地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (6): 2619-2625   PDF    
基于实际数据驱动的非纵波场模拟分析
邹雪峰1, 许银坡1, 潘英杰1, 倪宇东1, 余建鹏1, 樊平2     
1. 东方地球物理公司采集技术中心, 河北涿州 072751
2. 东方地球物理公司辽河物探处, 辽宁盘锦 124010
摘要:在黄土塬、山地等低信噪比地区,单炮近道受面波、激发噪声等影响,地震资料品质极差.为此提出了非纵观测,使目的层反射波避开近道干扰,来提高地震资料的信噪比.如何选择合适的非纵距进行观测系统设计?常规方法是采用建立三维地质模型,利用射线追踪或波动方程正演模拟地震记录选择观测系统的非纵距,但由于地质现象的复杂性、建模软件的应用性、建模方法适用条件的局限性等等,使得在实际生产应用中,模拟出的地震记录还存在一些不足之处.为此融合探区以往的地震资料,建立了如下流程确定合理的非纵距:首先搜集探区以往的炮集数据,在炮集数据上拾取地震波(初至波、反射波和面波)和目的层倾角,获取地震波的走时、均方根振幅、主频、相位等信息,建立炮检距与分析地震波属性值(走时、均方根振幅、主频、相位等)的关系曲线;然后根据地质任务设计单炮点的非纵观测系统,根据炮检距选择对应地震波的关系曲线相应的属性值,模拟地震记录;最后根据目的层反射波能否有效避开面波、初至波、近道干扰,确定观测系统非纵离.通过实例验证,对于地质构造复杂、资料信噪比低的地区,模拟的地震记录更符合探区地质构造特点,能有效地指导观测系统非纵距的设计,达到合理压制噪声和提高地震资料信噪比的目的,克服了传统宽线压噪能力低和三维采集投资过大的矛盾.
关键词非纵观测系统    非纵距    反射波    初至波    面波    
Data-driven design of non-p-wavefield simulation analysis
ZOU Xue-feng1 , XU Yin-po1 , PAN Ying-jie1 , NI Yu-dong1 , YU Jian-peng1 , FAN Ping2     
1. Acquisition Technique Supports, BGP, CNPC, Hebei Zhuozhou 072751, China
2. Department of Liao he Geophysical Survey, BGP, CNPC, Liaoning Panjin 124010, China
Abstract: In the loess plateau and mountainous areas with low signal to noise ratio, shot gather data quality is extremely poor under the influence of surface wave, excitation noise. In order to solve this problem, non-p-wave geometry is proposed, the reflection wave of target stratum can avoid near trace interference to improve signal to noise ratio. How to select the appropriate off-line distance for geometry design? The conventional methods used to establish the three-dimensional model, using the ray tracing or wave equation forward modeling seismic records to select the off-line distance of geometry. However, because of the complexity of geological phenomena, the application of modeling software, the limitations of the applicability of the modeling method and so on, in practice, there are still some deficiencies in the simulated records. Based on this, Set up the following process to design the right off-line distance:Firstly we pick up first breaks, reflection wave, surface wave and the inclination of the target layer in the shot gather data. Seismic wave travel time, RMS amplitude, main frequency, phase and so on are obtained. The relationship curves of the different offsets and seismic wave attributes (travel time, RMS amplitude, main frequency, phase and so on) are set up; Secondly according to geological task, the single-source non-p-wave geometry is designed. The corresponding attribute value of the corresponding curve of seismic wave is selected according to the offsets, and the seismic records are simulated; Finally determine the range of the non-p-wavefield taking into account whether the reflection wave can avoid the interference of surface wave, first breaks wave and near traces. To examine the effectiveness of method, non-p-wave geometry acquisition is applied on field data, The simulated records are more consistent with the geological structure characteristics, and can effectively guide the design of the off-line distance. The result demonstrates that the method can suppress noise and improve signal to noise ratio for low signal to noise ratio complex geological structure area. It overcomes the contradiction between the traditional wide-line suppress low noise and three dimensional acquisition big investment.
Key words: non-p-wave geometry     off-line distance     reflection wave     first breaks wave     surface wave    
0 引言

