黃土山地區(qū)高密度地震勘探激發(fā)方法分析

胡育波，呂震川，普宗源，張 鵬

（中國(guó)石油東方地球物理公司長(zhǎng)慶物探處，陜西西安710021）

黃土山地區(qū)高密度地震勘探激發(fā)方法分析

胡育波，呂震川，普宗源，張 鵬

（中國(guó)石油東方地球物理公司長(zhǎng)慶物探處，陜西西安710021）

隨著勘探技術(shù)的發(fā)展及長(zhǎng)慶油田油氣需求量的增加，鄂爾多斯盆地地震勘探領(lǐng)域不斷向復(fù)雜的區(qū)域（地表巖性復(fù)雜多變，地下構(gòu)造復(fù)雜、隱蔽）延伸，油田開(kāi)發(fā)對(duì)勘探精度也提出了更高的要求；從地震采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，高密度地震勘探就是解決復(fù)雜區(qū)域地層成像問(wèn)題的有效手段。和常規(guī)的地震勘探強(qiáng)化單炮激發(fā)效果的設(shè)計(jì)理念相比，高密度采集要求激發(fā)和接收點(diǎn)都具有較高的空間采樣密度，激發(fā)和接收環(huán)節(jié)都不再追求通過(guò)組合方式來(lái)壓制噪音，提高信噪比；而是在激發(fā)環(huán)節(jié)盡可能模擬點(diǎn)震源激發(fā)，在接收環(huán)節(jié)能夠接收到保幅保真無(wú)污染的真實(shí)信號(hào)，最終提高疊加剖面的信噪比。基于這些要求，主要研究高密度地震采集激發(fā)參數(shù)的設(shè)計(jì)思路和選取結(jié)果；通過(guò)具體試驗(yàn)、理論分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)推導(dǎo)和論證高密度地震采集的激發(fā)參數(shù)。高密度激發(fā)參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用之后，發(fā)現(xiàn)剖面的淺層信噪比明顯好于常規(guī)剖面，取得了初步成效。

黃土山地；高密度地震勘探；井?dāng)?shù)；井深；激發(fā)子波；總藥量

隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，整個(gè)地區(qū)屬于山地地貌，溝塬高差達(dá)到300m；表層覆蓋巨厚的黃土，速度和巖性變化微弱，沒(méi)有明顯的速度和巖性分層?？碧侥康膶觾A角小，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

隴東地區(qū)已經(jīng)部署完成的常規(guī)地震采集，取得了很好的效果，但是巖性勘探需要提供高精度數(shù)據(jù)和水平井設(shè)計(jì)軌跡參數(shù)，都對(duì)地震勘探提出了更高的要求。隨著地震采集技術(shù)向“兩寬一高”方向發(fā)展，為了更進(jìn)一步提高資料的信噪比和成像精度［1］，更好的滿足資料處理解釋的需求，高密度地震采集是目前最佳的解決方案。

常規(guī)激發(fā)方法，就是多組合、深井和大藥量來(lái)強(qiáng)化單炮品質(zhì)［2］；高密度采集則要求較高的空間采樣密度、較小的炮距和道距，強(qiáng)調(diào)點(diǎn)激發(fā)（小組合激發(fā)）和點(diǎn)接收（小組合接收），最終提高剖面的成像精度。

高密度采集的激發(fā)因素不可能沿用常規(guī)采集的激發(fā)方法，需要對(duì)高密度采集的激發(fā)因素進(jìn)行分析論證，得出適合高密度采集要求的激發(fā)因素，既能滿足高密度采集對(duì)激發(fā)點(diǎn)密度的要求，又使得單井激發(fā)的頻率和能量達(dá)到最優(yōu)。

依托2013年隴東地區(qū)油氣勘探項(xiàng)目已有資料，針對(duì)該區(qū)域表層黃土巨厚［3］，單炮資料信噪比低的特點(diǎn)［4］，有針對(duì)性的進(jìn)行高密度激發(fā)方法分析，主要內(nèi)容包括井?dāng)?shù)分析，井深分析，激發(fā)子波分析（最佳單井藥量分析）和激發(fā)總藥量分析。

試驗(yàn)因素嚴(yán)格遵循單一因素變化的原則，易于發(fā)現(xiàn)單因素的變化規(guī)律，保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性合理性。綜合分析單一變量對(duì)地震采集資料品質(zhì)的影響，總結(jié)適合隴東地區(qū)高密度采集的激發(fā)方法。

