蔣 立,劉宜文,范 旭,楊曉海,王曉濤

(中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所,新疆烏魯木齊830013)

在進行近地表Q補償時,無論是采用補償系數(shù)法[1],還是采用粘彈波動方程延拓方法[2],都必須準(zhǔn)確計算出近地表品質(zhì)因子Q。利用地震數(shù)據(jù)的頻率和振幅計算出的Q值被稱為相對Q值[3-4],其準(zhǔn)確性較差,利用相對Q值進行近地表Q補償會造成地震數(shù)據(jù)高頻端穩(wěn)定性變差,信噪比降低。為了提高近地表Q場的精度,李國發(fā)等[5]采用雙井微測井實測近地表Q值;王靜等[6]利用全井段VSP資料計算近地表Q值,利用實測Q值約束相對Q場,建立準(zhǔn)確的近地表Q場。于承業(yè)等[7]利用雙井微測井資料,通過求解地面和井下檢波器的峰值頻率變化方程組,獲得了近地表Q值的解析解,但該方法沒有考慮炮檢點耦合對Q值計算結(jié)果的影響。丁冠東等[8]發(fā)現(xiàn)激發(fā)深度和檢波器耦合效應(yīng)會影響微測井信號的頻譜特征,利用共激發(fā)點資料消除激發(fā)條件差異,但其對于檢波點耦合差異,只是通過提高工藝水平來消除。翟桐立等[9]提出深井激發(fā)、淺井和地面短排列接收的近地表Q值估算方法,該方法可避免底部界面虛反射對子波的干涉,但沒有涉及如何消除炮檢點耦合的影響。另外,楊智超等[10]基于雙井微測井?dāng)?shù)據(jù),利用譜比法求取單點Q值,王曉濤等[11]在厚沙漠區(qū)采用了單雙井微測井等多種采集方法計算近地表Q值。

現(xiàn)有微測井采集方法為井中激發(fā)、地面接收方式,井中激發(fā)一般采用雷管,激發(fā)的地震波頻率較高,可以提高初至?xí)r間拾取的精度,從而準(zhǔn)確反演近地表速度變化。但這種方法用于近地表Q調(diào)查時存在炮點和檢波點耦合問題,且激發(fā)頻率越高,耦合問題越嚴(yán)重。本文提出了一種炮檢點對稱的雙激發(fā)微測井采集方法,采用電火花激發(fā)方式,激發(fā)井深度大于低速帶厚度,井間的距離約大于激發(fā)井深度,檢波點等距離(約1～3m)布置在兩井之間。計算近地表Q值時可通過對稱互換的方法消除炮點和檢波點耦合對Q值反演的影響。

1 問題分析

利用微測井資料計算近地表Q值時,如何消除炮檢點耦合影響是一個十分關(guān)鍵的問題。圖1a展示了一個地下不同深度點激發(fā)、地表檢波器接收的微測井記錄,數(shù)據(jù)道的炮檢點距離從左至右逐漸增加。按照地震波衰減理論,傳播距離越長,地震波高頻成分衰減越多,頻帶寬度越窄,而實際記錄相反,傳播距離長的深度(地下39m處)激發(fā)的數(shù)據(jù)道初至頻帶寬度(圖1b)大于傳播距離短的深度(地下1m處)激發(fā)的數(shù)據(jù)道初至頻帶寬度(圖1c)。究其原因,是地下1m處激發(fā)點地層疏松、激發(fā)耦合條件差[12],而39m處激發(fā)點地層壓實好、密度大、耦合條件好。因此,炮點耦合對數(shù)據(jù)頻率衰減的影響遠(yuǎn)大于傳播距離的影響,如果計算地層品質(zhì)因子時不考慮炮點耦合的影響,則會計算出一個負(fù)的Q值,不符合常規(guī)地震波傳播衰減理論。

圖1 共檢波點微測井記錄及頻譜a 不同深度點激發(fā)的共檢波點微測井記錄; b 深度39m激發(fā)道初至頻譜; c 深度1m激發(fā)道初至頻譜

檢波點耦合問題在近地表Q值計算過程中同樣突出。圖2展示了同一個激發(fā)點(深度為30m),距離激發(fā)井1m到32m布置的近地表不同檢波器接收的微測井記錄(圖2a)及其初至波瞬時譜(圖2b),數(shù)據(jù)道從左至右炮檢點距離逐漸增加。初至波瞬時譜采用S變換方法[13]計算,按照地震波傳播理論,地震波的高頻應(yīng)該隨著傳播距離的增加而逐漸衰減,但圖2b 所示的初至波瞬時譜變化毫無規(guī)律。究其原因,是檢波點耦合差異破壞了地震波的衰減規(guī)律。近地表檢波器的耦合條件好于井中檢波器,使用井中檢波器接收數(shù)據(jù)計算Q值時,更需要考慮檢波點耦合的影響。

