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《石油物刊雜志》2016年第3期

摘要：

海上多方位觀測系統能夠獲得多方位角的地震信息，從而增強地震照明度，提高勘探精度。基于波前構建法計算模擬偏移振幅（SMA）強度，作為照明量對多方位觀測系統的照明響應進行研究，為評價和優化多方位觀測系統提供指導和依據。理論模型和實際地質模型照明結果表明，隨著方位角個數的增加，多方位觀測系統針對目的層的照明能量的連續性和均勻性變好，能夠有效地改善單個窄方位角觀測系統下的照明陰影區的照明效果，可廣泛應用于海上復雜地質環境下的地震數據采集。

關鍵詞：

多方位觀測系統；波前構建法；模擬偏移振幅；照明分析

海洋深水區三維地震勘探主要以拖纜的方式采集，海上地震觀測系統主要類型包括：窄方位（NAZ）觀測系統、多方位（MAZ）觀測系統、寬方位（WAZ）觀測系統、富方位（RAZ）觀測系統和全方位（FAZ）觀測系統。NAZ觀測系統是海上最常規的觀測系統，采集信息集中在與航向相關的較窄方位角內，遠偏移距方位角在地震船路徑的上、下10°范圍內，觀測系統的橫縱比較小，一般小于0．5，當地層構造較為復雜時，窄方位角觀測系統接收不到地震反射信息，成像效果無法滿足勘探要求。MAZ觀測系統通過多個窄方位觀測系統的疊加來提高覆蓋次數，擴大方位角分布，獲得多個方位的反射信息，有利于巖石屬性和各向異性研究，能有效改善地震成像質量。WAZ觀測系統通過擴大觀測系統的橫縱比來擴大方位分布及覆蓋次數，橫縱比大于0．5；該方法的優點是在有鹽丘、侵入體或高陡斷層等復雜構造存在時，可以提供豐富的方位角信息，有利于消除側面反射對偏移成像的影響，但該方法受采集成本和設備的制約。RAZ觀測系統通過多個寬方位觀測系統的疊加來提高覆蓋次數、擴大橫縱比及方位角分布，獲得多個方位的反射信息；該方法的突出優點是使得每個面元內的各項屬性分布均勻，有利于壓制各種噪聲；但是該方法施工難度大，采集成本高，采集效率也較低，采集過程中由于船只掉頭等非生產時間較多，所以目前的應用不是很廣泛。FAZ觀測系統是一種連續環狀采集系統，幾乎可以在所有偏移距上都能獲得全方位的反射信息，能夠更全面地反映地下構造，幾乎沒有非生產時間，具有極高的生產效率；但是環形觀測系統采集的數據后期偏移處理的方法較少，處理難度較大。多方位角勘探是以一個或多個（通常是3～6個）方位角對同一勘探目標區域重復進行常規NAZ勘探的方式。海上MAZ拖纜采集通過在不同方位角進行常規的重復激發采集以獲得WAZ照明，從而實現MAZ地震勘探。該方法所獲得的MAZ地震數據不但增加了覆蓋次數，同時還擴大了勘探方位角的覆蓋范圍。MAZ拖纜勘探的成功，使該方法衍生出很多新的多方位角勘探采集設計方法［1－4］。2004年，BP公司在尼羅河三角洲首次進行了6個方位的MAZ寬方位數據采集，顯示出MAZ比1個方位角的NAZ有巨大的優越性［5－7］。MAZ觀測系統的優越性是：在成像困難或者照明較弱的局部區域，采用此方法可進行照明補償，提高成像質量［8］。目前，常用的觀測系統照明方法主要有射線法和波動方程法。射線法計算效率高，但存在著射線陰影區、焦散區等問題。波動方程法包括單程波法和雙程波法［9］。與射線法相比，波動方程法計算精度高，但計算效率低，不利于實際應用。有人提出了射線束法，它將波場分解到具有一定寬度的射線束上來實現波場的模擬和延拓，不僅具有運動學特征，還具有動力學特征［10］。VINJE等［11］提出了波前構建法，隨后CHILCOAT等［12］、SUN等［13］將波前構建法應用到三維地質模型中，VINJE等［14］在已有的研究基礎上實現了在開放模型上的波前構建。何洋［15］基于波前構建法進行了射線走時和振幅的計算。韓復興等［16－20］在波前構建法方面進行了大量的研究。波前構建法可以計算地震多值問題，同時獲得走時、傳播路徑和多種振幅信息，還可以適應復雜的地質構造，且對觀測系統沒有嚴格要求，穩定性好。該方法的最大優點是計算速度非常快，可以適用大型勘探工區。本文開展了不同的多方位觀測系統下的照明分析研究，采用波前構建法獲得地震波的走時、射線路徑及振幅信息，結合Kirchhoff疊前深度偏移技術求得來自各個反射層的模擬偏移振幅，最后通過模擬偏移振幅的強度作為照明量，來衡量反射層對不同觀測系統的照明特征，為評價和優化多方位觀測系統提供指導。

