地下饱和含水沙漠区静校正技术应用及效果

周 翼，杨洪波，张新东，吕景峰，张立超，邸江伟.

(1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.中国石油东方地球物理公司，河北涿州 072751)



地下饱和含水沙漠区静校正技术应用及效果

周 翼1，杨洪波2，张新东1，吕景峰2，张立超1，邸江伟1.

(1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.中国石油东方地球物理公司，河北涿州 072751)

塔里木盆地塔克拉玛干沙漠一直是塔里木油田油气勘探的重点区域之一，但由于该区沙丘起伏剧烈、风化层速度横向变化大，静校正问题较为突出。本文根据研究区高速顶界面是潜水面、沙丘的近地表速度具有连续介质的特点，有针对性地提出了有效、快捷解决问题的沙丘曲线静校正方法：在已知沙丘厚度的前提下，根据所建立的沙丘曲线量板或经验公式可以得到风化层平均速度和垂直传播时间，进而能够计算出静校正量。沙丘曲线量板及经验公式可通过沙丘调查法、微测井调查法及初至折射法建立或拟合；沙丘厚度可以按照传统的小折射、微测井调查获得，还可以采用更加环保、便利的静水面调查或静水面调查与数据库相结合的方式获得。上述方法在目标区域的应用有效地改善了剖面的成像效果，为类似的戈壁砾石区、黄土塬等区域的静校正工作提供了有益的借鉴。

静校正；沙丘曲线；沙漠；潜水面；静水面调查

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地腹地，面积约33×104km2，油气资源蕴含量丰富，勘探前景良好，是塔里木油田分公司找油、找气的最重要领域之一。由于流动性沙漠的特性，其地表呈现为复合型沙山、沙垄以及蜂窝状、新月形沙丘等主要形态。沙漠相对高差较大，从几米直至上百米，最大可达200 m以上。由于地势起伏剧烈以及风化层速度的横向变化，导致原始单炮记录中有效地震反射同相轴扭曲、错断特征明显，静校正问题较为突出[1-3]。多年的攻关经验表明，初至波静校正方法是解决复杂地表区地震资料静校正问题的最为有效的方法，比如折射波校正法、层析反演法以及初至拟合校正法等[4-9]，都能极大程度地提高地震资料的成像精度。但是初至波静校正方法的效果受限于大炮初至时间的精度，且拾取初至需要投入较大的人力、物力，因此杨贵明[10]、杜耀斌[11]等根据地下饱和含水沙漠“低速层平均速度随着低速层厚度的增加而增大，高速层顶界面即为沙漠的潜水面”的这一特征，提出了沙丘曲线静校正方法。通过沙丘曲线量板获得静校正量，应用到地震剖面上，使资料的成像效果得到明显改善。本文是在总结前人研究成果的基础之上[12-18]，首先在地下饱和含水沙漠区内建立沙丘曲线量板，然后通过静水面调查或者静水面调查结合数据库等方法获得沙丘的厚度，最后将计算的静校正量应用于地震剖面。本方法在叶城、米兰等工区取得了较好的效果。

1 方法原理

塔里木盆地塔克拉玛干沙漠的潜水面为稳定平面或单斜面，其上覆沙丘为连续介质，由于压实作用和含水度的不同，表层介质的物性表现为在横向上相对均匀、垂向上低降速带速度随深度增加而逐渐增大的特点。可以根据这种特性，将沙丘的厚度与垂直传播时间的关系统计为沙丘曲线量板或拟合为经验公式，之后在获得沙丘厚度的情况下，可以得到对应的垂直传播时间(平均速度)，从而获得静校正量。

1.1 建立沙丘曲线量板

建立沙丘曲线量板的方法主要有沙丘调查法、微测井调查法以及初至折射方法等，不同的方法特点不同，其中以前两种方法最为常用。

1.1.1 沙丘调查法

采用较短排列横跨一个或两个典型的沙丘(图1)，两端激发，固定排列接收，检波器间距可适当小一些。实测每个物理点高程，通过微测井调查等方法获得潜水面的高程，地表高程与潜水面高程的差值为沙丘的厚度。

