《高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用指南》

ICS75.020

CCSE90/99

T

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CIXXX-2023

高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集關(guān)鍵技

術(shù)與應(yīng)用指南

Technicalspecificationforhigh-precisiondesignof3Dseismic

acquisitiongeometries

（征求意見稿）

2023-X-X發(fā)布2023-X-X實(shí)施

中國國際科技促進(jìn)會?發(fā)布

高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用指南

1范圍

本指南規(guī)定了地質(zhì)目標(biāo)導(dǎo)向三維地震采集設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)程、技術(shù)要求和精度指標(biāo)。為了

規(guī)范地質(zhì)目標(biāo)導(dǎo)向三維地震采集設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)程、技術(shù)要求和精度指標(biāo)，特制定該標(biāo)準(zhǔn)，有

力促進(jìn)三維高精度地震采集技術(shù)在我國東部斷陷盆地油氣勘探、西部高陡構(gòu)造油氣勘探、以

及煤田及煤層氣地球物理勘探的推廣應(yīng)用。高精度三維地震采集設(shè)計(jì)是一種基于復(fù)雜介質(zhì)模

型波動(dòng)方程延拓的地震采集設(shè)計(jì)方法，具體做法為：將地面觀測臺陣向下數(shù)值延拓至地質(zhì)目

標(biāo)處進(jìn)行激發(fā)排列與接收排列的共聚焦分析，拾取聚焦能量強(qiáng)對應(yīng)的激發(fā)-接收射線對，據(jù)

此優(yōu)化地面觀測布陣，形成非規(guī)則稀疏地面采樣網(wǎng)絡(luò)，建立強(qiáng)化目標(biāo)定向探測的低成本高質(zhì)

量地震采集技術(shù)。本規(guī)范擬制訂的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成由以下五個(gè)部分組成：（1）適用范圍、規(guī)范性

引用文件、術(shù)語和定義；（2）三維速度建模；（3）地面規(guī)則密集觀測臺陣射線追蹤延拓；

（4）激發(fā)系統(tǒng)與接收系統(tǒng)聚焦分析；（5）強(qiáng)聚焦能量射線炮-檢對拾取，建立強(qiáng)化目標(biāo)定

向探測的非規(guī)則稀疏地面采樣網(wǎng)絡(luò)。

其它三維地震采集設(shè)計(jì)技術(shù)參照使用。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款，其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T33583-2017陸上石油地震勘探資料采集技術(shù)規(guī)程

SY/T5454-2017井中地震資料采集技術(shù)規(guī)程

NB/T10010-2014煤層氣地震勘探資料采集規(guī)范

SY5391-1991DSC地震數(shù)據(jù)采集站

SY/T5391-2007石油地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3術(shù)語及定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

1

三維地震采集

三維地震勘探是石油與天然氣勘探的主要工具，其主要過程包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、

數(shù)據(jù)解釋。三維地震數(shù)據(jù)采集需進(jìn)行三個(gè)主要步驟：地震采集設(shè)計(jì)、根據(jù)設(shè)計(jì)方案在野外布

設(shè)震源和檢波器，地震波的激發(fā)和接收。地震采集設(shè)計(jì)通常在室內(nèi)進(jìn)行，目標(biāo)是確定震源和

檢波器的最佳布設(shè)位置。陸上地震勘探的震源通常采用炸藥或可控震源，并沿地震測線等間

距布置多個(gè)檢波器來接收地震波信號，現(xiàn)代地震勘探中檢波器的數(shù)量通常為1000—10000個(gè)。

震源位置激發(fā)地震波，地震波遇巖層界面反射回來被檢波器接收并傳到記錄儀器，記錄儀器

將檢波器傳來的信號記錄下來，即可獲得用以研究地下油氣埋藏情況的地震數(shù)據(jù)。

3.2

高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集

數(shù)據(jù)采集是地震勘探的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，經(jīng)歷了從常規(guī)三維到高密度三維，目前進(jìn)入“兩

寬（寬頻、寬方位）一高（高密度）”時(shí)代，引領(lǐng)勘探地震學(xué)技術(shù)發(fā)展。然而，多年來的地

震勘探實(shí)踐表明，“兩寬一高”地震采集模式由于基于平緩層狀介質(zhì)地震波傳播理論，針對

上述雙復(fù)雜地區(qū)的勘探需求，其瓶頸在于：（1）對高陡構(gòu)造大角度反射波的采集能力嚴(yán)重

不足，高陡構(gòu)造反射能量弱；（2）缺乏規(guī)避復(fù)雜地表、淺層火成巖、不規(guī)則鹽丘、推覆體

等屏蔽影響的有效手段。采集參數(shù)設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)，地面采集設(shè)計(jì)無法深入地下確保深部

