海上双正交宽方位地震勘探技术研究与实践*

张金淼

（中海油研究总院有限责任公司 北京 100028）

我国海上油气勘探开发正面临着从浅层向中深层、由构造油气藏向复杂岩性油气藏转移的新形势和新任务，勘探难度的不断增大对地震勘探技术提出了更高的要求［1］。常规海洋拖缆三维地震勘探通常采用束线状观测系统，横向排列窄、纵向排列长，是窄方位角采集观测系统，沿一个排列方向的地震传播路径对地下构造进行成像。因此，在地下构造复杂、地层速度变化剧烈的情况下，地震波场复杂，窄方位角采集观测系统会造成部分地下构造点成为无反射的盲区而不能有效成像，降低勘探精度。

近年来，宽方位角地震勘探技术得到了迅猛发展［2-4］，相对于窄方位角地震勘探具有如下优势：①具有更高的覆盖次数，同时能够更好地利用三维波场空间特征压制各种噪声，提高资料信噪比；②具有更丰富的波场信息和强照明度，有利于陡倾角和复杂断层等构造成像；③具有更丰富的振幅随炮检距和方位角变化信息，可以增强裂隙和地层岩性变化的识别能力，有利于复杂油气藏的储层预测［5-6］。

目前，国内外各大地球物理公司陆续推出了多种多样的海上宽方位地震采集方式［7-9］，主要有多方位拖缆、多船宽方位拖缆、环形全方位拖缆采集、海底电缆以及海底节点宽方位采集等，对改善复杂构造成像效果起到了极大的推动作用。针对渤海等中国近海地震地质特征及地震采集作业环境，海底电缆地震采集技术得到了一定程度的推广应用［10］，相对于拖缆采集技术具有如下优势：①可根据地质需求和水面的复杂情况灵活选用束状采集或片状采集；②电缆沉放在海底，有效降低了噪声影响，提高了资料信噪比；③压力检波器数据与速度检波器的Z分量数据合并处理可压制电缆鬼波；④可记录多分量地震数据，利用转换波进行油气检测等。

本文针对渤海某靶区开展了双正交宽方位地震采集参数论证与优选及点震源气枪阵列设计，提出了双正交宽方位海底电缆地震采集施工方案，并进行了成功实施。实际资料采集及初步处理结果表明，本次双正交宽方位采集实践满足了后续宽方位处理解释对原始采集数据的要求，为解决实际生产问题、支持靶区增储上产提供了重要保障。

1 双正交宽方位海底电缆采集方案设计

1.1 靶区地质问题及资料现状

靶区位于渤南低凸起中段，夹持于黄河口凹陷和渤中凹陷两大富烃凹陷之间，成藏背景十分优越。目前在该构造区已发现多个油气田及含油气构造，勘探实践表明该区中深层具有较大勘探潜力，其中潜山是主要勘探目标之一。该构造区的地震资料为2002年拖缆采集资料，虽然经过多次处理攻关，但仍无法满足地质需求，主要体现在以下2个方面：①中深层成像较差，分辨率不足，信噪比低，潜山斜坡部位地层接触关系模糊，断裂组合不清楚，构造落实困难，因此地震资料品质制约了古近系优质储层预测。②作为中深层勘探目标之一，潜山内幕成像差，裂缝发育特征难以刻画，有利储层预测困难。

图1 不同采集方案观测系统模板Fig.1 Geometry template of different acquisition plans

1.2 采集参数论证与优选

在靶区现有地震资料分析基础上，提取了目标区典型地质区域的地球物理参数，进行了采集参数论证，获得了采集面元尺寸、最大及最小炮检距、采样率、记录长度等基本采集参数，在此基础上对宽方位采集方案进行了设计和对比分析。

目前海上经济可行的基于海底电缆采集的宽方位观测系统主要包括Patch和正交束状两种方式。针对该靶区采集的主要目的和采集参数论证情况，结合该工区正在开展的4线8炮束状采集方案（图1a），设计了5线96炮的正交束状宽方位海底电缆采集方案（图1b，表1中方案2），并将该方案与Patch宽方位观测系统属性（表1中方案1）进行了对比。

表1 不同采集方案观测系统参数Table1 Geometry parameters of different acquisition plans

图2 不同采集方案偏移距分布示意图Fig.2 Offset distribution diagram of different acquisition plans

