李志軍,任華育,楊德義,曹志勇

(1.山西省地質調查院,山西太原030000;2.貴州省地震局,貴州貴陽550000;3.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西太原030000)

多波多分量地震勘探與縱波勘探的區(qū)別之一是使用多分量檢波器接收能夠記錄到地下的全波場信息,為準確重構地質體構造形態(tài)提供了可能[1]。經過多年的發(fā)展,多分量地震勘探技術的優(yōu)點主要包括:①多波資料波場信息豐富,可以提取除縱、橫波速度外的其它物性參數(shù)(如泊松比、縱橫波振幅差異等),用于預測儲層巖性特征[2];②對于氣云區(qū)、碳酸鹽巖儲層等區(qū)域,縱波信噪比低、能量弱,而利用橫波信息能有效成像[3];③鑒于橫波對裂縫的敏感性,可以根據(jù)橫波分裂特征定量預測地質體裂縫發(fā)育以及流體檢測等難點問題。轉換波資料處理的方法已逐步完善,但轉換波靜校正一直是制約多波成像的瓶頸[4]。P-SV波處理與傳統(tǒng)P-P波的處理流程有所差異,轉換波靜校正量的求取是其中的一個關鍵步驟。因為橫波波速與縱波波速在近地表差異較大,相同檢波點位置上橫波靜校正量可能達縱波的2～10倍[5]。

目前常用的轉換波靜校正方法有以下幾類。①轉換波初至靜校正:拾取多分量地震勘探中X、Y分量的轉換波初至時間,然后通過靜校正計算公式求取轉換波校正量[6-7],但水平分量上轉換橫波一般疊加于其它波形之中,初至不易拾取。②轉換波常系數(shù)靜校正:在已知縱波校正量的前提下,乘以常系數(shù)N來求取轉換波靜校正量,常系數(shù)N需在處理中經測試獲取,嘗試多組常系數(shù)N后,分別進行疊加,對比疊加剖面來確定最終的N值;在實際處理中,測試過程比較繁瑣,準確性較差,可操作性不強。③面波反演橫波速度靜校正:利用瑞雷面波頻散特征曲線反演得到橫波速度的低速帶分層結構,進而求取轉換波靜校正量,該方法對初始層狀介質模型依賴度較高,且為了避免空間假頻的產生須利用小道間距接收。④轉換波共檢波點疊加靜校正方法:在構造不復雜的情況下,在基準校正面校正后,先通過優(yōu)化CRP疊加道相干法來解決接收點短波長靜校正問題,再應用“井旁參考道外推法”確定并消除剩余靜校正,一般要求有標準參考道,適用于信噪比高且靜校正量比較大的區(qū)域[8]。

鑒于原始地震記錄中轉換波信噪比較低的原因,上述轉換波靜校正方法中的橫波速度均難于直接從多分量記錄中獲取,因此難以構建合理的縱、橫波速度結構。微測井技術優(yōu)點是可以根據(jù)需要得到整個低(降)速層不同深度的地震波場記錄,且記錄的信噪比較高。本文介紹的三分量微測井方法是通過井中特制的測井錘激發(fā),地表采用三分量檢波器接收,可以同時獲取縱波和信噪比較好的橫波波場信息。在道集分選后的Z分量記錄上讀取初至時間可以求取縱波速度,而水平分量上的橫波初至被縱波分量的投影所掩蓋,不易直接讀取初至,需進行三分量偏振分析,進而實現(xiàn)波場分離,再求取橫波速度,最后通過各微測井井間插值的方法建立合理的地表結構,計算轉換波靜校正量。

1 轉換波靜校正原理

多波地震資料的靜校正量包括縱波靜校正量及轉換橫波靜校正量。由于轉換橫波是由下行縱波和上行轉換橫波組成,因此,轉換波靜校正量是由激發(fā)點處的縱波靜校正量和接收點處的橫波靜校正量相加得到。圖1給出了包含一個風化層的簡單近地表模型。通過基準面校正后將實際地層簡化成如圖2所示的地層結構。

由圖2可見,P波在介質內的射線的路徑為SABR,轉換S波在介質內的射線路徑為SACR,由于縱波速度大于橫波速度,可知在高速界面折射P波先產生,然后再產生折射S波,因此,P波早于轉換S波到達接收點R,且二者初至時差為:

圖1 風化層地表模型

圖2 地震波在地表傳播示意

ΔT=TBC+TCR-TBR

=(TCR-TCD)-(TBR-TBD)

