柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)鹽巖區(qū)表層調(diào)查方法研究

張光德，劉 斌，張志林，何京國(guó)，任宏沁

（中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東東營(yíng)257100）

1 工區(qū)概況

三湖地區(qū)位于柴達(dá)木盆地中北部，橫跨三湖坳陷南北。該區(qū)北鄰紅山凹陷、歐南凹陷，東鄰諾木洪鼻狀構(gòu)造斜坡帶，淺層第四系生物氣氣藏發(fā)育，具有較大的生物氣勘探潛力［1］，但表層條件異常復(fù)雜，尤其是鹽巖區(qū)表層異常堅(jiān)硬，存在很多孔洞，主要呈現(xiàn)龜裂狀、微丘狀和平坦?fàn)睿?］三種形態(tài)；近地表發(fā)育多套鹽結(jié)晶層，鹽晶發(fā)育，晶粒間多孔隙，與淤泥、黑泥等填充物形成鹽－泥交互層，多達(dá)4～5層（圖1）。結(jié)晶互層厚達(dá)幾米至上百米，呈現(xiàn)明顯的速度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成地震資料頻率和信噪比低（圖2）。分析其主要原因在于：

1）淤泥、黑泥等填充物粘滯性會(huì)損耗地震波能量，使地震子波產(chǎn)生振幅衰減、主頻降低、頻帶變窄、相位延遲等現(xiàn)象［3］。

圖1 鹽巖區(qū)典型地質(zhì)剖面

2）交互層上下兩種巖性的密度和速度差別較大，造成地震激發(fā)效果差；面波、散射波以及折射波等干擾強(qiáng)，干擾范圍大。

以往采用常規(guī)的表層結(jié)構(gòu)調(diào)查、解釋方法以及相應(yīng)的激發(fā)井深設(shè)計(jì)原則獲取的地震資料品質(zhì)較差，部分地區(qū)很難見(jiàn)到有效反射（圖3，圖4）。

圖4 高速層以下激發(fā)的單炮記錄

2 鹽巖區(qū)表層結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)晶互層Q值分析

介質(zhì)本身所固有的衰減特性通常用Q值表示，它與介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征以及孔隙度、飽和度、壓力和滲透率等流體性質(zhì)密切相關(guān)［4－5］。鹽巖區(qū)結(jié)晶互層導(dǎo)致近地表各層介質(zhì)的Q值存在特殊差異，進(jìn)而造成激發(fā)效果千差萬(wàn)別，弄清該區(qū)的近地表特征需要對(duì)表層Q值進(jìn)行深入分析。

Q值與縱波速度關(guān)系如下：

式中：Q為品質(zhì)因子；v為縱波速度；K為常數(shù)，不同工區(qū)K值不同，一般在3.5左右。

理論研究表明：Q值大，反射能量強(qiáng)；Q值小，反射能量弱；當(dāng)Q小于4時(shí)，能量被嚴(yán)重吸收，資料品質(zhì)差。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多關(guān)于地震波衰減的理論和提取Q值的方法，也有一些學(xué)者探索利用地震波反演來(lái)提取Q值［6－7］，目前應(yīng)用較多的為譜模擬頻譜比法［8－11］，本區(qū)主要采用該方法來(lái)計(jì)算Q值。

實(shí)際介質(zhì)中，平面簡(jiǎn)諧波的簡(jiǎn)化式為

兩邊取自然對(duì)數(shù)可得

式中：A0是初始振幅；x為地震道到井口的距離；A（x）是地震波傳播了距離x后的振幅；f為地震波頻率；k為與頻率f無(wú)關(guān)的常量。

由于地震記錄存在噪聲，所以其振幅譜極不規(guī)則，而干擾波和有效波的子波頻譜特征相對(duì)容易區(qū)分，所以對(duì)其頻譜進(jìn)行模擬，然后用于Q值計(jì)算。

選用如下類型的地震子波頻譜數(shù)學(xué)表達(dá)式：

對(duì)地震道作傅氏變換后，在有效頻帶范圍內(nèi)對(duì)其以（4）式所示的子波頻譜進(jìn)行模擬，再對(duì)模擬后的頻譜按（3）式擬合直線的斜率a1：

