河套盆地巨厚弱成岩覆盖区地震勘探成像技术应用研究

崔宏良 王瑞贞 王伟 袁胜辉 王金宽 汪关妹 程展展

（1 中国石油集团东方地球物理公司；2 中国石油华北油田公司）

0 引言

河套盆地位于内蒙古自治区中西部地区，在巴彦淖尔市和阿拉善盟境内，是伊盟古陆核古元古界—太古宇变质结晶基底之上的中、新生代坳陷—断陷叠合盆地，平面上以狭长的弧形分布在鄂尔多斯盆地与阴山褶皱带之间[1]，盆地面积约为40000km2，整体上可划分为“两隆三坳”5 个一级构造单元[2]。其中，临河坳陷是最主要的沉积坳陷，西北方向长约70km，东北方向长约320km，面积为22400km2；其具有南北分区、东西分带的特征，南北向可以划分为吉兰泰凹陷和巴彦淖尔凹陷，东西向受狼山断层和黄河断层控制呈两洼夹一垒的结构特征。勘探矿权的主要部分位于临河坳陷中央断垒带[3]。盆地北部为河套平原，地势平坦，多为农田；中南部为乌兰布和沙漠，地形起伏较大，以沙漠、戈壁、山地为主。

自20 世纪80 年代开始，河套盆地共完成二维地震测线9741km，但是一直未取得油气勘探的突破[4]。2017 年华北油田公司开始推动该区的勘探工作，部署钻探的吉华2x 井当年获得高产工业油流，发现了古近系、白垩系、石炭系、太古宇等多套含油层系，标志着河套盆地具有富油凹陷的特征，油气资源潜力大[5]。

然而河套盆地目的层埋深为5000～7000m，断裂系统发育，上覆4000～5000m 的巨厚弱成岩地层，导致深层波阻抗界面不明显，地震波波场复杂[6]，主要目的层反射系数小（0.02～0.05，不足冀中凹陷、二连盆地的1/2），难以形成良好的波阻抗界面；同时，上覆弱成岩引起的吸收衰减严重，整体Q值比冀中凹陷小一倍（冀中凹陷0～1000m 埋深的Q值为100左右，河套盆地0～1000m埋深的Q值为50左右），该区勘探进程受到严重制约[7]。

针对地震波吸收衰减严重、资料信噪比低、复杂构造区成像精度差、储层难以预测等关键难题，开展了信号设计、分区去噪、分步建模和基于平面属性的断层解释等技术的应用，提高了巨厚弱成岩引起的深层信号能量，拓宽了频宽，提升了目的层分辨率，为精细解释提供了支撑。

1 勘探面临的技术难题

1.1 近地表结构复杂

河套盆地位于黄河与狼山之间，相关研究成果表明[8]：黄河仅全新世时期就有5 次变道，古河道发育；且该区的农田也多为后期人为改造而成，导致低降速带速度低，对地震波的吸收衰减严重。

1.2 上覆巨厚疏松介质

河套盆地主要目的层以上被巨厚弱成岩覆盖，地震波组特征差。新近系由于快速堆积、欠压实作用等原因，且为河流相沉积，导致地震反射波组特征不明显[9]，中浅层地震反射横向连续性差，也影响到深层资料信噪比。

1.3 目的层埋藏深

勘探目标埋藏深且构造复杂，资料信噪比低。河套盆地目的层埋深为5000～7000m，断裂系统发育，波场复杂，深层地层成像精度困难[10]。

2 配套勘探攻关技术

针对以上难点，在采集方面，围绕反射系数小、吸收衰减严重造成的反射信号弱的难题，采用大吨位低频震源组合激发和高灵敏度单点接收技术[11-12]，同时创新了基于目的层响应特征的可控震源激发信号设计技术，提高了深层的反射能量；围绕弱成岩地层吸收衰减严重难题，创新了常规+深井微测井调查与VSP 测井联合建立近地表模型，通过Q补偿提高弱信号能量和频宽，提高了目的层分辨率。在处理方面，围绕深层资料信噪比低的难题，创新了基于大地坐标的近地表类型分区去噪技术，有效提升了偏移前道集的信噪比。在解释方面，围绕断层发育、断裂组合复杂的难题，创新应用了基于平面属性的断层解释技术，精细落实了断层展布特征。

2.1 基于目的层响应特征的可控震源激发信号设计技术

可控震源勘探是通过电子控制箱体，将设计的一个扫描信号通过驱动平板产生连续震动信号，将能量可控地传送给大地[13]，然后通过参考扫描与反射扫描互相关等运算方法，最终获得地震资料[14]。由于地震勘探时信号激发使用的是可控震源，需要对接收到的原始记录和激发信号进行相关处理，而这种数学运算具有很强的滤波作用，因此可控震源原始记录和激发信号相关后的单炮记录可以压制一些环境噪声影响，震源相关记录具有较高的信噪比[15]。