图3 不同采集方案方位角分布图Fig.3 Azimuth distribution of different acquisition plans

首先计算了Patch和正交束状两种宽方位海底电缆观测系统的偏移距整体分布情况（图2），在1 000～4 000 m的有效偏移距段上，方案2的覆盖次数明显高于方案1，并且方案2的偏移距分布均匀性提高，其中方案1横纵比为0.590，方案2横纵比为0.695。从图3所示的方位角分布图中可以看出，两者的分布形态具有一定的相似性，但是方案2的方位角分布范围更宽，有利于后续分方位角处理。为了分析偏移距和方位角分布的均匀性，将偏移距按照50 m间隔进行划分，方位角按照5°间隔进行划分，可以得到偏移距和方位角的均匀性分布图（图4、5），无论从偏移距还是从方位角的分布看，方案2的均匀性都明显优于方案1。

另外，为了分析不同观测系统下的成像情况，进一步从叠加响应和DMO覆盖情况进行了对比分析。图6为满覆盖区域的叠加响应，色标表示叠加振幅，这里采用均方差（变异系数）来指示振幅的扰动，振幅扰动越小，采集脚印越弱。从图6可以看出，方案1中不同Patch子区之间的扰动较为明显，采集脚印较强，而方案2的满覆盖区域非常均匀，明显优于方案1。为了分析不同观测系统的偏移成像效果，这里先根据地质体均方根速度双程旅行时计算DMO成像半径，然后对成像半径所穿过的面元按其到炮检中点的距离计算加权覆盖次数，可以获得图7所示的DMO覆盖次数分布情况，覆盖越均匀，偏移成像效果越好。由图7可见，方案2的均匀性明显优于方案1，因此方案2的偏移成像效果要优于方案1。由此可见，正交束状的宽方位观测系统方案明显优于Patch方案。

图4 不同采集方案偏移距均匀性分布图Fig.4 Offset uniformity distribution of different acquisition plans

图5 不同采集方案方位角均匀性分布图Fig.5 Azimuth uniformity distribution of different acquisition plans

图6 不同采集方案叠加响应Fig.6 Stacked response of different acquisition plans

图7 不同采集方案DMO覆盖次数Fig.7 DMO folds of different acquisition plans

图8 常规气枪阵列震源平面分布图Fig.8 Plane distribution map of conventional air gun array

1.3 点震源气枪阵列设计

海上拖缆采集时，通常方位角较窄，气枪震源能量分布对采集的影响较小。但海底电缆宽方位采集时，采集观测系统的横纵比超过0.5，方位角较大，气枪震源能量分布对采集的影响增大，成为气枪阵列设计中的重要因素［11-12］。对于宽方位采集来说，理想震源的能量呈球形分布，但目前生产中常规气枪阵列的能量并不是球形分布，其主能量沿Inline方向，Crossline方向能量明显减弱，尤其是高频能量。图8、9展示了常规枪阵及其在不同频率下的能量俯视图，随着频率的升高，枪阵能量呈椭圆形分布，Inline方向的能量明显强于Crossline方向。

理想震源的能量呈球形分布，整个枪阵的能量类似于单枪点震源所激发的能量分布特征（此处称之为点震源），在不同频率下其能谱图应该呈对称分布。较优的点震源气枪阵列除了能量分布呈现上述特征外，子波质量也非常重要，子波主脉冲、初泡比、低频能量、频谱光滑程度等要达到一定要求。

理论上点震源气枪阵列设计应达到几何上的完全对称，即阵列中不同容量的气枪分布位置能够达到左右对称和中心对称，其能量分布更接近球形，但这种理想的设计方案存在很多弊端，最主要的弊端为气枪阵列中使用的不同容量气枪种类过于单一，其激发的子波质量不高。因此，如何设计点震源气枪阵列，使各气枪单元几何分布上不完全对称，但阵列震源激发的子波能量分布能趋于球形是宽方位点震源设计的关键。为了设计出理想的能量呈球形分布的气枪震源，本文提出了点震源枪阵设计方案。

如图10所示，气枪阵列由单元ABCD组成，在阵列几何图形中选取合适的中心点O，以大于阵列几何尺寸的半径画圆，在圆上取任意一点X1，计算各能量点ABCD在X1点处的能量叠加。圆上X1的位置是随机选取的，计算气枪阵列在圆上任意一点处能量叠加值时，如果所有点的能量叠加值在允许的一定范围误差内接近某统一值，即可认为该气枪阵列符合点震源阵列的设计。该方案对点震源阵列设计有一定的指导意义，但这只是数学上的猜想，目前还没有找到物理意义上的理论依据。

图9 常规枪阵不同频率下的能量俯视图Fig.9 Energy overlook at different frequencies of conventional gun array

