引用本文
曾昭翰, 裴云龙, 蒋波, 吴婷. 震源组合对高精度勘探成像精度的影响[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 61-65.
ZENG Zhao-Han, PEI Yun-Long, JIANG Bo, WU Ting. The influence of combination vibroseis on imaging accuracy of high-precision exploration[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 61-65.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.11  
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震源组合对高精度勘探成像精度的影响
曾昭翰, 裴云龙, 蒋波, 吴婷
中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院,江苏 南京 211103

作者简介: 曾昭翰(1981-),男,高级工程师,现在中国石化石油物探技术研究院从事物探采集方法研究工作。

收稿日期: 2015-01-27
基金: 国家科技重大专项项目(2011ZX05035-002)资助
摘要

为确保可控震源的激发效果,目前国内均采用多台震源组合的方式施工,但这种施工方式在野外采集阶段即令原始地震资料产生不同相叠加,影响最终成像精度。通过理论计算、统计对比和模型正演分析手段,结合实际地震资料分析找出了此影响在时空域的规律,并据此提出在复杂地表区域采用台数较少的震源进行面积组合,由此造成的能量不足、信噪比偏低的不利影响,可以利用高覆盖次数、优化检波器组合的方式来弥补。在西部某工区的施工效果显示,该方法能在保证资料成像效果的基础上进一步缩短采集周期、降低采集成本,尤其在复杂地表地区这种施工方式可实现度也更高,更符合高精度地震采集的发展趋势。

关键词: 震源组合; 组合基距; 成像精度; 模型正演
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0061-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.11
The influence of combination vibroseis on imaging accuracy of high-precision exploration
ZENG Zhao-Han, PEI Yun-Long, JIANG Bo, WU Ting
SINOPEC Geophysical Research Institute,Nanjing 211103
Abstract

The explosive effect of vibroseis is directly related to the quality of acquired data by vibroseis.Usually combined excitation of means is used to ensure energy.This method will theoretically influence the effect of seismic data.The reflection time difference between the combinations lead to out-phase stacking,which affects the geological imaging precision.Through theoretical calculation,modeling and real seismic data analysis,the authors found the influence regularity of time-space domain.With less number of vibroseis area array,combined with high folds and geophone array,we can effectively reduce the influence.This method also improves the efficiency and reduce cost,is easier to implement in the complex surface area,and is more suitable for high precision acquisition.

Keyword: vibroseis pattern; array length; imaging accuracy; forward modeling

在施工效率和安全环保上体现出的明显优势, 使得可控震源在国内地震采集方面的应用不断增加[1, 2], 对于特殊地表如巨厚沙丘区、山前冲击扇区、山地地区等, 为保证下传能量和深层成像效果, 都需要采取震源组合激发的方式进行施工, 实践证明增加震源台数是保证激发效果的有效手段[3, 4]。在野外实际施工中, 平行、垂直、斜交排列的组合方式较为常见, 但这种施工方式也带来了负面影响, 组合产生的时差问题会导致不同相叠加, 影响了地质体成像精度[5]。通过理论计算, 首先获得了该影响在时空域的变化规律; 其次, 采用数值模型正演模拟进一步研究波形变化情况; 最后, 通过对实际野外地震采集资料的分析, 验证了推导和正演的结果。并由此提出在高精度勘探方面, 应用可控震源进行地震勘探的有益建议。

1 理论计算分析
1.1 组合时差问题

当多台震源激发引起的震动经过地下反射到达检波器时, 即形成子波的叠加。对于同一道接收来说, 理想的情况是接收到的子波都是同相的, 叠加后有效波能量才能得到有效增强, 使得地震记录上的同相轴更加容易分辨。

但因为受设备体积、工作方式等条件约束, 可控震源在组合激发工作时需要有一定的空间间隔。从地震反射理论上来看, 对于同一接收点来说, 两台震源车之间的距离d所引起的反射路径的差别Δ x, 必然会导致时间差Δ t[6], 因此, 当两台震源组合激发同道接收时, 势必会引起不同相叠加, 导致叠加后的反射波形杂乱。

两点组合激发形成的时间差满足

Δt=(Δx)/vint=　　　　　　　　　　　　2(h2+y2-h2+(y-d/2)2)/vint, (1)

式中: h为反射点深度, y为偏移距(震源与接收点之间的距离), vint为平均速度。

设计不同深度、不同震源间距等参数, 利用式(1)进行时差计算并统计分析, 其结果发现, 无论是浅层还是深层, 时间差都会随着震源间距的增加而逐步增大; 同时, 随着深度的增加, 所产生的时间差逐步变小, 这证明了组合对于浅层资料的不利影响要远大于深层, 深层所受影响相对要小一些(表1)。同理, 当野外施工采用线性组合的方式进行施工时, 同步激发的台数越多, 相隔最远的两台震源之间的距离D(D=nd, n为震源台数)将越长, 相应的时间差也会大幅增加, 必然会导致地震资料上的不同相叠加现象更为明显。如果考虑组合内不同震源之间的相互影响, 震源组合的台数越多, 越会加剧这种影响; 特别是当地面高差较大的话, 也会使得这种现象的成因更加复杂[7]。

表1 时差统计

从不同深度组合时差随偏移距变化统计(表2)可以看到, 随着偏移距的增大, 深、浅层的时差Δ t都在逐步增大(震源为3台, d取值为30 m), 而浅层在近偏移段变化明显, 深层在远、近偏移段的变化趋势一致(图1)。

