可控震源激发参数优选及应用效果

doi:10.11720/wtyht.2021.1395

可控震源激发参数优选及应用效果

邱庆良^,¹, 曹乃文², 白烨³

1.吉林省煤田地质局 102勘探队,吉林通化 135000

2.吉林省煤田地质局 203勘探队,吉林四平 136000

3.吉林省煤田地质局物测队,吉林长春 130033

Optimization of vibroseis excitation parameters and its application effect

QIU Qing-Liang^,¹, CAO Nai-Wen², BAI Ye³

1. No. 102 Exploration Party,Jilin Coalfield Geological Bureau,Tonghua 135000,China

2. No. 203 Exploration Party,Jilin Coalfield Geological Bureau,Siping 136000,China

3. Geophysical Survey Party,Jilin Coalfield Geological Bureau,Changchun 130033,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2020-09-29 修回日期: 2021-03-4

基金资助:

吉林省地质勘查基金项目“吉林省洮南市蛟流河矿区外围煤炭资源预查”. [2016]地勘20-03

Received: 2020-09-29 Revised: 2021-03-4

作者简介 About authors

邱庆良(1987-),男,吉林长春人,工程师,2010年毕业于东北石油大学勘查技术与工程专业,现任地震队技术负责,长期从事地震数据采集、处理和解释研究工作。Email: 260085666@qq.com

摘要

可控震源技术在沙漠、戈壁、潜水面较深等成孔困难的地区应用较多。在野外施工过程中,选取合适的激发参数是保证地震勘探效果的必要前提。文中以J矿区煤田地震勘探为研究对象,以提高地震资料分辨率与信噪比为主要目的,对可控震源的扫描频率范围、扫描长度、驱动电平和震动台次等参数进行了实验,通过定性与定量分析相结合的手段,选取了最佳激发参数进行数据采集,获得了质量较高的地震时间剖面,展示了其较好的应用效果。结果表明:在炸药激发困难地区,应用可控震源采集技术进行煤田地震勘探是有效、可行的。

关键词： 可控震源 ; 煤田地震勘探 ; 分辨率 ; 信噪比 ; 激发参数优选

Abstract

Vibroseis technology is widely used in desert,Gobi and deep phreatic surface areas where drilling is difficult.In the process of field exploration,it is necessary to select suitable parameters to ensure the effect of seismic exploration.In this paper,the J mining area coal field seismic exploration was chosen as the research object and,for the purpose of improving the seismic data resolution and signal-to-noise ratio(SNR),the sweep frequency range,scanning length,driving level and vibration frequency of vibroseis parameters were tested.Through the combination of qualitative and quantitative analysis,the best excitation parameters were selected for data acquisition,and the high quality of seismic data were obtained on the seismic time profile,which shows the good application effect.The results prove that it is effective and feasible to use vibroseis acquisition technology in coal field seismic exploration in areas where explosive excitation is difficult.

Keywords： vibroseis ; coalfield seismic exploration ; resolution ; SNR ; optimization of excitation parameters

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本文引用格式

邱庆良, 曹乃文, 白烨. 可控震源激发参数优选及应用效果. 物探与化探[J], 2021, 45(3): 686-691 doi:10.11720/wtyht.2021.1395

QIU Qing-Liang, CAO Nai-Wen, BAI Ye. Optimization of vibroseis excitation parameters and its application effect. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(3): 686-691 doi:10.11720/wtyht.2021.1395

0 引言

可控震源是一种机械震源,它是依靠安装在特种汽车上的振动器连续冲击地面而产生地震波动,被称为连续振动震源,因为振动的连续时间和频率的变化范围可以人为控制,又称它为可控震源^[1]。随着地震勘探技术的不断发展,以及现今社会公共安全和绿色勘查的要求,可控震源采集技术逐渐被人们所重视。在实际地震生产中,可控震源不仅具有安全、高效、环保的优点,还具有扫描频率范围、扫描长度、驱动电平和震动次数等参数可控的优势,可根据具体的工区地表条件、深层地震地质条件进行调整,因此可控震源在地震勘探中占据重要的位置^[2]。目前,可控震源已在油气勘探^[3]、煤田勘探^[4]、矿产地质勘查^[5]和城市活断层探测^[6]等领域中得到了广泛应用。

文中结合可控震源技术在J矿区煤田地震勘探中的应用实例,介绍了野外施工采集方法的设计,详述了可控震源激发参数的实验分析,获得了较高分辨率与信噪比的原始资料,实际地震时间剖面质量较好,为此类地质条件下采用可控震源技术地震勘探提供了一定的参考。