1.模擬偏移振幅照明方法原理

地震照明技術是一種十分有效的觀測系統設計工具。目前通常使用的地震照明振幅圖是基于簡單的射線理論面元能量疊加，沒有考慮地震脈沖和菲涅耳帶的影響。模擬偏移振幅（SMA）照明是基于Kirchhoff偏移的一種改進的照明方法，照明結果接近于疊前深度偏移振幅。Kirchhoff偏移的數學表達式［21］為：β（x）＝∫W（x，ξ）F［U（ξ，t＝τ（x，ξ））］dξ（1）式中：x為深度點；U為地震道；F為正確恢復震源脈沖的濾波器；ξ為地震道位置；τ（x，ξ）為經過深度點x的地震波反射雙程時；W（x，ξ）為偏移權值；β（x）為深度點x的偏移振幅。在疊前深度偏移（PSDM）中，實際的地震數據通過兩個單程旅行時方程（從震源或檢波點到成像點）逐道進行疊加到深度域，在SMA中，通過疊加合成脈沖來模擬PSDM過程。為了用射線追蹤來模擬β（x），需要估計一個雙程旅行時t（x）。與兩個單程旅行時方程不同，這里使用一個鏡像射線來得到近似的旅行時場，即旁軸射線理論：t（x）＝t0＋（ps＋pr）T（x－x0）＋12（x－x0）T（＾Ms＋＾Mr）（x－x0）（2）式中：t0為射線在x0點的反射旅行時；ps和pr分別為震源和檢波點在x0點的慢度向量；＾Ms和＾Mr為在x0點的單程旅行時的二次導數矩陣。（2）式中的所有變量都是通過基于三維波前面構建法的動力學射線追蹤來計算［22－24］。

2.多方位角采集觀測系統設計與評價

MAZ拖纜采集方法由NAZ拖纜采集方法發展而來，因此可采用與NAZ拖纜相似的采集參數。MAZ拖纜采集觀測系統設計中，方位個數是至關重要的參數。隨著采集方位個數的增加，三維海上勘探成本和數據處理工作量也隨之增加。方位個數的選擇與勘探目標的復雜程度相關。借助照明手段可以確定哪些方向的照明效果好，并將這些方向確定為優勢方位，為多方位角觀測系統的設計提供幫助。國內外學者對借助照明手段進行觀測系統設計做了大量的研究［25－28］。下面對沿不同方向采集的觀測系統進行對比評價。多方位角采集對已知地下大致形態的老工區非常有效，可通過建立老工區地球物理模型進行正演模擬及分析。如果設計觀測系統是6個方位采集，那么就可以得到6個單方位、15個二方位、20個三方位（3MAZ）、15個四方位、6個五方位以及1個六方位，共63種方位的組合方式。而確定哪些組合的勘探效果好的工作量非常大，非常繁瑣。本文首先在目標工區分別針對0，30°，60°，90°，120°，150°共6個方向進行窄方位采集設計并作對比分析，選定0，90°，150°3個角度為對目標區照明度較高的優選方位角度；再將這3個優勢角度與其它角度進行組合，通過屬性分析和照明分析評價所設計的組合多方位采集效果，確定最優方向組合，這樣可以大幅度縮減工作量。經過前期的照明分析，最終確定了0，45°，90°，135°4個方向進行面向目標的照明分析，采集參數如表1。然后以這4個角度為優勢角度，并借助幾何屬性分析、照明分析對設計的組合多方位觀測系統進行評價，確定最優的方向組合。為了說明不同多方位觀測系統的特征，首先對比分析了表1中6種不同的觀測系統的方位角－偏移距玫瑰圖、方位角偏移距的疊合顯示圖。方位角－偏移距玫瑰圖如圖2所示，紅色表示高覆蓋次數，藍色表示低覆蓋次數。玫瑰圖中圓邊到圓心的距離表示偏移距，正北方向方位角為0，沿著順時針方向，方位角逐漸增大。從圖2中可以看出，隨著選擇方位的增加，多方位角拖纜觀測系統的方位角覆蓋范圍越來越寬，而單個方向的（窄方位）觀測系統的方位角分布范圍在20°左右，方位角非常窄。表2給出了不同方位角觀測系統采集參數的統計結果。從表2可以看出，隨著采集方位角的增加，整個觀測系統增加最明顯的就是總道數和總炮數，道數和炮數的增加會增加處理工作量，同時采集成本大量增加，從而限制了多方位角采集的實施，這就要求我們盡可能用較少拖纜方位來解決問題，所以設計工作對多方位角拖纜采集顯得至關重要。本文對多方位角勘探的設計思路就是用多種手段來優選角度，然后再組合成最優的觀測系統。圖3為3種方案的多方位及窄方位觀測系統的偏移距和方位角星狀圖的疊合顯示。從圖3可以看到，隨著拖纜方位角的增加，觀測系統的偏移距采樣間距變小，分布越來越均勻，其中圖3c的偏移距采樣分布較均勻。通過以上的幾何屬性分析，我們初步優選出表1中的觀測系統5與觀測系統6為優選觀測系統，具體的方案優選由照明分析結果來判斷。

