（地球探测与信息技术专业论文）针对中西部特殊地质目标的地震采集方法研究.pdf

摘要 文中在分析我国中西部地震勘探现状的基础上，着眼于采集技术研究。针对 我国中西部三种典型地震勘探问题，即复杂地表条件、复杂地下构造条件下地震 勘探，以及岩性地震勘探，分别就采集技术进行研究分析。为今后类似地区的地 震勘探工程设计提供参考建议。 针对以上三种典型地震勘探问题，分别从激发技术、接收技术和观测系统设 计等三个方面展开采集技术研究。采用正演模拟的手段，通过建立正演地质模型， 针对特殊的地质目标，进行采集方案的优化设计。针对复杂地表条件下的地震勘 探，通过正演模拟，实现激发、接收参数的优化设计，提高地震采集数据的品质。 针对复杂地下构造条件下地震勘探，结合资料处理的要求，优化采集参数，来提 高地震资料的信噪比，为地震精确成像奠定基础。针对岩性地震勘探，借鉴延迟 爆炸的思想，通过正演模拟分析，优化激发参数，以提高地震分辨率。 在进行研究分析的基础上，将研究成果应用于中西部三个区块的地震勘探实 践中。针对柴达木盆地红沟子地区、酒泉盆地窟窿山地区和准噶尔盆地石东地区 地震勘探实践，在对原来勘探工程设计分析的基础上，结合工区已有的地质认识， 建立正演模型，通过正演模拟分析，进行采集方法的优化设计，提出了针对性的 采集方案，力求为该区今后的地震勘探提供指导意见和决策参考。 本文研究中，还结合国际上地震勘探采集技术的最新进展，分析了q 系统地 震采集技术的基本特点，展望了地震采集技术的发展方向，为今后的进一步研究 工作指出了研究方向。 关键词 地震采集；优化设计；正演模拟；高分辨率 a b s t r a c t 卟i sp a p e ra n a l y z e dt h ea c t u a l i t yi nt h ew e s to fc h i n aw i 也av i e wt os e i s m i c a c q u i s i t i o n 1 1 1 er e s e a r c hi n c l u d e dt h et e c h n i q u e so fs e i s m i ca c q u i s i t i o ni nt h e c o n d i t i o no fi n t r i c a t e t o p o g r a p h i c a n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e sa n dl i t h o l o g y e x p l o r a t i o n 。n er e s e a r c hw o u l dg u i d et h es e i s m i cs u r v e yi nt h es i m u l a t e da r e a n l er e s e a r c hi n c l u d e ds e i s m i ce x p l o s i o n s e i s m i c a r r a yo fr e c e p t i o na n d g e o m e t r yo ns e i s m i ca c q u i s i t i o n t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r da no v e r a l lo p t i m i z e d m e t h o dt od e s i g no nt h eb a s eo fg e o l o g i cm o d e l a i m e da ts e i s m i cs u r v e yi nt h ec a s e o f i n t f i c a t et o p o g r a p h i c ，o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so f e x p l o s i o nb yf o r w a r dm o d e l i n g a i m e da ts e i s m i cs u r v e yi nt h ec a s eo fc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s ，o p t i m i z i n gt h e p a r a m e t e r so fa c q u i s i t i o ni n o r d e rt o i m p r o v es nr a t i o a i m e da tl i t h o l o g y e x p l o r a t i o n ，a p p l y i n gd e l a ye x p l o s i o nt oi m p r o v es e i s m i cr e s o l u t i o n t h ep a p e rd i s p l a y e dt h er e s u l t so fa p p l i c a t i o ni nt h r e ep r o j e c t si nt h ew e s to f c h i n a b ym e a n so fa n a l y z i n gt h ee f f e c ti o no f p r a c t i c