塔里木盆地库车复杂地表区地震采集关键技术及应用

Key Technologies and Applications of Seismic Acquisition in the Complex Surface Area of Kuqa of Tarim Basin

摘要: 由于地形剧烈起伏、近地表结构复杂、地表岩性复杂多变以及地下构造复杂等原因，塔里木盆地库车地区地震资料信噪比低，构造落实程度较低。地震资料采集是油气地震勘探的关键环节之一，采集资料的品质决定了地震勘探的效果。为了在塔里木盆地库车复杂山地区获得高质量的地震资料，近年来在该区开展了持续、深入的采集技术攻关，形成了适用于该区的一系列地震采集关键技术。该系列采集技术应用结果表明：1) 基于三维模型正演的观测系统优化技术，可以从偏移成像角度更加经济有效地论证不同观测系统的有效性，观测系统的炮道密度和接收线距是影响成像的关键因素；2) 通过将爆炸仿真方法引入到地震激发模拟分析之中，形成了基于激发仿真的激发参数优化技术，该技术可以有效模拟不同地表岩性参数、炸药参数、激发方式等对地震激发效果的影响；3) 采用空腔激发技术可以降低爆轰初始压力，延长爆轰冲击的持续时间，减少用于破碎岩石的能量，从而增加产生的弹性波的能量转化效率；4) 通过高精度表层模型正演及约束层析反演分析表明，库车山前戈壁区一定密度的超深微测井能够大幅改善静校正效果，超深微测井密度达到3口/12 km较为合适。综上认为，该系列技术的应用为库车地区获得高品质地震资料奠定了基础，保证了库车地区勘探开发取得持续性的突破。

Abstract: Due to the dramatic topographic ups and downs, complex near-surface structure, complicated and variable surface lithology, and complex underground structure, the seismic data in the Kuqa area of the Tarim Basin has a low signal-to-noise ratio and a low degree of tectonic implementation. Seismic data acquisition is one of the key links in oil and gas seismic exploration, and the quality of the acquired data determines the effect of seismic exploration. In order to obtain high-quality seismic data in the complex mountainous area of Kuqa in the Tarim Basin, continuous and in-depth acquisition technology research has been carried out in this area in recent years, and a series of key seismic acquisition technologies applicable to this area have been formed. The results of the application of this series of acquisition techniques show that: 1) The optimization technique of observation system based on 3D model orthogonal evolution can prove the effectiveness of different observation systems more economically and efficiently from the perspective of offset imaging, and the channel density and receiving line distance of the observation system are the key factors affecting the imaging; 2) The excitation parameter optimization technique based on excitation simulation has been formed by introducing the explosion simulation method into seismic excitation simulation analysis, which can effectively simulate different ground surface data. This technique can effectively simulate the effects of different surface lithological parameters, explosive parameters, and excitation methods on the effect of seismic excitation; 3) The use of cavity excitation technology can reduce the initial pressure of the blast, prolong the duration of the blast impact, and reduce the energy used to break the rock, thus increasing the energy conversion efficiency of the generated elastic wave; 4) Through the high-precision surface modeling and the constraints of stratigraphic analysis of inversion analysis shows that the Kuche pre-mountain The analysis of high-precision surface modeling and constrained stratigraphic inversion shows that a certain density of ultra-deep micro-logging wells in the Kucha pre-mountainous area can greatly improve the effect of static correction, and the density of ultra-deep micro-logging wells reaches 3 wells/12 km. In conclusion, the application of this series of technologies has laid the foundation for obtaining high quality seismic data in the Kucha area, and ensured the sustainable breakthrough of exploration and development in the Kucha area.

1. 引言

库车坳陷位于塔里木盆地北部边缘，自晚二叠系开始发育，经历了前陆盆地发育期、坳陷伸展期、前陆冲断发育期等多期次构造运动，形成了包括北部单斜带、克拉苏构造带、依奇克里克构造带等8个次级构造单元[1]-[4]。经过数十年的勘探开发，该区已发现多个大型油气藏，具有丰富的油气资源，是塔里木盆地油气勘探开发的战略接替领域[5]-[8]。

库车坳陷经历了多期次的构造运动后，地层剧烈变形，断裂十分发育；由于地表地层严重风化剥蚀，导致地形起伏较大，地表出露多套地层，区内大面积堆积形成较厚的砾石冲积扇，低降速层厚度和速度横向差异大。由于以上地质特征的影响，该区地震勘探存在以下四个方面的问题[9]-[12]：① 激发接收条件较差，不同地层激发接收差异大，地震波衰减快，深层有效反射弱；② 近地表结构复杂，横向一致性差，近地表建模难度大，静校正精度低；③ 地震激发产生次生干扰和外界干扰严重，地震资料信噪比较低；④ 上述问题叠加地下构造的复杂性，导致地震构造成像精度低，储层预测难度大；⑤ 地表条件复杂，野外采集施工成本高、风险大。总之，塔里木盆地库车地区面临诸多技术和施工难题，亟需开展全方位的技术攻关，改善地震资料品质。

