馮曉強(qiáng)，石一青，朱 峰

(中國(guó)石化地球物理公司華東分公司，江蘇 南京 210009)

大基距組合井激發(fā)理論分析及應(yīng)用

馮曉強(qiáng)，石一青，朱 峰

(中國(guó)石化地球物理公司華東分公司，江蘇 南京 210009)

通過對(duì)大基距組合井激發(fā)從相控原理的角度進(jìn)行分析，論述了組合個(gè)數(shù)、組內(nèi)距、組合基距等參數(shù)對(duì)激發(fā)效果的影響，并且對(duì)其在江蘇探區(qū)多個(gè)火成巖發(fā)育地區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)和應(yīng)用進(jìn)行了分析對(duì)比，提出大基距組合井激發(fā)可聚焦能量、控制主波束傳播方向，單炮能量更強(qiáng)、信噪比更高，最終增強(qiáng)激發(fā)能量，提高資料信噪比，有效改善近地表火成巖地區(qū)資料品質(zhì)，提高復(fù)雜地表情況下地震資料品質(zhì)。同時(shí)提出在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)應(yīng)充分了解工區(qū)地表及地質(zhì)情況，科學(xué)合理設(shè)計(jì)組合參數(shù)。

大基距組合激發(fā) 近地表火成巖 定向傳播

相控理論源自雷達(dá)系統(tǒng)的相控陣天線。相控陣天線是由一組線性或面積組合或空間組合的輻射器構(gòu)成。每個(gè)輻射器振幅和相位獨(dú)立控制。通過調(diào)節(jié)輻射器相位來達(dá)到空間掃描。相控陣?yán)走_(dá)可以利用分布在天線孔徑上的多個(gè)輻射單元合成非常高的功率，根據(jù)不同方向上的需要分配不同的發(fā)射能量，因此抗干擾性強(qiáng)。

相控原理在地震勘探的應(yīng)用最早始于可控震源，通過控制可控震源組合，形成方向可控的定向地震波，使觀測(cè)系統(tǒng)接收到的反射波能量最強(qiáng)。近幾年來，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到炸藥震源大基距組合井激發(fā)，并在火成巖、黃土高原等地區(qū)取得較好效果。

徐峰[1]根據(jù)震源對(duì)目的層照射能量的貢獻(xiàn)，將震源波場(chǎng)劃分為4個(gè)區(qū)(圖1)。S1區(qū)的波場(chǎng)能量直接垂直傳播到地表，形成強(qiáng)次生干擾，是噪音的主要來源，該區(qū)域越小能量越弱， 則有利于提高資料信噪比。

圖1 震源波場(chǎng)能量分區(qū)

S4區(qū)是產(chǎn)生有效信號(hào)的主要能量區(qū)，稱之為有效波場(chǎng)區(qū)，這個(gè)區(qū)域能量越大，則有效信號(hào)能量越強(qiáng)。S2、S3這兩個(gè)區(qū)的波場(chǎng)對(duì)有效信號(hào)貢獻(xiàn)不大，稱為無效波場(chǎng)區(qū)。單井激發(fā)產(chǎn)生的球面波場(chǎng)在4個(gè)區(qū)域能量均勻分布，因此只有一小部分能量用于有效反射信號(hào)。地震生產(chǎn)中我們希望更多的能量出現(xiàn)在S4區(qū)，以激發(fā)出更強(qiáng)的有效波。

1 大基距組合井激發(fā)理論分析

大基距組合井激發(fā)地震波在傳遞過程中，由于組合內(nèi)各震源激發(fā)的地震波存在一定的波程差和相位差，因此疊加場(chǎng)強(qiáng)會(huì)在某一方向增強(qiáng)或減小[2]。汪仁富[3]等人根據(jù)炸藥震源能量全空間傳播的特點(diǎn)提出了全空間分布情形的場(chǎng)強(qiáng)方向因子。以下為歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向因子：

n為組合井?dāng)?shù)；d為組內(nèi)距，m；θ為觀察點(diǎn)方位角，(°)；β為相鄰井之間恒定相差，m。

通常情況下，大基距組合井間若為相同井深且同時(shí)激發(fā)，則相鄰井之間無恒定差，即β=0。若相鄰井之間存在恒定深度差，或相鄰井間延時(shí)恒定時(shí)間差激發(fā)，則相鄰井間恒定差β≠0。以下對(duì)這兩種情況進(jìn)行分類討論。

1.1 基于β=0的組合效果分析

由方向因子可知，大基距組合井激發(fā)效果與組合井?dāng)?shù)、組內(nèi)距有關(guān)。若β=0，則在θ=0°時(shí)波束能量最強(qiáng)，即主波束方向垂直于組合陣列方向。以組內(nèi)距20 m，頻率25 Hz，地震波速1 800 m/s為條件，模擬1井、2井、3井、5井、9井組合效果(圖2)，可看出單井激發(fā)產(chǎn)生的能量在空間內(nèi)均勻分布，隨著組合井?dāng)?shù)增多，能量在上下空間越集中，主波束寬度越窄，當(dāng)組合個(gè)數(shù)增加到一定程度時(shí)主波束寬度變化不再明顯。能量在有效波場(chǎng)區(qū)越集中，產(chǎn)生的地震波能量越強(qiáng)，抗干擾性越好，因此大基距組合井激發(fā)能更好地聚焦能量，增強(qiáng)地震波強(qiáng)度，提高地震波抗干擾性。

