数字检波器子波一致性在煤层气地震勘探中的优势分析

2021-06-14刘厚裕

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年3期

刘厚裕

(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司，南京 210019)

地震勘探只有在“测量点位保证准确、激发因素一致、接收环节保持一致、仪器录制因素保持不变”的条件下[1]，接收到的地震反射信息才客观地反映来自地下介质的情况。测量点位准确、仪器录制因素保持不变在卫星定位和计算机技术高度发达的今天已经得到解决，只有激发因素和接收环节保持一致是人们关注的重点。尤其是在煤层气地震勘探领域，面对埋藏浅、厚度薄、波阻抗大的储层，怎样获取高信噪比、高分辨率[2]原始地震资料，除了采用小点距、小组合基距、小偏移距、小药量和较高叠加次数的“四小一高”采集方法外，对激发因素和接收环节保持一致提出了更高要求。

激发因素一致是地震资料采集过程中质量控制的重点[3]。例如：采用炸药震源激发时，控制激发井深和药量、保证在高速层中激发、加强“闷井”确保能量下传等措施，就是为了尽量保证激发因素一致。接收环节保持一致是地震资料采集过程中质量控制的另一重点。目前，在陆上油气地震勘探中主要采用20DX-10模拟检波器进行接收，在煤田或煤层气地震勘探中主要采用数字检波器进行单点接收。本文结合多年来在煤层气地震勘探实践，通过数字检波器单点接收和模拟检波器小组合基距接收获取的地震子波，从两种检波器制造工艺和原理、野外埋置等方面，就道间一致性进行对比分析，客观地反映出数字检波器单点接收能够提高原始地震资料地震子波一致性，并满足煤层气高分辨率地震勘探对信噪比、分辨率、精度的要求和煤层气高产富集区预测的需要。

1 问题提出

地震检波器是一种将机械振动转化为电信号的地震勘探专用振动传感器。地震检波器从信号转换方式上可分为模拟和数字2种，从制造工艺上可分为动圈式、光学、电化学、电容式和MEMS地震检波器5种。本文主要介绍常用于陆上地震勘探的检波器动圈式模拟地震检波器、MEMS数字地震检波器[4-5]。动圈式地震检波器是速度型地震检波器，基于线圈磁感应、磁电转换原理来获取模拟地震信号；电容式地震检波器是根据两极板之间距离、相互覆盖面积、介电系数变化引起的电容改变原理来获取模拟地震信号；MEMS地震检波器是在电容式地震检波器基础上，以硅材料为基底，采用微电子机械系统技术加工的差动电容式地震检波器，直接进行数字传感记录信号。

模拟检波器组合接收导致地震子波道间不一致，直接对高分辨率地震勘探产生影响，主要表现在如下4个方面：①制造工艺方面，模拟检波器是基于线圈磁感应、磁电转换原理制造的，每个检波器电阻、电容、永磁体质量和磁性、弹簧系数及固有频率在制造过程中不可能做到完全一致，只要检测指标在规定控制范围内就算合格。一般12个模拟检波器通过串、并联组合成一串，其各项指标差异更大，检测指标也只能在控制规定范围内就算合格；在频率响应上，只能接收基于谐振频率的优势频率段(如8～48 Hz)，相当于一个带通滤波器。②野外埋置方面，模拟检波器组合接收时可变因素太多。如：受地形环境的影响，组合基距和组合图形不可能保持一致，组内高差也各自不同；受人为因素的影响，检波器埋置时倾斜度、与地耦合效果、组合中心偏离度等参差不齐；受设备好坏的影响，检波器串在使用过程中可能存在不工作的检波器，甚至12个检波器有11个损坏时仪器检测仍然是合格道。③组合接收本身存在组合效应，在对每个检波器安置条件差异及地表地质条件微小变化进行平均的同时，还将对反射界面进行平均，引起地下反射点在一定程度上离散而导致不一致性。因为组内各检波器接收的反射是来自反射界面上的许多点，当这些点不在同一平面上时，组合后的反射点就不能近似认为是这些点的“中心”，而是代表了对起伏不平或断层两边反射界面的平均结果。组合的这种平均效应非常不利于对断裂发育区断块的刻画、研究，尤其是降低了构造复杂区的地震成像精度。④模拟检波器组合接收的信号是电信号，需要通过有线或无线传输到接收仪器进行模数转换后才能成为数字信号。在电信号传输过程中受到环境干扰，存在诸多不确定因素(如串音、高压电干扰以及传输路径的长短、传输中断等)造成信号传输损失也是不可忽视的因素之一。

