宽方位角三维地震勘探采集技术的现状与进展

宽方位角三维地震勘探采集技术的现状与进展
宋玉龙杨长春
1.引言
近年来，油气勘探越来越重视利用地震方法进行岩性和岩石各向异性勘探研究，我国也开展了大量的宽方位三维地震勘探，又称全三维地震勘探。

理论上讲，标准的宽方位三维地震勘探较窄方位三维地震勘探具有明显的优势，在岩性和裂隙油气勘探领域具有广阔的应用前景。

随着采集设备的不断发展、处理技术的提高，宽方位角三维地震勘探将成为陆上岩性和小断裂油气藏地震勘探首选的采集观测系统。

但是，现阶段由于采集成本和处理技术的制约，宽方位角地震采集尚受到很大的争议。

当前，标准的全方位、高覆盖次数观测在技术和经济上都不太现实，如果做不到真正的宽方位角观测，某些地区，如山地，还不如窄方位效果好。

本文将对三维地震勘探宽方位角技术现状与进展进行综述，指出当前不应把注意力放在宽方位、窄方位观测问题上，重要的是增加横向覆盖次数。

2.各向异性与方位角的理论分析
文献[4]指出，尽管岩层或裂隙的尺度小于地震波长，但仍能观测到宏观各向异性的效应，说明此效应在实际中是存在的。

文献[5]给出了实际岩石物理测试各向异性的特性，同时推导了各向异性理论，并给出了弱各向异性的成像公式。

很显然实际中存在各向异性(TI)介质的影响。

从前面的论述可以看出，许多论文已对宽方位角地震勘探进行了有意义的探讨，但为进一步探讨宽方位角在地震勘探中的理论问题，本文将做进一步的分析。

2.1.各向同性和VTI介质条件下的宽、窄方位角分析
在分析宽、窄方位角问题之前，先回顾宽、窄方位角观测系统的差别(宽、窄方位角观测系统如图1,图2所示)。

比较图l和图2可以看出，窄方位角采集的炮检对(炮点与检波点组成一个炮检对)的方位数量主要集中在沿测线(inline)较窄方位上。

而宽
方位角采集的炮检对方位数量则在全方位上基本都属均匀分布;宽、窄方位角的采集观测系统玫瑰图如图3和图4所示，它们也反映了宽、窄方位角炮检对的分布问题;宽、窄方位角勘探的方位角与炮检对关系如图5和图6所示。

图5中观测系统的横、纵比为0. 38,图6中观测系统的横、纵比为0. 625。

当勘探地质目标上覆地层满足各向同性或VTI介质假设条件时。

我们做如下分析。

2.1.1.在各向同性和VTI介质条件下，宽方位角处理成像是否存在方向速度变化的
影响
当勘探地质目标上覆地层为水平层状介质时，各向同性和VTI介质不会产生方向速度的差异。

在以构造为主的各向同性介质的地质目标勘探时，在水平叠加(NMO)理论条件下，存在方位角和地层倾角对速度的影响问题。

但随着地震技术和设备的发展，三维DMO、三维叠前时间偏移、三维叠前深度偏移成像在国际上已经变为或将逐步变为常规处理。

因此在各向同性或VTI介质条件下，对于宽方位角数据和三维叠前成像技术而言，不存在像水平叠加理论一样的三参量速度影响问题。

2.1.2.在各向同性介质条件下，宽、窄方位角的成像能力分析
叠前地震成像(三维DMO、三维叠前时间偏移、三维叠前深度偏移)技术主要是为了解决复杂构造成像问题而逐步发展和完善起来的。

