三分量微測井方法在轉(zhuǎn)換波靜校正中的應用

李志軍,任華育,楊德義,曹志勇

(1.山西省地質(zhì)調(diào)查院,山西太原030000;2.貴州省地震局,貴州貴陽550000;3.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西太原030000)

多波多分量地震勘探與縱波勘探的區(qū)別之一是使用多分量檢波器接收能夠記錄到地下的全波場信息,為準確重構地質(zhì)體構造形態(tài)提供了可能[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展,多分量地震勘探技術的優(yōu)點主要包括:①多波資料波場信息豐富,可以提取除縱、橫波速度外的其它物性參數(shù)(如泊松比、縱橫波振幅差異等),用于預測儲層巖性特征[2];②對于氣云區(qū)、碳酸鹽巖儲層等區(qū)域,縱波信噪比低、能量弱,而利用橫波信息能有效成像[3];③鑒于橫波對裂縫的敏感性,可以根據(jù)橫波分裂特征定量預測地質(zhì)體裂縫發(fā)育以及流體檢測等難點問題。轉(zhuǎn)換波資料處理的方法已逐步完善,但轉(zhuǎn)換波靜校正一直是制約多波成像的瓶頸[4]。P-SV波處理與傳統(tǒng)P-P波的處理流程有所差異,轉(zhuǎn)換波靜校正量的求取是其中的一個關鍵步驟。因為橫波波速與縱波波速在近地表差異較大,相同檢波點位置上橫波靜校正量可能達縱波的2～10倍[5]。

目前常用的轉(zhuǎn)換波靜校正方法有以下幾類。①轉(zhuǎn)換波初至靜校正:拾取多分量地震勘探中X、Y分量的轉(zhuǎn)換波初至時間,然后通過靜校正計算公式求取轉(zhuǎn)換波校正量[6-7],但水平分量上轉(zhuǎn)換橫波一般疊加于其它波形之中,初至不易拾取。②轉(zhuǎn)換波常系數(shù)靜校正:在已知縱波校正量的前提下,乘以常系數(shù)N來求取轉(zhuǎn)換波靜校正量,常系數(shù)N需在處理中經(jīng)測試獲取,嘗試多組常系數(shù)N后,分別進行疊加,對比疊加剖面來確定最終的N值;在實際處理中,測試過程比較繁瑣,準確性較差,可操作性不強。③面波反演橫波速度靜校正:利用瑞雷面波頻散特征曲線反演得到橫波速度的低速帶分層結構,進而求取轉(zhuǎn)換波靜校正量,該方法對初始層狀介質(zhì)模型依賴度較高,且為了避免空間假頻的產(chǎn)生須利用小道間距接收。④轉(zhuǎn)換波共檢波點疊加靜校正方法:在構造不復雜的情況下,在基準校正面校正后,先通過優(yōu)化CRP疊加道相干法來解決接收點短波長靜校正問題,再應用“井旁參考道外推法”確定并消除剩余靜校正,一般要求有標準參考道,適用于信噪比高且靜校正量比較大的區(qū)域[8]。

鑒于原始地震記錄中轉(zhuǎn)換波信噪比較低的原因,上述轉(zhuǎn)換波靜校正方法中的橫波速度均難于直接從多分量記錄中獲取,因此難以構建合理的縱、橫波速度結構。微測井技術優(yōu)點是可以根據(jù)需要得到整個低(降)速層不同深度的地震波場記錄,且記錄的信噪比較高。本文介紹的三分量微測井方法是通過井中特制的測井錘激發(fā),地表采用三分量檢波器接收,可以同時獲取縱波和信噪比較好的橫波波場信息。在道集分選后的Z分量記錄上讀取初至時間可以求取縱波速度,而水平分量上的橫波初至被縱波分量的投影所掩蓋,不易直接讀取初至,需進行三分量偏振分析,進而實現(xiàn)波場分離,再求取橫波速度,最后通過各微測井井間插值的方法建立合理的地表結構,計算轉(zhuǎn)換波靜校正量。

1 轉(zhuǎn)換波靜校正原理

多波地震資料的靜校正量包括縱波靜校正量及轉(zhuǎn)換橫波靜校正量。由于轉(zhuǎn)換橫波是由下行縱波和上行轉(zhuǎn)換橫波組成,因此,轉(zhuǎn)換波靜校正量是由激發(fā)點處的縱波靜校正量和接收點處的橫波靜校正量相加得到。圖1給出了包含一個風化層的簡單近地表模型。通過基準面校正后將實際地層簡化成如圖2所示的地層結構。

由圖2可見,P波在介質(zhì)內(nèi)的射線的路徑為SABR,轉(zhuǎn)換S波在介質(zhì)內(nèi)的射線路徑為SACR,由于縱波速度大于橫波速度,可知在高速界面折射P波先產(chǎn)生,然后再產(chǎn)生折射S波,因此,P波早于轉(zhuǎn)換S波到達接收點R,且二者初至時差為:

