川西复杂构造带上古生界栖霞组、观雾山组台缘滩相储层发育, 龙门山主体构造下方存在二叠统底构造且地层完整, 展示了川西龙门山断裂带内存在较大范围的二叠系构造圈闭。2011年, 刘树根等^[1]提出川西地区发育典型的冲断-前陆盆地二元结构。罗啸泉等^[2]认为, 川西地区龙门山构造带主要构造方式是推覆构造, 可分成3种构造体系, 其中断展褶皱和断弯褶皱是最有利于油气富集的构造样式。沈平等^[3]和张本健等^[4]认为, 川西二叠系已经成为勘探的主要目的层系, 具有良好的勘探前景。随着ST9井测试获气, 进一步表明川西复杂构造带内二叠系具有较大的勘探潜力。商晓飞等^[5]通过对川西坳陷新场构造带上须二段的研究, 建立了融合地质沉积模式与地球物理预测的砂岩空间分布模型, 结合实际钻井资料, 认为该模型符合实际储层性质, 为后续油气开发奠定了基础。众多研究表明, 川西复杂构造带具有较好的勘探前景。但受龙门山推覆构造影响, 构造带地层破碎, 断裂十分发育, 地震波场畸变, 传播路径复杂, 以往地震剖面成像效果差, 难以满足构造、断层与地层展布特征研究, 因此如何提高地震数据品质一直是难点问题。对此, 前人针对工区的复杂构造特征, 探索了许多地震采集优化方法。汪晴川等^[6]对复杂构造采用小道距、高覆盖、大排列的观测系统, 取得了一定的成效。陈强等^[7]针对工区复杂的地质特征, 建立典型地质模型, 采用全波场波动方程正演模拟方法, 优化断裂带地震采集参数。刘远志等^[8]尝试采用三维三分量地震采集方法解决工区内裂缝预测的问题。涂远艮等^[9]根据实验结果, 认为小道距、高覆盖可以提高川西复杂带资料的信噪比。赵路子等^[10]通过表层调查、钻井资料和采集参数优化, 设计出宽方位、小面元、大偏移距、高覆盖次数的观测系统, 有利于后续解释和储层预测。罗伟等^[11]优化了岩性圈闭的正演照明采集参数, 为后续岩性圈闭采集参数设计提供参考。殷厚成等^[12]提出地震信噪比照明的概念, 认为利用实际地震资料的信噪比衡量地震采集效果及资料处理能力, 弥补了覆盖次数和能量照明法的不足。李安昱等^[13]在分析层间延迟时差对双检构造成像和保幅性的影响时, 提出基于互相关的层间延迟时差定量计算方法, 并提出可以有效区分双检地震数据质量的评价函数。邸志欣等^[14]针对“三复杂”山前地带地震勘探提出了一套适应于山前带的基于叠前偏移成像的高密度观测系统评价方法, 该方法有助于提高复杂山前带地震数据的成像精度, 在准南山前地区获得较好的应用效果。

川西复杂带构造起伏剧烈, 需要更高质量的观测系统, 而以往四川盆地的盆周地区地震采集设计鲜有从地下实际构造出发, 没有从地下目的层成像角度优选采集参数, 更少见针对四川盆地川西复杂构造带的地震采集参数优化敏感采集分析。因此, 本文重点分析川西复杂构造带不同激发区域地震波场特征差异, 优化采集参数和激发区域, 深入分析对成像质量最为敏感的采集参数, 分区域提出观测系统优化方案, 从而提高复杂构造带的地震成像质量。

