檢波點位置偏移原則在準噶爾盆地沙漠區(qū)地震采集中的應(yīng)用

王正軍,徐文瑞,劉 飛

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新疆物探處分公司,新疆克拉瑪依834000)

“兩寬一高”采集技術(shù)在準噶爾盆地的應(yīng)用已經(jīng)從西北緣高信噪比地區(qū)推廣到了沙漠腹部,單點接收的采集方式雖然為接收資料的保真性提供了更大的保障,但是也對檢波器的接收條件提出了更高要求,因為一個檢波器的埋置條件優(yōu)劣直接決定了一個接收道或者說一次覆蓋的有效性。沙漠中檢波器埋置條件對地震波接收效果的影響更大,主要原因有兩方面:一是巨厚沙層對地震反射波能量的強吸收衰減作用導(dǎo)致單點接收能量和信噪比較組合接收差很多;二是沙漠不同地表物性的介質(zhì)中檢波器接收響應(yīng)差異遠大于平坦的戈壁和農(nóng)田區(qū)。這種檢波器接收響應(yīng)差異反映在地震道間有效反射的能量、頻率及相位的損失和畸變上,這些非地質(zhì)目標造成的反射信號異常很難在后續(xù)處理時被消除,反射信號也很難得到恢復(fù),這不僅影響最終疊加成像的分辨率和精度,還會造成地質(zhì)假象,誤導(dǎo)后續(xù)的解釋評價。

目前國內(nèi)外關(guān)于改善檢波器接收效果的研究很多,主要包括通過改進地震儀器和檢波器等采集設(shè)備的靈敏度、失真度及動態(tài)范圍指標等提高檢波器對地震波的接收響應(yīng)能力[1-4];通過改進檢波器尾椎對檢波器耦合系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響[5-9]。更多的研究側(cè)重于檢波器與接觸介質(zhì)耦合的影響因素和關(guān)系方面,包括檢波器耦合對資料分辨率、可靠性的影響的分析和討論[10-14];檢波器與介質(zhì)耦合的測量分析方法及應(yīng)用[15-20];沙漠區(qū)檢波器耦合響應(yīng)的補償處理技術(shù)等。以上研究在提高采集裝備的性能、適應(yīng)性及檢波器耦合的深化研究方面做出了積極貢獻。但通過檢波點位置偏移來選擇地表埋置條件更好的相關(guān)研究不多,相對于采集設(shè)備性能的改進,將檢波點位置偏移到有利的地表位置以改善檢波器接收響應(yīng)的方法更加直接、實現(xiàn)成本更低。2003年,王德志等[21]提出了采用“避高就低”的方法改善塔里木沙漠地震采集資料效果的方案;2006年,劉紅軍等[22]在塔里木大沙漠區(qū)采用“避高就低”將炮檢點進行整體偏移提高了資料品質(zhì),驗證了利用檢波點位置偏移的方法改善地震資料品質(zhì)的可行性。相對于塔里木盆地沙漠沙丘流動性大、植被少、表層物性變化小的特征,準噶爾盆地沙漠具有沙丘流動性小、表層植被發(fā)育但發(fā)育程度不同、高差大、表層物性變化大的特點,不同地表檢波器接收響應(yīng)差異巨大。鑒于準噶爾盆地與塔里木盆地沙漠地表及結(jié)構(gòu)特征的差異,在塔里木盆地沙漠區(qū)檢波點“避高就低”選點偏移的成功經(jīng)驗并不完全適用于準噶爾盆地,本文通過實地調(diào)查沙漠地表濕度、壓實度、植被發(fā)育程度等地表物性及高差、坡度等地表地貌特征,結(jié)合實際資料共檢波點道集有效頻帶信噪比的統(tǒng)計分析,建立了資料品質(zhì)與地表條件之間的聯(lián)系,對影響檢波器接收信號品質(zhì)的主要近地表因素進行了探索性研究,進而形成適合準噶爾盆地特點的檢波點優(yōu)化偏移的方法,達到了從采集接收環(huán)節(jié)提高沙漠區(qū)所采集的地震資料分辨率的目的。