圖1 風化層地表模型

圖2 地震波在地表傳播示意

ΔT=TBC+TCR-TBR

=(TCR-TCD)-(TBR-TBD)

(1)

令轉(zhuǎn)換波延時dS=TCR-TCD,縱波延時dP=TBR-TBD,化簡得:

dS=ΔT+dP

(2)

計算得到的風化層h厚度為:

(3)

由地震波折射定理可知:

(4)

(5)

鑒于靜校正基本原理是基于地表一致性的假設,反射角α和β均較小,則可認為ER≈FR≈h,結合(3)式、(4)式和(5)式可得:

(6)

假設基準面位于風化層中間,可得檢波點處轉(zhuǎn)換波基準面靜校正量為:

(7)

式中:EG和EGR分別為檢波點處地表高程和基準面高程。將公式(6)代入公式(7)化簡得:

(8)

式中:vS0/vS1和vS0/vP0可以通過三分量微測井求取。

2 三分量微測井施工布置及處理解釋

2.1 采集

在施工中采用井中激發(fā)、地面三分量檢波器呈十字形排列接收,在4個方位和井口各安置2個三分量檢波器,其X分量和Y分量方向相反,即“背對背”安置[9],如此安置可以通過兩道記錄相加減達到壓制噪聲、增強并識別橫波的目的。其中X分量沿測線方向,Z分量統(tǒng)一向下,Y分量方向垂直于Z分量和X分量組成的平面。由深到淺進行激發(fā),共計10個三分量檢波器接收。激發(fā)間距依據(jù)巖層厚度決定,對于薄層適當減小激發(fā)間距,保證各層內(nèi)有2～3個以上的控制點,激發(fā)裝置采用參考文獻[10]中介紹的測井錘,將雷管橫向放置在測井錘內(nèi),測井錘直徑略小于激發(fā)井井徑,這樣既增強了雷管和激發(fā)地層的耦合性,也保證了激發(fā)能量的方向性和聚能性,可以用于激發(fā)橫波。激發(fā)井深為18m,藥量隨深度增加,在18～15m深度用4發(fā)雷管,在15～10m深度用3發(fā)雷管,在10～4m深度用2發(fā)雷管,小于4m范圍用1發(fā)雷管。本次施工以0.5m的間距均勻激發(fā),檢波器按6m井源距布置。具體微測井施工布置如圖3所示。

2.2 處理

將采集的共炮點道集分選成X分量、Y分量和Z分量共檢波點道集,如圖4所示。

圖4a中藍框區(qū)域為高頻噪聲,對比圖4a至圖4c可見,Z分量上高頻噪聲最強,Y分量上高頻噪聲最弱。Z分量記錄的背景干凈,縱波初至能量強,可以直接拾取;X分量、Y分量記錄包含了橫波信息,但由于橫波速度小于縱波,縱波會先于橫波到達接收點,橫波初至疊加于其它波形中,不易直接拾取。根據(jù)運動學特征分析,橫波速度較縱波小,時距曲線應較縱波陡,因此判斷圖4b和圖4c中紅線指示位置為橫波初至,紅圈位置處的初至應為縱波的投影。

圖5對比分析了Z分量、X分量和Y分量記錄的頻譜,圖中藍線所示為0～80ms所有記錄的頻譜平均值,黑線所示為0～80ms某一道記錄的頻譜。由圖可見,Z分量頻帶較寬,主頻在250Hz左右,而X分量、Y分量的頻帶較窄,主頻約為150Hz。

橫波信息需通過去噪、三分量偏振分析處理及波場分離獲得。圖6是Z分量以及波場分離后的R分量和T分量記錄,可見在R分量記錄上橫波初至清楚,易于讀取,而T分量記錄初至較差。

圖3 微測井施工布置

圖4 共檢波點道集

圖5 頻譜分析

2.3 解釋

施工工區(qū)地表土層結構疏松,第四系內(nèi)部分布有鈣質(zhì)結核層,但不成層,之下是第三系地層(棕紅色黏土層),結構比較密實,是黃土塬地區(qū)比較理想的激發(fā)層位。本次選取工區(qū)2個典型的黃土地層進行了2組微測井,分別選取如圖3中的2號檢波點和4號檢波點作為觀測點,共4個觀測點,微測井點的速度解釋結果見圖7和圖8。

圖6 波場分離后記錄

圖7 第1組微測井點速度解釋結果

測線所處區(qū)域地表大部分為基巖出露區(qū)域,黃土覆蓋少且薄,施工前期,沿測線進行了地表地質(zhì)調(diào)查,并在鉆孔時記錄了各激發(fā)孔的巖性,繪制成全線淺表層地表巖性結構,見圖9。在此基礎上,選擇了2處黃土覆蓋較厚的區(qū)域,布置了2個三分量微測井點,依據(jù)微測井調(diào)查結果,劃分淺層結構,了解各分層速度。

