激發(fā)深度和檢波器耦合對近地表Q值估算的影響分析

丁冠東,張小明,陳浩林,全海燕,毛賀江,童利清,陳 偉,高 靜

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,天津300280;2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢430100;3.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430100;4.成都信息工程大學氣象信息與信號處理四川省高校重點實驗室,四川成都610225)

地震波在粘彈性介質(zhì)中傳播時的能量衰減和速度頻散可以利用品質(zhì)因子Q值來描述[1],近地表的低Q值特征大幅度降低了地震資料的分辨率。近年來,國內(nèi)針對不同地表情況開展了近地表吸收衰減補償研究[2-4],并取得了較好的效果。TONN[5]比較了7種Q值估算方法,認為沒有一種方法適用于所有情況,無論哪種方法都強烈依賴于地震資料的品質(zhì)[6]。研究表明,激發(fā)深度和檢波器耦合是影響地震資料品質(zhì)的主要因素,合理地選擇激發(fā)條件和改善檢波器的耦合狀態(tài)能大幅度提高地震資料的品質(zhì)[7-8]。國內(nèi)學者在激發(fā)條件選擇方面做了大量的研究,于魯洋等[9]通過對比不同巖土介質(zhì)中柱狀炸藥震源激發(fā)效果,合理選擇激發(fā)參數(shù)。藍陽等[10]認為最佳激發(fā)并非高密度、高爆速炸藥激發(fā),應(yīng)兼顧等熵膨脹指數(shù)等的影響。其它學者在特殊地表條件下激發(fā)方式的合理選擇做了深入研究,齊中山[11]和楊勤勇等[12]通過數(shù)值模擬和野外試驗分析等方法,對灰?guī)r裸露區(qū)地震激發(fā)的機理及改善激發(fā)效果方面做了深入研究。王昀等[13]在表層結(jié)構(gòu)調(diào)查基礎(chǔ)上,基于地形與表層結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計技術(shù)設(shè)計井深,提高低信噪比地區(qū)地震采集激發(fā)效果。在檢波器耦合方面,呂公河[14]和徐錦璽等[15]全面剖析了地震檢波器的原理和特性,并深入研究了檢波器尾椎結(jié)構(gòu)對地震信號的影響?；趶椥圆▌恿W理論,石戰(zhàn)結(jié)等[16-18]和陳高翔等[19]開展了檢波器-介質(zhì)耦合系統(tǒng)研究,在提高灰?guī)r裸露區(qū)、西部沙漠地區(qū)地震檢波器耦合方面取得了較好的效果。魏繼東等[20-21]和于富文等[22]在對地震檢波器的性能指標進行分析的基礎(chǔ)上,提出了一種大地耦合響應(yīng)的野外測量方法。李國發(fā)等[23]采用雙井微測井地震數(shù)據(jù)分析了地震衰減非線性特征,指出實際微測井資料受激發(fā)、接收耦合、近場效應(yīng)等多方面的影響,設(shè)計了一種能削弱接收耦合效應(yīng)的微測井觀測系統(tǒng),并提出了一種不受激發(fā)條件影響的近地表Q值層析反演方法,提高了近地表Q值估算精度。

以上研究均從激發(fā)條件和檢波器耦合理論對地震資料的影響等方面展開,并未定量分析激發(fā)條件和檢波器耦合對近地表Q值估算的影響。為此,本文開展了野外微測井試驗,并定量分析了激發(fā)深度與檢波器耦合對近地表Q值估算精度的影響。最后,通過選擇合適的井下檢波器深度和輔助工具來提高檢波器耦合狀態(tài),較為準確地建立了大港ZY地區(qū)的近地表Q值模型。

1 激發(fā)接收條件對Q值的影響

根據(jù)地表一致性理論,地震波傳播距離為r時,接收信號的頻譜X(f)可以用激發(fā)項S(f)、接收項R(f)、衰減項H(f)以及與頻率無關(guān)的球面擴散和投射項P(r)來表示,具體表達式為:

(1)

