順北沙漠區(qū)地震資料陷波現(xiàn)象原因分析及消除

劉 斌 宋智強(qiáng)* 王 超 陳洪芝

(①中國(guó)石化石油工程地球物理公司勝利分公司研究所，山東東營(yíng) 257086； ②中國(guó)石化西北油田分公司，新疆輪臺(tái) 841600； ③中國(guó)石油華北油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘 062552)

1 問(wèn)題的提出

順北沙漠區(qū)是中國(guó)石化西部重要的油氣勘探區(qū)，奧陶系目的層較深，地表為沙漠，因此地震資料有效頻帶范圍較窄。而該地區(qū)地震單炮中普遍存在“陷波”現(xiàn)象，“陷波”點(diǎn)位于12～15Hz內(nèi)，正好位于地震資料有效頻帶范圍內(nèi)(圖1)。

以往認(rèn)為陷波現(xiàn)象可能與地震波的虛反射有關(guān)[1-3]。首先根據(jù)微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)近地表調(diào)查數(shù)據(jù)，建立該區(qū)的近地表速度模型，再通過(guò)虛反射原理計(jì)算陷波點(diǎn)的位置，可以分析這種陷波現(xiàn)象是否與地震波虛反射有關(guān)。

圖2為微測(cè)井解釋結(jié)果，位置與與圖1試驗(yàn)炮相同?？梢钥闯?，該處近地表為兩層結(jié)構(gòu)，低速層厚度為2.48m，速度為344m/s，降速層厚度為3.87m，速度為515m/s，高速層頂界面深度為6.35m，高速層速度為1678m/s。圖3為該處近地表速度模型。虛反射是由于炸藥在高速層頂面以下激發(fā)時(shí)，地震波向上傳播，遇到強(qiáng)波阻抗界面(高速層頂界面)向下反射，與向下傳播的地震波疊合，由于兩個(gè)地震波存在時(shí)差，對(duì)部分頻率進(jìn)行了壓制[4-5]。采用虛反射原理計(jì)算陷波點(diǎn)的位置[6](圖4)，第一個(gè)陷波點(diǎn)位于60Hz，與實(shí)際資料中15Hz陷波點(diǎn)不符。另外根據(jù)該工區(qū)表層厚度為21.2m的微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算的陷波點(diǎn)位置是28Hz，也與實(shí)際資料陷波點(diǎn)位置不符。因此，該陷波現(xiàn)象并非由虛反射引起。

圖1 順北沙漠區(qū)地震資料單炮頻譜分析(a)不同炸藥量試驗(yàn)單炮頻譜對(duì)比； (b)不同井深試驗(yàn)單炮頻譜對(duì)比

圖2 微測(cè)井解釋結(jié)果

圖3 建立的近地表模型

圖4 理論計(jì)算的虛反射陷波現(xiàn)象

2 陷波現(xiàn)象成因分析

2.1 地震記錄不同區(qū)段的頻譜分析

進(jìn)一步對(duì)單炮地震記錄沿著反射波同相軸開(kāi)較小的時(shí)窗(圖5左方框所示)進(jìn)行頻譜分析，并沒(méi)有出現(xiàn)陷波現(xiàn)象。

另外，從單炮記錄中可以明顯看到淺層多次折射波(圖6左)，多次折射波速度約為1700m/s，與高速層速度相近并且與初至波平行，是在低降速帶內(nèi)經(jīng)多次折射滑行的多次波，其主頻為10Hz(圖6右)。 從圖7所示單炮記錄可見(jiàn)，淺層多次折射波不僅存在于炮記錄的淺層，而且貫穿于整個(gè)記錄，在深層與有效反射波的波場(chǎng)混疊在一起(圖7方框所示)。

圖5 單炮記錄反射波同相軸(左圖中黃色區(qū)域)的頻譜(右)

根據(jù)圖5～圖7，可能是分析時(shí)窗包含了反射波和淺層多次折射波，頻譜中出現(xiàn)了兩個(gè)主頻峰值、導(dǎo)致了峰值間低凹處出現(xiàn)了視覺(jué)陷波現(xiàn)象。

將淺層多次折射波和有效反射波頻譜疊合顯示(圖8)，可以明顯看到兩個(gè)頻譜峰值，一個(gè)是淺層多次折射波的主頻，而另一個(gè)是有效反射波的主頻，該疊合顯示的頻譜與實(shí)際資料中放大時(shí)窗所顯示的頻譜特征相同(圖9)，陷波點(diǎn)的頻率都為15Hz，說(shuō)明由于近地表中的淺層多次折射能量太強(qiáng)，與地下有效反射波的混疊，使頻譜分析中產(chǎn)生了“兩高夾一低”的現(xiàn)象，形成了視覺(jué)上的陷波現(xiàn)象。

