检波点位置偏移原则在准噶尔盆地沙漠区地震采集中的应用

王正军,徐文瑞,刘 飞

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新疆物探处分公司,新疆克拉玛依834000)

“两宽一高”采集技术在准噶尔盆地的应用已经从西北缘高信噪比地区推广到了沙漠腹部,单点接收的采集方式虽然为接收资料的保真性提供了更大的保障,但是也对检波器的接收条件提出了更高要求,因为一个检波器的埋置条件优劣直接决定了一个接收道或者说一次覆盖的有效性。沙漠中检波器埋置条件对地震波接收效果的影响更大,主要原因有两方面:一是巨厚沙层对地震反射波能量的强吸收衰减作用导致单点接收能量和信噪比较组合接收差很多;二是沙漠不同地表物性的介质中检波器接收响应差异远大于平坦的戈壁和农田区。这种检波器接收响应差异反映在地震道间有效反射的能量、频率及相位的损失和畸变上,这些非地质目标造成的反射信号异常很难在后续处理时被消除,反射信号也很难得到恢复,这不仅影响最终叠加成像的分辨率和精度,还会造成地质假象,误导后续的解释评价。

目前国内外关于改善检波器接收效果的研究很多,主要包括通过改进地震仪器和检波器等采集设备的灵敏度、失真度及动态范围指标等提高检波器对地震波的接收响应能力[1-4];通过改进检波器尾椎对检波器耦合系统产生积极影响[5-9]。更多的研究侧重于检波器与接触介质耦合的影响因素和关系方面,包括检波器耦合对资料分辨率、可靠性的影响的分析和讨论[10-14];检波器与介质耦合的测量分析方法及应用[15-20];沙漠区检波器耦合响应的补偿处理技术等。以上研究在提高采集装备的性能、适应性及检波器耦合的深化研究方面做出了积极贡献。但通过检波点位置偏移来选择地表埋置条件更好的相关研究不多,相对于采集设备性能的改进,将检波点位置偏移到有利的地表位置以改善检波器接收响应的方法更加直接、实现成本更低。2003年,王德志等[21]提出了采用“避高就低”的方法改善塔里木沙漠地震采集资料效果的方案;2006年,刘红军等[22]在塔里木大沙漠区采用“避高就低”将炮检点进行整体偏移提高了资料品质,验证了利用检波点位置偏移的方法改善地震资料品质的可行性。相对于塔里木盆地沙漠沙丘流动性大、植被少、表层物性变化小的特征,准噶尔盆地沙漠具有沙丘流动性小、表层植被发育但发育程度不同、高差大、表层物性变化大的特点,不同地表检波器接收响应差异巨大。鉴于准噶尔盆地与塔里木盆地沙漠地表及结构特征的差异,在塔里木盆地沙漠区检波点“避高就低”选点偏移的成功经验并不完全适用于准噶尔盆地,本文通过实地调查沙漠地表湿度、压实度、植被发育程度等地表物性及高差、坡度等地表地貌特征,结合实际资料共检波点道集有效频带信噪比的统计分析,建立了资料品质与地表条件之间的联系,对影响检波器接收信号品质的主要近地表因素进行了探索性研究,进而形成适合准噶尔盆地特点的检波点优化偏移的方法,达到了从采集接收环节提高沙漠区所采集的地震资料分辨率的目的。

1 沙漠地表典型特征

准噶尔盆地沙漠属于固定、半固定沙漠,主要呈条带状和蜂窝状分布特征,地表普遍发育植被,但发育程度在空间上变化大。沙漠区低降速层厚度在8～300m,地表相对高差大,但高速层稳定,速度在1800m/s左右。地表湿度随季节变化很大,每年的4—6月由于积雪融化及降雨较多,是沙漠表层湿度最大的时段;7—8月则是沙漠温度最高、地表最干燥的时段,也是地震采集条件最差的时段。5月份在准噶尔盆地沙漠研究区选择了330个不同地貌的调查点进行了地表湿度、压实及植被发育程度等地表物性的实地调查,统计分析发现不同地表地貌条件下这些地表物性存在明显差异:①湿度,沙丘平顶及沙丘平坦低洼部地表湿沙厚度大于80cm,沙丘缓坡地表湿沙厚度约50～80cm,陡坡地表湿沙厚度约30～65cm;②压实程度,沙丘平顶、沙丘缓坡、沙丘平底压实度最好,陡坡、尖顶、沙丘坡底过渡带压实度最差;③植被发育程度,沙丘低洼区最好,缓坡次之,陡坡及顶部最差。

