炮点组合在复杂地表区地震勘探中的应用

炮点组合在复杂地表区地震勘探中的应用

1炮点组合激发参数设计技术为了提高单次激发地震资料的质量，触发点组合激发法广泛应用于我国西部黄土、山前砾石等极厚沉积区的地震勘探中。相控理论最初源于雷达相控阵天线系统,其中“相控阵”即是“相位控制阵列”的简称。相控阵天线是由一组离散辐射器组成,这些辐射器可排列成一维直线结构,也可排列成二维平面或三维空间结构。每个辐射器的振幅和相位是独立控制的,通过改变每个辐射器的相位,从而在空间形成任意形状和方向的波束近年来,相控理论在地震勘探领域的应用取得了重大进展。基于液压震源,Arnold本文通过在空间上划分远地震波场,提出激发效率概念;推导出激发效率与排列长度、勘探深度的关系;结合相控理论,形成了炮点组合激发参数设计技术。该方法在实际应用中取得了理想效果。2相控震源主波束宽度设相邻震源间相位差恒定为2πdsinθ/λ(图1),其中θ为震源到目标方向的射线与震源阵列法线的夹角,d为震源间距,再设θ式中:a相控震源主波束宽度又被称为“主瓣宽度”,一般用半功率宽度表示,即方向因子幅值的0.707对应点所夹的角度。设两个半功率点方向以弧度为单位,则根据相控理论有从该式可看出:当地震波速度v和频率f确定后(n为震源组合个数),主波束宽度与主波束方向的余弦呈反比。令阵列长度L=(n-1)d,当n较大时,L≈nd,主波束宽度与阵列长度呈反比,即为了得到能量更加聚焦的波束应设计较多炮数或加大炮间距。3相控制板设计震源激发形成稳定的波场后向空间传播。根据对地震反射勘探的贡献,将波场划分为如图3所示的四个区。(1)SS式中:L为检波器排列长度;H(2)S(3)S式中H为目的层深度。基于上述分析,可将评判组合激发优劣的标准函数定义为激发效率对于某个具体或特定工区的观测系统及激发组合方式,只要算出P值大小,即能判定组合的优劣。显然,P值越大组合效果越优。对目标地质体成像最有利的波源,应当是波场外推后传播方向垂直或近似垂直目标体的复合波源。它既可增强目标区的有效照射,使成像更加清晰,又可剔除目标区附近因不适当的照射而产生的人为假象。当目的层埋深较大、地层倾角较小时,只需考虑激发后波束主能量方向垂直地表部分即可,这时θ式中d为组内距。式(6)中第1式满足最大能量指向垂直,式(6)中第2式满足组合波束不出现副瓣。从该式可看出:只要确定了震源组合个数n即可计算出与之对应的组内距d;反之亦然。这样,可设计出多个n-d的组合;利用这些组合,然后计算激发效率P值,以选定最佳组合参数。4合成单炮记录的合成建立如图4所示的地质模型,其中L=5000m,d=8m,λ=33m,H图4中红、蓝、棕色线分别表示三套地层内从炮点到最远接收道的射线路径,在炮点位置相同颜色射线所夹的角度即为覆盖该层的入射角度范围。由模型参数可知覆盖第一、二、三层所需入射角范围分别是138.8°,37.1°,21.6°。图5从左到右分别展示了1,4,12,20炮震源组合后的能量空间分布方向,其中红、蓝、棕三色线分别对应图4模型中的三条同颜色射线,将覆盖三层所需的入射角度显示在方向图中。从该图可见:随着炮数的增加,合成波束的半宽在减小,能量逐步聚焦;当方向图的主瓣宽度落入当前层入射角范围内,则代表下传能量主体进入有效波场区,且会提高激发效率P。图6展示了图4模型对应的合成单炮记录,其组合炮数同图5。从图6中可见将能量分散于多炮中组合激发,有利于资料信噪比的改善,但对于不同深度的地层,其信噪比的改善程度不同。