ep l a n s ，b u i l d i n gt h eg e o l o g i c a l m o d e l ，o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fa c q u i s i t i o n ，t h ep l a n so fs u r v e yw e r er e d e s i g n e d i no r d e rt og u i d ef a r t h e rs u r v e y sd e s i g ni nt h es i m i l a ra r e a k e e pa ne y eo ni n t e r n a t i o n a lp r o g r e s s i o no f t h et e c h n i q u ei ns e i s m i ca c q u i s i t i o n ， t h eq - t e c hw e r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r , w h i c hw o u l d 鲥d et h ef a r t h e rr e s e a r c hi n s e i s m i ca c q u i s i t i o n k e y w o r d s e i s m i ce x p l o r a t i o n ；o p t i m i z e dd e s i g n i n g ；f o r w a r dm o d e l i n g ；h i g h r e s o l u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、使用学位论文的规定，即：中 国石油勘探开发研究院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名：日 期： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 月u 吾 地震勘探技术发展至今已有半个多世纪的时间，其间经历了三个发展阶段： 光点记录、模拟磁带记录和数字磁带记录。地震勘探技术也发生了巨大的变化， 从二维地震到三维地震、四维地震( 时间推移地震) ，从单一的纵波勘探到多波多 分量地震勘探，从构造勘探到岩性地震勘探，勘探的精度越来越高。 随着地震勘探的推进，地震勘探技术不断发展。同时，地震勘探所面临的困 难也日益复杂。目前，我国的地震勘探中对中西部地区的投入不断增加，勘探目 标将构造勘探与岩性勘探并举。由于我国中西部地区地表起伏剧烈，地表结构复 杂，地层岩性多变、构造复杂，地震勘探难度非常大。特别是由于表层地震地质 条件差，造成地震激发接收难度大；采集的资料信噪比低，地震成像难，构造难 以落实，地震资料处理难度大。 地震采集作为地震勘探的第一个环节，是整个地震勘探的基础。而目前地震 资料的品质差，已经成为制约中西部地震勘探的“瓶颈”。地震勘探工程设计中采 集技术方法主要包括三个方面，即激发技术、接收技术和观测系统设计技术。 对于地震激发震源而言，目前陆上地震勘探中使用的激发震源主要有炸药和 可控震源两种。部分地区由于受到地形和人文等因素的影响，还使用地震枪来激 发。从激发的效果来看，采用炸药震源激发，所得到的子波脉冲尖锐，地震记录 初至清晰，同时用很小的药量就可以提供很大的能量。采用可控震源来激发，使 用更为安全、环保，即使在人口和建筑物稠密地区也可以方便地施工，极大地拓 展了地震勘探地应用领域。使用地震枪激发时，主要是在堤坝、鱼塘、水网等地 区附近，不能使用炸药激发，同时可控震源无法进入到工区内部施工时采用。 制定激发参数的主要依据是表层低降速带和干扰波调查的结果。中西部地表 地质条件复杂，如起伏山地、沙漠、戈壁、草原、砾石区、黄土塬等，激发条件 差，直接制约采集数据的品质。针对不同的表层地质特征，加强表层调查的力度， 制定针对工区地震地质特征的激发方案，如采用单深井激发、浅井组合激发、可 控震源组合激发等，来提高激发的效果，为资料处理奠定基础。 在激发岩性的选取上，应尽量选取潮湿的可塑性岩层，如胶泥、粘土、湿砂 等岩性来激发，可使大量的炸药能量转换为弹性波能量。在实际的地震施工中， 针对黄土塬的地质结构特征，制定了“四避四就”原则，即“避高就低，避陡就 缓，避干就湿，避黄就红”的原则。在黄土覆盖区，激发岩性以含水黄土较好， 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 在施工中，主要尽量选择在潮湿黄土中激发，来提高激发的效果。 对于地震接收而言，常规的方法是采用检波器组合，用以提高地震记录的信 噪比，压制侧面干扰波。实际的勘探工程中，常需要对工区的干扰波进行调查， 并在此基础上，制定接收组合的方案。但组合具有低通滤波的作用，组合必然要 对信号进行改造。这种检波器组合是在野外进行的，对地震信号的改造具有不可 逆性，组合的效应将直接影响到资料处理的质量。采用高密度采集，野外不进行 组合，直接用单道接收，尽量保持地震波的波动力学特点。将组合检波在室内进 行，在室内处理的过程中，根据干扰波的特点或处理要求，进行数字组合，有利 于提高地震资料处理的效果。 对于地震观测系统设计而言，根据地震勘探的地质任务和勘探精度的要求， 采用二维或三维地震观测系统。