2 影响检波器接收响应的因素

2.1 地表高程(厚度)变化

准噶尔盆地沙漠的表层结构具有“地表复杂、地下简单”的特点,局部范围内,地表高差变化大,但高速层顶界面则相对平缓稳定,所以地表高程高的位置低降速层厚度也相应较厚,理论上讲,该位置的检波点接收到的反射信号经过低降速层传播的路径相对要长,信号能量尤其是高频能量的衰减会更多,这也是业界普遍认可的沙漠区采集“避高就低”优选原则的理论基础,在准噶尔盆地这个原则同样具有一定适应性。图1a为沙漠区一个地表起伏地段的地表高程,图1b显示了在该地段选择的3个不同高程位置检波点70～140Hz带通滤波的道集。由图1b可以看出,3个道集的品质差异明显:相对低部位(薄层)道集①的中深层低信噪比反射(篮圈指示区域)及深层反射(绿框指示区域)的信噪比明显较高,斜坡部位的道集②次之,高部位的道集③最差。图2为3个不同位置高程与2个不同深度的目的层70～140Hz带限信噪比的量化分析结果。可看出,随着高程(低降速层厚度)增加,有效波高频的信噪比降低。这种情况下,如果将高处的检波点偏移到低部位,不但可以降低噪声的影响,同时可以获得地震资料有效波高频并且能量较强,提高了原始采集资料的有效频宽,为提高最终成像的分辨率提供了更好的基础资料。

图1 地表高程(a)及对应70～140Hz带通滤波的共检波点道集(b)

图2 地表高程(a)与对应位置不同目的层的70～140Hz带限信噪比(b)

2.2 地表物性的变化

徐淑合等[9]已经证明,沙漠地表与检波器的耦合状态是影响检波器对地震反射信号接收响应的重要因素。检波器和介质的耦合状态可以用谐振频率和阻尼系数来描述,国内外的相关研究[5-13]认为检波器尾椎与大地构成的耦合系统会产生耦合谐振,其谐振频率f0可以作为耦合系统的评价标准。改善检波器耦合的效果可以归结为提高f0使其脱离地震勘探频带。f0可以表达为:

(1)

式中:k1为检波器与介质的接触刚度;ρ为介质密度;b2为接触面积;v为地层速度;M为检波器质量;M0为尾椎与大地耦合介质的质量。

公式(1)表明检波器与接触介质之间的谐振频率与接触介质的刚度、密度、速度及检波器外形、质量密切相关。地表介质经验谐振频率值统计结果表明,本地区沙丘、表土或干土、耕地、黏土、硬耕地等介质的谐振频率分别为30～200、20～100、100、200～400、300Hz。由此可以看出沙漠介质具有30～200Hz很宽的谐振频率范围。对于采集项目来说,一般采用统一型号的检波器,其形状、质量不会改变,说明沙漠地表物性的变化是造成该谐振频率巨大差异的主因,所以可以认为沙漠区检波器埋置地表的选择具有很大的改善检波器接收响应的潜力。准噶尔盆地沙漠区不同地表位置的植被发育程度、种类、潮湿度、压实度等物性变化大,这些物性不仅与地表介质的密度和刚度密切相关,还与地表地貌特征相关。

