2017, Vol. 32
2. 中石化中南石油局第五物探大队, 湘潭 411100
2. The fifth geophysical services company, south central bureau of petroleum, SINOPEC, Xiangtan 411100, China
羌塘盆地位于西藏自治区的北部，面积约18×104 km2，盆地南、北分别以班公湖-怒江缝合带和拉竹龙—金沙江缝合带为界，盆地东、西以中生代地层逐渐尖灭线为界，根据航磁异常和大地电磁 (MT) 基底测深资料，将羌塘盆地划分为北羌塘坳陷、中央隆起带和南羌塘坳陷三个次级构造单元 (赵政璋等，2001).
羌塘盆地的二维地震勘探工作始于1994年，1994年到1998年中国石油青藏油气勘探项目经理部完成了2000多公里以60次覆盖为主的二维地震勘探，限于当时的勘探技术、设备条件，以及较低的覆盖次数，加之对羌塘盆地严酷的自然环境对工作质量的影响估计不足，致使此次地震勘探获得的资料除极少数能用外，绝大部分不能令人满意.2004年至2012年，中国地质调查局成都地质调查中心在羌塘盆地托纳木—笙根和半岛湖等地共完成二维地震试验测线1000多公里，覆盖次数大多在100次以上，少数达480~720次，普遍采用了1S2L或2S2L宽线观测系统，此次地震勘探工作获得的资料虽较前人有长足进步，但仍不能满足地质构造解释的要求.
分析目前获得的地震资料①②③ (卢占武等, 2006a, b；李忠雄等，2013)，发现影响资料采集品质的主要原因是：①表层结构纵横向变化剧烈，潜水面及激发岩性变化大，单炮记录品质变化大，静校正问题严重；②声波、面波、随机高频噪声等干扰波发育，资料信噪比低；③构造复杂，褶皱、断层及溶洞发育，表层存在冻土层 (南卓铜等，2004；库新勃等，2007；李忠雄等，2008)，对激发及地震波的能量传递极为不利，并造成绕射波、多次波发育，加之上三叠统和中侏罗统目的层波阻抗差异小，反射能量弱，严重影响了地震成像效果.另外，羌塘盆地属藏北高原，高寒风大、缺氧，自然环境极其严酷，气候极端恶劣，气温时常骤变，雷暴、冰雹、下雪天较多，严重影响了地震采集工作质量.
① 孙志华，全海燕，郑永林，等. 1997，羌塘盆地西部金星湖-浩波湖地区二维地震勘探工程报告.北京：中石油石油物探局第四地质调查处.
② 孙志华，全海燕，郑永林，等. 1998，羌塘盆地毕洛错地区二维地震勘探工程报告.北京：中国石油集团石油物探局第四地质调查处.
③ 高锐，秋生，卢占武, 2008, 《青藏高原二维地震反射剖面试验研究》成果报告.北京：中国地质科学院.
为提高羌塘盆地石油地震勘探技术水平，早日实现油气地震勘探技术突破，中国地质调查局成都地质调查中心在前期工作基础上，2015年在盆地内选择构造上横跨北羌塘与中央隆起带的、构造改造强度为中等-强烈的托拉木—笙根地区，部署了12条、总长度420 km的满覆盖二维地震测线，开展地震资料采集技术攻关试验.本文主要介绍此次地震采集技术攻关试验成果.
1 试验的观测系统及其参数针对羌塘盆地存在的地震采集技术难题，本次攻关试验采用代表当前地震采集技术发展方向的高密度、高覆盖、宽方位、宽线采集技术 (邸志欣等，2012；赵殿栋，2015)，提升观测系统的压噪效果，对干扰波进行压制，提高资料信噪比；增加空间激发点密度，有效减少冻土层能量屏蔽作用，提高目标地质体弱反射信息的能量，大幅度增加目的层有效覆盖次数；增加地震采样的连续性、对称性、均匀性，提高地震成像质量.
高密度高覆盖采集所导致的成本上升是炸药震源无法承担的，必须与可控震源采集技术结合才具有现实的可行性和生命力.而且，作为一种绿色、环保、安全的勘探方法，可控震源采集更符合西藏地区社会安全和环境保护的要求.
