王明超

(遼河油田勘探開發(fā)研究院,遼寧盤錦 124010)

品質(zhì)因子Q表征了介質(zhì)本身固有的衰減特性[1],近地表地層埋藏較淺,壓實(shí)作用較弱,與地下地層相比,其對(duì)地震波能量具有更強(qiáng)的吸收作用[2],準(zhǔn)確估算近地表Q值并補(bǔ)償吸收衰減對(duì)高分辨地震勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。趙秋芳等[3]回顧并展望了常用的近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查方法和手段,指出微測(cè)井因其施工簡(jiǎn)單,使用范圍廣,是近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要方法。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)近地表Q值估算進(jìn)行了諸多研究。HATHERLY[4]基于淺層折射波數(shù)據(jù),利用地震子波寬度隨傳播時(shí)間的變化測(cè)量淺層吸收衰減,但測(cè)量結(jié)果精度較低;BADRI等[5]嘗試在潛水面以下激發(fā)地震波,以此來測(cè)量未完全固結(jié)地層的吸收參數(shù),但試驗(yàn)未取得穩(wěn)定結(jié)果;田鋼等[6]利用微測(cè)井資料中有效直達(dá)波信息估計(jì)近地表Q值,并通過最佳維納濾波方法補(bǔ)償吸收衰減;宋智強(qiáng)等[7]在沙漠地區(qū)開展微測(cè)井實(shí)驗(yàn),基于譜比法估算Q值,并補(bǔ)償近地表吸收衰減;宋桂橋[8]針對(duì)沙漠地區(qū)巨厚低速帶地層表層結(jié)構(gòu)調(diào)查難的問題,基于超深微測(cè)井進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查,采用子波和Q值輔助分層的方法獲得表層吸收結(jié)構(gòu);李擁軍等[9]根據(jù)微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)初至波能量最強(qiáng)的特點(diǎn),利用非零相位雷克子波匹配追蹤自動(dòng)提取用于Q值估算的初至波頻譜和旅行時(shí),在譜比計(jì)算中引入整形正則化算子提高算法的穩(wěn)定性,通過深度學(xué)習(xí)算法獲得準(zhǔn)確的Q值模型;宋吉杰等[10]針對(duì)常規(guī)衰減補(bǔ)償處理中近地表Q模型建立方法存在的不足,提出一種基于信息融合的近地表Q值估計(jì)方法以及穩(wěn)定的反Q濾波處理技術(shù),運(yùn)用信息融合策略,利用調(diào)查點(diǎn)精細(xì)Q值約束相對(duì)Q值,整合建立精確的近地表Q模型;金子奇等[11]提出了一種改進(jìn)的衰減旅行時(shí)層析方法,在射線追蹤衰減旅行時(shí)的過程中,用方向速度梯度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的速度梯度,考慮不同射線在不同傳播方向上的速度差異,提高了衰減旅行時(shí)計(jì)算精度,從而提高Q因子估算精度;李偉娜等[12]鑒于旅行時(shí)間拾取誤差或速度估算誤差對(duì)Q因子估算的影響,基于微測(cè)井分層速度回歸分析思想,提出了一種雙線性回歸品質(zhì)因子Q估計(jì)算法,同樣沒有考慮震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對(duì)Q值估算的影響。