对准噶尔盆地沙漠区实际资料统计分析发现:地表植被发育程度(地表颜色)、地表坡度是影响检波器高频信号接收响应的另外两个重要的地表因素。

图3a显示了沙漠腹地一个最大高差达50m(低降速层厚度差达40m)的连续沙丘的高程,图3b为在该连续沙丘不同高程位置选取的9个检波点70～140Hz带通滤波的道集。以道集上强反射层(图3b红框标示区域)为分析目标分别计算其70～140Hz频段的信噪比,结果如图3c所示,与对应的检波点高程(图3a)对比发现,二者没有明显相关性,但具有一定的区域特征:沙丘右翼的桩号2694～2715范围内信噪比明显好于左翼的桩号2659～2687,比检波点2666高40m的检波点2694却表现出更高的信噪比。实地勘察发现沙丘右翼浅根类植被发育、沙层湿度大、压实度高,而左翼被压实度低的浮沙覆盖、植被稀疏、沙层湿度小,顶部为压实度很高的大平顶。资料表明,局部范围内检波点与介质的耦合状态对有效反射高频响应的影响,要强于高差。而在地表物性相当的2666、2673、2680三个检波点则又表现出传统的“随着高程增加,信号能量降低”的相关性规律。

图3 检波点高程(a)、70～140Hz带通共检波点道集(b)及道集带限信噪比(c)

图4显示了沙漠区某检波线检波点高程与其道集主频段15～50Hz带通滤波后的均方根(RMS)能量统计分析关系。由图4可得出,大的趋势(红色虚线)符合高程增加,信号能量降低的相关性规律,但在局部范围内,符合高程与信号能量负相关映射规律的检波点(蓝线标识位置),与不符合该规律的检波点(红线标识位置),均占有相当大的比例。用同样方法对另外两个已采集沙漠区地震资料的检波点有效波能量抽样统计,发现接收点道集有效信号能量与高程不相关的比例超过40%,可见这种不相关并非偶然个例。统计结果具有以下关系特征:坡度越小、植被发育程度越高,则地表湿度和压实程度越高的相关性变化趋势,其中地表植被发育程度与地表湿度和压实程度相关度最高,坡度次之,高程最小。因此准噶尔盆地沙漠区检波点位置优选的顺序和方向为:首选植被发育(地表颜色深)的位置;在植被发育相当的情况下,再选择坡度较小的位置;在植被发育、坡度相当的条件下,才选择高程较低的位置,即所谓的“先避虚就实、后避高就低”的原则。

图4 检波点高程与接收能量关系

3 检波点偏移距离的约束

与炮点位置偏移一样,通过检波点位置偏移,可以改善检波器接收反射信号的能量和频宽,获得更丰富的高频信息,但同时可能会破坏道集和成像波场的空间均匀性,所以检波点位置偏移应遵循一定的规则。图5为一个CMP面元为10m×10m的三维正交规则观测系统的面元覆盖次数模拟图,检波点距、炮点距均为20m,检波线距、炮线距均为60m。图中篮框表示以检波点为中心一个CMP面元距离的范围,白框表示以检波点为中心一个地表面元(检波点距×检波线距)距离的范围,图5b表示检波点在一个CMP面元范围内偏移,这时不会对观测系统覆盖次数的均匀性造成影响,当检波点偏移距离超过一个CMP面元而小于一个地表面元(图5c)时,个别面元的覆盖次数分布开始发生变化,但数量占比较小,在高覆盖情况下,对均匀性影响更弱,但是当检波点偏移距离大于一个地表面元后,特别是纵横向均发生位置偏移(如图5d和图5e)时,覆盖次数异常点所占比例就会大幅增加,造成非地质原因的振幅异常变化,影响成像精度,干扰甚至误导地质认识,所以在改善道集品质的同时,对于野外采集炮点、检波点偏移的尺度需要进行一定规则的约束,理论上偏移距离应小于一个CMP面元,允许偏移的最大距离应不大于一个地表面元的距离(如图5f红框标示),同时满足炮、检点分布相对均匀的原则。

图5 检波点偏移尺度对面元覆盖次数影响分析a 不偏移; b CMP面元内偏移; c 地表面元内偏移; d 地表面元外横向偏移; e 地表面元外纵横向偏移; f 建议炮、检点偏移范围

