宽方位观测系统设计在页岩气地震勘探技术中的应用

1.观测系统设计原则

为了了解地下构造形态，必须连续追踪各界面的地震波（即逐点取得来自地下界面的反射信息），这就需要在测线上布置大量的激发点和接收点，进行连续的多次观测，每次观测时激发点和接收点的相对位置都保持特定的关系，地震测线上激发点和接收点的这种相互关系称为观测系统，通常也用观测系统来表示激发点、接收点和地下反射点的位置关系。

对于不同的勘探方法，有不同的观测系统，折射波勘探法采用折射波观测系统，反射波勘探法采用反射波观测系统。一般来讲，我们目前采用的勘探方法绝大多数都是反射波勘探方法。

为了能够系统地追踪目的层有效波的地震记录，在野外采集时必须适当安排和选择激发点与接收点的相互位置，即选择合理的观测系统。观测系统的选择取决于地震勘探的地质任务、工区的地震地质条件及勘探方法，还需要尽可能使记录到的地下界面能连续追踪，避免发生有效波彼此干涉的现象，以及方便野外施工等。

观测系统设计的主要内容表现在两个方面：如何在采集数据前通过试验给出最佳的采集参数；如何利用现场监控保证采集到高质量的野外地震数据。进行观测系统设计首先要考虑的是观测方式必须满足地质任务的需要，如在断裂发育地区应采用中间激发或短排列的观测形式，这样可以减少动校正误差，增加覆盖密度，提高勘探精度。其次是考虑在施工地区特殊地表条件下所使用设备的能力，确保得到好的地震资料，从而保证施工地区资料的完整性。

观测系统设计应满足以下原则。

（1）在一个共炮点道集内或一个共深度点（Common-depth Point，CDP）道集内，应当有均匀的地震道，且炮检距从小到大均匀分布，能够保证同时勘探浅、中、深各个目的层，使观测系统既能保证取得各个目的层的有用反射波信息，同时又能用来进行速度分析。

（2）地下各点的覆盖次数尽可能地相同或接近，在整个工区范围内分布是均匀的。均匀的覆盖次数是保证反射记录振幅均匀、频率成分均匀的前提，从而才能保持地震记录特征稳定，使地震记录特征的变化能够与地质变化的因素相关联，有利于对复杂地质结构和岩性的研究。

（3）考虑地表的施工情况，在地面条件允许的情况下，尽可能地满足以上两个原则，如果地面条件受限制，则需要改变观测系统，采用不规则观测系统。

此外，野外采集还要受到处理软件和方法的限制，以及成本方面的限制。归纳起来，三维地震数据采集设计需要满足：地质任务和地震地质条件的要求；现行处理软件和方法的要求；野外采集的投资与成本的要求。

2.观测系统设计流程

三维地震数据采集技术研究一般包括采集设计、采集方法、质量控制及装备制造等方面的研究。采集技术实际上就是观测系统设计。观测系统设计主要包括确定观测系统的几何形态，选择覆盖次数、面元大小、道间距、非纵距、最大和最小炮检距等参数。对于常规三维地震观测系统设计可以概括为如图2—1所示的五步流程。

图2—1　常规三维地震观测系统设计流程（尹成等，2005）

第一，资料收集，即收集各种地球物理参数，如目的层位的层速度、地层倾角、构造走向等，考察以往地震资料的信噪比、覆盖次数和观测系统参数存在的不足以及新任务的地质目标和要求。第二，参数论证。第三，选择合适的观测系统即在面元内方位角、炮检距分布均匀及工区内覆盖次数分布均匀的前提下，选择接收线数、接收线距、激发线距、激发点数以及炮线与接收线的几何形态的最佳组合。第四，正演模拟，分析评价多个满足要求的观测系统产生的地震波射线对目标地质体的照射以及对后续地震资料处理和目标成像的影响。最后，制作成本预算以及施工作业的后勤保障。

3.宽方位角观测系统

三维地震勘探始于20世纪80年代，由于仪器道数的限制，在2000年以前一般都采用线束状窄方位角观测系统。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，排列片纵横比小，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，并获得了较好的应用效果。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。影响陆上宽方位角地震勘探费用的因素主要有：采集道数，炮点、检波点的空间采样间隔和覆盖次数，钻井和激发费用，采集效益，处理和解释费用的增加等。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，使得陆上复杂采集观测成为可能。

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。宽方位角横纵比通常大到0.8 ～1.0，而窄方位角横纵比可小到0.2以下。