其中,激發(fā)項S(f)與激發(fā)參數(shù)有關(guān),激發(fā)巖性是激發(fā)子波波形和振幅大小的主要決定因素之一。大量野外試驗結(jié)果表明,深度越大,介質(zhì)壓實條件越好,深層激發(fā)得到的地震子波頻帶更寬、主頻更高,即不同的激發(fā)條件下獲取的地震子波存在差異。

檢波器耦合項R(f)與接收參數(shù)有關(guān),如檢波器與地面的接觸狀況。在野外陸地施工中,檢波器埋置要滿足“平、穩(wěn)、正、直、緊”原則,通過改善檢波器與大地之間的接觸關(guān)系,可以降低耦合效應(yīng)的影響,提高地震資料分辨率。檢波器與大地之間可以看作一個諧振系統(tǒng),當頻率小于諧振頻率時,耦合效應(yīng)可以忽略不計;當頻率大于諧振頻率時,耦合效應(yīng)就會嚴重改變子波的振幅和相位[24]。下面介紹一種雙阻尼彈簧系統(tǒng),其耦合效應(yīng)R(f)在復數(shù)域的表達式為:

R(f)=

(2)

式中:fg為檢波器自然頻率;fc為檢波器與大地諧振系統(tǒng)共振頻率;ηg為檢波器內(nèi)置彈簧的阻尼因子;ηc為檢波器與大地之間的阻尼因子;f為頻率;i為虛數(shù)單位。圖1a對比了兩種不同阻尼因子檢波器振幅耦合響應(yīng)。圖中,藍色曲線代表檢波器與大地之間耦合較差,fg=8Hz,ηg=1.4,fc=100Hz,ηc=0.2;紅色曲線代表檢波器與大地耦合較好,fg=8Hz,ηg=1.4,fc=100Hz,ηc=1.0。當檢波器與大地之間的阻尼因子較小時,在諧振頻率(fc=100Hz)附近,檢波器振幅耦合響應(yīng)變化劇烈;當檢波器與大地之間的阻尼因子較大時,在諧振頻率附近,檢波器振幅耦合響應(yīng)變化相對平緩。圖1b為上述兩種情況對應(yīng)的相位曲線,當檢波器與大地之間的阻尼因子較大時,其相位變化相對平緩。檢波器耦合效應(yīng)對地震信號頻率和相位產(chǎn)生較大影響。

圖1 兩種不同阻尼因子對應(yīng)的檢波器耦合響應(yīng)的振幅(a)、相位(b)

以譜比法為例,定性分析激發(fā)接收條件對Q值估算的影響,對不同激發(fā)、接收條件獲得的地震信號進行譜比運算后,取對數(shù)的表達式為:

(3)

式中:

2 數(shù)值模擬

為模擬激發(fā)和接收條件對Q值的影響,設(shè)計了如圖2所示的雙井微測井觀測系統(tǒng),由深至淺激發(fā),激發(fā)點S1,S2,S3的深度分別為0,5,15m,接收井口、井底放置兩個檢波器R1和R2,激發(fā)井和接收井的距離為5m。依據(jù)潛水面的位置,將近地表分為兩層,第1層的速度v1=600m/s,品質(zhì)因子Q1=2.5;第2層的速度v2=1200m/s,品質(zhì)因子Q2=5.0。采用上述采集方式進行模擬,可以將(1)式表示為如下離散形式:

(7)

式中:i=1,2,3為激發(fā)點號;j=1,2為接收點號;Xij(f),Hij(f),Pij(f)分別為第i炮激發(fā)j道接收的地震記錄、近地表吸收衰減項和球面擴散項;Si(f),Rj(f)分別為激發(fā)項與接收項。

圖2 雙井微測井觀測系統(tǒng)

