利用四井微測井觀測數(shù)據(jù)估算近地表Q值

王明超

(遼河油田勘探開發(fā)研究院,遼寧盤錦 124010)

品質(zhì)因子Q表征了介質(zhì)本身固有的衰減特性[1],近地表地層埋藏較淺,壓實作用較弱,與地下地層相比,其對地震波能量具有更強的吸收作用[2],準(zhǔn)確估算近地表Q值并補償吸收衰減對高分辨地震勘探具有重要的現(xiàn)實意義。趙秋芳等[3]回顧并展望了常用的近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查方法和手段,指出微測井因其施工簡單,使用范圍廣,是近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要方法。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對近地表Q值估算進行了諸多研究。HATHERLY[4]基于淺層折射波數(shù)據(jù),利用地震子波寬度隨傳播時間的變化測量淺層吸收衰減,但測量結(jié)果精度較低;BADRI等[5]嘗試在潛水面以下激發(fā)地震波,以此來測量未完全固結(jié)地層的吸收參數(shù),但試驗未取得穩(wěn)定結(jié)果;田鋼等[6]利用微測井資料中有效直達波信息估計近地表Q值,并通過最佳維納濾波方法補償吸收衰減;宋智強等[7]在沙漠地區(qū)開展微測井實驗,基于譜比法估算Q值,并補償近地表吸收衰減;宋桂橋[8]針對沙漠地區(qū)巨厚低速帶地層表層結(jié)構(gòu)調(diào)查難的問題,基于超深微測井進行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查,采用子波和Q值輔助分層的方法獲得表層吸收結(jié)構(gòu);李擁軍等[9]根據(jù)微測井?dāng)?shù)據(jù)初至波能量最強的特點,利用非零相位雷克子波匹配追蹤自動提取用于Q值估算的初至波頻譜和旅行時,在譜比計算中引入整形正則化算子提高算法的穩(wěn)定性,通過深度學(xué)習(xí)算法獲得準(zhǔn)確的Q值模型;宋吉杰等[10]針對常規(guī)衰減補償處理中近地表Q模型建立方法存在的不足,提出一種基于信息融合的近地表Q值估計方法以及穩(wěn)定的反Q濾波處理技術(shù),運用信息融合策略,利用調(diào)查點精細Q值約束相對Q值,整合建立精確的近地表Q模型;金子奇等[11]提出了一種改進的衰減旅行時層析方法,在射線追蹤衰減旅行時的過程中,用方向速度梯度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的速度梯度,考慮不同射線在不同傳播方向上的速度差異,提高了衰減旅行時計算精度,從而提高Q因子估算精度;李偉娜等[12]鑒于旅行時間拾取誤差或速度估算誤差對Q因子估算的影響,基于微測井分層速度回歸分析思想,提出了一種雙線性回歸品質(zhì)因子Q估計算法,同樣沒有考慮震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對Q值估算的影響。

目前相關(guān)研究的重點主要集中在近地表Q值估算的算法上,而實際資料對近地表Q值估算的影響卻研究較少。蔡杰雄等[13]結(jié)合微測井資料分析影響近地表Q值建模的主要問題,指出震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對近地表Q值建模的影響不容忽視,否則會影響近地表Q值模型精度;丁冠東等[14]基于實際微測井資料研究了地震波主頻變化特征,認為不同深度激發(fā)獲取的地震子波主頻差異很大,檢波器耦合效應(yīng)使地震子波嚴重缺失低頻信息,且高頻部分出現(xiàn)類似“陷波”現(xiàn)象,激發(fā)深度差異與檢波器耦合差異會大幅度降低近地表Q值估算的精度;李國發(fā)等[15]采用井地聯(lián)合觀測系統(tǒng),采用同一炮激發(fā)的地震記錄估計Q值,消除了震源子波差異的影響,但并未完全消除檢波器耦合響應(yīng)差異對Q值估算的影響;翟桐立等[16]基于井地一體化測井方法,采用深井激發(fā),地面小排列接收的方式獲得近地表Q值,該方法較為穩(wěn)定,但并未考慮不同檢波器耦合響應(yīng)的差異。

本文采用四井微測井觀測系統(tǒng),基于譜比法,提出一種能同時消除震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異的近地表Q值估算方法。該方法通過運算,增大了旅行時,提高了Q值估算的穩(wěn)定性,并利用基于波場延拓反Q濾波技術(shù)補償近地表吸收衰減,提高了地震資料的分辨率。