1 高密度采集激發(fā)井深分析

1.1 基于爆炸能量的激發(fā)井深分析

隴東地區(qū)主要表層介質(zhì)是疏松黃土［3］，長(zhǎng)慶油田2013年在該地區(qū)共完成了200個(gè)表層巖性調(diào)查點(diǎn)，主要尋找地表20 m以內(nèi)最佳激發(fā)巖性（膠泥或含水性較好的黃土層）。調(diào)查的結(jié)果顯示，在該地區(qū)主要表層介質(zhì)中，速度和巖性沒(méi)有明顯分層。該地區(qū)微測(cè)井的解釋成果顯示，近地表100 m以內(nèi)黃土的速度從600～900 m/s之間變化，無(wú)明顯差異，層速度從上向下基本上是連續(xù)變化的。以上結(jié)果表明：隴東地區(qū)表層介質(zhì)可以近似認(rèn)為是各項(xiàng)同性的均勻介質(zhì)。

對(duì)于地震采集而言，在各項(xiàng)同性的均勻介質(zhì)中，按照設(shè)計(jì)的總藥量在某個(gè)深度激發(fā)之后激發(fā)能量能夠有效下傳（能量沒(méi)有消耗在推動(dòng)上覆地層向上運(yùn)動(dòng)或開(kāi)裂），即在這一深度激發(fā)時(shí)，黃土介質(zhì)顆粒間的摩擦力和黃土靜壓力與激發(fā)爆炸向上的推力達(dá)到平衡。滿足這一理論標(biāo)準(zhǔn)的井深就是均勻介質(zhì)中最優(yōu)的激發(fā)井深。

1.2 不同激發(fā)井深能量分析

在巨厚黃土區(qū)設(shè)計(jì)如表1的井深試驗(yàn)因素：

表1 井深試驗(yàn)因素表

圖1 不同井深（8～21 m）單炮道統(tǒng)計(jì)能量

采用相同的激發(fā)總藥量，井深從8～21 m依次遞增，通過(guò)分析單炮記錄上從近偏移距到遠(yuǎn)偏移距地震波接收能量的變化（圖1），來(lái)尋找有效激發(fā)能量明顯增強(qiáng)的激發(fā)深度，該深度就是隴東地區(qū)的最優(yōu)激發(fā)井深。

對(duì)不同井深激發(fā)的單炮接收道平均能量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)8～12 m井深激發(fā)的時(shí)候，爆炸激發(fā)的能量有部分向上散逸，不能最大限度的保證有效激發(fā)能量下傳；在單炮道統(tǒng)計(jì)能量曲線上，我們可以看出，近炮點(diǎn)附近的能量，在沒(méi)有較好地向遠(yuǎn)道和深層傳播的情況下，就迅速衰減到環(huán)噪能量水平。

圖2 井深13 m上下近炮點(diǎn)能量向環(huán)噪能量過(guò)渡對(duì)比

相反，在13～21 m井深激發(fā)的時(shí)候，爆炸的能量能夠較好的向遠(yuǎn)道和深層傳播，從道能量統(tǒng)計(jì)曲線上看到，在近炮點(diǎn)能量過(guò)渡到環(huán)噪能量水平的過(guò)程中，能量基本無(wú)劇烈突變，有明顯的能量緩慢降低的過(guò)程（圖2），這表明隨著井深增加，上覆地層的壓力和摩擦力大于爆炸產(chǎn)生的作用力之后，促使爆炸能量有效向下傳播，降低損耗在破壞地層介質(zhì)上的無(wú)效能量。

由此我們得出結(jié)論，13 m（12 m＋3 kg藥柱長(zhǎng)度）的激發(fā)井深能滿足隴東地區(qū)深層勘探的需求。

2 高密度采集單井藥量分析

高密度采集要求提高空間采樣密度，得到更高的地震信號(hào)保真度，即采用點(diǎn)震源激發(fā)或者小組合激發(fā)，在激發(fā)環(huán)節(jié)就能夠產(chǎn)生未經(jīng)震源組合效應(yīng)改造的原始信號(hào)［1］。

2.1 單井藥量分析

高密度采集的關(guān)鍵技術(shù)之一是點(diǎn)震源激發(fā)，在隴東地區(qū)，多大的單井藥量激發(fā)就能滿足能量和頻率的要求，通過(guò)分析下面的試驗(yàn)因素（表2），從不同單井藥量激發(fā)出的子波頻率角度來(lái)論證該地區(qū)最佳的單井藥量。這個(gè)最佳單井藥量就是點(diǎn)震源（單井）的最佳激發(fā)藥量。