目標(biāo)的有效照明，地質(zhì)目標(biāo)導(dǎo)向性差；地震激發(fā)-接收布設(shè)臺陣規(guī)則密集采集，普遍認(rèn)為越

寬越密就越好，導(dǎo)致采集實(shí)施成本過高，投入產(chǎn)出比較低。總之，常規(guī)“兩寬一高”地震采

集技術(shù)對深部地質(zhì)目標(biāo)缺乏針對性技術(shù)措施，盲目性強(qiáng)，長期面臨在哪采和采多少的科技難

題。高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集是一種基于復(fù)雜地下構(gòu)造波動(dòng)方程延拓的地震采集理論方法，

其核心思想是將地面觀測臺陣向下數(shù)值延拓至地質(zhì)目標(biāo)處進(jìn)行激發(fā)排列與接收排列的共聚

焦分析，拾取聚焦能量強(qiáng)對應(yīng)的激發(fā)-接收射線對，據(jù)此優(yōu)化地面觀測布陣，形成非規(guī)則稀

疏地面采樣網(wǎng)絡(luò)，建立強(qiáng)化目標(biāo)定向探測的低成本高質(zhì)量地震采集技術(shù)，為地下復(fù)雜構(gòu)造介

質(zhì)“兩寬一高”高精度三維地震采集提供理論支撐。

3.3

三維速度建模

三維速度建模是進(jìn)行高精度三維地震采集設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。三維速度建模通?；诘卣鸩杉?/p>

施工區(qū)前期的二維或三維地震勘探普查成果，利用地震剖面解釋格架和地震成像偏移速度，

采用人機(jī)交互方式和自動(dòng)插值，建立地下構(gòu)造的三維地震速度模型。

3.4

采集系統(tǒng)射線追蹤延拓

2

采集系統(tǒng)是震源激發(fā)和檢波器排列的組合。射線追蹤延拓也可稱為基于射線理論的波場

延拓或波場外推，即利用接收器接收到的波場信息通過運(yùn)算，得到地層某深度上地震波場的

過程。采集系統(tǒng)波動(dòng)方程延拓是將地面觀測臺陣向下數(shù)值延拓至地質(zhì)目標(biāo)處進(jìn)行激發(fā)排列與

接收排列的聚焦成像分辨分析，以建立了地震采集系統(tǒng)與成像系統(tǒng)之間的理論聯(lián)系。地面規(guī)

則密集觀測臺陣三維延拓采用常規(guī)射線追蹤技術(shù)，其計(jì)算效率是目前延拓類算法最快的（計(jì)

算量不到波動(dòng)方程延拓的十分之一），可以在臺式機(jī)或筆記本上運(yùn)行。

3.5

成像分辨率

成像分辨率一直是地震勘探的核心研究內(nèi)容之一，其目標(biāo)為地質(zhì)體的可識別性。由于地

震勘探一般在地表或接近地表進(jìn)行觀測，所以地震剖面在垂向和橫向上通常具有不同的分辨

率。垂向分辨率的定義為地震剖面中分辨兩個(gè)相鄰?fù)噍S的能力，橫向分辨率的定義為地震

剖面中同一個(gè)同相軸上的鄰近繞射體的能力。垂直分辨率主要通過地震波相位進(jìn)行識別，與

地震子波的有效頻率成分(信噪比大于某一閾值)的能量分布特征有關(guān)。當(dāng)子波越接近與零相

位時(shí)，垂直分辨率越高。垂直分辨率數(shù)值還取決于所采用的分辨率準(zhǔn)則，比如Rayleigh準(zhǔn)

則、Ricker準(zhǔn)則或Widess準(zhǔn)則。對不同的地質(zhì)條件，采用不同的分辨率準(zhǔn)則，垂直分辨率

數(shù)值也會相應(yīng)的發(fā)生變化。從開始研究地震分辨率至今，絕大多數(shù)關(guān)于分辨率的研究集中在

垂直分辨率，較少有關(guān)于橫向分辨率的討論。與垂直分辨率需分辨出兩個(gè)鄰近同相軸的目標(biāo)