4 应用效果

在准噶尔盆地东部沙漠某工区进行了检波点位置偏移对比采集试验,试验采用3线2炮的宽线二维观测系统,道距20m,激发、接收线距均为40m。选择三条检波线中的外侧一条依据“先避虚就实,后避高就低”原则进行检波点选点位置偏移,依据地表植被发育程度、坡度、高程等因素选择检波点,其它两条检波线按照传统的不偏移方法布设。如图6所示,偏移检波线总检波点数2902个,实际优化、偏移点数1936个,偏移点占比66.7%,由于特殊地表高差、地物特征变化及接收设备连线长度的限制,造成偏移距离大于40m(一个检波线距)的检波点约占10%,偏移距离在20～40m之间的占10.89%,近80%的检波点偏移距离在20m(一个地表面元)范围之内,这种对偏移距离的约束可以在改善检波点接收响应的同时,保持地震波场的均匀性。

图6 偏移检波点位置分布(a)及偏移量统计(b)

检波点位置偏移前后的全频带检波点道集整体面貌差异不大,位置偏移后道集有效波能量稍强于未优选检波点位的道集(图7),道集上相对的弱反射目的层(图中红框)的频谱上检波点位置偏移后道集在低频和高频端均有不同程度的拓宽,从而使原始资料具有更大的提高分辨率的潜力。应用相同处理流程分别对检波点偏移、检波点不偏移及所有检波点数据进行叠前时间偏移(PSTM)成像处理,然后在3套处理成果剖面上选取相同位置、相同时窗进行频谱分析,本文选择了不同埋深和信噪比的3个目的层分析时窗W1、W2、W3以及不同目的层时窗的频谱曲线如图8所示。以相对振幅20dB为参考,对于浅层高信噪比目的层W1,检波点位置偏移的检波线(蓝线)成像具有最宽的频带(比检波点不优选(红线)成像高频拓宽了1.5Hz),检波点不优选与所有检波点的成像频宽基本相当;而对于中深层低信噪比目的层W2,同样是检波点位置偏移的检波线成像具有最宽的频带(比不偏移成像高频拓宽了3.5Hz),检波点不优选与所有检波点成像频宽基本相当;对于深层高信噪比目的层W3,同样也是检波点位置偏移的检波线成像具有最宽的频带(比不优选成像高频拓宽了1.0Hz),所有检波点成像频宽次之,检波点不优选成像频带最窄。分析结果表明:优选检波点埋置位置有利于提高资料成像的分辨率,且对不同目的层影响程度不同,目的层反射能量越弱,检波点位置优选偏移对拓宽频带的作用越明显。

图7 检波点位置偏移前、后道集及频谱分析

图8 PSTM成像剖面以及不同目的层时窗(W1、W2、W3)的频谱分析

5 结论

1) 准噶尔盆地腹部地表起伏较大的沙漠区,地表物性空间变化会造成地震波接收响应产生差异,通过检波点位置的适当偏移优选地表条件较好的检波点可以提高接收道集及最终成像的反射能量和频带宽度。

2) 通常情况下,检波器接收地震信号的能量随着低降速层厚度的增加而减弱,但在特殊情况下,局部范围内地表物性的差异比地表起伏对检波器接收响应的影响更大,所以准噶尔盆地沙漠区检波点位置优化不能完全遵循传统的“避高就低”的原则,而应修正为“先避虚就实,后避高就低”的原则。结合地表显性特征,优化选择顺序和方向为:地表植被发育程度高(地表颜色深)、坡度小、高程低。

3) 适当的检波点位置偏移距离约束可以避免检波点位置偏移对成像波场均匀性的影响。最佳检波点偏移距离的范围应不大于一个CMP面元,最大检波点偏移距离应不大于一个地表面元。

4) “先避虚就实,后避高就低”原则考虑的影响因素更全面,避免了单纯“避高就低”原则的片面性,增加了方法对于复杂沙漠地表的适应性,该方法也适用于激发点的位置优选,炮、检点联合优选偏移会获得更好效果。地表物性包括地表坡度、坡向、地表植被发育程度等多种表象特征,如果能够将这些特征量化,与高程特征综合为一个单一的地表物性指标作为检波点位置优选的选择依据,就可以实现室内检波点优化的自动化预设计,大大提高野外规模化采集的效率和质量。