新疆準(zhǔn)噶爾盆地高分辨地震勘探的地表吸收衰減估算

新疆準(zhǔn)噶爾盆地高分辨地震勘探的地表吸收衰減估算

目前，新疆沙漠地區(qū)的高度分析取得了一些成果，但沙漠地區(qū)的石油探探開發(fā)還不夠充分。為了進(jìn)一步提高分辨率,我們進(jìn)行了高分辨理論研究,并結(jié)合本區(qū)地質(zhì)條件作了高分辨率野外采集的試驗(yàn)。1分辨率研究1.1不同地區(qū)及地區(qū)db/hz頻率地震波衰減的對(duì)比根據(jù)資料顯示,在新疆地區(qū)(準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地),3000m深的地層的平均品質(zhì)因素為70,層吸收指數(shù)為0.77dB/Hz,即在3000m的深度上,對(duì)于100Hz頻率地震波衰減為77dB。同樣可以計(jì)算5000m深的地層,其平均品質(zhì)因素為89,層吸收指數(shù)為0.987dB/Hz,即在5000m的深度上,對(duì)于100Hz頻率地震波衰減為99dB。為了便于對(duì)比,再選東部一例來說明。如江蘇某地區(qū),同樣可以計(jì)算出3000m深的地層,其平均品質(zhì)因素為64,層吸收指數(shù)為1.022dB/Hz,即在3000m的深度上,對(duì)于100Hz頻率地震波衰減為102dB。5000m深的地層,其平均品質(zhì)因素為78,層吸收指數(shù)為1.248dB/Hz,即在5000m的深度上,對(duì)于100Hz頻率地震波衰減為125dB。從以上對(duì)比可以看出,由于新疆地區(qū)第三系和第四系較東部薄,大套地層都為速度較高的中生代,故新疆地區(qū)5000m深的地層對(duì)高頻的衰減和江蘇地區(qū)3000m地層對(duì)高頻的衰減差不多。由于5000m深度對(duì)100Hz頻率地震波衰減為99dB左右,這對(duì)于24位的地震儀來說是完全可以接收到的,采集有效頻帶要求至少在10～90Hz范圍內(nèi)完全可行,因此對(duì)于新疆地區(qū)來說,大力開展高分辨率地震勘探確實(shí)是明智之舉。1.2檢查頻率的衰減表1是根據(jù)新疆準(zhǔn)噶爾盆地中部Ⅰ區(qū)塊表層結(jié)構(gòu)所作的表層吸收衰減估算。從表1可以得出以下結(jié)論:1)13m以上(潛水面以上)對(duì)地震子波的頻率吸收非常嚴(yán)重,如果在地表0～30cm(干沙)埋置檢波器接收,對(duì)地震波頻率的衰減大致為30～60cm深度(濕沙)處接收的9倍,且越往高頻端衰減越嚴(yán)重。因此從這點(diǎn)上來說盡量深埋檢波器對(duì)保護(hù)地震波信號(hào)尤其是高頻信號(hào)大有裨益。2)對(duì)于地表18m的表層厚度來說,在潛水面以下地層13～18m激發(fā),對(duì)地震波信號(hào)的衰減較小,即使是120Hz的頻率衰減也僅有0.26dB,如果采用可控震源激發(fā)(由于是在地表)則衰減近20dB;淺井組合激發(fā)也是同樣道理,具有較強(qiáng)衰減作用,因此對(duì)于高分辨率地震勘探來說,單深井激發(fā)是最佳選擇。1.3調(diào)諧深度的確定理論上講,激發(fā)深度一般應(yīng)在潛水面以下2m左右。若在潛水面處激發(fā),就會(huì)破壞潛水面的虛反射。實(shí)際的情況是,如果在潛水面處激發(fā),炸藥爆炸的破壞帶肯定會(huì)穿透潛水面,造成大量能量上傳,使下傳能量明顯減弱。炸藥爆炸產(chǎn)生的震源子波實(shí)際上是具有時(shí)差的上行波與極性相反的虛反射的非同相疊加,這樣就會(huì)造成低頻響應(yīng)。