Parameters optimization of seismic data acquisition for deep buried karst geothermal reservoir in sedimentary basin: A case study of the Niutuo geothermal field in Xiongan New Area
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摘要:
深层非均质性碳酸盐岩储层已经成为我国深部地热资源规模勘探的重要对象，地震探测技术在勘探开发中必不可少，但存在深部能量衰减严重、数据采集噪声发育、构造隆起区基底内幕成像困难等问题。为获取高品质深部地震勘探资料，在华北冀中平原典型地区开展了大量可控震源激发参数和检波器接收参数试验。在野外试验数据的基础上，通过对不同激发参数和接收参数获得的原始单炮记录进行定性分析，同时从频段能量、道集间频率、信噪比等方面进行定量分析，研究可控震源台数、扫描频率、扫描长度、震动次数、驱动幅度和检波器组合方式等参数的选择对地震资料质量的影响。结果表明适用于冀中平原地区深埋型岩溶热储二维地震勘探野外施工参数为：28 t可控震源4台震动4～6次，驱动幅度75%，非线性扫描（斜坡长度−3），扫描频率6～84 Hz，扫描长度12 s。按此参数施工获得原始单炮记录和数据处理剖面的质量较以往有了大幅提高，能够较为清晰地划分牛驼镇凸起构造区深部蓟县系高于庄组底界面。此次优选的地震采集参数对沉积型盆地深部地震勘探有一定的借鉴和指导意义。
Abstract:Deep heterogeneous carbonate reservoirs have become more and more important in the deep exploration of geothermal resources in China. The essential seismic exploration technology has many difficulties, such as serious attenuation of deep energy, low signal-to-noise ratio, difficult imaging of inner basement in tectonic uplift areas. In order to acquire high-quality deep seismic exploration data, a large number of vibroseis excitation parameters and geophone receiving parameters experiments have been received in a typical areas of the Central Hebei Plain in North China. On the basis of a large number of field experimental data, a qualitative analysis of the original single-shot records is carried out, and quantitative analysis is also carried out from the aspects of frequency band energy, inter-channel frequency, signal-to-noise ratio, etc., to study the parameter selection such as the number of vibroseis, sweep frequency, sweep length, vibration times, driving amplitude and geophone combination mode, which can affect the quality of the seismic data. In this paper, the field construction parameters for 2D seismic exploration of deep carbonate reservoirs in the North China Plain are optimized as follows: 4 sets of 28 tons vibrate 4–6 times, 75% driving amplitude, non-linear sweep (slope –3), 6–84 Hz sweep frequency, and 12 s sweep length. The quality of the single-shot records and data processing profiles are greatly improved after parameter optimization, which can be more clearly divided into the bottom interface of the Gaoyuzhuang Formation of the Jixian System and the top interface of the Archean Erathern in the Niutuozhen uplift tectonic area. The optimized seismic acquisition parameters are of certain reference and guiding significance for deep seismic exploration in sedimentary basins.