近年来，针对塔里木盆地库车地区存在的上述问题，开展了持续的采集技术攻关，形成了一系列的地震采集关键技术，大力推进了地震采集技术和野外施工作业能力的发展，有效改善了地震资料品质，同时降低了地震采集成本。

2. 库车复杂地表区地震采集关键技术

2.1. 基于三维模型正演的观测系统优化技术

Figure 1. Flow chart of seismic geometry optimization techniques

图1. 观测系统优化技术流程图

高精度的三维观测系统是改善复杂构造区地震偏移成像的关键因素，观测系统优化设计技术旨在找到一套经济有效的观测方案。在研究区缺少高密度采集地震数据的情况下，高密度三维地震正演数据成像分析是优选观测系统参数的有效手段[13]-[17]。

根据研究区地震地质资料构建三维地球物理模型[18]，通过三维波动方程正演模拟不同观测系统采集单炮记录，再对模拟单炮记录进行叠前深度偏移，对比分析不同观测系统参数的偏移成像效果，以此为依据，优选观测系统参数，图1为技术流程图。考虑三维数值模拟效率问题，利用高密度的观测系统进行正演计算，后续对高密度正演数据进行退化处理分析。为了确保不同观测系统参数偏移成像的可对比性，不同观测方案的正演数据采用相同的处理流程和参数，同时为了保证分析结论的正确性，分析过程中保持分析变量单一。

Figure 2. 3D complex geophysic model of Kuqa

图2. 库车复杂构造区三维地球物理模型

针对库车复杂区地球物理模型(图2)，通过三维波动方程数值模拟得出不同炮道密度观测系统(表1)对应的叠前深度偏移剖面(图3)。对比炮道密度50、74、100、148、296万道/km²的叠前深度偏移剖面(图1)，可以看出，炮道密度越大，对断层的成像更效果更好，同时对弱反射成像有较大幅度的提高，炮道密度在148万道/km²以上时，整体成像达到较高精度。

在保持炮道密度、道距、最大偏移距、横纵比基本一致的条件下(具体观测参数见表2)，通过三维波动方程数值模拟得出不同接收线距的叠前深度偏移剖面。对比接收线距分别为60 m、120 m、180 m、240 m的叠前深度偏移剖面及速度谱(图4)，可以看出：① 较小的接收线距对断层成像略有改善(红色箭头处)，对深层弱反射薄层成像提升较大(红圈和蓝框处)；② 当接收线距小于180 m时，弱反射薄层成像清晰、连续性好，接收线距60 m时效果最好；③ 小接收线距更有利于浅层速度建模，随着接收线距增大，浅层速度谱能量收敛性逐渐变差(1 s附近)。更进一步分析其中原因，由于小线距观测物理点更均匀，对信号的空间采样更充分，更有利于浅层构造及深层弱反射成像。因此在该区域应采用更小线距观测系统，甚至全三维观测方式采集(线距接近等于道距)。

Table 1. Program on geometry for different densities of shot and trace

表1. 不同炮道密度观测系统方案

方案	观测系统	面元/m	道距/m	炮点距/m	接收线距/m	炮线距/m	最大炮检距/m	横纵比	炮道密度/(万/km^2)
1	148L1S360R	15 × 30	30	60	60	300	6991	0.82	296
2	148L1S360R	15 × 30	30	60	60	600	6991	0.82	148
3	148L1S360R	15 × 30	30	60	60	900	7029	0.83	100
4	148L1S360R	15 × 30	30	60	60	1200	7068	0.84	74
5	74L3S360R	15 × 30	30	60	180	900	7029	0.83	50

Figure 3. The PSDM sections for different density of source & trace

图3. 不同炮道密度叠前深度偏移剖面

Table 2. Program on geometry for different interval between receiver line

表2. 不同接收线距观测系统参数

方案	观测系统	面元/m	道距/m	炮点距/m	接收线距/m	最大炮检距/m	横纵比	炮道密度/(万/km^2)
1	114L1S360R	15×30	30	60	60	6392	0.63	76
2	58L2S360R	15×30	30	60	120	6424	0.64	77
3	38L3S360R	15×30	30	60	180	6392	0.63	76
4	38L4S360R	15×30	30	60	240	6568	0.64	76