图1 沙丘调查法示意图Fig.1 The schematic diagram of the sand dune survey method注：图中G点延迟时ti=(TAG+TBG-TAB)/2=HGcosθ/vR。

G点的延迟时为ti，则

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中tAG——A点激发至G点的旅行时，s；tBG——B点激发至G点的旅行时，s；tAB——A、B两点间的互换时，s；HG——G点的沙丘厚度，m；θ——临界角，(° )；v0——G点的平均速度，m/s；vR——潜水面速度，m/s；t0——G点的垂直时，s；D1——A点至G点的直线距离，m；D2——B点至G点的直线距离，m。

通过上述计算式可得到不同沙丘厚度对应的垂直时(平均速度)，将它们放在同一直角坐标系下，从而生成沙丘曲线量板(图2)。只要得到沙丘的厚度，就能够从沙丘曲线量板中读取对应的垂直时(平均速度)。还可以根据其具体分布规律拟合为经验公式，将厚度带入经验公式即可求取出其对应的垂直时(平均速度)。

图2 沙丘调查法建立的沙丘曲线量板及经验公式Fig.2 The sand dune curve plate and the empirical formula established by the sand dune survey method注：图中H——沙丘厚度；v——平均速度；t0——垂直时。

沙丘调查法的优点是成本低，野外不需要很大的工作量就可以建立沙丘曲线量板，在实际应用中能够取得较好的效果。但是由于沙丘的成因、物性等方面不尽相同，将沙丘视为规则的变化体来分析存在一定的局限性，一条沙丘曲线往往并不一定能够代表区域面积较大工区的表层结构特征。

1.1.2 微测井调查法

在沙丘起伏剧烈的大沙区，往往采用井炮激发的方式开展地震勘探。随着勘探精度要求的日益提高及钻井装备能力的不断进步，为了保证单炮的激发效果，提高原始资料品质，通常要求井炮在潜水面以下激发，因此需要逐点设计每个炮点的激发井深。在生产过程中，一般通过微测井调查并内插其解释成果来建立激发井深模型，还可以利用这些微测井资料来生成沙丘曲线量板。

微测井的每一个激发深度都对应着一个初至时间t(图3a)，可通过三角校正法(式(6))将初至时间t转换为垂直时间t0。

(6)

式中t0——单程垂直传播时间，ms；t——初至时间，ms；H——激发点深度，m；D——井口至接收点之间的距离，m。

以垂直时为横坐标、激发点深度为纵坐标，将微测井的每一个激发点的深度及其对应的垂直时置于同一直角坐标系中生成时距曲线图，采用线性拟合法可以详细刻画近地表的每一层结构(图3b)，同时能够获得地表至潜水面的距离(沙丘的厚度)及其对应的垂直时和平均速度(通过式(4)转换获得)。将不同沙丘厚度的微测井所获得的H、t0(v)数据置于同一直角坐标系下，就得到了沙丘曲线量板及经验公式。值得注意的是，为了保证沙丘曲线量板的精度，微测井不能只分布在沙丘较薄的地方，需要薄、厚兼顾，不同沙丘厚度均有一定数量的采样数据。

图3 微测井解释原理示意图(a)及时距曲线图(b)Fig.3 The schematic diagram of the micro logging inter-pretation principle (a) and the time-distance curve (b)

注：图b中取潜水面位置处的(H,t0)数据建立沙丘曲线量板。

由于建立沙丘曲线量板的数据源于涵盖工区范围内不同沙丘厚度的微测井，具有良好的代表性与统计性，因此微测井调查法建立的沙丘曲线量板精度较高，同时该方法也是在戈壁砾石区、黄土塬区域建立时深曲线的主要方法。但是野外实施微测井会增加一定的工作量，是该方法的不足之处。

1.1.3 初至折射法

如图1所示，根据基本折射方程有：

(7)