(1)

令轉換波延時dS=TCR-TCD,縱波延時dP=TBR-TBD,化簡得:

dS=ΔT+dP

(2)

計算得到的風化層h厚度為:

(3)

由地震波折射定理可知:

(4)

(5)

鑒于靜校正基本原理是基于地表一致性的假設,反射角α和β均較小,則可認為ER≈FR≈h,結合(3)式、(4)式和(5)式可得:

(6)

假設基準面位于風化層中間,可得檢波點處轉換波基準面靜校正量為:

(7)

式中:EG和EGR分別為檢波點處地表高程和基準面高程。將公式(6)代入公式(7)化簡得:

(8)

式中:vS0/vS1和vS0/vP0可以通過三分量微測井求取。

2 三分量微測井施工布置及處理解釋

2.1 采集

在施工中采用井中激發(fā)、地面三分量檢波器呈十字形排列接收,在4個方位和井口各安置2個三分量檢波器,其X分量和Y分量方向相反,即“背對背”安置[9],如此安置可以通過兩道記錄相加減達到壓制噪聲、增強并識別橫波的目的。其中X分量沿測線方向,Z分量統(tǒng)一向下,Y分量方向垂直于Z分量和X分量組成的平面。由深到淺進行激發(fā),共計10個三分量檢波器接收。激發(fā)間距依據(jù)巖層厚度決定,對于薄層適當減小激發(fā)間距,保證各層內有2～3個以上的控制點,激發(fā)裝置采用參考文獻[10]中介紹的測井錘,將雷管橫向放置在測井錘內,測井錘直徑略小于激發(fā)井井徑,這樣既增強了雷管和激發(fā)地層的耦合性,也保證了激發(fā)能量的方向性和聚能性,可以用于激發(fā)橫波。激發(fā)井深為18m,藥量隨深度增加,在18～15m深度用4發(fā)雷管,在15～10m深度用3發(fā)雷管,在10～4m深度用2發(fā)雷管,小于4m范圍用1發(fā)雷管。本次施工以0.5m的間距均勻激發(fā),檢波器按6m井源距布置。具體微測井施工布置如圖3所示。

2.2 處理

將采集的共炮點道集分選成X分量、Y分量和Z分量共檢波點道集,如圖4所示。

圖4a中藍框區(qū)域為高頻噪聲,對比圖4a至圖4c可見,Z分量上高頻噪聲最強,Y分量上高頻噪聲最弱。Z分量記錄的背景干凈,縱波初至能量強,可以直接拾取;X分量、Y分量記錄包含了橫波信息,但由于橫波速度小于縱波,縱波會先于橫波到達接收點,橫波初至疊加于其它波形中,不易直接拾取。根據(jù)運動學特征分析,橫波速度較縱波小,時距曲線應較縱波陡,因此判斷圖4b和圖4c中紅線指示位置為橫波初至,紅圈位置處的初至應為縱波的投影。

圖5對比分析了Z分量、X分量和Y分量記錄的頻譜,圖中藍線所示為0～80ms所有記錄的頻譜平均值,黑線所示為0～80ms某一道記錄的頻譜。由圖可見,Z分量頻帶較寬,主頻在250Hz左右,而X分量、Y分量的頻帶較窄,主頻約為150Hz。

橫波信息需通過去噪、三分量偏振分析處理及波場分離獲得。圖6是Z分量以及波場分離后的R分量和T分量記錄,可見在R分量記錄上橫波初至清楚,易于讀取,而T分量記錄初至較差。

圖3 微測井施工布置

圖4 共檢波點道集

圖5 頻譜分析

2.3 解釋

施工工區(qū)地表土層結構疏松,第四系內部分布有鈣質結核層,但不成層,之下是第三系地層(棕紅色黏土層),結構比較密實,是黃土塬地區(qū)比較理想的激發(fā)層位。本次選取工區(qū)2個典型的黃土地層進行了2組微測井,分別選取如圖3中的2號檢波點和4號檢波點作為觀測點,共4個觀測點,微測井點的速度解釋結果見圖7和圖8。

圖6 波場分離后記錄

圖7 第1組微測井點速度解釋結果

測線所處區(qū)域地表大部分為基巖出露區(qū)域,黃土覆蓋少且薄,施工前期,沿測線進行了地表地質調查,并在鉆孔時記錄了各激發(fā)孔的巖性,繪制成全線淺表層地表巖性結構,見圖9。在此基礎上,選擇了2處黃土覆蓋較厚的區(qū)域,布置了2個三分量微測井點,依據(jù)微測井調查結果,劃分淺層結構,了解各分層速度。