圖2 不同井?dāng)?shù)組合場(chǎng)強(qiáng)方向因子

注：從左到右分別為1、2、3、5、9井組合

組內(nèi)距也是影響大基距組合井激發(fā)效果的重要因素。以組合個(gè)數(shù)為9、頻率25 Hz、地震波速1 800 m/s為條件，模擬組內(nèi)距為4 m、10 m、20 m、30 m、70 m組合效果(圖3)。圖中可見，隨著組內(nèi)距增大，組合能量在上下空間聚焦效果越明顯，但當(dāng)組內(nèi)太大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)副瓣，組合效果變差。從激發(fā)角度考慮，相鄰兩炮同時(shí)激發(fā)，會(huì)使壓力增強(qiáng)，加劇爆炸對(duì)巖石的破壞，造成能量過多損失，降低爆炸的地震效應(yīng)。因此兩炮間距不得少于單個(gè)炮點(diǎn)起爆時(shí)引起的塑形半徑的2倍最宜[4](其經(jīng)驗(yàn)公式為D=3.0Q1/3，Q為藥量)。根據(jù)相控理論從傳播角度考慮，當(dāng)整體基距不超過一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)有利于增強(qiáng)有效波場(chǎng)區(qū)能量，即d<λ/n。

圖3 不同組內(nèi)距組合場(chǎng)強(qiáng)方向因子

注：從左到右分別為4 m、10 m、20 m、30 m、70 m組合

以上所論述的組內(nèi)距和組合個(gè)數(shù)最終影響的是組合基距，以下討論相同組合基距不同組合個(gè)數(shù)和組內(nèi)距下的情況：設(shè)定160 m組合基距，在頻率25 Hz、波速1 800 m/s條件下模擬9井20 m組合、5井40 m組合和11井16 m組合效果(圖4)，可以看出，即使組內(nèi)距和組合個(gè)數(shù)不同，但是相同的組合基距下組合場(chǎng)強(qiáng)方向因子基本一致，因此，在大基距組合井施工時(shí)我們要依據(jù)激發(fā)效果，合理選擇組合參數(shù)，在確保激發(fā)能量的同時(shí)盡可能降低生產(chǎn)成本。

圖4 相同基距組合場(chǎng)強(qiáng)方向因子

注：從左到右依次為9井20 m、5井40 m和11井16 m組合

圖5 不同頻率場(chǎng)強(qiáng)方向因子

通常情況下，大基距組合對(duì)不同頻率組合效果不同。相同組合參數(shù)下，低頻能量集中效果差，高頻能量集中效果好。圖5為以4井組合，波速1 800 m/s，10 m組內(nèi)距為條件，模擬所得10 Hz和50 Hz頻率場(chǎng)強(qiáng)空間分布情況。如果想增加低頻能量聚集效果，可以通過增加組合井?dāng)?shù)和組內(nèi)距來達(dá)到，在以上條件不變情況下，分別模擬將組內(nèi)距增加至40 m和組合個(gè)數(shù)增加至18個(gè)時(shí)10 Hz能量的聚集效果(圖6)，可見10 Hz的組合效果得到了提高，同時(shí)，增強(qiáng)低頻能量聚集效果有可能使高頻聚焦效果變差，因此在設(shè)計(jì)組合參數(shù)時(shí)要以高頻主波束寬度為參考。

圖6 不同組合參數(shù)下10 Hz場(chǎng)強(qiáng)方向因子

1.2 基于β≠0的組合方向性分析

若β不為0，則相鄰震源之間存在一個(gè)恒定的相差。地震勘探中相差可以通過延時(shí)激發(fā)而達(dá)到，最常用的做法是采用不同井深(即組合井之間相鄰井存在一個(gè)恒定的深度差)激發(fā)。圖7中d為組內(nèi)距，h為深度差，因此恒差井深組合總的相位差為：β=nK(dsinθ-hcosθ)。其中K為調(diào)整系數(shù)，取值1或-1，確保總相位差為正數(shù)。

圖7 組合的方向性

圖8 不同井深差組合場(chǎng)強(qiáng)方向因子

若組合能量在θ角最大時(shí)需：dsinθ=hcosθ。

因此組合的方向性只與組內(nèi)距和井深恒定差有關(guān)。圖8為在激發(fā)參數(shù)f=100 Hz，v=800 m/s，n=4，d=4 m條件下，井深差為1.07 m、2 m、4 m產(chǎn)生的15 °、26.6 °、45 °主波束方向。同時(shí)，可以看出隨著井深恒差越大，主波束傾角越大。