1 工区概况

1.1 地质概况

J矿区位于福顺盆地的东北部,通过对邻区地质资料的分析,煤层多赋存于白垩系下统霍林河组(K₁h),地层厚度230~576 m之间,煤层发育特征为煤层多且薄,可分为上、下两个含煤段,下含煤段可采煤层1层,上含煤段可采煤层5层。霍林河组上覆地层为新近系大安组(N₁d),厚度100 m左右,下伏地层为白垩系下统白音高老组(K₁by),厚度11~645 m之间。霍林河组是本次地震勘探的目的层,埋深小于600 m。

1.2 地震地质条件

工区属平原地貌,地形较为平缓,地表被第四系覆盖,大范围存在农耕地,由大面积旱田和水田构成,工业电干扰少,乡村土路发达,交通方便,有利于开展地震勘探野外工作。但区内浅地表砂砾石层沉积较厚,易造成地震激发能量散失,且应用炸药震源激发时成孔困难;该区属北寒温带大陆性气候,干旱多风,随机干扰严重,因此表、浅层地震地质条件一般。

区内煤层较薄,均小于6 m,地震波无法分辨出单一煤层的厚度,但煤层在霍林河组上、下含煤段内沉积较为稳定,而且含煤段与围岩间存在较大的波阻抗差,能形成较强的地震反射波,可以通过圈定含煤段的范围来达到找煤的目的。因此,中、深层地震地质条件较好。

综上所述,该区选择可控震源作为激发震源,具有以下优势:一是可控震源在地表激发避免了使用炸药震源成孔困难的问题;二是可控震源采用了相关技术,对噪声的压制效果较好,提高了地震资料的信噪比^[7];三是工区目的层深度相对较浅,结合以往地震勘探经验,采用可控震源激发易实现目的层对激发能量的需求,能够取得较好的地震效果^[8]。

2 观测系统设计

通过对邻区地质资料的研究,建立了J矿区地球物理参数(表1)。根据空间采样条件,道距Δx 必须满足Δx ≤ λ_min/2(λ_min为),结合最浅目的层横向分辨率,道距宜小于23 m;考虑到提高空间分辨率的需求,最终选择道距10 m。通过对模型反射系数、干扰波、视波长和多次波的综合分析,最大炮检距选择700 m左右可以满足探测深度的要求。

表1 J矿区地球物理参数

Table 1 Geophysical parameters of J mining area

模型编号	地质层位	深度h/m	层速度v_c/(m·s^-1)	地层倾角φ/(°)
1	N₁d底界面	90	1750	2
2	K₁h上含煤段底界面	315	2600	10
3	K₁h下含煤段底界面	500	2880	10
4	K₁h底界面	600	3170	8

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地震采集方法设计如下:

1)激发因素:使用Nomad 65可控震源,该震源是Sercel公司力推的一种大吨位(28 t)可控震源^[9],激发参数待试验后确定。

2)仪器因素:使用428 xL数字地震仪,采样间隔1 ms,记录长度3 s,全波段接收。

3)接收因素:使用主频为60 Hz的检波器接收。为达到压制随机干扰、提升地震资料信噪比的目的,每道采用单串6个检波器,2个检波器一组,线性组合方式接收(组合基距10 m,组内距5 m)。

4)观测系统:730-20-10-20-730(道距10 m,偏移距20 m,最大炮检距730 m,接收道数144道,中间对称激发),炮距20 m,覆盖次数36次。

3 可控震源激发参数优选

可控震源激发参数的选取会直接影响到地震原始资料的分辨率与信噪比,在选择合适的观测系统与接收因素基础上,进行合理的可控震源激发参数实验尤为重要。可控震源的扫描方式应用较多的是线性升频信号,数学表达式为:

$X (t) = A (t) \sin 2 π [f_{1} + (f_{2} - f_{1}) t / 2 T] t,$

式中:f₁为起始低频,f₂为终止高频,T为扫描长度。其在振动过程中对系统的约束要求少,激发能量在整个频带内分布均匀,可控震源激发时,在扫描长度内信号输出由低到高进行,参考信号如图1所示。

图1

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图1 可控震源参考信号

Fig.1 Vibroseis reference signal

结合本区的地质条件和目的层深度,以提高分辨率和信噪比为主要目的,对可控震源的扫描频率范围、扫描长度、驱动电平和震动台次进行了激发参数试验,通过以往经验对单炮记录面貌定性分析和利用软件对各实验参数定量分析相结合的手段,选择最佳的激发参数,保证原始数据的质量。

