川東山地復(fù)雜表層條件下檢波器耦合技術(shù)

潘家智，許孝坤，劉麗娟

(中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東 東營(yíng) 257100)

川東山地復(fù)雜表層條件下檢波器耦合技術(shù)

潘家智，許孝坤，劉麗娟

(中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東 東營(yíng) 257100)

川東山地表層條件復(fù)雜，地震接收條件變化非常大，形成了地震接收道低頻和高頻現(xiàn)象，影響了地震資料的有效頻帶。為了改善接收效果，提高單炮品質(zhì)，基于耦合和振動(dòng)理論，結(jié)合地震記錄中的實(shí)際現(xiàn)象，對(duì)川東山地不同類型的低頻道和高頻道進(jìn)行了分析，認(rèn)為耦合系統(tǒng)的諧振頻率、耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性、耦合介質(zhì)的非均質(zhì)性及介質(zhì)的共振是形成低頻和高頻道的主要原因?；诜治鼋Y(jié)果，提出了提高耦合諧振頻率、減小共振、簡(jiǎn)化耦合振動(dòng)系統(tǒng)階數(shù)等技術(shù)方法，改善了接收效果。

山地 復(fù)雜地表 地震勘探 低頻道 高頻道 檢波器 耦合

川東普光、元壩等地區(qū)天然氣勘探所取得的突破，高精度三維地震勘探技術(shù)起到了決定性作用，形成了包括面向生物礁儲(chǔ)層的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飽和激發(fā)、高精度定位和高密度采樣為核心的山地高分辨率地震采集技術(shù)[1-2]。其中在接收方面，采用小組合接收來(lái)壓制高頻干擾，保護(hù)高頻有效信號(hào)[1-2]，提高深層儲(chǔ)層地震反射的信噪比和分辨率[3]。但川東山地相對(duì)西部山地表層變化更劇烈，表層厚度和速度縱橫向變化更大，存在坡積區(qū)、坍塌物堆積區(qū)、巖石裸露區(qū)、河床礫石區(qū)、第四系堆積區(qū)等多種類型，耦合效果差異明顯，形成不正常接收道。因此在壓制高頻干擾的同時(shí)，改善這些區(qū)域檢波器與大地的耦合效果也非常關(guān)鍵。史曉亮提出了基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行檢波點(diǎn)布設(shè)的技術(shù)方法[5]，但沒(méi)有考慮表層的影響。筆者通過(guò)川東地區(qū)不同表層條件下接收道波動(dòng)特征分析和理論研究，對(duì)形成機(jī)制進(jìn)行分析，形成了適合不同區(qū)域的耦合技術(shù)，改善了接收效果。

1 低頻與高頻道分析

低頻道是指整道主頻在10 Hz左右，目的層反射特征不明顯的接收道(圖1)。高頻道是指整道視頻率高，具有明顯的毛刺現(xiàn)象的接收道，頻譜分析顯示在60～70 Hz頻段能量強(qiáng)(圖2)。這兩種頻率均在有效頻段內(nèi)，使有效反射波產(chǎn)生畸變，影響了有效頻寬和地震資料的保真性。

圖1 低頻道與正常道的波形及頻譜

圖2 高頻道與正常道的波形及頻譜

1.1 幾種類型低頻道

類型I：由于耦合介質(zhì)的松、散、軟造成的低頻接收道，例如河砂中和含水較高的泥地中。

式(1)是檢波器與大地耦合系統(tǒng)的諧振頻率公式[4-5]

(1)

式中：f0為系統(tǒng)的耦合諧振頻率；M2為檢波器的質(zhì)量；b為檢波器尾錐的半徑；M1為大地介質(zhì)的“諧振”質(zhì)量；ρ為大地介質(zhì)的密度；v為介質(zhì)振動(dòng)的傳播速度；k為檢波器與大地介質(zhì)的耦合系數(shù)。