目前相關(guān)研究的重點(diǎn)主要集中在近地表Q值估算的算法上,而實(shí)際資料對(duì)近地表Q值估算的影響卻研究較少。蔡杰雄等[13]結(jié)合微測(cè)井資料分析影響近地表Q值建模的主要問題,指出震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對(duì)近地表Q值建模的影響不容忽視,否則會(huì)影響近地表Q值模型精度;丁冠東等[14]基于實(shí)際微測(cè)井資料研究了地震波主頻變化特征,認(rèn)為不同深度激發(fā)獲取的地震子波主頻差異很大,檢波器耦合效應(yīng)使地震子波嚴(yán)重缺失低頻信息,且高頻部分出現(xiàn)類似“陷波”現(xiàn)象,激發(fā)深度差異與檢波器耦合差異會(huì)大幅度降低近地表Q值估算的精度;李國發(fā)等[15]采用井地聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng),采用同一炮激發(fā)的地震記錄估計(jì)Q值,消除了震源子波差異的影響,但并未完全消除檢波器耦合響應(yīng)差異對(duì)Q值估算的影響;翟桐立等[16]基于井地一體化測(cè)井方法,采用深井激發(fā),地面小排列接收的方式獲得近地表Q值,該方法較為穩(wěn)定,但并未考慮不同檢波器耦合響應(yīng)的差異。

本文采用四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),基于譜比法,提出一種能同時(shí)消除震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異的近地表Q值估算方法。該方法通過運(yùn)算,增大了旅行時(shí),提高了Q值估算的穩(wěn)定性,并利用基于波場(chǎng)延拓反Q濾波技術(shù)補(bǔ)償近地表吸收衰減,提高了地震資料的分辨率。

1 技術(shù)方法

1.1 常規(guī)微測(cè)井Q估計(jì)及問題分析

利用微測(cè)井資料不但能調(diào)查近地表速度結(jié)構(gòu),也能調(diào)查近地表吸收結(jié)構(gòu)。利用微測(cè)井資料調(diào)查近地表速度結(jié)構(gòu)時(shí)主要利用的是地震波的走時(shí)信息,受噪聲干擾及波場(chǎng)干涉影響較少;而調(diào)查近地表吸收結(jié)構(gòu)時(shí)主要利用的是地震波的頻率信息,對(duì)噪聲干擾及波場(chǎng)干涉十分敏感。常規(guī)微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),包括單井微測(cè)井和雙井微測(cè)井,通常采用地面激發(fā)、井中接收,或者井中激發(fā)、地面接收的方式,觀測(cè)數(shù)據(jù)易受震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異的影響,從而影響Q因子估算精度。

1.1.1 單井微測(cè)井

圖1為單井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)。距離激發(fā)井井口一定距離埋置一個(gè)檢波器,接收地震信號(hào)。理論上講,在激發(fā)井中不同深度激發(fā)兩炮,對(duì)接收到的兩個(gè)直達(dá)波信號(hào)做譜比,即可估算近地表Q因子。利用譜比法估算Q因子的前提是單炮震源子波響應(yīng)一致,并且檢波器具有相同的耦合響應(yīng)。該觀測(cè)系統(tǒng)只有一個(gè)檢波器,可以不考慮檢波器耦合響應(yīng)的影響,但如果單炮震源子波響應(yīng)不一致,可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的估算結(jié)果。

圖1 單井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)示意

1.1.2 雙井微測(cè)井

為了規(guī)避震源子波差異的影響,采用雙井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)。如圖2所示,在激發(fā)井中不同深度分別激發(fā),接收井井口和井底各埋置一個(gè)檢波器接收地震信號(hào)。對(duì)同一炮激發(fā)的兩個(gè)地震信號(hào)進(jìn)行譜比來估算Q因子,這樣就規(guī)避了不同深度震源子波差異對(duì)Q因子估算的影響,但雙井微測(cè)井估算結(jié)果受不同檢波器耦合響應(yīng)差異影響。

圖2 雙井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)示意

綜上所述,采用常規(guī)微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)施Q因子估算,單井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)易受不同深度震源子波差異影響,雙井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)易受檢波器耦合響應(yīng)差異影響。因此,常規(guī)微測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)所獲得的調(diào)查結(jié)果可能存在很大的不確定性。

1.2 四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)

圖3為四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)。相隔一定距離打4口井,4口井在平面上排成一排直線,中間兩口井作為接收井,兩側(cè)兩口井作為激發(fā)井。S1和S2分別代表兩口激發(fā)井中任意兩炮,G1和G2分別代表埋置在接收井井底的兩個(gè)檢波器。