圖6 淺層多次折射波(左)及頻譜分析(右)

圖7 單炮中的淺層多次折射波

圖8 兩種波場(chǎng)的頻譜疊合顯示

2.2 淺層折射波的正演模擬

為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，通過(guò)微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(圖10a)采用VSP速度解釋方法，即拾取初至?xí)r間并計(jì)算井中相鄰兩炮間的速度曲線[7-11](圖10b)，建立精細(xì)的近地表模型(圖10c)。將近地表模型與地下地質(zhì)模型結(jié)合建立該區(qū)的綜合模型(圖11)，運(yùn)用波動(dòng)方程進(jìn)行正演模擬。 從模擬記錄(圖12a)可以看到明顯的淺層多次折射波，對(duì)該模擬單炮進(jìn)行頻譜分析，可以看到頻譜中明顯存在兩個(gè)峰值頻率，在這兩個(gè)峰值頻率之間存在著視覺(jué)上的陷波現(xiàn)象(圖12b)。

圖9 時(shí)窗包括兩種波場(chǎng)的頻譜

2.3 不同近地表厚度淺層多次折射波對(duì)地震資料的影響

對(duì)SZ工區(qū)資料中的淺層多次折射波調(diào)查發(fā)現(xiàn)，并不是所有地方都有明顯的淺層多次折射波，且強(qiáng)度也有差異，這主要由近地表結(jié)構(gòu)決定。利用SZ工區(qū)中的單炮記錄及近地表結(jié)構(gòu)圖分析不同近地表厚度與單炮中淺層多次折射波現(xiàn)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖13)。圖中E、F方框所示分別為無(wú)和有明顯淺層多次折射影響的兩個(gè)時(shí)窗，圖14為這兩個(gè)時(shí)窗對(duì)應(yīng)的頻譜。可以看到，E處表層較薄，為4m，單炮中淺層多次折射波不發(fā)育，頻譜中沒(méi)有偽陷波現(xiàn)象。而F處表層較厚，大于20m，單炮中表現(xiàn)為強(qiáng)烈的淺層多次折射波，頻譜中可以見(jiàn)到明顯的偽陷波現(xiàn)象。因此低降速帶厚度與淺層多次折射波的發(fā)育及偽陷波現(xiàn)象有關(guān)。

圖10 精細(xì)近地表模型(a)微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)； (b)近地表速度解釋結(jié)果； (c)近地表模型

圖11 建立的綜合模型及其正演波場(chǎng)快照

為分析整個(gè)工區(qū)近地表結(jié)構(gòu)對(duì)淺層多次折射波的影響，按照近地表厚度將全區(qū)分為四類：小于5m；5～15m；15～20m；大于20m。在圖13中，A區(qū)近地表厚度為17m，B區(qū)近地表厚度為16m，C區(qū)近地表厚度為9m，D區(qū)近地表厚度為22m。從單炮記錄面貌看，D區(qū)淺層多次折射波能量較強(qiáng)，貫穿于記錄的始終。圖15是A區(qū)2.5、3.5、4.0、4.5和5.0s處時(shí)窗(圖13炮集黃框所示)的頻譜，可以看出，小于4.5s都存在明顯的“偽陷波”現(xiàn)象，而大于4.5s“偽陷波”現(xiàn)象不再明顯。因此近地表厚度為15～20m時(shí)淺層多次折射波能量較強(qiáng)，能影響到4.5s，也就是奧陶系目的層反射。圖16是C區(qū)1.7、2.5和3.3s處時(shí)窗(圖13炮集藍(lán)框所示)的頻譜，小于2.5s存在明顯的“偽陷波”現(xiàn)象，大于2.5s“偽陷波”現(xiàn)象不明顯。因此近地表厚度為5～15m時(shí)淺層多次折射波最大影響到2.5s左右。

圖12 模擬單炮記錄(a)及其頻譜(b)

圖13 不同近地表厚度與淺層多次折射波的對(duì)應(yīng)關(guān)系 上圖為近地表厚度圖，中圖為近地表結(jié)構(gòu)圖，下圖為對(duì)應(yīng)的單炮記錄

圖14 圖13中E(a)、F(b)兩個(gè)窗口對(duì)應(yīng)的頻譜

圖15 圖13A區(qū)2.5s(a)、3.5s(b)、4.0s(c)、4.5s(d)和 5.0s(e)處時(shí)窗(圖13炮集黃框所示)的頻譜

圖16 圖13C區(qū)1.7s(a)、2.5s(b)和3.5s(c)處 時(shí)窗(圖13炮集藍(lán)框所示)的頻譜

由圖13～圖16的分析可知，近地表厚度小于5m時(shí)， 單炮中的淺層多次折射波不明顯； 近地表厚度大于5m時(shí)，單炮中有明顯的淺層多次折射波； 近地表厚度大于20m時(shí)，淺層多次折射波能量最強(qiáng)，干擾范圍最大。因此近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強(qiáng)，影響范圍越大，偽陷波現(xiàn)象越明顯。