由式(1)可知，檢波器在一定的條件下，耦合振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率受大地介質(zhì)、檢波器與大地耦合系數(shù)的影響。在河砂與含水豐富的泥地，檢波器尾椎不能和耦合介質(zhì)緊密地接觸，耦合系數(shù)低，降低了諧振頻率；同時(shí)兩類介質(zhì)的密度小，振動(dòng)傳播速度低，也降低了耦合諧振頻率，造成了低頻現(xiàn)象(圖3)，這種現(xiàn)象在共接收點(diǎn)記錄上不受時(shí)間和空間變化的影響。

類型Ⅱ：由于耦合介質(zhì)的共振造成的低頻接收道。物體共振頻率計(jì)算公式為：

(2)

式中：f為物體的共振頻率；k為物體的勁度系數(shù)(也稱剛度系數(shù))；m為物體的質(zhì)量。

可以看出，共振頻率和物體的質(zhì)量及剛度有關(guān)，剛度越低，質(zhì)量越大，共振頻率越低。

山地水田耕種區(qū)的土層，覆蓋在和其密度差異很大的巖石上，由于長(zhǎng)期在水中浸泡和耕作，形成了相對(duì)獨(dú)立的含水個(gè)體，質(zhì)量大，勁度系數(shù)相對(duì)要小，固有頻率比較低，當(dāng)外來(lái)激勵(lì)頻率低、能量足夠強(qiáng)時(shí)，就能達(dá)到共振。圖3右圖是該類介質(zhì)中的共接收點(diǎn)道集，可以看出，在近炮點(diǎn)由于強(qiáng)能量低頻面波的激勵(lì)，產(chǎn)生低頻共振，整道呈現(xiàn)低頻現(xiàn)象，當(dāng)炮檢距較大時(shí)，低頻面波能量減弱，影響減小，共振消失，低頻現(xiàn)象消失。

圖3 在河砂(左)和大面積水田中(右)接收的共接收道集

類型Ⅲ：由于地表的非均質(zhì)性造成次生振動(dòng)引起的低頻現(xiàn)象，干擾的頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)[6]。在川東山地的水稻田，農(nóng)耕土反復(fù)經(jīng)歷浸水—晾干—浸水的過(guò)程，形成較厚農(nóng)耕層，曬干后呈寬而深的裂隙，一般深度30～50 cm，寬度可達(dá)2～3 cm，形成次生干擾源，因位于低速層，在接收道上形成了低頻次生振動(dòng)干擾，且不隨時(shí)間變化(圖4)。

圖4 干裂稻田(左)和非干裂稻田(右)接收道集對(duì)比

圖5 雙自由度耦合振動(dòng)系統(tǒng)輸出頻率響應(yīng)

1.2 幾種類型高頻道

類型Ⅰ：外界干擾形成的高頻接收道。在相對(duì)高差較大的陡峭山頂部位，因風(fēng)力回旋，產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)，吹動(dòng)植被，根系產(chǎn)生高頻微震，使檢波器產(chǎn)生高頻干擾，因南方山地植被茂密，無(wú)法避開(kāi)，因此這種高頻難以消除。

類型Ⅱ：由耦合響應(yīng)范圍內(nèi)多重耦合介質(zhì)形成的多階自由度耦合系統(tǒng)造成的高頻接收道[7]。圖5是下為巖石，上為表土耦合系統(tǒng)輸出頻率響應(yīng)，可以看出檢波器受表耦振動(dòng)系統(tǒng)和尾耦振動(dòng)系統(tǒng)的雙重影響，檢波器受到20 Hz和110 Hz兩種諧振頻率的雙重影響，產(chǎn)生頻率畸變，視覺(jué)上呈現(xiàn)高頻現(xiàn)象。在川東山地，該類高頻的主要產(chǎn)生區(qū)域是巖石裸露區(qū)域、城鎮(zhèn)水泥路面、薄表土區(qū)。在以上區(qū)域，采用編織袋裝土或土堆插放檢波器，如果檢波器尾錐距離巖石或地面過(guò)近，易產(chǎn)生高頻現(xiàn)象，實(shí)際資料中(圖6)，在初至前就存在高頻現(xiàn)象，因此其頻率是受環(huán)境噪音的激勵(lì)產(chǎn)生的。