常见的二维观测系统为直线，也可以根据工区的 地形特点，部署弯线二维观测系统：在二维勘探中，有时也采用宽线二维，其效 果类似于窄方位角三维系统观测。在三维观测系统设计中，根据不同的覆盖次数 和面元要求，制定选择不同的观测系统类型，如线束状、正交式、斜交式、砖墙 式、网状等观测系统。另外，根据不同的勘探任务，制定特殊的观测系统，如放 射状观测系统，主要应用于井间地震勘探中。 本文立足于我国中西部地震勘探的实践，着眼于地震采集技术研究，探索寻 求解决地震采集难题的思路和方法。本文研究从采集技术的三个方面进行展开， 即激发技术、接收技术和观测系统设计技术。在进行研究分析的基础上，将研究 成果应用于中西部三个区块的勘探实践中，在对原来勘探工程设计分析的基础上， 结合工区已有的地质认识，建立正演模型，通过正演模拟分析，进行采集方法的 优化设计，提出了针对性的采集方案，力求为该区今后的地震勘探提供指导意见 和决策参考。 2 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第一章地震采集技术的基本的原理和方法 地震采集技术包括三个方面的内容，即地震激发技术、接收技术和观测系统 设计技术。地震采集方案的制定，包括野外试验和干扰波调查等工作，都是主要 围绕激发、接收和观测系统参数的优化设计来进行的。 1 1 激发震源简介 目前陆上地震激发方式主要采用炸药和可控震源两种方式。采用炸药震源激 发，所得到的子波脉冲尖锐，地震记录初至清晰，同时用很小的药量就可以提供 很大的能量。采用可控震源来激发，使用更为安全、环保，即使在人口和建筑物 稠密地区也可以方便地施工，极大地拓展了地震勘探的应用领域。 1 1 1 炸药震源简介 炸药激发多采用井炮激发的方式。在岩石中埋置炸药激发时，在炸药包附近， 爆炸产生强大冲击波，压力大大超过了岩石的极限强度，岩石遭到破坏，被炸成 空洞，形成一个破坏圈，如图1 1 所示。随着离开震源距离的增加，压力减小， 冲击波蜕化，岩石发生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂隙，即塑性带。在塑 性带以外，随着压力的进一步减小到岩石的弹性限度以内，岩石开始发生弹性形 变，从而形成弹性波地震波。 弹 性 变 彩 区 图1 1 爆炸对岩石的影响示意图 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 1 1 1 炸药性能的主要参数 炸药可以按照其不同属性进行分类，从震源药柱中的装药来分，可分为三类： 铵梯炸药、胶质炸药和乳化炸药。目前陆上地震勘探所使用的多为铵梯炸药，其 主要配方包括t n t 、硝酸铵和木粉，由于各成分的比例不同，使得炸药的密度、 比热也随之变化，炸药的性能也各异。主要的性能参数有如下几个方面： ( 1 ) 爆速：炸药在被起爆后发生快速的化学反应，反应区内的炮轰波的传播 速度称为爆炸速度，简称爆速。爆速与化学反应速度成正比。药包的装药密度和 t n t 含量直接影响炸药的爆速，装药密度和t n t 含量越高，炸药的爆速也越高。 另外，装药的颗粒大小、药包的直径以及外壳的坚固程度也会影响药包的爆速。 ( 2 ) 爆力：表示炸药对围岩介质整体的压缩、破坏等作用的威力。其大小反 映了炸药爆炸做功的能力。爆力的大小主要取决于炸药的爆热、爆温和爆炸生成 气体量，爆热越大、爆温越高、爆炸生成气体量越多的炸药，其爆力就越大。 ( 3 ) 殉爆：指一个药包爆炸后引起邻近药包爆炸的现象，先爆炸的药包称为 主动药包，被引爆的药包为被动药包。由于主动药包爆炸后产生高温高压爆炸气 体作用于围岩介质，从而在一定距离内可以激发被动药包。主动药包引爆被动药 包的最大间隔距离叫做殉爆距离。引爆炸药时，要保证炸药爆炸完全，就必须考 虑炸药的殉爆。同时，在采用组合激发时，各药包之间要避免殉爆现象的发生。 1 1 1 2 影晌炸药激发效果的主要因素 影响井炮激发效果的主要因素包括激发岩性、炸药的阻抗匹配系数、药包的 几何匹配系数、激发药量和井深。 ( 1 ) 激发岩性 在不同的岩性中激发，炸药爆炸产生弹性波能量的强弱不同，激发的效果差 异较大。在含水粘土、胶泥和含水砂岩中激发，可使爆炸产生的大量能量转换为 弹性波能量，激发效果较好；在硬砂岩、较致密的泥岩中激发，效果次之；在干 燥黄土、风成砂、淤泥，以及碳酸盐露头中激发时，爆炸所产生的大部分能量被 疏散的岩层所吸收，转换为弹性波的能量不多，激发效果差。施工过程中，要恰 当选取激发岩性，提高井炮激发效果。 ( 2 ) 炸药的阻抗匹配系数 炸药的特征阻抗是炸药的密度和爆速的乘积。炸药的阻抗匹配系数是指炸药 的特征阻抗与围岩的阻抗之比，即 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 r ：鱼竖 ( 卜1 ) p 1 v 1 其中：p ，、v ，分别为炸药的密度和爆速； p 。、v 分别为围岩的密度和速度。 当阻抗匹配系数r 趋近于1 时，激发子波的能量越大，所产生的地震波的频 带越宽。 ( 3 ) 药包的几何耦合系数 炸药药包的表面积与井孔内表面的比值称为药包的几何耦合系数。对于圆柱 形炸药而言，炸药的几何耦合系数就是药包半径与井孔半径的比值。药包几何耦 合系数越小，越有利于爆炸所产生的能量转换为弹性波能量，同时，激发产生的 地震波的频率也越高。 ( 4 ) 激发药量 采用炸药激发时，地震波的主频与炸药爆炸所产生的孔穴半径成反比，即与 药量的立方根成反比( 俞寿朋，1 9 9 3 ) 。实际施工中，由于近地表介质弹性参数的复 杂性，这种反比关系不一定精确存在，但药量增大通常都会降低地震波主频与频 宽。根据盘河地区的试验，用最小均方差法拟合后，地震波主频、频宽与炸药量 之间的近似关系为： f o = 3 0 x p 0 1 9 6( 卜2 ) 兀= 2 0 9 8 p m ”2 ( 1 - 3 ) 式中：p 为炸药i l ( k g ) ；f o 为地震波主频( h z ) ；厶为颇带宽度( h z ) 。 根据野外试验的最小均方差拟合结果，在1 2 蚝药量以内，盘河地区药量p 与 地震波振幅谱极大值a 及其能量q 之间存在以下关系： a = 1 0 3 6 9 5 “p o 2 2 3 ( 1 4 ) q = 5 3 6 4 9 1 x p o ”7 ( 1 - 5 ) 从以上关系中可以看出，随着药量增大，地震波能量增大：但能量的增大速 度比较缓慢，并且这种能量的缓慢增加还必须以牺牲主频和频宽为代价。 ( 5 ) 激发井深 激发井深的不同，使得虚反射界面相对关系也不同，造成激发子波的差异。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 在潜水面较浅的地区，激发井深的选择应以潜水面为参考，一般选取为在潜水面 以下3 5 m 处激发。 1 1 2 可控震源简介 在地震勘探中，要克服环境噪音的影响，震源需要有一定的能量。采用炸药 激发时，能量时在极短的时间内释放的，能量的大小是通过药量来控制的；使用 可控震源激发时，通过低功率长时间的持续向地下激发信号，来获取高的能量。 可控震源克服爆炸产生冲击波的缺点，对地表和周围建筑物不会造成破坏。 如图1 2 所示为可控震源的工作原理示意图。可控震源是用一个长的扫描信 号来获取炸药震源同等的地震记录，图中黑盒的功能为将脉冲信号转换为扫描信 号，白盒的功能为其逆过程。从图中可以看出，从黑盒出来的扫描信号分为两路， 一路直接进入白盒，被压缩成尖脉冲；而另一路被可控震源送往地下，当遇到地 下反射界面时后被反射回来，被检波器检测到后在送到白盒被压缩成尖脉冲。两 个尖脉冲之间的延迟时间t ，就是这个反射信号的旅行时。 、b 。卜 图1 - - 2 司控震源工作原理不意图 实际上，地下存在多各反射界面，检波器所接收到的为地下多个反射界面的 叠加效应。如果相邻两个反射层很近时，来自这两个层的反射的脉冲就会重叠； 当相邻两个反射界面足够远时，反射的脉冲就可分开。如图1 3 所示为地下三个 反射层的情况，图中( a ) 为炸药震源得到的地震记录，起爆时间为t b ，( b ) 为可控震 源发射的扫描信号，( c ) 、( d ) 、( e ) 分别为三个反射层反射回来的扫描信号，( f ) 为 检波器接收到地震信号，即三个反射回来的扫描信号的叠加。经过将接收到的信 6 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 号( f ) 与扫描信号( b ) 相关处理后，得到压缩的尖脉冲信号，如图中( g ) 所示。而扫描 信号( b ) 的自相关记录( 1 1 ) 中尖脉冲所对应的时间，就相当于记录( a ) 中的起爆时间为 t b 。记录( g ) 中尖脉冲与自相关( h ) 中尖脉冲之间的时间差即为反射旅行时。 、 y v v q 懒 i ，、 w 懒黼静 图1 3 可控震源在三个反射界面时的信号记录 扫描信号可以人为控制，时一个固定的时间函数关系，通常为一线性信号 砸) = 心n 2 砌+ 簪咖 ( 0 t t ) 其中，鼻和 分别为扫描信号的起始频率和终止频率，t 为扫描长度。 ( 1 6 ) 将地层反射系数的冲击相应函数用 ( r ) 表示，则达到地面的反射信号为 y ( t ) = x ( t ) h ( t ) 设相关后的地震记录为y + ( f ) ，则有 ( 1 7 ) y + ( t ) = y ( f ) o z ( ，) = 【x ( t ) 而( f ) 】o x ( t ) = 【x ( r ) 圆x ( r ) 】十 ( f ) ( 1 - 8 ) 式中。表示相关，x ( t ) 0 x ( t ) 为x ( f ) 的自相关函数，也就是说，相关后的地 震记录为扫描信号的自相关与地层脉冲的褶积。x ( f ) 的自相关函数y 。( f ) 为 y 。( f ) = x ( r ) + x ( f ) = 丁a 2 t _ s i n z 矿a f v c 。s 2 石( f o + 万a f 弦( 1 - - 9 ) 其中： = 学，= 厶听 7 嘞黼旧蝴m 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 图1 4 扫描信号的自相关函数 图1 - - 4 为扫描函数的自相关函数，图中可以看出，其主瓣宽度为a r = 寺。 q 只要选取合适的扫描宽度a f = 一 ，使f 小于相邻界面的反射时差，就可以在 相关记录上将相邻的反射界面分辨开来。 从公式( 1 - - 9 ) 中可以看出，扫描时间越长，自相关函数的极大值越大，地 震记录的信噪比越高。 在地震勘探中，为了提高地震勘探的分辨率，可以采用增加扫描频率宽度的 方法。