1 技術(shù)方法

1.1 常規(guī)微測井Q估計及問題分析

利用微測井資料不但能調(diào)查近地表速度結(jié)構(gòu),也能調(diào)查近地表吸收結(jié)構(gòu)。利用微測井資料調(diào)查近地表速度結(jié)構(gòu)時主要利用的是地震波的走時信息,受噪聲干擾及波場干涉影響較少;而調(diào)查近地表吸收結(jié)構(gòu)時主要利用的是地震波的頻率信息,對噪聲干擾及波場干涉十分敏感。常規(guī)微測井觀測系統(tǒng),包括單井微測井和雙井微測井,通常采用地面激發(fā)、井中接收,或者井中激發(fā)、地面接收的方式,觀測數(shù)據(jù)易受震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異的影響,從而影響Q因子估算精度。

1.1.1 單井微測井

圖1為單井微測井觀測系統(tǒng)。距離激發(fā)井井口一定距離埋置一個檢波器,接收地震信號。理論上講,在激發(fā)井中不同深度激發(fā)兩炮,對接收到的兩個直達波信號做譜比,即可估算近地表Q因子。利用譜比法估算Q因子的前提是單炮震源子波響應(yīng)一致,并且檢波器具有相同的耦合響應(yīng)。該觀測系統(tǒng)只有一個檢波器,可以不考慮檢波器耦合響應(yīng)的影響,但如果單炮震源子波響應(yīng)不一致,可能會導(dǎo)致錯誤的估算結(jié)果。

圖1 單井微測井觀測系統(tǒng)示意

1.1.2 雙井微測井

為了規(guī)避震源子波差異的影響,采用雙井微測井觀測系統(tǒng)。如圖2所示,在激發(fā)井中不同深度分別激發(fā),接收井井口和井底各埋置一個檢波器接收地震信號。對同一炮激發(fā)的兩個地震信號進行譜比來估算Q因子,這樣就規(guī)避了不同深度震源子波差異對Q因子估算的影響,但雙井微測井估算結(jié)果受不同檢波器耦合響應(yīng)差異影響。

圖2 雙井微測井觀測系統(tǒng)示意

綜上所述,采用常規(guī)微測井觀測系統(tǒng)實施Q因子估算,單井微測井觀測系統(tǒng)易受不同深度震源子波差異影響,雙井微測井觀測系統(tǒng)易受檢波器耦合響應(yīng)差異影響。因此,常規(guī)微測井觀測數(shù)據(jù)所獲得的調(diào)查結(jié)果可能存在很大的不確定性。

1.2 四井微測井觀測系統(tǒng)

圖3為四井微測井觀測系統(tǒng)。相隔一定距離打4口井,4口井在平面上排成一排直線,中間兩口井作為接收井,兩側(cè)兩口井作為激發(fā)井。S1和S2分別代表兩口激發(fā)井中任意兩炮,G1和G2分別代表埋置在接收井井底的兩個檢波器。

圖3 四井微測井觀測系統(tǒng)示意

假設(shè)品質(zhì)因子Q是一個與頻率無關(guān)的常數(shù),地震波振幅譜在頻率域可以用(1)式表示:

xij(f)=pij·si(f)·gj(f)·exp(-πfQ-1tij)

(1)

式中:f為頻率;xij(f)表示第i炮激發(fā),第j個檢波器接收信號的振幅譜;pij表示地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個檢波器過程中經(jīng)歷的與頻率無關(guān)的衰減量,例如幾何擴散、透射損失等;si(f)表示第i炮激發(fā)震源子波影響因子;gj(f)表示第j個檢波器耦合響應(yīng)影響因子;tij代表地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個檢波器的旅行時,例如,t11表示地震波從激發(fā)點S1處傳播到接收點G1處的旅行時;Q代表地層品質(zhì)因子。對公式(1)取自然對數(shù)有:

Xij(f)=Pij+Si(f)+Gj(f)-πfQ-1tij

(2)

式中:Xij(f)表示地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個檢波器接收信號的振幅譜的自然對數(shù);Pij表示第i炮激發(fā)傳播到第j個檢波器過程中經(jīng)歷的與頻率無關(guān)的衰減量的自然對數(shù);Si(f)表示第i炮激發(fā)震源子波影響因子的自然對數(shù);Gj(f)代表第j個檢波器耦合響應(yīng)影響因子的自然對數(shù)。

根據(jù)公式(2),對于第一炮激發(fā),兩個埋放在井底的檢波器接收信號的自然對數(shù)譜可以用方程組(3)表示:

(3)