(8)

(9)

式中tAB——A点激发B点接收(或B点激发A点接收)的旅行时，即大炮初至时间，ms；

tA——A点的延迟时，ms；

tB——B点的延迟时，ms；

AB——A点至B点的距离，m；

vR——潜水面速度，m/s；

tAG——A点到G点的旅行时，ms；

tBG——B点到G点的旅行时，ms；

tG——G点的延迟时，ms；

D1——A点至G点的直线距离，m；

D2——B点至G点的直线距离，m。

上述式中tAB、tAG、tBG及AB、D1、D2为已知，vR可通过式(3)计算获得，联立式(7)、(8)、(9)可求得tA和tB。在已知沙丘厚度(可通过少量微测井或者小折射调查后建模获得)的情况下，通过式(4)、(5)可得到垂直时及平均速度。将不同沙丘厚度及其对应的垂直时(平均速度)置于同一直角坐标系下，可得到沙丘曲线量板及经验公式。

初至折射法建立沙丘曲线量板的优势是不需要额外的工作量，利用地震采集的单炮初至数据即可完成。但是在计算vR及t0的过程中，如果折射分层范围选取得不合理，会影响沙丘曲线量板的精度。

1.2 求取沙丘厚度

以往一般通过微测井或小折射调查的方法来求取表层调查控制点的沙丘厚度，然后内插控制点的解释成果得到每一个炮、检点的表层结构。在实际生产中，也可以根据地下饱和含水沙漠特殊的表层结构特征，采用静水面调查或静水面调查结合数据库的方法来获得沙丘的厚度。

1.2.1 静水面调查法

多年的勘探实践表明，塔克拉玛干地下饱和含水沙漠区的高速顶界面就是潜水面，其整体形态为稳定平面或单斜面。历年来在塔中、满东、古城等多个工区都开展了静水面调查(地表高程与静水面高程差即为风化层厚度)与微测井调查的对比工作，其吻合程度很高，最大误差仅为0.19 m(表1)。因此，可以采用在地势低洼处推水坑或者打裸眼(或套管)井后量取静水面高程的方法来求取沙丘厚度。再根据沙漠潜水面形态的特点，在测线上或平面内插多个静水面调查的结果即可获得每一个炮、检点的沙丘厚度。

1.2.2 与数据库相结合法

塔克拉玛干沙漠历年来经过了多轮次的地震勘探，勘探程度较高；在以往的勘探过程中积累了大量的微测井、小折射等表层资料。通过对以往的表层资料进行甄别、筛选、去伪存真后，再根据地下饱和含水沙漠区潜水面为稳定的平面或单斜面的特点，可以建立沙漠区潜水面(高速顶界面)高程数据库。

表1 微测井与静水面调查沙丘厚度对比Table 1 The comparison between the micro logging survey and the still water surface survey in the thickness of dune

根据给定的建库离散点的大地坐标及潜水面高程基础数据，通过空间内插、网格化离散数据的方法，即可得到所需的潜水面高程数据库。在建立数据库的过程中，要注意离散数据的空间密度，如果离散数据不能控制潜水面的变化规律，需在关键位置有针对性地实施静水面(或微测井、小折射)调查，以满足空间数据样点数的需求，从而保证数据库的精度。在测定每一个炮、检点的大地坐标及地表高程后，通过潜水面高程数据库可以获得高速顶界面高程，地表高程与其差值即为沙丘的厚度。

1.3 计算静校正量

在获得每一个炮、检点的沙丘厚度后，根据所建立的沙丘曲线量板或经验公式可以得到对应的垂直时(平均速度)；给定工区的统一基准面及替换速度后，可以由下述算式计算静校正量。