上述4个突出问题在地震资料采集工作中不可避免，尤其是检波器组合野外埋置引起的每一道、整个接收排列以及整条测线在接收环节的差异，引起地震子波道间不一致更为突出。反映到原始单炮记录上，相邻道接收有效反射波的波形、振幅、频率和相位等都会存在不一致性。诸多的不一致性将导致波形畸变和空间假频，损失有效信号的高频信息，降低地震资料的分辨率。这种由组合效应引起的细微差异并非地下界面信息的真实反映，地震波的属性变化会以“采集脚印”[6-7]的形式出现在地震数据之中。尽管在资料处理过程中可以进行各种一致性补偿(实际上，每炮每道都是进行差异性补偿)，但也只是部分地、基于数学假设条件下的消除道间差异，在地震剖面上同一层的反射波组特征横向变化仍然较大，给资料解释工作和成图精度带来较大影响。

对于勘探目的层埋深大、厚度大、波阻抗小、信噪比低、干扰背景大，以提高信噪比为主、地震分辨率要求不高的勘探目标区，可采用“长排列、高叠加次数、深井大药量饱和激发、模拟检波器组合接收”的地震资料采集方法进行地震资料采集；对于目的层埋藏浅、厚度薄、波阻抗大，要求获取高信噪比、高分辨率地震资料，满足煤层气高产富集区预测需要的勘探目标区来说，可采用“小点距、小组合基距、小偏移距、小药量和较高叠加次数”的“四小一高”采集方法进行地震资料采集。数字检波器单点接收可以消除上述“小组合基距”引起检波器组合野外埋置引起的每一道、整个接收排列以及整条测线在接收环节的差异导致的地震子波道间不一致性。将上述“四小一高”采集方法优化为“三小一高”加数字检波器单点接收的采集方法。地震子波的一致性对于埋藏浅、厚度薄的煤储层和小微构造实现高保真、高信噪比、高分辨率的“三高”地震成像极为关键。

2 数字检波器结构及性能指标优势

数字检波器的核心是微电子机械系统(MEMS)技术，这种技术就是以硅材料为基底，采用微机械加工工艺和IC工艺加工为差动电容式微机械加速度计[8]。数字检波器质量悬挂系统采用在单晶片上通过MEMS加工形成微米级弹性膜，其物理结构精确度远高于线圈式模拟检波器。不同于模拟检波器以电磁感应方式将振动信号转换为模拟电信号输出，数字检波器直接以电信号平衡重力变化来感应地震波信号。工作中根据质量体两边电容量的变化，通过调整加电的大小使质量体恢复平衡，而加电的大小则反映了振动的大小，也就是接收反射信号的强弱。数字检波器就是质量体两边电容量的变化和质量体恢复平衡灵敏度指标较高，在全频率接收环境中能够接收弱小信号且一致性较强。灵敏度高是数字检波器的一个重要参数，也是保证地震数据弱信号采集的重要指标。

数字检波器与模拟检波器相比，性能指标具有更高的一致性[9-13]。①在幅频特性方面，数字检波器主要特征是全频率接收，其幅频特性从高到低是线性变化，对每一个频率接收信号的机会是均等的。而模拟检波器受制造工艺的影响，其频率特性是有限的，相当于一个带通滤波器。图1-A是数字检波器与模拟检波器输出信号的幅频特性理论曲线。数字检波器频率响应范围在0～800 Hz，在高频端500～800 Hz之间也可以得到满意的响应，振幅畸变不超过±1%，时间畸变不超过±20 μs，谐振频率(1 000 Hz)远远高于地震波频带，这个性能使其记录10 Hz以下的频率成分不衰减。模拟检波器频率响应范围只在350 Hz以内，超过350 Hz产生寄生震荡，不能记录真实的地震信号。 ②在相位特性方面，理论上数字检波器不发生相位延迟，模拟检波器会产生相位延迟。图1-B是数字检波器与模拟检波器输出信号的相位特性曲线。数字检波器在0～800 Hz范围内的相位响应曲线基本为一直线，相位延迟很小；而模拟检波器会产生相位延迟，并且随着频率的增大而增加，甚至可以达到180°的相位变化，这对于高频成分记录是非常不利的。③在动态范围方面，动态范围越大，灵敏度越高，对记录弱小信号越有利。数字检波器动态范围为90 dB，模拟检波器一般为70 dB。数字检波器由于动态范围大、灵敏度高、频率和相位特性稳定、一致性较强，更适宜记录弱信号，在数据处理时弱反射波组成像效果好。