可控震源扫描信号直接关系到地震资料的品质，最终单炮数据的频带信息与扫描信号的设计息息相关[16]。常规线性升频扫描信号的设计一般都是由起始频率和终止频率确定，整个频率时间段为均匀分配[17]。然而在复杂地表区，受近地表介质吸收衰减和复杂深层资料的影响，实际采集接收到的资料中，某些频率段衰减很快，影响了整体资料的分辨率，不利于资料的处理解释。因此，可控震源扫描信号设计时，需要针对衰减较快的频率段进行大的补偿，衰减慢或未衰减的频率段进行小的补偿[18]，从而拓展资料的有效频宽，提高资料信噪比。

针对河套盆地近地表复杂，且上覆巨厚疏松介质，对地震波高频吸收衰减严重的难题，将可控震源线性扫描单炮进行振幅谱分析，根据振幅谱衰减情况进行时间分段，计算各频段理论扫描振幅与平均幅值比，再乘以相应频段线性扫描长度作为新信号该频段的扫描长度，按线性扫描重新设计各频段的扫描信号并串接形成新的扫描信号。

应用新的扫描信号在现场开展了相关试验，图1a为以往扫描信号激发的单炮记录，图1b 为新的扫描信号激发的单炮记录，两者的差异表明补偿信号后，资料品质明显改善，高频有了较大提升，提高了目的层的分辨率。

图1 信号补偿前（a）、补偿后（b）的单炮带通50～100Hz 记录Fig.1 Records of single shot bandpass at 50-100Hz before (a) and after (b) signal compensation

2.2 基于多信息约束的精细近地表建模及全深度Q 值补偿技术

以往的建模方法受初至拾取精度、近地表模型约束及炮检距选择等问题的影响，层析反演的精度不能完全满足精细处理的要求[19]。针对河套盆地古河道发育引起的近地表结构复杂的难题，开展了分步层析的静校正方法，有效提高了近地表速度模型反演的精度。

建模主要分为两个步骤：（1）开展0～500m 偏移距的层析反演，应用微测井约束浅层速度模型，提高浅层的速度模型精度；（2）再次开展全偏移距的层析反演，利用上一步得到的浅层速度模型开展约束层析反演，获得最终的近地表速度模型。将浅层速度模型与近地表模型分开反演，可以获得精度更高的速度模型。

由于近道射线只在近地表浅层传播，反演深层高速信息大多集中在远道的射线[20]，因此在浅层速度反演时，初至炮检距范围的选择应避免中远道信息。通过野外调查结果可知，河套盆地低降速带速度在280～1100m/s，高速层速度为1600～1700m/s。图2为单炮初至叠合图，利用速度确定了采用500m 炮检距以内的初至进行低降速带反演，能够更好地反演出低降速带速度，采用4500m 炮检距以内的初至能反演出高速层速度。

图2 反演炮检距的选择示意图Fig.2 Offset determination for seismic inversion

图3 为应用不同静校正量的叠加剖面对比，图3a为常规层析静校正量，图3b 为基于多信息约束近地表模型计算的静校正量，静校正攻关后，剖面成像质量进一步提高。

图3 新技术应用前（a）、应用后（b）的叠加剖面Fig.3 Comparison of stack profiles before (a) and after (b)the application of new technology

针对巨厚弱成岩覆盖导致的深层地震波组特征差的难题，在精确的近地表模型的基础上开展了全深度Q场的建立，主要实现过程分为三部分：（1）浅层Q值的求取，利用0～30m 深度的常规微测井和30～200m 深度的深井微测井联合建立近地表层地层品质因子模型；（2）深层Q场的求取，利用基于三维VSP 的离散采样统计约束方法和深度学习多元非线性回归技术求取深层Q值；（3）利用多元非线性回归技术建立全区Q场。将河套盆地不同位置的微测井及VSP 数据估计得到的全地层品质因子函数作为已知样本标签，通过深度学习训练形成全地层品质因子的多元非线性回归算子，建立三维全地层Q场。

通过Q补偿，解决了由于复杂近地表和巨厚弱成岩地层导致的深部目的层吸收衰减严重的问题，求取的Q值更能反映地震波的实际吸收衰减，补偿值域更准确、精度更高。图4、图5 为全深度Q补偿前后的资料对比，补偿后的地震资料分辨率明显提高，巨厚弱成岩地层导致的高频吸收衰减问题得到了很好的恢复。