圖3 四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)示意

假設(shè)品質(zhì)因子Q是一個(gè)與頻率無關(guān)的常數(shù),地震波振幅譜在頻率域可以用(1)式表示:

xij(f)=pij·si(f)·gj(f)·exp(-πfQ-1tij)

(1)

式中:f為頻率;xij(f)表示第i炮激發(fā),第j個(gè)檢波器接收信號(hào)的振幅譜;pij表示地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個(gè)檢波器過程中經(jīng)歷的與頻率無關(guān)的衰減量,例如幾何擴(kuò)散、透射損失等;si(f)表示第i炮激發(fā)震源子波影響因子;gj(f)表示第j個(gè)檢波器耦合響應(yīng)影響因子;tij代表地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個(gè)檢波器的旅行時(shí),例如,t11表示地震波從激發(fā)點(diǎn)S1處傳播到接收點(diǎn)G1處的旅行時(shí);Q代表地層品質(zhì)因子。對(duì)公式(1)取自然對(duì)數(shù)有:

Xij(f)=Pij+Si(f)+Gj(f)-πfQ-1tij

(2)

式中:Xij(f)表示地震波從第i炮激發(fā)傳播到第j個(gè)檢波器接收信號(hào)的振幅譜的自然對(duì)數(shù);Pij表示第i炮激發(fā)傳播到第j個(gè)檢波器過程中經(jīng)歷的與頻率無關(guān)的衰減量的自然對(duì)數(shù);Si(f)表示第i炮激發(fā)震源子波影響因子的自然對(duì)數(shù);Gj(f)代表第j個(gè)檢波器耦合響應(yīng)影響因子的自然對(duì)數(shù)。

根據(jù)公式(2),對(duì)于第一炮激發(fā),兩個(gè)埋放在井底的檢波器接收信號(hào)的自然對(duì)數(shù)譜可以用方程組(3)表示:

(3)

用該方程組中的下式減去上式有:

X12(f)-X11(f)=P12-P11+G2(f)-
G1(f)-πfQ-1(t12-t11)

(4)

公式(4)表示消除第一炮激發(fā)因素影響,殘留檢波器耦合影響的衰減曲線。

同理,對(duì)于第2炮激發(fā),兩個(gè)埋置在井底的檢波器接收信號(hào)的自然對(duì)數(shù)譜可以表示為:

(5)

用方程組(5)的上式減去下式有:

X21(f)-X22(f)=P21-P22+G1(f)-
G2(f)-πfQ-1(t21-t22)

(6)

將公式(4)和公式(6)相加,有:

X(f)=P-πfQ-1t

(7)

式中:t=t12-t11+t21-t22,代表總旅行時(shí);P代表與頻率無關(guān)的總衰減量。公式(7)表示同時(shí)消除激發(fā)和接收因素影響的衰減曲線。衰減曲線表現(xiàn)為頻率相關(guān)函數(shù),可以利用其斜率估算Q值:

(8)

式中:M為線性擬合斜率。

該方法聯(lián)立兩炮激發(fā),兩道接收的4個(gè)直達(dá)波記錄,通過數(shù)學(xué)運(yùn)算,不但同時(shí)消除了震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異對(duì)Q因子估算的影響,而且通過運(yùn)算增大了旅行時(shí),進(jìn)一步提高了Q因子估算的穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證和說明利用前述四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)施近地表Q因子估算方法的可行性與穩(wěn)定性,在中國東部某油田開展了野外實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。為便于對(duì)比分析,下面首先對(duì)常規(guī)微測(cè)井估算Q因子的局限性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

