对地震记录极性的认识

2018-05-07杨楠

中国煤炭地质 2018年4期

杨楠

(中国石油集团东方地球物理公司研究院，河北涿州 072750)

0 引言

在地震勘探项目中，地震队采集的地震记录由于极性不符合合同要求而造成质量事故的案例很多，可见极性在地震勘探中很重要。笔者通过学习与地震记录的极性相关的知识和内容，对其有了部分认识。在此将主要讨论SEG极性规定、地质上有关极性的定义及二者的联系，极性在解释工作中的意义。

1 SEG极性的规定及指导意义

美国地球物理勘探家协会针对炸药震源和可控震源制定了SEG极性约定。

对于炸药震源产生的脉冲信号，SEG正常极性(Normal Polarity)的定义是：由陆上速度检波器向上运动或者水中压敏检波器压力增加，产生一个负方向增加的信号初始电压，该信号初始电压输入到记录系统将引发：记录系统负方向增加的输出；在数字磁带上记录为负值；监视记录上显示为波谷(下跳或向左跳)[1]。如与之情况相反，则是SEG反正常极性(Reverse Polarity)。图1即为脉冲信号按照SEG标准给出的极性定义。

对于可控震源，其相关子波是由真参考信号与力信号互相关得到的，SEG规定相关子波的主峰正跳为SEG正常极性，相关子波的主峰负跳为SEG反正常极性。图2显示了符合SEG正常极性的震源相关子波及其对应的震源真参考信号和力信号。

图1 脉冲信号的SEG极性规定Figure 1 Impulse signal SEG polarity stipulation

图2 震源真参考信号(上)力信号(中)和符合SEG正常极性的相关子波信号(下)Figure 2 Seismic source true reference signal (upper), force signal (middle) and correlated wavelet signal in accordance with SEG normal polarity (lower)

在地震勘探采集项目中，为了保证采集信号的一致性和稳定性，必须要对相关的采集设备如检波器、仪器、震源等设备进行极性测试。①项目开工阶段，保证项目使用的相关设备的极性符合SEG标准；②项目生产阶段，定期对设备进行极性测试；③任何设备维修、更换部件后，需要进行极性测试；④项目收工后根据甲方要求可再做一次极性测试。

验证检波器极性的方法是，把一串检波器都插入地表，并与检波器测试仪连接，然后逐个自上而下进行敲击试验。检波器测试仪上会显示其是否符合SEG正常极性，并存储下来。

验证仪器记录系统极性的方法是通过FDU把排列与仪器系统连接，在排列上对通过极性测试的几串检波器上进行敲击试验。仪器记录系统的极性如果符合SEG正常极性，向下敲击检波器会产生初始上跳的脉冲信号。图3显示了符合SEG正常极性的仪器记录系统的检波器敲击试验结果。

图3 检波器敲击试验结果Figure 3 Geophone hammer-blow test result

验证震源极性的方法是，把震源平板和重锤上安装的加速度表拆卸下来，用柔软的物体自上而下做敲击试验。图4展示了把符合SEG正常极性的Sercel公司生产的加速度表拆卸下来进行敲击试验的结果。

图4 Sercel公司重锤加速度表(上) 和平板加速度表(下)敲击试验结果Figure 4 Sercel weight accelerometer (upper) and plate accelerometer (lower) hammer-blow test results

2 地质上有关极性的定义及与SEG极性规定的联系

2.1 地质上极性意义的提出

从SEG极性标准的制定可见，这只是一种相对约定，并没有具体的地质意义。它仅考虑了野外采集信号的一致性，并没有考虑极性在地震资料解释上的意义。后来随着地震勘探技术的发展，地球物理学家对极性也有了更进一步的认识[2]。

谢里夫对极性在地震资料解释工作中的意义做了注释：“极性是表示一个界面波阻抗增加或减小的反射系数(或正或负)的符号，如果涉及的是一个单一的界面，并且有效子波是零相位的，那么视极性就是极性”[3]。谢里夫后来在《勘探地球物理学百科词典》第二版中增加了对极性明确的诠释：“压缩脉冲的起跳用一负值表示，正极性的地震波形反映了波阻抗的增大或正的反射系数，对于零相位正反射系数由中央对称的峰值表示，通常在变面积或变密度显示时绘成黑色的，称为正标准极性(Positive standard polarity)，与上述相反的情况称为负标准极性(Negative standard polarity)”[4]。

