可控震源地震勘探技術(shù)在戈壁區(qū)的實驗

朱建剛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

煤田地震勘探初始，采用炸藥震源，取得了很好的效果，其主要特點是激發(fā)能量強(qiáng)、脈沖強(qiáng)，是主要激發(fā)震源。但炸藥震源本身也存在一定的局限性：部分地區(qū)辦理手續(xù)復(fù)雜，致使勘探成本增加；并且使用過程危險，安全無法保障；同時造成作業(yè)區(qū)地下土壤污染與水污染?，F(xiàn)今，我國環(huán)境保護(hù)意識越來越強(qiáng)，“青山綠水，就是金山銀山”的理念深入人心。因此，炸藥震源已經(jīng)越來越不符合當(dāng)今社會發(fā)展的要求[1-3]。

可控震源從最初的油田勘探開始，取得良好效果，逐步向城市活斷層以及煤田勘探發(fā)展，并適用。隨著可控震源技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將替代炸藥震[4-5]。但如何針對性的處理可控震源采集的資料，就成為可控震源應(yīng)用的關(guān)鍵。本次實驗在同一地區(qū)，相同區(qū)塊采用相同觀測系統(tǒng)不同震源，兩次采集原始資料，能夠更直接的對比震源差異對最終成果的影響，為可控震源在本地區(qū)的適用性提供更為直接的對比分析，證實其適用性。

1 試驗區(qū)概況

實驗區(qū)位于哈密市三道嶺。地表為戈壁、丘陵地貌。地表由十分松散的戈壁砂礫層組成，大致可以分為：西北部戈壁區(qū)，地勢較平坦，地表為第四系沖、洪積礫石層；東南部丘陵區(qū)，地形起伏較大，地表條件復(fù)雜，部分地段新近系出露。表層松散的戈壁沙礫層對地震激發(fā)高頻信號能量的吸收衰減作用較強(qiáng)，因此對提高地震資料的分辨率有一定影響。本區(qū)表層、淺層地震地質(zhì)條件一般。

測區(qū)內(nèi)含煤地層為中下侏羅統(tǒng)，勘探的主要目的層1#煤和4#煤賦存條件較好，煤與圍巖波阻抗差異明顯，煤層層間距適中。1#煤頂板主要由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及砂礫巖組成，底板以粉砂巖、泥巖為主，下距4#煤約75 m。整套地層沉積韻律結(jié)構(gòu)明顯，巖性巖相組合特征在物性上差異明顯，構(gòu)成了良好的中、深層地震地質(zhì)條件。因此測區(qū)內(nèi)中深部地震地質(zhì)條件較好。綜上所述，本測區(qū)的地震地質(zhì)條件較好。

通過對地震地質(zhì)條件、煤層埋深以及埋藏形態(tài)綜合分析，確定了觀測系統(tǒng)參數(shù)(圖1)：觀測系統(tǒng)布設(shè)為8線10炮制；總接收道數(shù)960道；中點放炮；接收線距40 m；接收道距10m；CDP網(wǎng)格10 m×5 m；覆蓋次數(shù)20次；束距：200 m。

為了達(dá)到炸藥震源和可控震源直接對比的目的，工區(qū)選取了第9、10束，先進(jìn)行炸藥震源施工，后直接使用可控震源在原炮點或者附近進(jìn)行再次施工，使得

圖1 8線10炮制觀測系統(tǒng)示圖Fig.1 Diagram of processing observation system of 10 shots in line No.8

對比時外界差異化達(dá)到最小，只采集震源差異的單炮記錄。通過前期實驗，炸藥震源選取井深6 m，激發(fā)藥量2.0 kg；可控震源選擇18 t兩臺，掃描頻率范圍10～120 Hz，驅(qū)動幅度75%，震動4次；獲得單炮記錄較好[6]。