随着地震勘探精度的提高,对于目的层构造复杂的地区,常规观测系统非纵距设计影响采集资料质量(曹国滨等,2007张春贺等, 2011, 2014陈明春等,2015).在黄土塬、山地地表地震单炮记录一般信噪比较低,尤其是近偏移距资料受低速面波、折射波、散射、激发噪声的影响,显得尤为低下.因此在一些地区通常采用宽线接收的方式,通过提高覆盖次数来提高资料信噪比,但往往无法避开近道严重的各类干扰.为此,近年来许多地球物理工作者提出了非纵观测的采集方式,做了相应的研究和实践工作,通过增大非纵距离来避开近道干扰,取得了很好的剖面效果.在生产中,窦伟坦等(2011)在黄土塬区利用非纵观测系统获得了高质量数据体;杜中东等(2010)通过精细设计非纵采集参数, 提高了黄土塬非纵噪声压制效果;高利东等(2011)试验了合理的非纵距能克服常规宽线叠加道集方位角窄的缺陷, 达到合理的压制噪声, 提高地震原始资料的信噪比及分辨率;李庆忠和魏继东(2008)论述了非纵距能有效地改进西部山区地震资料质量, 分析认为柴达木盆地英雄岭地区深层反射资料还很差的原因是非纵距拉开距离不够,无法压制来自侧面的干扰;吕公河(2013)通过实际资料分析了非纵距对地震资料信噪比的影响;刘江平等(2015)通过分析认为常用的最佳非纵距设计技术一般难以获得复杂目标体的有效反射波.很多学者利用模型分析设计观测系统非纵波场(马义忠等, 2008碗学俭等, 2008秦广胜等, 2010姚江和徐雷良, 2011张光德, 2013殷后成和邓飞, 2015Zhao et al., 2017),常用的正演分析方法有基于射线追踪和基于波动方程的两类,不管是基于射线追踪还是基于波动方程,均是在模型基础上通过正演分析设计观测系统参数,压制线性干扰,削弱噪声.但通过模型设计非纵波场范围有一定的局限性:一方面探区可能只有二维地震资料,无法建立三维地质模型;另一方面由于地质现象的复杂性,特别是一些特殊的地质现象(断层、裂缝等),以及技术软件的应用等还存在许多问题,到目前为止,三维地质建模在很多方面仍处于理论研究阶段,在构造复杂的地区,准确构造建模难度大,不能有效地模拟三维地震记录.

尽管非纵地震勘探技术在不同的复杂地区进行了较为广泛的应用,但从发表的文献来看,很多方法是基于理论上分析设计和对具体探区的应用效果分析,还没有一个通用的充分融合探区已有的地震资料和根据探区地震波特征设计非纵波场观测的方法,有必要对二次或多次勘探的地区利用已有资料进行深入的研究,保证对目的层信息的有效采集,根据地震地质条件设计合理的非纵距以避开近道干扰和增加方位角信息,为非纵观测系统优化提供参考依据,以实现非纵地震勘探成本相对较低、勘探效果好的目的.

1 非纵波场模拟分析方法原理

根据三维和宽线地震面元叠加压噪原理及黄土塬等低信噪比地区地震资料的噪声特性,利用探区已有炮集数据设计合理的非纵距,避开近炮点的强干扰,达到合理的压制低速的次生面波和高速的次生折射波干扰,提高单炮记录的信噪比.本文主要考虑非纵距的设计,具体的实现过程如下:

1) 收集探区地震资料,在地震记录上拾取初至波,得到初至时间、初至波的均方根振幅、主频、相位等属性值,建立炮检距与分析地震波属性值(初至时间、均方根振幅、主频、相位等)的关系曲线,根据地震波属性值的分布得到拟合曲线(指数曲线拟合、高斯曲线拟合、多项式拟合等).

2) 拾取反射波和面波,和处理初至波类似的方式,相应地建立炮检距与分析地震波属性值(走时、均方根振幅、主频、相位等)的关系曲线,得到炮检距与分析地震波属性值对应的拟合曲线.

对于反射波,要先确定目的层倾角,通过目的层倾角拾取反射波,拾取反射波的顶点O1(xm, ym, 0),为对于任意接收点S(x, y, 0)来说,各接收点S的空间位置与反射波传播的走时(t)之间的关系为

(1)

这是一个旋转的时距曲面方程,式中V为反射界面上部的波速;h为界面法线深度,它利用反射波最小时间值tm和地层倾角φ得到.

3) 根据探区地质勘探任务需求,设计单点放炮多线接收的非纵距观测系统,计算每个炮检对的炮检距.

4) 设计的非纵观测系统内炮检对分左右支按炮检距的大小从地震波的地震属性关系曲线中取值,得到设计的非纵观测系统相应地震波的时距曲线,最终得到模拟的三维地震记录.

