新疆准噶尔盆地高分辨地震勘探的地表吸收衰减估算

新疆准噶尔盆地高分辨地震勘探的地表吸收衰减估算

目前，新疆沙漠地区的高度分析取得了一些成果，但沙漠地区的石油探探开发还不够充分。为了进一步提高分辨率,我们进行了高分辨理论研究,并结合本区地质条件作了高分辨率野外采集的试验。1分辨率研究1.1不同地区及地区db/hz频率地震波衰减的对比根据资料显示,在新疆地区(准噶尔盆地、塔里木盆地),3000m深的地层的平均品质因素为70,层吸收指数为0.77dB/Hz,即在3000m的深度上,对于100Hz频率地震波衰减为77dB。同样可以计算5000m深的地层,其平均品质因素为89,层吸收指数为0.987dB/Hz,即在5000m的深度上,对于100Hz频率地震波衰减为99dB。为了便于对比,再选东部一例来说明。如江苏某地区,同样可以计算出3000m深的地层,其平均品质因素为64,层吸收指数为1.022dB/Hz,即在3000m的深度上,对于100Hz频率地震波衰减为102dB。5000m深的地层,其平均品质因素为78,层吸收指数为1.248dB/Hz,即在5000m的深度上,对于100Hz频率地震波衰减为125dB。从以上对比可以看出,由于新疆地区第三系和第四系较东部薄,大套地层都为速度较高的中生代,故新疆地区5000m深的地层对高频的衰减和江苏地区3000m地层对高频的衰减差不多。由于5000m深度对100Hz频率地震波衰减为99dB左右,这对于24位的地震仪来说是完全可以接收到的,采集有效频带要求至少在10～90Hz范围内完全可行,因此对于新疆地区来说,大力开展高分辨率地震勘探确实是明智之举。1.2检查频率的衰减表1是根据新疆准噶尔盆地中部Ⅰ区块表层结构所作的表层吸收衰减估算。从表1可以得出以下结论:1)13m以上(潜水面以上)对地震子波的频率吸收非常严重,如果在地表0～30cm(干沙)埋置检波器接收,对地震波频率的衰减大致为30～60cm深度(湿沙)处接收的9倍,且越往高频端衰减越严重。因此从这点上来说尽量深埋检波器对保护地震波信号尤其是高频信号大有裨益。2)对于地表18m的表层厚度来说,在潜水面以下地层13～18m激发,对地震波信号的衰减较小,即使是120Hz的频率衰减也仅有0.26dB,如果采用可控震源激发(由于是在地表)则衰减近20dB;浅井组合激发也是同样道理,具有较强衰减作用,因此对于高分辨率地震勘探来说,单深井激发是最佳选择。1.3调谐深度的确定理论上讲,激发深度一般应在潜水面以下2m左右。若在潜水面处激发,就会破坏潜水面的虚反射。实际的情况是,如果在潜水面处激发,炸药爆炸的破坏带肯定会穿透潜水面,造成大量能量上传,使下传能量明显减弱。炸药爆炸产生的震源子波实际上是具有时差的上行波与极性相反的虚反射的非同相叠加,这样就会造成低频响应。设x(t)为直接下行波的能量函数,-Rx(tr)为虚反射波的能量函数,τ是虚反射波比直接下行波的滞后时间,R为反射系数,则直接下行波和虚反射波相互叠加后的波形能量函数y(t)为对上式作傅里叶变换,有Z(f)称为虚反射滤波函数,则其振幅谱为式中,R为潜水面虚反射系数,T为下行波与虚反射的时差T=2Δh/υ,Δh为潜水面以下激发点深度。如果选择在潜水面以下某一深度激发,使虚反射和下行波时差为T/2,这样叠加后的地震波振幅可以达到最大,即出现调谐振幅,此时的深度称为调谐深度。可以知道,T/2=2Δh/υ,Δh=υ/4f,因此高分辨率勘探的激发深度应选择在调谐深度的范围内。由于实际野外采集使用的是药柱震源,存在一个爆炸球腔半径,它与药量的立方根成正比,因此野外实际施工的爆炸中心应该是潜水面以下的调谐深度再加爆炸球腔半径。在该工区,潜水面下速度约为1800m/s,假使激发峰值频率为200Hz,采用6kg药量激发,可以计算出爆炸中心点深度约在潜水面下4.1m。