河套盆地巨厚弱成巖覆蓋區地震勘探成像技術應用研究

崔宏良 王瑞貞 王偉 袁勝輝 王金寬 汪關妹 程展展

（1 中國石油集團東方地球物理公司；2 中國石油華北油田公司）

0 引言

河套盆地位于內蒙古自治區中西部地區，在巴彥淖爾市和阿拉善盟境內，是伊盟古陸核古元古界—太古宇變質結晶基底之上的中、新生代坳陷—斷陷疊合盆地，平面上以狹長的弧形分布在鄂爾多斯盆地與陰山褶皺帶之間[1]，盆地面積約為40000km2，整體上可劃分為“兩隆三坳”5 個一級構造單元[2]。其中，臨河坳陷是最主要的沉積坳陷，西北方向長約70km，東北方向長約320km，面積為22400km2；其具有南北分區、東西分帶的特征，南北向可以劃分為吉蘭泰凹陷和巴彥淖爾凹陷，東西向受狼山斷層和黃河斷層控制呈兩洼夾一壘的結構特征?？碧降V權的主要部分位于臨河坳陷中央斷壘帶[3]。盆地北部為河套平原，地勢平坦，多為農田；中南部為烏蘭布和沙漠，地形起伏較大，以沙漠、戈壁、山地為主。

自20 世紀80 年代開始，河套盆地共完成二維地震測線9741km，但是一直未取得油氣勘探的突破[4]。2017 年華北油田公司開始推動該區的勘探工作，部署鉆探的吉華2x 井當年獲得高產工業油流，發現了古近系、白堊系、石炭系、太古宇等多套含油層系，標志著河套盆地具有富油凹陷的特征，油氣資源潛力大[5]。

然而河套盆地目的層埋深為5000～7000m，斷裂系統發育，上覆4000～5000m 的巨厚弱成巖地層，導致深層波阻抗界面不明顯，地震波波場復雜[6]，主要目的層反射系數?。?.02～0.05，不足冀中凹陷、二連盆地的1/2），難以形成良好的波阻抗界面；同時，上覆弱成巖引起的吸收衰減嚴重，整體Q值比冀中凹陷小一倍（冀中凹陷0～1000m 埋深的Q值為100左右，河套盆地0～1000m埋深的Q值為50左右），該區勘探進程受到嚴重制約[7]。

針對地震波吸收衰減嚴重、資料信噪比低、復雜構造區成像精度差、儲層難以預測等關鍵難題，開展了信號設計、分區去噪、分步建模和基于平面屬性的斷層解釋等技術的應用，提高了巨厚弱成巖引起的深層信號能量，拓寬了頻寬，提升了目的層分辨率，為精細解釋提供了支撐。

1 勘探面臨的技術難題

1.1 近地表結構復雜

河套盆地位于黃河與狼山之間，相關研究成果表明[8]：黃河僅全新世時期就有5 次變道，古河道發育；且該區的農田也多為后期人為改造而成，導致低降速帶速度低，對地震波的吸收衰減嚴重。

1.2 上覆巨厚疏松介質

河套盆地主要目的層以上被巨厚弱成巖覆蓋，地震波組特征差。新近系由于快速堆積、欠壓實作用等原因，且為河流相沉積，導致地震反射波組特征不明顯[9]，中淺層地震反射橫向連續性差，也影響到深層資料信噪比。

1.3 目的層埋藏深

勘探目標埋藏深且構造復雜，資料信噪比低。河套盆地目的層埋深為5000～7000m，斷裂系統發育，波場復雜，深層地層成像精度困難[10]。

2 配套勘探攻關技術

針對以上難點，在采集方面，圍繞反射系數小、吸收衰減嚴重造成的反射信號弱的難題，采用大噸位低頻震源組合激發和高靈敏度單點接收技術[11-12]，同時創新了基于目的層響應特征的可控震源激發信號設計技術，提高了深層的反射能量；圍繞弱成巖地層吸收衰減嚴重難題，創新了常規+深井微測井調查與VSP 測井聯合建立近地表模型，通過Q補償提高弱信號能量和頻寬，提高了目的層分辨率。在處理方面，圍繞深層資料信噪比低的難題，創新了基于大地坐標的近地表類型分區去噪技術，有效提升了偏移前道集的信噪比。在解釋方面，圍繞斷層發育、斷裂組合復雜的難題，創新應用了基于平面屬性的斷層解釋技術，精細落實了斷層展布特征。

2.1 基于目的層響應特征的可控震源激發信號設計技術

可控震源勘探是通過電子控制箱體，將設計的一個掃描信號通過驅動平板產生連續震動信號，將能量可控地傳送給大地[13]，然后通過參考掃描與反射掃描互相關等運算方法，最終獲得地震資料[14]。由于地震勘探時信號激發使用的是可控震源，需要對接收到的原始記錄和激發信號進行相關處理，而這種數學運算具有很強的濾波作用，因此可控震源原始記錄和激發信號相關后的單炮記錄可以壓制一些環境噪聲影響，震源相關記錄具有較高的信噪比[15]。