1 沙漠地表典型特征

準噶爾盆地沙漠屬于固定、半固定沙漠,主要呈條帶狀和蜂窩狀分布特征,地表普遍發(fā)育植被,但發(fā)育程度在空間上變化大。沙漠區(qū)低降速層厚度在8～300m,地表相對高差大,但高速層穩(wěn)定,速度在1800m/s左右。地表濕度隨季節(jié)變化很大,每年的4—6月由于積雪融化及降雨較多,是沙漠表層濕度最大的時段;7—8月則是沙漠溫度最高、地表最干燥的時段,也是地震采集條件最差的時段。5月份在準噶爾盆地沙漠研究區(qū)選擇了330個不同地貌的調(diào)查點進行了地表濕度、壓實及植被發(fā)育程度等地表物性的實地調(diào)查,統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)不同地表地貌條件下這些地表物性存在明顯差異:①濕度,沙丘平頂及沙丘平坦低洼部地表濕沙厚度大于80cm,沙丘緩坡地表濕沙厚度約50～80cm,陡坡地表濕沙厚度約30～65cm;②壓實程度,沙丘平頂、沙丘緩坡、沙丘平底壓實度最好,陡坡、尖頂、沙丘坡底過渡帶壓實度最差;③植被發(fā)育程度,沙丘低洼區(qū)最好,緩坡次之,陡坡及頂部最差。

2 影響檢波器接收響應(yīng)的因素

2.1 地表高程(厚度)變化

準噶爾盆地沙漠的表層結(jié)構(gòu)具有“地表復(fù)雜、地下簡單”的特點,局部范圍內(nèi),地表高差變化大,但高速層頂界面則相對平緩穩(wěn)定,所以地表高程高的位置低降速層厚度也相應(yīng)較厚,理論上講,該位置的檢波點接收到的反射信號經(jīng)過低降速層傳播的路徑相對要長,信號能量尤其是高頻能量的衰減會更多,這也是業(yè)界普遍認可的沙漠區(qū)采集“避高就低”優(yōu)選原則的理論基礎(chǔ),在準噶爾盆地這個原則同樣具有一定適應(yīng)性。圖1a為沙漠區(qū)一個地表起伏地段的地表高程,圖1b顯示了在該地段選擇的3個不同高程位置檢波點70～140Hz帶通濾波的道集。由圖1b可以看出,3個道集的品質(zhì)差異明顯:相對低部位(薄層)道集①的中深層低信噪比反射(籃圈指示區(qū)域)及深層反射(綠框指示區(qū)域)的信噪比明顯較高,斜坡部位的道集②次之,高部位的道集③最差。圖2為3個不同位置高程與2個不同深度的目的層70～140Hz帶限信噪比的量化分析結(jié)果?？煽闯?隨著高程(低降速層厚度)增加,有效波高頻的信噪比降低。這種情況下,如果將高處的檢波點偏移到低部位,不但可以降低噪聲的影響,同時可以獲得地震資料有效波高頻并且能量較強,提高了原始采集資料的有效頻寬,為提高最終成像的分辨率提供了更好的基礎(chǔ)資料。

圖1 地表高程(a)及對應(yīng)70～140Hz帶通濾波的共檢波點道集(b)

圖2 地表高程(a)與對應(yīng)位置不同目的層的70～140Hz帶限信噪比(b)

2.2 地表物性的變化

徐淑合等[9]已經(jīng)證明,沙漠地表與檢波器的耦合狀態(tài)是影響檢波器對地震反射信號接收響應(yīng)的重要因素。檢波器和介質(zhì)的耦合狀態(tài)可以用諧振頻率和阻尼系數(shù)來描述,國內(nèi)外的相關(guān)研究[5-13]認為檢波器尾椎與大地構(gòu)成的耦合系統(tǒng)會產(chǎn)生耦合諧振,其諧振頻率f0可以作為耦合系統(tǒng)的評價標準。改善檢波器耦合的效果可以歸結(jié)為提高f0使其脫離地震勘探頻帶。f0可以表達為:

(1)

式中:k1為檢波器與介質(zhì)的接觸剛度;ρ為介質(zhì)密度;b2為接觸面積;v為地層速度;M為檢波器質(zhì)量;M0為尾椎與大地耦合介質(zhì)的質(zhì)量。

公式(1)表明檢波器與接觸介質(zhì)之間的諧振頻率與接觸介質(zhì)的剛度、密度、速度及檢波器外形、質(zhì)量密切相關(guān)。地表介質(zhì)經(jīng)驗諧振頻率值統(tǒng)計結(jié)果表明,本地區(qū)沙丘、表土或干土、耕地、黏土、硬耕地等介質(zhì)的諧振頻率分別為30～200、20～100、100、200～400、300Hz。由此可以看出沙漠介質(zhì)具有30～200Hz很寬的諧振頻率范圍。對于采集項目來說,一般采用統(tǒng)一型號的檢波器,其形狀、質(zhì)量不會改變,說明沙漠地表物性的變化是造成該諧振頻率巨大差異的主因,所以可以認為沙漠區(qū)檢波器埋置地表的選擇具有很大的改善檢波器接收響應(yīng)的潛力。準噶爾盆地沙漠區(qū)不同地表位置的植被發(fā)育程度、種類、潮濕度、壓實度等物性變化大,這些物性不僅與地表介質(zhì)的密度和剛度密切相關(guān),還與地表地貌特征相關(guān)。

對準噶爾盆地沙漠區(qū)實際資料統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn):地表植被發(fā)育程度(地表顏色)、地表坡度是影響檢波器高頻信號接收響應(yīng)的另外兩個重要的地表因素。

圖3a顯示了沙漠腹地一個最大高差達50m(低降速層厚度差達40m)的連續(xù)沙丘的高程,圖3b為在該連續(xù)沙丘不同高程位置選取的9個檢波點70～140Hz帶通濾波的道集。以道集上強反射層(圖3b紅框標示區(qū)域)為分析目標分別計算其70～140Hz頻段的信噪比,結(jié)果如圖3c所示,與對應(yīng)的檢波點高程(圖3a)對比發(fā)現(xiàn),二者沒有明顯相關(guān)性,但具有一定的區(qū)域特征:沙丘右翼的樁號2694～2715范圍內(nèi)信噪比明顯好于左翼的樁號2659～2687,比檢波點2666高40m的檢波點2694卻表現(xiàn)出更高的信噪比。實地勘察發(fā)現(xiàn)沙丘右翼淺根類植被發(fā)育、沙層濕度大、壓實度高,而左翼被壓實度低的浮沙覆蓋、植被稀疏、沙層濕度小,頂部為壓實度很高的大平頂。資料表明,局部范圍內(nèi)檢波點與介質(zhì)的耦合狀態(tài)對有效反射高頻響應(yīng)的影響,要強于高差。而在地表物性相當?shù)?666、2673、2680三個檢波點則又表現(xiàn)出傳統(tǒng)的“隨著高程增加,信號能量降低”的相關(guān)性規(guī)律。

圖3 檢波點高程(a)、70～140Hz帶通共檢波點道集(b)及道集帶限信噪比(c)

圖4顯示了沙漠區(qū)某檢波線檢波點高程與其道集主頻段15～50Hz帶通濾波后的均方根(RMS)能量統(tǒng)計分析關(guān)系。由圖4可得出,大的趨勢(紅色虛線)符合高程增加,信號能量降低的相關(guān)性規(guī)律,但在局部范圍內(nèi),符合高程與信號能量負相關(guān)映射規(guī)律的檢波點(藍線標識位置),與不符合該規(guī)律的檢波點(紅線標識位置),均占有相當大的比例。用同樣方法對另外兩個已采集沙漠區(qū)地震資料的檢波點有效波能量抽樣統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)接收點道集有效信號能量與高程不相關(guān)的比例超過40%,可見這種不相關(guān)并非偶然個例。統(tǒng)計結(jié)果具有以下關(guān)系特征:坡度越小、植被發(fā)育程度越高,則地表濕度和壓實程度越高的相關(guān)性變化趨勢,其中地表植被發(fā)育程度與地表濕度和壓實程度相關(guān)度最高,坡度次之,高程最小。因此準噶爾盆地沙漠區(qū)檢波點位置優(yōu)選的順序和方向為:首選植被發(fā)育(地表顏色深)的位置;在植被發(fā)育相當?shù)那闆r下,再選擇坡度較小的位置;在植被發(fā)育、坡度相當?shù)臈l件下,才選擇高程較低的位置,即所謂的“先避虛就實、后避高就低”的原則。