通过以上对比分析表明：高炮道密度是保证构造成像精度的关键因素，在炮道密度一定的条件下，小线距观测系统在浅层速度建模、构造成像方面具有较大优势，因此高密度、小线距是复杂构造区三维观测系统优化设计的方向。

Figure 4. The PSDM sections (local) for different line interval and velocity spectrum

图4. 不同接收线距正演数据叠前深度偏移剖面(局部)及速度谱

2.2. 基于激发仿真的激发参数优化技术

库车坳陷地表出露岩性、近地表结构复杂，采集单炮横向振幅差异大，深层反射衰减快，不同地表激发参数如何精细设计一直是困扰技术设计的难题，也是影响该区地震资料品质的关键因素之一。

Figure 5. Flow chart of seismic excitation simulation

图5. 地震激发仿真分析技术流程图

Figure 6. Simulation of seismic pressure field and wavelet with different excitation methods in sandstone

图6. 砂泥岩地表不同激发方式地震仿真模拟压力场及子波对比

爆炸仿真技术可以模拟炸药在岩石中激发的过程，可以根据岩石物性参数、炸药结构、炸药性质等参数精确模拟炸药震源激发产生的地震波场，因此爆炸仿真被用于地震激发模拟中[19]-[22]。本文通过将激发仿真技术应用到库车地区激发参数优化分析，形成了激发参数分析与优化技术流程(图5)：1) 首先需要构建准确的地表激发模型，激发模型需根据岩石物理参数、炸药参数以及装药结构进行构建；2) 利用有限元法进行激发仿真，模拟炸药激发地震记录；3) 从不同药量激发记录中提取稳定的地震子波；4) 最后对比不同药量激发子波，优选地震激发药量，指导激发药量设计。

Figure 7. Comparison of different dosage excitation single gun on sandy mudstone surface

图7. 砂泥岩地表不同药量激发单炮对比

根据库车地区地表出露的库车组砂泥物性参数建立激发仿真模型，利用非线性激发仿真技术，模拟不同药量激发波场。对比不同药量激发近源点地震子波(图6)，可以看出，随着激发药量增加，地震子波能量逐渐增强，但能量变化曲线存在明显的拐点，当激发药量增加到12 kg时，能量变化曲线变缓；对比砂泥岩地表不同药量实际单炮对比(图7)，激发药量增加到12 kg时，与仿真模拟结果一致。通过库车组砂泥岩不同药量激发仿真和实际单炮对比分析认为，基于岩石物性参数的激发仿真分析可以有效模拟论证不同岩性的最优地震激发药量，是一种地震激发参数优化分析的重要手段。

2.3. 空腔激发方法

空腔激发是指采用药柱和岩石之间保留一定间隙的装药结构进行激发，可以降低爆轰冲击的初始压力，延长爆轰冲击的延续时间，从而增加激发地震波的下传能力[23] [24]。空腔激发方法的基本原理如下：

炸药起爆产生冲击波(应力波)压缩岩石，冲击波能量大小由冲量表示：

$I\left(t\right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{p}_m\left(t\right)}dt$ (1)

式中I表示爆破冲量，N·s；t表示爆破作用时间，s；P_m表示爆破脉冲初始压力，N。

假设空腔装药结构爆炸性质不变、密度均匀分布，则空腔装药结构的等效密度为：

$\rho ={\rho }_0\left(\frac{1}{K_l}\right)$ (2)

式中ρ、ρ₀分别表示炸药密度和空腔装药等效密度炸，kg/m³；K_l为空腔体积系数，炸药体积与药柱总体积之比；

爆轰冲击的初始压力按平均爆轰压力计算，即

$P_m=\frac{{\rho }_0{D}^2}{\left(2K+1\right)K_l}$ (3)

式中K表示爆轰产物等熵系数(K = 3)；D表示爆速，m/s。

根据冲量概念可只，爆轰冲击的持续时间：

$t=\frac{I}{P_m}=\frac{2\left(K+1\right)K_{l}I}{{\rho }_0{D}^2}$ (4)

K_l = 1为常规装药结构(无空腔)，当K_l > 1时，为空腔装药结构(图8)，根据式(3)、式(4)可知，通过空腔装药结构激发，可以降低爆轰初始压力，延长爆轰冲击的持续时间，减少用于破碎岩石的能量，增加产生的弹性波的能量转化效率，从而增加强地震波初始能量。

Figure 8. Cavity vs. conventional schematic and excitation burst pressure curves

图8. 空腔与常规示意图及激发爆轰压力曲线

在库车地区库车组砂泥岩地表开展了空腔激发试验，试验对比了常规装药、1 m和2 m空腔装药激发单炮对比。通过同一点的常规激发、1 m、2 m空腔单炮效果对比(图9)，可以发现1 m空腔激发单炮能量平均提高8.76%，2 m空腔激发单炮能量平均提高9.81% (图10)。通过多个试验点单炮对比分析认为，空腔激发方法在库车地区砂泥岩地层，能一定程度提高地震波向深层传播的能量。