不同，橫向分辨率的目標(biāo)是分辨出同一同相軸上的兩個(gè)臨近的繞射體。在偏移后，沿著同相

軸方向上子波的相位基本相同，橫向分辨率不再存在子波的相位差。因此，橫向分辨率主要

依靠子波的振幅變化，其分辨率數(shù)值實(shí)質(zhì)體現(xiàn)為不同頻率成分分辨率的疊加效應(yīng)。當(dāng)最大有

效頻率越大，高頻成分地震波能量越強(qiáng)時(shí)，橫向分辨率越高。

3.6

成像清晰度及偏移噪聲

嚴(yán)格的空間分辨率必須用矩陣來描述。但絕大多數(shù)有關(guān)分辨率的研究都僅限于討論分辨

率矩陣中心部分的子波主瓣寬度，忽略了旁瓣對分辨率的影響。同時(shí)，上述分辨率研究均僅

針對均勻介質(zhì)，沒有考慮復(fù)雜介質(zhì)對分辨率的影響。但實(shí)際應(yīng)用中，簡單模型得到的分辨率

結(jié)論經(jīng)常不能適用于復(fù)雜介質(zhì)，尤其對于深層復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)越深，介質(zhì)越復(fù)雜，旁

瓣的能量就會更強(qiáng)，偏移噪聲也更大，更可能會干擾主瓣有效信號的識別，進(jìn)而影響空間分

辨率的穩(wěn)定性?？梢哉f，旁瓣是空間分辨率穩(wěn)定性評價(jià)的關(guān)鍵。為了加入對旁瓣影響的討論，

3

我們將成像清晰度定義為子波主瓣寬度和主瓣能量占總能量的比值，以實(shí)現(xiàn)對偏移噪聲的定

量描述。

4縮略語

下列縮略語適用于本文件。

Fermat原理：費(fèi)馬最短時(shí)間原理

Ricker子波：雷克子波

5高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用指南

5.1三維速度建模技術(shù)規(guī)程

三維速度建模是進(jìn)行高精度三維地震采集設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。三維速度建模通?；诘卣鸩杉?/p>

施工區(qū)前期的二維或三維地震勘探普查成果，利用地震剖面解釋格架和地震成像偏移速度，

采用人機(jī)交互方式和自動(dòng)插值，建立地下構(gòu)造的三維地震速度模型。主要內(nèi)容包括但不限于：

a)三維層狀速度建模：最簡單的速度建模方法，適用于沒有交叉和回轉(zhuǎn)現(xiàn)象的層狀速

度結(jié)構(gòu)，界面通常用三次或更高次函數(shù)進(jìn)行描述；

b)三維塊狀速度建模：采用點(diǎn)、三角形、面、塊來描述三維封閉速度結(jié)構(gòu)；

c)三維地層面速度建模：三維地層面通常由若干個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行描述，控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)

來源有兩種：解釋獲得的地層構(gòu)造成果數(shù)據(jù)，地震剖面層位數(shù)據(jù)；

d)三維斷層面速度建模：三維斷層面通常比較陡，也由若干個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行描述，控制

點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)來源有兩種：解釋獲得的地層構(gòu)造成果數(shù)據(jù)，地震剖面層位數(shù)據(jù)。

e)三維網(wǎng)格速度建模：對如前所述的三維層狀、塊狀、地層面、斷層面速度模型進(jìn)行

網(wǎng)格剖分，采用人機(jī)交互方式和自動(dòng)插值，建立地下構(gòu)造的三維網(wǎng)格速度模型，為下一步采

集系統(tǒng)波動(dòng)方程延拓做準(zhǔn)備。

f)崎嶇地表速度場建立：采用精確的地形高程測量數(shù)據(jù)，利用崎嶇表面微測井調(diào)查速

度充填，利用地表地震層析速度充填近地表速度場。鑒于火成巖體常規(guī)地震偏移速度偏低，

要求從測井資料拾取火成巖體；若無測井資料，可利用火成巖體聲波速度進(jìn)行充填，建立淺

層火成巖體速度場。

g)三維速度建模精度和范圍要求：應(yīng)根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、工區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

來選擇合適的速度模型精度。與地震波場的偏移延拓不同，采集系統(tǒng)的波動(dòng)方程延拓主要目

的為傳播走時(shí)延拓，對速度模型的精度要求稍低，通常情況下3Hz左右的平滑速度場可滿足

高精度三維地震采集設(shè)計(jì)要求。三維地震速度模型范圍需要包含所有觀測系統(tǒng)炮檢點(diǎn)三維空

4

間坐標(biāo)（比如：經(jīng)度、維度、高程等），三維地震速度模型網(wǎng)格尺寸需小于采集系統(tǒng)的最小

采樣密度（比如：道距、炮距）。

5.2地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓技術(shù)規(guī)程

地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓的目標(biāo)是將地面觀測臺陣向下數(shù)值延拓至地質(zhì)目標(biāo)處