可控震源掃描信號直接關系到地震資料的品質，最終單炮數據的頻帶信息與掃描信號的設計息息相關[16]。常規線性升頻掃描信號的設計一般都是由起始頻率和終止頻率確定，整個頻率時間段為均勻分配[17]。然而在復雜地表區，受近地表介質吸收衰減和復雜深層資料的影響，實際采集接收到的資料中，某些頻率段衰減很快，影響了整體資料的分辨率，不利于資料的處理解釋。因此，可控震源掃描信號設計時，需要針對衰減較快的頻率段進行大的補償，衰減慢或未衰減的頻率段進行小的補償[18]，從而拓展資料的有效頻寬，提高資料信噪比。

針對河套盆地近地表復雜，且上覆巨厚疏松介質，對地震波高頻吸收衰減嚴重的難題，將可控震源線性掃描單炮進行振幅譜分析，根據振幅譜衰減情況進行時間分段，計算各頻段理論掃描振幅與平均幅值比，再乘以相應頻段線性掃描長度作為新信號該頻段的掃描長度，按線性掃描重新設計各頻段的掃描信號并串接形成新的掃描信號。

應用新的掃描信號在現場開展了相關試驗，圖1a為以往掃描信號激發的單炮記錄，圖1b 為新的掃描信號激發的單炮記錄，兩者的差異表明補償信號后，資料品質明顯改善，高頻有了較大提升，提高了目的層的分辨率。

圖1 信號補償前（a）、補償后（b）的單炮帶通50～100Hz 記錄Fig.1 Records of single shot bandpass at 50-100Hz before (a) and after (b) signal compensation

2.2 基于多信息約束的精細近地表建模及全深度Q 值補償技術

以往的建模方法受初至拾取精度、近地表模型約束及炮檢距選擇等問題的影響，層析反演的精度不能完全滿足精細處理的要求[19]。針對河套盆地古河道發育引起的近地表結構復雜的難題，開展了分步層析的靜校正方法，有效提高了近地表速度模型反演的精度。

建模主要分為兩個步驟：（1）開展0～500m 偏移距的層析反演，應用微測井約束淺層速度模型，提高淺層的速度模型精度；（2）再次開展全偏移距的層析反演，利用上一步得到的淺層速度模型開展約束層析反演，獲得最終的近地表速度模型。將淺層速度模型與近地表模型分開反演，可以獲得精度更高的速度模型。

由于近道射線只在近地表淺層傳播，反演深層高速信息大多集中在遠道的射線[20]，因此在淺層速度反演時，初至炮檢距范圍的選擇應避免中遠道信息。通過野外調查結果可知，河套盆地低降速帶速度在280～1100m/s，高速層速度為1600～1700m/s。圖2為單炮初至疊合圖，利用速度確定了采用500m 炮檢距以內的初至進行低降速帶反演，能夠更好地反演出低降速帶速度，采用4500m 炮檢距以內的初至能反演出高速層速度。

圖2 反演炮檢距的選擇示意圖Fig.2 Offset determination for seismic inversion

圖3 為應用不同靜校正量的疊加剖面對比，圖3a為常規層析靜校正量，圖3b 為基于多信息約束近地表模型計算的靜校正量，靜校正攻關后，剖面成像質量進一步提高。

圖3 新技術應用前（a）、應用后（b）的疊加剖面Fig.3 Comparison of stack profiles before (a) and after (b)the application of new technology

針對巨厚弱成巖覆蓋導致的深層地震波組特征差的難題，在精確的近地表模型的基礎上開展了全深度Q場的建立，主要實現過程分為三部分：（1）淺層Q值的求取，利用0～30m 深度的常規微測井和30～200m 深度的深井微測井聯合建立近地表層地層品質因子模型；（2）深層Q場的求取，利用基于三維VSP 的離散采樣統計約束方法和深度學習多元非線性回歸技術求取深層Q值；（3）利用多元非線性回歸技術建立全區Q場。將河套盆地不同位置的微測井及VSP 數據估計得到的全地層品質因子函數作為已知樣本標簽，通過深度學習訓練形成全地層品質因子的多元非線性回歸算子，建立三維全地層Q場。

通過Q補償，解決了由于復雜近地表和巨厚弱成巖地層導致的深部目的層吸收衰減嚴重的問題，求取的Q值更能反映地震波的實際吸收衰減，補償值域更準確、精度更高。圖4、圖5 為全深度Q補償前后的資料對比，補償后的地震資料分辨率明顯提高，巨厚弱成巖地層導致的高頻吸收衰減問題得到了很好的恢復。

