碳酸鹽巖表層結(jié)構(gòu)對(duì)地震波能量的影響

鐘明壽 謝全民 常 鑒 劉少光 龍 源 劉 影(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇南京 210007； ②中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，湖北武漢 430075；中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所，江蘇南京 210014； 寧德市公安局，福建寧德 352100)

1 引言

世界油氣勘探統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，碳酸鹽巖中的油、氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量所占份額都越來越大。中國碳酸鹽巖的油氣資源量也十分豐富，累計(jì)探明石油儲(chǔ)量22.3億噸、天然氣儲(chǔ)量約占全國總儲(chǔ)量的三分之一。目前碳酸鹽巖中油氣藏的勘探程度低、待勘探領(lǐng)域非常廣闊。通過地球物理方法確定油氣在巖層中的具體位置是開采的先決條件，其中以化爆震源激發(fā)地震波的方法因勘探范圍廣、精度高、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)占據(jù)重要地位。在化爆震源地震勘探中，地震波的傳播路徑、振動(dòng)強(qiáng)度和波形隨所穿過碳酸鹽巖介質(zhì)的彈性性質(zhì)和幾何形態(tài)發(fā)生復(fù)雜的變化，地震波能量受到諸如藥量、藥性、耦合方式和不耦合系數(shù)等震源激發(fā)參數(shù)以及巖層地質(zhì)和地形條件等諸多因素的影響[1-11]。

通過實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)和典型碳酸鹽巖現(xiàn)場爆炸地震波試驗(yàn)及其地震記錄的相關(guān)處理和數(shù)據(jù)分析，可為優(yōu)選碳酸鹽巖地區(qū)爆炸地震波的震源激發(fā)參數(shù)和激發(fā)方式奠定基礎(chǔ)。

2 碳酸鹽巖與砂、泥巖的表層地質(zhì)條件差異

通常在討論多層介質(zhì)地震波的傳播問題時(shí)，認(rèn)為每層的地層厚度Δh遠(yuǎn)大于地震波的波長λ(λ一般為70～100m)，或地震波垂直通過某層的雙程旅行時(shí)間t遠(yuǎn)大于地震波的視周期T。在這種情況下，地層上、下界面的反射波不會(huì)發(fā)生疊加。相反，如果Δh遠(yuǎn)小于λ或t遠(yuǎn)小于T，則地層上、下界面的反射波將會(huì)發(fā)生明顯的干涉和疊加，致使每一層面所形成的波動(dòng)特點(diǎn)都不同于厚層。在地震勘探領(lǐng)域，將這類地層稱為“薄互層”[12-15]。必須明確的是，這種意義下的薄互層是由巖層本身絕對(duì)厚度及波動(dòng)頻率(或波長)的相互關(guān)系決定的。

觀察野外的灰?guī)r和砂、泥巖地層發(fā)現(xiàn)：由于沉積環(huán)境的穩(wěn)定性差異，灰?guī)r地層的巖性在縱向上變化不明顯，且縱向分界面(波阻抗界面)不明顯或者波阻抗差很小；砂、泥巖地層的縱向巖性變化很大，單層厚度小(一般為1～2m)、層間差異大[16-18]，縱向分界面(波阻抗界面)很多，不整合面等沉積突變區(qū)或巖性變化較大的分界面的波阻抗差較大(圖1)。因此，灰?guī)r的表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為厚層，砂、泥巖的表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為薄互層，可通過薄互層反射波的相關(guān)特征表征兩種表層結(jié)構(gòu)的差異及對(duì)震源激發(fā)地震波能量的影響。

圖1 灰?guī)r(a)和砂、泥巖(b)地層的差異

3 不同表層結(jié)構(gòu)震源激發(fā)試驗(yàn)

前人研究了薄互層反射波的頻譜、強(qiáng)度、波形等動(dòng)力學(xué)特征，認(rèn)為炸藥震源在相對(duì)柔軟的固體介質(zhì)中激發(fā)的地震波低頻能量較大[19,20]。為研究在層狀結(jié)構(gòu)表層激發(fā)時(shí)地震波能量及頻率的變化規(guī)律，在一塊平滑、整齊的大理石上進(jìn)行三組不同表層結(jié)構(gòu)條件下激發(fā)的物理模擬試驗(yàn)。激發(fā)震源是頻率為320kHz超聲波震源，三種表層結(jié)構(gòu)及激發(fā)方式分別為： ①在大理石上面不同深度的水中激發(fā)； ②大理石表面澆注0.7mm厚的硅橡膠層，在硅橡膠層上面不同深度的水中激發(fā)； ③大理石表面澆注1.0mm厚的硅橡膠層，在硅橡膠層上面不同深度的水中激發(fā)。即通過上述方式研究較厚儲(chǔ)層(沒有硅膠層)、不同厚度薄層(不同厚度硅膠層)的地震響應(yīng)特征。大理石之上覆蓋硅橡膠層是為了模擬薄互層，研究在不同水深激發(fā)的不同厚度的薄層的地震調(diào)諧效應(yīng)。