參考圖1所示的單井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),采用電火花震源,在激發(fā)井中9m及5m深度分別激發(fā),地面檢波器接收的共檢波點(diǎn)道集如圖4a所示。圖4a中第1道為9m深度激發(fā)的地震信號(hào),第2道為5m深度激發(fā)的地震信號(hào)。圖4b為兩道直達(dá)波信號(hào)對(duì)應(yīng)的振幅譜。理論上講,9m深度激發(fā)的地震信號(hào)經(jīng)歷了更多的地層吸收衰減,但其振幅譜主頻卻高于5m深度激發(fā)的地震信號(hào)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于實(shí)際施工過程中難以保證單炮震源子波響應(yīng)一致,這樣利用譜比法估算的Q因子為負(fù)值。

圖4 單井微測(cè)井共檢波點(diǎn)道集(a)及其對(duì)應(yīng)的振幅譜(b)

基于圖2所示的雙井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),在激發(fā)井中18m深度激發(fā),井口和井底檢波器接收的共炮點(diǎn)道集如圖5所示。圖5中第1道為井底檢波器接收的地震記錄;第2道為井口檢波器接收的地震記錄。由于井底檢波器很難保證與井壁完全耦合,因此井底檢波器直達(dá)波信號(hào)尾部抖動(dòng)十分明顯,導(dǎo)致難以分離出有效直達(dá)波信號(hào),雙井微測(cè)井受不同檢波器耦合響應(yīng)差異影響,難以準(zhǔn)確估算近地表Q值。

圖5 雙井微測(cè)井共炮點(diǎn)道集

基于圖3所示四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),激發(fā)井井深均為18m,水平間隔為20m。采用電火花震源,由深至淺依次激發(fā),激發(fā)深度分別為18,15,12,9,6,4,2,1m,共激發(fā)8炮。接收井井深均為9m,水平間隔為4m。在接收井井底各埋置一個(gè)檢波器接收地震信號(hào)?；谧V比法,聯(lián)立兩炮激發(fā)、兩個(gè)井底檢波器分別接收的4個(gè)直達(dá)波信號(hào)的振幅譜,通過計(jì)算得到圖6 所示的衰減曲線,同時(shí)消除了震源子波差異影響和檢波器耦合響應(yīng)差異影響。

圖6 同時(shí)消除激發(fā)和接收因素影響的衰減曲線

在90Hz之前的低頻段,觀察到衰減量隨頻率的增大而增大的現(xiàn)象,這是由于近場(chǎng)影響造成的。微測(cè)井觀測(cè)和常規(guī)地震觀測(cè)相比,炮檢距一般較小,因此觀測(cè)數(shù)據(jù)易受近場(chǎng)影響,但近場(chǎng)對(duì)地震波頻譜的影響通常表現(xiàn)在低頻段。由于頻譜低頻段受近場(chǎng)效應(yīng)影響明顯,高頻段又易受噪聲干擾,因此,我們優(yōu)選90～200Hz頻帶范圍計(jì)算Q值,基于譜比法,估算出該試驗(yàn)點(diǎn)的近地表Q值約為12。

實(shí)際試驗(yàn)資料分析結(jié)果表明,常規(guī)微測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)受震源子波差異和檢波器耦合響應(yīng)差異影響,近地表吸收結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果存在很大的不確定性。利用四井微測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù),通過合理計(jì)算和優(yōu)選頻帶規(guī)避了常規(guī)微測(cè)井缺陷,獲得較為穩(wěn)定可靠的近地表Q值。

3 實(shí)際應(yīng)用

研究區(qū)位于中國東部某油田,面積近150km2,地表主要是旱地農(nóng)作物,近地表為厚層膠泥夾少量薄層暗色泥沙。根據(jù)以往表層調(diào)查結(jié)果,該地區(qū)地表高程起伏較小,地層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。近地表地層近乎為單層結(jié)構(gòu),地層內(nèi)部速度比較穩(wěn)定,層間散射較弱。采用四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),在研究區(qū)內(nèi)以2km×2km網(wǎng)格,共部署了48個(gè)四井微測(cè)井試驗(yàn)點(diǎn),基本實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)均勻覆蓋。

