低信噪比地区地震采集激发技术探讨

王 昀，王福宝，岳承琪，陈 浩，邢丽雯

（1.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；2.中国石油化工集团公司胜利石油管理局物探公司，山东东营 257100；3.中国地质大学（北京）地球科学学院，北京 100083）

长期以来，低信噪比地区的油气勘探工作一直十分困难。在这些地区，由于受复杂地震地质条件的影响，干扰波发育，致使地震资料信噪比较低，难以较好成像，从而影响了油气勘探的进程［1］。

解决地震资料信噪比低的问题是一个包含地震采集、资料处理甚至综合解释等多个方面的系统工程［2］。由于受到地表、表层、地下复杂地质构造条件的影响，地震采集及资料处理等阶段均存在诸多技术难题，如：观测系统设计与野外施工困难、静校正问题严重、噪声压制难度大、复杂构造成像难等。

对于如何提高或改善低信噪比地区的地震资料信噪比，前人做了许多努力，也取得了一些认识和进展［3－9］，但这类地区的地震激发仍然是一个有待于进一步探讨和攻关的问题。为此，围绕提高低信噪比地区的地震资料信噪比问题，对关键的地震波激发技术进行理论与实际相结合的探讨与分析，以提高对低信噪比地区地震采集激发技术措施优选的系统性认识，从而为提高低信噪比地区地震单炮记录信噪比提供方法指导。

1 低信噪比地区的地震地质特点

综观川东北镇巴等灰岩出露区块、川东南高陡构造带、六盘山巨厚干燥黄土塬地区、新疆阿什里山前带等低信噪比地区，发现它们具有以下共同的地震地质特点［10－14］：

1）地表条件复杂。地形高差大，起伏变化快；山体陡峭，悬崖峭壁遍布；地表障碍物十分复杂。图1是镇巴低信噪比地区的地表地形变化情况。

2）表层地质条件复杂。主要表现为：①纵横向岩性变化大；②表层多高速岩石出露且岩石破碎，倾角变化大；③含水性差且潜水面一般埋藏较深，横向变化无规律；④表层结构参数纵、横向变化剧烈，差异大。复杂的表层地质条件给地震波的激发和接收带来了巨大的挑战，尤其近地表是含水性差且疏松破碎的岩石时影响更为突出；同时，由于复杂的近地表构造环境，当地震波到达时就会产生很多的次生干扰，这也是造成低信噪比地震资料的一个主要原因。

3）地下构造复杂。受剧烈构造运动的影响，构造变化剧烈，地层倾角变化大，常常存在高陡构造和破碎带，导致地震波场复杂，速度场横向变化大，难以准确成像。

综上所述，复杂的地表条件、表层地质条件、地下构造导致了此类地区地震资料的信噪比低。围绕如何提高信噪比的问题，对多个不同类型低信噪比地区的地震资料进行系统分析研究，发现在提高激发效果方面存在共性。

图1 镇巴低信噪比地区起伏地表三维显示（a）和某测线地表高程曲线（b）

2 激发技术方法探讨

2.1 应用表层结构综合调查技术改善激发效果

表层结构调查主要是指综合利用各种地球物理方法，详细掌握施工工区的低降速带厚度、速度变化规律、潜水面、虚反射界面深度以及激发岩性等情况。

地震波的激发是在表层介质中实现的，因此选择什么样的激发岩性非常关键，尤其在低信噪比地区，激发岩性的选择尤为重要。弄清了复杂地表的表层结构，就可以帮助选取合适的激发参数，最大限度地保护地震波中的有效频率，减少表层对地震信号的改造。因此，做好低信噪比地区的表层结构调查对于改善资料的信噪比非常重要。

在实际工作中，表层结构调查除了采用常规的小折射和微测井方法以外［15］，还应该综合采用地面地质调查、潜水面调查、电法、钻井取心、岩性录井、多井微测井、超深微测井和折射微测井等多种表层结构调查方法。通过综合分析这些方法的调查结果可以准确地反映地表结构和岩性变化的特点，指导激发井深和激发岩性的选择，提高地震波的激发效果。

2010年，在阿什里山地地震勘探中沿地震测线进行逐点地质露头调查，并绘制成地质露头剖面（图2），结合微测井等表层结构调查结果，优选激发点位，设计激发井深，提高了该区地震资料信噪比。

在选择激发井深方面，利用高密度电法剖面可以有效地规避表层风化层，选择富含水的高速层激发，提高激发效果。镇巴地区采用高密度电法得到的近地表电性特征剖面如图3所示，可见，剖面中高电阻率部位反映岩性的稳定和含水性低，低电阻率部位反映表层岩石破碎和含水性高。

