川东山地复杂表层条件下检波器耦合技术

潘家智，许孝坤，刘丽娟

(中国石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司，山东 东营 257100)

川东山地复杂表层条件下检波器耦合技术

潘家智，许孝坤，刘丽娟

(中国石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司，山东 东营 257100)

川东山地表层条件复杂，地震接收条件变化非常大，形成了地震接收道低频和高频现象，影响了地震资料的有效频带。为了改善接收效果，提高单炮品质，基于耦合和振动理论，结合地震记录中的实际现象，对川东山地不同类型的低频道和高频道进行了分析，认为耦合系统的谐振频率、耦合系统的复杂性、耦合介质的非均质性及介质的共振是形成低频和高频道的主要原因。基于分析结果，提出了提高耦合谐振频率、减小共振、简化耦合振动系统阶数等技术方法，改善了接收效果。

山地 复杂地表 地震勘探 低频道 高频道 检波器 耦合

川东普光、元坝等地区天然气勘探所取得的突破，高精度三维地震勘探技术起到了决定性作用，形成了包括面向生物礁储层的观测系统设计、饱和激发、高精度定位和高密度采样为核心的山地高分辨率地震采集技术[1-2]。其中在接收方面，采用小组合接收来压制高频干扰，保护高频有效信号[1-2]，提高深层储层地震反射的信噪比和分辨率[3]。但川东山地相对西部山地表层变化更剧烈，表层厚度和速度纵横向变化更大，存在坡积区、坍塌物堆积区、岩石裸露区、河床砾石区、第四系堆积区等多种类型，耦合效果差异明显，形成不正常接收道。因此在压制高频干扰的同时，改善这些区域检波器与大地的耦合效果也非常关键。史晓亮提出了基于遥感数据进行检波点布设的技术方法[5]，但没有考虑表层的影响。笔者通过川东地区不同表层条件下接收道波动特征分析和理论研究，对形成机制进行分析，形成了适合不同区域的耦合技术，改善了接收效果。

1 低频与高频道分析

低频道是指整道主频在10 Hz左右，目的层反射特征不明显的接收道(图1)。高频道是指整道视频率高，具有明显的毛刺现象的接收道，频谱分析显示在60～70 Hz频段能量强(图2)。这两种频率均在有效频段内，使有效反射波产生畸变，影响了有效频宽和地震资料的保真性。

图1 低频道与正常道的波形及频谱

图2 高频道与正常道的波形及频谱

1.1 几种类型低频道

类型I：由于耦合介质的松、散、软造成的低频接收道，例如河砂中和含水较高的泥地中。

式(1)是检波器与大地耦合系统的谐振频率公式[4-5]

(1)

式中：f0为系统的耦合谐振频率；M2为检波器的质量；b为检波器尾锥的半径；M1为大地介质的“谐振”质量；ρ为大地介质的密度；v为介质振动的传播速度；k为检波器与大地介质的耦合系数。

由式(1)可知，检波器在一定的条件下，耦合振动系统的谐振频率受大地介质、检波器与大地耦合系数的影响。在河砂与含水丰富的泥地，检波器尾椎不能和耦合介质紧密地接触，耦合系数低，降低了谐振频率；同时两类介质的密度小，振动传播速度低，也降低了耦合谐振频率，造成了低频现象(图3)，这种现象在共接收点记录上不受时间和空间变化的影响。

类型Ⅱ：由于耦合介质的共振造成的低频接收道。物体共振频率计算公式为：

(2)

式中：f为物体的共振频率；k为物体的劲度系数(也称刚度系数)；m为物体的质量。

可以看出，共振频率和物体的质量及刚度有关，刚度越低，质量越大，共振频率越低。

山地水田耕种区的土层，覆盖在和其密度差异很大的岩石上，由于长期在水中浸泡和耕作，形成了相对独立的含水个体，质量大，劲度系数相对要小，固有频率比较低，当外来激励频率低、能量足够强时，就能达到共振。图3右图是该类介质中的共接收点道集，可以看出，在近炮点由于强能量低频面波的激励，产生低频共振，整道呈现低频现象，当炮检距较大时，低频面波能量减弱，影响减小，共振消失，低频现象消失。