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地热能作为一种清洁、低碳、绿色、环保的可再生能源，具有储量大、分布广、稳定性好等特点。中国地热资源分布广泛，不同类型的地热资源分布具有明显的规律性和地带性[1]。碳酸盐岩热储是中国中低温地热开发利用的主力储层，也是最具潜力的储层，广泛分布在各大沉积盆地内[2-5]。该类岩溶热储具有埋藏较深、非均质性强、地层结构与平面分布复杂等特点。碳酸岩盐热储的探测以二维地震反射波法为主[6]，是利用地震波在地层传播的吸收和衰减特性来识别和评价地层、构造特征与地热异常。碳酸盐岩储层具有地震波传播速度高、振幅强、频率低等地震响应特征，且在白云岩储层会随着白云化程度增强，其速度、密度、纵波阻抗和振幅增大[7]。碳酸盐岩地层二维地震探测过程中，存在资料采集困难[8]、储层埋深4 000 m以下地震波高频能量衰减严重[9]、构造隆起区基底内幕成像差[10]、各反射界面之间反射波彼此干涉[11]等难点，造成深层地震资料信噪比和分辨率低[12]、保幅性差、地质特征解释不够清楚、元古界碳酸盐岩地层界面识别难等问题。
地震数据采集是后续处理和解释环节的基础[13]，只有得到高质量的地震剖面才能对深层目的层进行精细的追踪解释，为地热储层预测提供依据。雄安新区地热资源丰富，3 km以深存在地热开发的第二空间——蓟县系碳酸盐岩热储，具有温度高、水量大、热储易于回灌等特点[14]。因此，本文选择华北平原典型地区——雄安新区牛驼镇地热田，开展目标储层为蓟县系碳酸盐岩热储的二维地震采集参数试验，优选激发和接收参数。
雄安新区牛驼镇凸起构造区的研究开始于20世纪90年代，尤其是随着雄安新区的设立，中国地质调查局加大力度开展雄安新区地热清洁能源勘查工作[15-16]，进一步加深牛驼镇凸起构造区的研究程度。杨海盟等[17]认为牛驼镇凸起太古界内幕深层牛东断裂下盘存在1组地震波反射，反映牛东断层下盘发育逆断层；王凯等[18]认为牛驼镇凸起下方的5～11 s存在反射同相轴呈“穹隆状”，一直延伸至莫霍面；岳航羽等[19]认为雄安新区及周边深反射地震数据存在深层信号弱、跨构造单元多、干扰因素复杂等问题，有必要开展深反射地震高精度成像关键技术研究。以往地震资料显示，牛驼镇凸起构造区深部信噪比低、基底内幕成像差、蓟县系高于庄组底界和太古界顶界识别不清等问题，且研究主要集中于中浅部和上地壳两个层次。为获取3～6 km深部高品质地震勘探资料，在以往地震采集技术的基础上，进行了波场特征调查和检波器组合方式试验，增加了可控震源台数、震动次数和扫描长度，降低了扫描频率，从信噪比、能量、频谱等方面分析不同参数对干扰波的压制效果及对有效信号的影响，从而获取更优的现场施工参数。
1. 工区地质地球物理特征
工区位于华北平原北部，属太行山麓平原向冲积平原的过渡带。地势较为平坦，海拔在7～19 m之间，西北较高，东南略低。地表多为农田覆盖，城镇化程度较高，城镇、村庄、工厂、高压线塔、铁路、高速公路、省道、河流等均有分布，会给地震数据采集带来不同程度的噪声干扰。
1.1 浅部地震地质条件
工区地表岩性由黏土、砂土与粉砂、细砂组成，不等厚互层，结构较为松散。小折射调查结果显示，表层低速层表现为二层结构，第一低速层平均速度450～500 m/s，厚9～15 m；第二低速层平均速度在900～1200 m/s之间，厚11～15 m；与下伏地层速度相差较大，速度分界明显。第四系松散覆盖层厚300～500 m，尤其是存在较厚卵砾石层的地区，其吸收衰减作用尤为明显。
1.2 深部地震地质条件
根据以往勘探成果可知，新近系以下地层起伏变化较大，构造发育，地震波场复杂；深部热储层与上覆新生界地层之间存在一个强波阻抗界面，会对地震波产生较强的屏蔽作用，不利于深层成像；元古界地层成层性差、波阻抗差异小，会导致深层信号较弱。
2. 采集参数试验
结合工区地震地质特点和勘探目的，此次地震勘探采集参数试验包括波场特征调查、激发参数试验和接收参数试验。
2.1 波场特征调查
波场特征调查的目的是掌握工区有效波、干扰波和噪声的分布情况，提出噪声抑制措施。此次采用盒子波技术开展干扰波调查，通过雷达图分析技术深入了解工区主要干扰波类型及其速度、信噪比、频率、波长等属性特征，分析干扰波的成因、规律及影响程度。
盒子波技术调查结果表明，影响地震资料品质的干扰波主要包括折射波、侧面波、面波和随机干扰波等（图1）。折射波发育复杂，较为稳定的有2层，第一层视速度1800～2500 m/s、频率15～22 Hz，第二层视速度3000～4500 m/s、频率12～20 Hz。侧面波主要发育2组，第一组速度350～1500 m/s、频率15～20 Hz，第二组速度3000～4000 m/s、频率25～30 Hz，均沿垂直测线方向传播。面波发育2层，第一层速度220～400 m/s、频率8～14 Hz，第二层高阶面波视速度在800～1500 m/s之间，频率8～12 Hz。由于地表条件较差，乡镇分布面积广、公路交错复杂，随机干扰波发育，频率较高，无固定规律。