研究區(qū)近地表地層厚度分布較為穩(wěn)定(圖7),近地表地層厚度多集中在10～12m,局部厚度較大,最大不超過18m。綜合經(jīng)濟(jì)成本和安全環(huán)保兩方面考慮,兩口激發(fā)井井深為18m,水平間隔20m。以電火花為震源,激發(fā)深度分別為18,15,12,9,6,4,2,1m,共激發(fā)8炮。兩口接收井井深為9m,水平間隔4m。井底埋置的兩個(gè)檢波器均經(jīng)過嚴(yán)格檢查,利用井下助插器保障井底檢波器耦合質(zhì)量,避免由于檢波器與地層耦合不好造成接收信號(hào)尾部抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖7 研究區(qū)近地表厚度平面分布

在每個(gè)四井微測(cè)井試驗(yàn)點(diǎn)處,均選取兩口激發(fā)井中較深的單炮數(shù)據(jù)估算近地表Q值?；诠?8),通過合理優(yōu)選頻帶,不但能有效規(guī)避近場(chǎng)和高頻噪聲的影響,還能使旅行時(shí)增加,計(jì)算的Q值結(jié)果更為穩(wěn)定。基于每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處四井微測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的Q值,通過插值得到研究區(qū)近地表Q值平面分布(圖8)。研究區(qū)近地表局部存在Q值異常區(qū),但整體來看分布較為穩(wěn)定,多集中在8～15,說明利用四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)能得到較為穩(wěn)定可靠的近地表Q值。

圖8 研究區(qū)近地表Q值平面分布

利用基于波場(chǎng)延拓的反Q濾波技術(shù)補(bǔ)償近地表吸收衰減,得到了補(bǔ)償前、后的疊加剖面(圖9)及其頻譜(圖10)。由圖9和圖10可見,近地表吸收衰減補(bǔ)償后地震資料高頻成分得到合理恢復(fù),頻譜主頻明顯向高頻端移動(dòng)。地震資料分辨率顯著提高,地震波組特征更加明顯,地質(zhì)細(xì)節(jié)更加清晰。

圖9 近地表吸收衰減補(bǔ)償前(a)、后(b)地震剖面

圖10 近地表吸收衰減補(bǔ)償前、后振幅譜

4 結(jié)論

本文采用四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng),基于譜比法,通過合理運(yùn)算,提出一種能同時(shí)消除震源子波差異和檢波器耦合差異影響的近地表品質(zhì)因子估算方法。工區(qū)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,該方法能獲得較為穩(wěn)定的近地表吸收Q參數(shù)。利用基于波場(chǎng)延拓的反Q濾波技術(shù)補(bǔ)償近地表吸收衰減,有效提高了地震資料的分辨率,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

微測(cè)井觀測(cè)和常規(guī)地震觀測(cè)相比,炮檢距較小,觀測(cè)數(shù)據(jù)易受近場(chǎng)影響。但近場(chǎng)影響通常只在低頻段,而高頻段又易受高頻噪聲的影響。因此,利用微測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)估算近地表Q因子時(shí),要優(yōu)選頻帶,盡量規(guī)避近場(chǎng)和高頻噪聲的影響。

本文方法在近地表地層近乎為單層結(jié)構(gòu)時(shí)取得了較好的應(yīng)用效果,但當(dāng)近地表為低速帶和降速帶兩層結(jié)構(gòu)時(shí),只能估算低速帶之下降速帶Q值,無法估算低速帶Q值。四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善以適應(yīng)多層Q模型地區(qū),下一步將嘗試將四井微測(cè)井觀測(cè)系統(tǒng)推廣至近地表為兩層結(jié)構(gòu)地區(qū),屆時(shí)將嘗試基于完善后的觀測(cè)系統(tǒng)建立更復(fù)雜的近地表Q值模型。