宽线剖面采集作为一种特殊的三维采集技术，在二维地震采集工作中已得到广泛应用 (云美厚，2006；张晓斌等，2007；刘依谋等，2008；罗仁泽等，2009)，它能压制干扰波，增加有效覆盖次数，大幅度提高资料信噪比 (杨贵祥，2005；王栋等，2010；于世焕等，2011).本次地震采集攻关试验仍继续开展各种宽线采集方案试验.表 1列出了托纳木—笙根地区井炮和可控震源激发“高密度-高覆盖-宽线”试验观测系统.
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表 1 试验观测系统及参数 Table 1 Layout chart and its parameter for test |
针对羌塘盆地不同的地表地质条件，前人已经完成了许多深井大药量炸药震源激发接收试验，有不少可供借鉴参考的资料 (卢占武等, 2006a, b；李忠雄等，2013).2015年，我们在羌塘盆地也进行了大量炸药激发接收试验，试验结论与前人并无太大差别，即：单井高速层下7 m激发，最浅井深18 m，药量18 kg；成井困难地段采用2口井×15 m×12 kg或3口井×12 m×8 kg组合方式激发.
可控震源作为一种绿色、环保、安全、低成本、高效的勘探方式，愈来愈成为地震勘探重要的激发震源，在国内外已得到广泛应用 (凌云等，2008；丁伟等，2014).可控震源的优点是激发频率、能量和方向可控，地表激发不用成井，受复杂浅表层条件 (沙砾石层、厚砾石层、干黄土层) 影响小，生产效率高，成本低，对环境的破坏作用非常小 (曾鸾等，2002；薛海飞等，2010；张慧利等，2016)；缺点是激发能量和勘探深度有一定限度，分辨率较井炮震源低，初至不易拾取等 (潘树林等, 2005, 2010).
羌塘盆地除山地、丘陵处有基岩出露外，地表大部分为沼泽、河滩沙砾石层、第四系残坡积物、山前厚砾石层覆盖，成井困难，炸药震源勘探效果欠佳，因此，2015年我们采用常规可控震源 (额定振动出力275 Kn (64100 lbs)；振动频率范围6~250 Hz；工作环境温度-40~55 ℃, 整机质量29000 kg) 在托纳木—笙根等地进行了激发试验，重点总结振动台次 (台数和次数组合)、振动出力 (驱动幅度)、扫描频率和扫描长度四个方面的试验结论，寻找最佳激发组合，提高资料采集品质.
2.1 振动台次固定驱动幅度为75%，扫描频率为8~96 Hz，扫描长度为16 s，进行了3台1次、3台2次、2台1次、2台2次振动台次对比试验.
从SEC记录上看 (图 1a)，3台可控震源振动的记录能量较强，相同震源台数，随扫描次数增加，能量稍有增强；从15~60 Hz记录上看 (图 1b)，各记录间很难看到明显的差异，3台震源振动的记录反射波组的连续性稍好，相同震源台数不同扫描次数的记录之间差异不明显.定量分析显示 (图 1c)，相同台数不同振动次数的记录能量和信噪比相差不大，3台震源的记录较2台震源记录能量稍强.不同台数记录信噪比相差较小；相同台数，随扫描次数增加，信噪比有提高的趋势.频率分析显示2台2次频带最宽，其他台次频率相差不大.
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图 1 托纳木—笙根常规可控震源激发参数试验 (a) 振动台次对比试验SEC记录; (b) 振动台次对比试验15~60 Hz记录; (c) 振动台次对比试验-定量分析; (d) 驱动幅度对比试验SEC记录; (e) 驱动幅度对比试验15~60 Hz分频记录; (f) 驱动幅度对比试验-定量分析; (g) 扫描频率对比试验固定增益记录; (h) 扫描频率对比试验15~60 Hz分频记录; (i) 扫描频率对比试验-定量分析; (j) 扫描长度对比试验SEC记录; (k) 扫描长度对比试验15~60 Hz分频记录; (m) 扫描长度对比试验-定量分析. Figure 1 Vibrating parameter test of vibroseis in Tuonamu-Shenggen region |
综合分析，振动台次选用3台1次较为合适.