图4 全深度Q 补偿前（a）、补偿后（b）叠加剖面对比Fig.4 Comparison of stack profiles before (a) and after(b) full depth Q-value compensation

图5 全深度Q 补偿前（a）、补偿后（b）频谱对比Fig.5 Spectrum comparison before (a) and after (b) full depth Q-value compensation

2.3 基于大地坐标的近地表类型分区去噪技术

针对河套盆地不同地表类型发育引起的噪声难题，开展了近地表类型的分区去噪。由于折射波、面波的形成与表层结构及表层的地震地质条件密切相关，需要明确干扰波的形成机理及传播速度的变化规律[21]。根据近地表类型进行分区，对不同区域的原始单炮采用不同的去噪参数，以达到更好的去噪效果，尽可能在去除干扰的同时，保护有效波信息不受损失。

根据野外测量获得的河套盆地近地表实际情况，按照近地表特点（综合考虑高程、表层土质、低降速带厚度、低降速带速度等因素），进行基于大地坐标的近地表类型分区；若没有野外测量获得的该区近地表实际情况，可采用先拾取原始单炮的初至，开展初至层析反演获得表层速度模型，利用常规地图绘制软件加载地表速度平面图，根据不同区域的速度差异对该区进行基于大地坐标的近地表类型分区。

在此基础上，加载原始单炮的散点文件，根据炮点的大地坐标将所有单炮进行分区输出；然后对同一分区内的原始单炮进行干扰波特征分析（图6），优选适用的去噪方法和参数进行干扰波去除；待所有分区的单炮去噪工作完成后，再将所有去噪后的单炮按原始单炮文件号顺序合并到统一工区中，实现了基于大地坐标的近地表类型分区去噪工作。例如图6a 中黄色区域的“400m/s、570m/s”代表河套盆地该区域发育两组规则面波，其速度分别为400m/s、570m/s，因此该区域可以去除速度分别为400m/s、570m/s 的面波。

图6 面波速度（a）及折射波速度（b）平面分区图Fig.6 Zoning map of surface wave velocity (a) and refraction wave velocity (b)

图7 为不同去噪方式得到的叠加剖面对比，攻关后，剖面的连续性更好。

图7 攻关去噪前（a）、去噪后（b）剖面效果对比Fig.7 Profile comparison before (a) and after (b) noise removal

2.4 基于平面属性的断层解释技术

针对河套盆地目的层埋藏深且断裂系统发育的难题，为实现快速、智能的断距计算，优选断层的平面属性，通过层位赋值与对比，识别断层两盘升—降关系，断层两盘边界分离、插值求得断距，实现定量化描述的目的[22]。

图8 为断层分盘原理示意图，即利用断层平面几何体与层位信息，得到断层定量参数，包括断层走向延伸长度、断层走向、走向的方位、断层倾向、断层倾角、断层滑距、断层垂距等定量参数。利用参数，通过散点值的方式，在平面投影得到断层各类属性平面图。通过各类属性结合地质特征，得到地质认识。

图8 断层分盘原理示意图Fig.8 Schematic diagram of fault plate classification

3 资料应用效果

受近地表复杂和地下构造复杂的影响，一直以来，河套盆地地震资料品质较差。通过配套技术攻关后，资料品质明显改善。

图9 为攻关前后的成果剖面对比，新技术攻关后，花状断裂带区域信噪比明显提升，断面更清晰。利用三维勘探成果，纳林湖构造带钻井吻合率高，临二段油气分布与已钻井吻合率达到80%以上。

图9 相同位置二维（a）、三维（b）勘探成果剖面对比Fig.9 Comparison of 2D (a) and 3D (b) seismic exploration result profiles at the same location

4 结论

河套盆地近年来的勘探成果表明，新技术的应用提高了地震勘探成像质量。

（1）激发信号设计通过针对性的频段补偿设计，解决了弱成岩覆盖地层引起的频率衰减的难题。

（2）基于多信息约束的精细近地表建模和全深度Q值补偿技术通过分步建模，解决了河套盆地古河道发育引起的近地表结构复杂的难题及巨厚弱成岩覆盖导致的深层地震波组特征差的难题。

（3）基于大地坐标的近地表类型分区去噪技术通过干扰波与近地表的结合，解决了河套盆地不同地表类型发育引起的噪声难题。

（4）基于平面属性的断层解释技术通过智能优选计算，解决了河套盆地目的层埋藏深且断裂系统发育的难题。

（5）配套勘探技术在河套盆地花状断裂区应用效果明显，信噪比明显提升，对于类似复杂探区具有借鉴意义。