随着扫描频率宽度的增加，扫描信号自相关函数的主瓣宽度越窄，分辨薄 层的能力越强。如图1 5 所示。 1 0 2 0 h z 10 - - 4 0 h z ，舡s 。眦0 卜 图1 - 5 不同扫描频宽的自相关函数 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 2 延迟爆炸激发基本原理 延迟爆炸采用几级炸药按一定深度间隔依次放于同一炮井内，炸药之间用传 递导波的介质相连接。激发时首先起爆最上面的炸药；等导波传播到下一节炸药 时，第二级炸药开始爆炸；这样依次起爆所有炸药。图1 6 所示为延迟爆炸激发 方式示意图。炸药爆炸的延迟时间由级间距和炸药间传递导波的介质速度共同决 定。这种方法最明显的特点是炸药间距和爆炸速度可以人为控制，因而可根据实 际需要适当调整炸药激发参数，得到最佳激发效果。 魑势 趣淡 图1 6 延迟爆炸激发示意图 根据波的动力学理论( 杜世通，1 9 9 6 ) ，延迟爆炸情况下的声波方程表达式为： 1 a 2 u ( x ，y ，z ，t ) v 2研2 ：一0 2 u ( x , y , z , t ) 十塑 缸2 x ，y ，z ，f ) c 9 2 u ( 砂2 其中：u ( x ，弘z ) 为空间各点的位移函数 x ，y ，z ，f ) 出2 + t o ，z ( x ，y ，z ) ( 1 1 0 ) ”【x ，y , z j 为空间各点的地震波速度( m s ) ； f 为时间( s ) ；x 、y 、z 分别为三维空间的三个坐标方向； f a x ，y ，z ) 为炸药起爆对质点的作用力； t 。，为起爆时间( s ) ；n 为延迟级数。 与组合爆炸不同，延迟爆炸激发在同一井中进行激发，通过控制延迟时间， 来实现各级药包激发产生的地震子波进行同向叠加，在保持子波频谱的前提上， 提高地震子波的下传能量，此时由于入射角不同带来的影响完全可以忽略。 特别地，若要求各节炸药在同一岩性中激发，并且使各节药量相同。这样， 各节炸药激发产生的地震子波形态都是相同的，各子波之间的只是存在一个时差。 这个时差就是地震波在相邻两节药包之间的传播时间，即为延迟时间，记为t 。 设第一节药包爆炸产生的予波为f ( t ) ，则第二节药包爆炸产生的子波为 9 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 f ( t f ) ，第l q 级药包爆炸产生的子波为f ( t - ( n - 1 ) r ) 。激发所产生的总的 子波为：g ( o = ，( ) + 厂o f ) + ，o 一2 f ) + + 厂( r - ( n - 1 ) v ) 。激发所产生的总的子 波为：g ( f ) = ，( f ) + f ( t f ) + 厂o 一2 f ) + + ，o - ( n - 1 ) r ) 。设，( f ) 的频谱为f ( ，) ， 根据频谱定理的时延性，则有g ( t ) 的频谱为： g ( 厂) = k ( ，) f ( ，) ( 1 1 1 ) 其中： ，= 害筹= 等警 也就是说，n 级延迟爆炸所激发的总的地震子波的频谱g ( o j ) ，可以看作为单 个药包爆炸所激发的地震子波f ( a o 被k ( o j ) 改造后的频谱。分别计算延迟级数分 别为n = 4 和n = 6 时的频率特性，分别绘出了了延迟时间为0 0 0 0 5 s 、0 0 0 1 s 、0 0 0 2 s 时的频率特性曲线，如图l 一7 所示。 图1 - 7 组合的频率特性曲线( 左：n = 4 ，右：n = 6 ) 从图中可以看出，随着延迟时间的增加组合的通频带减小，随着延迟级数的 增加，组合的通频带也减小。为了保护激发子波的高频成分，应当适当减小延迟 时间，减少延迟级数。对于延迟时为l m s 、四级延迟激发，组合效应的通频带达 1 1 5 h z ，完全可以满足高分辨率勘探的要求。 使用延迟爆炸激发，采用多级小药量激发，能够有效提高地震予波的下传能 量和主频，对于拓宽地震子波的频带有一定效果，对于高分辨率勘探来说，是一 种非常有潜力的激发方案。 ，时啦o眦毗哪哪吣 呲。叭毗哪州彤 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 3 组合接收原理简介 根据干扰波与有效波在传播方向上的差别，可以利用组合的方式来压制干扰 波，以提高地震资料的信噪比。组合的形式可以分为：野外检波器组合、野外震 源组合和室内组合三种。 设有n 个检波器沿测线方向等距排列，检波器间隔为缸，地震波波前在地表 的出射角为a ，如图1 8 所示为组合接收的示意图。 k jl 秘 t j 。 惑 2夕 1 3 1 组合的方向特- 陛 从图1 8 中可以看出 a t ：= r 2 b v 缸s i n 口 矿 图1 8 线性组合接收示意图 ( 1 1 3 ) 若将r 1 接收到的地震记录记录记为，( 0 ，则r 2 接收到的地震记录记录记为 ，( f 一f ) ，依此类推，接收到的地震记录记录记为f ( t 一一1 ) a t ) 。