對地震記錄極性的認識

楊 楠

(中國石油集團東方地球物理公司研究院，河北 涿州 072750)

0 引 言

在地震勘探項目中，地震隊采集的地震記錄由于極性不符合合同要求而造成質量事故的案例很多，可見極性在地震勘探中很重要。筆者通過學習與地震記錄的極性相關的知識和內容，對其有了部分認識。在此將主要討論SEG極性規(guī)定、地質上有關極性的定義及二者的聯(lián)系，極性在解釋工作中的意義。

1 SEG極性的規(guī)定及指導意義

美國地球物理勘探家協(xié)會針對炸藥震源和可控震源制定了SEG極性約定。

對于炸藥震源產生的脈沖信號，SEG正常極性(Normal Polarity)的定義是：由陸上速度檢波器向上運動或者水中壓敏檢波器壓力增加，產生一個負方向增加的信號初始電壓，該信號初始電壓輸入到記錄系統(tǒng)將引發(fā)：記錄系統(tǒng)負方向增加的輸出；在數(shù)字磁帶上記錄為負值；監(jiān)視記錄上顯示為波谷(下跳或向左跳)[1]。如與之情況相反，則是SEG反正常極性(Reverse Polarity)。圖1即為脈沖信號按照SEG標準給出的極性定義。

對于可控震源，其相關子波是由真參考信號與力信號互相關得到的，SEG規(guī)定相關子波的主峰正跳為SEG正常極性，相關子波的主峰負跳為SEG反正常極性。圖2顯示了符合SEG正常極性的震源相關子波及其對應的震源真參考信號和力信號。

圖1 脈沖信號的SEG極性規(guī)定Figure 1 Impulse signal SEG polarity stipulation

圖2 震源真參考信號(上)力信號(中)和 符合SEG正常極性的相關子波信號(下)Figure 2 Seismic source true reference signal (upper), force signal (middle) and correlated wavelet signal in accordance with SEG normal polarity (lower)

在地震勘探采集項目中，為了保證采集信號的一致性和穩(wěn)定性，必須要對相關的采集設備如檢波器、儀器、震源等設備進行極性測試。①項目開工階段，保證項目使用的相關設備的極性符合SEG標準；②項目生產階段，定期對設備進行極性測試；③任何設備維修、更換部件后，需要進行極性測試；④項目收工后根據(jù)甲方要求可再做一次極性測試。

驗證檢波器極性的方法是，把一串檢波器都插入地表，并與檢波器測試儀連接，然后逐個自上而下進行敲擊試驗。檢波器測試儀上會顯示其是否符合SEG正常極性，并存儲下來。

驗證儀器記錄系統(tǒng)極性的方法是通過FDU把排列與儀器系統(tǒng)連接，在排列上對通過極性測試的幾串檢波器上進行敲擊試驗。儀器記錄系統(tǒng)的極性如果符合SEG正常極性，向下敲擊檢波器會產生初始上跳的脈沖信號。圖3顯示了符合SEG正常極性的儀器記錄系統(tǒng)的檢波器敲擊試驗結果。

圖3 檢波器敲擊試驗結果Figure 3 Geophone hammer-blow test result

驗證震源極性的方法是，把震源平板和重錘上安裝的加速度表拆卸下來，用柔軟的物體自上而下做敲擊試驗。圖4展示了把符合SEG正常極性的Sercel公司生產的加速度表拆卸下來進行敲擊試驗的結果。

圖4 Sercel公司重錘加速度表(上) 和 平板加速度表(下)敲擊試驗結果Figure 4 Sercel weight accelerometer (upper) and plate accelerometer (lower) hammer-blow test results

2 地質上有關極性的定義及與SEG極性規(guī)定的聯(lián)系

2.1 地質上極性意義的提出

從SEG極性標準的制定可見，這只是一種相對約定，并沒有具體的地質意義。它僅考慮了野外采集信號的一致性，并沒有考慮極性在地震資料解釋上的意義。后來隨著地震勘探技術的發(fā)展，地球物理學家對極性也有了更進一步的認識[2]。

謝里夫對極性在地震資料解釋工作中的意義做了注釋：“極性是表示一個界面波阻抗增加或減小的反射系數(shù)(或正或負)的符號，如果涉及的是一個單一的界面，并且有效子波是零相位的，那么視極性就是極性”[3]。謝里夫后來在《勘探地球物理學百科詞典》第二版中增加了對極性明確的詮釋：“壓縮脈沖的起跳用一負值表示，正極性的地震波形反映了波阻抗的增大或正的反射系數(shù)，對于零相位正反射系數(shù)由中央對稱的峰值表示，通常在變面積或變密度顯示時繪成黑色的，稱為正標準極性(Positive standard polarity)，與上述相反的情況稱為負標準極性(Negative standard polarity)”[4]。

按照謝里夫對極性的定義，地震記錄的極性與地層的波阻抗關系或反射系數(shù)有聯(lián)系。對于一個零相位子波來說，正極性子波的主瓣向右跳，負極性子波的主瓣向左跳。如圖5所示。對于零相位地震剖面來說，正反射系數(shù)界面對應了正極性子波，如果是一個較大反射系數(shù)且相對孤立(即上、下一個波長內無其它界面干擾)的地層界面，則對應一個波峰；而負反射系數(shù)的界面對應了一個負極性子波，如果是一個相對孤立的負反射系數(shù)界面，則對應一個波谷。這種剖面稱正極性地震剖面，與其相反的稱負極性地震剖面。地震剖面的極性與地層界面的關系如圖6所示[2]。