圖4 全深度Q 補償前（a）、補償后（b）疊加剖面對比Fig.4 Comparison of stack profiles before (a) and after(b) full depth Q-value compensation

圖5 全深度Q 補償前（a）、補償后（b）頻譜對比Fig.5 Spectrum comparison before (a) and after (b) full depth Q-value compensation

2.3 基于大地坐標的近地表類型分區去噪技術

針對河套盆地不同地表類型發育引起的噪聲難題，開展了近地表類型的分區去噪。由于折射波、面波的形成與表層結構及表層的地震地質條件密切相關，需要明確干擾波的形成機理及傳播速度的變化規律[21]。根據近地表類型進行分區，對不同區域的原始單炮采用不同的去噪參數，以達到更好的去噪效果，盡可能在去除干擾的同時，保護有效波信息不受損失。

根據野外測量獲得的河套盆地近地表實際情況，按照近地表特點（綜合考慮高程、表層土質、低降速帶厚度、低降速帶速度等因素），進行基于大地坐標的近地表類型分區；若沒有野外測量獲得的該區近地表實際情況，可采用先拾取原始單炮的初至，開展初至層析反演獲得表層速度模型，利用常規地圖繪制軟件加載地表速度平面圖，根據不同區域的速度差異對該區進行基于大地坐標的近地表類型分區。

在此基礎上，加載原始單炮的散點文件，根據炮點的大地坐標將所有單炮進行分區輸出；然后對同一分區內的原始單炮進行干擾波特征分析（圖6），優選適用的去噪方法和參數進行干擾波去除；待所有分區的單炮去噪工作完成后，再將所有去噪后的單炮按原始單炮文件號順序合并到統一工區中，實現了基于大地坐標的近地表類型分區去噪工作。例如圖6a 中黃色區域的“400m/s、570m/s”代表河套盆地該區域發育兩組規則面波，其速度分別為400m/s、570m/s，因此該區域可以去除速度分別為400m/s、570m/s 的面波。

圖6 面波速度（a）及折射波速度（b）平面分區圖Fig.6 Zoning map of surface wave velocity (a) and refraction wave velocity (b)

圖7 為不同去噪方式得到的疊加剖面對比，攻關后，剖面的連續性更好。

圖7 攻關去噪前（a）、去噪后（b）剖面效果對比Fig.7 Profile comparison before (a) and after (b) noise removal

2.4 基于平面屬性的斷層解釋技術

針對河套盆地目的層埋藏深且斷裂系統發育的難題，為實現快速、智能的斷距計算，優選斷層的平面屬性，通過層位賦值與對比，識別斷層兩盤升—降關系，斷層兩盤邊界分離、插值求得斷距，實現定量化描述的目的[22]。

圖8 為斷層分盤原理示意圖，即利用斷層平面幾何體與層位信息，得到斷層定量參數，包括斷層走向延伸長度、斷層走向、走向的方位、斷層傾向、斷層傾角、斷層滑距、斷層垂距等定量參數。利用參數，通過散點值的方式，在平面投影得到斷層各類屬性平面圖。通過各類屬性結合地質特征，得到地質認識。

圖8 斷層分盤原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of fault plate classification

3 資料應用效果

受近地表復雜和地下構造復雜的影響，一直以來，河套盆地地震資料品質較差。通過配套技術攻關后，資料品質明顯改善。

圖9 為攻關前后的成果剖面對比，新技術攻關后，花狀斷裂帶區域信噪比明顯提升，斷面更清晰。利用三維勘探成果，納林湖構造帶鉆井吻合率高，臨二段油氣分布與已鉆井吻合率達到80%以上。

圖9 相同位置二維（a）、三維（b）勘探成果剖面對比Fig.9 Comparison of 2D (a) and 3D (b) seismic exploration result profiles at the same location

4 結論

河套盆地近年來的勘探成果表明，新技術的應用提高了地震勘探成像質量。

（1）激發信號設計通過針對性的頻段補償設計，解決了弱成巖覆蓋地層引起的頻率衰減的難題。

（2）基于多信息約束的精細近地表建模和全深度Q值補償技術通過分步建模，解決了河套盆地古河道發育引起的近地表結構復雜的難題及巨厚弱成巖覆蓋導致的深層地震波組特征差的難題。

（3）基于大地坐標的近地表類型分區去噪技術通過干擾波與近地表的結合，解決了河套盆地不同地表類型發育引起的噪聲難題。

（4）基于平面屬性的斷層解釋技術通過智能優選計算，解決了河套盆地目的層埋藏深且斷裂系統發育的難題。

（5）配套勘探技術在河套盆地花狀斷裂區應用效果明顯，信噪比明顯提升，對于類似復雜探區具有借鑒意義。