2 耦合技術(shù)與效果

通過(guò)以上對(duì)低頻和高頻道現(xiàn)象及產(chǎn)生機(jī)制的分析，在實(shí)際地震采集過(guò)程中反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了不同類型區(qū)域的針對(duì)性耦合技術(shù)。

2.1 基于提高耦合諧振頻率的耦合技術(shù)

針對(duì)復(fù)雜山地表層條件，檢波器埋置要選擇致密的耦合介質(zhì)，對(duì)于諧振頻率低的耦合介質(zhì)，則通過(guò)改換耦合介質(zhì)的方式提高耦合諧振頻率。例如在比較厚的河砂等松散介質(zhì)區(qū)域，無(wú)法挖到硬地時(shí)，利用硬粘土作為中間介質(zhì)，把檢波器插到硬粘土上，利用硬粘土增大與松散介質(zhì)的接觸面積，從而增大阻尼，做到整個(gè)檢波器與大地的振動(dòng)同步，提高了整個(gè)耦合系統(tǒng)的諧振頻率。圖7可以看出，以粘土為中間介質(zhì)的埋置方式，接收效果明顯要好于沙中直接埋置。在山地松散表土覆蓋稍薄的區(qū)域，去除浮土將檢波器插入致密的硬土中，也有利于提高諧振頻率，改善接收效果(圖8)。

圖6 巖石裸露區(qū)高頻道(左)及頻譜分析(右)

圖7 散沙直接埋置(左)和散沙中填充硬粘土埋置(右)對(duì)比

圖8 松散表層土區(qū)域不同埋置方式對(duì)比

圖9 礫石區(qū)相鄰兩道不同填土厚度對(duì)比

檢波器耦合效果由作用在檢波器尾錐上的切力所決定，良好的耦合效果要求檢波器與大地有較高的耦合阻尼系數(shù)，利用不同的耦合方式增加檢波器與大地介質(zhì)的摩擦力，保證檢波器與耦合介質(zhì)一起振動(dòng)。在礫石分布區(qū)，通過(guò)挖坑填土并夯實(shí)的方法，增加介質(zhì)接觸程度，改善與礫石耦合的牢固度，圖9是不同填土厚度埋置試驗(yàn)記錄，其中5549樁號(hào)為填土20 cm埋置，5550樁號(hào)為填土30 cm埋置，可以看出，填土30 cm有利于消除高頻振蕩現(xiàn)象。

2.2 基于降低次生振動(dòng)、減小共振的耦合技術(shù)

減小檢波器周圍耦合介質(zhì)與大地的非均勻性差異，降低產(chǎn)生次生振動(dòng)干擾的幾率。

干裂的稻田表層與大地存在明顯的分層(或分離)現(xiàn)象，非均質(zhì)性明顯。去除干裂的表層埋置，減小了非均質(zhì)性，降低了低頻次生振動(dòng)擾動(dòng)(圖10)。

圖10 干裂稻田埋置效果對(duì)比

圖11 共振水田中采取措施前后對(duì)比

對(duì)于共振頻率低的水田地等耦合介質(zhì)，采取局部去除或者分割的方式，降低其整體質(zhì)量，避免其影響，改善接收效果(圖11)。

2.3 簡(jiǎn)化耦合振動(dòng)系統(tǒng)階數(shù)的耦合技術(shù)

通過(guò)增大不同耦合振動(dòng)系統(tǒng)的間隔，從而避免不同耦合振動(dòng)系統(tǒng)間的影響，形成局部的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，或減少耦合振動(dòng)系統(tǒng)自由度數(shù)量，避免檢波器受多自由度耦合振動(dòng)系統(tǒng)的多重影響，降低產(chǎn)生頻率畸變的幾率。在巖石出露區(qū)，一般采用泥土打引錐方式進(jìn)行檢波器埋置，土堆高度低于15 cm，高頻現(xiàn)象明顯，通過(guò)增大土堆高度，減小表耦和尾耦振動(dòng)系統(tǒng)之間的相互影響，當(dāng)土堆高度達(dá)到30cm，能夠避免高頻現(xiàn)象。或采取電鉆打眼的方式，直接將檢波器埋置在巖石上，減少耦合振動(dòng)系統(tǒng)的階數(shù)，減弱了高頻干擾(圖12)。