设一炮激发时对应的激发效率P图8给出了倾角为10°时的四层倾斜地质模型,其他模型参数与图4中的水平模型一致,得到的合成单炮记录如图9所示。其中图9a~图9d分别为单炮、常规组合4炮8m道间距、相控组合(从左至右激发点深度依次增加1.41m)4炮8m道间距及相控组合3炮8m道间距等不同方式的激发结果。从中可看出:采用常规震源组合比单炮激发有优势,当采用相控组合时信噪比在常规组合的基础上又有进一步提高,而且在减少一个震源的基础上,这种提高的幅度依旧明显。5相控震源组合方式的实际应用本文应用塔西南巨厚黄土覆盖区震源组合激发试验资料。试验区选在地下目的层构造形态相对平缓的地区,因地表覆盖巨厚黄土,以往单炮激发资料信噪比极低。根据微测井调查结果,该区表层黄土分为3层结构:低速层,速度为340~450m/s,厚度为5~10m;第一降速层,速度为500~600m/s,厚度为5~10m;第二降速层,速度为700~850m/s,厚度为20~25m。本次试验震源选在第二降速层激发,井深为27m,激发点速度实测值为796m/s。利用近炮点初至估算激发子波频率为50Hz。为避开炸药破碎带和塑性变形带,组合间距设计为15m,依次采用5,9,13,15炮组合激发,观测系统为7185-15-30-15-7185。图10给出了四种组合方式对应的场强方向图。根据相控理论,虽然应用式(6)第2式可以严格限定副瓣的产生,但副瓣的出现也不总是坏事,伴随着副瓣的出现主瓣的宽度会得到进一步压缩,能量会进一步聚焦,所以实际应用中可考虑允许部分副瓣出现,只要这部分副瓣能量很小即可,因此可将该式成立的条件放宽为d<λ。试验中采用的15m间距小于16m的主波长,满足要求。图10a~图10d随着激发炮数的增加副瓣数目增多,但其能量值明显下降;在增加下行能量的同时,向两侧发散的能量在减少,这将有利于信噪比的提高。图11给出了四种震源组合方式对应的单炮记录,从中可明显地看到伴随炮数增加信噪比得到改善。图12为塔里木地区某条测线的对比叠加剖面(均采用30m道间距、480道接收),其中图12a为早期在该区采用上述采集、接收参数获得的单炮激发记录的叠加剖面(单炮激发,60m炮距,27m井深,32kg药量,800(宽线50×16)次覆盖),图12b为基于相同观测系统并采用相控震源组合(15炮线性组合,15m组内距,60m组合基距,27m井深,4kg药量,720(宽线120×6)次覆盖)激发及相同处理流程获得的叠加剖面,可见后者的信噪比和分辨率都得到了相当程度的改善。因此,利用相控理论进行井炮组合设计是有效和可行的。6相控震源组合方式相控震源借鉴军工领域相控雷达原理,通过组合激发的时间或深度控制实现相位组合控制,最终实现沿特定方向汇聚地震波的能量形成定向地震波束。二维相控震源的排列长度和三维震源的组合面积决定了地震波束的宽度即能量的聚焦状态。若观测系统排列的展布范围与经反射后的地震波束的能量聚焦带相一致,则相控震源的共炮点道集与单一震源激发的共炮点道集相比,其有效信号的能量显著增强,地震记录的信噪比提高,叠加剖面的效果明显改善。做相控震源组合设计时,应考虑控制组合主能量方向、压制栅瓣、控制副瓣幅度和主瓣宽度等要素。根据激发子波的波长、勘探目的层深度合理选择组合炮数、炮间距、激发井深、观测系统排列长度等参数。由于存在相控震源各震源与地面耦合的差异性、地下介质的复杂性、环境噪声和各道噪声的随机性,造成实际信噪比改善与理论计算值之间出现一定的差距。塔里木地区应用实例结果表明,相控震源组合技术对反射波信噪比的改善是明显的。目前二维与三维震源组合仍然局限在一条线上或一个平面内,即遵守各震源间恒定相差