進(jìn)行激發(fā)排列與接收排列的聚焦成像分辨分析，以建立了地震采集系統(tǒng)與成像系統(tǒng)之間的理

論聯(lián)系。地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓是獲取地質(zhì)目標(biāo)處的準(zhǔn)確地震波相位信息（誤差

<5%），以及相對準(zhǔn)確的地震波振幅信息（誤差<10%），為后續(xù)的聚焦成像分辨分析做準(zhǔn)備。

地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓采用常規(guī)射線追蹤技術(shù)，其計(jì)算效率是目前延拓類算法最快

的（計(jì)算量不到波動(dòng)方程延拓的十分之一），可以在臺式機(jī)或筆記本上運(yùn)行。主要內(nèi)容包括

但不限于：

a)試射法射線追蹤：先確定震源點(diǎn)位置和初始射線角度，然后通過不斷調(diào)整射線角度，

最終追蹤出經(jīng)過接收點(diǎn)的射線路徑；試射法射線追蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠避開射線盲區(qū)，缺點(diǎn)是在

復(fù)雜模型中收斂較慢，比較耗時(shí)。

b)彎曲法射線追蹤：先固定震源點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置，給定一條初始的射線路徑，然后

通過不斷迭代更新，直至找出迭代出走時(shí)值為最小的，即滿足Fermat原理的射線路徑；彎曲

法射線追蹤的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)速度變化介質(zhì)，缺點(diǎn)是網(wǎng)格化近似誤差、可能無法找到最小走時(shí)

路徑、或者出現(xiàn)射線盲區(qū)。

c)地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓的相關(guān)參數(shù)：采用常規(guī)規(guī)則三維地震采集設(shè)計(jì)的參

數(shù)，比如：排列長度和寬度、線距和道距等；地震激發(fā)子波主頻根據(jù)地震剖面的主頻來確定，

采用零相位Ricker子波。

d)地面規(guī)則密集觀測臺陣三維延拓精度和效率要求：應(yīng)根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、工區(qū)及鄰區(qū)地

質(zhì)與地球物理?xiàng)l件來選擇合適的射線追蹤延拓算法。采集系統(tǒng)的射線追蹤延拓算法能適應(yīng)速

度變化介質(zhì)且不出現(xiàn)明顯的射線盲區(qū)，地震波相位誤差<5%，地震波振幅信息<10%，以滿足

高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)向地震采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度需求。高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常以迭代優(yōu)化的方式

進(jìn)行，采集系統(tǒng)射線追蹤延拓是其最費(fèi)時(shí)的計(jì)算環(huán)節(jié)，建議采用CPU+GPU異構(gòu)多核心體系和

分布式并行優(yōu)化算法，讓單次采集系統(tǒng)射線追蹤延拓時(shí)間<0.002s，以滿足高陡構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)

向地震采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率需求。

5.3激發(fā)系統(tǒng)與接收系統(tǒng)聚焦分析技術(shù)規(guī)程

對延拓至深層地質(zhì)目標(biāo)區(qū)域各個(gè)點(diǎn)的激發(fā)與接收排列進(jìn)行聚焦分析，得到不同炮-檢對

對應(yīng)的聚焦能量，據(jù)此識別地面最佳的激發(fā)接收位置，以此為中心按照能量遞減30%來確定

5

地面最佳的激發(fā)接收范圍。具體實(shí)施過程中，除了常規(guī)規(guī)則臺陣三維地震采集設(shè)計(jì)的激發(fā)點(diǎn)

外，一般需要在臺陣范圍外補(bǔ)炮，補(bǔ)炮原則可根據(jù)目標(biāo)區(qū)域地層傾角來確定。主要內(nèi)容包括

但不限于：

a）準(zhǔn)備三維地震觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括：震源點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)、檢波點(diǎn)三維空間坐標(biāo)、

震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系；其中，三維空間坐標(biāo)包括：地表位置水平坐標(biāo)（比如經(jīng)度、