用該方程組中的下式減去上式有:

X12(f)-X11(f)=P12-P11+G2(f)-
G1(f)-πfQ-1(t12-t11)

(4)

公式(4)表示消除第一炮激發(fā)因素影響,殘留檢波器耦合影響的衰減曲線。

同理,對于第2炮激發(fā),兩個埋置在井底的檢波器接收信號的自然對數(shù)譜可以表示為:

(5)

用方程組(5)的上式減去下式有:

X21(f)-X22(f)=P21-P22+G1(f)-
G2(f)-πfQ-1(t21-t22)

(6)

將公式(4)和公式(6)相加,有:

X(f)=P-πfQ-1t

(7)

式中:t=t12-t11+t21-t22,代表總旅行時;P代表與頻率無關(guān)的總衰減量。公式(7)表示同時消除激發(fā)和接收因素影響的衰減曲線。衰減曲線表現(xiàn)為頻率相關(guān)函數(shù),可以利用其斜率估算Q值:

(8)

式中:M為線性擬合斜率。

該方法聯(lián)立兩炮激發(fā),兩道接收的4個直達波記錄,通過數(shù)學(xué)運算,不但同時消除了震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對Q因子估算的影響,而且通過運算增大了旅行時,進一步提高了Q因子估算的穩(wěn)定性。

2 試驗及分析

為了驗證和說明利用前述四井微測井觀測系統(tǒng)實施近地表Q因子估算方法的可行性與穩(wěn)定性,在中國東部某油田開展了野外實際應(yīng)用試驗。為便于對比分析,下面首先對常規(guī)微測井估算Q因子的局限性進行簡要分析。

參考圖1所示的單井微測井觀測系統(tǒng),采用電火花震源,在激發(fā)井中9m及5m深度分別激發(fā),地面檢波器接收的共檢波點道集如圖4a所示。圖4a中第1道為9m深度激發(fā)的地震信號,第2道為5m深度激發(fā)的地震信號。圖4b為兩道直達波信號對應(yīng)的振幅譜。理論上講,9m深度激發(fā)的地震信號經(jīng)歷了更多的地層吸收衰減,但其振幅譜主頻卻高于5m深度激發(fā)的地震信號。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于實際施工過程中難以保證單炮震源子波響應(yīng)一致,這樣利用譜比法估算的Q因子為負值。

圖4 單井微測井共檢波點道集(a)及其對應(yīng)的振幅譜(b)

基于圖2所示的雙井微測井觀測系統(tǒng),在激發(fā)井中18m深度激發(fā),井口和井底檢波器接收的共炮點道集如圖5所示。圖5中第1道為井底檢波器接收的地震記錄;第2道為井口檢波器接收的地震記錄。由于井底檢波器很難保證與井壁完全耦合,因此井底檢波器直達波信號尾部抖動十分明顯,導(dǎo)致難以分離出有效直達波信號,雙井微測井受不同檢波器耦合響應(yīng)差異影響,難以準(zhǔn)確估算近地表Q值。

圖5 雙井微測井共炮點道集

基于圖3所示四井微測井觀測系統(tǒng),激發(fā)井井深均為18m,水平間隔為20m。采用電火花震源,由深至淺依次激發(fā),激發(fā)深度分別為18,15,12,9,6,4,2,1m,共激發(fā)8炮。接收井井深均為9m,水平間隔為4m。在接收井井底各埋置一個檢波器接收地震信號。基于譜比法,聯(lián)立兩炮激發(fā)、兩個井底檢波器分別接收的4個直達波信號的振幅譜,通過計算得到圖6 所示的衰減曲線,同時消除了震源子波差異影響和檢波器耦合響應(yīng)差異影響。

圖6 同時消除激發(fā)和接收因素影響的衰減曲線

在90Hz之前的低頻段,觀察到衰減量隨頻率的增大而增大的現(xiàn)象,這是由于近場影響造成的。微測井觀測和常規(guī)地震觀測相比,炮檢距一般較小,因此觀測數(shù)據(jù)易受近場影響,但近場對地震波頻譜的影響通常表現(xiàn)在低頻段。由于頻譜低頻段受近場效應(yīng)影響明顯,高頻段又易受噪聲干擾,因此,我們優(yōu)選90～200Hz頻帶范圍計算Q值,基于譜比法,估算出該試驗點的近地表Q值約為12。

實際試驗資料分析結(jié)果表明,常規(guī)微測井觀測數(shù)據(jù)受震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異影響,近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果存在很大的不確定性。利用四井微測井觀測數(shù)據(jù),通過合理計算和優(yōu)選頻帶規(guī)避了常規(guī)微測井缺陷,獲得較為穩(wěn)定可靠的近地表Q值。