设组合之后 的信号为g ( f ) ，则有： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 g ( t ) = f ( t ) + f ( t a t ) + + f ( t 一( n 1 ) f ) 设f ( t ) 的频谱为f ( ) ，则有g ( t ) 的频谱为 ( 1 1 4 ) g ( ) = 置( ) f ( ) ( 1 1 5 ) 其中： k c ，= 薹e 一 口6 l = ! ；：王e 一! j m a ( 1 - - 1 6 ) 令p = w a t = m a _ x _ s i n a ，组合的方向特性用组合后的振幅与组合前单个检波 器接收的振幅之和的比值来表示，即为： 咐们= 船| _ ( 1 1 7 ) 表示组合对来自不同方向的波的相对加强或压制效果。 因为伊= 跳扣2 , r “x t ，可以将组合的方向特性写成时差和周期的函数，即 蚴，争刮器卜 如图1 9 所示为不同数目检波器组合的方向特性示意图。 ( 1 1 8 ) 图1 9 不同数目检波器组合的方向特性 1 2 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 从图中可以看出，随着时差出的增加，组合效应的压制作用越强；同时，随 着检波器个数的增加，组合效应的通放带变窄，压制的范围增大。 1 3 2 组合的频率特性 组合的方向特性分析中，将地震波当成平面简谐波，组合前后信号的频率充 分不变，信号没有畸变。由于地震波包含有不同频率的成分，组合效应对不同频 率成分的影响是不同的，组合的频率特性曲线可由下式给出： 巾( n ，a t ，p ) ：尝 ( 1 - - 1 9 ) 以$ 1 n n y 2 x t 取组合个数n = - 8 时，组合的频率特性曲线如图1 1 0 所示。 巍鬻l i 坦) 图1 一l o 组合的频率特性( n _ 8 ) 从图中可以看出，组合相当于低通滤波器，时差越小，频率通放带越宽。 当a t = 0 时，对各种频率成分均没有压制。 1 3 3 组合效应的影响因素 组合效应是多元函数，影响组合效应的主要因素有 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 ( 1 ) 组合参数 不同的组合参数的组合效应不同。检波器组合的个数、组合基距的不同，都 会对组合效应造成影响。检波器组合的个数越多，组合基距越大，组合的方向特 性越强，通放带越窄，压制的范围越大；组合的频率效应越强，通频带越窄，组 合对不同频率的影响差异越大。 另外，采用不同的组合图形，如线性组合、面积组合、不规则组合等排列方 式，或者采用不同的灵敏度进行组合，组合的效应都要随之变化。 ( 2 ) 地层的物理结构 对于不同的地层结构模型。对于来自不同反射目的层和不同炮检距的反射， 地震波的出射角a 不同，造成相邻两个检波器间的时差不同，从而影响组合效 应。对于多层介质，设各地层的倾角为 ，射线下行时，第i 层反射界面上的入射 角为口。，透射角为屈，各层的层速度为k ，根据s n e l l 定律，各层间反射角的传递 公式为： i 口l + l = ，+ y f + 1 一， 业：虹( 卜2 0 ) 【 v 1 v i 射线上行时，第i 层反射界面_ k w h 射角为磊，透射角为口。，根据s n e l l 定律， 各层间反射角的传递公式为： f 卢f = 口i + l y f + i + y l ! 堕笪：! ! 呈竺( 1 2 1 ) 【y y 。 当地层为水平情况时，如图1 一1 1 所示为水平层状介质的地震反射示意图。 墙表 耀塌l 蝴 艳屡3 图1 1 1 水平层状介质地震反射示意图 1 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 建立地层的模型参数如表1 1 所示。 表1 1 模型参数表 层号 v ( m s ) h ( m ) 16 0 01 0 2 1 2 0 0 5 0 32 0 0 05 0 0 43 5 0 01 5 0 0 55 5 0 02 0 0 0 进行射线追踪，追踪各不同目的层和不同炮检距反射回来地震波，计算其在 地表的出射角，如表1 2 所示。从射线追踪的结果来看，由于反射目的层的埋深 不同，炮检距的差异，造成地震波在地表的出射角差异很大。随着埋藏深度的减 小和炮检距的增加，出射角随之增加。随着出射角的变化，时差出也随之变化， 从而造成组合的效应也相应地发生变化。 表l 一2 经过各层反射回来地震波的出射角 炮检距 层号弋 1 0 0 1 0 0 0 ( m )4 0 0 0 ( m ) 8 0 0 0 ( m ) l7 8 7 0 。8 8 8 0 。8 9 7 0 。 8 9 9 0 。 2 1 9 8 0 。2 9 8 0 。 2 9 9 8 。 2 9 9 9 。 31 6 0 。 1 1 9 3 。 1 6 9 0 。1 7 3 2 。 40 2 7 6 2 ，6 3 。 7 4 6 。9 ，1 3 。 50 1 0 。0 9 8 9 3 4 5 。5 1 6 。 因而组合效应是受地层的埋藏深度、地层地产状以及炮检距的不同而动态变 化的，在分析组合的效应时，要同时结合地层的物理结构模型和炮检距的变化来 综合分析。 1 4 观测系统简介 1 4 1 观测系统的类型 观测系统类型包括二维观测系统和三维观测系统。根据地震勘探的地质任务， 选择不同的观测系统类型。规则二维观测系统沿直线进行布设测线，也可以根据 实际地形特征和地表障碍特征物的分布，布设弯线二维测线。 