在各向同性均匀介质条件下，三维DMO和三维叠前时间偏移发挥着重要的作用;在各向同性非均匀介质条件下，三维叠前深度偏移起着不可替代的作用。

实际中无论什么成像算法，宏观上都可近似为以炮点和检波点为焦点的半椭球体(等时面)上的偏移处理，如图7和图8所示。

从图7中不难看出，对于任何炮点和检波点而言，该半椭球体的长轴总是在炮点和检波点的连线方向上。

这表明对一个炮检对来讲，存在成像的方向性、即在纵向(inline )具有精确的偏移成像能力(inline方向要垂直构造走向)。

而在横向只能实现叠后三维偏移的成像。

因此，在断裂和裂隙发育地区，采用宽方位角地震勘探十分有益。

2.1.
3.在各向同性介质条件下，宽、窄方位角成像的振幅勘探能力分析
地震波激发后，显然是向地下半空间传播。

在各向同性和均匀介质条件下，为
一个半球的波前面。

当遇到一个波阻抗(岩性)变化点时，根据惠更斯原理可视为一个新的点震源向外传播，当返回地表时显然为一个圆形的等时面。

如果仅在一个较窄的条带上接收该波场，那么只能获得部分反射地震波能量(如图1)，此外在成像处理时受方向影响，则必然使振幅成像不能完全恢复。

只有在宽方位角采集条件下，才可获得较完整的地震波场(如图2),在全三维成像处理时才能获得较好的振幅成像信息。

因此，宽方位角地震勘探必将是岩性和裂隙储层勘探的主要方法。

2.1.4.在各向同性介质条件下，宽、窄方位角压制干扰能力的分析
在地震勘探中，近地表散射干扰是很难用简单的去噪方法压制的干扰波。

此干扰波在二维空间观测时具有很复杂的二维特点，但在三维空间观测时并不复杂，与地下正常的散射波一样。

因此，只要能在三维空间上(宽方位角)接收并应用三维成像理论去处理，这类干扰波是可以收敛甚至消除的。

因此，宽方位角采集加上三维成像处理有利于压制近地表散射干扰。

2.2.各向异性介质条件下，宽、窄方位角分析
在地表进行地震采集时，各向异性介质可以分为任意倾角（构造)、VTI各向异性(图9)介质和HTI各向异性介质(图10)。

下面逐一分析它们对地震勘探的影响。

2.2.1.任意倾角各向异性介质的影响分析
通常对于以构造为主的勘探地区(如山地勘探)，当存在各向异性介质问题时，将直接影响地震速度的求取和地震波的成像。

在这种条件下，如没有井信息的帮助，仅用地震信息难以获得正确的地震成像结果;只有在已知各向异性参数时，才有可能获得正确的地震成像结果。

在加拿大山地勘探中有不少类似成功的地震勘探实例。

在类似地区进行窄方位角勘探时，必须充分考虑垂直构造走向的三维采集设计，不然将难以消除任意倾角各向异性速度变化和成像误差的影响。

2.2.2. VTI各向异性介质的影响分析
V'I'I各向异性介质对地震勘探的影响最小，不存在方向速度变化的影响，但当采用各向同性成像理论处理时，将存在射线路径的差异(图11)，从而引起速度和成像
道集的校正和成像误差问题(图12)。

但现在人们对这类问题已经有了较深的认识，并在处理软件中相应地考虑了VTI成像的处理。

由于宽方位角地震勘探的振幅成像和压噪能力优于窄方位角，所以对于岩性油气田勘探，宽方位角勘探比窄方位角勘探具有更好的勘探效果。

2.2.
3.HTI各向异性介质的影响分析
在裂缝储层和断裂带地区经常存在明显的HTI各向异性影响，主要表现为存在方向速度差异、方向振幅差异、方向反射波形和相位差异。

当采用窄方位角勘探时，在观测方向(inline)与裂缝或断裂平行时将严重影响勘探效果。

如果采用宽方位角采集将会明显改善勘测裂缝的能力，特别是正确利用方向速度差异、方向振幅差异、方向反射波形和相位差异可以获得更多的裂缝储层信息，从而达到帮助设计水平钻井和开采的目的。

3.宽方位角观测的优点和争议
文献[1]指出，地球是各向异性的，在各向异性介质的影响下纵波信息变化明显，十分有利于各向异性储层信息的提取。

各向异性引起的地震信息变化有:①频率损失的变化;②振幅的变化;③断裂成像的变化;④速度的变化;⑤相位的变化等。

文献[2]认为:①宽方位角采集在横向(crossline)的不同覆盖次数过渡带比窄方位角的小，因此宽方位角采集比窄方位角更容易跨越地表障碍物和地下阴影带;②在方向各向异性介质条件下，宽方位角勘探振幅随炮检距和方位角的变化(A VOA)更具有识别方向裂隙的能力;③宽方位角比窄方位角的成像分辨率更高;④由于宽、窄方位角在炮点和检波点的空间采样特性不同，宽方位角成像的空间连续性优于窄方位角;⑤宽方位角有利于衰减相干噪声;⑥宽方位角在衰减多次波的能力方面比窄方位角强;
⑦通常宽方位角勘探比窄方位角勘探费用高。