1.4高频振幅与孔穴比相成反比,与药量的立方根成正比一般来说,采用炸药震源激发,有如下关系:①震源子波幅度与孔穴半径成正比,即与药量立方根成正比;②震源子波视频率及峰值频率与孔穴半径成反比,与药量的立方根成反比;③高频振幅与孔穴半径成正比,与药量的立方根成正比。从图1可以看出,随着药量增大,振幅也增大,但低频成份的增大比高频成份的快;还可以看出,震源子波有低截作用,表现为药量越小,低频成份缺失越多;同时还有高频减弱作用,表现为药量越大,高频成份衰减越快。因此在高分辨率勘探中,不能仅仅为追求视频率而采用太小的药量,以免丧失低频成份和降低信噪比,而应选择合适的药量,保证有足够的信噪比和充分有效的频带宽度。1.5组合时差的频率滤波效应组合具有两个作用,一是衰减各类噪声,二是衰减压制有效波信号(尤其是高频信号)。除了地层吸收衰减因素之外,导致高频损失的最主要的原因就是检波器组合产生的地表混波,将具有很小的随机时差的相同道叠加在一起,这就等同于频率滤波器,造成低频成份的相长干涉,高频成份的相消干涉。图2是不同随机时差的频率滤波效应示意图,从该图可以看出如果组合时道内产生2ms的随机时差就相当于构成了一个高截频率为62Hz的低通滤波器。表2是对该区不同反射深度、不同炮检距及不同组合距(以首尾两个检波器距离计算,沿测线和垂直测线两种方向,一种组合基距为8m,另一种为26m)情况下的组合时差计算结果。从表2可以看出,组合距越大,组合时差越大;反射层位越浅,组合时差越大;炮检距越大,组合时差越大;垂直测线的组合时差比沿测线方向的组合时差明显小。因此高分辨率勘探中应该尽量减小组合距,以减小组合时差,最好道内组合时差不要大于1ms。像面波这样的规则干扰,可以通过室内处理滤除,而不要轻易使用大组合距,以免造成高频信号的损失。同样道理,道内组合高差也会造成时差,2m的道内高差就可以造成约2ms的组合时差。因此,在高分辨率勘探中同一道内组合高差不应大于1m,以最大限度降低高频信号所受组合作用的衰减。2中国中国南沙地震资料特征分析根据以上的分析,我们认为对高频产生限制的主要原因有:①震源的限制,震源的不同会影响到激发子波的频谱,进而影响到资料分辨率和信噪比;②地表对高频的吸收衰减,沙漠区表层疏松的沙土对地震波能量尤其是高频能量吸收较强;③地表和近地表条件的影响,包括排列效应。通过对以往资料的分析和研究,我们认为在沙漠地带进行高分辨率勘探,唯有采用单深井才能极大地拓宽频带,提高主频。对此我们在沙漠区首先安排了干扰波调查,然后进行了一系列的激发和接收因素试验,努力增加高频能量,拓宽有效频带的范围。2.1沿边垂直测线方向特征波场野外采集以后,将4炮记录进行了拼接处理。经分析发现,本工区的主要干扰是面波与折射波(图3,图4)。该区的初至直达波速度为1900m/s左右。沿测线方向主要发育有3组面波、2组折射波以及次生干扰。垂直测线方向同样发育3套面波和2组折射波,具体参数见表3。根据分析,本工区检波器组合方式采用垂直测线平行四边形面积组合,组内距δx=4m,δy=3m,组合基距Lx=8m,Ly=39m,能较好地压制各种干扰。2.2环境噪声频率分布通过该区的环境噪声调查分析,我们认为该区环境噪声比较稳定,不存在人为或工业干扰。从频谱分析来看环境噪声频率范围从低频(几赫兹)到高频(400Hz)都有分布,且能量分布也基本一致(图5,图6)。由于沙漠地表普遍生长植被,风吹草动造成的高频干扰是高分辨率勘探的大敌,因此一定要避免大风天气和雨天施工。2.3激发井深激发井深试验点潜水面在13m左右,试验井深为10,12,14,16,17,18,19,21,23,25m,即以上激发井深分别从潜水面以上3m至潜水面以下12m激发。