可控震源低频能量激发在低频地震数据采集应用中的误区.doc

可控震源低频能量激发在低频地震数据采集应用中的误区陶知非刘兴元王志杰（东方地球物理公司国际勘探事业部，河北涿州 ；中国石油物资公司；大庆钻探物探一公司）摘要陶知非，刘兴元，王志杰可控震源低频能量激发在低频地震数据采集应用中的误区物探装备，（）：低频地震数据采集与低频可控震源是近来国际地球物理市场上的热门话题。 但是，在实际应用中必须明白这项技术的背景与应用条件，处理好一些关键技术的衔接，才能在地震勘探中发挥低频能量在解决油藏方面潜在的 固有优势。 本文结合作者的亲身实践，将应用中容易混淆的几个概念与大家讨论，共同思考如何推动这项技术的 应用。关键词 低频地震数据采集 低频可控震源 误区， ，（）：， ， ，采集；误区三：常规扫描信号与低频扫描信号的相位 误差以及畸变应该大致相当；误区四：只要 有 低 频 震 源，就 可 以 进 行 低 频 地 震勘探；误区五：低频采集作业会对可控震源造成严重 损坏；误区六：低频震源可以采用常规的观测系统与 数量配置。本文 （上 篇）对 误 区 一、二、三 进 行 了 深 入 地 探 讨；误区四、五、六将在下篇中进行探讨。 年东方地球物理公司 与 荷兰皇家壳牌石 概述低频地震数据采集与低频可控震源是近来国际地球物理市场上的热门话题，低频能量在解决油藏 方面具有潜在的固有优势。 但是，在实际应用中，要 想充分发挥可控震源低频能量激发的优势，必须正 确理解并处理好以下几个容易混淆的概念，走出下 面几个误区：误区一：低频地震采集是因为先有了低频可控 震源；误区二：常规可控震源可以用于低频地震数据 本成果是国家“十二五”国家 项目高精度可控震源技术专题（编号：）下的高精度可控震源中研究课题的一部分。 陶知非， 会员，教授级高级工程师，目前主要从事可控震源激发与应用研究工作。油公司（）开 展 了 低 频 激 发、大 偏 移 距、高 密 度地震数 据 采 集 的 先 导 性 试 验，并 取 得 了 突 破 性 进展。野外实际地震数据采集处理结果验证了采用 特殊设计的低频可控震源（）激发低频地震 信号（）的 可 实 现 性，同 时 也 验 证 了 低 频 地 震信息对全波场反演（）的重要意义以及对速度建模精度的影响，如图 所示。施仑贝榭（ ）公司利用纯模型数据进行相对波阻 抗 反 演， 也得到了同样的研究结果，如图 所示。正是因为地球物理界真正地看到了可以通过主动激发产生低频地震信号的作用，从 年开始，国际地球物理勘探地震数据采集服务的市场上，几乎所有应用可控震源的地震采集项目都被要求开始 尝试采用低频信号激发技术。 实际上，经历过低频 地震采集试验后，回顾起来才更清楚地认识到低频 地震采集项目的风险非常大，稍不注意，就会功亏一 篑，根本达不到预期的地质效果。下面结合国内外在低频地震数据采集方面的具 体应用，列举出应用中易出现的几个最为重要的误 区，也是一种后思考，与大家分享。误区一：低频地震采集是因为先有了低频可控震源目前一些人还认为低频地震采集是因为先有了低频可控震源，这个不是“先有鸡，还是先有蛋”那样 的混沌问题。 低频地震信号的研究是从观测天然地 震开始的。 一些科学家采用被动（无源）观测的方式 接收天然地震激发数据，其中最早开展这方面研究 工作的是瑞士苏黎世的 项目研究组。项目组的主要研究内容是低频信息与流体关联性的研究。 俄罗斯的科学家也观测到图地震记录中低频信息对速度模型精度的影响天然地震活动中的低频信息对油气藏检验的作用，通过对低频地震信息异常的处理，研究低频信号对流体的特殊响应，分析油气藏的油气特 征。 国 内 贺振华教授等知名学者也对类似现象进行过数值模 拟，早期的这类研究工作可以归结为： 油 藏 区 低频伴影研究； 储层含油气性能的检测。在图 中油气藏的低频伴影现象中可以看到：频率为时，油藏下方有高能量团（图 左），当频率提高到后，这一现象消失（图 右）。图 左所示的是地震剖面与钻井井位，其中实 心点表示钻遇到油气区，空心点表示钻空。 图 右是通过对频率属性提取后的显示结果，从中可以看图楔状模型的相对波阻抗反演结果图 油气藏的低频伴影现象（等）图 储层含油气性能的检测（ 等）出：有低频能量团的地方的确与储层的含油气性有关，而无低频能量的地方则与储层的含油气显示无关。数值模拟的结果（见图 所示）也间接证实储层 的含油气与地震记录中的低频属性有某种关联性。 类似的研究还在巴西、阿联酋等国家的油田区也开展过。 