虽然宽方位角地震勘探具有许多优点，但技术界也存在不同的看法，主要有:①存在方位角(各向异性)速度影响问题;②存在全三维地震(各向异性)处理能力问题;③宽方位角的实际勘探效益问题等。

关于速度和处理成像方面，文献[3]认为，早期由于方向各向异性的影响，人们认为窄方位角好;但现在方位角各向异性的现象逐步被人们认识，因而宽方位角地震
勘探可以提供更多的储层信息，这就要求三参量速度分析，遗憾的是三参数速度分析技术目前还没有得到工业化应用。

反过来，三参数速度分析又要求足够的覆盖次数，每个方位角内炮检距分布均匀。

从近几年地震技术的发展看，基于纵波的方向各向异性地震勘探采集、处理和解释技术已基本成熟，限制该技术发展的因素主要是经济效益。

影响陆上宽方位角地震勘探费用的因素主要有：①采集道数;②炮点、检波点的空间采样间隔和覆盖次数;③钻井和激发费用;④搬迁费;⑤采集效率;⑥处理和解释费用的增加等。

随着采集设备的发展、陆上大吨位可控震源的应用及微机群的使用，陆上宽方位角采集费用将会逐步减少，宽方位角地震勘探将在岩性储层和裂缝储层勘探中发挥重要的作用。

4.宽方位角三维地震勘探采集技术应用的现状
4.1.应用现状
通常宽、窄方位角观测系统的定义是:当横、纵比大于0.5时，为宽方位角采集观测系统;当横、纵比小于0.5时，为窄方位角采集观测系统。

三维地震勘探始于80年代，由于仪器道数的限制，在2000年之前一般都采用线束状窄方位角观测系统，排列采用2-8线不等，覆盖次数一般为横向2-3次，纵向10-15次。

这类观测系统的优点是形状简单，炮检距分布均匀，便于野外质量控制和室内处理。

其缺点是方位角分布较差，排列片横纵比小，所获得的地下信息主要是纵测线方向的，横向信息少。

近十年来，由于海底电缆采集技术的发展，宽方位角采集在海洋勘探中得到了广泛应用，并收到了较好的应用效果。

而陆上宽方位角地震勘探由于数据质量(信噪比)和采集费用等原因受到一定的限制。

但随着近年来地震硬件设备的逐步发展，地震采集道数已从原来的几百道发展为几千道乃至上万道，使陆上复杂采集观测成为可能。

近几年陆上宽方位角采集已在中东地区得到广泛使用，基于点激发和点接收的小空间采样间隔的Q采集系统(由西方地球物理公司提出)也开始应用。

国内在南方和西部探区已逐渐采用宽方位角三维观测系统，老油区由于地表条件和投资的限制，相对采用较少。

冀东探区，采用12线24炮观测系统(纵向10次，横向6次)，对老爷庙地区进
行三维重新采集，其炮检距和方位角分布较好。

采用这种观测系统是针对老爷庙地区地震资料信噪比低、多次波发育、火成岩屏蔽、中深层岩性组合差、反射系数小等而设计的。

胜利探区，设计了10线256炮双循环块状砖墙式观测系统(纵向8次，横向8次)，排列的纵横比约为1.0，针对泥岩裂缝油气藏，设计的全三维观测系统。

准噶尔盆地，一般采用10-12线观测系统(纵向10-20次，横向4-6次)，排列的纵横比约为0.45-0.60，主要是针对沙漠施工困难、静校正工作量大、资料信噪比低等情况而设计的。

川东地区，2003年采用了12线48炮（2592道）观测系统(纵向12次，横向6次)，排列的纵横比约为0.63，这个地区的特点是地形起伏大，悬崖绝壁多，森林茂密，地下地质条件复杂，断裂发育，高陡构造多。

4.2.我国西部地区的一个勘探实例
该勘探地区的地质目标位于小角度单斜构造部位，存在较大的空间岩性变化，并存在断裂或裂缝影响。

采用的采集观测系统参数如图4和图6所示，横、纵比为0.62，覆盖次数为100。

经严格的保真高分辨率处理后，抽取0°、45°、90°和135°相同覆盖次数的CMP道集(示于图13)，可以发现,不同方向的CMP道集之间存在
明显的子波和信噪比差异，其中方位角为45°和135°的差异最大。