2.2 激发参数试验
此次震源激发选择可控震源，可控震源在地震勘探中具有施工成本低、安全环保、激发信号可人为控制、施工组织灵活等优点，广泛应用于地形起伏较小的地区，在城镇化程度较高地区取得了良好的勘探效果[20-21]。工区构造复杂、地层结构变化大，二维地震测线横跨多个构造单元，同一套震源激发参数不适应所有的地质条件。因此，安排了1个系统试验点和7个考核试验点（表1），系统试验点确定基本参数，考核试验点根据地质条件和地表干扰情况的变化调整激发参数。通过对原始单炮记录进行定性分析，并从频段能量、道集间频率、信噪比等方面进行定量分析[20]，优选可控震源的震动台次、扫描方式、扫描频率、扫描长度和驱动幅度等激发参数，确保在不同环境下获取最优单炮记录，进而取得低信噪比地区相对高质量的地震资料。
表 1. 试验内容一览表Table 1. List of experiment contents试验点 试验内容 固定参数 试验参数 炮数 1个系统
试验点震动台次 驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，
非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s4台2次、4台4次、4台6次、
5台2次、5台4次、5台6次6 扫描频率 4台2次，驱动幅度75%，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 6～64，6～72，6～84，6～100 Hz 4 扫描方式 4台2次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，扫描长度12 s 线性扫描、非线性扫描（坡度分别为−2和−3） 3 扫描长度 4台2次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3） 12，14，16，20 s 4 驱动幅度 4台2次，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 65%、70%、75% 3 7个考核
试验点震动台次 驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，
非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s4台2次、4台4次、4台6次、
5台2次、5台4次、5台6次6 扫描频率 4台4次，驱动幅度75%，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 6～64，6～72，6～84，6～100 Hz 4 扫描长度 4台4次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3） 12，14，16，20 s 4 合计 118 | Show Table
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2.2.1 扫描方式试验
可控震源地震扫描信号分为线性扫描和非线性扫描[22]。线性扫描信号频率变化均匀，能量平均分配。非线性扫描信号扫描速率是变化的，根据目的层反射波频率特征可重新分配频率和能量，通过在高频段合理增加扫描时间来实现对高频衰减的补偿[23]。扫描方式对比试验包括：线性扫描和非线性扫描，非线性扫描坡度又分为−2和−3。其他参数设置为：可控震源4台，震动次数2次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，扫描长度12 s。
通过对3种扫描信号获得的原始单炮记录1.5～4.5 s目的层反射波能量、信噪比和频谱分析可知（图2），线性扫描的有效频率宽度较非线性扫描宽；坡度为−3的非线性扫描的能量较线性扫描、坡度为−2的非线性扫描更强，信噪比更高，且6 Hz以下低频干扰、20 Hz以上高频干扰幅度更低。因此，现场施工拟采用非线性扫描，坡度为−3。
2.2.2 震动台次试验
使用多台可控震源同时激发，并通过多次垂直叠加增强目的层反射波能量[24]，压制随机干扰，在满足最深目的层探测要求的同时提高单炮记录的信噪比。但是，过多的增加震动次数，也会加强与有效信号频带接近的干扰波，甚至改变地震记录的相位，从而降低分辨率[25]。此次探测最深目的层位为元古界蓟县系高于庄组热储层，选择4和5台可控震源分别进行2次、4次、6次垂直叠加对比试验，其他固定参数设置为驱动幅度75%、非线性扫描、扫描频率6～84 Hz、扫描长度12 s[26]。
从试验单炮记录来看，4台和5台可控震源多次垂直叠加得到的地震记录各目的层能量均得到增强，尤其是2.5，4.0 s左右目的层的反射波能量增强较为明显，同相轴均清晰可见。定量分析2.0～4.5 s之间有效波的频谱和信噪比可知（图3），随着震源台数的增加，主频变化不大，频宽加宽，起始频率在6 Hz以下低频干扰幅度升高，单炮记录的信噪比有所降低，4台6次激发的深层能量较4台4次、4台2次强，分辨率较高。因此，现场施工时根据随机噪声的干扰程度等选取4台可控震源4～6次震动次数方可满足勘探需求。