检波点静校正量为：

tr=1000×[Hd-(Hr-H)]/vs-1000×H/v

当采用震源激发时，炮点静校正量为：

ts=1000×[Hd-(Hs-H)]/vs-1000×H/v

当采用井炮激发且炮点位于潜水面以下激发时，炮点静校正量为：

ts=1000×[Hd-(Hs-h)]/vs

当采用井炮激发且炮点位于潜水面以上的风化层之中激发时，炮点静校正量为：

ts=1000×[Hd-(Hs-H)]/vs-1000×(H-h)/v

式中ts——炮点静校正量，ms；tr——检波点静校正量，ms；Hs——炮点地表高程，m；Hr——检波点地表高程，m；Hd——统一基准面高程，m；H——风化层厚度，m；v——平均速度，m/s；vs——替换速度，m/s；h——井炮激发时的炮点激发井深，m。

2 实例

2.1 静水面调查结合沙丘曲线静校正方法应用

2015年塔里木盆地叶城二维地震勘探工区内没有微测井资料，生产中采用可控震源激发，通过静水面调查结合沙丘曲线静校正方法取得了较好的效果。

首先，根据地表高程数据在测线的地势低洼处布设静水面调查点，为了保证所求取的沙丘厚度精度，两个静水面调查点之间的距离控制在3～6 km(平均密度为1个/5 km)，共计布设了31个静水面调查控制点；其次，野外在静水面调查点处采用手摇钻(或砾石钻机等)钻入地下10～15 m，根据地势的起伏情况具体确定每一口井的深度，完井后将井中的泥浆抽取出来，自然放置1～3 d(为防止塌井，在条件允许的情况下可以考虑采用套管井的方式开展)；再次，量取地表至井中水面的距离，地表高程与该距离的差就是静水面(高速顶界面)的高程，内插每个静水面调查点的高程，可以获得测线上每一个炮、检点的沙丘厚度(图4a)；最后，根据相邻工区沙丘调查法建立的沙丘曲线经验公式(图2)获得平均速度(垂直时)，进而计算得到最终所需的炮、检点静校正量。

由于工区内沙丘地表起伏变化较大，致使MZ15-XX测线原始单炮的初至不连续，有效地震反射波同相轴扭曲、错断现象突出(图4b)。应用沙丘曲线静校正量后，单炮的初至更加平滑、有效地震反射波同相轴更加连续、双曲线特征更加明显(图4c)。

图4 MZ15-XX测线近地表结构及沙丘曲线法单炮静校正效果前后对比
Fig.4 The near-surface structure of line MZ15-XX and the comparison of the effect of single-shot static correction in sand dune curve

2.2 静水面调查、数据库结合沙丘曲线法静校正应用

2014年度塔克拉玛干沙漠的米兰工区实施了二维地震勘探采集，并积累了大量的微测井表层调查资料。2016年度在该区域又开展了采用可控震源激发、加密测网的二维地震勘探采集。在生产过程中，充分利用工区内已有的微测井资料，拟合生成了能够代表工区特点的沙丘曲线经验公式。同时以老微测井资料为主、静水面调查补充、建立数据库的方式准确求取了工区内炮、检点的沙丘厚度，并由此获得沙丘曲线静校正量，应用到现场处理剖面后取得了较好的效果。

2.2.1 拟合沙丘曲线经验公式

分析工区内293口微测井资料可知，工区内的沙丘厚度在1.5～125.0 m之间，而且在沙丘厚度不同的区间范围内都有一定数量的微测井分布，这说明采用这些微测井数据拟合的沙丘曲线经验公式是能够代表本工区特点的。

读取每一口微测井时距曲线图中地表至潜水面的距离H(沙丘的厚度)及其对应的垂直时t0和平均速度v(通过式(4)转换获得)，将这些H、t0(v)数据置于同一直角坐标系下，形成沙丘曲线量板(图5)。进一步对这些数据采用幂函数、多项式(符合哪种类型函数的特点就按照该类型来拟合函数)等函数类型进行拟合，就得到了本工区的沙丘曲线经验公式。与邻区沙丘调查法建立的沙丘曲线经验公式相比(图2)，二者之间的系数有一定的差别，这将导致最终计算的垂直时(静校正量)存在差异。由不同沙丘曲线经验公式计算的垂直时对比表(表2)可以看出，二者之间的垂直时存在-4.1～-6.1 ms的误差，这将直接影响剖面的最终成像效果。由于本区的沙丘曲线经验公式是根据工区内涵盖不同沙丘厚度段的许多微测井数据拟合获得，采用的基础数据具备了均匀采样的特性，所以与邻区的沙丘曲线经验公式相比，能够更好地反映本区沙丘因自身重力原因自上而下的压实效应与速度(垂直时)之间的关系，因而其精度更高。