圖12 通過(guò)改變耦合方式削弱高頻現(xiàn)象

2.4 應(yīng)用效果

通過(guò)應(yīng)用有效的耦合技術(shù)，地震資料的信噪比得到明顯提高，剖面對(duì)比顯示，層間信息更加豐富，波組特征更加明顯；頻譜分析對(duì)比也可以看出，有效頻帶寬度得到明顯拓寬，主頻提高，改善效果明顯(圖13)。

圖13 應(yīng)用耦合技術(shù)前后剖面和頻譜對(duì)比

3 結(jié)論

(1)形成川東山地復(fù)雜表層條件下低頻和高頻道的原因，一是整個(gè)耦合振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率低，不利于寬頻地震信號(hào)的接收；二是耦合介質(zhì)與周圍介質(zhì)較強(qiáng)的非均質(zhì)性形成次生擾動(dòng)；三是耦合介質(zhì)的共振頻率在地震有效頻帶內(nèi)；四是耦合方式復(fù)雜，形成多階的耦合振動(dòng)系統(tǒng)造成頻率畸變。

(2)川東山地接收異常影響因素復(fù)雜，根據(jù)具體情況進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上采取因地制宜的耦合技術(shù)是改善接收效果的關(guān)鍵。

[1] 楊貴祥，鄭天發(fā)，敬朋貴，等.川東北地區(qū)山地高精度地震勘探技術(shù)[J].石油與天然氣地質(zhì)，2006，27(6)：871-878.

[2] 敬朋貴，殷厚成，陳祖慶.南方復(fù)雜山地三維地震勘探實(shí)踐與效果分析[J]，石油物探，2010，49(5)：495-499.

[3] 高翔.復(fù)雜山地地震采集接收技術(shù)探討[J].石油儀器，2011，25(4)，64-66.

[4] 胡立新.檢波器耦合理論與試驗(yàn)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2009.

[5] 李培超，盛國(guó)泰，謝石林，等.檢波器地面耦合機(jī)理研究[J].物探裝備，2012，22(4)：218-221，225.

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[7] 魏繼東.檢波器一大地耦合系統(tǒng)特性的振動(dòng)力學(xué)解釋、模態(tài)參數(shù)識(shí)別及其對(duì)地震資料的影響與消除[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28(4)：1983-1995.

(編輯 韓 楓)

Technology of geophone coupling in the complex surface condition of the eastern mountainous region of Sichuan

Pan Jiazhi，Xu Xiaokun，Liu Lijuan

(ShengliBranchCompany，SinopecPetroleumEngineeringGeophysicalCo.，Ltd.，Dongying257100，China)

Because of the complex surface condition in the eastern mountainous region of Sichuan，the receiving condition is changeable， thus，the low-frequency and high-frequency phenomena appeared in the tracks which affect the effective frequency band of seismic data.In order to improve the receiving effect and the quality of single shot， we analyzed the different type tracks of the low-frequency and high-frequency based on the coupling theory and vibration theory，combining the actual phenomena.It is considered that the main reasons that formed the low-frequency and high frequency are the resonance frequency of the coupling system， the complexity of the coupling system， the heterogeneity of the coupling medium and the resonance.So we can take some targeted measures such as increasing the coupling resonance frequency， decreasing the resonance，and predigesting the coupling vibration system,and so on.

mountainous region;complex surface;seismic exploration；low frequency tracks，high frequency tracks，geophone；coupling

2015-12-02；改回日期：2016-02-03。

潘家智(1973—)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事地震采集技術(shù)方法的研究工作。電話：13589998933，E-mail:sgcpjz@126.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.02.007

P631.4

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