巴丹吉林高陡沙漠区低频震源勘探技术攻关

摘要：沙漠区可控震源作为一种安全、环保、高效、低成本的激发源，越来越受到油公司的重视;但对可控震源的实际应用效果往往持有疑虑。针对巴丹吉林高陡沙漠区影响低频震源激发效果因素分析，研究得出扫描信号量化设计与优选方法，攻关改进了低频低畸变信号保护技术，并通过逐级叠前噪音压制和实施高精度速度分析，形成了一套有效的高陡沙漠区低频震源勘探方法，使得施工质量和效率得到明显提高，所获得的地质资料品质得到较大改善。

关键词：巴丹吉林;高陡沙漠区;低频震源;信号设计;低频低畸变;噪音压制

一、前言

内蒙古西部巴丹吉林沙漠区，属典型风积沙漠地貌，沙丘高陡，地下构造复杂。该区所钻探的拐参1井见到良好油气显示，证实了拐子湖凹陷成藏条件较好，具有一定的资源潜力。但是该区地形起伏剧烈，高速层顶界面埋深巨厚，且主要勘探目的层埋藏深、跨度大（K1y-K1b1埋深2000-4000m，最大埋深5000m），使得提高该区地震资料品质难度较大。为获得适合本区的地震勘探方法，通过低频震源勘探技术攻关，获得了较好的勘探效果。

二、 主要攻关技术

（一）基于地层响应的扫描信号设计与优选

1.常规方法

常规优选扫描信号是先选定一个不变因素，然后逐一匹配试验。现假设有一个优选方案，按震源参数逐一优选时至少需试验炮数如下：

当匹配因子全选时n≥C31.C31.C61.C91.C61.C81=23328;

轮选至起止频率参数时n ≥ C61.C81=48。

由此可见，常规设计和优选震源参数，试验量非常大，参数优选难度也较大。

2.新方法

依据各参数对信噪比提升效果，分组分步实施。对于可控震源，单炮资料信噪比的改善来源于震源5个激发参数的组合匹配，其中W（绝对频带宽度）是大值变量，而要获得较大的绝对频带宽度，就需科学地设计最大和最小频率范围。其它因素不变时，终了频率越大，越有利于改善单炮信噪比;信噪比改善程度随其它因素提高变得缓慢;由此可见，先设计终了频率是关键。

（1）“五步逼近法”设计终了频率

依据终了频率最大值和最小值的设计原则，将两个极值边界由两端逐渐向中间靠近，以逐渐逼近目标值即最佳终了频率。

①与数据采集系统假频滤波参数匹配。采样率2ms时，选择高段截止频率<125Hz。

②与主要目的层反射时间响应。主要勘探目的层取反射时间1.55s，经计算fK1y≤96.8Hz，终了频率 ≤96Hz合適。

③与主要目的层固有频率响应。工区最浅目的层峰值频率80Hz，终了频率≥ 80Hz。

④与优势频段响应。

⑤考虑高频成分的吸收。设定一个线性升频扫描信号，扫描频率3-84Hz，扫描长度20s，斜坡0.9s，据此可算出扫描优势频段6.65-80.36Hz;依据以上分析，结合VSP测井资料，终了频率设计范围应逼近在86Hz≤f2 ≤96Hz。

（2）基于倍频程数的低端频率优选

单纯增加高端频率可能会降低分辨率，增加倍频程利于提高分辨率，尤其是地质薄层。物理学家什内尔索纳在《可控震源地震勘探》提到“只有在使用相对频宽为2或更大倍频程的扫描信号时，才有可能实现线性扫描信号的高分辨率可控震源地震勘探”。事实上，当相对频宽相同，自相关子波清晰度一样，但增加高频成分可改善分辨率。