3.模型測試及實際應用

3．1SEG三維鹽丘模型照明分析為了驗證多方位觀測系統的優勢，選擇SEG三維鹽丘模型（圖4）進行測試，模型大小約為13km×13km×4km。對該模型進行不同多方位角觀測系統照明分析（觀測系統參數見表1），本文只對模型的鹽丘底界面進行照明分析，為了對比不同觀測系統照明結果的差異性，下面從照明能量的強弱以及照明能量分布的均勻性等角度進行分析比較。首先對比分析表1中所示的6個觀測系統的射線照明結果，如圖5至圖10所示。可以看出：①目標層不同觀測系統的照明能量分布規律為，反射能量集中于一些構造凸起點，且呈條帶狀分布，這與構造走勢情況相一致；小斷裂帶發育的鹽丘底部照明能量較其它地區均勻性差；②隨著拖纜方位的增加，照明量逐漸增大，照明能量也越來越均勻，照明盲區得到改善；③由圖7b和圖10b可以看出，4個方位的多方位角觀測系統的照明能量均勻性較好，有利于對目標區域的成像。

3．2實際工區模型照明分析為了驗證多方位觀測系統的優勢，選擇的模型位于海上某工區，海底崎嶇復雜，坡折帶陡峭，斷層發育良好。根據該地區三維疊前深度偏移層位數據和測井資料得到的速度數據，建立了如圖11所示的三維層速度模型，對該三維模型不同多方位角觀測系統進行照明分析（觀測系統參數見表1），本文只對模型的bn＿07層進行不同方位角的模擬偏移振幅的照明分析。對比分析這6個觀測系統的照明結果（圖12，圖13，圖14），得到如下結論：①不同觀測系統在bn＿07（圖11b中的粉色層）目標層的照明能量分布規律為在凹陷（向斜）處照明能量較其它地區弱，且均勻性較差，為照明的陰影區；②隨著拖纜方位的增加，照明量逐漸增大，照明能量也越來越均勻，照明盲區得到改善；③由圖14b可以看出，4個角度的多方位觀測系統的照明能量均勻性較好，有利于對目標區域的成像。

4.結束語

通過計算目標層位的模擬偏移振幅能量來評價目標層在不同觀測系統下的照明情況，能有效評價所設計的觀測系統，進而達到優選觀測系統的目的。該方法的突出優點是既考慮了地震波的運動學特征，也考慮了地震波傳播的動力學特征，與傳統的偏移成像方法相比，計算量大幅度減少，快速高效地實現了海量觀測系統的設計方案優選，非常適合海洋大工區的采集方案設計。本文對SEG鹽丘模型和實際模型進行了觀測系統評價，得到的結論一致，驗證了該方法的穩定性與有效性。利用屬性分析、射線照明分析、模擬偏移振幅等技術，針對海上復雜區開展了多方位觀測系綜合采集成本、施工難度、數據處理等方面因素，兼顧成像精度要求，對比實際模型的照明分析結果后認為，采用2個方位或4個方位的MAZ采集方案對目標層的照明較均勻，有利于提高實際靶區偏移成像精度。

參考文獻:

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作者：呂曉春 李鵬 孫常新 成景旺 趙陽 賈景超 單位：華北水利水電大學資源與環境學院 長江地球物理探測（武漢）有限公司