總體來看,區(qū)內(nèi)沿測線地表結構分為3層,局部為2層,如圖9所示(箭頭所指為微測井位置)。低速層:vP為500～800m/s,vS為150～300m/s,vP/vS為3.0～4.6。低速層之下的降速層:vP為900～1400m/s,vS為300～500m/s,vP/vS為2.8～3.5。高速層:vP為1600～1800m/s,vS為600～700m/s,vP/vS為2.5～3.0。低速層厚度和降速層厚度變化較大,但速度比較穩(wěn)定,各分層厚度可為轉(zhuǎn)換波校正提供初始模型。

圖8 第2組微測井點速度解釋結果

圖9 地表巖性結構(局部)

3 應用效果

根據(jù)三分量微測井表層調(diào)查結果,在資料處理時,將低、降速帶融合為一層,進行簡化處理,選擇合適的基準面和替換速度。在致密的高速層頂界面,縱、橫波解釋結果基本吻合,所以基準面應選擇高速層頂部附近。替換速度采用高速頂界面的縱波速度均值,橫波用橫波速度均值,分別計算檢波點和炮點的靜校正量,計算結果如圖10所示。

圖10 檢波點(a)和炮點(b)橫波靜校正量

圖11對比了X分量單炮記錄靜校正前、后的結果,X分量的原始單炮記錄信噪比差,反射波信息基本不能辨認,靜校正后,在其左側(cè)遠道的區(qū)域可以看到反射波。圖12是X分量靜校正前、后的疊加剖面,可以看出,未校正的疊加剖面波形雜亂,沒有有效的地質(zhì)信息,靜校正后的疊加剖面質(zhì)量得到改善,層位可以連續(xù)追蹤。

圖13為Z分量疊加剖面,可以看出,圖中淺、中、深層同相軸連續(xù)性都較好,目標層段同相軸清晰且易追蹤。圖14為不同方法靜校正后的X分量疊加剖面,圖中紅圈位置處低速帶覆蓋層較厚(對應于圖9 右側(cè)箭頭指示區(qū)域),橫波速度低,校正量大,用固定的常系數(shù)N來計算轉(zhuǎn)換波靜校正量時,靜校正量計算誤差較大,校正效果差,導致同相軸扭曲變形、不連續(xù)(圖14a)。而三分量微測井轉(zhuǎn)換波靜校正法是分別求取低(降)速帶縱橫波速度比,通過插值構建合理速度模型,計算各接收點的轉(zhuǎn)換波靜校正量,應用于轉(zhuǎn)換波疊加成像(圖14b)。對比圖14a和圖14b可見,在紅圈位置處轉(zhuǎn)換波常系數(shù)校正剖面的連續(xù)性差,淺層同相軸扭曲、錯斷,成像精度差;而基于三分量微測井轉(zhuǎn)換波靜校正后的疊加剖面,目的層段的同相軸連續(xù)性和信噪比有了明顯提高,淺層出現(xiàn)更加連續(xù)、清晰易追蹤的同相軸,較好地改善了疊加成像效果。

圖11 X分量單炮記錄靜校正前(a)、后(b)對比

圖12 X分量靜校正前(a)、后(b)的疊加剖面

圖13 Z分量疊加剖面

圖14 不同方法靜校正后的X分量疊加剖面

4 結論及建議

1) 三分量微測井轉(zhuǎn)換波靜校正方法是分別求取低(降)速帶縱橫波速度比,在地表地質(zhì)調(diào)查的基礎上,通過插值構建合理速度結構模型,計算各接收點的轉(zhuǎn)換波靜校正量,不受地形條件限制,有效解決了轉(zhuǎn)換波靜校正問題。

2) 采用井中激發(fā)地面接收的施工布置方法不受地表地形條件的限制,可根據(jù)實際情況靈活安置三分量檢波器,每個位置“背對背”安置2個三分量檢波器,相加各點觀測數(shù)據(jù)取其平均值,可以有效減小隨機噪聲誤差,提高解釋精度。

3) 三分量記錄在水平分量上的橫波初至被縱波投影所掩蓋,需通過偏振處理識別。其頻譜分析可見:Z分量頻帶較寬,主頻約為250Hz,而X分量和Y分量頻帶較窄,主頻約為150Hz,主頻較縱波明顯偏低。

4) 在巖性橫向變化較大的地區(qū),為了提高轉(zhuǎn)換波勘探精度,調(diào)查淺層縱橫波速度是必須的。建議利用炮井鉆孔做高密度三分量微測井工作,通過插值的方式建立更接近實際的近地表速度結構。