求得

對(duì)本區(qū)實(shí)際資料進(jìn)行了計(jì)算，衰減層Q值通常在2～5，鹽結(jié)晶層一般在6～14，第一高速層、速度反轉(zhuǎn)層、低速層之下一般都在14以上，說(shuō)明該地區(qū)近地表結(jié)晶互層，特別是結(jié)晶互層內(nèi)部衰減層吸收衰減非常嚴(yán)重，影響地震記錄品質(zhì)。Q值量化分析的結(jié)果同時(shí)也表明，根據(jù)表層各層介質(zhì)Q值的差異可以標(biāo)定鹽巖區(qū)表層調(diào)查的近地表結(jié)構(gòu)分層。

2.2 結(jié)晶互層激發(fā)模擬

為了研究該區(qū)近地表結(jié)晶互層對(duì)地震資料品質(zhì)的影響，提取該區(qū)實(shí)際近地表參數(shù)建立地質(zhì)模型，進(jìn)行激發(fā)模擬。表1為具體近地表參數(shù)，圖5為近地表模型。

表1 鹽巖區(qū)近地表參數(shù)

模擬結(jié)果表明，在結(jié)晶互層中第一高速層下方激發(fā)時(shí)，折射干擾能量強(qiáng)，目標(biāo)層反射不明顯，同相軸連續(xù)性較差（圖6a）；在結(jié)晶互層下方激發(fā)時(shí)，折射干擾能量相對(duì)較弱，有效反射突出，同相軸連續(xù)性較好（圖6b）。從同一位置實(shí)際資料的對(duì)比分析可以看出，在第一高速層下方激發(fā)時(shí)，小道號(hào)方向折射及折射多次波干擾嚴(yán)重，基本見(jiàn)不到有效反射（圖6c）；但在結(jié)晶互層下方激發(fā)時(shí)，單炮資料品質(zhì)較好，折射干擾明顯減弱，小道號(hào)方向有效信息突出，波組特征清晰（圖6d）。綜合模型和實(shí)際資料分析認(rèn)為，結(jié)晶互層會(huì)造成地震波淺層折射和中深層多次干擾，在資料采集中應(yīng)打穿結(jié)晶互層激發(fā)，提高地震波下傳能量。

3 鹽巖區(qū)近地表精細(xì)調(diào)查及分層技術(shù)

在我國(guó)西部勘探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查中，小折射和微測(cè)井是效果較好、應(yīng)用也最廣泛的兩種調(diào)查方法。而無(wú)論是小折射還是微測(cè)井調(diào)查方法，只有當(dāng)界面下部介質(zhì)的波速大于上部介質(zhì)的波速，而且波的入射角等于臨界角時(shí)，才會(huì)在上部介質(zhì)中產(chǎn)生折射波［12］。由于鹽巖區(qū)普遍存在速度反轉(zhuǎn)層，不滿足小折射應(yīng)用的前提條件，采用小折射方法不能得到第一高速層以下的信息，因此，在該區(qū)主要采用微測(cè)井進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，并采用三維模式（即面積方式）布設(shè)微測(cè)井。在1km×1km網(wǎng)格區(qū)域，采用三維平面布點(diǎn)的方法，每4km2至少有4個(gè)控制點(diǎn)，其它區(qū)域保證每4km2有一個(gè)控制點(diǎn)。

在微測(cè)井解釋中，突破以往尋找高速層的常規(guī)方法，將激發(fā)子波的拾取與運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征分析以及吸收衰減特性研究結(jié)合在一起［13］，融合提煉出近地表三步分層法，進(jìn)行聯(lián)合解釋。從微測(cè)井原始記錄中提取近地表子波特性，如振幅、頻率、相位等，分析近地表速度和厚度變化情況；結(jié)合理論研究成果，量化分析Q值的變化規(guī)律；結(jié)合巖心分析結(jié)果、近地表地質(zhì)剖面等，獲取近地表巖性信息。

1）在初至?xí)r間和波形、能量變化的約束下，利用微測(cè)井解釋結(jié)果進(jìn)行初步分層（圖7）；

2）結(jié)合工區(qū)表層Q值研究成果，作二次分層（圖8）；

3）與巖性取心及井口附近的地質(zhì)剖面作對(duì)比分析，進(jìn)行最終多約束分層。

以上3步分層結(jié)果為鹽巖區(qū)地震激發(fā)井深設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

4 基于鹽巖區(qū)精細(xì)近地表分層的激發(fā)井深設(shè)計(jì)技術(shù)

