李志英,姜福豪,胡超俊,李 兆,曹雄偉

(1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司新興物探開發(fā)處,河北涿州072750;2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司采集技術(shù)中心,河北涿州072750)

地震記錄品質(zhì)受激發(fā)、接收等多種因素影響[1]。隨著地震勘探的深入,地震采集激發(fā)參數(shù)和接收參數(shù)的優(yōu)化方法逐漸系統(tǒng)化。周芝旭等[2]詳細(xì)介紹了地震采集試驗(yàn)項(xiàng)目及資料分析方法。根據(jù)調(diào)研,目前基于地震數(shù)據(jù)分析的采集參數(shù)優(yōu)化方法以單炮記錄或成像剖面分頻掃描圖定性對(duì)比分析為主[3-5],采用數(shù)值標(biāo)定資料品質(zhì)進(jìn)行量化分析方法偏少且可靠性差[6],難以確定最終的地震采集參數(shù)。目前野外地震采集參數(shù)選擇大多采用點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選。在試驗(yàn)完成后,一般要對(duì)單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,常規(guī)的分析手段包括:①單炮數(shù)據(jù)帶通分頻掃描;②目的層時(shí)窗內(nèi)頻譜分析;③目的層時(shí)窗內(nèi)信噪比分析;④目的層時(shí)窗內(nèi)子波分析。其中前三項(xiàng)應(yīng)用比較多,第四項(xiàng)應(yīng)用較少。這主要是因?yàn)榉椒á苤荒芏ㄐ苑治?無(wú)法類似方法②和方法③提供定量的分析依據(jù),也無(wú)法類似方法①提供豐富的、形象的定性分析依據(jù)。目前單炮數(shù)據(jù)目的層時(shí)窗內(nèi)子波分析,主要是利用時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)生成子波,通過(guò)目視對(duì)比子波。其不足之處在于:①無(wú)法給出子波的頻率。通常子波頻率是對(duì)比子波的一項(xiàng)重要依據(jù),理論上子波頻率越高、子波主瓣和第一旁瓣寬度越小、子波主峰越尖銳,這樣的子波更接近于尖脈沖,其頻譜更接近白噪化,可以說(shuō),子波頻率越高,子波越好。②在子波相似的情況下,無(wú)法量化評(píng)價(jià)子波品質(zhì),導(dǎo)致很難確定相似子波的優(yōu)劣,從而無(wú)法可靠地評(píng)價(jià)子波對(duì)應(yīng)的采集參數(shù)。

通過(guò)研究,我們發(fā)現(xiàn)一種可以確定地震數(shù)據(jù)子波頻率的方法[7],在野外地震試驗(yàn)中采用該方法對(duì)試驗(yàn)單炮數(shù)據(jù)目的層內(nèi)子波頻率進(jìn)行分析研究,達(dá)到了地震采集參數(shù)優(yōu)選的目的。然而在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法難以區(qū)分頻率非常相近的地震子波。為此,本文進(jìn)一步提出輔以主峰值、峰-峰比加以評(píng)判,以確定子波品質(zhì)的優(yōu)劣,從而達(dá)到了利用子波品質(zhì)優(yōu)選地震采集參數(shù)的目的。

1 基本思路

地震子波作為地震記錄的基本單元[8-9],其初始激發(fā)子波對(duì)地震波后續(xù)能量傳播和資料品質(zhì)影響很大。滿足地質(zhì)任務(wù)要求的激發(fā)參數(shù)必然會(huì)產(chǎn)生高質(zhì)量的初始激發(fā)子波,反之亦然,通過(guò)對(duì)比分析初始激發(fā)子波質(zhì)量就可以確定激發(fā)參數(shù)的優(yōu)劣。根據(jù)惠更斯原理,地震波傳播過(guò)程中,波前上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可以作為新的震源向遠(yuǎn)處傳播。根據(jù)地震波動(dòng)力學(xué)原理,初始的激發(fā)地震子波在傳播過(guò)程中遇到不同地層界面時(shí),反射回的地震子波受到不同程度的改造,形成新的子波,這些子波在地面被連續(xù)記錄下來(lái)就得到地震數(shù)據(jù),通常這一過(guò)程可以用地震子波與反射系數(shù)褶積來(lái)表達(dá),見公式(1)。由于反射系數(shù)由地層速度和密度決定,那么相同位置處的地震數(shù)據(jù)品質(zhì)只與地震子波有關(guān)。因此,如果能夠確定地震子波的品質(zhì),就能判斷地震單炮數(shù)據(jù)的品質(zhì),進(jìn)而就能夠確定其對(duì)應(yīng)的激發(fā)參數(shù)或接收參數(shù)的優(yōu)劣。