图1 数字检波器与模拟检波器幅频与相位特性对比[9]Fig.1 Comparison of amplitude frequency and phase characteristics of digital geophone with those of analog geophone

数字检波器与模拟检波器的结构和工作原理[14]是不同的。①数字检波器的结构采用检波器和采集站(FDU)合为一体的方式，每个检波器对应一个采集站。数字检波器接收的地震信号直接在FDU中进行模数转换，换成这个接收点的24位数字信号，通过无线或有线传输到仪器进行记录，数字信号传输过程中能够克服电信号在传输过程中的损失；模拟检波器的结构是基于线圈磁感应、磁电转换原理来获取模拟地震的电信号，通过无线或有线传输到仪器转换成数字信号进行记录(现代仪器也采用FDU进行就地模数转换)。②野外采集时，数字检波器单点接收的信息是空间采样点的真实信息，道间地震子波的一致性好；模拟检波器组合接收各种埋置环境和人为因素引起(如组合图形、组合基距、组合高差、组合中心偏离度不一致性)的曲面组合效应的信息，道间地震子波一致性差，对煤层气地震勘探中分辨薄煤层、“甜点”预测等方面影响较大。

数字检波器灵敏度高，抗干扰等能力差[15-18]。对于相关性不强的随机干扰，在数据处理时，通过成像叠加处理可消除；最怕的是规则干扰(如风干扰、雨干扰等)，因此野外数据采集尽量避开有风、有雨的时间段进行。

以上从制造工艺、野外埋置、组合接收等方面的理论分析表明，数字检波器比模拟检波器灵敏度高、动态范围大、接收地震子波道间一致性好，模拟检波器组合接收时比数字检波器单点接收抗干扰能力强。这两种检波器可以根据地震勘探目标和地质任务需要进行选择。例如：针对埋藏深度较小(0.3～2 km)、煤层与围岩波阻抗差较大、要求能分辨出薄互层的高分辨率煤层气勘探或煤田地质勘探，可采用“小点距、小药量、小排列长度、较高叠加次数”、数字检波器单点接收的地震资料采集方法；针对埋藏深度较大(>2 km)、目标层与围岩有一定的波阻抗且能形成有效反射、构造较复杂、信噪比较低的油气地震勘探，可采用“深井、大药量、长排列、高叠加次数”、模拟检波器组合接收的地震资料采集方法。以下就晋陕交界的延川南和贵州省织金2个区块煤层气高分辨率地震勘探数字检波器单点接收与模拟检波器组合接收试验资料分析做进一步探讨。

3 应用实例

3.1 延川南区块煤层气高分辨率地震勘探

延川南区块位于晋、陕交界黄土高原，“沟、峁、墚、塬”是这个地区主要地表特征。煤层气勘探主要层位是2号煤层和10号煤层，埋深0.8～2 km，2号煤层厚度3～6 m、10号煤层厚度1～2 m，属高煤阶煤。煤层气的质量体积高(12～18 m3/t)[19]、煤层密度低(1.3～1.46 g/cm3)、地震波速度低(1.6～2.8 km/s)，而围岩(石炭系碎屑岩)密度高(2.0～2.5 g/cm3)、地震波速度高(3.5～5.2 km/s)[20-21]，煤层与围岩波阻抗差大，具有较强的反射界面。煤层非均质性强、各向异性突出。煤层气地震勘探主要地质任务是查明煤层空间展布和小微构造，预测煤层气高产富集区[22]。

延川南区块煤层气勘探阶段采用2 km×4 km、开发阶段采用1 km×2 km网格的二维地震勘探方法，局部采用细分面元三维地震勘探方法，来满足不同阶段地质任务要求。二维地震勘探采用小药量激发(2～4 kg)、小点距接收 (5～10 m)、小排列长度(2 km)、较高叠加次数(50～75次)的“三小一高”观测系统、数字检波器单点接收的采集方法。在勘探初期进行大量的试验，其中包括数字检波器单点接收与模拟检波器组合接收对比试验。