表2 單井藥量試驗(yàn)因素表

用如下觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)采集不同藥量激發(fā)的子波：在野外現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)半徑20 m的圓，圓心為接收點(diǎn)，分別設(shè)置井口和井底兩道檢波器；圓周上激發(fā)，12口不同藥量的激發(fā)井，依次均勻分布在圓周上。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)，激發(fā)藥量1～12 kg的點(diǎn)震源（單井）依次激發(fā)，能夠得到不同單井激發(fā)能量在表層介質(zhì)中僅僅傳播20 m之后的波形記錄，這個(gè)波形記錄可以認(rèn)為是震源子波［6］。

圖3 不同藥量統(tǒng)計(jì)子波和頻譜

2.2 震源子波統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)不同激發(fā)藥量的震源子波進(jìn)行頻譜分析（圖3）得出：（1）隨著激發(fā)藥量的增加，子波能量增加；（2）1 kg藥量激發(fā)統(tǒng)計(jì)子波尖銳，頻帶很寬，但是能量很弱，極易受到噪音干擾；（3）2～6 kg藥量激發(fā)，子波能量較強(qiáng)，主頻在25～35 Hz之間；（4）7～12 kg藥量激發(fā)子波能量進(jìn)一步增強(qiáng)，但是對(duì)應(yīng)的子波主頻向低頻方向移動(dòng)，主頻在15～20 Hz之間；（5）9～12 kg藥量激發(fā)，隨著藥量增加子波能量沒(méi)有明顯變化。

通過(guò)對(duì)不同藥量激發(fā)子波及其頻譜的分析，可以看到，從頻率角度來(lái)分析隴東地區(qū)最佳單井激發(fā)藥量是6 kg。

小結(jié)：通過(guò)對(duì)激發(fā)井深和單井激發(fā)藥量的綜合分析，在利用高密度技術(shù)進(jìn)行野外采集的時(shí)候，最佳的激發(fā)因素是1口×14m（12m＋6 kg藥柱長(zhǎng)度）×6 kg。

在隴東地區(qū)，用高密度采集的激發(fā)方法1口× 14 m×6 kg進(jìn)行試生產(chǎn)，覆蓋次數(shù)864次，得到剖面（圖4）如下，淺層的信噪比非常好，高密度采集的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，但是深層Tc2連續(xù)性差。

圖4 高密度激發(fā)因素（1口×14 m×6 kg）采集的剖面

要發(fā)揮高密度采集在深層天然氣勘探中的優(yōu)勢(shì)，還需要從藥量－能量的轉(zhuǎn)化比和激發(fā)井?dāng)?shù)方面來(lái)分析。

3 高密度采集藥量—能量轉(zhuǎn)化分析

激發(fā)藥量和能量之間的關(guān)系，并不是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，我們通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析隴東地區(qū)單炮激發(fā)藥量和能量（近炮點(diǎn)道平均能量）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋找藥量－能量之間的最佳轉(zhuǎn)化點(diǎn)，指導(dǎo)高密度地震采集的激發(fā)藥量設(shè)計(jì)。

3.1 激發(fā)藥量－能量之間的轉(zhuǎn)化比

均勻抽取6條測(cè)線共8610炮進(jìn)行分析。單炮記錄進(jìn)行能量分析的時(shí)窗選擇在炮點(diǎn)兩側(cè)各30道，0～500 ms之間。激發(fā)藥量從3～35 kg都有分布；10 kg及以下藥量的單炮共計(jì)550炮，這就為我們分析較小藥量的能量變化提供了數(shù)據(jù)支持。

圖5 激發(fā)藥量和能量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

采用數(shù)值擬合技術(shù)，對(duì)8610個(gè)樣本點(diǎn)做趨勢(shì)分析，得出一條表示藥量－能量變化規(guī)律的曲線（圖5）。為了提高擬合精度，采用6次方多項(xiàng)式進(jìn)行回歸分析，回歸分析曲線的擬合函數(shù)是：

x∈（0，35］，即x取值區(qū)間是0～35 kg之間。

采用一元六次多項(xiàng)式作為擬合函數(shù)的表達(dá)式，主要基于以下兩點(diǎn)考慮：（1）一元n次多項(xiàng)式的優(yōu)點(diǎn)是適合表達(dá)在樣本數(shù)據(jù)變化過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)峰值的情況；（2）一元n次多項(xiàng)式適合連續(xù)n－1次求導(dǎo)，便于運(yùn)用數(shù)學(xué)手段精確求取樣本數(shù)據(jù)的變化區(qū)間。

3.2 回歸曲線坡度分析

在x∈（0，35］內(nèi)，取x＝0.1 kg開(kāi)始，以0.01 kg增量為步長(zhǎng)，代入回歸分析曲線求解藥量對(duì)應(yīng)的理論能量值，再計(jì)算能量值變化坡度；得到圖6。