根据模拟地震记录上反射波能否有效地避开面波、初至波、近道干扰,对非纵观测系统设计合理的非纵距,从而改善采集资料的成像质量.

2 非纵波场模拟分析实例

对于黄土塬、山地等地区地震勘探叠前记录中,存在折射波、侧面波、散射波等各种波干扰严重,在处理中,通常采用不同的方法分别进行去噪处理.这样不仅会大大增加处理时间,同时对于本身就很弱的有效信号,也会由于去噪等环节的增加而增加损失.因此,在采集过程中设计合适的非纵观测方案避开强干扰波对目的层有效信号的影响是很有必要的.

图 1为中国西部黄土塬地区的炮集记录.由于地形起伏变化大,地下地质条件复杂,该炮集数据近炮检距资料除了强干扰波外,几乎看不到有效波的信息.

图 1 中国西部黄土塬资料 Figure 1 China western loess plateau shot gather

针对上述地震记录的特点,利用本文提出的新方法,拾取初至波,对于信噪比高的资料,可用自动拾取初至波方法拾取(许银坡等,2016),对于低信噪比资料,可用手工交互方式拾取,上述地震记录初至波拾取结果如图 2,红色点为拾取的初至波.

图 2 拾取初至波 Figure 2 Pick up first breaks

拾取的初至波按照炮检距排序,构成初至时间和炮检距变化的关系曲线,如图 3.

对拾取的初至时间分左右支按照炮检距排序,分别进行拟合,图 4为左支初至时间随炮检距变化,拟合的直线方程y=0.2138x+56.264(红色直线), 图 5为右支初至时间随炮检距变化,拟合的直线方程y=0.2138x+56.264(红色直线).

图 3 初至时间随炮检距变化 Figure 3 First breaks vary with offset

图 4 左支初至时间随炮检距变化和拟合直线(红色) Figure 4 The left first breaks vary with offset and linear fitting (red)

图 5 右支初至时间随炮检距变化和拟合直线(红色) Figure 5 The right first breaks vary with offset and linear fitting (red)

对拾取初至波的均方根振幅分左右支按照炮检距排序,并分别进行拟合,图 6为左支初至波均方根振幅随炮检距变化,拟合的指数曲线方程(红色指数曲线), 图 7为右支初至波均方根振幅随炮检距变化,拟合的指数曲线方程(红色指数曲线).

图 6 左支初至波均方根振幅随炮检距变化和拟合指数曲线(红色) Figure 6 The left first breaks RMS amplitude vary with offset and exponential curve fitting (red)

图 7 右支初至波均方根振幅随炮检距变化和拟合指数曲线(红色) Figure 7 The right first breaks RMS amplitude vary with offset and exponential curve fitting (red)

对拾取初至波的主频按照炮检距排序,并进行拟合,图 8为初至波主频随炮检距变化,拟合的指数曲线方程(红色指数曲线).

图 8 初至波的主频随炮检距变化和拟合指数曲线(红色) Figure 8 First breaks main frequency vary with offset and exponential curve fitting (red)

在炮集记录上拾取地层倾角,根据地层的倾角拾取反射波,拾取面波如图 9所示.根据本文提出的新方法和上述初至波的初至时间、均方根振幅、主频、相位等处理方法类似,可分别获取反射波和面波的主频、均方根振幅、走时、相位等信息,建立不同炮检距与分析地震波不同属性值的关系曲线.

图 9 拾取面波和反射波 Figure 9 Pick up surface wave and reflection wave

根据探区地质任务设计单炮点的非纵观测系统,该观测系统道距40 m,接收线距600 m,每条接收线道数90,非纵距分别为:0 m、600 m、1200 m、1800 m,如图 10所示.

图 10 设计的单炮点非纵观测系统 Figure 10 Single-source non-p-wave geometry

根据初至波、反射波、面波的走时、均方根振幅、主频、相位等信息计算观测系统每个接收点对应的初至波、反射波、面波的走时、均方根振幅、主频、相位等信息,如图 11所示.可以看出,目的层刚好在设计的观测系统非纵距为1200 m时有效地避开了面波的干扰,非纵距为1800 m时反射波与初至波相交.因此,采用非纵观测系统采集时,设计非纵距应为1200 m.图 1213分别为图 11的左右三个最远排列的放大图.