圖2～圖4為三組模型試驗(yàn)的能量柱狀圖分析及地震記錄。由圖可見，在層狀結(jié)構(gòu)條件下不同激發(fā)深度得到的地震記錄及能量分布差異明顯，具體表現(xiàn)為：在第一種表層結(jié)構(gòu)中激發(fā)深度為0時(shí)，地震能量達(dá)到最大值(圖2)；在第二種表層結(jié)構(gòu)中激發(fā)深度為12m時(shí)，地震能量達(dá)到最大值(圖3)；在第三種表層結(jié)構(gòu)中激發(fā)深度為8m時(shí)，地震能量達(dá)到最大值(圖4)?？梢?，能量變化與激發(fā)深度沒有線性關(guān)系，其中在某個(gè)激發(fā)深度上地震記錄的能量達(dá)到最大。因此，不同表層結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下的頻率響應(yīng)不同，層狀結(jié)構(gòu)巖層起到低通濾波器作用，并且對(duì)某些頻率成分進(jìn)行了調(diào)諧放大。

圖3 第二種表層結(jié)構(gòu)的激發(fā)能量柱狀圖(上)與地震記錄(下)

圖4 第三種表層結(jié)構(gòu)的激發(fā)能量柱狀圖(上)與地震記錄(下)

通過上述試驗(yàn)可知，當(dāng)巖石表層結(jié)構(gòu)存在薄互層時(shí)，將對(duì)某些頻率成分產(chǎn)生調(diào)諧放大作用。如果適合爆破地震勘探的頻率成分在這些放大的頻率范圍內(nèi)，可認(rèn)為該表層結(jié)構(gòu)的地震地質(zhì)條件較好，可對(duì)地震勘探所需頻率調(diào)諧放大，得到能量較強(qiáng)的地震信號(hào)。在一般情況下灰?guī)r表層不具備這樣的條件，這是灰?guī)r裸露地區(qū)激發(fā)條件差的原因之一。

4 灰?guī)r表層結(jié)構(gòu)接收試驗(yàn)

為了研究灰?guī)r裸露區(qū)復(fù)雜的地表接收條件對(duì)地震波能量的影響，進(jìn)行灰?guī)r表層結(jié)構(gòu)接收試驗(yàn)。在一個(gè)較為平整的灰?guī)r裸露地面，以激發(fā)點(diǎn)為中心、直徑為4m的圓上選擇三個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)安置3個(gè)不同類型的檢波器(圖5)。

本次試驗(yàn)采用的地震波信號(hào)測試系統(tǒng)如圖6所示，由地震中央控制器、Geode地震采集站和檢波器排列組成。整機(jī)地震記錄系統(tǒng)有6、12、16～64道可選，采用TM視窗操作系統(tǒng)的全套地震軟件，總道數(shù)按實(shí)際需要最大可達(dá)1000道。記錄長度為標(biāo)準(zhǔn)16384樣點(diǎn)，也可選65536樣點(diǎn)；具備濾波功能，濾波頻率由用戶選擇；數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)SEG-2格式，同時(shí)可選SGOS、SEG-D和SEG-Y格式。

在中心點(diǎn)炮孔中使用20g乳化炸藥激發(fā)獲得不同接收條件的地震記錄(圖7)。顯然，由于地表接收條件的改變，不但初至波波形差異非常大，而且反射波的差異也非常大。同一組檢波器類型的不同帶來的地震波波形差異遠(yuǎn)小于由表層接收條件不同帶來的地震波波形差異。

圖5 不同接收條件試驗(yàn)的檢波器安置情況(a)1#測點(diǎn)； (b)2#測點(diǎn)； (c)3#測點(diǎn)

1#測點(diǎn)的1～3道3個(gè)檢波器直接固定在灰?guī)r上，灰?guī)r表層有破碎跡象； 在灰?guī)r上加約0.4m厚的膠泥，2#測點(diǎn)的4～6道3個(gè)檢波器固定在膠泥上； 3#測點(diǎn)的7～9道3個(gè)檢波器直接固定在灰?guī)r上，灰?guī)r表層為完整巖石結(jié)構(gòu)。1、4、7道為25Hz加速度檢波器，2、5、8道為10Hz加速度檢波器，3、6、9道為40Hz速度檢波器