为了得到川西构造带最优的观测系统优化方案, 在以上调研的基础上, 选择四川盆地边缘龙门山构造带勘探区内经过盆地内、龙门山构造主体和山内地层的HX1井区进行建模(图 1), 模型长28km, 深12km, 目的层为茅口组和栖霞组原状地层(图 1c中绿色箭头)。该井区构造幅度大、地表起伏剧烈, 构造主体地层破碎严重, 横向速度变化大。因此, 地质建模的方法是首先利用叠前深度偏移处理后剖面(图 1a)建立地层的反射系数模型(图 1b)。其次, 选择常规处理中的叠前深度偏移(PSDM)速度场为背景速度, PSDM速度没有明显的地层界面, 但地层内部变速特征较为准确, 而反射系数模型具有明显的地层界面, 故将两种速度模型进行融合。针对川西复杂龙门山推覆构造, 地层起伏剧烈、多处速度倒转, 波场特征复杂, 为使复杂区照明和成像更接近实际情况, 拟通过双程波波动方程正演模拟单炮记录, 采用主频为25Hz雷克子波, 然后进行逆时偏移成像, 同时将每次模型修改后计算获得的RTM偏移剖面与实际生产的偏移剖面进行对比, 不断调整速度模型, 进而获得既有地层界面信息, 同时地层内部具有准确的速度变化特征的变速模型(图 1c)。

图 1(Fig. 1)

图 1 HX1井区地质建模 a叠前深度偏移处理后剖面; b反射系数模型; c最终融合后的变速模型; d逆时偏移成像剖面

为了便于研究分析, 根据HX1井区的地表及地下构造特征, 将该模型划分为以下3个区域: ①山内平坦高速区(0~13km); ②龙门山推覆构造主体区(13~22km); ③盆地内低速层区(22~28km)。同时, 针对模型横向变化剧烈的问题, 选择基于有限元双程波正演照明及逆时偏移成像进行采集参数与成像质量关系的分析。

川西复杂构造带由于穿越平原、龙门山构造带和山内高原, 因此, 不同区域激发效果和地震波传播规律差异较大。利用检波点接收照明(类似偏移剖面的能量分布)可以明确不同区域的激发效果。结合构造特征, 共布设6个炮点(炮点位置见图 1c, 从模型左侧开始, 依次编号)。第1个炮点主要为了分析龙门山内高速平缓地层激发效果; 第2个和第3个激发点为了分析龙门山内高速大倾角地层激发效果; 第4个和第5个炮点分别为了分析龙门山构造主体部位低速地层和高速地层激发效果; 第6个炮点是为了分析盆地内低速地层对推覆体下伏目的层的激发效果。在此基础上, 采用了全排列接收的方式, 分别计算震源入射照明和检波点接收照明能量(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同区域激发照明能量分布 a~f分别为第1~6炮震源入射照明(左)和检波点接收照明(右)

由图 2a可以看出, 在山内平坦高速区激发效果相对较好, 虽然能量弱, 但穿透能力强, 波场均匀且浅层、深层能量分布较好。在山内大倾角地层中激发时, 效果开始变差, 存在顺层传播的现象(层间全反射), 大倾角地层处深层能量被屏蔽, 导致激发点左侧深层能量缺失(图 2b红色箭头和图 2c), 显然平缓地层激发效果好, 大倾角地层激发效果差。

龙门山内的局部低速层, 激发效果相对较好且能量传播范围广, 接收照明能量整体强于其它激发点, 但下伏地层局部区域存在能量较弱的问题(图 2d)。在龙门山推覆构造主体部位, 地层破碎严重, 膏岩等软地层被挤压变形, 导致地震波场畸变。下伏目的层存在明显能量阴影区(图 2d和图 2e红色箭头), 且地表接收照明能量整体较弱。

而盆地内低速层区虽然激发效果好, 但能量具有局部性, 穿透力弱, 对左侧推覆体下伏的茅口组和栖霞组目的层几乎无贡献, 导致构造主体部位能量很弱, 影响推覆体下方的目的层成像(图 2e中红色箭头), 与野外的经验认识存在较大差异。因此, 龙门山构造主体成像质量的提升还需在龙门山构造带的内部通过采集参数优化去解决, 盆地内激发存在能量屏蔽影响, 对构造主体成像质量的提升帮助不大。