这些研究的共同点都说明油藏中流体 的属性确实 与 地 震 记 录 中 的 低 频信息有特殊的联 系，可究竟哪些低频信息更能准确地反映这些属性 则莫衷一是，但是大家公认且具有普遍意义的是：这 些对油气指 示 有重 要 意义 的低频频带通常在 之间，正是基于这样的认识，国内外的一些学者进 行 了 使 用 低 频 信 息 进 行 烃 类 指 示 性 （，）方面的研究。研究中人们意识到：仅仅从天然场源得到这些低频信息是远远不够的，也影响了研究周期和研究 效果。 因此，研究人员开始寻找主动激发低频地震信号的方式，期望通过进一步的数据采集试验，加深对流体属性与低频信息联系的认识。地震信号激发源有多种形式，其中采用炸药激 发最为简单。 但是，在实践中发现：激发低频地震波 信号需要较大的炸药量，我们在做低频信号激发对 比试验中曾经采用 井深、单井 的药量 进行激发（国际上进行大地构造研究时，为了得到莫霍面的反射信号，曾经采用 的炸药进行 激发）。 绝大多数国家的油田区对这样的试验，特别是像工业性实施这样的作业方式都是严格禁止的。因此，要想进行主动源低频地震数据采集试验或未来工业化的规模作业生产，唯一的选择就是采用可 控震源。可控震源在激发地震波的过程中，具备了低能 量密度特点，激发能量的积累是通过增加激发时间 实现的，因此对周边环境与基础建设无危害，且激发 频率与激发强度可控，所以，可控震源就成为未来激 发低频信号重要的手段。从事可控震源研究的人们知道：可控震源是一 种低能量密度的激发源，总的激发能量不像炸药震 源那样瞬间释放完成，而是依赖激发时间的积累，但 总的激发能量并不低于炸药震源，并且是具有激发 频率与振幅精确控制特点的地震波激发工具。 地球 物理工作者正是看到了可控震源在激发能量与频率 控制精度上的特殊优势，尝试用它进行地震低频信 号激发研究的。 但在相当长一段时间里，可控震源 并未在这一领域表现出满意的效果。 从经济性角度 出发，未来在相当长的时间里，低频地震数据采集仍 以被动 检 测 为 主。 在 年 前，国 际 上 （）多次 召 开 被 动 地 震 采 集 技 术 研 讨 会 （），因此说低频地震数据采集的历 史由来已久，并非因为有了低频可控震源的缘故。图油气检测中的低频伴影数值模拟（贺振华等）最低极限频率。低频震源的技术核心是尽可能地提高低频信号 的下传能力，在提高低频信号下传能力的同时，还要 提高激发信号的频带宽度。 实际上，如果不采用特 殊的能量补偿方法，则高频端激发能量的损失是非 常明显的。 高频有效频率要远远低于常规震源的激 发频率，因而常规震源往往不具备在较宽的地震信 号激发频带内激发地震波的能力，但不排除其在一 些特定地区（如：信噪比高的地区）应用，特别是在高 频信号的衰减不强、低频背景较弱的地区应用，可能 会收到一定的改善效果。图 所示的是采用地面激发、井中接收的激发 频率试验。 从试验中可以看出：随着地面激发信号（图 上）频 率 的 升 高，井 中 接 收 到 有 效 信 号 （图 下）的信噪比也逐渐提高，当频率达到时，地面与 井中信号的振幅比基本可以接受，井下的信号可以复 现地面的信号。从图中还可以看出：因为谐波的频率高，所以，谐波信号恢复得就比基波快得多了。误区二：常规可控震源可以用于低频地震数据采集一般情况下，采用常规震源进行低频地震勘探的效果是难以保证的，这与近地表、地下地质结构和 物性有关，也与受迫振动的约束条件有关，从研究的 角度看，这确实是一个比较复杂的问题。目 前 许 多 常 规 震 源 宣 称 可 以 用 于 低 频 地 震 勘 探，其实质是最低起始频率为 。 一些油公司之 所以接受并尝试使用它们，原因就是期待用常规震 源完成低频地震信号的激发，降低地震勘探作业的投入，更重要的原因是要降低未来低频地震数据采 集作业的门槛！近期知名 的 物 探 装 备 供 应 商 公 司 修 改 了它生产的 、 可控震源关于激 发频带的技术指标值，使其描述更加准确：其中原来 手册中标称最低极限频率现改为最大行程振幅下的图 井地信号接收试验（）美国德州大学（，）也做过类似的试验（见图），当地面激发频率达到时，井中的有效 接收信号基本可以复现出来。传统意义上的低频可控震源是指低频极限频率 低于的震源，但是作为直接烃类指示（）或 低频伴影研究用的低频有效信号的频率一定要低于！因此，目前国内外都在研究如何实现 甚 至更低的地震信号激发。常规可控震源的低频极限频率一般为 ，表面上看这是震源机械结构与液压系统流量能力的限制，实质上是以大地的响应问题为主的多因素约束，因此，常规震源低频起始频 率 通 常 设 定 为 或是有客观依据的。 