圖6 地震波信號(hào)測試系統(tǒng)

圖8～圖10分別為不同接收條件下25、10Hz加速度檢波器及40Hz速度檢波器記錄的波形和頻譜。由圖可見：不同表層結(jié)構(gòu)的地震記錄的波形和頻譜差異明顯，說明在爆炸子波的激勵(lì)下，某個(gè)層位確實(shí)對(duì)某些頻率成分具有調(diào)諧作用；對(duì)于不同的檢波器及表層結(jié)構(gòu)，在頻譜的40Hz處總有一個(gè)峰值，說明試驗(yàn)點(diǎn)附近灰?guī)r地層的表層結(jié)構(gòu)存在一個(gè)固定的頻率響應(yīng)，推斷該響應(yīng)與表層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)?；?guī)r裸露區(qū)巖層的表層結(jié)構(gòu)在縱、橫向復(fù)雜多變，大都是基巖上覆蓋著一層薄土層或基巖直接裸露于地表，同時(shí)由于風(fēng)化淋濾作用和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，表層基巖結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，甚至灰?guī)r有破碎現(xiàn)象。因此，在橫向上地震排列接收條件的一致性較差。

圖8 不同接收條件下25 Hz加速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

圖9 不同接收條件下10 Hz加速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

圖10 不同接收條件下40 Hz速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

上述分析表明，爆炸地震波的產(chǎn)生機(jī)理為：炸藥在介質(zhì)中爆炸后產(chǎn)生的沖擊波先轉(zhuǎn)化為彈塑性應(yīng)力波，進(jìn)入彈性區(qū)為應(yīng)力波，該應(yīng)力波的主要能量集中在幾千至上萬赫茲的頻率范圍，在地震勘探過程中應(yīng)力波的高頻部分迅速衰減，而占其中份額很少的低頻信號(hào)被接收。同時(shí)，地表地層在炸藥爆炸的激勵(lì)作用下產(chǎn)生相應(yīng)的低頻振幅響應(yīng)，它和應(yīng)力波混合在一起，成為地震激發(fā)的地震子波。灰?guī)r地層由于巖層厚度和巖石密度大，造成在震源激發(fā)作用下碳酸鹽巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)弱，導(dǎo)致其地震子波能量弱，因此采集到的地震波能量較弱。同時(shí)，在灰?guī)r裸露地區(qū)，當(dāng)?shù)叵路瓷洳ǖ竭_(dá)地表時(shí)，由于表層條件一致性很差，導(dǎo)致反射振幅、頻率和相位產(chǎn)生很大差異，不僅嚴(yán)重影響多次疊加效果，而且影響整條測線的信號(hào)采集效果，增加了地震采集技術(shù)的復(fù)雜性。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)巖石表層結(jié)構(gòu)存在薄互層時(shí)，將對(duì)某些頻率成分產(chǎn)生調(diào)諧放大作用。如果適合爆破地震勘探的頻率成分在這些放大的頻率范圍內(nèi)，則該表層結(jié)構(gòu)的地震地質(zhì)條件較好，能夠調(diào)諧放大地震勘探所需頻率，并得到能量較強(qiáng)的地震信號(hào)。在一般情況下灰?guī)r表層不具備上述條件，這是灰?guī)r裸露地區(qū)激發(fā)條件差的原因之一。

(2)爆炸應(yīng)力波的主要能量集中在幾千至上萬赫茲頻率范圍，在地震勘探中，應(yīng)力波的高頻部分迅速衰減，而占其中份額很少的低頻信號(hào)被接收。同時(shí)，地表地層在炸藥爆炸的激勵(lì)作用下產(chǎn)生相應(yīng)的低頻振幅響應(yīng)，它和應(yīng)力波混合在一起，成為地震激發(fā)的地震子波。

(3)灰?guī)r地層由于巖層厚度和巖石密度大，在震源激發(fā)作用下碳酸鹽巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)弱，導(dǎo)致其地震子波的能量弱，因此在碳酸鹽巖中采集到的地震波能量較弱；在灰?guī)r裸露地區(qū)，巖石表層條件一致性很差，導(dǎo)致爆炸反射波的振幅、頻率和相位產(chǎn)生很大的差異，增加了在碳酸鹽巖地區(qū)爆炸地震勘探采集技術(shù)的復(fù)雜性。

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