表3 回歸曲線表

我們借用坡度概念來(lái)分析回歸曲線上藥量－能量發(fā)生變化的點(diǎn)（見(jiàn)表3）。在藥量為8.98 kg時(shí)，坡度曲線出現(xiàn)極小值（坡度值拐點(diǎn)）；這個(gè)拐點(diǎn)表明藥量在3～8.98 kg對(duì)應(yīng)的能量大體上是呈線性變化的，從8.98 kg之后藥量與能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)入下一個(gè)變化階段，但是藥量－能量的轉(zhuǎn)化比明顯降低。

結(jié)合藥量和能量曲線（圖6），可以得出結(jié)論：為了提高深層勘探的能量，依據(jù)不同單井激發(fā)藥量頻譜分析的結(jié)論，高密度采集單井激發(fā)的藥量可以從6 kg提高到8 kg，這時(shí)藥量－能量的轉(zhuǎn)化比最高，頻率僅僅降低約1～2 Hz。

圖6 激發(fā)藥量－能量回歸分析曲線二階導(dǎo)函數(shù)圖像

3.3 回歸曲線拐點(diǎn)分析

二階導(dǎo)數(shù)等于0的點(diǎn)就是原函數(shù)的拐點(diǎn)（凸曲線與凹曲線的連接點(diǎn)）［5］，通過(guò)求得拐點(diǎn)，就可以找到不同藥量區(qū)間上藥量－能量的最佳轉(zhuǎn)化點(diǎn)，指導(dǎo)高密度地震勘探中激發(fā)藥量設(shè)計(jì)。8610個(gè)樣本點(diǎn)擬合的回歸曲線的二階導(dǎo)函數(shù)是：

x∈（0，35］，即x取值區(qū)間是0～35 kg之間。

同樣在x∈（0，35］內(nèi)，取x＝0.1 kg開(kāi)始，以0.01 kg增量為步長(zhǎng)，查找二階導(dǎo)函數(shù)等于0的值就是拐點(diǎn)，該點(diǎn)就是藥量－能量最佳轉(zhuǎn)化比的點(diǎn)。

結(jié)合回歸曲線二階導(dǎo)函數(shù)的圖像，可以更直觀的看出這一現(xiàn)象（圖6）。

表4 拐點(diǎn)與藥量回歸曲線表

表4顯示8.98 kg、15.55 kg和24.74 kg所對(duì)應(yīng)的這三個(gè)拐點(diǎn)是隴東工區(qū)藥量－能量關(guān)系的最佳的轉(zhuǎn)化點(diǎn)。采用高密度方式進(jìn)行采集，為了提高深層的能量，可以采用1口×8 kg、2口×8 kg或者3口×8 kg的藥量激發(fā)，能夠獲得較好的深層激發(fā)能量。

4 高密度采集激發(fā)井?dāng)?shù)分析

采用單井激發(fā)采集得到的剖面，深層連續(xù)性差，不利于提高深層的信噪比，能量－藥量轉(zhuǎn)化比分析只是從總藥量和單井藥量的倍數(shù)來(lái)計(jì)算出高密度采集需要的激發(fā)井?dāng)?shù)。但從點(diǎn)震源激發(fā)的角度考慮，采用多少組合井?dāng)?shù)激發(fā)的子波，才能在頻譜和震源特性上與點(diǎn)震源激發(fā)效果相差不大。我們通過(guò)如下方法來(lái)分析論證不同井?dāng)?shù)和點(diǎn)震源頻譜之間的差異（表5）。

表5 總藥量與激發(fā)井?dāng)?shù)表

對(duì)不同組合井?dāng)?shù)激發(fā)得到的單炮記錄，同樣采取震源子波分析的方法（分析炮點(diǎn)兩邊各30道，0～500 ms的單炮記錄），可以得出隨著激發(fā)井?dāng)?shù)增加，震源子波頻譜出現(xiàn)了明顯的抖動(dòng)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是組合井?dāng)?shù)增加之后，因各單井起爆時(shí)間不同，導(dǎo)致不同單井的頻譜出現(xiàn)差異，疊加之后震源頻譜出現(xiàn)明顯的限波現(xiàn)象，震源的一致性變差；同時(shí)導(dǎo)致震源子波的延遲時(shí)間變長(zhǎng)，分辨率降低。因此，在采用組合井方式激發(fā)保證激發(fā)能量時(shí)，為了最大限度的模擬點(diǎn)震源激發(fā)效果，激發(fā)井?dāng)?shù)應(yīng)不大于4組合。