显然, 川西复杂构造带内地震激发和接收能量差异较大, 只有选择最优的采集参数才能有效提高龙门山推覆体下伏的茅口组和栖霞组的成像质量。鉴于研究区从未进行三维地震勘探, 因此在以往原始二维采集观测系统参数基础上进行观测系统的优化分析。原始观测系统参数为: 中间放炮, 道间距为25m, 接收道数为532道, 炮点距为250m。重点分析道间距、接收道数及炮点距的变化对目的层照明能量的影响, 同时根据地下目的层照明能量, 利用逆向照明方法优化最优激发区域。需要强调的是, 炮线距是川西复杂构造带推覆体成像改善最关键参数。以往该区从未进行三维地震采集, 所以, 本文利用以往采集的二维地震资料建立模型, 并通过垂直构造走向的二维观测系统炮点距代替三维的炮线距, 分析其变化特征。

在考虑推覆体下方茅口组和栖霞组目的层埋深约7000m的前提下, 首先在固定排列长度为6987.5m、炮点距为200m(三维观测系统的炮线距)的情况下, 道间距分别设计为12.5m, 25.0m, 37.5m和50.0m。从图 3接收照明能量曲线可以看出, 对于茅口组和栖霞组目的层处能量, 道间距影响较大。无论道间距如何改变, 但都会在17~19km处存在照明能量阴影区, 该区域对应龙门山推覆构造主体(图 1a绿色箭头处), 在实际地震剖面中该区域同相轴杂乱, 茅口组和栖霞组地层无明显的反射波同相轴。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同道间距情况下地表及地下目的层接收照明能量曲线 a地表接收照明能量; b地下目的层接收照明能量

对不同道间距观测系统正演模拟的炮集数据进行逆时偏移成像。从图 4的不同道间距观测系统的逆时偏移剖面中也能看出同样的现象, 随着道间距减小, 信噪比显著增强, 目的层成像质量及目的层同相轴连续性得到改善。显然道间距对成像影响较大, 建议川西复杂构造带选择12.5m的道间距。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同道间距观测系统逆时偏移剖面(局部目的层段) a 12.5m;b 25.0m;c 37.5m;d 50.0m

在固定道间距为12.5m和炮点距为350m(中间放炮)的情况下, 分别设计以下接收道数: 364, 392, 420, 448, 476, 504, 532, 560, 588, 616, 644, 672, 700, 728, 756道。从图 5和图 6不同接收道数情况下地表及地下目的层接收照明能量曲线可以看出: ①随着接收道数增加, 地表接收能量在3~13km处(小倾角高速地层)增加最为显著, 目的层处能量在5~15km处改善最为显著; ②476~560道改善幅度最大, 588道以后改善不明显, 且对工区西侧的中深层大倾角地层改善最为明显; ③道数增加对目的层17~19km处能量阴影区改善幅度小, 显然接收道数对改善中深层能量敏感, 但对局部能量阴影区改善效果不明显(图 6中红色箭头)。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同接收道数情况下地表接收照明能量曲线

图 6(Fig. 6)

图 6 不同接收道数情况下地下目的层处接收照明能量曲线

从图 7目标区域成像结果来看, 随着接收道数增加, 深部成像效果得到明显改善, 但588道后改善幅度不大, 与照明分析结果一致。显然, 接收道数增加可以改善深层成像质量且提高幅度有限, 同时, 对改善目的层阴影区能量效果不明显。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同接收道数情况下逆时偏移剖面(局部目的层段, 选择部分偏移剖面) a 364道; b 476道; c 588道; d 728道

在固定接收道数为560道、道间距为25m的情况下, 设计炮点距分别为: 450, 425, 400, 375, 350, 325, 300, 275, 250, 225, 200, 175, 150, 125, 100m。从图 8和图 9地表及地下目的层接收照明能量曲线可以看出: ①炮点距对地表和地下能量改善明显, 且整体改善, 本区炮点距为100~200m时, 整体改善幅度最大, 大于200m后改善幅度较小; ②推覆构造主体处地下目的层接收照明能量弱, 说明破碎带波场畸变, 导致能量散射, 是成像不好的主要因素; ③炮点距减小不能进一步经济高效地改善阴影区能量(图 9中红色箭头), 建议该区选择小于200m的炮点距, 同时针对目的层能量阴影区进行局部加密炮点, 以改善目的层成像质量。