式中:F(T)為時(shí)長(zhǎng)等于T的地震波記錄;i為地層序號(hào);fi(t)表示第i層t時(shí)刻的波形(即子波);δi(t)為第i層對(duì)應(yīng)t時(shí)刻地震子波;γi為第i個(gè)地層界面反射系數(shù);δ0為激發(fā)子波;σi為第i層對(duì)子波的改造因子。

由公式(1)可以看出,當(dāng)激發(fā)和接收物理點(diǎn)位置確定時(shí),地下地層巖石屬性固定不變,子波改造因子不變;當(dāng)接收因素也保持不變時(shí),地震數(shù)據(jù)質(zhì)量直接與地層位置處的子波品質(zhì)有關(guān),而地層位置處的子波是激發(fā)子波經(jīng)過(guò)一系列地層改造的結(jié)果。同上所述,在除了激發(fā)子波之外的因素確定時(shí),地震數(shù)據(jù)質(zhì)量直接與激發(fā)子波品質(zhì)有關(guān):激發(fā)子波品質(zhì)越好,單炮數(shù)據(jù)信噪比和(或)分辨率越高,反之越低。即:

式中:Q表示品質(zhì)算子。

根據(jù)公式(2),在地震采集現(xiàn)場(chǎng)可以保持激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)以及接收因素相同,采用不同的激發(fā)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),然后通過(guò)分析激發(fā)地震子波品質(zhì)評(píng)判其對(duì)應(yīng)地震數(shù)據(jù)的品質(zhì),從而優(yōu)選出地震數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的激發(fā)參數(shù)。此外,當(dāng)野外沒有記錄激發(fā)地震子波時(shí)也可以采用地震單炮目的層時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的提取子波代替激發(fā)子波,通過(guò)量化分析提取子波品質(zhì)來(lái)優(yōu)選激發(fā)參數(shù)。

實(shí)際上,單炮數(shù)據(jù)中任意時(shí)刻的波形(即子波)與震源、大地濾波、接收設(shè)備特性等有關(guān)[10]。當(dāng)震源因素、大地濾波因素固定不變,公式(2)中的激發(fā)因素對(duì)應(yīng)的激發(fā)子波將替換成接收因素因子,由于接收因素因子也不隨時(shí)間變化,因此可設(shè)為φ0,即:

由公式(3)可以看出,對(duì)于任意確定位置,由于其地下巖石物理屬性確定,當(dāng)固定震源因素后,影響地震單炮數(shù)據(jù)品質(zhì)的只有接收因素。因此在野外試驗(yàn)中,可以通過(guò)先固定接收因素對(duì)比激發(fā)子波優(yōu)選激發(fā)參數(shù),然后固定激發(fā)參數(shù),通過(guò)對(duì)比地震數(shù)據(jù)中提取子波質(zhì)量,確定接收因素的優(yōu)劣,達(dá)到優(yōu)選接收參數(shù)的目的。

2 分析方法

無(wú)論是激發(fā)地震子波,還是從地震單炮數(shù)據(jù)中提取的地震子波,它們和理論地震子波(即沖擊函數(shù)子波)具有相關(guān)性,相關(guān)性越強(qiáng),表明這些實(shí)際獲得的地震子波和理論地震子波越相似。由于理論子波具有自身對(duì)應(yīng)的頻率,因此,可以通過(guò)分析實(shí)際獲得的地震子波和理論地震子波之間的相關(guān)性來(lái)確定實(shí)際獲得地震子波的頻率,相關(guān)性最強(qiáng)的理論地震子波對(duì)應(yīng)的頻率可以認(rèn)為是實(shí)際獲得地震子波的頻率。通過(guò)激發(fā)地震子波相關(guān)性分析可以直接優(yōu)選激發(fā)因素。當(dāng)激發(fā)因素固定時(shí),可以對(duì)地震單炮數(shù)據(jù)中提取的地震子波進(jìn)行相關(guān)性分析優(yōu)選接收因素;反之,當(dāng)接收因素固定時(shí),對(duì)提取地震子波進(jìn)行相關(guān)性分析也可以優(yōu)選激發(fā)因素。