5 結(jié)論

通過(guò)基于爆炸能量的激發(fā)井深分析，我們得出隴東地區(qū)在井深大于12 m＋藥柱長(zhǎng)度的情況下，有效能量能夠很好地向深層和遠(yuǎn)道傳播。

通過(guò)單井藥量分析，單井藥量6 kg可以激發(fā)出高頻子波，利于提高目的層的頻率；但是單井6 kg能量較弱，不能滿足深層勘探的需求；通過(guò)結(jié)合隴東地區(qū)藥量統(tǒng)計(jì)和井?dāng)?shù)分析發(fā)現(xiàn)，藥量在8.98 kg時(shí)轉(zhuǎn)化為能量的轉(zhuǎn)化比最高，因此基于構(gòu)造勘探為目的，為了提高深層能量，采用高密度觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采集時(shí)，可以采用（1－3）口×15 m（12 m＋8 kg藥柱）8 kg激發(fā)（2×8 kg和3×8 kg正好分別是藥量－能量轉(zhuǎn)化比的另外兩個(gè)最佳轉(zhuǎn)化點(diǎn)）。

針對(duì)鄂爾多斯盆地本部巖性勘探的特點(diǎn)［7］，可以采用4口×14m（12m＋6 kg藥柱）×6kg激發(fā)，使得在提高深層勘探能量的同時(shí)又兼顧頻率，又能最大程度的模擬點(diǎn)震源激發(fā)。同時(shí)，采用4口×14 m（12m＋6kg藥柱）×6kg激發(fā)因素可以產(chǎn)生較強(qiáng)的激發(fā)能量，不需要較高的覆蓋次數(shù)，就能得到較好的剖面信噪比，因此該激發(fā)因素也可以用來(lái)進(jìn)行常規(guī)地震勘探。

［1］唐東磊.高密度地震勘探技術(shù)［EB/OL］.2011年11月，涿州.http：//www.docin.com/p－763932184.htm l.

［2］姚宗惠，杜中東，王學(xué)剛.鄂爾多斯盆地西緣前陸盆地巨厚黃土地區(qū)地震采集技術(shù)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2007，34（4）：406－412.

［3］倪宇東，杜中東.鄂爾多斯盆地淺表層黃土特性與激發(fā)井深之間關(guān)系的探討［J］.物探采集技術(shù)與應(yīng)用，2007，1（2）：15－17.

［4］程洪濤，黃用勤，胡仁東.黃土塬地區(qū)地震勘探激發(fā)技術(shù)研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)2005，2（6）：460－465.

［5］同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室主編.高等數(shù)學(xué)［M］（4版）.北京：高等教育出版社，1997.

［6］陸基孟.地震勘探原理［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1996（5）：85－100.

［7］商昌亮，付守獻(xiàn).黃土塬山地三維地震勘探應(yīng)用實(shí)例［J］.巖性油氣藏，2007，19（3）：106－110.

［責(zé)任編輯 李曉霞］

Analysis of High－Density Seism ic Exploration Technology in Loess M ountain

HU Yu-bo，LV Zheng-chuan，PU Zong-yuan，ZHANG PENG
（Changqing Geophysical Department，Bgp Inc.China National Petroleum Corporation，Xian 710021，China）

With the development of exploration technology and the increase of oil and gas demand of Changqing oilfield，seismic exploration domain extends to complex area（surface lithology is complicated，complex and hidden underground structure），oilfield development also puts forward higher requirements for exploration precision；from the point of seismic acquisition technology development present situation，high－density seismic exploration is the effectivemeans to solve the problem of complex regional strata imaging.Compared to the design concept of the conventional seismic strengthening record，high－density seismic exploration and the source effect of high density acquisition for source and receiver has higher spatial sampling density，source and receiving link is no longer the pursuit of combination way to suppress noise，improve signal－to－noise ratio.But in source link simulation point source as far as possible，at the receiving link can receive the cover image fidelity real signal of pollution－free，eventually improve the signal－to－noise ratio of the stacking profile.Based on these requirements，this papermainly studies high－density seismic acquisition parameters design and select the results；through concrete experiment，theoretical analysis and statisticalmethods to derivation and demonstration of high－density seismic acquisition parameters.High density parameters applied in the actual production，found that the profile of shallow signal－tonoise ratio significantly better the conventional section，thesemethod had achieved initial success.

Loess Mountain；high density seismic；depth；holes；wavelet；explosive charge

P315.0

A

1004－602X（2014）03－0083－05

10.13876/J.cnki.ydnse.2014.03.083

2014-06-30

胡育波（1978—），男，陜西西安人，中國(guó)石油東方地球物理公司物探工程師。