圖4 檢波點高程與接收能量關(guān)系

3 檢波點偏移距離的約束

與炮點位置偏移一樣,通過檢波點位置偏移,可以改善檢波器接收反射信號的能量和頻寬,獲得更豐富的高頻信息,但同時可能會破壞道集和成像波場的空間均勻性,所以檢波點位置偏移應(yīng)遵循一定的規(guī)則。圖5為一個CMP面元為10m×10m的三維正交規(guī)則觀測系統(tǒng)的面元覆蓋次數(shù)模擬圖,檢波點距、炮點距均為20m,檢波線距、炮線距均為60m。圖中籃框表示以檢波點為中心一個CMP面元距離的范圍,白框表示以檢波點為中心一個地表面元(檢波點距×檢波線距)距離的范圍,圖5b表示檢波點在一個CMP面元范圍內(nèi)偏移,這時不會對觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)的均勻性造成影響,當檢波點偏移距離超過一個CMP面元而小于一個地表面元(圖5c)時,個別面元的覆蓋次數(shù)分布開始發(fā)生變化,但數(shù)量占比較小,在高覆蓋情況下,對均勻性影響更弱,但是當檢波點偏移距離大于一個地表面元后,特別是縱橫向均發(fā)生位置偏移(如圖5d和圖5e)時,覆蓋次數(shù)異常點所占比例就會大幅增加,造成非地質(zhì)原因的振幅異常變化,影響成像精度,干擾甚至誤導(dǎo)地質(zhì)認識,所以在改善道集品質(zhì)的同時,對于野外采集炮點、檢波點偏移的尺度需要進行一定規(guī)則的約束,理論上偏移距離應(yīng)小于一個CMP面元,允許偏移的最大距離應(yīng)不大于一個地表面元的距離(如圖5f紅框標示),同時滿足炮、檢點分布相對均勻的原則。

圖5 檢波點偏移尺度對面元覆蓋次數(shù)影響分析a 不偏移; b CMP面元內(nèi)偏移; c 地表面元內(nèi)偏移; d 地表面元外橫向偏移; e 地表面元外縱橫向偏移; f 建議炮、檢點偏移范圍

4 應(yīng)用效果

在準噶爾盆地東部沙漠某工區(qū)進行了檢波點位置偏移對比采集試驗,試驗采用3線2炮的寬線二維觀測系統(tǒng),道距20m,激發(fā)、接收線距均為40m。選擇三條檢波線中的外側(cè)一條依據(jù)“先避虛就實,后避高就低”原則進行檢波點選點位置偏移,依據(jù)地表植被發(fā)育程度、坡度、高程等因素選擇檢波點,其它兩條檢波線按照傳統(tǒng)的不偏移方法布設(shè)。如圖6所示,偏移檢波線總檢波點數(shù)2902個,實際優(yōu)化、偏移點數(shù)1936個,偏移點占比66.7%,由于特殊地表高差、地物特征變化及接收設(shè)備連線長度的限制,造成偏移距離大于40m(一個檢波線距)的檢波點約占10%,偏移距離在20～40m之間的占10.89%,近80%的檢波點偏移距離在20m(一個地表面元)范圍之內(nèi),這種對偏移距離的約束可以在改善檢波點接收響應(yīng)的同時,保持地震波場的均勻性。

圖6 偏移檢波點位置分布(a)及偏移量統(tǒng)計(b)