按照谢里夫对极性的定义，地震记录的极性与地层的波阻抗关系或反射系数有联系。对于一个零相位子波来说，正极性子波的主瓣向右跳，负极性子波的主瓣向左跳。如图5所示。对于零相位地震剖面来说，正反射系数界面对应了正极性子波，如果是一个较大反射系数且相对孤立(即上、下一个波长内无其它界面干扰)的地层界面，则对应一个波峰；而负反射系数的界面对应了一个负极性子波，如果是一个相对孤立的负反射系数界面，则对应一个波谷。这种剖面称正极性地震剖面，与其相反的称负极性地震剖面。地震剖面的极性与地层界面的关系如图6所示[2]。

图5 地震子波的极性示意图Figure 5 A schematic diagram of seismic wavelet polarity

(a)波阻抗；(b)反射系数；(c)正极性记录；(d)负极性记录图6 地震剖面极性与地层界面的关系Figure 6 Relationship between seismic section polarity and strata interface

2.2 SEG极性规定与地质上极性定义的联系

SEG极性规定和地质上极性的定义看似不同，它们之间有何联系呢？在地震勘探中，通常把地震记录中有效波的形成过程概括为以下数学模型，即由子波与反射系数的褶积得到。

S(t)=W(t)×R(t)

那么，地震子波的极性、反射系数和地震记录中地震响应的关系应如下：对于子波正跳(正标准极性、脉冲信号的SEG反正常极性、可控震源信号的SEG正常极性)，正反射系数界面在地震记录上对应波峰，负反射系数界面在地震记录上对应波谷；对于子波负跳(负标准极性、脉冲信号的SEG正常极性、可控震源信号的SEG反正常极性)，正反射系数界面在地震记录上对应波谷，负反射系数界面在地震记录上对应波峰。由此可见，SEG极性规定与地质上极性的定义，都是对地震子波同一问题的不同描述，都反映地震记录与地层反射系数的关系。

3 极性在地震资料解释工作中的意义

理论上，由地震记录的极性、上下地层的岩性或波阻抗关系可以推断出地层顶界面所对应的地震反射特征。图7中，地震记录极性符合负标准极性；M2地层为稳定的灰岩，在地震上为连续强振幅反射， M1地层下部是一套泥岩，从泥岩到灰岩波阻抗变大，M2地层顶界面对应波谷反射，解释方案应该选择波谷。

利用地震记录极性的变化，可判断地下岩层的性质。一般来说，对于正标准极性子波来说，当地震波从波阻抗小的岩层入射到波阻抗大的岩层(如页岩到碳酸盐岩，页岩到致密砂岩，海底面，盐岩、火山岩、基底顶界面)时，反射系数为正，在地震记录上对应波峰；当地震波从波阻抗大的岩层入射到波阻抗小的岩层(如碳酸盐岩到页岩，致密砂岩到页岩，气层顶界面)时，反射系数为负，在地震记录上对应波谷[5]。

图7 某探区地震剖面解释图Figure 7 Seismic section interpretation of a prospecting area

错误判断地震记录的极性还可能对属性提取在储层预测方面的效果产生影响。如某油田钻探过程中钻遇含气储层，希望通过提取地震属性来开展储层预测工作。本工区气层的上覆地层波阻抗大，因此气层的顶界面反射系数为负值。通过正负标准极性子波制作合成记录分别进行层位标定，气层顶界面在地震记录上分别对应波谷和波峰反射。解释波谷并提取最小振幅属性可以刻画储层边界，解释波峰并提取最大振幅属性则无法刻画储层的横向展布特征[6]，如图8所示。

图8 左图最小振幅属性(储层顶对应波谷)右图最大振幅属性(储层顶对应波峰)Figure 8 Minimum amplitude attribute (left, reservoir top corresponding to wave trough) and maximum amplitude attribute (right, reservoir top corresponding to wave peak)