2.2.3 扫描频率试验
可控震源扫描频率的输出应在最高截止频率的范围内，根据工区干扰波特点和目的层反射波频带范围，选择有助于压制低频干扰波的最低频率和不高于目的层反射波的最高频率。随着勘探深度越来越大，选择可控震源激发的最低频率越小越好。兼顾探测更深目的层位和压制部分低频面波，最低扫描频率不能过低，此次未对最低扫描频率进行对比试验，设置为6 Hz；主要对比试验了64，72，84，100 Hz的扫描高频，其他参数设置为可控震源4台、震动次数2次、驱动幅度75%、非线性扫描、扫描长度12 s。
综合地质资料，对比单炮记录（图4），炮集面貌干净，500 ms处反射波为新生界底界与中生界顶界面之间的反射波，该层反射波连续性均较好；在最高扫描频率大于80 Hz及以上时能量稍强[24]，4 000 ms反射波推测为蓟县系雾迷山组顶板，该层反射波较清晰，6～84 Hz的单炮记录能量及分辨率优于其他。
图 4. 扫描频率分别设置为6～64，6～72，6～84，6～100 Hz时的不同单炮记录对比图Figure 4. Comparison of different single-shot records at sweep frequencies of 6–64, 6–72, 6–84 and 6–100 Hz定量分析不同扫描频率2.0～4.5 s目的层有效波的频谱和信噪比可知（图5），主频无明显变化，6～84 Hz扫描频率单炮记录的有效频带宽度稍宽于其他频率，且信噪比优于其他扫描频率。因此，本次工作拟采用6～84 Hz的扫描频率。
2.2.4 扫描长度试验
可控震源的扫描长度越长，激发的能量越强，单炮记录的信噪比也会有所加强，同时资料占据的存储空间越大。考虑目的层勘探深度，设置可控震源4台、垂直叠加2次、驱动幅度75%、非线性扫描、扫描频率6～84 Hz，对比试验了12，14，16，20 s的扫描时间。分析不同扫描时间所得记录2.0～4.5 s之间有效波的频谱和信噪比可知（图6），主频和频宽均无明显变化，6 Hz以下低频干扰在扫描时间12 s情况下幅度更低；同等干扰条件下，12 s单炮记录的信噪比稍优于14，16，20 s。因此，12 s的扫描长度即可满足此次勘探需求。
2.2.5 驱动幅度试验
可控震源与地表的耦合情况是影响驱动幅度大小的主要因素，过高追求输出力，反而会降低子波的重复性和地震资料的品质[27]。此次根据典型地表的总谐波畸变情况设置了65%、70%、75%不同驱动幅度的对比试验，固定其他震源参数为：可控震源4台、垂直叠加2次、扫描频率6～84 Hz、非线性扫描、扫描长度12 s。通过对不同驱动幅度取得单炮记录1.5～4.5 s双程时之间的能量、道集间频率和信噪比等进行定性和定量分析（图7、图8），认为随着驱动幅度增加，主频和频宽变化不太明显；驱动幅度为75%单炮记录的资料品质、激发能量和信噪比明显高于70%和65%。综合考虑，驱动幅度采用75%。
图 7. 驱动幅度分别设置为65%、70%和75%时的不同单炮记录对比图Figure 7. Comparison of different single-shot records at driving amplitudes of 65%, 70%, 75%2.3 接收参数试验
接收参数试验以检波器组合方式试验为主。检波器组合是数据采集时衰减干扰波提高原始记录信噪比的一种方法。信噪比的高低与检波器组合个数、组内距、组合方式等均有关系。此次试验是在盒子波调查资料的基础上，按照4×3、6×2、12×1只检波器面积组合的方式，增加单支检波器、12只串检波器堆放方式开展试验。
从单炮记录和能量分析可知，12只检波器接收效果较单支检波器好、能量较强，12只检波器面积组合接收效果较12只检波器堆放好、能量较强，4×3方形组合接收效果最好、能量最强，6×2平行组合次之，12×1较差。从频谱分析结果可以看出（图9），12只堆放、6×2平行组合、4×3方形组合的主频较单支检波器和12×1线性组合的大，频宽更宽。25 Hz和50 Hz振幅异常是由于试验场地随机干扰、电力干扰发育所致。因此，二维地震勘探数据采集时检波器接收参数宜采用以下方式：组内距2 m，组内高差小于0.5 m，4×3只检波器面积组合，按照“实、直、深、准、不漏电”的原则挖坑埋置，遇地表地震地质条件较差无法挖坑的地段，采用电钻打孔方式插直检波器，并用沙土袋盖实。
3. 试验结论与应用
系统分析试验资料，确定了工区的基本采集参数为：（1）接收参数，采用12只检波器平行组合接收，组内距2 m，挖坑埋置；（2）激发参数，4台28 t可控震源，4～6次垂直叠加，75%驱动幅度，6～84 Hz扫描频率，12 s扫描长度和非线性扫描（坡度–3），地质条件发生变化或随机干扰增强的地段，采用相同的方法开展试验及时调整激发参数。
基于以上试验参数，二维地震勘探采用加拿大Geo-X公司Aries数字地震仪，4台28 t可控震源（扫描频率范围5～250 Hz，最大出力28 t），10 Hz 12只串联检波器，道间距20 m、炮间距40 m、680道滚动接收、最小偏移距10 m、最大偏移距6 790 m、覆盖次数大于170次的观测系统采集了二维地震剖面，取得了较高质量的原始单炮记录和成果剖面。
4. 结果分析