相關(guān)性評(píng)判可以利用相關(guān)計(jì)算或者相關(guān)系數(shù)分析進(jìn)行。本文通過(guò)計(jì)算實(shí)際獲得的地震子波和理論地震子波之間的相關(guān)系數(shù)評(píng)判二者的相關(guān)性,這種數(shù)據(jù)相關(guān)性分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)分析中[11-13]。相關(guān)系數(shù)公式[14]具體如下:

式中:γ為相關(guān)系數(shù);x為實(shí)際子波采樣點(diǎn)振幅;y為理論子波采樣點(diǎn)振幅。

分析實(shí)際獲得的地震子波與理論地震子波間相關(guān)性時(shí),相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1,表明二者相關(guān)越密切;越接近于0,相關(guān)越不密切。通常相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.8時(shí),認(rèn)為兩個(gè)變量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性[15]。理論地震子波可以采用帶通子波、雷克(Ricker)子波、俞氏子波等,俞氏子波作為寬帶雷克子波,在保真度和信噪比方面優(yōu)于其它兩種子波[15]。由于雷克子波更容易實(shí)現(xiàn),因此研究中采用了雷克子波作為理論地震子波[16-17],其計(jì)算公式為:

式中:a為子波振幅;f為子波頻率;fs為ms與s轉(zhuǎn)換單位,默認(rèn)值為1000;t為起止樣點(diǎn)編號(hào),起始編號(hào)為-N/2+1,終止編號(hào)為N/2,N為子波樣點(diǎn)數(shù)。

分析單炮數(shù)據(jù)實(shí)際獲得的地震子波和理論地震子波間相關(guān)性,進(jìn)而確定實(shí)際獲得地震子波的頻率時(shí),采用的技術(shù)步驟如下:

1) 選取實(shí)際激發(fā)地震子波W0,或者選取其中任意一地震單炮上目的層時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)分析[16-17],生成實(shí)際地震子波W0;

2) 在地震數(shù)據(jù)的頻帶范圍內(nèi),分別選取一定頻率間隔、不同主頻的理論地震子波Wk,計(jì)算其與實(shí)際地震子波W0的相關(guān)系數(shù)Rk;

3) 最大相關(guān)系數(shù)Rk對(duì)應(yīng)的頻率認(rèn)為是實(shí)際地震子波對(duì)應(yīng)的頻率,從而確定該單炮記錄實(shí)際激發(fā)地震子波頻率或目的層時(shí)窗生成的實(shí)際地震子波頻率;

4) 更換選取的地震單炮數(shù)據(jù),重復(fù)步驟1)至步驟3),確定該單炮目的層時(shí)窗生成的實(shí)際地震子波頻率。

利用上述步驟分析并確定全部單炮數(shù)據(jù)的地震子波(激發(fā)參數(shù)優(yōu)化時(shí)選擇激發(fā)子波或提取的地震子波,接收參數(shù)優(yōu)化時(shí)選擇提取的地震子波)頻率,地震子波頻率越高,資料品質(zhì)越好[2],其對(duì)應(yīng)的參數(shù)越好。當(dāng)兩個(gè)地震子波頻率非常接近或相同時(shí),還需要采取以下步驟進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比:

1) 對(duì)比兩個(gè)地震子波的主峰值,主峰值明顯較大的地震子波品質(zhì)較好;

2) 當(dāng)兩個(gè)地震子波的主峰值也接近時(shí),可計(jì)算子波主峰值和第一旁瓣峰值間的比值,也稱為峰-峰比,峰-峰比大的地震子波品質(zhì)較好(俞氏子波的峰-峰比相對(duì)同頻率的雷克子波峰-峰比高)。

此外,當(dāng)相關(guān)系數(shù)高對(duì)應(yīng)著子波頻率低、或者相關(guān)系數(shù)低對(duì)應(yīng)著子波頻率高時(shí),分析時(shí)需要折衷考慮。首先應(yīng)分析相關(guān)系數(shù),其次對(duì)比子波頻率。相關(guān)系數(shù)越大,說(shuō)明激發(fā)子波響應(yīng)越好,信噪比越高。相關(guān)系數(shù)數(shù)值高于0.8時(shí),激發(fā)子波響應(yīng)較好;相關(guān)系數(shù)數(shù)值在0.5～0.8之間時(shí),激發(fā)子波響應(yīng)中等;相關(guān)系數(shù)數(shù)值低于0.5時(shí),激發(fā)子波響應(yīng)較差。