图3 在河砂(左)和大面积水田中(右)接收的共接收道集

类型Ⅲ：由于地表的非均质性造成次生振动引起的低频现象，干扰的频率取决于振动系统的参数[6]。在川东山地的水稻田，农耕土反复经历浸水—晾干—浸水的过程，形成较厚农耕层，晒干后呈宽而深的裂隙，一般深度30～50 cm，宽度可达2～3 cm，形成次生干扰源，因位于低速层，在接收道上形成了低频次生振动干扰，且不随时间变化(图4)。

图4 干裂稻田(左)和非干裂稻田(右)接收道集对比

图5 双自由度耦合振动系统输出频率响应

1.2 几种类型高频道

类型Ⅰ：外界干扰形成的高频接收道。在相对高差较大的陡峭山顶部位，因风力回旋，产生强风，吹动植被，根系产生高频微震，使检波器产生高频干扰，因南方山地植被茂密，无法避开，因此这种高频难以消除。

类型Ⅱ：由耦合响应范围内多重耦合介质形成的多阶自由度耦合系统造成的高频接收道[7]。图5是下为岩石，上为表土耦合系统输出频率响应，可以看出检波器受表耦振动系统和尾耦振动系统的双重影响，检波器受到20 Hz和110 Hz两种谐振频率的双重影响，产生频率畸变，视觉上呈现高频现象。在川东山地，该类高频的主要产生区域是岩石裸露区域、城镇水泥路面、薄表土区。在以上区域，采用编织袋装土或土堆插放检波器，如果检波器尾锥距离岩石或地面过近，易产生高频现象，实际资料中(图6)，在初至前就存在高频现象，因此其频率是受环境噪音的激励产生的。

2 耦合技术与效果

通过以上对低频和高频道现象及产生机制的分析，在实际地震采集过程中反复试验验证，形成了不同类型区域的针对性耦合技术。

2.1 基于提高耦合谐振频率的耦合技术

针对复杂山地表层条件，检波器埋置要选择致密的耦合介质，对于谐振频率低的耦合介质，则通过改换耦合介质的方式提高耦合谐振频率。例如在比较厚的河砂等松散介质区域，无法挖到硬地时，利用硬粘土作为中间介质，把检波器插到硬粘土上，利用硬粘土增大与松散介质的接触面积，从而增大阻尼，做到整个检波器与大地的振动同步，提高了整个耦合系统的谐振频率。图7可以看出，以粘土为中间介质的埋置方式，接收效果明显要好于沙中直接埋置。在山地松散表土覆盖稍薄的区域，去除浮土将检波器插入致密的硬土中，也有利于提高谐振频率，改善接收效果(图8)。

图6 岩石裸露区高频道(左)及频谱分析(右)

图7 散沙直接埋置(左)和散沙中填充硬粘土埋置(右)对比

图8 松散表层土区域不同埋置方式对比

图9 砾石区相邻两道不同填土厚度对比

检波器耦合效果由作用在检波器尾锥上的切力所决定，良好的耦合效果要求检波器与大地有较高的耦合阻尼系数，利用不同的耦合方式增加检波器与大地介质的摩擦力，保证检波器与耦合介质一起振动。在砾石分布区，通过挖坑填土并夯实的方法，增加介质接触程度，改善与砾石耦合的牢固度，图9是不同填土厚度埋置试验记录，其中5549桩号为填土20 cm埋置，5550桩号为填土30 cm埋置，可以看出，填土30 cm有利于消除高频振荡现象。