这一现象表明该地区存在断裂带或裂隙的方向性影响。

显然，断裂带和裂隙也会引起成像速度随方向的变化，图14给出了以上4个方位角的速度分析结果。

通过严格的速度信息拾取，在深度为2720-2760m处，该地区的方位角速度存在差异，当速度为2700m/s时，均方根速度随方向的变化差异仅为l00m/s，此速度差异在人为拾取速度的误差范围内，因此在该地区依靠方向速度差异来研究裂缝十分困难。

研究也表明，在实际中若依靠叠加速度的方向差异来研究各向异性问题，仍存在如何精确拾取方向速度场的问题。

为进一步了解方位角间的地震信息差异，我们沿T1层进行不同方位角相干数据体的比较分析(如图15所示，覆盖次数相同)。

从图15可以看出，沿45°方向的相关数据体(图15a)和沿135°方向的相干数据体(图15b)在分辨储层信息方面有明显的差异，表明该地区的断裂或裂隙走向在45°方向上。

此现象同时也表明，在窄方位角勘探时，
如选择的方向正好处于以上沿构造走向时，将难以获得好的勘探效果。

实际中则对构造走向容易确定，而断裂和裂隙的方向通常难以确定，因此难以获得理想的采集方向设计。

而在宽方位角勘探时不会出现以上问题，将图15c(全方位角沿层相干数据体)和以上的窄方位角进行比较可以看出，宽方位角勘探对断裂的识别能力明显提高。

瞬时相位在勘探岩性尖灭和断裂上具有它的优势，以下分析不同方位角的相位变化。

图16给出了不同方位角沿T2层的相位结果，从图16a和图16b的沿层相位结果也可以明显看出，135°的相位信息可以较清晰地反映断裂和岩性尖灭的存在，而45°的相位结果则存在问题。

如对全方位角的沿层相位(图16c)和窄方位角进行比较可以看出，全方位角的沿层相位有明显的改善。

最后分析不同方位角对振幅成像的影响。

图17给出了不同方位角的沿T3层振幅结果，从图17a和图17b的沿层振幅比较可以看出。

沿方位角45°的振幅信息几乎无法用于岩性地震勘探，方位角为135°的振幅信息明显优于方位角45°的振幅信息。

全方位角的振幅信息更清晰，可以看到存在岩性尖灭或裂隙的可能。

图18给出了目的层处的剖面和波形聚类图。

从剖面上可以清晰地看出河道和小断层的存在，从放大的河道剖而可以看出，河道仅有两个
CDP (25m)宽。

从波形聚类构造图中可以看出河流与断裂的展布关系。

以上宽方位角勘探实例的对比分析和研究充分表明，宽方位角在勘探岩性体和小断层方面具有一定的优势。

5.结论
通过对该宽方位角勘探实例的分析和研究表明，宽方位角地震勘探在振幅、相干数据体、相位等信息方面都比窄方位角具有更明显的优势。

宽方位角比窄方位角在岩性和裂隙油气勘探领域有着更广泛的应用前景。

随着采集设备的不断发展(超过万道)，宽方位角地震勘探技术将成为陆上岩性和小断裂油气藏地震勘探首选的观测系统。

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附图
图1 窄方位角观测系统图2 宽方位角观测系统
图3 窄方位角采集玫瑰图图4宽方位角采集玫瑰图
图5 窄方位角与炮检距关系图6宽方位角与炮检距关系
图7 对激发和接收点的叠前三维成像轨迹图8对激发和接收点的叠前二维成像轨迹
图9 VTI各向异性介质示意图图10 HTI各向异性介质示意图
图11 VTI各向异性射线和速度关系示意图
图12 VTI各向异性引起常规NMO动校问题
图13 不同方位角CMP道集数据对比图
(a) 0°方向 (b) 45°方向 (c)90°方向 (d) 135°方向
图14 不同方位角速度谱对比图
(a) 0°方向 (b) 45°方向 (c)90°方向 (d) 135°方向
图15 不同方位角相干数据体沿T1层切片
(a) 45°方向 (b) 135°方向 (c)全方位角
图16 不同方位角瞬时相位沿T2层切片(a) 45°方向 (b) 135°方向 (c)全方位角
图17 不同方位角振幅沿T3层切片(a) 45°方向 (b) 135°方向 (c)全方位角
图18 全方位角叠加数据和河道可视化。