深地震探测技术在四川盆地的应用

2018-12-06伟李明翼朱开华廖建军

天然气技术与经济 2018年5期

刘伟李明翼唐庚朱开华王逵廖建军刘军

（1.中国石油集团东方地球物理公司西南物探分公司，四川成都 610213；2.中国石油西南油气田公司勘探事业部，四川成都 610125；3.中国石油西南油气田公司工程技术研究院，四川成都 610106）

0 引言

深地震探测技术是目前解决深部地质问题的最有效手段，在国内外已广泛应用于研究板块内造山带的构造格局、岩石圈的精细结构以及刻画莫霍面的位置和走向。深地震反射探测技术与石油反射勘探原理相同，利用人工震源产生地震波，地面接收来自地下不同物性界面产生的反射波同相轴来描述地质结构特征。人工震源产生的地震波可以穿透地球内部深达数十公里、甚至上百公里的不同物理性质的各个岩层，有些波返回地表被检波器接收，根据检波器记录到的各个波组的走时和振幅资料，通过适当的资料处理，得到地壳和上地幔的物性分界面分布图。本次深部地震探测试验是针对华南地区四川盆地复杂地震地质条件和深部物性特点，探测该地区的深部精细结构与物性变化的深地震反射。深地震探测的主要目的是获取整个地壳、莫霍面以及上地幔的反射剖面，激发子波受莫霍面上伏地层，如震旦系、寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系以及侏罗系等地层对地震波的吸收、衰减，地震波能量非常微弱。要获得来自地下40～60 km乃至更深的反射，地震探测对地震波的激发、接收提出了更高的要求。笔者重点总结了深地震探测技术观测系统的确定和激发药量的选择，探索适合四川盆地深地震探测的采集技术方案和施工方法，对类似地区进行深地震探测具有借鉴意义。

1 深地震探测技术

1.1 技术面临的问题

深地震探测试验的地质任务主要是探测试验区的岩石圈结构和构造性质以及力争获得岩石圈底界、莫霍面、沉积盖层底界的深层地震反射信息。地震波向下、向上传播距离很远，在传播过程中受各地层对能量的吸收，被地面检波器接收到地震波能量微弱；受各地层的反射、透射和折射等因素的影响，地下反射点的观测需要大偏移距。深地震探测技术面临的主要难点是基于深部地震信息的观测系统选择和激发药量的优化。

1.2 观测系统的选择

根据理论研究，最大偏移距与所探测的目的层深度相当［1-2］，考虑数据处理时速度精度和动校拉伸畸变的要求，最大偏移距为目的层深度的1.2～1.5倍；但目的层超过一定深度后，地面能接收到的反射范围不会再增加，因此，虽然本次试验的最深目的层莫霍面埋深在40～48 km［3］，试验选择最大偏移距（排列长度）只能是33.58 km。为了能同时获得浅、中、深层反射并能较好成像，试验中选择了小、中、大炮三种观测系统，见表1。小炮观测既要确保获得浅、中层（新生界至古生界）资料，又要确保获得足够的空间采样数据；中炮观测既要确保获得浅、中层（古生界及以上）资料，又要确保获得来自莫霍面以上的物性分界面；大炮观测既要确保获得深层（莫霍面）的地震反射信息，又要确保获得超深层（莫霍面以下的物性分界面）地震反射信息。不同观测系统采集的记录长度各不相同，最长的记录长度是54 s，保障记录来自莫霍面的地震反射。

表1 四川盆地深地震探测试验观测系统表

1.3 激发药量的优化

进行深地震探测，药量的选取非常重要，地震资料既要获得来自浅、中地层的反射，又要获得一定信噪比来自深层（莫霍面）的反射。小药量选取既要考虑得到高信噪比的浅层反射，又要考虑深层有一定的能量；大药量选取既要考虑获得来自莫霍面的地震反射，又要考虑不能对浅层反射资料造成大的破坏或干扰。资料表明，地震反射的振幅和频率与激发药量的大小有密切关系［4-5］，反射振幅和激发药量成正比，反射频率和激发药量、爆炸破坏半径成反比，和激发介质的速度成正比。小药量激发产生高频率地震波，但振幅小，有利于获得浅层资料；大药量激发产生低频率地震波，有效波能量强，低频能量在传播过程中能够穿越物性界面，有利于获得来自深层的资料［6］。因此单一的激发药量不能完成同时得到高信噪比的浅层和深层资料。本次深地震探测试验，针对不同目的层进行探测，笔者分别进行了小炮、中炮、大炮的药量优化试验。

1）小炮药量选择。本次深地震探测技术试验区域内低、降速层厚度在12 m以内，借鉴区域内成熟的常规石油地震勘探经验，小炮采用单井，激发井深15 m，激发药量4～8 kg。这样能得到新生界至古生界高品质的地震资料，有利于求取高精度的偏移和深度转换的速度。