图 11 模拟三维地震记录(初至波、面波和反射波) Figure 11 Simulated seismic records(first breaks wave, surface wave and reflection wave)

图 12 模拟三维地震记录(初至波、面波和反射波) Figure 12 Simulated seismic records(first breaks wave, surface wave and reflection wave)

图 13 模拟三维地震记录(初至波、面波和反射波) Figure 13 Simulated seismic records(first breaks wave, surface wave and reflection wave)

为验证上述非纵距理论论证的正确性,野外进行了不同非纵距0 m、600 m、1200 m的采集试验(图 14),采集的数据如图 15所示.图 15a非纵距为0 m,目的层的信号完全被面波淹没;图 15b非纵距为600 m,浅层目的层避开折射波干扰;图 15c非纵距为1200 m,主要目标层不受强面波的干扰.

图 14 不同非纵距炮检点分布 Figure 14 Different off-line distance source and receiver points distribution

图 15 不同非纵距炮集记录 (a)0 m; (b)600 m; (c)1200 m. Figure 15 Different off-line distance shot records (a)0 m; (b)600 m; (c)1200 m.

对获取的资料进行处理,图 16a非纵距为0 m,在炮点和检波点域经去噪处理得到的叠加剖面,图 16b非纵距为1200 m,并经相同去噪处理得到的叠加剖面.这两条剖面效果有明显的差异, 与图 16a相比,图 16b叠加剖面信噪比得到明显提高,主要在于选用合理的非纵距后,能有效避开近偏移距产生的强干扰,能较好的改善资料品质.

图 16 采集的不同非纵距实际资料叠加剖面 (a)0 m;(b)1200 m. Figure 16 Different off-line distance stack profile (a)0 m; (b)1200 m.
3 结论

非纵观测系统设计在低信噪比地区的实际应用表明,与常规二维观测系统采集技术相比,新的非纵距设计技术可以提高观测系统设计的合理性、提高目标层成像的信噪比.

(1) 利用探区已有的地震资料,根据目的层的地层倾角和地震波的走时、均方根振幅、主频、相位等信息,建立扩展地震波模型,确定非纵波场范围,克服了常规基于理论公式和凭经验来估计非纵距所存在的问题.