图10 气枪阵列能量分布计算图Fig.10 Calculation chart of air gun array energy distribution

图11 点震源枪阵不同频率下的能量俯视图Fig.11 Energy overlook at different frequencies of point gun array

根据上述点震源枪阵设计方案，对图8中的气枪阵列进行了优化设计，得到优化后的点震源设计，其模拟的能量空间分布特征如图11所示。对比优化前后的能量分布特征可以看出，优化后枪阵的能量分布更集中，不同频率下各个方向的能量分布均匀性明显提高，整个枪阵的能量分布更接近球形，符合点震源分布特征。

2 双正交宽方位海底电缆资料采集与初步处理效果分析

2.1 采集资料品质分析

为了获得宽方位地震资料，将平行束状和正交束状宽方位相结合，先采集与缆线垂直方向的炮线，然后电缆不动再采集平行缆线的炮线，由此形成了炮线与缆线正交、炮线与炮线正交的双正交宽方位海底电缆地震采集施工方案（图12），并在靶区成功实施野外采集作业。图13展示了该区窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、正交束状宽方位海底电缆采集单炮资料情况，对比分析可以看出高覆盖窄方位海底电缆采集的资料品质较窄方位拖缆采集资料明显改善。对比正交束状宽方位和高覆盖窄方位海底电缆采集的资料，可以看出在2～4 s的中深层宽方位采集资料品质得到改善，此次海底电缆资料水检资料信噪比远高于陆检资料。图14、15分别为窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、正交束状宽方位海底电缆采集的水检及陆检初叠剖面，对比可以看到高覆盖窄方位海底电缆和正交束状宽方位海底电缆中深层资料品质优于窄方位拖缆资料。

图12 双正交宽方位地震采集Fig.12 Biorthogonal wide azimuth seismic acquisition

图13 窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、正交束状宽方位海底电缆采集单炮资料对比Fig.13 Shot data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

2.2 初步处理效果分析

为了获得双正交宽方位处理成果，处理中把窄方位高覆盖海底电缆和双正交宽方位海底电缆融合处理。与常规处理技术流程相比［14-15］，宽方位处理技术［13］流程（图16）有4项特色技术：①OVT域五维规则化技术；②三维Radon变换多次波压制技术；③OVT域叠前时间偏移及深度偏移技术；④方位各向异性校正技术。

通过宽方位处理技术流程的综合应用，最终获得了双正交宽方位海底电缆采集资料处理结果。如图17所示，与窄方位拖缆处理结果对比，双正交宽方位海底电缆资料在1.6～3.0 s的中深层的信噪比明显高于窄方位拖缆资料，同时古近系地层、潜山界面及内幕的成像质量也优于窄方位拖缆资料，因此宽方位资料有利于中深层复杂构造和储层研究。与高覆盖窄方位海底电缆处理结果对比，双正交宽方位海底电缆资料在潜山内幕的信噪比和成像质量得到了提高。证明了双正交宽方位采集达到了高覆盖次数和富角度照明的效果。因此，宽方位地震勘探技术能大幅提高中深层勘探精度。

图14 窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、正交束状宽方位海底电缆水检初叠剖面对比Fig.14 Initial hydrophone stack data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

图15 窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、正交束状宽方位海底电缆陆检初叠剖面对比Fig.15 Initial geophone stack data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and orthogonal wide azimuth swath OBC

图16 靶区宽方位地震数据处理技术流程Fig.16 Wide azimuth seismic data processing flow in the target area

图17 窄方位拖缆、高覆盖窄方位海底电缆、双正交宽方位海底电缆主测线叠前时间偏移资料对比Fig.17 Inline PSTM data comparison of narrow azimuth towing cable，high folds narrow azimuth OBC and biorthogonal wide azimuth OBC

3 结论与建议

1）本文设计的双正交宽方位海底电缆采集观测系统纵横比达到0.695，相对于常规海底电缆采集在偏移距、方位角、叠加响应和DMO覆盖次数等观测系统属性均匀性方面具有明显优势；同时，本文提出的点震源气枪阵列设计方法优化了枪阵在不同频率下各个方向能量分布的均匀性，更加符合宽方位地震采集的要求。

2）实际资料采集和初步处理效果表明，双正交宽方位采集达到了高覆盖次数和富角度照明的效果，因此宽方位地震勘探技术能大幅提高中深层勘探精度。

3）本文提出的双正交宽方位海底电缆地震采集方案相对于常规拖缆采集的作业成本较高，仅适用于有一定储量规模的精细目标勘探或开发阶段，因此，探索更加经济、高效的宽方位海底电缆地震采集方法是推动海上宽方位地震勘探技术发展与应用的重要手段。