2.1 激發(fā)條件模擬

通過給定不同激發(fā)深度的地震子波主頻,利用(7)式可模擬出不同激發(fā)條件的地震信號,為消除檢波器耦合差異帶來的影響,取R1(f)=1,R2(f)=1。在S1,S2,S3處激發(fā)主頻(fd)分別為100,115,130Hz時,地面檢波器R1接收的地震記錄及頻譜對比結(jié)果如圖3所示。根據(jù)地層吸收衰減規(guī)律,S3處地震波傳播的距離遠,理論上經(jīng)歷的吸收衰減應(yīng)更加嚴重,然而從圖3b可以看出,S3處激發(fā)得到的子波主頻稍高于其它兩個子波的主頻。很明顯,激發(fā)條件差異導致了模擬地震數(shù)據(jù)不滿足吸收衰減規(guī)律,為定量分析激發(fā)條件對近地表Q值的影響,利用譜比法對模擬地震資料進行處理,采用S1和S2處激發(fā)地震波傳播的衰減差異來估算第1層品質(zhì)因子Q1,用S2和S3處激發(fā)地震波傳播的衰減差異來估算第2層品質(zhì)因子Q2。估算的結(jié)果為:Q1=2.90,Q2=7.85;第1層估算誤差為0.40,第2層估算誤差為2.85。激發(fā)條件模擬試驗結(jié)果表明,不同的激發(fā)條件降低了近地表Q值估算的精度。

圖3 模擬不同激發(fā)條件的地震信號(a)及其頻譜(b)

2.2 檢波器耦合模擬

不考慮激發(fā)條件的影響,即S1,S2,S3處激發(fā)子波給定相同的主頻fd=100Hz,給定圖1中兩種不同阻尼因子檢波器對應(yīng)的檢波器耦合參數(shù),可模擬出不同接收條件的地震信號。圖4為模擬檢波器R1接收的結(jié)果,由于檢波器R1與大地之間的阻尼因子大,即檢波器耦合條件好,故模擬結(jié)果基本不受檢波器耦合的影響,其對應(yīng)的主頻隨傳播距離的增大而減小;反之,檢波器R2耦合條件差,模擬結(jié)果如圖5所示,地震子波發(fā)生畸變,出現(xiàn)多個旁瓣,對應(yīng)的頻譜亦出現(xiàn)了畸變,能明顯看出頻譜變窄,降低了地震資料的分辨率。

圖4 檢波器耦合狀態(tài)好的條件下模擬地震信號(a)以及頻譜(b)

采用譜比法對比不同檢波器耦合對Q值估算的影響,分別選取S1激發(fā)、R1接收,S2激發(fā)、R1和R2接收以及S3激發(fā)、R2接收的地震信號來聯(lián)合估算Q值,頻帶范圍為0～80Hz,估算結(jié)果為:Q1=1.40,Q2=2.44;第1層估算誤差為1.10,第2層估算誤差為2.56。當頻帶范圍為0～120Hz時,估算誤差變得更大,第1層估算誤差為1.52,第2層估算誤差為3.38。檢波器耦合模擬試驗結(jié)果表明,檢波器耦合影響了地震信號的頻譜,從而縮小了Q值估算可選擇頻帶范圍,嚴重降低了Q值估算的精度。

圖5 檢波器耦合狀態(tài)差的條件下模擬地震信號(a)以及頻譜(b)

3 實際地震數(shù)據(jù)分析

3.1 實際微測井地震資料分析

為驗證激發(fā)條件、檢波器耦合等因素的影響,利用如圖6所示的微測井觀測系統(tǒng)進行了兩次試驗。試驗采用井中激發(fā)、地面接收的方式進行,具體試驗參數(shù)如下:激發(fā)井深9m,激發(fā)深度分別為9m和5m,在地面距激發(fā)井5m處布設(shè)2個檢波器,一個埋置正常,一個埋置較松且斜插。

圖6 微測井試驗示意

試驗1采用9m與5m處激發(fā)、埋置正常檢波器接收方式,獲取了不同激發(fā)條件下的地震資料。圖7a 為試驗1獲取的道集資料,從左到右激發(fā)深度分別為9m與5m,圖7b為對應(yīng)的頻譜。按照地震波衰減規(guī)律,波在地層中傳播的距離越長,衰減越嚴重,主頻應(yīng)向低頻移動。分析圖7b可以看出,資料呈現(xiàn)出與地層吸收衰減規(guī)律相反的現(xiàn)象,傳播距離越遠的地震波,其主頻反而越大,9m處激發(fā)比5m處激發(fā)得到的地震子波的主頻約高55Hz。很顯然,隨著激發(fā)深度的增大,激發(fā)巖性發(fā)生變化,即激發(fā)條件不同導致了地震子波主頻差異。這種由于激發(fā)條件不同產(chǎn)生的地震子波差異比地層衰減帶來的差異更為明顯,很大程度上影響近地表Q值估算的精度。