鹽巖區(qū)表層普遍存在衰減層，Q值一般為2～5，吸收衰減非常嚴(yán)重，造成地震資料的頻率和信噪比低，需尋找最佳的井深、藥量以及激發(fā)方式等，激發(fā)出較強(qiáng)能量和較高頻率的地震波。其中，選擇最佳激發(fā)井深和激發(fā)巖性至關(guān)重要。

在以往地震采集的常規(guī)井深設(shè)計(jì)中，一般在高速層頂界面以下1／4波長(zhǎng)處激發(fā)［14］。但鹽巖區(qū)近地表普遍存在結(jié)晶互層，其沉積類型主要有以下3種：

1）多套不同時(shí)期結(jié)晶鹽巖持續(xù)沉積，內(nèi)部含少量淤泥，淤泥成層性差，一般厚度相對(duì)較小；

2）淤泥層與結(jié)晶鹽巖有規(guī)律地依次間隔沉積，形成交互層，一般有3～6個(gè)小層，厚度在幾十米至上百米；

3）以上兩種沉積方式同時(shí)出現(xiàn)，形成復(fù)合交互層，厚度較大，局部高達(dá)100m以上。

針對(duì)這種特殊的復(fù)雜近地表地質(zhì)條件，采用了基于鹽巖區(qū)精細(xì)近地表分層的激發(fā)井深設(shè)計(jì)技術(shù)，制定出新的井深設(shè)計(jì)原則。

無(wú)結(jié)晶互層時(shí)，激發(fā)井深應(yīng)等于高速層頂界面深度與1／4波長(zhǎng)及藥柱長(zhǎng)度的總和（具體井深根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定）；

存在結(jié)晶互層時(shí)，位于第一高速層、速度反轉(zhuǎn)層、低速層之下激發(fā)。如在工區(qū)中部，近地表結(jié)晶互層為第二種類型，淤泥層與結(jié)晶鹽層一次間隔沉積，存在3套高速層和1套衰減層，其深度分別為15，20，25，30m，采用衰減層以下5m，井深35m處激發(fā)，提高了地震波下傳能量，最大限度地減少了結(jié)晶互層對(duì)地震資料品質(zhì)的影響。

5 效果分析

采用以上表層結(jié)構(gòu)調(diào)查方法及相應(yīng)的井深設(shè)計(jì)技術(shù)，確定了本區(qū)最佳激發(fā)井深。圖9為鹽巖區(qū)利用常規(guī)井深設(shè)計(jì)原則（優(yōu)化前）和本文研究制定的設(shè)計(jì)原則（優(yōu)化后）所采集的單炮原始記錄，對(duì)比分析可以看出，后者相對(duì)前者在頻率和信噪比等方面都有了顯著提高，淺、中、深目的層同相軸連續(xù)性明顯變好。圖10為工區(qū)不同表層區(qū)域地震剖面對(duì)比圖，可以看出，優(yōu)化后采集的鹽巖區(qū)地震資料整體信噪比較高，全區(qū)主要目的層反射信號(hào)清晰，同相軸連續(xù)性較好，第四系構(gòu)造帶細(xì)節(jié)特征刻畫(huà)較清晰。

6 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜鹽巖區(qū)地震采集是一個(gè)全新的難題，通過(guò)表層精細(xì)調(diào)查在結(jié)晶互層區(qū)優(yōu)選最佳激發(fā)井深是該區(qū)地震資料品質(zhì)突破的關(guān)鍵。本文研究表明：

1）結(jié)晶互層對(duì)高頻地震信號(hào)的屏蔽、散射以及吸收作用是該區(qū)地震資料低頻現(xiàn)象的主要原因；

2）研究近地表吸收衰減的Q值定量分析有助于鹽巖區(qū)特殊表層結(jié)構(gòu)條件下的微測(cè)井資料分層解釋；

3）結(jié)合微測(cè)井初至?xí)r間、波形、能量以及Q值變化進(jìn)行精確分層是鹽巖區(qū)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的關(guān)鍵技術(shù)；

4）在表層精確分層和激發(fā)模擬分析的基礎(chǔ)上，基于結(jié)晶互層的激發(fā)井深設(shè)計(jì)技術(shù)可以提高鹽巖區(qū)地震波下傳能量和地震采集資料的信噪比。

本文研究總結(jié)的表層結(jié)構(gòu)調(diào)查方法及相應(yīng)的井深設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，可在凍土層等類似地區(qū)推廣應(yīng)用。

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