低信噪比地區(qū)地震采集激發(fā)技術(shù)探討

王 昀，王福寶，岳承琪，陳 浩，邢麗雯

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京 211103；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司勝利石油管理局物探公司，山東東營(yíng) 257100；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 100083）

長(zhǎng)期以來，低信噪比地區(qū)的油氣勘探工作一直十分困難。在這些地區(qū)，由于受復(fù)雜地震地質(zhì)條件的影響，干擾波發(fā)育，致使地震資料信噪比較低，難以較好成像，從而影響了油氣勘探的進(jìn)程［1］。

解決地震資料信噪比低的問題是一個(gè)包含地震采集、資料處理甚至綜合解釋等多個(gè)方面的系統(tǒng)工程［2］。由于受到地表、表層、地下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件的影響，地震采集及資料處理等階段均存在諸多技術(shù)難題，如：觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與野外施工困難、靜校正問題嚴(yán)重、噪聲壓制難度大、復(fù)雜構(gòu)造成像難等。

對(duì)于如何提高或改善低信噪比地區(qū)的地震資料信噪比，前人做了許多努力，也取得了一些認(rèn)識(shí)和進(jìn)展［3－9］，但這類地區(qū)的地震激發(fā)仍然是一個(gè)有待于進(jìn)一步探討和攻關(guān)的問題。為此，圍繞提高低信噪比地區(qū)的地震資料信噪比問題，對(duì)關(guān)鍵的地震波激發(fā)技術(shù)進(jìn)行理論與實(shí)際相結(jié)合的探討與分析，以提高對(duì)低信噪比地區(qū)地震采集激發(fā)技術(shù)措施優(yōu)選的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，從而為提高低信噪比地區(qū)地震單炮記錄信噪比提供方法指導(dǎo)。

1 低信噪比地區(qū)的地震地質(zhì)特點(diǎn)

綜觀川東北鎮(zhèn)巴等灰?guī)r出露區(qū)塊、川東南高陡構(gòu)造帶、六盤山巨厚干燥黃土塬地區(qū)、新疆阿什里山前帶等低信噪比地區(qū)，發(fā)現(xiàn)它們具有以下共同的地震地質(zhì)特點(diǎn)［10－14］：

1）地表?xiàng)l件復(fù)雜。地形高差大，起伏變化快；山體陡峭，懸崖峭壁遍布；地表障礙物十分復(fù)雜。圖1是鎮(zhèn)巴低信噪比地區(qū)的地表地形變化情況。

2）表層地質(zhì)條件復(fù)雜。主要表現(xiàn)為：①縱橫向巖性變化大；②表層多高速巖石出露且?guī)r石破碎，傾角變化大；③含水性差且潛水面一般埋藏較深，橫向變化無規(guī)律；④表層結(jié)構(gòu)參數(shù)縱、橫向變化劇烈，差異大。復(fù)雜的表層地質(zhì)條件給地震波的激發(fā)和接收帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其近地表是含水性差且疏松破碎的巖石時(shí)影響更為突出；同時(shí)，由于復(fù)雜的近地表構(gòu)造環(huán)境，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很多的次生干擾，這也是造成低信噪比地震資料的一個(gè)主要原因。

3）地下構(gòu)造復(fù)雜。受劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，構(gòu)造變化劇烈，地層傾角變化大，常常存在高陡構(gòu)造和破碎帶，導(dǎo)致地震波場(chǎng)復(fù)雜，速度場(chǎng)橫向變化大，難以準(zhǔn)確成像。

綜上所述，復(fù)雜的地表?xiàng)l件、表層地質(zhì)條件、地下構(gòu)造導(dǎo)致了此類地區(qū)地震資料的信噪比低。圍繞如何提高信噪比的問題，對(duì)多個(gè)不同類型低信噪比地區(qū)的地震資料進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，發(fā)現(xiàn)在提高激發(fā)效果方面存在共性。

圖1 鎮(zhèn)巴低信噪比地區(qū)起伏地表三維顯示（a）和某測(cè)線地表高程曲線（b）

2 激發(fā)技術(shù)方法探討

2.1 應(yīng)用表層結(jié)構(gòu)綜合調(diào)查技術(shù)改善激發(fā)效果

表層結(jié)構(gòu)調(diào)查主要是指綜合利用各種地球物理方法，詳細(xì)掌握施工工區(qū)的低降速帶厚度、速度變化規(guī)律、潛水面、虛反射界面深度以及激發(fā)巖性等情況。

地震波的激發(fā)是在表層介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)的，因此選擇什么樣的激發(fā)巖性非常關(guān)鍵，尤其在低信噪比地區(qū)，激發(fā)巖性的選擇尤為重要。弄清了復(fù)雜地表的表層結(jié)構(gòu)，就可以幫助選取合適的激發(fā)參數(shù)，最大限度地保護(hù)地震波中的有效頻率，減少表層對(duì)地震信號(hào)的改造。因此，做好低信噪比地區(qū)的表層結(jié)構(gòu)調(diào)查對(duì)于改善資料的信噪比非常重要。