3 實(shí)例分析

以某二維工區(qū)為例。開工前進(jìn)行激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)和檢波器組合方式試驗(yàn),目的是選取最佳的激發(fā)參數(shù)和較好的檢波器組合方式,試驗(yàn)因素見表1。工區(qū)采用炸藥激發(fā),在激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)中統(tǒng)一采用單深井,主要對(duì)比井深和藥量?jī)煞N因素;在檢波器組合圖形對(duì)比中,主要對(duì)比線型組合和堆放組合兩種圖形。

3.1 利用激發(fā)地震子波與理論子波相關(guān)性優(yōu)選激發(fā)參數(shù)

提取各單炮的井口信號(hào)作為激發(fā)地震子波,如圖1 所示。圖1a為不同井深單炮的激發(fā)地震子波,可以看出,10m井深的激發(fā)地震子波形態(tài)最接近理論子波,其次是20m井深的激發(fā)地震子波。圖1b為不同藥量單炮的激發(fā)地震子波,可以看出,2kg藥量的激發(fā)地震子波形態(tài)最接近理論子波。

表1 二維工區(qū)試驗(yàn)因素一覽表

上述激發(fā)地震子波形態(tài)對(duì)比分析屬于定性分析,為了通過(guò)定量分析優(yōu)選最佳激發(fā)井深和最佳激發(fā)藥量,采用分析激發(fā)地震子波和理論子波的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的理論子波頻率為井口信號(hào)的頻率[18],根據(jù)井口信號(hào)頻率高低及相關(guān)系數(shù)值大小進(jìn)行優(yōu)選激發(fā)參數(shù)。采用本文方法將提取的井口信號(hào)與不同頻率的理論子波進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算求取相關(guān)系數(shù),結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出,10m井深激發(fā)地震子波最大相關(guān)系數(shù)約為0.79,對(duì)應(yīng)頻率為20Hz左右,為4種井深因素中對(duì)應(yīng)的地震子波最大相關(guān)系數(shù)最高的因素;20m井深激發(fā)地震子波最大相關(guān)系數(shù)約為0.67,對(duì)應(yīng)頻率約為25Hz,為4種井深因素中對(duì)應(yīng)的地震子波對(duì)應(yīng)頻率最高的因素。由于10m井深激發(fā)地震子波最大相關(guān)系數(shù)相對(duì)20m井深激發(fā)地震子波最大相關(guān)系數(shù)較大,此外,10m井深激發(fā)地震子波的主峰值(224.8250mV)略高于20m井深激發(fā)地震子波的主峰值(223.4811mV)。根據(jù)相關(guān)系數(shù),可以確定10m井深的激發(fā)響應(yīng)比20m井深的明顯要好;從子波頻率看,20m井深的激發(fā)頻帶要優(yōu)于10m井深;結(jié)合鉆井成本,認(rèn)為10m井深優(yōu)于20m井深。對(duì)于藥量對(duì)比,1kg藥量的激發(fā)地震子波對(duì)應(yīng)的頻率雖然偏高,但相關(guān)系數(shù)偏低,因此不予考慮;其它3種藥量激發(fā)地震子波對(duì)應(yīng)的頻率比較接近,由于2kg藥量激發(fā)地震子波相關(guān)系數(shù)明顯高于其它藥量,因此認(rèn)為2kg藥量較好。

圖1 不同井深(a)和藥量(b)單炮的激發(fā)子波(井深由上到下:6,8,10,20m;藥量由上到下:1,2,3,4kg;不同井深單炮激發(fā)子波最大振幅由上到下分別為210.1339,201.9252,224.8250,223.4811mV;不同藥量單炮激發(fā)子波最大振幅由上到下分別為205.2520,224.8250,205.1631,213.2158mV)

圖2 不同井深(a)和藥量(b)單炮的激發(fā)子波和理論子波相關(guān)性分析結(jié)果

3.2 提取地震子波與理論子波相關(guān)系數(shù)分析

3.2.1 激發(fā)因素優(yōu)選

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取目的層反射信噪比較高的時(shí)窗,采用統(tǒng)計(jì)分析方法[17]從試驗(yàn)地震單炮數(shù)據(jù)提取地震子波并進(jìn)行歸一化處理,然后將各道地震子波疊加作為單炮數(shù)據(jù)提取子波。井深、藥量對(duì)比各激發(fā)因素單炮數(shù)據(jù)的提取地震子波圖形分別見圖3至圖6。

圖3 不同井深單炮的提取地震子波a 6m; b 8m

圖4 不同井深單炮的提取地震子波a 10m; b 20m

圖5 不同藥量單炮的提取地震子波a 1kg; b 2kg;

