元的深層覆蓋次數(shù)相同，淺層覆蓋次數(shù)明顯減少。理論上，炮線間距增大不利于改善地震成像，尤其是中淺層目的層。正交觀測是目前高密度三維地震采集首選的觀測方式。在經(jīng)濟條件允許的情況下，采用可能小的炮線間距，以增加小偏移距的覆蓋次數(shù)，改善中小偏移距分布的均勻性，有利于提高地震剖面品質(zhì)。當炮線間距明顯大于接收線間距時(1.5～2.0倍),可采用炮排交錯方式，優(yōu)化中小偏移距分布的均勻性。排列片面元的大小變化與炮點子域的變化形式一樣，一是子域面積不變，采用增大接收道距、交錯接收道和增加接收線數(shù)方式，類似于炮排交錯，多應用于寬線采集或三維束采集試驗；二是接收道距不變，增大或減小接收線距，這種變化是三維地震采集設(shè)計常采用的模式。炮點距不變，排列片接收線距增大，排列片的寬度增加(最大非縱距小于縱向最大偏移距),觀測系統(tǒng)表現(xiàn)為由窄方位向?qū)挿轿蛔兓奶卣鳎孩僮訁^(qū)或排列片覆蓋范圍內(nèi)的炮點數(shù)增加。如接收道子域為200m×20m(接收線距×接收道距),子區(qū)炮點數(shù)為10炮，當子區(qū)增大為240m×20m,子區(qū)的炮點數(shù)為12炮。排列片覆蓋范圍內(nèi)的炮點數(shù)由7200炮增加到8640炮，但滿覆蓋范圍內(nèi)總炮點數(shù)不變；②觀測系統(tǒng)的偏移距和方位角屬性變化顯著。小偏移距的覆蓋次數(shù)減少，大偏移距的覆蓋次數(shù)增加；而方位角的分布更趨均勻；③觀測系統(tǒng)的對稱性不變；④子區(qū)中心面元的淺層覆蓋次數(shù)明顯減少，面元間的相似性變差。接收線距對成像的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：①接收線距的大小影響淺表層反演建模的精度，山前帶正演模擬研究表明炮點、接收道分布的影響炮道密度不變，面元大小變化的實質(zhì)是面元覆蓋次數(shù)的變化。面元增大，面元覆蓋次數(shù)增加，反之，覆蓋次數(shù)降低。如炮道密度為180×10面元大小由炮點距和接收道距確定，小的面元需要小的接收道距和炮點距。小接收道距和炮點距的優(yōu)勢在于：①有利于近地表小尺度速度異常體的估計。理論模擬研究和鎮(zhèn)巴山前帶生產(chǎn)實踐證明面元減小，面元的覆蓋次數(shù)降低，將導致地震剖面的信噪比降低，而接收道距的減小，有利于噪聲的估計和壓制，一定程度上能彌補覆蓋次數(shù)降低后剖面信噪比的損失。殷厚成等綜上所述，一定的炮、道密度條件下，三維觀測系統(tǒng)的變化是復雜的，炮點和接收道子域的變化，影響面元方位角及偏移距覆蓋次數(shù)的分布，淺層較深層明顯；相對炮點和接收道子域的變化，面元大小的變化，導致面元覆蓋次數(shù)的增加或減少，對地震成像的影響更為顯著，基于對信號和噪聲的無假頻采樣及面元屬性均勻分布的需求，減小接收線距和接收道距，采用交錯炮排觀測方式，是觀測系統(tǒng)優(yōu)化可選擇的方式。3炮道密度、觀測方法和地震圖像的成像觀測方式的確定YA高密度三維觀測系統(tǒng)為：36L7S360T180F+正交，接收道距為20m,接收線間距為140m,接收道密度為357道/km在觀測系統(tǒng)36L7S360T180F+正交的基礎(chǔ)上，抽取不同面元、不同炮道密度及觀測方式(表1),可以看出：①面元大小不變，增加或減少接收線。②擴大面元，面元大小20m×20m,剔除接收道或線，或剔除炮點或炮線。不同的觀測方式是以10m×10m為基本面元的疊前時間偏移數(shù)據(jù)體，具有相同的去噪、靜校正和偏移速度場及處理流程。面元不變，接收線增加，其炮道密度和覆蓋次數(shù)增加，假設(shè)目的層深度為3000m,觀測方式為16L7S360T,20L7S360T,28L7S360T和36L7S360T,按NORM剔除接收道或接收線，擴大面元處理，觀測方式為18L7S180T(D1),18L7S360T(C1),36L7S180T(B1)和36L7S360T(A1)的理論覆蓋次數(shù)分別為180次、360次、360次和720次，剖面相關(guān)信噪比分別為2.07,2.24,2.51和2.67(圖8),觀測方式剔除炮點或炮線的觀測方式得到了相同的結(jié)論：①覆