設(shè)x(t)為直接下行波的能量函數(shù),-Rx(tr)為虛反射波的能量函數(shù),τ是虛反射波比直接下行波的滯后時(shí)間,R為反射系數(shù),則直接下行波和虛反射波相互疊加后的波形能量函數(shù)y(t)為對(duì)上式作傅里葉變換,有Z(f)稱為虛反射濾波函數(shù),則其振幅譜為式中,R為潛水面虛反射系數(shù),T為下行波與虛反射的時(shí)差T=2Δh/υ,Δh為潛水面以下激發(fā)點(diǎn)深度。如果選擇在潛水面以下某一深度激發(fā),使虛反射和下行波時(shí)差為T/2,這樣疊加后的地震波振幅可以達(dá)到最大,即出現(xiàn)調(diào)諧振幅,此時(shí)的深度稱為調(diào)諧深度?？梢灾?T/2=2Δh/υ,Δh=υ/4f,因此高分辨率勘探的激發(fā)深度應(yīng)選擇在調(diào)諧深度的范圍內(nèi)。由于實(shí)際野外采集使用的是藥柱震源,存在一個(gè)爆炸球腔半徑,它與藥量的立方根成正比,因此野外實(shí)際施工的爆炸中心應(yīng)該是潛水面以下的調(diào)諧深度再加爆炸球腔半徑。在該工區(qū),潛水面下速度約為1800m/s,假使激發(fā)峰值頻率為200Hz,采用6kg藥量激發(fā),可以計(jì)算出爆炸中心點(diǎn)深度約在潛水面下4.1m。1.4高頻振幅與孔穴比相成反比,與藥量的立方根成正比一般來說,采用炸藥震源激發(fā),有如下關(guān)系:①震源子波幅度與孔穴半徑成正比,即與藥量立方根成正比;②震源子波視頻率及峰值頻率與孔穴半徑成反比,與藥量的立方根成反比;③高頻振幅與孔穴半徑成正比,與藥量的立方根成正比。從圖1可以看出,隨著藥量增大,振幅也增大,但低頻成份的增大比高頻成份的快;還可以看出,震源子波有低截作用,表現(xiàn)為藥量越小,低頻成份缺失越多;同時(shí)還有高頻減弱作用,表現(xiàn)為藥量越大,高頻成份衰減越快。因此在高分辨率勘探中,不能僅僅為追求視頻率而采用太小的藥量,以免喪失低頻成份和降低信噪比,而應(yīng)選擇合適的藥量,保證有足夠的信噪比和充分有效的頻帶寬度。1.5組合時(shí)差的頻率濾波效應(yīng)組合具有兩個(gè)作用,一是衰減各類噪聲,二是衰減壓制有效波信號(hào)(尤其是高頻信號(hào))。除了地層吸收衰減因素之外,導(dǎo)致高頻損失的最主要的原因就是檢波器組合產(chǎn)生的地表混波,將具有很小的隨機(jī)時(shí)差的相同道疊加在一起,這就等同于頻率濾波器,造成低頻成份的相長(zhǎng)干涉,高頻成份的相消干涉。圖2是不同隨機(jī)時(shí)差的頻率濾波效應(yīng)示意圖,從該圖可以看出如果組合時(shí)道內(nèi)產(chǎn)生2ms的隨機(jī)時(shí)差就相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)高截頻率為62Hz的低通濾波器。表2是對(duì)該區(qū)不同反射深度、不同炮檢距及不同組合距(以首尾兩個(gè)檢波器距離計(jì)算,沿測(cè)線和垂直測(cè)線兩種方向,一種組合基距為8m,另一種為26m)情況下的組合時(shí)差計(jì)算結(jié)果。從表2可以看出,組合距越大,組合時(shí)差越大;反射層位越淺,組合時(shí)差越大;炮檢距越大,組合時(shí)差越大;垂直測(cè)線的組合時(shí)差比沿測(cè)線方向的組合時(shí)差明顯小。因此高分辨率勘探中應(yīng)該盡量減小組合距,以減小組合時(shí)差,最好道內(nèi)組合時(shí)差不要大于1ms。像面波這樣的規(guī)則干擾,可以通過室內(nèi)處理濾除,而不要輕易使用大組合距,以免造成高頻信號(hào)的損失。