激發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教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢430100;3.非常規油氣湖北省協同創新中心,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中傳播時的能量衰減和速度頻散可以利用品質因子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[6]。研究表明,激發深度和檢波器耦合是影響地震資料品質的主要因素,合理地選擇激發條件和改善檢波器的耦合狀態能大幅度提高地震資料的品質[7-8]。國內學者在激發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中柱狀炸藥震源激發效果,合理選擇激發參數。藍陽等[10]認為最佳激發并非高密度、高爆速炸藥激發,應兼顧等熵膨脹指數等的影響。其它學者在特殊地表條件下激發方式的合理選擇做了深入研究,齊中山[11]和楊勤勇等[12]通過數值模擬和野外試驗分析等方法,對灰巖裸露區地震激發的機理及改善激發效果方面做了深入研究。王昀等[13]在表層結構調查基礎上,基于地形與表層結構的動態設計技術設計井深,提高低信噪比地區地震采集激發效果。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構對地震信號的影響?；趶椥圆▌恿W理論,石戰結等[16-18]和陳高翔等[19]開展了檢波器-介質耦合系統研究,在提高灰巖裸露區、西部沙漠地區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上,提出了一種大地耦合響應的野外測量方法。李國發等[23]采用雙井微測井地震數據分析了地震衰減非線性特征,指出實際微測井資料受激發、接收耦合、近場效應等多方面的影響,設計了一種能削弱接收耦合效應的微測井觀測系統,并提出了一種不受激發條件影響的近地表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,較為準確地建立了大港ZY地區的近地表Q值模型。

1 激發接收條件對Q值的影響

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

(1)

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

檢波器耦合項R(f)與接收參數有關,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、正、直、緊”原則,通過改善檢波器與大地之間的接觸關系,可以降低耦合效應的影響,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,當頻率小于諧振頻率時,耦合效應可以忽略不計;當頻率大于諧振頻率時,耦合效應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,其耦合效應R(f)在復數域的表達式為:

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共振頻率;ηg為檢波器內置彈簧的阻尼因子;ηc為檢波器與大地之間的阻尼因子;f為頻率;i為虛數單位。圖1a對比了兩種不同阻尼因子檢波器振幅耦合響應。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變化相對平緩。圖1b為上述兩種情況對應的相位曲線,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。檢波器耦合效應對地震信號頻率和相位產生較大影響。

圖1 兩種不同阻尼因子對應的檢波器耦合響應的振幅(a)、相位(b)

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

(3)

式中:

2 數值模擬

為模擬激發和接收條件對Q值的影響,設計了如圖2所示的雙井微測井觀測系統,由深至淺激發,激發點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,激發井和接收井的距離為5m。依據潛水面的位置,將近地表分為兩層,第1層的速度v1=600m/s,品質因子Q1=2.5;第2層的速度v2=1200m/s,品質因子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為激發點號;j=1,2為接收點號;Xij(f),Hij(f),Pij(f)分別為第i炮激發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)分別為激發項與接收項。

圖2 雙井微測井觀測系統

2.1 激發條件模擬

通過給定不同激發深度的地震子波主頻,利用(7)式可模擬出不同激發條件的地震信號,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果如圖3所示。根據地層吸收衰減規律,S3處地震波傳播的距離遠,理論上經歷的吸收衰減應更加嚴重,然而從圖3b可以看出,S3處激發得到的子波主頻稍高于其它兩個子波的主頻。很明顯,激發條件差異導致了模擬地震數據不滿足吸收衰減規律,為定量分析激發條件對近地表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處激發地震波傳播的衰減差異來估算第1層品質因子Q1,用S2和S3處激發地震波傳播的衰減差異來估算第2層品質因子Q2。估算的結果為: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。激發條件模擬試驗結果表明,不同的激發條件降低了近地表Q值估算的精度。

圖3 模擬不同激發條件的地震信號(a)及其頻譜(b)

2.2 檢波器耦合模擬

不考慮激發條件的影響,即S1,S2,S3處激發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的檢波器耦合參數,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,故模擬結果基本不受檢波器耦合的影響,其對應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,模擬結果如圖5所示,地震子波發生畸變,出現多個旁瓣,對應的頻譜亦出現了畸變,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、R1接收,S2激發、R1和R2接收以及S3激發、R2接收的地震信號來聯合估算Q值,頻帶范圍為0～80Hz,估算結果為: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 檢波器耦合狀態差的條件下模擬地震信號(a)以及頻譜(b)

3 實際地震數據分析

3.1 實際微測井地震資料分析

為驗證激發條件、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進行了兩次試驗。試驗采用井中激發、地面接收的方式進行,具體試驗參數如下:激發井深9m,激發深度分別為9m和5m,在地面距激發井5m處布設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、埋置正常檢波器接收方式,獲取了不同激發條件下的地震資料。圖7a 為試驗1獲取的道集資料,從左到右激發深度分別為9m與5m,圖7b為對應的頻譜。按照地震波衰減規律,波在地層中傳播的距離越長,衰減越嚴重,主頻應向低頻移動。分析圖7b可以看出,資料呈現出與地層吸收衰減規律相反的現象,傳播距離越遠的地震波,其主頻反而越大,9m處激發比5m處激發得到的地震子波的主頻約高55Hz。很顯然,隨著激發深度的增大,激發巖性發生變化,即激發條件不同導致了地震子波主頻差異。這種由于激發條件不同產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所示的觀測系統開展的試驗2,即在9m處激發,地面兩種不同埋置狀態的檢波器同時接收。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生畸變。圖8b為其對應的頻譜,可以看出,檢波器耦合對地震資料的頻譜影響較大,檢波器耦合狀態差獲取的地震子波嚴重缺失低頻信息,且高頻部分出現類似“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 相同位置激發不同檢波器耦合狀態接收的地震子波(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,應選取相同激發條件以及檢波器耦合狀態好的資料。我們在大港ZY地區進行了大面積的雙井微測井采集,根據大港地區近地表特點,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。為避免激發條件差異帶來的影響,采取單炮激發、多道接收的雙井微測井采集方式,如圖9所示,C1為激發井,C2為接收井(距離激發井4m),激發井深度為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良好的接觸關系。

圖9 實際雙井微測井采集施工示意

利用常規譜比法估算大港ZY地區近地表Q值模型。如圖10所示,該地區低速層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,得出以下結論。

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

由激發深度引起的地震子波差異和由檢波器耦合狀態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,應該盡量保證良好的檢波器耦合狀態;實際近地表Q值估算時應避免激發條件差異帶來的影響。ZY地區近地表吸收衰減作用比較嚴重,對地震資料采集質量的影響應予以重視。