图5 微测井调查法建立的沙丘曲线量板及经验公式Fig.5 The sand dune curve plate and the empirical formula established by micro logging survey method

注：图中，H——沙丘厚度；v——平均速度；t0——垂直时。

表2 不同沙丘曲线经验公式计算的垂直时对比

2.2.2 求取炮、检点的沙丘厚度

由于工区内已有的微测井资料未能将整个二维测线全部覆盖，因此需要加密一些表层调查控制点才能控制住潜水面的变化趋势。为了准确求取二维测线的沙丘厚度，在工区北部及部分测线的端点等微测井资料稀疏区域有针对性地加密实施了40个静水面调查点(图6a)，使得二维工区范围内表层调查控制点平均密度达到1个/(3.5 km×3.5 km)，保证了数据的空间采样点的个数。在量取了静水面调查点的沙丘厚度后，表层调查控制点的地表高程与沙丘厚度的差值就是潜水面(高速顶界面)高程。将离散的微测井、静水面调查点的潜水面高程数据在平面上采用克里金插值法进行空间内插，构建了工区的潜水面高程数据库。对应二维测线上每个物理点的坐标，根据潜水面高程数据库可以提取获得炮、检点的潜水面高程。再依据地表高程数据，可以求取二维测线上每一个炮、检点的沙丘厚度。

2.2.3 静校正量的计算及应用效果

根据2.2.1中通过本工区老微测井资料拟合的沙丘曲线经验公式，可以求得不同沙丘厚度对应的平均速度(垂直时)；在给定工区的统一基准面及替换速度后，可以计算出最终的沙丘曲线静校正量。应用到ML16-XX测线的现场处理剖面后，与数据库结合邻区沙丘调查法建立的沙丘曲线静校正方法(图6b)相比，采用静水面、数据库及本区微测井调查法建立的沙丘曲线静校正方法的初叠时间剖面(图6c)信噪比得到有效改善，有效地震反射波同相轴连续性增强，成像精度更高。

图6 ML16-XX测线位置及时间初叠剖面不同静校正效果对比Fig.6 The comparison of different static correction results of line ML16-XX in the location and time initial stacking section

3 认识

(1)沙丘曲线静校正方法是一种简便、快捷的静校正方法，能够较好地控制中、长波长静校正分量，但其应用效果取决于沙丘曲线量板的精度。

(2)在潜水面为高速顶界面的地下饱和含水沙漠区，采用静水面(或结合数据库)调查沙丘厚度，不但准确、可靠、环保，而且可以降低勘探成本，尤其适用于可控震源施工的勘探采集。

(3)沙丘曲线静校正方法不仅可以应用于地下饱和含水沙漠探区，还适合近地表为压实作用、具有连续介质特性的戈壁砾石区、黄土塬区域等，具有良好的推广应用前景。

[1] COX M. Static corrections for seismic reflection surveys[M]. Tulsa: SEG, 1999: 74-75.

[2] SHERIFF R E, TANER M T, KOEHLER F, et al. Extraction and interpretation of complex seismic trace[C]. Proceedings of the Sixth Annual Conventional of the Indonesian Petroleum Association, 1977: 305-316.

[3] 陆基孟.地震勘探原理[M].东营:石油大学出版社,1993:117.

[4] 吕景峰,李军武,王剑.库车复杂地表区静校正技术应用及效果[J].非常规油气,2015,2(2):1-4.