2.2 基于降低次生振动、减小共振的耦合技术

减小检波器周围耦合介质与大地的非均匀性差异，降低产生次生振动干扰的几率。

干裂的稻田表层与大地存在明显的分层(或分离)现象，非均质性明显。去除干裂的表层埋置，减小了非均质性，降低了低频次生振动扰动(图10)。

图10 干裂稻田埋置效果对比

图11 共振水田中采取措施前后对比

对于共振频率低的水田地等耦合介质，采取局部去除或者分割的方式，降低其整体质量，避免其影响，改善接收效果(图11)。

2.3 简化耦合振动系统阶数的耦合技术

通过增大不同耦合振动系统的间隔，从而避免不同耦合振动系统间的影响，形成局部的单自由度振动系统，或减少耦合振动系统自由度数量，避免检波器受多自由度耦合振动系统的多重影响，降低产生频率畸变的几率。在岩石出露区，一般采用泥土打引锥方式进行检波器埋置，土堆高度低于15 cm，高频现象明显，通过增大土堆高度，减小表耦和尾耦振动系统之间的相互影响，当土堆高度达到30cm，能够避免高频现象。或采取电钻打眼的方式，直接将检波器埋置在岩石上，减少耦合振动系统的阶数，减弱了高频干扰(图12)。

图12 通过改变耦合方式削弱高频现象

2.4 应用效果

通过应用有效的耦合技术，地震资料的信噪比得到明显提高，剖面对比显示，层间信息更加丰富，波组特征更加明显；频谱分析对比也可以看出，有效频带宽度得到明显拓宽，主频提高，改善效果明显(图13)。

图13 应用耦合技术前后剖面和频谱对比

3 结论

(1)形成川东山地复杂表层条件下低频和高频道的原因，一是整个耦合振动系统的谐振频率低，不利于宽频地震信号的接收；二是耦合介质与周围介质较强的非均质性形成次生扰动；三是耦合介质的共振频率在地震有效频带内；四是耦合方式复杂，形成多阶的耦合振动系统造成频率畸变。

(2)川东山地接收异常影响因素复杂，根据具体情况进行理论分析，在此基础上采取因地制宜的耦合技术是改善接收效果的关键。

[1] 杨贵祥，郑天发，敬朋贵，等.川东北地区山地高精度地震勘探技术[J].石油与天然气地质，2006，27(6)：871-878.

[2] 敬朋贵，殷厚成，陈祖庆.南方复杂山地三维地震勘探实践与效果分析[J]，石油物探，2010，49(5)：495-499.

[3] 高翔.复杂山地地震采集接收技术探讨[J].石油仪器，2011，25(4)，64-66.

[4] 胡立新.检波器耦合理论与试验[M].东营：石油大学出版社，2009.

[5] 李培超，盛国泰，谢石林，等.检波器地面耦合机理研究[J].物探装备，2012，22(4)：218-221，225.

[6] 吕公河.地震勘探中次生干扰弹性动力学分析[J].石油物探，2001，40(3)：76-81.

[7] 魏继东.检波器一大地耦合系统特性的振动力学解释、模态参数识别及其对地震资料的影响与消除[J].地球物理学进展，2013，28(4)：1983-1995.

(编辑 韩 枫)

Technology of geophone coupling in the complex surface condition of the eastern mountainous region of Sichuan

Pan Jiazhi，Xu Xiaokun，Liu Lijuan

(ShengliBranchCompany，SinopecPetroleumEngineeringGeophysicalCo.，Ltd.，Dongying257100，China)

Because of the complex surface condition in the eastern mountainous region of Sichuan，the receiving condition is changeable， thus，the low-frequency and high-frequency phenomena appeared in the tracks which affect the effective frequency band of seismic data.In order to improve the receiving effect and the quality of single shot， we analyzed the different type tracks of the low-frequency and high-frequency based on the coupling theory and vibration theory，combining the actual phenomena.It is considered that the main reasons that formed the low-frequency and high frequency are the resonance frequency of the coupling system， the complexity of the coupling system， the heterogeneity of the coupling medium and the resonance.So we can take some targeted measures such as increasing the coupling resonance frequency， decreasing the resonance，and predigesting the coupling vibration system,and so on.

mountainous region;complex surface;seismic exploration；low frequency tracks，high frequency tracks，geophone；coupling

2015-12-02；改回日期：2016-02-03。

潘家智(1973—)，高级工程师，长期从事地震采集技术方法的研究工作。电话：13589998933，E-mail:sgcpjz@126.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.02.007

P631.4

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