維度）、高程。注意：觀測系統(tǒng)炮檢點(diǎn)三維空間坐標(biāo)不能超出三維地震速度模型范圍，震源

點(diǎn)位置應(yīng)位于速度模型網(wǎng)格點(diǎn)上，檢波點(diǎn)位置可以不必位于速度模型網(wǎng)格點(diǎn)上。

b）根據(jù)地質(zhì)目標(biāo)和三維地震速度模型，設(shè)定目標(biāo)層深度、地震子波主頻、頻率采樣間

隔、最低頻率、最高頻率。目標(biāo)層深度可以為1個(gè)或多個(gè)，通常情況可設(shè)置地震子波主頻為

30Hz，頻率采樣間隔為1Hz，最低頻率為5Hz，最高頻率為70Hz。

c）基于三維地震速度模型，對延拓至深層地質(zhì)目標(biāo)處的激發(fā)與接收排列分別進(jìn)行聚焦

分析，每次聚焦分析相當(dāng)于一次地震波正向延拓加一次地震波反向延拓，最后將激發(fā)點(diǎn)聚焦

分析結(jié)果與接收排列聚焦分析結(jié)果相乘得到目標(biāo)點(diǎn)位置的成像分辨率函數(shù)，其物理意義為目

標(biāo)點(diǎn)位置繞射點(diǎn)的偏移成像結(jié)果。可以在目標(biāo)層深度上設(shè)置多個(gè)深層地質(zhì)目標(biāo)，同步進(jìn)行聚

焦分析，得到目標(biāo)層深度的偏移成像結(jié)果。多地質(zhì)目標(biāo)聚焦分析的運(yùn)算量與單地質(zhì)目標(biāo)聚焦

分析相同。

d）基于三維地震速度模型，對延拓至深層地質(zhì)目標(biāo)處的激發(fā)與接收排列分別進(jìn)行照明

分析，每次照明分析相當(dāng)于兩次地震波正向延拓，最后將激發(fā)點(diǎn)照明分析結(jié)果與接收排列照

明分析結(jié)果相乘得到目標(biāo)點(diǎn)位置的照明度函數(shù)，其物理意義為目標(biāo)點(diǎn)位置繞射點(diǎn)的地震波能

量?？梢栽谀繕?biāo)層深度上設(shè)置多個(gè)深層地質(zhì)目標(biāo)，同步進(jìn)行照明分析，得到目標(biāo)層深度的偏

移成像結(jié)果。多地質(zhì)目標(biāo)照明分析的運(yùn)算量與單地質(zhì)目標(biāo)照明分析相同。

e）對延拓至深層地質(zhì)目標(biāo)區(qū)域各個(gè)點(diǎn)的激發(fā)與接收排列進(jìn)行聚焦分析和照明分析，得

到不同炮-檢對對應(yīng)的分辨率函數(shù)和照明度函數(shù)。基于瑞雷準(zhǔn)則對成像分辨率函數(shù)進(jìn)行分辨

率量化分析得到采集系統(tǒng)成像分辨率數(shù)值。采集系統(tǒng)成像分辨率數(shù)值代表的是零相位子波調(diào)

諧厚度（波峰和波谷距離）的1/2.6，即該采集系統(tǒng)所能達(dá)到的最佳偏移成像分辨率。根據(jù)

主瓣能量與總能量比值對成像分辨率函數(shù)進(jìn)行清晰度量化分析得到采集系統(tǒng)成像清晰度數(shù)

值。設(shè)定百分比閾值（比如：70%），根據(jù)最優(yōu)成像分辨率、清晰度、照明度數(shù)值的百分比

閾值來確定地面最佳的激發(fā)接收范圍。具體實(shí)施過程中，可以在不改變常規(guī)規(guī)則臺陣三維地

震采集設(shè)計(jì)的條件下，新增加若干震源點(diǎn)，以提高特定地層傾角目標(biāo)區(qū)域的成像分辨率、清

晰度和照明度。

6

5.4建立強(qiáng)化目標(biāo)定向探測的非規(guī)則稀疏地面采樣網(wǎng)絡(luò)

采集施工預(yù)算成本是地震采集的關(guān)鍵考慮因素，根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)布設(shè)的最佳采集臺網(wǎng)

一般是非規(guī)則的，若預(yù)算允許，可在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對最佳激發(fā)和接收區(qū)域進(jìn)行加密炮

點(diǎn)和檢波點(diǎn)，提高目標(biāo)區(qū)域地震數(shù)據(jù)的信噪比；若為了節(jié)省成本，可在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，

對非最佳激發(fā)和接收區(qū)域進(jìn)行減炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的稀疏化處理。主要內(nèi)容包括但不限于：

a）基于百分比閾值的非規(guī)則稀疏地面采樣網(wǎng)絡(luò)布設(shè)：基于如前所述的設(shè)定百分比閾值

（比如：70%），根據(jù)最優(yōu)成像分辨率和清晰度數(shù)值的百分比閾值來確定地面最佳的激發(fā)接

收范圍。注意：此時(shí)地震采集臺網(wǎng)