圖7 相同檢波器接收不同深度激發(fā)的地震子波(a)與頻譜(b)

檢波器耦合也是造成地震子波差異的重要因素,為驗證檢波器耦合對地震資料的影響,利用如圖6所示的觀測系統(tǒng)開展的試驗2,即在9m處激發(fā),地面兩種不同埋置狀態(tài)的檢波器同時接收。圖8a為試驗2獲取的地震子波,從左到右分別為埋置正常、不正常狀態(tài)下的地震子波,可以看出,兩個子波波形存在明顯的差異;埋置較松且斜插的檢波器,其獲得的地震子波波形發(fā)生畸變。圖8b為其對應(yīng)的頻譜,可以看出,檢波器耦合對地震資料的頻譜影響較大,檢波器耦合狀態(tài)差獲取的地震子波嚴重缺失低頻信息,且高頻部分出現(xiàn)類似“陷波”的抖動。這種由于檢波器耦合差異嚴重影響了近地表Q值估算的精度。

圖8 相同位置激發(fā)不同檢波器耦合狀態(tài)接收的地震子波(a)與頻譜(b)

3.2 實際近地表Q值估算

由上述的理論分析及模擬試驗可知,激發(fā)和接收條件對近地表Q值估算的影響較大。在實際近地表Q值估算時,應(yīng)選取相同激發(fā)條件以及檢波器耦合狀態(tài)好的資料。我們在大港ZY地區(qū)進行了大面積的雙井微測井采集,根據(jù)大港地區(qū)近地表特點,將近地表分為兩層,即潛水面以上的低速層和潛水面以下的降速層。為避免激發(fā)條件差異帶來的影響,采取單炮激發(fā)、多道接收的雙井微測井采集方式,如圖9所示,C1為激發(fā)井,C2為接收井(距離激發(fā)井4m),激發(fā)井深度為21m,在接收井底以及井口分別放置兩個檢波器R1和R2,在距離激發(fā)井30m處的地面放置檢波器R3。ray1,ray2,ray3分別表示地震波從激發(fā)點到檢波器R1,R2,R3之間的路徑?？梢岳寐窂絩ay1與ray2之間的差異估算低速帶的Q值,利用路徑ray2與ray3之間的差異估算降速層(包含高速層衰減)的等效Q值。為保證井下檢波器耦合狀態(tài)良好,本次采集選擇的井下檢波器深度不大于潛水面深度,以保證周圍巖石松軟度,并設(shè)計了特定的井下助插器使井下檢波器盡量插緊、插直,保證檢波器與周圍介質(zhì)良好的接觸關(guān)系。

圖9 實際雙井微測井采集施工示意

利用常規(guī)譜比法估算大港ZY地區(qū)近地表Q值模型。如圖10所示,該地區(qū)低速層Q值較小,低Q值將會大幅度降低地震資料的分辨率。降速層與高速層的等效Q值稍大于低速層Q值,但也遠遠小于中深層,即降速層和部分高速層的吸收衰減作用同樣比較嚴重,對地震資料的影響較大。

圖10 大港ZY地區(qū)近地表Q值模型a 低速層Q值模型;b 降速層與高速層等效Q值模型

4 結(jié)論

本文通過模擬試驗及實際微測井資料的分析,得出以下結(jié)論。

不同深度激發(fā)得到的地震子波主頻相差較大,檢波器耦合效應(yīng)使地震子波嚴重地缺失低頻成分,且高頻部分出現(xiàn)類似“陷波”現(xiàn)象。不同激發(fā)深度以及不同檢波器耦合狀態(tài)都會帶來地震子波差異。

由激發(fā)深度引起的地震子波差異和由檢波器耦合狀態(tài)導致的地震子波差異降低了近地表Q值估算的精度。

實際微測井資料采集過程中,應(yīng)該盡量保證良好的檢波器耦合狀態(tài);實際近地表Q值估算時應(yīng)避免激發(fā)條件差異帶來的影響。ZY地區(qū)近地表吸收衰減作用比較嚴重,對地震資料采集質(zhì)量的影響應(yīng)予以重視。