如图2—2所示，宽、窄方位观测系统两种排列片产生的覆盖次数渐减带在纵横向的宽度不同。宽方位沿排列方向与垂直排列方向渐减带的大小比窄方位角两个方向的宽窄更为接近。

在平行于排列方向，宽方位渐减带长度（LT）可由式（2—20）计算：

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式中，SLI为炮线距。

图2—2　（a）宽、（b）窄方位角观测系统示意图

横向覆盖次数渐减带长度（Lx）可由式（2—21）计算：

式中，SW为模板炮点所占据的排列间隔数；RLI为接收线距；nx为横向覆盖次数。

另外，窄方位角采集的炮检对的方位数量主要集中在沿测线（黄色线）较窄方位上，而宽方位角采集的炮检对的方位数量则在全方位上基本都是均匀分布。

关于速度和处理成像方面，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，这就要求用三参数速度分析，然而三参数速度分析技术并没有工业化应用。

从近几年地震技术的发展来看，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：采集道数，炮点、检波点的空间采样间隔和覆盖次数，钻井和激发费用，采集效率，处理和解释费用的增加等。

4.实现宽方位角三维观测的主要方法

给定一个地震勘探区块，根据最深目的层的深度，考虑动校正拉伸、速度精度、反射系数、干扰波、视波长和多次波来确定排列长度。根据地质要求和采集资料需要实施宽方位采集，就必须在横向上有足够长的偏移距，并尽量保证偏移距和方位角均匀分布、一致且连续，这就要求在排列片内采用较宽的线距，或者采用较多的线数，目前实现宽方位三维观测主要有以下4种方法。

（1）增大接收线距

通过增大接收线距，调整排列片内接收线之间的距离，可以提高横纵比，来达到拓宽方位角的目的。窄方位观测系统中，炮检对的分布主要集中在沿测线方向较窄的方位上，大偏移距的信息在横向上分布很少，适当地增大接收线距，可提高横向上大偏移距炮检对的接收数目。然而接收线距过大会引起浅层资料的丢失，还会造成纵向和横向上采集数目不均匀，尤其是横向偏移距的不连续分布，出现采集脚印，不利于地下岩性各向异性的勘探。

（2）增加接收线数

针对增大接收线距存在的问题，可以通过增加排列接收线数的方法，增加横向上的偏移距和覆盖次数，并改善耦合效果，但是这样采集设备的投入会加大，设计时要权衡考虑采集参数与现有设备采集能力的关系。

（3）炮检互换法

根据Vermeer提出的对称采样原理，在受设备条件限制时，可以将检波点和炮点进行互换，用炮点来弥补检波点的采样不足。最早由沙特阿美公司的Hastings-James等人提出的宽方位采集技术，把炮点布设在排列片的两侧，炮点由一组设计成两组，变成推拉型观测系统，这样接收线可以减少一半，排列横向滚动时，通常重复一半炮点。也可以设计炮点纵向上重复，变中间激发为两端激发，每条线又可以减少一半的接收道数。总之，就是通过降低设备的投入，并采用多组震源滑动扫描方法来提高施工效率。

（4）调整排列片内炮点数目

炮点设计在排列片中心，炮点的个数决定接收线的横向滚动数目。在接收线数不变的情况下，排列片的横向炮点数与其对应的横向最大偏移距是一致的，也就是说在接收线不变的情况下，排列片内的炮点数与横纵比无关。但是，炮点数会影响炮检距的分布和野外采集的施工效率。对于正交型的观测系统，排列片内炮点个数常设计为偶数，且相对于接收线是对称的。设计方法主要有以下3种。

① 线滚动方法：该方法设计为每次横向滚动时只有1条接收线滚动，其余接收线保持不动。排列片内的炮点设在相邻2条接收线内，并且在整个排列片的中心。横向滚动时，炮点横向滚动的距离与相邻2条线的接收距相等，炮点不重复。该方法的优点是方位角和炮检距分布均匀，空间采样连续，采集脚印痕迹小。但是要求接收线多，设备投入大，施工效率较低。

② 全排列滚动方法：它是一束测线完成时，所有接收线整体搬家到下束测线进行施工的方法。排列片内的炮点横穿整个排列片并延伸到排列片的外侧，增加炮点尽可能增大横向偏移距，最理想的设计是横向偏移距与纵向偏移距大致相当，横向滚动时，重复炮点，这样同一个炮点会记录来自不同排列片的数据，达到拓宽方位角接收的目的。该方法接收线一般比较少，且多应用在浅海和滩海过渡带海底电缆（Ocean Bottom Cable，OBC）采集。

③ 多线滚动方法：它是介于线滚动和全排列滚动的一种方法，该方法每次横向滚动时有两条甚至多条接收线滚动，通常最多为半个排列数滚动。炮点布设在多条接收线内，炮点横向滚动距离与这几条接收线滚动的距离相等，炮点不重复。该方法比线滚动的观测系统施工效率高，横向炮点越多，施工效率越高。但是炮检距方位角分布不均匀，变化较大，空间采样不连续，并受采集脚印影响。横向滚动线数越多，采集脚印痕迹就越大。与全排列滚动相比，该方法横向上不够宽，因为全排列滚动的横向偏移距要比一般的观测系统大。