Figure 9. Conventional vs. cavity-excited shot gather

图9. 常规与空腔激发单炮对比

Figure 10. Comparative statistics of conventional and cavity excitation effective energies at three test points

图10. 3个试验点常规与空腔激发有效能量对比统计

2.4. 基于正演数据约束反演精度的微测井部署设计方法

库车复杂山地区近地表建模精度低一直是影响地震成像效果的关键问题之一[25] [26]。由于该区近地表结构横向一致差，层析反演建立的浅层模型精度较低，难以满足高精度静校正的需求。

本文从表层静校正精度出发，提出了基于正演数据约束层析反演精度的微测井部署设计方法，本方法技术思路如下(图11)：1) 首先利用近地表调查数据构建高精度浅层模型，利用构造解释数据构建深层构造模型；2) 利用波动方程数值模拟技术，模拟近地表模型采集地震数据；3) 进行不同密度和深度的微测井约束层析反演，计算层析静校正量；4) 对比分析不同密度和深度约束层析静校正与理论静校正的误差，从而指导野外微测井部署设计。

Figure 11. Micro logging design methodology process based on static correction accuracy

图11. 基于静校正精度的微测井设计方法流程

库车山前带近地表结构复杂，该区已开展了大量的微测井调查，利用这些微测井调查数据构建了高精度的近地表模型，开展了波动方程正演模拟，并利用不同微测井数据对正演数据进行约束层析静校正。图12为不同密度超深微测井约束的层析反演结果及静校正效果，可以发现对于巨厚区域超深微测井约束可以减小剩余静校正量，但超深微测井的密度需要达到一定密度。从不同密度超深井约束剖面剩余静校正量量化结果(图13)，可以看出：一定密度的超深微测井能够大幅改善静校正效果，超深微测井密度达到3口/12km较为合适。对于低降速层较厚的区域，若仅采用常规微测井约束层析反演，静校正效果往往较差，甚至比无约束层析效果更差。

Figure 12. Effect of constrained stratigraphic inversion for ultra-deep wells with different densities

图12. 不同密度超深井约束层析反演效果

Figure 13. Comparison of stratigraphic static calibration errors for different constraints

图13. 不同约束方式层析静校正量误差对比

3. 实际应用效果

图14为库车地区某区块新、老三维剖面对比，老三维采用8L12S270R观测系统，面元尺寸20 × 40 m，接收线距240 m，炮道密度7.5万次/km²，横纵比0.22，激发因素为井震联合激发(1口 × 18 kg/震源5台10次)，接收因素为3串(36个)检波器组合接收；通过多年的技术攻关，应用新技术方法后，该区域采用50L3S600R观测系统，面元尺寸与老三维保持一致，接收线距为优化至180 m，炮道密度提升至166.67万次/km²，激发采用井炮激发(1口 × 8~16 kg/2口 × 6~8 kg)，接收采用1串(9个)组合接收。对比新老三维剖面(图14)，可以看出新采集的数据信噪比提升明显，波组特征清晰、反射同相轴连续性好，成像效果大幅提升。

Figure 14. Comparison of new (left) and old (right) profiles of a 3D survey in Kuqa area

图14. 库车地区某三维工区新(左)老(右)剖面对比

4. 结论

通过在库车复杂山地开展持续的采集技术攻关，形成了复杂目标三维观测系统优化技术、基于激发仿真的激发参数优化技术、空腔激发方法以及基于静校正精度的微测井设计方法等地震采集关键技术，拓展了库车复杂山地采集技术储备。通过理论分析及技术应用研究形成了如下结论：

1) 基于三维模型正演的观测系统优化技术，能有效地优选出三维观测系统敏感参数，改善地震偏移成像效果，同时保证采集方案的经济可行；

2) 基于激发仿真的激发参数优化技术能有效优选不同岩性的激发参数，分析结果与野外试验结论一致，运用该方法可以使激发参数优选不再依赖于大量的野外试验，减少激发试验费用；

3) 空腔激发方法通过降低爆轰初始压力、延长爆轰作用持续时间，提高了激发能量转化为有效弹性波能量的效率，从而提高地震有效反射的能量；

4) 基于正演数据约束反演精度的微测井部署设计方法，为复杂近地表区微测井部署设计提供了有效的方法参考，分析结论认为一定密度的超深微测井对层析反演约束效果较好。

基金项目

本项研究受中国石油塔里木油田公司科学研究与技术开发项目“复杂地表高信噪比宽频激发接收技术深化研究”(T202420.01.02)资助。