圖2 相同炮點不同近地表檢波點微測井記錄(a)及頻譜(b)

2 方法原理

雙井激發(fā)、地表接收采集方式如圖3所示。激發(fā)點1和激發(fā)點2的深度相同,接收點1與激發(fā)井1的水平距離等于接收點2與激發(fā)井2的水平距離。

假設(shè)激發(fā)點1的耦合響應(yīng)為s1(f),激發(fā)點2的耦合響應(yīng)為s2(f),接收點1的耦合響應(yīng)為r1(f),接收點2的耦合響應(yīng)為r2(f),f表示頻率,則有:

y11(f)=x11(f)×s1(f)×r1(f)

(1)

y12(f)=x12(f)×s1(f)×r2(f)

(2)

y21(f)=x21(f)×s2(f)×r1(f)

(3)

y22(f)=x22(f)×s2(f)×r2(f)

(4)

式中,y表示受炮檢點耦合影響的信號,x表示不受炮檢點耦合影響的信號,x和y下標(biāo)的第1個數(shù)字表示激發(fā)點序號,第2個數(shù)字表示接收點序號。

圖3 雙井激發(fā)、地表接收方式

利用譜比法計算Q值時,需要計算衰減前后數(shù)據(jù)譜比的對數(shù)(消除炮點耦合條件的影響),即:

ln[x11(f)]-ln[x12(f)]+ln[r1(f)]-

ln[r2(f)]

(5)

ln[x22(f)]-ln[x21(f)]+ln[r2(f)]-

ln[r1(f)]

(6)

式中:A1(f)是針對激發(fā)點1的兩個接收點譜比對數(shù),A2(f)是針對激發(fā)點2的兩個接收點譜比對數(shù)。假設(shè)激發(fā)井1和激發(fā)井2之間地層的Q值在水平方向上基本不變,那么其平均譜比對數(shù)為:

A(f)=[A1(f)+A2(f)]/2=

{ln[x11(f)]-ln[x12(f)]+ln[x22(f)]-

ln[x21(f)]}/2

(7)

A(f)就是消除了炮檢點耦合影響的譜比對數(shù)。

實際數(shù)據(jù)初至波附近的頻譜采用S變換方法[13]得到,計算公式為:

(8)

式中:S表示h(t)函數(shù)的S變換,f為頻率,t為時間,用于控制高斯窗函數(shù)在時間軸上的位置。S變換主要用來求取初至?xí)r間處的瞬時頻譜,它使用頻率參數(shù)調(diào)節(jié)時窗長度,頻率越低,時窗長度越大,頻率越高,時窗長度越小。因此,S變換克服了常規(guī)傅里葉變換時窗長度固定不變的缺點,計算出的頻譜較好地展示了初至波時刻的頻率特性[14]。

用直線A=af+b對計算出的譜比對數(shù)的n個數(shù)據(jù)點(Ak,fk)(k=0,1,…,n)進行回歸分析[15-16],得到譜比對數(shù)的斜率a,由下式計算地層品質(zhì)因子Q:

Q=π×t/a

(9)

式中:t為地震波傳播時間。

3 應(yīng)用實例

實際數(shù)據(jù)采用圖3所示雙井激發(fā)、地表接收采集方式,激發(fā)點1的兩個接收道記錄如圖4所示,激發(fā)點2的兩個接收道記錄如圖5所示。圖4b、圖4d、圖5b和圖5d是用S變換方法計算出來的初至頻譜,代表初至?xí)r刻的瞬時譜。從激發(fā)點1到接收點1的地震波傳播距離小于從激發(fā)點1到接收點2的傳播距離,其頻帶寬度(圖4b)也大于后者(圖4d),符合地震波傳播衰減規(guī)律。從激發(fā)點2到接收點1的傳播距離大于從激發(fā)點2到接收點2的傳播距離,但其頻帶寬度(圖5b)大于后者(圖5d),不符合地震波傳播衰減規(guī)律,這主要是受檢波點耦合的影響。