2）中炮药量选择。中药量激发采用较大偏移距接收，既要满足获得深部物性界面的反射，又要保证获得浅层物性界面的反射。笔者设计激发井深为25 m，两口井组合，进行了20 kg、30 kg、40 kg药量试验。砂岩激发中炮单炮记录见图1，图1a为20 kg药量激发的单炮记录，图1b为30 kg药量激发的单炮记录，图1c为40 kg药量激发的单炮记录。从图1中可以看出，3种药量激发的单炮在1～6 s新生界至古生界时窗内的有效反射连续性相当。但对于深层莫霍面的反射来看，40 kg药量激发的单炮在12～20 s地层深部莫霍面时窗内能见到一定的有效反射，获得了来自地球深部物性界面的地震反射。因此，本次深地震探测试验在砂岩激发区，中炮采用两口井组合，激发井深25 m，单井药量20 kg，总药量为40 kg。

图1 中炮砂岩激发单炮记录图

3）大炮药量选择。大药量激发采用超大偏移距接收，在本次深地震探测试验中，设计大炮的主要目的是获取来自深层物性分界面的地震反射信息，最深目的层为莫霍面，要求震源强度大。考虑炸药爆炸安全施工，设计井深40 m，两口井组合，在砂岩激发区进行了50 kg、100 kg、192 kg大药量试验。砂岩激发大炮单炮记录见图2，图2a为50 kg药量激发的单炮记录，图2b为100 kg药量激发的单炮记录，图2c为192 kg药量激发的单炮记录。从图2分析可知，3种药量单炮整体呈现低频的特点，频宽在5～40 Hz。分析3种药量单炮的有效反射，在1～6 s新生界至古生界时窗内，100 kg药量激发的单炮有效反射连续性明显优于50 kg药量和192 kg药量激发的单炮有效反射。在12～20 s地层深部莫霍面时窗内，100 kg药量激发的单炮有效反射也优于50 kg药量和192 kg药量激发的单炮有效反射。通过信噪比定量分析可知，100 kg药量激发的单炮信噪比在12～18 s时窗内略高于50 kg药量和192 kg药量激发的单炮信噪比。分析3种药量试验单炮的能量谱，192 kg药量、100 kg药量激发的单炮能量明显强于50 kg药量激发的单炮，但192 kg药量和100 kg药量激发的单炮能量在12～20 s时窗内基本相当。综合考虑，本次深地震探测试验大炮在砂岩激发区采用井深40 m，两口井组合，单井药量50 kg，总药量100 kg。

图2 大炮砂岩激发单炮记录图

2 应用实例及效果

2.1 试验区域概况

本次深部地震探测技术试验区位于四川盆地川中平缓构造区中部至西北部，向北延伸至龙门山山前带。海拔为200～750 m，地形相对高差较大。试验区域内人烟稠密，民房较多，对井位的选择有一定影响，大药量激发对安全施工提出了更高的要求。

2.2 地震地质条件

试验测线地表地层主要出露侏罗系和白垩系地层，局部出露第四系砾石，地表地震地质条件相对较好，有利于地震波的激发和接收。四川盆地经历了桐湾、加里东、东吴、印支、燕山、喜山等几次主要大的构造运动。震旦纪以后，历次构造运动在试验区域地震剖面上都有清楚的反映。但历次构造运动均以升降运动为主，在漫长的地史发展中存在两次大的沉积间断并造成地层缺失，以这两个侵蚀面（假整合面）为界，在纵向上可将沉积层划分为震旦系—下古生界（z—s），二叠系—三叠系中、下统（P—T2l），上三叠统—侏罗系（T3x—J）三大构造层，各层构造形态有较大的相似性和继承性。试验内地腹地震地质条件相对较好，地腹地层倾角变化平缓，总体上从南到北、由东向西呈逐渐下倾的构造形态，地震波波场不复杂，有利于获取信噪比较高的地震反射资料。

2.3 应用实例

四川盆地深地震探测试验测线的叠加剖面见图3，从图3可以看出，新生界至古生界（剖面时间6 s以上）的各岩层分界面地震反射波组特征清楚，同相轴连续性好，反射层次丰富，信噪比高，反射成像好。目的层莫霍面（12～20 s）的地震响应是一组明显的强能量反射波组，在纵向上表现为不同物性阻抗突变带的波组，整个莫霍面的反射清楚，能客观反映莫霍面的构造形态。四川盆地深地震探测试验测线的偏移剖面见图4，从图4可以看出，经过偏移各绕射点准确归位，目的层莫霍面各反射都能很好的归位，莫霍面反射同相轴连续性更好，能够连续追踪解释。四川盆地深地震探测试验测线的深度剖面见图5，从图5可以清楚地看到华南地区四川盆地莫霍面表现为呈西北向东南方向下倾，深度为40～50 km。