表2 组合时差在不同深度上随偏移距变化计算结果

图1 组合时差在不同深度上随偏移距变化曲线

1.2 组合滤波问题

可控震源组合也会带来另外一方面的问题, 多台震源同步组合激发, 在原理上等同于检波器组合接收, 组合特性

Φ(n, va)=sin[(nωΔx)/(2va)]nsin[(ωΔx/2va)](2)

表明, 组合距Δ x决定了对高频信号的保护能力。式中:n为组合内检波器个数, va为有效波视速度。公式中含有频率ω =2π f, 也就是说Ф (n, va)实际上是一种针对某一频率的视速度滤波。当施工区域内地下地层产生的反射波的视速度为va、组合内检波器个数和Ф 值已知, 可以计算得到所能通过的频率范围最大值[8]。

因此, 当可控震源采用沿排列方向线性组合激发, 台数分别取n=2、3、4、5时, 根据区域内地球物理参数计算可知:当Ф 取经验值为0.7时, 对于浅层所能保护的频率分别为68、41、31、25 Hz。也就是说, 随着震源台数的增加, 组合基距随之增大, 对有效波频率的高频段的压制逐步增强, 但我们知道对于浅层成像来说高频信号却更加有效, 因此, 当震源激发组合采用大间距时, 虽然在压制面波和随机噪声上有优势, 却不利于浅层成像。

2 数值模拟分析

建立模型进行射线追踪模拟。在深度1 000 m和7 000 m处设计标准反射层, 分别代表浅层和深层反射。在地表设置5个激发点, 点间距15 m, 逐次进行激发, 激发时保持接收点位置、数量不变。

图2为深度在1 000 m的反射界面(浅层)各震源激发所产生的合成记录波形。从合成记录波形特征来看, 由各震源激发到达同一接收道的反射波初至有着明显的时间差。尤其是随着台数的增加(n=2、3、4、5台), 组合基距越来越大, 导致时间差越来越大(Δ t=5、11、18、24 ms), 这样在同道叠加时, 必然会导致叠加后波形的杂乱, 达不到多台震源激发时增强有效波能量的目的。

图2 深度在1 000 m的浅层反射界面各震源激发合成记录波形对比a— 第1台; b— 第2台; c— 第3台; d— 第4台; e— 第5台

而当反射标准层处于地下7 000 m(图3), 各震源激发到达同一接收道的反射波初至时间差Δ t却只有1~2 ms, 反映了这种由激发组合基距所形成的反射时间差随着深度的增加而逐步减小[9], 即便是5台震源同步激发(组合基距达到60 m), 对于同道叠加的影响亦较小。

图3 深度在7 000 m的深层反射界面各震源激发合成记录波形对比a— 第1台; b— 第2台; c— 第3台; d— 第4台; e— 第5台

3 实际资料分析

在某沙漠地区进行高精度地震勘探, 采用了可控震源平行排列线性组合激发, 组合间距15 m, 组合方向沿排列布设。从不同台次叠加偏移剖面对比来看, 随着激发台数的增加, 深层能量增加, 资料逐步改善(图4); 但随着激发台数增加, 浅层同相轴逐步变得杂乱, 连续性变差(图5), 证实了多台组合激发同道叠加时, 浅层比深层更容易形成不同相叠加, 导致剖面浅层反射轴变得更加杂乱。

图4 深层情况下不同震源台数采集的数据叠前时间偏移剖面对比a— 2台; b— 3台; c— 5台

图5 浅层情况下不同震源台数采集的数据叠前时间偏移剖面对比a— 2台; b— 3台; c— 5台

对不同台数激发单炮分别进行浅层和深层的频谱分析。不管浅层还是深层, 总体趋势是随着台数增加, 能量随之增大; 但对于深层, 不同台数激发的频谱形态非常相似, 说明激发台数的多少对深层频率的影响相对较小(图6a); 从浅层频谱上还可以看出, 随着台数增加, 高频段信号随之减弱(图6b), 证明多台震源组合对浅层高频信号不利, 符合理论推导结果。

图6 不同台数激发单炮频谱分析a— 深层; b— 浅层

4 结论与建议

随着可控震源在高精度勘探领域的应用逐步增多, 可控震源组合参数的选择也已成为影响目的层精确成像的重要因素之一。为保证较浅目的层资料成像效果, 建议采用少台数激发, 由此造成的能量不足、信噪比偏低的不利影响, 可以利用高覆盖次数、优化检波器组合的方式来弥补。这种施工方法也满足高精度采集进一步缩短采集周期、提高采集效率、降低采集成本的要求, 尤其在复杂地表地区, 这种施工方式可实现度也更高, 并可进一步演化为高效采集。在我国西部某工区采用了单台可控震源、高覆盖次数的施工方法, 在提高施工效率的同时也保证了深、浅层的资料效果, 进一步验证了文中的推导结论。

另一方面, 在随机干扰相对较低的地区如沙漠、戈壁, 由于大组合间距的压噪优势不明显, 线性组合也不利于压制垂直组合方向上的噪声。因此若施工条件允许, 建议可控震源组合激发采用面积组合方式进行施工, 在减小震源间距的同时亦能提高各个方向上的压噪效果。

The authors have declared that no competing interests exist.

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