2 大基距組合井激發(fā)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

江蘇JH凹陷BT區(qū)塊位于油氣運(yùn)移有利地區(qū)，周邊已發(fā)現(xiàn)有多個(gè)油田，勘探潛力大，但是該地區(qū)局部近地表發(fā)育多套玄武巖，埋深較淺，由于火成巖對(duì)中深層能量屏蔽嚴(yán)重，資料品質(zhì)差。為了突破火成巖對(duì)能量的屏蔽，取得高品質(zhì)的地震資料，在該地區(qū)進(jìn)行了大基距組合井激發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)為：井深15 m、總藥量18 kg(平均分配到每口井)，組內(nèi)距20 m，組合個(gè)數(shù)分別為單井、2井、3井、5井、9井。

2.2 試驗(yàn)分析

圖9為試驗(yàn)所得資料固定增益顯示，原始單炮可見：?jiǎn)尉Y料整體品質(zhì)較差，目的層反射能量弱，同相軸破碎，連續(xù)性差。隨著組合井?dāng)?shù)增多目的層信息趨于豐富，反射能量增強(qiáng)，同相軸連續(xù)性變好。對(duì)單炮能量信噪比進(jìn)行分析(圖10)發(fā)現(xiàn)單炮能量和信噪比隨著組合井?dāng)?shù)增多而提高。

圖9 試驗(yàn)單炮

圖10 均方根能量和信噪比分析

圖11 單井與三井單炮能量分析

2.3 應(yīng)用效果

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)論和工區(qū)地表情況，認(rèn)為BT地區(qū)地表障礙物較多，5井組合基距大，難以展開，且由于觀測(cè)系統(tǒng)炮距限制，若減小組內(nèi)距將造成組合效果較弱，因此綜合考慮后在江蘇BT工區(qū)近地表火成巖段采用了3井組合激發(fā)，組內(nèi)距20 m，藥量為2×3 kg。對(duì)于地表限制不能展開3井的采用單井激發(fā)，藥量為6 kg。對(duì)其中一束線部分單井和3井單炮能量分析(圖11)，顯示3井單炮能量整體強(qiáng)于單井。對(duì)比該地區(qū)老資料(如圖12白色框內(nèi))，實(shí)施大基距組合井激發(fā)的新資料近地表火成巖區(qū)同相軸信息豐富，信噪比高，剖面品質(zhì)好。

圖12 新老資料對(duì)比

3 結(jié)論

通過理論分析和應(yīng)用效果驗(yàn)證，認(rèn)為大基距組合井激發(fā)可聚焦能量、控制主波束傳播方向，單炮能量更強(qiáng)、信噪比更高，能夠有效提高復(fù)雜地表情況下地震資料品質(zhì)。但大基距組合井激發(fā)同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致施工成本提高，在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)應(yīng)充分了解工區(qū)地表及地質(zhì)情況，科學(xué)合理設(shè)計(jì)組合參數(shù)。以上分析及應(yīng)用僅僅是針對(duì)線性組合的討論，對(duì)于面積組合等其他組合方式的分析及應(yīng)用需要進(jìn)一步探索。

[1] 徐峰，劉福烈，梁向豪.基于相控理論的炮點(diǎn)組合設(shè)計(jì)技術(shù)[J].石油地球物理勘探，2011，46(2)：170-175.

[2] 王仁富，徐峰，劉福烈，等.波動(dòng)方程震源組合模擬定量研究[J].石油地球物理勘探，2011，46(4)：538-544.

[3] 陸基孟.地震勘探原理[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，1993.58-110.

[4] 姜弢.基于相控震源的地震波定向方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[5] 呂公河.弱彈性介質(zhì)中炸藥震源大基距面積組合激發(fā)效果分析[J].石油地球物理勘探2011，46(6)51-855.

(編輯 韓 楓)

Application and theoretical analysis of long distance geophone array excitation

Feng Xiaoqiang，Shi Yiqing，Zhu Feng

(SINOPECGeophysicalCorporationHuadongBranch，Nanjing210009,China)

The long distance geophone array excitation was analyzed from the phased array theory.And then it was discussed the effect of number of array，geophone interval and array base distance on exciting result.According to the comparison of application data of this technology in several developed igneous rock areas in Jiangsu exploratory area，it was proposed the long distance geophone array excitation with focusing the source energy，controlling the spread direction of main beam，enhancing single-shot energy，higher signal to noise ratio (SNR)，especially improving the quality of seismic data in near-surface igneous rock area.Meanwhile，the surface and geological conditions of work area should be completely understood，and the reasonable parameters of array are scientifically designed.

long distance geophone array excitation；near-surface igneous rock；energy spread direction

2015-11-02；改回日期：2016-05-16。

馮曉強(qiáng)(1987—)，工程師，現(xiàn)從事地震采集工作。電話：18752786630，E-mail：xoocm@qq.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.03.008

P631.4

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