在實(shí)際工作中，表層結(jié)構(gòu)調(diào)查除了采用常規(guī)的小折射和微測(cè)井方法以外［15］，還應(yīng)該綜合采用地面地質(zhì)調(diào)查、潛水面調(diào)查、電法、鉆井取心、巖性錄井、多井微測(cè)井、超深微測(cè)井和折射微測(cè)井等多種表層結(jié)構(gòu)調(diào)查方法。通過綜合分析這些方法的調(diào)查結(jié)果可以準(zhǔn)確地反映地表結(jié)構(gòu)和巖性變化的特點(diǎn)，指導(dǎo)激發(fā)井深和激發(fā)巖性的選擇，提高地震波的激發(fā)效果。

2010年，在阿什里山地地震勘探中沿地震測(cè)線進(jìn)行逐點(diǎn)地質(zhì)露頭調(diào)查，并繪制成地質(zhì)露頭剖面（圖2），結(jié)合微測(cè)井等表層結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，優(yōu)選激發(fā)點(diǎn)位，設(shè)計(jì)激發(fā)井深，提高了該區(qū)地震資料信噪比。

在選擇激發(fā)井深方面，利用高密度電法剖面可以有效地規(guī)避表層風(fēng)化層，選擇富含水的高速層激發(fā)，提高激發(fā)效果。鎮(zhèn)巴地區(qū)采用高密度電法得到的近地表電性特征剖面如圖3所示，可見，剖面中高電阻率部位反映巖性的穩(wěn)定和含水性低，低電阻率部位反映表層巖石破碎和含水性高。

每一種表層結(jié)構(gòu)調(diào)查方法都存在缺陷，且都不能取全取準(zhǔn)近地表數(shù)據(jù)。需要根據(jù)工區(qū)情況有選擇地同時(shí)采用多種方法，綜合利用每種方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行激發(fā)因素設(shè)計(jì)，才能為激發(fā)因素設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。2011年，六盤山巨厚黃土塬地區(qū)在完成常規(guī)微測(cè)井、小折射、地面地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新完成了“多井微測(cè)井、折射微測(cè)井、黃土塬起伏地表小折射”，以及為研究局部變化規(guī)律進(jìn)行了河谷礫石區(qū)連續(xù)小折射、黃土厚度與低降速帶厚度關(guān)系調(diào)查等一系列的表層調(diào)查方法試驗(yàn)，為激發(fā)因素選取提供依據(jù)，提高了黃土塬地區(qū)地震資料品質(zhì)。

圖2 新疆阿什里地質(zhì)露頭剖面

圖3 鎮(zhèn)巴地區(qū)近地表高密度電法測(cè)量剖面

2.2 基于地形與表層結(jié)構(gòu)的井深動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)

激發(fā)井深的選擇依賴于表層結(jié)構(gòu)、虛反射界面、激發(fā)巖性、低速層和高速層等因素，同時(shí)也要考慮激發(fā)藥量的大小，根據(jù)藥量大小合理調(diào)節(jié)井深，還要考慮對(duì)地震波信號(hào)頻率的要求等。

2.2.1 激發(fā)井深對(duì)虛反射界面的依賴關(guān)系

虛反射界面往往是近地表的一個(gè)強(qiáng)波阻抗界面。如果在位于強(qiáng)波阻抗界面上的低速層中激發(fā)，地震子波振幅與頻率都較低，且大量能量消耗在低速層中。只有在強(qiáng)波阻抗界面下激發(fā)才能使更多的能量得以下傳。但是，如果在離強(qiáng)波阻抗界面下較遠(yuǎn)處激發(fā)，由于虛反射的影響，地震子波又會(huì)產(chǎn)生疊加畸變，使地震子波的頻率降低。那么，選擇在虛反射界面下多深的位置激發(fā)才能得到較好激發(fā)效果呢？文獻(xiàn)［16］指出：①井深炸藥位置距虛反射界面的距離要大于炸藥的爆炸半徑；②炸藥震源距虛反射界面的距離要小于最高頻率信號(hào)的波長(zhǎng)。

因此，激發(fā)井深的設(shè)計(jì)首先必須選擇虛反射面以下激發(fā)；炸藥震源距虛反射界面以下多深的距離與在該地區(qū)能夠獲得的最高地震波頻率fc有關(guān)，頻率fc越高距離界面就越近，反之則越遠(yuǎn)；同時(shí)還要考慮炸藥量爆炸半徑的大小。