2 處理方法與參數(shù)實驗

2.1 原始數(shù)據(jù)分析

單炮記錄品質(zhì)，判定的基本標(biāo)準(zhǔn)① 初至是否清晰易于拾??；② 目的層反射是否完整；③ 能否達(dá)到野外單炮甲級評定標(biāo)準(zhǔn)(信噪比高低)。圖2為炸藥震源與可控震源在同一炮點的記錄，發(fā)現(xiàn)初至清楚能量足夠，目的層反射明顯可見，滿足野外單炮甲級評定標(biāo)準(zhǔn)，因此炸藥震源和可控震源都滿足基本的勘探需求。

對原始記錄進(jìn)行頻譜掃描對比(圖2)，炸藥震源主頻約為20 Hz，主頻集中在低頻端，高頻缺失多，頻帶較寬，有明顯的低頻面波干擾(約為10 Hz)，和較強(qiáng)的線性噪音干擾，使整個單炮信噪比較低[7]?？煽卣鹪从涗浘哂忻黠@的頻譜優(yōu)勢，高低頻分布均勻，并飽滿，并對面波干擾壓制較好，目的層反射相較更清晰可見，信噪比高，但有較強(qiáng)的聲波干擾，頻譜范圍相對較窄，這與掃描頻率范圍相關(guān)，但同樣滿足勘探要求[8]。因此就原始記錄對比證明，可控震源的使用具有一定的優(yōu)勢。

2.2 處理難點及流程、參數(shù)選擇

為了能夠得到高保真的地下成像，并與炸藥震源成像對比，通過原始資料的分析，可控震源資料處理面臨以下幾個難點：

1)近炮點淺部干擾較大，噪音成分復(fù)雜，含有直達(dá)波、大量的聲波干擾，中深部面波得到較好壓制，但伴隨了明顯的聲波干擾，因此噪音壓制較復(fù)雜；

2)反褶積測試復(fù)雜，可控震源子波已知，需與炸藥震源匹配，后期進(jìn)行一致性對比；

3)由于可控震源起跳與炸藥震源存在相位差，為了達(dá)到一致性對比，需消除相位差；

通過以上的精細(xì)分析，選取針對性處理方法和流程，做好資料處理工作。

圖2 炸藥震源、可控震源原始單炮、頻譜對比Fig.2 Comparison of original single shot and frequency spectrum of explosive source and controllable source (a)炸藥震源原始記錄 (b) 可控震源原始記錄 (c) 炸藥震源、可控震源頻譜對比

2.2.1 疊前噪音壓制

通過原始單炮資料分析表明，可控震源資料主要噪音為面波以及強(qiáng)線性干擾(聲波)。為此分別采用區(qū)域濾波與自適相干噪音壓制技術(shù)，對面波以及強(qiáng)線性干擾進(jìn)行壓制。此方法先在頻率域?qū)υ肼曨l率進(jìn)行分析，同時計算其視速度，根據(jù)準(zhǔn)確的頻率與視速度在其優(yōu)勢頻段內(nèi)建立初始模型，后將此噪聲模型與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，相似信號認(rèn)為其為噪音，將其壓制，噪音壓制后資料信噪比明顯改善(圖3)。

圖3 疊前噪音壓制前后單炮對比Fig.3 Comparison of single shot before and after prestack noise suppression (a)可控震源原始記錄 (b) 可控震源噪音壓制后記錄

2.2.2 綜合反褶積、相位一致性處理

合適反褶積方法和參數(shù)的選擇，可以有效壓縮子波，拓展資料頻帶寬度(圖4)，提高資料分辨率。原始記錄分析發(fā)現(xiàn)，可控震源頻帶范圍較窄(與可控震源頻率掃描范圍有關(guān))，但是高低頻成分都飽滿。因此選取代表一致性反褶積，目的為使工區(qū)單炮主頻趨于一致，提高資料整體分辨率。