2.2 驱动幅度固定振动台次为3台1次，扫描频率为6~84 Hz，扫描长度为20 s，进行了60%、70%、75%驱动幅度对比试验.
从原始记录上看，振动出力60%、70%、75%的记录差异不大；从SEC记录上看 (图 1d)，随振动出力增大，记录能量稍有增强；从15~60 Hz分频扫描记录上看 (图 1e)，振动出力为75%的记录反射波组的连续性稍好.定量分析显示 (图 1f)，随振动出力的提高，记录的能量增强，各记录的信噪比差异不大；频率分析显示三种出力方式在主频段差异不大，在50~100 Hz段75%出力方式相对振幅较小.
综合考虑，驱动幅度选择70%较为合适.
2.3 扫描频率固定振动台次为3台1次，驱动幅度为70%，扫描长度为20 s，进行了3~96 Hz、4~72 Hz、6~84 Hz扫描频率对比试验.
从原始记录上看，三种不同扫描频率的记录差异不大；从SEC记录上看 (图 1g)，三种不同扫描频率记录能量整体差异不大；从15~60 Hz分频扫描记录上看 (图 1h)，扫描频率6~84 Hz的记录反射信息稍丰富，反射波组的连续性稍好.定量分析显示 (图 1i)，各记录的能量相差不大；扫描频率为3~96 Hz的记录能量稍强，扫描频率为6~84 Hz的记录信噪比较高，频率分析显示各主频段记录差异不大，高频段6~84 Hz记录频率居中.
综合考虑，扫描频率选用6~84 Hz较为合适.
2.4 扫描长度固定振动台次为3台1次，驱动幅度为70%，扫描频率为6~84 Hz，进行了16 s、18 s、20 s、22 s四种不同扫描长度对比试验.
从原始记录上看，扫描长度增加，记录品质没有明显变化；从SEC记录上看 (图 1j)，各记录的能量基本相当；从15~60 Hz分频记录上看 (图 1k)，扫描长度为16 s、18 s的记录相对较好.定量分析显示 (图 1m)，扫描长度增加，能量没有明显变化；扫描长度为18s的记录信噪比较高；扫描长度为16 s和18 s的记录信噪比较高.
综合考虑，扫描长度选用18 s较为合适.
托纳木—笙根地区常规可控震源激发因素为：振动台次为3台1次，驱动幅度为70%，扫描频率为6~84 Hz，扫描长度为18 s.
3 处理步骤及参数由于采用井炮和可控震源激发的宽线试验方案，资料处理过程中除进行常规的宽线系统处理、层析静校正、叠前噪声衰减、子波一致性处理、速度精细分析、叠前信号加强、串联反褶积、叠后时间偏移、叠前时间偏移处理外，重点加强了井炮与可控震源匹配处理工作.
炸药和可控震源激发在能量方面存在着明显的差异，分析发现两者之间的能量差异较大，对此先用加权方法进行校正，然后再用球面扩散补偿和地表一致性补偿进行校正，最终使其在能量上相一致.针对炸药震源和可控震源在频率、相位等方面存在的差异，先使震源记录进行零相位至最小相位的转换，然后采用Promax中的匹配滤波法，与在同点激发的炸药震源为匹配滤波的目标求取匹配算子，然后将匹配算子应用到可控震源记录上，实现炸药与可控震源在频率、相位等方面的一致.
经过多轮试验处理，最终采用表 2中的处理参数进行室内数据精细处理.
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表 2 羌塘盆地二维地震数据处理参数 Table 2 2D seismic data processing parameter for QiangTang basin |
图 2、图 3和图 4是2015年在托纳木—笙根地区采用井炮和常规可控震源激发获得的二维地震剖面，与2008-2012年间获得的地震剖面相比 (图 5、图 6)，质量已取得大幅提高，总体上看，剖面上浅、中、深层均能见到明显反射，反射同向轴断续展布，较为清楚，能进行基本的地质构造解释，是目前羌塘盆地获得的最好资料.