对于三维观测系统，可以根据实际的要求，选择不同的类型，如线束状、正 交式、斜交式、砖墙式、网状等观测系统，还有如放射状观测系统( 主要应用于 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 井间地震勘探中) 、细分面元( f l e x i b i n ) 观测系统等。 1 4 2 观测系统参数的确定 观测系统一经选定之后，就要进行观测系统参数的优化设计，主要包括对炮 检距、检波点道距、面元覆盖次数、面元方位角等参数的设计。 炮检距的设计包括对最大、最小炮检距的设计，炮检距的大小要根据勘探目 的层的埋深来确定，同时要综合分析地震反射的能量关系、动校正拉伸畸变，以 及经济成本等因素的影响。 检波点道距的大小，直接影响到地震勘探的横向分辨率。进行检波点道距设 计时，主要以勘探目标的几何尺寸为依据，以不产生空间假频为标准。 面元覆盖次数的设计，要以信噪比主要依据。覆盖次数越高，资料的信噪比 越高。要根据地震勘探对资料信噪比的要求，进行面元覆盖次数的设计。同时， 设计时要使各面元中的炮检组合分布尽量均匀，以减小由于炮检组合分布不均匀 带来采集脚印，而造成处理中引入的处理噪声。 面元方位角的设计，要根据地震勘探的任务，选择宽方位角或窄方位角的观 测方式。在面元方位角的设计中，也应尽量使面元内炮检组合的方位角分布均匀， 使单位面元内所接收到的来自不同方位的反射均匀分布，以充分发挥组合的效果。 1 4 3 基于正演模拟的观测系统设计 进行观测系统的设计时，根据以往勘探的认识成果，结合工区的露头、卫星 照片、钻井、地质资料，建立工区的地表和地下地质结构模型，进行正演模拟， 来进行观测系统的优化设计。因地制宜地进行炮检点布设，并通过不同埋深目的 层的c m p 面元覆盖次数( 对于高陡构造区还应分析c d p 覆盖次数) ，以及炮检组 合特征、方位角分布等观测系统属性分析，进行观测系统的优化设计。同时，根 据所建立的地质结构模型，通过给定的地震子波，或者是合成的地震子波，进行 正演模拟，生成地震道集记录，通过分析目的层的反射结构特征和动校拉伸关系， 进行交互设计，优化观测系统属性。 1 6 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二章我国中西部地震勘探概况 时至今日，随着地震勘探的推进，勘探领域的不断延伸，陆上油气勘探生产 对象总体上出现了四个转变，即由简单构造向复杂构造的转变，由平缓地表区域 向山地、沙漠、黄土塬等复杂地表区域的转变，由中浅目的层勘探向中深目的层 勘探的转变，由构造油气藏转向构造岩性及地层岩性油气藏。地震勘探所面临的 难度越来越大，精度要求越来越高。目前，在我国中西部地区，上述问题日趋突 出。所遇到的困难非常复杂，影响因素是多方面的，主要包括地表条件、地下构 造特征，以及油藏类型等方面。 2 1 地表条件的特殊性 我国中西部地表条件差异较大，不同工区的地表特征迥异。如沙漠腹地、戈 壁砾石覆盖区、沼泽水洼地、悬崖峭壁的山地、植被丰富的草场，再如风蚀残丘、 浮土、巨厚的黄土塬等。如图2 1 所示。 ( b ) 戈壁 ( c ) 巨厚的黄土山( d ) 浮土区 图2 1 中西部地表特征 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 ( e ) 水洼( f ) 沙漠 ( g ) 风蚀残丘 ( h ) 草场 图2 1 中西部地表特征( 续) 由于中西部地表条件非常复杂，给地震勘探带了一系列的难题。首先是地震 施工难以组织。由于地表条件差，地表起伏剧烈，还存在水洼沼泽，交通不便， 地震勘探的仪器难以深入到工区内部，施工组织难度大。其次是炮检点布设难度 大，当地表为陡峭的悬崖等复杂情况时，甚至需要直升机支持作业。 第三是激发、接收条件差。地表出露为戈壁、砾石、浮土、沙丘时，炮检点 与大地的耦合程度低，记录到的地震信号能量弱，信噪比低，给地震资料处理增 加了难度。第四是干扰波发育。由于表层存在速度异常体，以及山体等因素的影 响，形成次生震源，造成地震干扰波非常发育，面波、侧面干扰波、散射波的影 响非常严重。若在草场中进行施工，由于受到表层植被的影响，随机干扰较强， 也会造成地震资料信噪比的降低。 2 2 地下构造的复杂性 我国中西部地区发众多多旋回沉积盆地，构造运动频繁，对地层的改造强烈。 从而造成地下地质构造非常复杂，如逆掩断层、高陡构造等。 由于大量断层的存在，而且断层间相互交错，使得地震波场极其复杂，构造 成像难度很大。同时，由于受到大断层的控制，地层在横向上岩性多变，波组特 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 征变化复杂，也增加了地震解释的难度。 在强构造应力背景下，地下还经常存在高陡构造，地层倾角大，构造成像难。 而且，常常还出现大规模的逆冲断层，如图2 2 所示。由于受到逆冲断层的控制， 高速的老地层覆盖在低速的新地层之上，从而对逆冲构造下盘的反射有较强的屏 蔽作用，逆冲构造下盘的构造往往由于资料信噪比太低而难以成像。若当逆冲构 造暴露在地表上，出露的高速层将对其下所有的地层造成屏蔽，影响下传的地震 能量，造成目的层资料信噪比低，难以进行处理，甚至无法成像。逆冲断层及与 之相伴生的高陡构造和复杂断块对地震勘探技术的要求很商，从地震采集到资料 处理及解释三个环节都提出了严峻的挑战。 图2 2 窟窿山逆冲构造图示 2 3 油藏类型的多样性 中西部地区由于地下地质构造及其复杂，油气藏类型就显得更为复杂。