圖6 不同藥量單炮的提取地震子波a 3kg; b 4kg

采用本文方法將提取的地震子波與理論子波進(jìn)行相關(guān)性分析。計(jì)算提取的地震子波與不同頻率理論子波的相關(guān)系數(shù),并采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果和對(duì)應(yīng)理論子波頻率繪出頻率-相關(guān)系數(shù)曲線,見圖7。

圖7 不同井深(a)和藥量(b)單炮的提取地震子波頻率-相關(guān)系數(shù)曲線

從圖7可以看出,通過(guò)目的層提取子波與理論子波相關(guān)性分析,在井深對(duì)比上,10m井深提取地震子波最大相關(guān)系數(shù)約為0.94,對(duì)應(yīng)頻率約為50Hz,為4種井深因素中對(duì)應(yīng)的提取地震子波最大相關(guān)系數(shù)最高的因素;20m井深提取地震子波最大相關(guān)系數(shù)為0.91左右,對(duì)應(yīng)頻率約為60Hz,為4種井深因素中對(duì)應(yīng)的地震子波對(duì)應(yīng)頻率最高的因素。同樣,根據(jù)相關(guān)系數(shù),可以確定10m井深的激發(fā)響應(yīng)比20m井深的稍好;從子波頻率看,20m井深的激發(fā)頻帶要優(yōu)于10m井深;結(jié)合鉆井成本,認(rèn)為10m井深優(yōu)于20m井深。對(duì)于藥量對(duì)比,由于2kg藥量因素提取地震子波相關(guān)系數(shù)明顯高于其它因素,并且對(duì)應(yīng)的地震子波頻率也比其它因素要高,因此分析認(rèn)為2kg藥量較好。

3.2.2 接收因素優(yōu)選

同樣,采用本文方法,將不同接收因素單炮數(shù)據(jù)目的層時(shí)窗內(nèi)提取的地震子波與理論子波進(jìn)行相關(guān)性分析。計(jì)算提取的地震子波與不同頻率理論子波間相關(guān)系數(shù),并采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果和對(duì)應(yīng)理論子波頻率繪出頻率-相關(guān)系數(shù)曲線,見圖8。從圖8可以看出,在已計(jì)算的10～80Hz頻帶范圍內(nèi),堆放接收的地震數(shù)據(jù)子波整體比線型組合接收的地震數(shù)據(jù)子波好。

上述分析結(jié)果與野外現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)復(fù)雜的分頻掃描、頻譜分析、目的層信噪比分析等綜合分析結(jié)果相同。圖9顯示了參與分析的單炮,可以看出10m、2kg激發(fā)時(shí)最突出的優(yōu)點(diǎn)是面波最弱,視信噪比最高。

圖8 兩種接收?qǐng)D形地震數(shù)據(jù)近偏移距(a)和遠(yuǎn)偏移距(b)時(shí)窗提取準(zhǔn)地震子波頻率-相關(guān)系數(shù)曲線

圖9 不同井深(a)和藥量(b)的單炮記錄(井深對(duì)比單炮記錄的井深由左向右:6,8,10,20m;藥量對(duì)比單炮記錄的藥量由左向右:1,2,3,4kg)

4 結(jié)論

本文通過(guò)單炮數(shù)據(jù)子波(激發(fā)子波或提取子波)與地震數(shù)據(jù)質(zhì)量之間相關(guān)性的研究,可以看出在井炮激發(fā)地震采集中,通過(guò)計(jì)算地震數(shù)據(jù)激發(fā)地震子波或提取地震子波與不同頻率理論子波的相關(guān)系數(shù),并對(duì)比分析它們與理論子波相關(guān)性可實(shí)現(xiàn)優(yōu)選地震采集參數(shù)。這種量化分析方法相對(duì)于定性分析方法,其分析結(jié)果更加可靠。在實(shí)際地震采集中可以單獨(dú)或者和其它方法一起進(jìn)行地震采集參數(shù)優(yōu)選。

致謝:本文在準(zhǔn)備過(guò)程中得到東方地球物理公司采集技術(shù)中心倪宇東、國(guó)際勘探事業(yè)部汪長(zhǎng)輝和駱飛、張翊孟的指導(dǎo),采集技術(shù)中心王彥娟對(duì)子波提取提出了詳細(xì)建議,東方地球物理公司國(guó)際勘探事業(yè)部曹曉偉、曹雄偉、李富榮、王鵬等提供了部分分析數(shù)據(jù),在此一并表示深深的感謝！