蓋次數(shù)增加，剖面信噪比增加；②相同的道密度，炮點分布越均勻(剔除接收道的觀測方式獲得的地震剖面信噪比明顯高于剔除炮點的觀測方式，高的炮點密度(不同觀測方式界面的結(jié)構(gòu)特征及振幅屬性SHB高密度三維觀測系統(tǒng)為48L8S528T792F+正交，接收道距為25m,接收線距為200m,排列片接收總道數(shù)為25344道，接收道密度為200道/km以觀測系統(tǒng)48L8S528T+正交為基礎(chǔ)，采用剔除炮點或炮線及接收點或接收線等方式，得到不同的觀測方式與地震數(shù)據(jù)體，限于篇幅，這里僅介紹三種變化的觀測方式(表2),討論一定面元條件下，覆蓋次數(shù)及炮道密度的變化對縫洞儲集單元成像的影響。變化的觀測方式與原觀測系統(tǒng)的區(qū)別在于，方式A減少了接線數(shù)，近偏移距覆蓋次數(shù)不變，中遠偏移距覆蓋次數(shù)顯著減少，覆蓋次數(shù)在方位角45°～135°和225°～315°域基本不變，在135°～225°和315°～45°域顯著減少；方式B為交錯炮排，減少了炮點數(shù)；方式C減少接收線和增加接收線距，兩者的不同偏移距覆蓋次數(shù)和不同方位角覆蓋次數(shù)同等程度減少，差別在于前者近-中偏移距覆蓋次數(shù)的分布較后者更均勻。3種觀測方式的理論覆蓋次數(shù)均為396次。不同觀測方式的逆時偏移成像剖面具有較高的信噪比，所反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂及沿斷裂發(fā)育的縫洞儲集單元的結(jié)構(gòu)特征和振幅屬性總體相似(圖10)。地層產(chǎn)狀平緩，走滑斷裂產(chǎn)狀直立，縫洞儲集單元呈強振幅或亮點沿斷裂分布。但其細節(jié)存在一些明顯差異，觀測方式A對斷裂及縫洞描述的精度明顯較觀測方式B和C更為精細，斷面的空間產(chǎn)狀展布更為清晰。與觀測方式A相比，方式B和C略有差異，觀測方式B與A的相似程度略高于觀測方式C。觀測方位對高傾角走滑斷裂及縫洞儲集單元成像的影響在業(yè)界備受關(guān)注。保持炮點、炮排和面元大小不變，在觀測系統(tǒng)48L8S528T+正交的基礎(chǔ)上，通過剔除接收線方式，獲得以下5種不同橫縱比的觀測方式，分別為：A24LF396,橫縱比為0.362;B32LF528,橫縱比為0.484;C36LF594,橫縱比為0.545;D40LF660,橫縱比為0.605;E48LF792,橫縱比為0.727。觀測方式屬性的變化特點是：由觀測方式A到觀測方式E,隨接收線數(shù)的增加，炮道密度增加，中-遠偏移距面元覆蓋次數(shù)增加，橫縱比增加，135°～225°和315°～45°角度域的覆蓋次數(shù)增加。采用同一速度場的疊前深度偏移剖面上總體構(gòu)造特征基本一致(圖11);縫洞儲集單元表現(xiàn)為中-強振幅的“串珠”,并隨接收線的增加即覆蓋次數(shù)的增加，4000～5500ms目的層信噪比明顯增加，“串珠”的截面積明顯增大。換一個角度理解，即①一定面元大小，剖面信噪比隨覆蓋次數(shù)或炮道密度增加而增加；②一定高的覆蓋次數(shù)，近-中偏移距更有利于縫洞儲集單元及邊界的準確成像與精細刻畫，斷裂產(chǎn)狀更清晰。分選偏移距的疊前深度偏移剖面也得到相同的結(jié)論(圖12),圖中，最大偏移距范圍為3000～4000m,斷裂邊界及縫洞儲集單元特征比5000～8000m偏移距更為明顯。縫洞儲集單元及邊界產(chǎn)狀是斷層的組成要素，斷裂的成像問題其實質(zhì)是沿斷裂發(fā)育的縫洞儲集單元及斷層邊界的成像問題。實際資料表明，近-中偏移距分布均勻的三維數(shù)據(jù)體提高了斷裂帶成像的精度，高覆蓋次數(shù)有利于提高信噪比。散射波的理論研究認為，散射體產(chǎn)生的散射波，表現(xiàn)為一組頂點沿散射體分布的繞射波，頂點能量最大。波場記錄上，散射波最小走時的位置位于散射體上方，與激發(fā)點位置無關(guān)。散射波強度與波阻抗差和入射角以及散射體的尺度與地震波波長比有關(guān)，散射體尺度和地震波波長接近時，散射能量最大。地表激發(fā)和接收時，其主能量區(qū)位于散射體在地表的投影；點散射波的能量比水平界面產(chǎn)生的反射能量一般小