可以看出,在潜水面以上激发的单炮记录的信噪比和分辨率明显较潜水面以下激发的要低,在潜水面下7m左右激发的资料目的层反射能量强,信噪比较高(图7,图8)。2.4高密度硝氨药柱激发试验高能量(纯TNT)药柱:0。62,:0.91,1.24,1.86,2.48,3.10,4.30,4。96,5.89kg;高密度(硝氨)药柱:2,3,4,5,6,8,10kg。从试验结果分析,高能量炸药爆速大,药柱短,能量集中,信噪比较高,频谱较宽。通过分频扫描可以看出,在高频端[53.276,152212.8]高密度炸药激发记录目的层已经没有连续同相轴,信噪比低,高频噪声强,而高能量炸药激发的记录上,反射同相轴依然清晰可见。因此生产中选用高能量炸药3～4kg(图9,图10)。2.5检波器性能对比高分辨率地震采集,使用中、高频检波器,有助于保护高频信息,相对提升高频能量。在此次试验中我们先后进行了10,28,35,40Hz4种型号检波器的对比试验(图11)。通过对比分析,无论是监视记录、处理后单炮记录,还是频谱分析、分频扫描,10Hz检波器明显主频偏低,而中高自然频率检波器,优势频段明显向高频方向移动,对高频部分有相对提升作用,从所作的频谱分析看,35Hz检波器比10Hz检波器主频提高20Hz以上。因此在本工区选用中高自然频率和高灵敏度检波器(35Hz)有利于完成此次高分辨率地震勘探任务。2.6不等灵敏度线性组合我们先后进行了多种组合形式的试验,如点状、回字形、沿测线方向平行四边形、垂直测线方向平行四边形、菱形面积组合、沿测线方向不等灵敏度线性组合及垂直测线方向不等灵敏度线性组合等(图12)。通过比较分析,垂直测线方向2m组内距平行四边形组合方式高频端能量较其他方式略强,主频略高,且频谱形态较好。另外,在分频扫描后可以发现3s左右目的层垂直测线方向组合在高频端仍有一定信噪比和连续性,而其他方式较弱,说明垂直测线组合有助于保护高频信号。2.7检波器垂直测线平行四边形面积组合观测实验试验的坑深为30cm和60cm,从单炮记录上看,没有明显的视觉差异。通过频谱分析可以看出,在低频方向30cm坑深接收的能量比60cm坑深接收的能量稍强;但60cm坑深埋置检波器对高频吸收衰减比30cm坑深的要小些。故加大检波器埋深有利于保护高频信号(图13)。2003年,我们在沙窝地南高精度三维施工中,又进行了检波器在井中接收(井深1.5m)的试验。在激发条件相同时,VS6井下检波器线形组合和35Hz检波器平行四边形面积组合的效果存在一定的差异。平行四边形组合接收排列道中深层反射信息相对较好,能够见到经过地层吸收衰减的地层反射,信噪比较高;用VS6井下检波器线形组合接收,所得资料的频率明显偏高,但检波器是分3个点堆放,没能很好地压制侧向干扰,所以资料中深层同相轴连续性较差。采集完后,对地面接收和井中接收的数据做了10炮的水平叠加剖面。从剖面看,检波器井下接收的信噪比较平行四边形面积组合的低,对叠加剖面进行定量分析,从能量分析、信噪比分析来看,深井点状组合接收信噪比较低,从频谱分析来看,线形组合在主频、频宽方面都要低于面积组合。可以认为检波器垂直测线平行四边形面积组合效果要好于检波器点状组合井下接收(见图14,图15)。通过以上高分辨率地震采集试验,野外原始资料的分辨率有了较大的提高(图16),能基本满足地质任务的要求。3地震正演成像控制原则总结我们所做的大量试验和分析工作,对准噶尔盆地中部Ⅰ区块的高分辨率地震采集有以下几点结论和启示。1)激发井深位于潜水面下5～7m以保证激发能量的下传,在高大沙丘区选择炮点,应遵循“避高就低,避干就湿,避陡就缓”的原则。2)采用高能量和高爆速的炸药激发,药量4～6kg即可,使炸药与围岩的耦合良好,保证地震子波频谱较宽。3)采用垂直