正確比較需要在同一相位上進(jìn)行，相位一致，則需子波一致?？煽卣鹪吹淖硬ㄊ橇阆辔蛔硬?，而炸藥震源子波是最小相位子波。一般的辦法是將可控震源的零相位子波轉(zhuǎn)化為與炸藥震源一致的最小相位子波。本文只是為了證明可控震源的適用性，因此只根據(jù)統(tǒng)計相位差(90°)，對可控震源子波進(jìn)行同一相位差校正。后期如需可控震源與炸藥震源混合施工，則需進(jìn)一步討論研究如何更好的消除相位差，達(dá)到正常的閉合處理。

圖4 可控震源反褶積前后單炮、頻譜對比Fig.4 Comparison of single shot and frequency spectrum before and after controllable source deconvolution (a)可控震源去噪后 (b) 可控震源反褶積后 (c) 反褶積前后頻譜

本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則，加強(qiáng)對處理模塊和參數(shù)的反復(fù)試驗，確定了本次地震資料處理流程，見圖5。

3 解釋成果對比

通過有效的疊前噪音壓制，可控震源記錄信噪比顯著提高，隨后進(jìn)行速度分析、疊加、偏移。剖面具有良好的連續(xù)性，層位豐富，并且目的層形態(tài)與炸藥震源剖面一致。頻譜分析發(fā)現(xiàn)炸藥震源剖面主頻約為45 Hz，新生界層位較少，可控震源剖面主頻則約為60 Hz(圖6)，新生界層位較豐富。由于炸藥震源原始記錄頻率低，需進(jìn)行一定的提頻處理；可控震源初始資料頻率較高，并高頻成分飽滿，則無需進(jìn)行專門的提頻處理。

兩種剖面解釋對比，在圖7構(gòu)造異常區(qū)，由于擠壓牽引破碎形成斷層。兩張剖面上F1～F4四條斷層位置基本一致，但其中F1斷層可控震源成像剖面斷點更清楚，炸藥震源剖面上目的層只有輕微扭曲，由此證明可控震源對小構(gòu)造識別更精細(xì)。但由于暫時沒有開采并缺少實際鉆孔驗證，對斷層還沒有準(zhǔn)確驗證。

圖5 可控震源處理流程圖Fig.5 Flow chart of controllable source processing

圖6 不同震源疊加解釋構(gòu)造、頻譜顯示Fig.6 Structure and spectrum display of different source interpretation (a)炸藥震源剖面構(gòu)造顯示 (b) 可控震源剖面構(gòu)造顯示 (c) 剖面頻譜對比

圖7為兩種激發(fā)方式的最終數(shù)據(jù)體3D效果顯示，炸藥震源激發(fā)方式所取得的數(shù)據(jù)體，主采煤層同相軸連續(xù)性更好，其構(gòu)造異常區(qū)的空間展布特征更清楚；但其波組特征相較不如可控震源激發(fā)剖面，并且對小斷層斷點的顯示沒有可控震源清晰。

4 結(jié)論

通過戈壁同一實驗區(qū)兩種激發(fā)方式原始記錄分析、以及處理結(jié)果對比得出如下結(jié)論：

1)原始記錄炸藥震源頻譜較寬，但對強(qiáng)面波等線性干擾壓制能力較差，主頻主要集中在低頻端；可控震源頻譜相較窄，但對面波壓制更好，高頻端更飽滿。

2)最終成像發(fā)現(xiàn)，可控震源波組特征較好，對小斷層的斷點識別更清晰，分辨率高于炸藥震源，層次感強(qiáng)于炸藥震源；但目的層連續(xù)性差與炸藥震源。

3)可控震源受限于地形影響較大，因此可以采取炸藥震源與可控震源混合施工的方式，以達(dá)到節(jié)能減少污染的目的。

圖7 不同震源3D空間效果顯示

混合施工仍存在一定問題，在后續(xù)處理中需對震源的子波以及相位特征進(jìn)行一致性進(jìn)行分析處理，消除假構(gòu)造。因此具體施工還需綜合利弊，統(tǒng)籌兼顧，以便能夠取得更好的勘探成果。