首先， 由于地下多为断块构造，形成了复杂断块油气藏，如图2 4 所示。受到复杂的断 裂系统的控制，油气藏的成藏模式也千差万别，油气藏特征及其复杂。 由于断层对地质构造的改造，地层岩性在横向上变化激烈，从而可以形成种 类多样的地层岩性油气藏，如图2 5 所示。地层岩性油气藏的勘探，是在中西部 地震勘探中所面临的更为复杂的勘探目标，地层岩性油气藏的勘探要求在弄清 地下构造的前提下，更加深入地考察地层地岩性特征，分析成藏模式，确定油气 藏的位置。 同时，在中西部地震勘探中，也经常面临逆掩构造下覆油气藏的勘探问题。 这类油气藏受到构造、断层、地层等多种因素的控制，成藏机理非常复杂。同时， 1 9 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 由于逆掩断层的遮挡，断层下盘的反射信号非常弱，构造成像难，对其下伏油气 藏的勘探，就显得更为艰难。 在中西部的地震勘探中，还有一类油气藏，即深层低幅度构造油气藏。这类 油气藏一般埋藏较深，构造幅度较小，但油气资源量非常可观。在面对此类油气 藏勘探的过程中，除了要解决通常所提到的提高深层地震资料的信噪比以外，还 要提高地震信号的分辨率如果地震资料的分辨率不够，往往无法识别这些低 幅度构造。因而，在中西部的低幅度油气藏勘探中，还必须进行高分辨率地震勘 探，这就对中西部的地震勘探提出了更高的要求。 图2 4 复杂断块油气藏图示 图2 5 地层岩性油气藏图示 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第三章针对复杂地表的采集方法研究以红沟子地区为例 在我国中西部地区，普遍存在着复杂地表条件下的地震勘探问题。针对复杂 地表下的地震采集问题，进行采集方法的研究，本次研究中以柴达木盆地红沟子 地区为例，针对复杂地表条件进行采集技术研究。此次研究工作，主要是就以往 地震施工中所用的采集参数进行分析，并对采集效果进行评价。 3 1 工区概况 3 1 1 工区的地理位置 红沟子工区位于青海省海西州茫崖地区，构造位置位于柴达木盆地西部坳陷 区茫崖坳陷亚区南翼山一红沟子构造带，总体呈向阿尔金山抬升、往盆内倾伏的 鼻状构造。西邻阿尔金山，北为月牙山构造，东北与小梁山生油凹陷接壤，南接 沟南生油凹陷，与咸水泉构造相邻。如图3 1 所示。 图3 一l 红沟子工区地理位置图 3 1 _ 2 工区的地质概况 工区地表条件复杂，主要为风蚀残丘、碱壳及山地，工区中部表层风蚀作用 2 l 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 强烈，属风蚀残丘地貌，碱包林立，有的地方风蚀成蘑菇状、鱼鳞状碱堆。地貌 特征如图3 2 所示。工区南北两端低洼地区有水渗出地面，工区东部地表起伏不 大，西部有出露的老地层和大量的风化残丘，出露地层倾角较大，地势起伏较大， 地表覆盖有大量的含砾石的黄色碱土层；西南地表为砾石沙滩，西北区为砾石沙 滩和山梁。 图3 2 红沟子工区地貌特征 红沟子地区上第三系处于滨浅湖较深湖相沉积环境，主要沉积了一套浅灰、 灰色泥质岩类，尤其上第三系后期沉积了一套盐湖相膏质、芒硝质碳酸盐岩与泥 质岩，可作为盖层。圈闭类型以断鼻、断块圈闭为主，形成于n l ，定型于n 2 3 末， 该区圈闭形成期早于排烃期，油气充注时间长，生储盖匹配关系较好，虽经n 2 3 末的改造，由于红沟子浅层的滑脱冲断作用，对下伏断块圈闭具有一定的遮挡作 用，有利于油藏的保存。 通过二维地震资料解释，本区深、浅层构造存在较大差异，浅层为明显的表 褶构造，深层为受断裂控制的断块或断鼻构造，勘探潜力较大。 3 1 3 工区的地震地质条件 ( 一) 表层地震地质条件 红沟子工区地表复杂，工区东部和中部为硬碱壳地表和风蚀残丘，工区西部 为山地、戈壁，表层覆盖疏松黄土。整个工区低速带速度和厚度变化很大，且不 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 稳定。厚度变化在o 5 0 m 之间，低速带速度变化在4 0 0 8 0 0 m j s 之间。 ( 二) 中、深层地震地质条件 二维地震资料表明，由于构造高部位受浅层滑脱断层的影响，形成深、浅两 套构造变形层，且构造特征存在较大的差异，浅层为向阿尔金山抬升的鼻状构 造。黑石山n 2 1 地层直接超覆侏罗系地层之上，中、深层构造形态有着和西部北区 相似的区域构造特征，皆属“两断夹一隆”的构造模式，由相向而倾的沟南、沟 北对冲断裂控制构造形态。 红沟子构造受强烈的南一南西向挤压应力的作用，以及阿尔金走滑断裂的共 同影响，断层极为发育，形成与之相关的断鼻、断块、断背斜等构造圈闭，由于 山前特殊的沉积环境，形成地层超覆、不整合等地层圈闭，以及可能的冲积扇、 湖底扇等岩性圈闭。构造部位中深层断层发育，破碎带宽，对地震波吸收和散射 作用严重。 3 2 工区地震勘探概况 3 2 1 工区地震勘探的部署情况 本区从1 9 8 1 年开始进行二维地震勘探，以往的施工方法如表3 1 所示。 表3 1 红沟子地区历年地震勘探采集参数表 接收因素 施工 激发方式 接收道覆盖 观测系统 年度 道数距次数 1 9 8 5可控震源3 台x 8 次9 06 02 42 8 2 0 一1 8 0 一6 0 一1 8 0 2 8 2 0 1 9