3.1 扫描频率范围

选择扫描频率范围时,主要是对起始低频(f₁)与终止高频(f₂)的选择。为提高地震资料的分辨率,应选择高主频和宽频带宽度的频谱进行数据采集。通常情况下,f₁选择越大,对低频成分的压制效果越明显,虽然该区目的层较浅,但通过对区域地质条件的研究,目的层以下可能发育有更深的煤层,综合考虑,f₁选择8 Hz。本次扫描频率范围实验分别对f₂为80 Hz、120 Hz和152 Hz进行了频率分析(固定因素:扫描长度16 s,驱动电平75%,震动台次1台3次)。

从图2频率分析中可以看出,3种实验参数差异较小,都具有较高的主频与频带宽度,但是120 Hz和152 Hz的频带宽度比80 Hz相对较宽,并且在25~100 Hz频段中,120 Hz的相对振幅要高于152 Hz。所以可控震源扫描频率范围选择8~120 Hz,不仅可以获得更好的主频和频带宽度,而且相对振幅更高,可以达到提高地震资料分辨率与信噪比的目的。

图2

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图2 频率分析

Fig.2 Frequency analysis

3.2 扫描长度

可控震源向下传播的是有一定延续时间的扫描信号,这段时间称为扫描长度。理论上扫描长度愈长,最大相关值迅速增加,信噪比也相应提高,但并不是越长越好。因此,选择合适的扫描长度,应同时考虑目的层反射波的能量和避免相关虚象对记录质量的影响。本次实验分别对12、20和28 s扫描长度进行了分析(固定因素:扫描频率范围8~120 Hz,驱动电平60%,震动台次2台3次)。

图3为扫描长度试验单炮记录对比,3种试验参数在400 ms以上反射波没有明显区别,其中400~500 ms之间的反射波在20 s和28 s的记录上也只是稍有改善。显而易见,通过以往经验定性分析单炮记录面貌的手段,并不能很好地确定哪个参数更优,需要结合定量分析进行选取。图4中,对3种试验参数分别进行了能量分析、信噪比分析和频率分析。可以看出:能量分析中,随着扫描长度的增加,反射波能量增加明显;信噪比分析中,3种试验参数差异较小,20 s最高,28 s反而最低,推测为该试验炮录入了环境随机干扰所致;频率分析中,反射波主频和频带宽度无明显区别,但在主频范围内20 s的相对振幅更高。考虑到20 s也可以获得较好的能量,所以可控震源扫描长度选择20 s。

图3

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图3 不同扫描长度试验单炮记录对比

Fig.3 Comparison of single shot records with different scanning length test

图4

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图4 扫描长度试验参数分析

Fig.4 Parameter analysis of scanning length test

3.3 驱动电平

所谓的驱动电平,就是震源出力的选择,震源出力越大,激发能量越高。但出力增加到一定程度时,不一定能增加扫描信号的下传能量,而是增加了谐波成分^[10]。驱动电平的选择,应主要考虑震源底板与地表的耦合情况。当震源底板与地表耦合较好时,一般选择较大的出力,以增加激发能量,有利于改善地震记录品质。当震源底板与地表耦合较差时(凹凸地表、公路和基岩出露等),可适当降低震源出力,防止脱耦现象的产生,以避免地震记录中可能产生的假象^[11,12]。

工区地表主要被第四系覆盖,地形较为平缓,且无基岩出露,但农耕地较多,破坏了地表平整度,对震源平板与地表的耦合效果有一定的影响。本次试验分别对70%、60%、50%和40%出力进行了分析,结果表明,4种试验参数均可以获得较好的地震记录。所以可控震源驱动电平选择为60%,测线进入村屯,在民房附近激发时,可适当降低震源出力,以免造成环境破坏,引起民事纠纷。

3.4 震动台次

3.4.1 震源台数

震源台数越多,激发能量越大,多台震源组合激发不仅可以达到压制干扰的目的,同时可以避免单台震源出力过大使能量过多损耗在地表破碎带中。该区目的层深度小于600 m,相对较浅,对能量的需求不是很高。本次试验分别对1台和2台震源进行了分析(固定因素:扫描频率范围8~120 Hz,扫描长度20 s,驱动电平60%,震动次数1次)。

图5为1台震源与2台震源单炮记录对比,可以看到,使用2台震源组合激发的单炮记录面貌明显强于1台震源激发,尤其浅部地震反射波连续性得到了极好的改善,所以可控震源台数选择2台。

图5

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图5 1台震源(a)与2台震源(b)单炮记录对比

Fig.5 Comparison of single shot records between one source(a) and two sources(b)

3.4.2 震动次数

震动次数相当于垂直叠加的次数,多次震动可以达到增强有效波能量和压制随机干扰的目的,进而提升地震原始资料的信噪比。n次震动对随机干扰的压制能力提高 $\sqrt[]{n}$ 倍,从能量角度看,n次震动有效波相对于随机噪声补偿为W=20lgn,n为震动次数^[13]。随着震动次数的增加,能量叠加会使反射波的主频向低频方向移动,降低分辨率^[14],所以勘探深度较浅地区不宜选用太多的震动次数。本次试验分别对1次、2次、3次和4次的震动次数进行了分析(固定因素:扫描频率范围8~120 Hz,扫描长度20 s,驱动电平60%,震源台数2台)。