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图 2 托纳木—笙根TS2015-SN5叠前偏移剖面 (试验观测系统4L3S，井炮，覆盖次数960次) Figure 2 PSTM processed section of TS2015-SN5 in Tuonamu-Shenggen region |
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图 3 托纳木—笙根TS2015-SN6叠后偏移剖面 (观测系统3L1S，井炮，覆盖次数360次) Figure 3 Poststack time-migrated section of TS2015-SN6 in Tuonamu-Shenggen region |
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图 4 托纳木—笙根TS2015-SN3叠加剖面 (试验观测系统4L3S，常规可控震源，覆盖次数1920次) Figure 4 Stack section of TS2015-SN3 by vibroseis in Tuonamu-Shenggen region |
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图 5 托纳木—笙根TS2012-05线叠后偏移剖面 (观测系统2S2L，240次覆盖) Figure 5 Poststack time-migrated section of TS2012-05 by explosive in Tuonamu-Shenggen region |
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图 6 托纳木—笙根TS2012-06线叠后偏移剖面 (观测系统3S3L，720次覆盖) Figure 6 Poststack time-migrated section of TS2012-06 by explosive in Tuonamu-Shenggen region |
从上面展示的地震剖面图中可以发现炸药激发的剖面明显好于可控震源激发的剖面，是否就可以简单得出炸药激发剖面优于可控震源激发剖面吗？显然还需要根据具体情况作客观分析.
4.2.1 单炮记录分析图 7为托纳木—笙根地区同一试验点常规可控震源与深井大药量井炮激发资料的对比.
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图 7 托纳木—笙根地区常规可控震源与深井大药量井炮单炮记录对比 (井炮：20 m×18 kg (深井大药量)；可控震源激发因素3台1次、75%出力、6~84 Hz扫描、18 s长度) (a) 单炮2~7 Hz分频记录; (b) 单炮7~14 Hz分频记录; (c) 单炮浅层频谱分析; (d) 单炮中层频谱分析; (e) 能量分析; (f) 信噪比分析. Figure 7 Single-shot record comparison of explosive source and vibroseis |
原始记录和分频记录显示，同一位置AGC单炮显示井炮面波发育，7 Hz以下井炮和可控震源记录显示主要为低频干扰，未见有效反射 (图 7a)；低频段 (7~14 Hz) 井炮反射信息较可控震源更丰富 (图 7b)，50 Hz以上基本为高频干扰 (图略).
频谱分析发现，可控震源浅层主频为18 Hz，频宽为8~45 Hz，井炮浅层主频为22 Hz，频宽为6~40 Hz (图 7c)；可控震源中层主频为17 Hz，频宽为9~30 Hz，井炮中层主频为18 Hz，频宽为5~39 Hz (图 7d)；可控震源深层主频为9 Hz，由于存在高频干扰，频带范围较宽，井炮深层主频为9 Hz，频宽为5~20 Hz (图略).
能量分析发现，同一位置井炮能量明显高于可控震源，两者之间原始单炮能量相差约100倍 (图 7e).
信噪比分析显示 (图 7f)，全频段井炮信噪比高于可控震源；在25 Hz以下，井炮信噪比明显优于可控震源；但随着扫描频段的升高，井炮和可控震源信噪比逐渐趋于相同.
井炮与可控震源子波自相关分析发现井炮子波一致性要优于可控震源 (图略).
4.2.2 井炮和可控震源剖面质量对比图 8是2011年在托纳木—笙根采集的TS2011-03剖面，2015年在托纳木—笙根采集的TS2015-SN3(图 4) 和TS2015-SN4(图 9) 分列其两侧，相互平行，分别相距3~4 km，采集构造位置大致相同.
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图 8 托纳木—笙根TS2011-03线叠加剖面 (深井大药量，2L2S，道距35 m 240次覆盖) Figure 8 Stack section of TS2011-03 by explosive in Tuonamu-Shenggen region |
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图 9 托纳木—笙根TS2015-SN4叠加剖面 (观测系统3L2S，常规可控震源，覆盖次数1440次) Figure 9 Stack section of TS2015-SN4 by vibroseis in Tuonamu-Shenggen region |
将图 8与图 4和图 9进行对比，可以发现剖面质量并无明显差异，可控震源剖面对微细部位的刻画似乎比井炮剖面还好一些.可以认为，托纳木—笙根地区常规可控震源剖面在较高覆盖次数下与井炮激发剖面质量相当或略好.