2.4 不同近地表厚度的波場(chǎng)模擬

為什么近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強(qiáng)？為此，建立不同近地表厚度模型(圖17a)，通過(guò)波動(dòng)方程正演模擬，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由模擬炮記錄可見(jiàn)，隨著近地表模型厚度的增加，淺層多次折射波能量逐漸增強(qiáng)(圖17b)。圖18是近地表厚度為50m時(shí)地震波在近地表內(nèi)反復(fù)震蕩波場(chǎng)快照。首先震源激發(fā)，地震波從低降速帶之下傳入低降速帶內(nèi)，當(dāng)遇到地表時(shí)，地震波被反射回來(lái)向下傳播，當(dāng)遇到高速層頂界面，地震波再次被反射回傳，如此地震波在地表和高速層頂界面間來(lái)回震蕩，形成淺層多次折射波[12-14]。

圖19是近地表厚度為4m時(shí)的波場(chǎng)快照，地震波在近地表內(nèi)波長(zhǎng)是10m，在高速層內(nèi)是50m，當(dāng)近地表厚度較小時(shí)，即小于1/2波長(zhǎng)，地震波從高速層傳入近地表時(shí)，地震波直接透射過(guò)去，不會(huì)在近地表內(nèi)震蕩，從而不會(huì)形成淺層多次折射波。

當(dāng)近地表厚度較大時(shí)，即大于1/2波長(zhǎng)，地震波從高速層傳入近地表時(shí)，地震波在近地表內(nèi)形成多次震蕩，從而形成淺層多次折射波。且近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強(qiáng)，影響范圍越大。

圖17 不同近地表厚度模型(a)及模擬的單炮記錄(b) 從左到右近地表厚度依次為4、10、20、30、40和50m

圖18 近地表厚度為50m時(shí)的波場(chǎng)模擬快照

圖19 近地表厚度為4m時(shí)的波場(chǎng)模擬快照

3 陷波現(xiàn)象壓制方法

由以上分析可知，順北沙漠區(qū)地震資料中存在的陷波現(xiàn)象是由近地表淺層多次折射波能量較強(qiáng)導(dǎo)致的，嚴(yán)重影響了地震資料的信噪比。淺層多次折射波具有固定的視速度(約為1700m/s)和頻率(主頻為10Hz)，在近地表內(nèi)沿高速層頂界面進(jìn)行傳播，是典型的線性干擾[15-17]，可通過(guò)頻率和速度特征進(jìn)行約束剔除[18-20]。線性干擾壓制技術(shù)較FK濾波具有更好的壓制效果，不受空間假頻影響。圖20為淺層多次折射壓制前、后結(jié)果對(duì)比，可見(jiàn)淺層多次折射波分布于整個(gè)單炮中，剔除淺層多次折射波后單炮信噪比有了較大提高，反射同相軸更加清晰連續(xù)，單炮頻譜中的偽陷波現(xiàn)象已不明顯。

圖20 多次折射波壓制前、后效果對(duì)比(a)原始記錄； (b)剔除的淺層多次折射波； (c)壓制后記錄； (d)原始記錄頻譜； (e)壓制后記錄頻譜

4 結(jié)論

順北沙漠區(qū)地震單炮記錄中的“陷波”現(xiàn)象，是由于近地表結(jié)構(gòu)中高速層頂界面是一個(gè)較強(qiáng)的波阻抗界面，地震波在近地表內(nèi)傳播時(shí)反復(fù)震蕩，在單炮記錄中形成能量較強(qiáng)的淺層多次折射波，速度為高速層頂界面速度，主頻為10Hz左右。該多次折射波貫穿于整個(gè)單炮記錄中，與地下有效反射波混疊在一起，影響了深層反射波的信噪比，在頻譜中表現(xiàn)為與地下反射波主頻之間形成“兩高夾一低”的形態(tài)，形成了視覺(jué)上的“陷波”現(xiàn)象。當(dāng)近地表厚度大于5m時(shí)，單炮中有明顯的淺層多次折射波，并且當(dāng)近地表厚度大于20m時(shí)，淺層多次折射波能量更強(qiáng)，所產(chǎn)生的陷波現(xiàn)象影響到了目的層反射。由于淺層多次折射波具有固定的速度和頻率，因此可以在處理中加以壓制，達(dá)到消除陷波現(xiàn)象、提高資料信噪比的目的。