图6为震动次数试验参数分析。能量分析中,随着震动次数的增加,反射波能量增加明显;信噪比分析中,4种实验参数基本相同,3次震动相对于其他参数略高;频率分析中,反射波主频和频带宽度无明显区别,但在主频范围内,震动次数越多,相对振幅越大。由于本区采用扫描长度较长,所以可控震源震动次数选择3次,既可以保证有足够的能量,又具有较高的信噪比。

图6

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图6 震动次数试验参数分析

Fig.6 Parameter analysis of vibration frequency test

最终确定可控震源激发参数为:①扫描频率范围:8~120 Hz;②扫描长度:20 s;③驱动电平:60%;④震动台次:2台3次。

4 工程实例分析

采用以上施工参数,经过精细的资料处理,得到了较好的地震成果剖面(图7)。该区由浅至深,共解释了4组特征明显的反射波,分别为T₀、T₁、T₂和T₃,解释断层1个,命名为F_D,正断层性质。

图7

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图7 J矿区地震时间剖面

Fig.7 Seismic time profile of mining area J

通过标定,T₀反射波对应新近系大安组(N₁d)底界面反射层,T₁反射波对应白垩系下统霍林河组上部泥岩段(K₁h²⁺ⁿ)界面反射层,T₂反射波对应白垩系下统霍林河组上含煤段(K₁h^2+M)界面反射层,T₃反射波对应白垩系下统霍林河组(K₁h)底界面反射层。煤系底为白垩系下统白音高老组(K₁by)。

T₂和T₃为主要反射波,T₂反射波能量强,连续性好,信噪比较高,一般表现为两个强相位特征,可连续追踪解释;T₃反射波能量较强,连续性较好,信噪比较高,一般表现为两个强相位特征,基本可连续追踪解释。

经钻探验证,地震解释成果与钻探揭露成果基本吻合(表2),地震解释满足规范要求^[15]。煤层基本赋存于T₁和T₂反射波之间,ZK1在278~337 m钻遇6层煤,煤层厚度0.3~1.1 m,ZK2在266~314 m钻遇8层煤,煤层厚度0.3~1.4 m。全区钻孔揭示,盆地内沉积煤层较多,较厚煤层4~5层,最厚煤层5.6 m。

表2 钻探验证情况统计

Table 2 Drilling verification Statistics

地震反射波	地质层位	钻孔编号	地震解释深度/m	钻孔揭露深度/m	绝对误差/m	相对误差/%
T₀	N₁d底界面	ZK1	74	77.7	-3.7	-4.8
		ZK2	65	69	-4.0	-5.8
T₁	K₁h上部泥岩段界面	ZK1	223	212.7	10.3	4.8
		ZK2	192	186.2	5.8	3.1
T₂	K₁h上含煤段界面	ZK1	378	380	-2.0	-0.5
		ZK2	316	320.5	-4.5	-1.4
T₃	K₁h底界面	ZK1	537	521	16.0	3.1
		ZK2	—	—	—	—

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通过对沉积相与地震相的分析,J矿区内仅发育有上含煤段,并未发现明显的下含煤段地震反射波特征与地层特征。说明受地质构造影响,下含煤段在J矿区中沉积缺失,但该构造在J矿区内并未发现,初步推测应存在于邻区或邻区与J矿区之间。

5 结论与认识

1)通过定性分析地震记录面貌和定量分析地震记录的频率、能量以及信噪比相结合,能够选取更优的采集参数,进而获得质量较高的地震原始资料。

2)扫描频率范围的选取应以频率分析为主,通过对比地震反射波的主频、频带宽度以及振幅,最终确定合理的扫描低频和扫描高频。

3)通过增加扫描长度、驱动电平和震动台次的方式,均可以达到增加地震反射波能量的目的,进而提升地震资料的信噪比。

4)驱动电平的选择更多地要考虑工区地表条件,以震源平板与地表的耦合情况为主,耦合较好时,可以适当选择大出力来增加激发能量,但耦合较差地区,应适当减小出力,避免在震动过程中发生脱耦导致的地震记录中可能产生的假象。

5)与炸药震源对比,利用可控震源施工组织更加简单,大大降低了成本投入,节省社会资源,同时在生产安全方面也具有一定的优势。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李世峰, 金瞰昆, 周俊杰. 资源与工程地球物理勘探[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 4.