上述分析认为：尽管可控震源原始单炮与井炮单炮相比，其能量、频谱、分频扫描纪录及信噪比并不占优，但可控震源在高密度高覆盖条件下的激发仍能获得好于或等同于井炮激发的地震资料.
4.3 观测系统优化分析 4.3.1 可控震源观测系统 4.3.1.1 接收线数分析在道距和炮距不变的前提下，选择不同接收线数的4L3S、3L3S、2L3S、1L3S四种不同观测系统进行对比 (图 10).通过对比四条不同接收线数的观测系统剖面，发现随着接收线数的增加，剖面浅、中、深层在不同构造位置反射同相轴的连续性变好，在构造陡倾部位，4L3S观测系统的叠加剖面信噪比和连续性最佳，3L3S观测系统的叠加剖面与4L3S差异不大，2L3S观测系统的叠加剖面好于1L3S，1L3S观测系统的叠加剖面最差.
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图 10 托纳木—笙根TS2015-SN3不同接收线数对比 Figure 10 Comparison of sections by different receiving conditions of TS2015-SN3 |
选择60 m炮间距的4L3S、4L2S、4L1S三种不同观测系统叠加剖面进行对比 (图 11)，随着炮线数的增加，剖面浅、中层在不同构造位置反射同相轴的连续性变好，4L3S观测系统的叠加剖面信噪比和连续性最佳，4L2S观测系统的叠加剖面与4L3S差异不大，4L1S观测系统的叠加剖面最差.
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图 11 托纳木—笙根TS2015-SN3不同激发炮线数对比 Figure 11 Comparison of sections by different exciting conditions of TS2015-SN3 |
选择30 m、60 m和120 m炮距，4L1S观测系统叠加剖面进行分析 (图 12)，三种不同炮点距叠加剖面显示，随着炮密度的增加，剖面覆盖次数加倍，反射波同相轴连续性增强，分辨率随之提高.120 m炮点距叠加剖面最差，30 m和60 m叠加剖面分辨率差异不大，60 m炮点距基本能满足本地区地震采集任务要求.
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图 12 托纳木—笙根TS2015-SN3不同炮间距对比 Figure 12 Comparison of sections by different shot intervals of TS2015-SN3 |
不同接收排列长度分析选择480道、450道、420道接收的4L3S观测系统叠加剖面 (图 13)，通过对比三条不同排列长度的4L3S观测系统剖面，在构造平缓部位，三种不同排列长度的叠加剖面差异很小，然而在构造陡倾部位，其浅、中、深层反射同相轴的连续性和信噪比有差异.在构造陡倾部位，480道接收的4L3S观测系统叠加剖面信噪比和连续性较好，450道接收的3S4L观测系统叠加剖面次之，420道接收的3S4L观测系统叠加剖面较差.
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图 13 托纳木—笙根TS2015-SN3不同排列长度对比 Figure 13 Comparison of sections by different spread lengths of TS2015-SN3 |
不同覆盖次数分析选择1920次覆盖 (4L3S)、1440次覆盖 (4L3S)、960次覆盖 (3L2S)、720次覆盖 (3L2S)、480次覆盖 (2L2S) 叠加剖面进行对比 (图 14)，随着不同观测系统覆盖次数的增加，浅中深层反射同相轴的连续性和信噪比增强，当覆盖次数达960次叠加剖面与1440次叠加、1920次叠加无明显差异.通过对比发现，960次覆盖次数基本能满足采集工作需要.
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图 14 托纳木—笙根TS2015-SN3不同覆盖次数对比 Figure 14 Comparison of sections by different folds of TS2015-SN3 |
从定性定量分析图可见 (图 15-图 17)，覆盖次数越高，剖面频率越低，覆盖次数240剖面频率最高 (可能与高覆盖次数叠加会削弱高频成分、突出低频成分有关)，覆盖次数720频率相对比较适中，而覆盖次数1920剖面频率最低.随着覆盖次数的增加，剖面能量逐渐增强，覆盖次数240能量最弱，覆盖次数1920能量最强.覆盖次数240、480的信噪比略低，覆盖次数720、960、1440、1920的信噪比逐渐增高.