2.2.2 激發(fā)井深對(duì)巖性的依賴關(guān)系

井深的選擇在很大程度上是對(duì)好的激發(fā)巖性的選擇，即激發(fā)巖性好的位置也就是激發(fā)的好位置，也是井深該選擇的位置。所以，井深的選擇很大程度上是依賴于好的激發(fā)巖層。

好的激發(fā)巖性具有較好的彈性性質(zhì)，能夠產(chǎn)生高能量和相對(duì)寬頻帶的地震子波。炸藥震源激發(fā)時(shí)，在均勻介質(zhì)中產(chǎn)生地震波的子波表達(dá)式為［17］

式中：a為爆炸形成的球形孔穴半徑（m）；P0為作用于孔穴內(nèi)壁上的壓強(qiáng)（N／m2）；μ為彈性常數(shù)；r為傳播距離（m）；t為傳播時(shí)間（s）；k為圓頻率（Hz）。

如果把球形孔穴半徑a看成是介質(zhì)在P0作用下的彈性應(yīng)變量，P0／a則是介質(zhì)的巖石強(qiáng)度。因?yàn)樽硬ǖ念l率與巖石強(qiáng)度成正比，故堅(jiān)硬的巖石中激發(fā)的地震子波，其頻率高于松散巖石中激發(fā)的地震子波的頻率。

2.2.3 基于多因素的動(dòng)態(tài)井深設(shè)計(jì)

井深選擇的首要條件是避開虛反射界面，選擇在高速層激發(fā)，但在低信噪比地區(qū)僅僅選擇在高速層激發(fā)是達(dá)不到理想激發(fā)效果的，必須要綜合考慮高程、低降速帶結(jié)構(gòu)、激發(fā)巖性、虛反射界面等因素的基礎(chǔ)上逐點(diǎn)動(dòng)態(tài)井深設(shè)計(jì)。在鎮(zhèn)巴灰?guī)r出露區(qū)攻關(guān)過程中，根據(jù)地形變化，采用地質(zhì)調(diào)查、鉆井取心、微測(cè)井、高密度電法等相結(jié)合的綜合表層結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果指導(dǎo)井位選擇和井深設(shè)計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)南方山地動(dòng)態(tài)井深設(shè)計(jì)，提高了單炮信噪比，所獲灰?guī)r出露區(qū)地震剖面淺、中、深層反射波特征較清楚，繞射波、回轉(zhuǎn)波等波場(chǎng)豐富。

2.3 視飽和藥量區(qū)間的藥量選擇方法

選擇激發(fā)藥量主要是依據(jù)地震波的能量、頻率和信噪比的好壞。在理想情況下，要求這3個(gè)方面都盡可能滿足要求；但是，實(shí)際工作只能是在3個(gè)因素之間進(jìn)行折中來選擇合適的藥量。主要原因是藥量的增加與能量增長(zhǎng)趨勢(shì)是一致的，而與頻率的增加是相反的［18］（圖4）。藥量的增加在理論上是增加有效信號(hào)的能量，與信噪比的提高應(yīng)該是一致的；但增加藥量不僅增加有效信號(hào)的能量，同樣也增加近地表噪聲的能量，信噪比能否提高還要看是有效信號(hào)能量增加得快還是噪聲增加得快。對(duì)于低信噪比地區(qū)，藥量太大信噪比不會(huì)提高，甚至有可能降低。因此，藥量的選擇，首先要有足夠的激發(fā)能量，其次要有一定的信噪比，同時(shí)考慮激發(fā)信號(hào)的頻率。

圖4 藥量與激發(fā)子波的振幅、頻率的關(guān)系

實(shí)踐證明，當(dāng)藥量在一段區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，資料的能量、信噪比和頻帶都相對(duì)穩(wěn)定；在此區(qū)間之外則變化顯著［19］。將這段資料穩(wěn)定的藥量范圍稱為“視飽和藥量區(qū)間”。野外激發(fā)藥量的選取，可針對(duì)地形高低、障礙物遠(yuǎn)近在視飽和藥量區(qū)間內(nèi)選用合適的藥量。

例如南江灰?guī)r出露區(qū)采用4井組合，單井15m井深，單井藥量10kg組合激發(fā)，盡管總藥量達(dá)到了40kg，所獲地震單炮信噪比仍然很低，說明大藥量激發(fā)并不能完全解決低信噪比問題，甚至?xí)档托旁氡取?/p>

2.4 基于能量和觀測(cè)屬性的激發(fā)點(diǎn)位選擇方法

低信噪比地區(qū)地震資料靜校正問題十分突出［1］。圖5反映了六盤山巨厚黃土塬寬線二維兩條測(cè)線的高程變化情況。圖5a是相隔120m 的兩條測(cè)線的高程曲線及對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程差，圖5b為對(duì)應(yīng)的單炮記錄，可見初至扭曲嚴(yán)重，靜校正困難。此類地區(qū)采用均勻的激發(fā)點(diǎn)位更有利于提高采集資料質(zhì)量，從而有利于靜校正和成像。但是，由于地表?xiàng)l件復(fù)雜，許多激發(fā)點(diǎn)的激發(fā)難度大、效果差，這就需要合理地選擇激發(fā)點(diǎn)位，以獲得較佳的效果。