[5] 李继光.不同复杂近地表校正技术分析与应用[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2010,32(1):223-227,231.

[6] 罗英伟,杨晶,段卫星,等.几种静校正方法比较研究[J].石油仪器,2010,24(5):41-43.

[7] 宋常洲,高建华.复杂地区静校正方法研究[J].石油地球物理勘探,2007,42(增刊):127-131.

[8] 林伯香,孙晶梅,刘清林.层析成像低速带速度反演和静校正方法[J].石油物探,2002,41(2):136-140.

[9] 王淑玲.约束层析静校正方法应用效果分析[J].石油物探,2012,51(4):383-387.

[10] 杨贵明,钱荣钧,严峰.塔里木盆地大沙漠静校正方法[J].石油地球物理勘探,1994,29(增刊1):110-124,128.

[11] 杜耀斌,齐中山,李贺,等.塔里木盆地大沙漠区沙丘曲线静校正方法研究[J].河南石油,2012,51(4):383-387.

[12] 李俊,张坤,周旭,等.塔中沙漠区可控震源宽线采集试验[J].非常规油气,2015,2(6):17-21.

[13] 吴长江.一种用于沙漠地区地震资料静校正的沙丘曲线公式[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2008,30(4):88-91.

[14] 秦亚玲,王彦春,王瑞祥,等.用多项式拟合求取沙漠地区表层速度的静校正方法[J].天然气工业,2009,29(6):37-39.

[15] 陈可洋,吴清岭,林春华,等.含压实效应的沙丘曲线静校正方法及其应用[J].矿业工程研究,2011,26(4):53-57.

[16] 肖泽阳,唐成鸽,刘厚裕.沙丘曲线静校正应用效果分析[J].勘探地球物理进展,2007,30(1):52-56.

[17] 何新平,解铁亮,杨军强,等.沙丘离散法野外静校正在塔中地区的应用研究[J].江汉石油学报,2003,25(3):53-54.

[18] 林依华,张帆,戴云.塔里木盆地沙漠区静校正技术[J].矿物岩石,1998,18(增刊):220-222.

Application of Static Correction Technology for UndergroundSaturated Water Desert Area in Tarim and Its Effect

Zhou Yi1, Yang Hongbo2, Zhang Xindong1, Lv Jingfeng2,Zhang Lichao1, Di Jiangwei1

(1.PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla, XinJiang 841000, China；2.Bureau of Geophysical Prospecting Inc., CNPC, Zhuozhou, Hebei 072751, China)

The Taklimakan Desert in Tarim Basin has been one of the key areas of oil and gas exploration in Tarim oilfield, but it has a prominent static correction problem because of its dramatic ups and downs of sand dunes and the lateral velocity changes of the weathering layer in the area. Considering the feature that the high-speed top interface is diving surface and the near surface velocity of the dune has the characteristics of continuous medium in the study area, an effective and efficient solution to the sand dune curve static correction method was proposed purposely in this paper: when the thickness of sand dunes has given, the established dunes curve plate or the empirical formula can be used to get the average velocity of the weathering layer and its vertical transmission time, and then the statics. Such dune curve plate and the empirical formula can be established or fitted by sand dune investigation method, micro logging survey method, and primary refraction method. The thickness of dune can be obtained according to the traditional small refraction and micro logging survey,and it can also be adopt more environmentally friendly and more convenient through the still water surface survey or through the combination of the still water surface survey and the database. The application of the above methods in the target area has effectively improved the imaging effect of the section, which provided a useful reference for the static correction work in similar Gobi gravel region and loess plateau region.

static correction; sand dune curve; desert; water table; still water surface survey

国家科技重大专项“库车坳陷深层-超深层天然气田开发示范工程”(2016ZX05051-001)资助。

周翼(1966—)，男，四川泸县人，高级工程师，中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司勘探事业部总工程师，主要从事地震勘探方法研究和项目管理工作。邮箱：zhouyi-tlm@petrochina.com.cn.

P631.4

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