同樣道理,道內(nèi)組合高差也會(huì)造成時(shí)差,2m的道內(nèi)高差就可以造成約2ms的組合時(shí)差。因此,在高分辨率勘探中同一道內(nèi)組合高差不應(yīng)大于1m,以最大限度降低高頻信號(hào)所受組合作用的衰減。2中國(guó)中國(guó)南沙地震資料特征分析根據(jù)以上的分析,我們認(rèn)為對(duì)高頻產(chǎn)生限制的主要原因有:①震源的限制,震源的不同會(huì)影響到激發(fā)子波的頻譜,進(jìn)而影響到資料分辨率和信噪比;②地表對(duì)高頻的吸收衰減,沙漠區(qū)表層疏松的沙土對(duì)地震波能量尤其是高頻能量吸收較強(qiáng);③地表和近地表?xiàng)l件的影響,包括排列效應(yīng)。通過對(duì)以往資料的分析和研究,我們認(rèn)為在沙漠地帶進(jìn)行高分辨率勘探,唯有采用單深井才能極大地拓寬頻帶,提高主頻。對(duì)此我們?cè)谏衬畢^(qū)首先安排了干擾波調(diào)查,然后進(jìn)行了一系列的激發(fā)和接收因素試驗(yàn),努力增加高頻能量,拓寬有效頻帶的范圍。2.1沿邊垂直測(cè)線方向特征波場(chǎng)野外采集以后,將4炮記錄進(jìn)行了拼接處理。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),本工區(qū)的主要干擾是面波與折射波(圖3,圖4)。該區(qū)的初至直達(dá)波速度為1900m/s左右。沿測(cè)線方向主要發(fā)育有3組面波、2組折射波以及次生干擾。垂直測(cè)線方向同樣發(fā)育3套面波和2組折射波,具體參數(shù)見表3。根據(jù)分析,本工區(qū)檢波器組合方式采用垂直測(cè)線平行四邊形面積組合,組內(nèi)距δx=4m,δy=3m,組合基距Lx=8m,Ly=39m,能較好地壓制各種干擾。2.2環(huán)境噪聲頻率分布通過該區(qū)的環(huán)境噪聲調(diào)查分析,我們認(rèn)為該區(qū)環(huán)境噪聲比較穩(wěn)定,不存在人為或工業(yè)干擾。從頻譜分析來看環(huán)境噪聲頻率范圍從低頻(幾赫茲)到高頻(400Hz)都有分布,且能量分布也基本一致(圖5,圖6)。由于沙漠地表普遍生長(zhǎng)植被,風(fēng)吹草動(dòng)造成的高頻干擾是高分辨率勘探的大敵,因此一定要避免大風(fēng)天氣和雨天施工。2.3激發(fā)井深激發(fā)井深試驗(yàn)點(diǎn)潛水面在13m左右,試驗(yàn)井深為10,12,14,16,17,18,19,21,23,25m,即以上激發(fā)井深分別從潛水面以上3m至潛水面以下12m激發(fā)。可以看出,在潛水面以上激發(fā)的單炮記錄的信噪比和分辨率明顯較潛水面以下激發(fā)的要低,在潛水面下7m左右激發(fā)的資料目的層反射能量強(qiáng),信噪比較高(圖7,圖8)。2.4高密度硝氨藥柱激發(fā)試驗(yàn)高能量(純TNT)藥柱:0。62,:0.91,1.24,1.86,2.48,3.10,4.30,4。96,5.89kg;高密度(硝氨)藥柱:2,3,4,5,6,8,10kg。從試驗(yàn)結(jié)果分析,高能量炸藥爆速大,藥柱短,能量集中,信噪比較高,頻譜較寬。通過分頻掃描可以看出,在高頻端[53.276,152212.8]高密度炸藥激發(fā)記錄目的層已經(jīng)沒有連續(xù)同相軸,信噪比低,高頻噪聲強(qiáng),而高能量炸藥激發(fā)的記錄上,反射同相軸依然清晰可見。因此生產(chǎn)中選用高能量炸藥3～4kg(圖9,圖10)。2.5檢波器性能對(duì)比高分辨率地震采集,使用中、高頻檢波器,有助于保護(hù)高頻信息,相對(duì)提升高頻能量。