檢波點位置偏移前后的全頻帶檢波點道集整體面貌差異不大,位置偏移后道集有效波能量稍強于未優(yōu)選檢波點位的道集(圖7),道集上相對的弱反射目的層(圖中紅框)的頻譜上檢波點位置偏移后道集在低頻和高頻端均有不同程度的拓寬,從而使原始資料具有更大的提高分辨率的潛力。應(yīng)用相同處理流程分別對檢波點偏移、檢波點不偏移及所有檢波點數(shù)據(jù)進行疊前時間偏移(PSTM)成像處理,然后在3套處理成果剖面上選取相同位置、相同時窗進行頻譜分析,本文選擇了不同埋深和信噪比的3個目的層分析時窗W1、W2、W3以及不同目的層時窗的頻譜曲線如圖8所示。以相對振幅20dB為參考,對于淺層高信噪比目的層W1,檢波點位置偏移的檢波線(藍線)成像具有最寬的頻帶(比檢波點不優(yōu)選(紅線)成像高頻拓寬了1.5Hz),檢波點不優(yōu)選與所有檢波點的成像頻寬基本相當;而對于中深層低信噪比目的層W2,同樣是檢波點位置偏移的檢波線成像具有最寬的頻帶(比不偏移成像高頻拓寬了3.5Hz),檢波點不優(yōu)選與所有檢波點成像頻寬基本相當;對于深層高信噪比目的層W3,同樣也是檢波點位置偏移的檢波線成像具有最寬的頻帶(比不優(yōu)選成像高頻拓寬了1.0Hz),所有檢波點成像頻寬次之,檢波點不優(yōu)選成像頻帶最窄。分析結(jié)果表明:優(yōu)選檢波點埋置位置有利于提高資料成像的分辨率,且對不同目的層影響程度不同,目的層反射能量越弱,檢波點位置優(yōu)選偏移對拓寬頻帶的作用越明顯。

圖7 檢波點位置偏移前、后道集及頻譜分析

圖8 PSTM成像剖面以及不同目的層時窗(W1、W2、W3)的頻譜分析

5 結(jié)論

1) 準噶爾盆地腹部地表起伏較大的沙漠區(qū),地表物性空間變化會造成地震波接收響應(yīng)產(chǎn)生差異,通過檢波點位置的適當偏移優(yōu)選地表條件較好的檢波點可以提高接收道集及最終成像的反射能量和頻帶寬度。

2) 通常情況下,檢波器接收地震信號的能量隨著低降速層厚度的增加而減弱,但在特殊情況下,局部范圍內(nèi)地表物性的差異比地表起伏對檢波器接收響應(yīng)的影響更大,所以準噶爾盆地沙漠區(qū)檢波點位置優(yōu)化不能完全遵循傳統(tǒng)的“避高就低”的原則,而應(yīng)修正為“先避虛就實,后避高就低”的原則。結(jié)合地表顯性特征,優(yōu)化選擇順序和方向為:地表植被發(fā)育程度高(地表顏色深)、坡度小、高程低。

3) 適當?shù)臋z波點位置偏移距離約束可以避免檢波點位置偏移對成像波場均勻性的影響。最佳檢波點偏移距離的范圍應(yīng)不大于一個CMP面元,最大檢波點偏移距離應(yīng)不大于一個地表面元。

4) “先避虛就實,后避高就低”原則考慮的影響因素更全面,避免了單純“避高就低”原則的片面性,增加了方法對于復(fù)雜沙漠地表的適應(yīng)性,該方法也適用于激發(fā)點的位置優(yōu)選,炮、檢點聯(lián)合優(yōu)選偏移會獲得更好效果。地表物性包括地表坡度、坡向、地表植被發(fā)育程度等多種表象特征,如果能夠?qū)⑦@些特征量化,與高程特征綜合為一個單一的地表物性指標作為檢波點位置優(yōu)選的選擇依據(jù),就可以實現(xiàn)室內(nèi)檢波點優(yōu)化的自動化預(yù)設(shè)計,大大提高野外規(guī)?；杉男屎唾|(zhì)量。