總體來看,區(qū)內沿測線地表結構分為3層,局部為2層,如圖9所示(箭頭所指為微測井位置)。低速層:vP為500～800m/s,vS為150～300m/s,vP/vS為3.0～4.6。低速層之下的降速層:vP為900～1400m/s,vS為300～500m/s,vP/vS為2.8～3.5。高速層:vP為1600～1800m/s,vS為600～700m/s,vP/vS為2.5～3.0。低速層厚度和降速層厚度變化較大,但速度比較穩(wěn)定,各分層厚度可為轉換波校正提供初始模型。

圖8 第2組微測井點速度解釋結果

圖9 地表巖性結構(局部)

3 應用效果

根據(jù)三分量微測井表層調查結果,在資料處理時,將低、降速帶融合為一層,進行簡化處理,選擇合適的基準面和替換速度。在致密的高速層頂界面,縱、橫波解釋結果基本吻合,所以基準面應選擇高速層頂部附近。替換速度采用高速頂界面的縱波速度均值,橫波用橫波速度均值,分別計算檢波點和炮點的靜校正量,計算結果如圖10所示。

圖10 檢波點(a)和炮點(b)橫波靜校正量

圖11對比了X分量單炮記錄靜校正前、后的結果,X分量的原始單炮記錄信噪比差,反射波信息基本不能辨認,靜校正后,在其左側遠道的區(qū)域可以看到反射波。圖12是X分量靜校正前、后的疊加剖面,可以看出,未校正的疊加剖面波形雜亂,沒有有效的地質信息,靜校正后的疊加剖面質量得到改善,層位可以連續(xù)追蹤。

圖13為Z分量疊加剖面,可以看出,圖中淺、中、深層同相軸連續(xù)性都較好,目標層段同相軸清晰且易追蹤。圖14為不同方法靜校正后的X分量疊加剖面,圖中紅圈位置處低速帶覆蓋層較厚(對應于圖9 右側箭頭指示區(qū)域),橫波速度低,校正量大,用固定的常系數(shù)N來計算轉換波靜校正量時,靜校正量計算誤差較大,校正效果差,導致同相軸扭曲變形、不連續(xù)(圖14a)。而三分量微測井轉換波靜校正法是分別求取低(降)速帶縱橫波速度比,通過插值構建合理速度模型,計算各接收點的轉換波靜校正量,應用于轉換波疊加成像(圖14b)。對比圖14a和圖14b可見,在紅圈位置處轉換波常系數(shù)校正剖面的連續(xù)性差,淺層同相軸扭曲、錯斷,成像精度差;而基于三分量微測井轉換波靜校正后的疊加剖面,目的層段的同相軸連續(xù)性和信噪比有了明顯提高,淺層出現(xiàn)更加連續(xù)、清晰易追蹤的同相軸,較好地改善了疊加成像效果。

圖11 X分量單炮記錄靜校正前(a)、后(b)對比

圖12 X分量靜校正前(a)、后(b)的疊加剖面

圖13 Z分量疊加剖面

圖14 不同方法靜校正后的X分量疊加剖面

4 結論及建議

1) 三分量微測井轉換波靜校正方法是分別求取低(降)速帶縱橫波速度比,在地表地質調查的基礎上,通過插值構建合理速度結構模型,計算各接收點的轉換波靜校正量,不受地形條件限制,有效解決了轉換波靜校正問題。

2) 采用井中激發(fā)地面接收的施工布置方法不受地表地形條件的限制,可根據(jù)實際情況靈活安置三分量檢波器,每個位置“背對背”安置2個三分量檢波器,相加各點觀測數(shù)據(jù)取其平均值,可以有效減小隨機噪聲誤差,提高解釋精度。

3) 三分量記錄在水平分量上的橫波初至被縱波投影所掩蓋,需通過偏振處理識別。其頻譜分析可見:Z分量頻帶較寬,主頻約為250Hz,而X分量和Y分量頻帶較窄,主頻約為150Hz,主頻較縱波明顯偏低。

4) 在巖性橫向變化較大的地區(qū),為了提高轉換波勘探精度,調查淺層縱橫波速度是必須的。建議利用炮井鉆孔做高密度三分量微測井工作,通過插值的方式建立更接近實際的近地表速度結構。