在此次試驗(yàn)中我們先后進(jìn)行了10,28,35,40Hz4種型號(hào)檢波器的對(duì)比試驗(yàn)(圖11)。通過對(duì)比分析,無論是監(jiān)視記錄、處理后單炮記錄,還是頻譜分析、分頻掃描,10Hz檢波器明顯主頻偏低,而中高自然頻率檢波器,優(yōu)勢(shì)頻段明顯向高頻方向移動(dòng),對(duì)高頻部分有相對(duì)提升作用,從所作的頻譜分析看,35Hz檢波器比10Hz檢波器主頻提高20Hz以上。因此在本工區(qū)選用中高自然頻率和高靈敏度檢波器(35Hz)有利于完成此次高分辨率地震勘探任務(wù)。2.6不等靈敏度線性組合我們先后進(jìn)行了多種組合形式的試驗(yàn),如點(diǎn)狀、回字形、沿測(cè)線方向平行四邊形、垂直測(cè)線方向平行四邊形、菱形面積組合、沿測(cè)線方向不等靈敏度線性組合及垂直測(cè)線方向不等靈敏度線性組合等(圖12)。通過比較分析,垂直測(cè)線方向2m組內(nèi)距平行四邊形組合方式高頻端能量較其他方式略強(qiáng),主頻略高,且頻譜形態(tài)較好。另外,在分頻掃描后可以發(fā)現(xiàn)3s左右目的層垂直測(cè)線方向組合在高頻端仍有一定信噪比和連續(xù)性,而其他方式較弱,說明垂直測(cè)線組合有助于保護(hù)高頻信號(hào)。2.7檢波器垂直測(cè)線平行四邊形面積組合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)的坑深為30cm和60cm,從單炮記錄上看,沒有明顯的視覺差異。通過頻譜分析可以看出,在低頻方向30cm坑深接收的能量比60cm坑深接收的能量稍強(qiáng);但60cm坑深埋置檢波器對(duì)高頻吸收衰減比30cm坑深的要小些。故加大檢波器埋深有利于保護(hù)高頻信號(hào)(圖13)。2003年,我們?cè)谏掣C地南高精度三維施工中,又進(jìn)行了檢波器在井中接收(井深1.5m)的試驗(yàn)。在激發(fā)條件相同時(shí),VS6井下檢波器線形組合和35Hz檢波器平行四邊形面積組合的效果存在一定的差異。平行四邊形組合接收排列道中深層反射信息相對(duì)較好,能夠見到經(jīng)過地層吸收衰減的地層反射,信噪比較高;用VS6井下檢波器線形組合接收,所得資料的頻率明顯偏高,但檢波器是分3個(gè)點(diǎn)堆放,沒能很好地壓制側(cè)向干擾,所以資料中深層同相軸連續(xù)性較差。采集完后,對(duì)地面接收和井中接收的數(shù)據(jù)做了10炮的水平疊加剖面。從剖面看,檢波器井下接收的信噪比較平行四邊形面積組合的低,對(duì)疊加剖面進(jìn)行定量分析,從能量分析、信噪比分析來看,深井點(diǎn)狀組合接收信噪比較低,從頻譜分析來看,線形組合在主頻、頻寬方面都要低于面積組合?？梢哉J(rèn)為檢波器垂直測(cè)線平行四邊形面積組合效果要好于檢波器點(diǎn)狀組合井下接收(見圖14,圖15)。通過以上高分辨率地震采集試驗(yàn),野外原始資料的分辨率有了較大的提高(圖16),能基本滿足地質(zhì)任務(wù)的要求。3地震正演成像控制原則總結(jié)我們所做的大量試驗(yàn)和分析工作,對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地中部Ⅰ區(qū)塊的高分辨率地震采集有以下幾點(diǎn)結(jié)論和啟示。1)激發(fā)井深位于潛水面下5～7m以保證激發(fā)能量的下傳,在高大沙丘區(qū)選擇炮點(diǎn),應(yīng)遵循“避高就低,避干就濕,避陡就緩”的原則。2)采用高能量和高爆速的炸藥激發(fā),藥量4～6kg即可,使炸藥與圍巖的耦合良好,保證地震子波頻譜較寬。3)采用垂直