从单炮记录可以看出（图10），发射波信息丰富，由浅至深在双程时1.0，1.3，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0 s等处，反射波能量强，信噪比高，连续性好，浅层反射波频率主要在10～25 Hz之间，深层频率为8～20 Hz。从DZ-6测线地震解释剖面可以看出（图11），资料品质整体较高，地震反射波组特征明显，由浅至深解释了9组特征明显的反射波，分别为TQ、TNm、TNg、TEd、TEs1、TEs、TJxw、TJxg和TAr，对应第四系底界面，新近系明化镇组底界面、馆陶组底界面，古近系东营组底界面、沙河街组一段底界面、沙河街组底界面，蓟县系雾迷山组顶界面、高于庄组顶界面和太古界顶界面。同时，解释了2条区域断层和若干条次级断层，均为正断层性质。
从深部成像效果来看，凹陷区整体信噪比较高，反射波具有能量较强、连续性较好、易于追踪解释的特征。凸起区缺失中生界和古生界地层，TJxw、TJxg和TAr为主要反射波组，蓟县系雾迷山组顶界面埋深清晰可见，TJxw反射波能量强，连续性较好，信噪比较高，易于追踪解释，双程时在0.59～0.73 s之间，埋深515～715 m；TJxg和TAr反射波能量较弱，信噪比较低，基本可连续追踪解释，双程时分别为1.06～2.4 s和1.25～3.75 s，埋深分别为1100～4000 m和1550～7000 m。经剖面2430 m处D02钻孔验证，钻孔揭露蓟县系雾迷山组顶界面埋深1335 m、高于庄组顶界面埋深2511 m，地震解释成果与钻探揭露成果基本吻合。
5. 结论与建议
（1）雄安新区牛驼镇地热田地震数据采集参数优选试验表明，可控震源台数、震动次数、驱动幅度、扫描方式、扫描频率、扫描长度和检波器组合方式的选择在一定程度上影响地震原始记录的分辨率和信噪比，进而影响勘探效果。适用于该地区深部地震勘探最佳采集参数为：28 t可控震源4台，震动4～6次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，扫描长度12 s和非线性扫描（斜坡长度–3）；最佳接收参数为12只检波器方形组合。
（2）基于采集参数试验获得的叠加剖面整体成像效果较以往有了大幅度提高。牛驼镇凸起构造区深部能量得到明显增强，蓟县系高于庄组底界面和太古界顶界面的地震波反射轴较为清晰、连续，能够准确识别，为3～6 km深部蓟县系碳酸盐岩热储的勘探、开发等提供采集参数借鉴。
（3）在沉积型盆地构造凸起区基底内幕成像困难的问题依然存在，建议从以下几个方面开展下一步研究：一是由于低频信号可得到深部信息，且低频能量具有更好的穿透能力，建议成本可控的条件下震源激发优先使用低频可控震源；二是采用“宽线”观测系统，增加覆盖次数，压制侧面干扰及其他噪声，一定程度上可增强深层弱反射信号，提高地震资料品质；三是在后期资料处理环节，提高静校正、振幅补偿、速度分析、叠前偏移等技术的准确性，消除原始资料能量差异，提高叠加速度精度，获得深部碳酸盐岩地层界面的有效反射信息，精细研究地层结构和断裂构造。
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表 1 试验内容一览表
Table 1. List of experiment contents
试验点 试验内容 固定参数 试验参数 炮数 1个系统
试验点震动台次 驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，
非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s4台2次、4台4次、4台6次、
5台2次、5台4次、5台6次6 扫描频率 4台2次，驱动幅度75%，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 6～64，6～72，6～84，6～100 Hz 4 扫描方式 4台2次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，扫描长度12 s 线性扫描、非线性扫描（坡度分别为−2和−3） 3 扫描长度 4台2次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3） 12，14，16，20 s 4 驱动幅度 4台2次，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 65%、70%、75% 3 7个考核
试验点震动台次 驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，
非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s4台2次、4台4次、4台6次、
5台2次、5台4次、5台6次6 扫描频率 4台4次，驱动幅度75%，非线性扫描（坡度−3），扫描长度12 s 6～64，6～72，6～84，6～100 Hz 4 扫描长度 4台4次，驱动幅度75%，扫描频率6～84 Hz，非线性扫描（坡度−3） 12，14，16，20 s 4 合计 118
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图(11)
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