进一步研究发现，在设计扫描信号时，还需考虑低频陷阱。低频频率设置过低，则对震源达到最大重锤行程和对震源液压控制系统要求较高。由Normad65-Neo可控震源激发原理推导如下：

a=-4π2Xf2sin（2πft）， a=4π2Xf2（重锤最大加速度）

F=4π2MXf2（M为重锤质量，X为重锤最大行程）

对于特定型号的可控震源，其重锤质量一定（Nomad65重锤质量4082kg）， 于是，4π2M=160.9875，FMAX=62000磅=28122.7kg，也就是X=176K/f2（f为起震频率，X为重锤最大行程，K为出力）。

因此，扩展低频既是对震源机械性能的考验，又是出力大幅降低的结果。从保护深层低频看，起始频率越低越好。综合考虑，最终确定扫描信号起始频率为3Hz（如图4）。

（二） 低频低畸变信号保护技术

可控震源振动性能和应用潜力取决于其控制系统能力和综合质控能力[2]。即确保设计出完美的宽频扫描信号理想地实施，并尽可能减小信号畸变。

（1）信号斜坡设计技术

① 减小扫描信号的边界效应，使相关子波边叶平静[3]，尽量做到往大处选;

② 优势频带不落入斜坡中，需要做到往小处选。

对于扫描信号瞬时频率f（t）=f1+kt（0≤t ≤TD），当f1=3Hz， f2=84Hz时k=△f/ △t=（84-3）/20=4.05Hz/s，于是，f（0.9）=3+4.05*0.9=6.645Hz，f（19.1）=3+4.05*19.1=80.355Hz，优势频段在7-84Hz。生产中要按照理论计算、震源参数限制曲线，结合地震资料，选择合适的斜坡长度。

（2）地形斜坡控制技术

针对高陡沙丘，震源斜震角度较大时，影响到地面力分布而降低激发能量，并易带来谐耦畸变，因此，在布设震点时需坡度的影响。图5显示地面刚性与粘度较大值一般分布在迎风面，而地面刚性平均值32，粘度平均值35。因此，激发点需选在沙丘迎风面较高部位。

（三）低频勘探资料处理关键技术

通过逐级噪音衰减和振幅平滑技术，对“黑三角”内噪声第一次衰减，通过分频噪声衰减技术，利用速度和频率特征，对“黑三角”内噪声第二次衰减[4]，通过自适应模式识别噪声技术对折射波干扰（十字交叉域、高速度）等一系列处理，单炮频宽更宽。

三、应用效果

（1）本课题在银额盆地拐子湖项目实施，通过科学优选参数，进行低频震源宽频扫描激发，具有同井炮相当的单炮品质，为后续沙漠区震源代替井炮施工提供了可靠依据。

（2）完成的三维剖面浅层层位与地震解释剖面完全吻合;基底、边界断层更加可靠，通过本次地震采集可以更准确的确定拐子湖凹陷中洼构造格架，震源资料较井炮有所频带拓宽。

四、结论与建议

（1）本项目通过技术攻关，形成了震源参数量化设计与优选、低频低畸变弱信号保护及噪音衰减处理等关键技术，达到了项目预期目的。

（2）量化设计震源参数有利于满足勘探需求，对于改善资料信噪比效果明显。

（3）建议今后在运作项目时，提前搜集好工区地震和测井资料，更好指导参数设计;

（4）采用低频激发，有利于获得深层弱反射信息，考虑到低频检波器的幅频响应特征，建议以后采用配套的低频检波器接收。

（5）针对银额盆地高陡沙丘和高陡构造双复杂特点，建议进一步开展精细处理，改善成像效果。

参考文献：

[1] 陶知非.《高精度可控震源技术》本成果是国家“十二五”国家863项目。

[2] 王光德.可控震源源驱动技术的实现方法，《物探装备》，2012年22（2），97-100。

作者简介：

胡啸（1969-），汉族，男，湖北广水人，本科，高级工程师，长期从事地球物理勘探地震资料采集技术研究与应用工作。

作者单位：中石化石油工程地球物理有限公司华北分公司