每一种表层结构调查方法都存在缺陷，且都不能取全取准近地表数据。需要根据工区情况有选择地同时采用多种方法，综合利用每种方法的优势进行激发因素设计，才能为激发因素设计提供准确的依据。2011年，六盘山巨厚黄土塬地区在完成常规微测井、小折射、地面地质调查的基础上，创新完成了“多井微测井、折射微测井、黄土塬起伏地表小折射”，以及为研究局部变化规律进行了河谷砾石区连续小折射、黄土厚度与低降速带厚度关系调查等一系列的表层调查方法试验，为激发因素选取提供依据，提高了黄土塬地区地震资料品质。

图2 新疆阿什里地质露头剖面

图3 镇巴地区近地表高密度电法测量剖面

2.2 基于地形与表层结构的井深动态设计技术

激发井深的选择依赖于表层结构、虚反射界面、激发岩性、低速层和高速层等因素，同时也要考虑激发药量的大小，根据药量大小合理调节井深，还要考虑对地震波信号频率的要求等。

2.2.1 激发井深对虚反射界面的依赖关系

虚反射界面往往是近地表的一个强波阻抗界面。如果在位于强波阻抗界面上的低速层中激发，地震子波振幅与频率都较低，且大量能量消耗在低速层中。只有在强波阻抗界面下激发才能使更多的能量得以下传。但是，如果在离强波阻抗界面下较远处激发，由于虚反射的影响，地震子波又会产生叠加畸变，使地震子波的频率降低。那么，选择在虚反射界面下多深的位置激发才能得到较好激发效果呢？文献［16］指出：①井深炸药位置距虚反射界面的距离要大于炸药的爆炸半径；②炸药震源距虚反射界面的距离要小于最高频率信号的波长。

因此，激发井深的设计首先必须选择虚反射面以下激发；炸药震源距虚反射界面以下多深的距离与在该地区能够获得的最高地震波频率fc有关，频率fc越高距离界面就越近，反之则越远；同时还要考虑炸药量爆炸半径的大小。

2.2.2 激发井深对岩性的依赖关系

井深的选择在很大程度上是对好的激发岩性的选择，即激发岩性好的位置也就是激发的好位置，也是井深该选择的位置。所以，井深的选择很大程度上是依赖于好的激发岩层。

好的激发岩性具有较好的弹性性质，能够产生高能量和相对宽频带的地震子波。炸药震源激发时，在均匀介质中产生地震波的子波表达式为［17］

式中：a为爆炸形成的球形孔穴半径（m）；P0为作用于孔穴内壁上的压强（N／m2）；μ为弹性常数；r为传播距离（m）；t为传播时间（s）；k为圆频率（Hz）。

如果把球形孔穴半径a看成是介质在P0作用下的弹性应变量，P0／a则是介质的岩石强度。因为子波的频率与岩石强度成正比，故坚硬的岩石中激发的地震子波，其频率高于松散岩石中激发的地震子波的频率。

2.2.3 基于多因素的动态井深设计

井深选择的首要条件是避开虚反射界面，选择在高速层激发，但在低信噪比地区仅仅选择在高速层激发是达不到理想激发效果的，必须要综合考虑高程、低降速带结构、激发岩性、虚反射界面等因素的基础上逐点动态井深设计。在镇巴灰岩出露区攻关过程中，根据地形变化，采用地质调查、钻井取心、微测井、高密度电法等相结合的综合表层结构调查结果指导井位选择和井深设计，首次实现南方山地动态井深设计，提高了单炮信噪比，所获灰岩出露区地震剖面浅、中、深层反射波特征较清楚，绕射波、回转波等波场丰富。

2.3 视饱和药量区间的药量选择方法

选择激发药量主要是依据地震波的能量、频率和信噪比的好坏。在理想情况下，要求这3个方面都尽可能满足要求；但是，实际工作只能是在3个因素之间进行折中来选择合适的药量。主要原因是药量的增加与能量增长趋势是一致的，而与频率的增加是相反的［18］（图4）。药量的增加在理论上是增加有效信号的能量，与信噪比的提高应该是一致的；但增加药量不仅增加有效信号的能量，同样也增加近地表噪声的能量，信噪比能否提高还要看是有效信号能量增加得快还是噪声增加得快。对于低信噪比地区，药量太大信噪比不会提高，甚至有可能降低。因此，药量的选择，首先要有足够的激发能量，其次要有一定的信噪比，同时考虑激发信号的频率。