圖5 地震子波的極性示意圖Figure 5 A schematic diagram of seismic wavelet polarity

(a)波阻抗；(b)反射系數(shù)；(c)正極性記錄；(d)負極性記錄圖6 地震剖面極性與地層界面的關系Figure 6 Relationship between seismic section polarity and strata interface

2.2 SEG極性規(guī)定與地質上極性定義的聯(lián)系

SEG極性規(guī)定和地質上極性的定義看似不同，它們之間有何聯(lián)系呢？在地震勘探中，通常把地震記錄中有效波的形成過程概括為以下數(shù)學模型，即由子波與反射系數(shù)的褶積得到。

S(t)=W(t)×R(t)

那么，地震子波的極性、反射系數(shù)和地震記錄中地震響應的關系應如下：對于子波正跳(正標準極性、脈沖信號的SEG反正常極性、可控震源信號的SEG正常極性)，正反射系數(shù)界面在地震記錄上對應波峰，負反射系數(shù)界面在地震記錄上對應波谷；對于子波負跳(負標準極性、脈沖信號的SEG正常極性、可控震源信號的SEG反正常極性)，正反射系數(shù)界面在地震記錄上對應波谷，負反射系數(shù)界面在地震記錄上對應波峰。由此可見，SEG極性規(guī)定與地質上極性的定義，都是對地震子波同一問題的不同描述，都反映地震記錄與地層反射系數(shù)的關系。

3 極性在地震資料解釋工作中的意義

理論上，由地震記錄的極性、上下地層的巖性或波阻抗關系可以推斷出地層頂界面所對應的地震反射特征。圖7中，地震記錄極性符合負標準極性；M2地層為穩(wěn)定的灰?guī)r，在地震上為連續(xù)強振幅反射， M1地層下部是一套泥巖，從泥巖到灰?guī)r波阻抗變大，M2地層頂界面對應波谷反射，解釋方案應該選擇波谷。

利用地震記錄極性的變化，可判斷地下巖層的性質。一般來說，對于正標準極性子波來說，當?shù)卣鸩◤牟ㄗ杩剐〉膸r層入射到波阻抗大的巖層(如頁巖到碳酸鹽巖，頁巖到致密砂巖，海底面，鹽巖、火山巖、基底頂界面)時，反射系數(shù)為正，在地震記錄上對應波峰；當?shù)卣鸩◤牟ㄗ杩勾蟮膸r層入射到波阻抗小的巖層(如碳酸鹽巖到頁巖，致密砂巖到頁巖，氣層頂界面)時，反射系數(shù)為負，在地震記錄上對應波谷[5]。

圖7 某探區(qū)地震剖面解釋圖Figure 7 Seismic section interpretation of a prospecting area

錯誤判斷地震記錄的極性還可能對屬性提取在儲層預測方面的效果產生影響。如某油田鉆探過程中鉆遇含氣儲層，希望通過提取地震屬性來開展儲層預測工作。本工區(qū)氣層的上覆地層波阻抗大，因此氣層的頂界面反射系數(shù)為負值。通過正負標準極性子波制作合成記錄分別進行層位標定，氣層頂界面在地震記錄上分別對應波谷和波峰反射。解釋波谷并提取最小振幅屬性可以刻畫儲層邊界，解釋波峰并提取最大振幅屬性則無法刻畫儲層的橫向展布特征[6]，如圖8所示。

圖8 左圖最小振幅屬性(儲層頂對應波谷)右圖最大振幅屬性(儲層頂對應波峰)Figure 8 Minimum amplitude attribute (left, reservoir top corresponding to wave trough) and maximum amplitude attribute (right, reservoir top corresponding to wave peak)

4 結論

(1)為了保證地震記錄極性的一致性，在采集項目中必須要求所有設備產生或接收的信號極性一致；在資料處理階段也要檢查資料極性是否發(fā)生改變；并建議在采集和處理上交資料時備注地震記錄的極性。

(2)SEG極性規(guī)定與地質上極性的定義，都反映地震記錄與地層反射系數(shù)的關系或上下地層的巖性關系。

(3)錯誤判斷地震記錄的極性可能對屬性提取在儲層預測方面的效果產生影響。

參考文獻:

[1]Thigpen Ben B, Dalby A E, Ralph Landrum. Special report of the Subcommittee on polarity standards[J]. Geophysics,1975,40(4):694～699.

[2]韓文功.地震剖面的極性問題[J].石油地球物理勘探,1994,29(6).

[3]Sheriff Robert E. Seismic stratigraphy[M].International Human Resources Development Corporation, 1980.

[4]Sheriff Robert E. Encyclopedic dictionary of exploration geophysics (Second edition)[M].Society of Exploration Geophysicists,1986.

[5]安斯蒂N.砂巖油氣藏的地震勘探[M].牛毓荃，譯.北京：石油工業(yè)出版社,1987.

[6]吳俊剛，等.地震資料極性判別技術在儲層預測中的應用[J].海洋石油,2011,31(4).

[7]劉金忠.可控震源極性測試[J].物探裝備,2006,16(2).

[8]王克寧.地震記錄極性和層位標定研究[J].石油地球物理勘探,1992.27(1).

[9]賴仲康.如何判別地震資料極性做好井約束反演[J].新疆石油地質,1999,20(4).

[10]王金鐸,等.地震資料解釋中的極性判別技術[J].石油物探,2001,40(2).

[11]孫家振,李蘭斌.地震地質綜合解釋教程[M].北京：中國地質大學出版社,2002.