激發(fā)點(diǎn)位選擇的原則：一是最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)觀測(cè)激發(fā)點(diǎn)位的理念；二是盡可能地追求原始資料品質(zhì)的最優(yōu)化，即頻帶寬、能量強(qiáng)、信噪比高；三是保證安全激發(fā)，規(guī)避各種障礙物帶來的危害。激發(fā)點(diǎn)位的選擇，在很大程度上還要依賴激發(fā)巖性，對(duì)于成窄條帶的礫巖條帶、硅質(zhì)含量高的石英砂巖條帶等剛性較強(qiáng)的區(qū)帶一般不選擇為激發(fā)點(diǎn)；成條帶分布的疏松砂巖和巨厚的疏松砂巖山體也可以適當(dāng)避開。對(duì)于這些激發(fā)巖性較差的區(qū)域，如果需要，也可以采用組合激發(fā)的方式，以充分利用介質(zhì)的彈性性質(zhì)，改善激發(fā)效果。

圖5 六盤山黃土塬相鄰測(cè)線高程對(duì)比（a）與對(duì)應(yīng)單炮記錄（b）

在同樣的激發(fā)條件下，組合井的激發(fā)效果與高速層有關(guān)，即使是超淺井組合，在高速層激發(fā)，同樣能夠取得較好的激發(fā)效果。圖6是某灰?guī)r出露區(qū)進(jìn)行的多超淺井組合激發(fā)與單井激發(fā)效果對(duì)比結(jié)果。由于該點(diǎn)附近降速層厚度相對(duì)較薄（1.38m），速度900m／s，而且降速層以下巖性破碎嚴(yán)重，難以成井，于是選擇了20口1.5m 深的超淺井（藥量0.5kg）組合進(jìn)行試驗(yàn)（圖6a），激發(fā)效果稍好于該區(qū)相近點(diǎn)正常設(shè)計(jì)單井（井深21m，藥量20kg）的激發(fā)效果（圖6b），所以，組合激發(fā)一定要充分考慮低降速帶的厚度，在無法鉆遇高速層的情況下可以考慮在降速層中激發(fā)，但要充分考慮降速層速度與激發(fā)巖性。

2.5 提高激發(fā)效果的悶井技術(shù)

激發(fā)地震波的品質(zhì)依賴于炸藥震源與圍巖的耦合，包括幾何耦合和阻抗耦合。幾何耦合就是指要求藥柱直徑盡量接近炮井直徑，悶井正好能夠達(dá)到改善幾何耦合的效果，也能減少能量散失，確保能量的下傳［20］。在低信噪比地區(qū)，對(duì)悶井材料與方法進(jìn)行了研究。悶井材料主要有注水、普通泥沙、高壓水袋、稀水泥、細(xì)沙、混合材料等。試驗(yàn)表明幾種悶井材料的悶井效果相差不大。因此，悶井的關(guān)鍵在于采用就地取材的方式將井悶好、悶實(shí)。為了防止井噴，避免產(chǎn)生次生干擾，悶實(shí)井往往需要采取多次悶井的做法，第一次悶井完畢待沉淀一段時(shí)間后再進(jìn)行二次、三次悶井。

圖6 某灰?guī)r出露區(qū)多超淺井組合地震記錄（a）與正常設(shè)計(jì)單井地震記錄（b）

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

通過以上對(duì)低信噪比地區(qū)地震采集激發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)分析與探討，可以得出以下認(rèn)識(shí)與結(jié)論：

1）低信噪比地區(qū)地震采集中，激發(fā)巖性的選擇是獲得好資料的關(guān)鍵因素；

2）綜合低降速帶調(diào)查、地面地質(zhì)調(diào)查、高密度電法、層析等方法進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查是優(yōu)選井位、井深的有效途徑；

3）選擇井深不但要考慮激發(fā)巖性還要考慮虛反射界面，并不是井越深越好；在視飽和區(qū)間內(nèi)選擇藥量，太大藥量對(duì)獲得好的資料沒有優(yōu)勢(shì)；

4）悶井特別是多次悶井可以有效地改善炸藥震源與圍巖的幾何耦合，對(duì)提高炸藥震源的激發(fā)效果起到事倍功半的作用；

5）組合激發(fā)是復(fù)雜介質(zhì)中激發(fā)的有效手段。無論黃土塬，還是灰?guī)r出露區(qū)，組合激發(fā)都是一種最佳的選擇。

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