图 8(Fig. 8)

图 8 不同炮点距情况下地表接收照明能量曲线

图 9(Fig. 9)

图 9 不同炮点距情况下地下目的层处接收照明能量曲线

同时, 地下构造与照明能量存在明显的耦合关系: ①山内平缓高速层(图 10中黑色箭头), 地表入射能量正常, 但地下能量强, 原因在于波场容易下传, 能量损失少; ②龙门山构造主体部位(红色箭头), 由于地层破碎, 即使地表入射能量正常, 但地下能量最弱, 原因在于波场散射严重, 从而导致目的层17~19km处存在能量阴影区; ③盆地内低速层(蓝色箭头), 由于波阻抗差异大且有明显的屏蔽作用, 对推覆体下方的目的层成像帮助较小(图 10)。

图 10(Fig. 10)

图 10 地表及地下构造特征与照明能量的关系

综上分析可以发现, 采集参数改变不能明显地经济高效地提高目的层阴影区能量, 对此我们在目的层处利用逆向照明方法, 寻找最优的炮点加密范围。基于前述分析结果, 选择在目的层在17~19km的能量阴影区布设4个炮点(炮点横向间距500m), 进行逆向照明实验。统计能量曲线后发现, 对目的层17~19km处能量阴影区贡献最大的激发区域是地表 12~19km, 且在推覆构造主体区的低速层中激发效果最佳(图 11中红色箭头)。在此基础上, 设计在12~19km处进行炮点加密, 方案如下: 炮点距为250, 200, 175, 150, 125, 100, 50m。图 12显示局部加密成125m炮点距(基于以上炮点距分析结论, 确定200m为原始炮点距)可以明显改善阴影区能量(红色箭头), 目的层能量改善范围为11~22km, 对应的逆时偏移剖面信噪比更高, 同相轴连续性变好(蓝色箭头), 达到经济高效提高目的层能量的目的。

图 11(Fig. 11)

图 11 逆向照明(a)与地表接收能量曲线(b)

图 12(Fig. 12)

图 12 炮点加密后入射能量、地表接收能量曲线及逆时偏移剖面 a入射能量; b地表接收能量; c局部加密125m炮点距; d不加密炮点

1) 采集参数的敏感性顺序为: 炮点距>道间距>接收道数, 炮点距和道间距可以整体提高浅、中深层能量。接收道数可提高中深层能量且对大倾角地层成像改善最为明显。

2) 山内平缓高速层及局部低速层, 地表入射能量正常, 但地下能量最强, 是理想的加密炮点的位置; 推覆构造主体部位地下能量始终最弱, 说明破碎带处波场畸变, 有效波偏弱, 不适合加密炮点。

3) 盆地内低速地层激发效果虽好, 但对推覆体下方的地层有“屏蔽”作用, 对提升龙门山构造主体成像质量帮助较小, 同样也不是理想的加密炮点位置。因此, 建议龙门山主体下方的成像质量的提升可以采取在龙门山内部进行采集参数优化、选择合适的加密炮点位置等措施。

4) 综合来看, 川西复杂构造带观测系统建议方案如下: ①龙门山构造主体建议采集参数为不低于644道接收、12.5m道间距、炮点距为200m(三维观测系统的炮线距), 并在局部地区(山内低角度地层、低速层、高速平缓地层区域)加密成125m的炮点距(三维观测系统的炮线距); ②山内建议采集参数为不低于560道接收、25m道间距、炮点距为200m。鉴于本文研究区域与国内同类型地区有相似性且具有一定的代表性, 因此, 国内同类地区地震数据采集攻关时, 可以参考本文的研究成果及研究思路。