如果只用激發(fā)點1的兩個接收道計算Q值,其譜比對數(shù)(圖6a)的斜率為0.0092,通過拾取微測井記錄的初至起跳時間得到初至?xí)r間,兩個接收道之間的初至?xí)r差為0.00325s,據(jù)此求得的Q值為1.1098,小于真實的Q值。這是因為該譜比對數(shù)的斜率受檢波點耦合的影響偏大,根據(jù)公式(9)計算的Q值必然偏小。如果只用激發(fā)點2的兩個接收道計算Q值,其譜比對數(shù)(圖6b)的斜率為-0.0058,兩個接收道之間的時差為0.00325s,求得的Q值為-1.7603,不符合地震波傳播理論。

圖4 激發(fā)點1兩個接收點記錄及頻譜a 接收點1記錄; b 接收點1初至頻譜; c 接收點2記錄; d 接收點2初至頻譜

對兩個譜比對數(shù)求平均(圖6c),則消除了檢波點耦合的影響。對平均譜比對數(shù)數(shù)據(jù)點進行回歸分析,得到譜比斜率為0.0017,兩個接收道之間的初至?xí)r差為0.00325s,根據(jù)公式(9)計算的Q值為6.0059。

圖6所示的譜比對數(shù)圖中,低頻部分(小于20Hz)呈現(xiàn)非線性特征,主要原因是炮檢點相距較近時出現(xiàn)了近場效應(yīng)[17],在進行回歸分析時應(yīng)將其剔除。

圖5 激發(fā)點2兩個接收點記錄及頻譜a 接收點1記錄; b 接收點1初至頻譜; c 接收點2記錄; d 接收點2初至頻譜

圖6 雙激發(fā)雙接收譜比對數(shù)a 激發(fā)點1譜比對數(shù) ; b 激發(fā)點2譜比對數(shù); c 激發(fā)點1和激發(fā)點2平均譜比對數(shù)

為了與常規(guī)雙井微測井Q采集方法進行對比,在激發(fā)井1旁邊布置1口接收井,井口和井底各布置一只檢波器,仍然在激發(fā)點1進行激發(fā)(圖7)。圖8展示了地面(圖8a、圖8b)和井底(圖8c、圖8d)接收的記錄和初至頻譜以及譜比對數(shù)(圖8e)?？梢钥闯?譜比對數(shù)與頻率的關(guān)系沒有出現(xiàn)線性特征,主要原因有兩個:①檢波器通過重錘下到井中并向井中灌注泥漿后,雖然經(jīng)過一定時間的沉淀,但仍然無法保障井中檢波器的耦合條件,其耦合特征也與地面檢波器耦合存在較大差異;②井中檢波器與激發(fā)點1的距離較近,接收到的信號穩(wěn)定性較差,尤其是低頻端,在計算譜比斜率時需要將低頻端的許多數(shù)據(jù)點剔除,這使譜比斜率的準(zhǔn)確性降低了不少。

圖7 常規(guī)雙井微測井激發(fā)接收方式

圖8 常規(guī)雙井微測井記錄對比a 地面接收記錄; b 地面初至頻譜; c 井底接收記錄; d 井底初至頻譜; e 井底與地面記錄的譜比對數(shù)

由此可見,常規(guī)雙井微測井Q采集方法得到的數(shù)據(jù)譜比斜率規(guī)律性差,無法準(zhǔn)確計算出近地表Q值。另外,井中檢波器采集的資料信噪比遠(yuǎn)低于地面檢波器采集的資料(圖9),這必然會對近地表Q值計算產(chǎn)生不利影響。

圖9 地面檢波器(a)與井中檢波器(b)資料對比

4 結(jié)束語

本文提出雙井激發(fā)、井間地表布置雙接收點,且激發(fā)點與接收點對稱分布的近地表Q采集方法,通過使用相同炮點、不同檢波點的譜比斜率消除了炮點耦合的影響,通過兩個激發(fā)點的平均譜比斜率消除了檢波點耦合的影響,大大提高了近地表Q的采集及計算精度。

在野外數(shù)據(jù)采集中,可以通過增加激發(fā)點與接收點的距離來增加接收信號的穩(wěn)定性,避免利用回歸分析方法計算譜比斜率時大量剔除低頻端異常數(shù)據(jù)點,從而提高Q值計算的穩(wěn)定性。

需要指出的是,該方法需要假設(shè)兩個激發(fā)井之間水平方向的Q差異性較小,近地表結(jié)構(gòu)變化劇烈時無法滿足這一假設(shè)條件。