(2) 对于地质构造复杂、资料信噪比低的地区,模拟的地震记录更符合探区地质构造特点,有效地指导设计观测系统采集参数,能确保采集资料较常规二维信息丰富,偏移成像叠加剖面品质得到明显改善,构造特征反映真实,成为在低信噪比地区提高地震数据采集质量的有效方法.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
参考文献
[] Cao G B, Li Y W, Cui R G. 2007. The multi-wave seismic acquisition method and applied result in Ken 71 area[J]. Progress in Geophysics, 22(5): 1510–1516. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.05.024
[] Chen M C, Liu Z D, Lv Q T, et al. 2015. Key techniques and method for deep seismic data acquisition in hard-rock environment[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(12): 4544–4558. DOI:10.6038/cjg20151217
[] Dou W T, Du Y B, Yu B, et al. 2011. Off-line 3D seismic acquisition in Jiyuan, Erdos Basin[J]. Oil Geophysical Prospecting, 46(6): 844–850.
[] Du Z D, Deng S Q, Wang X Y, et al. 2010. Off-line seismic exploration and its application in loess plateau area[J]. Oil Geophysical Prospecting, 45(S1): 35–39.
[] Gao L D, Zhao Y H, Zhang K C, et al. 2011. The off-line seismic exploration technique and application[J]. Petrochemical Industry Application, 30(5): 4–6.
[] Li Q Z, Wei J D. 2008. Talk about importance of cross-line array of geophone on spread[J]. Oil Geophysical Prospecting, 43(4): 375–382.
[] Liu J P, Wang Y Y, Liu Z, et al. 2015. Progress and application of near-surface reflection and refraction method[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(9): 3286–3305. DOI:10.6038/cjg20150923
[] Lü G H. 2013. Discussion on the influence of geometry parameters of wideline seismic survey on S/N[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 52(5): 495–501.
[] Ma Y Z, Wei W, Sun W J, et al. 2008. High resolution 3-D seismic survey design in Nanyang depression[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 47(5): 498–504.
[] Qin G S, Cai Q X, Wang G H, et al. 2010. 3D seismic geometry design based on ore-stack imaging[J]. Progress in Geophysics, 25(1): 238–248. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2010.01.032
[] Wan X J, Wu S K, Yang S Y, et al. 2008. Research on high density 3-D geometry design in Machang oilfield[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 47(6): 598–603, 608.
[] Xu Y P, Yang H S, Yang J, et al. 2016. Iteration pickup method of first break using energy ratio[J]. Progress in Geophysics, 31(2): 845–850. DOI:10.6038/pg20160246
[] Yao J, Xu L L. 2011. Geometry optimization design and application effect based on the prestack migration[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 50(6): 589–594.
[] Yin H C, Deng F. 2015. Research on seismic acquisition geometry illumination and its optimization based on 3D Gaussian beam[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 54(4): 376–381, 403.
[] Zhang C H, Li S Z, Yao G S, et al. 2014. Seismic exploration technology integrated with the wide-line & crooked-line acquisition and the corresponding pseudo-3D processing in the carbonate outcrop areas in South China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57(1): 229–240. DOI:10.6038/cjg20140119
[] Zhang C H, Qiao D W, Li S Z, et al. 2011. Integration of oil and gas geophysical exploration technologies for geologically complex areas[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54(2): 374–387. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.014
[] Zhang G D. 2013. Forward modeling and geometry optimization of the igneousrocks structure within Huimin depression[J]. Progress in Geophysics, 28(6): 3098–3105. DOI:10.6038/pg20130635
[] Zhao H, Wu S H, Yang J, et al. 2017. Designing optimal number of receiving traces based on simulation model[J]. Applied Geophysics, 14(1): 49–55. DOI:10.1007/s11770-017-0603-3
[] 曹国滨, 李云伟, 崔汝国. 2007. 垦71地区多波采集方法研究及应用效果[J]. 地球物理学进展, 22(5): 1510–1516. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.05.024
[] 陈明春, 刘振东, 吕庆田, 等. 2015. 结晶岩地区深地震数据采集关键技术与方法[J]. 地球物理学报, 58(12): 4544–4558. DOI:10.6038/cjg20151217
[] 窦伟坦, 杜玉斌, 于波, 等. 2011. 鄂尔多斯盆地姬塬地区非纵三维地震勘探采集技术[J]. 石油地球物理勘探, 46(6): 844–850.
[] 杜中东, 邓述全, 汪兴业, 等. 2010. 黄土塬非纵地震勘探技术及其应用[J]. 石油地球物理勘探, 45(S1): 35–39.
[] 高利东, 赵玉华, 张克诚, 等. 2011. 非纵地震勘探技术及应用[J]. 石油化工应用, 30(5): 4–6.
[] 李庆忠, 魏继东. 2008. 论检波器横向拉开组合的重要性[J]. 石油地球物理勘探, 43(4): 375–382.
[] 刘江平, 王莹莹, 刘震, 等. 2015. 近地表反射和折射法的进展及应用[J]. 地球物理学报, 58(9): 3286–3305. DOI:10.6038/cjg20150923
[] 吕公河. 2013. 宽线地震勘探观测系统参数对信噪比的影响作用分析探讨[J]. 石油物探, 52(5): 495–501.
[] 马义忠, 魏伟, 孙伟佳, 等. 2008. 南阳凹陷高精度三维地震采集观测系统设计[J]. 石油物探, 47(5): 498–504.
[] 秦广胜, 蔡其新, 汪功怀, 等. 2010. 基于叠前成像的三维地震观测系统设计[J]. 地球物理学进展, 25(1): 238–248. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2010.01.032
[] 碗学俭, 吴树奎, 杨素玉, 等. 2008. 马厂油田高密度三维观测系统设计研究[J]. 石油物探, 47(6): 598–603, 608.
[] 许银坡, 杨海申, 杨剑, 等. 2016. 初至波能量比迭代拾取方法[J]. 地球物理学进展, 31(2): 845–850. DOI:10.6038/pg20160246
[] 姚江, 徐雷良. 2011. 基于叠前偏移的观测系统优化设计及应用效果[J]. 石油物探, 50(6): 589–594.
[] 殷厚成, 邓飞. 2015. 三维高斯射线束观测系统照明及优化方法研究[J]. 石油物探, 54(4): 376–381, 403.
[] 张春贺, 李世臻, 姚根顺, 等. 2014. 基于宽线+折线采集与拟三维处理配套的碳酸盐岩裸露区地震勘探技术[J]. 地球物理学报, 57(1): 229–240. DOI:10.6038/cjg20140119
[] 张春贺, 乔德武, 李世臻, 等. 2011. 复杂地区油气地球物理勘探技术集成[J]. 地球物理学报, 54(2): 374–387. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.014
[] 张光德. 2013. 惠民凹陷火成岩构造的模型正演与观测系统优化[J]. 地球物理学进展, 28(6): 3098–3105. DOI:10.6038/pg20130635