3 實際應(yīng)用

研究區(qū)位于中國東部某油田,面積近150km2,地表主要是旱地農(nóng)作物,近地表為厚層膠泥夾少量薄層暗色泥沙。根據(jù)以往表層調(diào)查結(jié)果,該地區(qū)地表高程起伏較小,地層結(jié)構(gòu)相對簡單。近地表地層近乎為單層結(jié)構(gòu),地層內(nèi)部速度比較穩(wěn)定,層間散射較弱。采用四井微測井觀測系統(tǒng),在研究區(qū)內(nèi)以2km×2km網(wǎng)格,共部署了48個四井微測井試驗點,基本實現(xiàn)了研究區(qū)均勻覆蓋。

研究區(qū)近地表地層厚度分布較為穩(wěn)定(圖7),近地表地層厚度多集中在10～12m,局部厚度較大,最大不超過18m。綜合經(jīng)濟成本和安全環(huán)保兩方面考慮,兩口激發(fā)井井深為18m,水平間隔20m。以電火花為震源,激發(fā)深度分別為18,15,12,9,6,4,2,1m,共激發(fā)8炮。兩口接收井井深為9m,水平間隔4m。井底埋置的兩個檢波器均經(jīng)過嚴格檢查,利用井下助插器保障井底檢波器耦合質(zhì)量,避免由于檢波器與地層耦合不好造成接收信號尾部抖動現(xiàn)象。

圖7 研究區(qū)近地表厚度平面分布

在每個四井微測井試驗點處,均選取兩口激發(fā)井中較深的單炮數(shù)據(jù)估算近地表Q值?；诠?8),通過合理優(yōu)選頻帶,不但能有效規(guī)避近場和高頻噪聲的影響,還能使旅行時增加,計算的Q值結(jié)果更為穩(wěn)定。基于每個試驗點處四井微測井觀測數(shù)據(jù)計算的Q值,通過插值得到研究區(qū)近地表Q值平面分布(圖8)。研究區(qū)近地表局部存在Q值異常區(qū),但整體來看分布較為穩(wěn)定,多集中在8～15,說明利用四井微測井觀測系統(tǒng)能得到較為穩(wěn)定可靠的近地表Q值。

圖8 研究區(qū)近地表Q值平面分布

利用基于波場延拓的反Q濾波技術(shù)補償近地表吸收衰減,得到了補償前、后的疊加剖面(圖9)及其頻譜(圖10)。由圖9和圖10可見,近地表吸收衰減補償后地震資料高頻成分得到合理恢復(fù),頻譜主頻明顯向高頻端移動。地震資料分辨率顯著提高,地震波組特征更加明顯,地質(zhì)細節(jié)更加清晰。

圖9 近地表吸收衰減補償前(a)、后(b)地震剖面

圖10 近地表吸收衰減補償前、后振幅譜

4 結(jié)論

本文采用四井微測井觀測系統(tǒng),基于譜比法,通過合理運算,提出一種能同時消除震源子波差異和檢波器耦合差異影響的近地表品質(zhì)因子估算方法。工區(qū)實際應(yīng)用結(jié)果表明,該方法能獲得較為穩(wěn)定的近地表吸收Q參數(shù)。利用基于波場延拓的反Q濾波技術(shù)補償近地表吸收衰減,有效提高了地震資料的分辨率,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

微測井觀測和常規(guī)地震觀測相比,炮檢距較小,觀測數(shù)據(jù)易受近場影響。但近場影響通常只在低頻段,而高頻段又易受高頻噪聲的影響。因此,利用微測井觀測數(shù)據(jù)估算近地表Q因子時,要優(yōu)選頻帶,盡量規(guī)避近場和高頻噪聲的影響。

本文方法在近地表地層近乎為單層結(jié)構(gòu)時取得了較好的應(yīng)用效果,但當(dāng)近地表為低速帶和降速帶兩層結(jié)構(gòu)時,只能估算低速帶之下降速帶Q值,無法估算低速帶Q值。四井微測井觀測系統(tǒng)有待進一步完善以適應(yīng)多層Q模型地區(qū),下一步將嘗試將四井微測井觀測系統(tǒng)推廣至近地表為兩層結(jié)構(gòu)地區(qū),屆時將嘗試基于完善后的觀測系統(tǒng)建立更復(fù)雜的近地表Q值模型。