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图 15 托纳木—笙根TS2015-SN3不同覆盖次数频率曲线对比 Figure 15 Comparison of frequency curves by different folds of TS2015-SN3 |
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图 16 托纳木—笙根TS2015-SN3不同覆盖次数能量曲线对比 Figure 16 Comparison of energy curves by different folds of TS2015-SN3 |
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图 17 托纳木—笙根TS2015-SN3不同覆盖次数信噪比曲线对比 Figure 17 Comparison of S/N ratio curves by different folds of TS2015-SN3 |
(1) 接收线数增多，有利于改善资料信噪比，3线30 m道距接收能满足要求.
(2) 加密炮点，有利于改善资料分辨率和信噪比，30 m和60 m炮点距叠加剖面差异不大；加长排列，有利于改善资料信噪比，采用480道排列、7185 m最大偏移距能满足要求.
(3) 最佳观测系统为3L2S/960次覆盖观测系统，此观测系统能够较好压制部分干扰波，改善剖面成像能力.
4.3.2 井炮观测系统TS2015-SN5线为井炮试验线，采用7185-15-30-15-7185观测系统，检波点距30 m，检波线距60 m，中间炮线炮点距60 m，两侧炮线炮点距120 m，覆盖次数960次.
4.3.2.1 相同叠加次数不同观测系统剖面分析对比240次覆盖4L1S和2L1S两种不同观测系统剖面，2L1S观测系统在浅层和中层反射信息更丰富，同相轴分辨率和连续性更好 (图 18a)；对比2L3S、3L2S、3L1S三种不同观测系统360次覆盖剖面，2L3S观测系统剖面比3L2S和3L1S观测系统剖面反射信息丰富，浅层同相轴连续性更好，3L2S和3L1S观测系统剖面差异不大 (图 18b)；另外，对比720次覆盖2种不同观测系统剖面，4L3S剖面较3L3S剖面在浅、中、深反射信息更为丰富，同相轴分辨率更好 (图 18c).
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图 18 SN5相同叠加次数不同观测系统剖面对比 (a) 240次覆盖; (b) 360次覆盖; (c) 720次覆盖. Figure 18 Comparison of sections by different layout chart of TS2015-SN5 (a) 240 folds; (b) 360 folds; (c) 720 folds. |
不同叠次剖面分析选取960次 (4L3S)、720次 (4L3S)、480次 (4L1S)、360次 (2L3S)、240次 (2L1S)、120次 (2L1S) 共计6种不同覆盖次数剖面进行对比 (图 19)，其中720次、360次、240次覆盖均选取前述分析中效果最好的观测系统剖面.从6种不同覆盖次数剖面来看，随着覆盖次数的增加，地震剖面反射信息更为丰富，同相轴分辨率和连续性更好.但覆盖次数达到360次以后，剖面效果改善不大，构造形态清晰，地层反射信息丰富，360次覆盖已经能满足地质任务需要.
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图 19 TS2015-SN5不同叠加次数剖面对比 Figure 19 Comparison of sections by different folds of TS2015-SN5 |
激发接收因素：(1) 可控震源：振动台次3台1次，扫描频率6~84 Hz，驱动幅度70%，扫描长度18 s. (2) 井炮震源：单井高速层下7 m激发，最浅井深18 m，药量18 kg；组合方式激发为2口井×15 m×12 kg或3口井×12 m×8 kg.
5.2尽管可控震源单炮在能量、频谱、分频扫描及信噪比等方面没有井炮好，但可控震源高密度高覆盖采集仍能获得明显优于或等同于井炮激发的地震资料.
5.3采用“高密度-高覆盖-宽线”可控震源和井炮采集技术，首次在羌塘盆地托纳木—笙根地区获得了一批质量优良的二维地震剖面，反射同向轴清楚、连续，断点清晰、可辩，可用于地质构造解释.
5.4出于“环保、安全、经济、高效”考虑，羌塘盆地托纳木—笙根地区适合于采用可控震源和井炮联合的宽线采集方案，可控震源覆盖次数960次以上，井炮覆盖次数360次左右即可，宽线观测系统3S3L或2S3L最佳.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | DI Zhi-Xin, DING Wei, WANG Zeng-Ming, et al. 2012. Practice and understanding of seismic acquisition technology in complicated foothill area[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum (in Chinese), 51(6): 548–561. |
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