正是因为低频信号下传极其 困难，所以说低频可控震源不仅仅是信号激发技术的挑战，更是低频信号下传技术的挑战！ 对于地球物理应用还有另外矛盾的难题，即：解决地质问题，不仅需要低频，还需要高频。因此，作为地震信号的激发源，可控震源必须同时满足频带宽度向两个相反的方向上拓展的需求。从事大地构造或天然地震研究只追求低频段的特性，而高频段只要满 足有限倍频程数（倍）就可以了，一般在左右。因为低频地震信号对地球物理工作者的极大吸引力，人们不断尝试采用常规震源激发低频地震信 号。 年西方地球物理公司（）首次提出了 最大位移 扫 描 （ ）技 术 的 概 念，并 在 常规震源上实现了低频扫描信号的激发。最大位移扫描信号技术实际上是一种基于激发 信号振幅约束的，通过增加激发时间（扫描长度）来 加强低频信号能量的非线性扫描信号设计技术。 对 于常规 震 源 而 言，采 用 扫 描 设 计 技 术，基 于 输出振幅的约束，就能够实现扫描信号向低频段延伸，确实可以提高低频段的激发能量，见图 所示。从图 中 可 以 看 到： 振 幅 谱 （图 左）中 的 信号与线性信号 相 比，低 频 输 出 力 曲 线 明 显 地 向低频部分延伸了，表明震源激发的低频能量应该有所加强； 深部（图 右）反射层成像的信噪比得到了明显地改善，反射连续性明显提高。无论何种型号的可控震源，只要提供其低频最 大位移振幅和最低频率等基本参数，理论上就可以 通过激发信号振幅约束的计算方法，在不考虑其它 约束条件下，进一步设计任意低的地震激发信号。但可控震源激发低频能量的大小，取决于震源单 次最大能量与激发时间。换言之，采用 扫描完全 可以实现极低频率（）的地震激发扫描信号，也 可以实现所需要的激发能量，但需要更长的激发时间 来保证，同时需要特别注意的是：即便采用更长的激 发时间，也不表示这些信号的有效频率能够达到期望 值。所以，为了市场竞争等因素，一些震源制造商在技术指标中单纯地采用满行程下的技术描述并不准 确，应该增加在该频率下的输出力或幅度的大小。在实际应用中，因为采用常规震源激发存在难 以克服的低频能量过低、无法实现有效信号检测与 去噪、液压系统流量约束过强以及低频谐振频率的 瓶颈，所以并没有形成工业性应用流程或规范。 现图井地信号接收试验，图 两种激发方式的地质效果对比（等，）在一些油公司尝试采用常规震源使用的低频信号激发只能属于“蜀中无大将，廖化为先锋”之举了。与特殊 设 计 的 低 频 可 控 震 源 （）相 比， 同样激发能级的可控震源除了主要的振动系统结构 与液压系统流量的差异外，在低频实际输出力方面 的能 量 差 异 比 较 大，如 图 所 示。 常 规 震 源 采 用 扫描设计输出信号的背景更强，影响范围更宽， 如图 所示。激发能量的差异可能好理解，甚至可以直接通过计算得到，但背景的差异就涉及较多的因素，其中 一个主要因素就是能量守恒：当激发能量一定时，如 果下传的能量少，则驻留在源附近（或称近源）的能 量就相对多，因此，背景噪音自然也就高。从图 中还可以看出：与常规起始的激发频率 相比，即便是低频震源引发的背景也显得高。图同等激发能级，低频（上）与常规震源（下）在低频时激发能量的差异图同等激发能级，低频（左）与常规震源（中）以及正常频率激发（右）时背景的差异）近地表的影响。从可控震源能量输出的角度看，因为受到振幅等条件的约束，输出能量是在约束条件下的能量，与低误区三：常规扫描信号与低频扫描信号的相位误差及畸变应大致相当频激发频率有关，因此不能套用额定输出力进行评价。很多人在尝试进行低频扫描信号激发试验时，一个 最 难 过 的 门 坎 就 是 可 控 震 源激发质量控制 （），其中相位、输出力以及输出信号的畸 变 都 不 能满足传 统 技 术 标 准 的 要 求。 这是一个客观的事 实，实际上相关的技术内幕还远远不止这些：信号传 输、系统控制模型辨识与控制、 数据的处理方式 都存在差异。 因此要想用传统的可控震源激发质量 控制方法来评估低频扫描信号的表现，当然异常困 难，而且是不客观的。低频扫描信号在实际应用中存在几个主要方面 的因素影响着最终的质量控制：）控制系统本身的影响；）低频扫描信号的设计方法；）可控震源物理结构参数的影响；传统可控震源的控制系统为了避免低频干扰，往往设计有模拟高通滤波，因此，在信号低频段不可避免地引入了相位误差，见图 所示。图系统线性滤波器在低频段的特性曲线作为信号检测元件的传感