图4 药量与激发子波的振幅、频率的关系

实践证明，当药量在一段区间范围内时，资料的能量、信噪比和频带都相对稳定；在此区间之外则变化显著［19］。将这段资料稳定的药量范围称为“视饱和药量区间”。野外激发药量的选取，可针对地形高低、障碍物远近在视饱和药量区间内选用合适的药量。

例如南江灰岩出露区采用4井组合，单井15m井深，单井药量10kg组合激发，尽管总药量达到了40kg，所获地震单炮信噪比仍然很低，说明大药量激发并不能完全解决低信噪比问题，甚至会降低信噪比。

2.4 基于能量和观测属性的激发点位选择方法

低信噪比地区地震资料静校正问题十分突出［1］。图5反映了六盘山巨厚黄土塬宽线二维两条测线的高程变化情况。图5a是相隔120m 的两条测线的高程曲线及对应点的高程差，图5b为对应的单炮记录，可见初至扭曲严重，静校正困难。此类地区采用均匀的激发点位更有利于提高采集资料质量，从而有利于静校正和成像。但是，由于地表条件复杂，许多激发点的激发难度大、效果差，这就需要合理地选择激发点位，以获得较佳的效果。

激发点位选择的原则：一是最大限度地实现设计观测激发点位的理念；二是尽可能地追求原始资料品质的最优化，即频带宽、能量强、信噪比高；三是保证安全激发，规避各种障碍物带来的危害。激发点位的选择，在很大程度上还要依赖激发岩性，对于成窄条带的砾岩条带、硅质含量高的石英砂岩条带等刚性较强的区带一般不选择为激发点；成条带分布的疏松砂岩和巨厚的疏松砂岩山体也可以适当避开。对于这些激发岩性较差的区域，如果需要，也可以采用组合激发的方式，以充分利用介质的弹性性质，改善激发效果。

图5 六盘山黄土塬相邻测线高程对比（a）与对应单炮记录（b）

在同样的激发条件下，组合井的激发效果与高速层有关，即使是超浅井组合，在高速层激发，同样能够取得较好的激发效果。图6是某灰岩出露区进行的多超浅井组合激发与单井激发效果对比结果。由于该点附近降速层厚度相对较薄（1.38m），速度900m／s，而且降速层以下岩性破碎严重，难以成井，于是选择了20口1.5m 深的超浅井（药量0.5kg）组合进行试验（图6a），激发效果稍好于该区相近点正常设计单井（井深21m，药量20kg）的激发效果（图6b），所以，组合激发一定要充分考虑低降速带的厚度，在无法钻遇高速层的情况下可以考虑在降速层中激发，但要充分考虑降速层速度与激发岩性。

2.5 提高激发效果的闷井技术

激发地震波的品质依赖于炸药震源与围岩的耦合，包括几何耦合和阻抗耦合。几何耦合就是指要求药柱直径尽量接近炮井直径，闷井正好能够达到改善几何耦合的效果，也能减少能量散失，确保能量的下传［20］。在低信噪比地区，对闷井材料与方法进行了研究。闷井材料主要有注水、普通泥沙、高压水袋、稀水泥、细沙、混合材料等。试验表明几种闷井材料的闷井效果相差不大。因此，闷井的关键在于采用就地取材的方式将井闷好、闷实。为了防止井喷，避免产生次生干扰，闷实井往往需要采取多次闷井的做法，第一次闷井完毕待沉淀一段时间后再进行二次、三次闷井。

图6 某灰岩出露区多超浅井组合地震记录（a）与正常设计单井地震记录（b）

3 认识与结论

通过以上对低信噪比地区地震采集激发技术的系统分析与探讨，可以得出以下认识与结论：

1）低信噪比地区地震采集中，激发岩性的选择是获得好资料的关键因素；

2）综合低降速带调查、地面地质调查、高密度电法、层析等方法进行表层结构调查是优选井位、井深的有效途径；

3）选择井深不但要考虑激发岩性还要考虑虚反射界面，并不是井越深越好；在视饱和区间内选择药量，太大药量对获得好的资料没有优势；

4）闷井特别是多次闷井可以有效地改善炸药震源与围岩的几何耦合，对提高炸药震源的激发效果起到事倍功半的作用；

5）组合激发是复杂介质中激发的有效手段。无论黄土塬，还是灰岩出露区，组合激发都是一种最佳的选择。

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