图2是延川南地区进行的数字检波器单点接收与模拟检波器2串(24个)面积组合接收对比试验，数字检波器摆放在模拟检波器的组合中心同步接收、静校正后的单炮记录。可以看出，数字检波器接收的单炮记录在道间波形一致性、频率响应、反射波组的连续性等方面都优于模拟检波器组合接收的单炮记录。

图2 延川南地区数字检波器与模拟检波器试验单炮地震记录Fig.2 Single shot seismic record of digital geophone and analog geophone test in Yanchuannan area

图3是上述单炮记录的频谱分析。数字检波器单点接收的记录主频和频宽都优于模拟检波器组合接收的单炮记录。从图中可以看出，在-20 dB时，数字检波器单点接收的单炮频宽为2～50 Hz，模拟检波器组合接收的单炮对应频宽则为8～35 Hz；而在-30 dB时，数字检波器单点接收的单炮频宽为2～150 Hz，模拟检波器组合接收的单炮对应频宽则为5～65 Hz。模拟检波器组合接收相当于一个带通滤波器，在8～25 Hz频段接收到的能量比数字检波器接收到的能量强，超过35 Hz接收的能量衰减较快；而数字检波器单点接收更接近全频带接收理想状态，尤其是<8 Hz的低频段接收的信息，更有利于岩性反演时低频模型的建立。模拟检波器组合接收的频谱50 Hz工业电干扰较强，数字检波器单点接收不受50 Hz工业电的影响。

图3 延川南地区数字检波器与模拟检波器试验单炮地震记录频谱Fig.3 Spectrum of single shot seismic record of digital geophone and analog geophone test in Yanchuannan area

图4是上述单炮记录的相位分析结果，可以看出，数字检波器相位延迟较小，具有很好的相位一致性。

图4 延川南地区数字检波器与模拟检波器试验单炮记录相位分析Fig.4 Phase analysis of single shot recorded by digital geophone and analog geophone in Yanchuannan area

图5是延川南地区数字检波器单点接收与模拟检波器2串(24个)面积组合接收对比试验，采用统一处理流程和参数进行处理的叠加剖面。从叠加剖面对比分析来看，数字检波器单点接收剖面上反射层次丰富，波形稳定且一致性好，信噪比和分辨率也较高，尤其是层间弱反射信息较为清晰，更有利于精细构造解释、薄互层和微幅构造以及煤层气高产富集区的识别。

图5 延川南地区数字检波器与模拟检波器采集的地震叠加剖面对比Fig.5 Comparison of seismic stack sections obtained by digital geophone and analog geophone in Yanchuannan area

图6是上述剖面的频谱分析，可以看出在-20 dB时，数字检波器单点接收的剖面对应的频宽为12～71 Hz，模拟检波器组合接收的剖面对应的频宽为9～60Hz；而在-30 dB时，数字检波器单点接收的剖面频宽为8～105 Hz，模拟检波器组合接收的剖面对应频宽则为7～73 Hz。分析表明，数字检波器单点接收对高频信号的响应强于模拟检波器，这一特性对于提高浅目的层反射波成像效果、拓宽频带优势和提高分辨率尤其重要。

图6 延川南地区数字检波器与模拟检波器叠加剖面频谱分析Fig.6 Spectrum analysis of stacked profile of digital geophone and analog geophone in Yanchuannan area

图7是上述剖面地震反射波自相关分析。对于同一套反射波组，数字检波器单点接收的数据分析结果表明，地震反射波在波形、道间横向能量、频率响应等一致性及分辨率方面，均优于模拟检波器组合接收获取的地震数据。“三小一高”观测系统、数字检波器单点接收的地震资料采集方法，在延川南煤层气勘探开发过程中发挥了重要作用：构造成图精度高，目的层位钻井深度与地震预测深度误差<3%；小微构造识别、煤储层高产富集区的预测，与煤层气开发井的日产气量符合率达到85%；水平开发井利用地震地质导向技术，在目标煤层穿行率达到90%以上。延川南煤层气田年产量达到4.0×108m3，主要开发的是2号煤层，平均钻井深度 1 400 m，最深 1 750 m，打破了业界 “埋深在800 m以浅的煤层气可实现效益开发、1 000 m为死亡线”的认知[23-24]，也是目前世界上埋深最大的煤层气田，对中国煤层气勘探开发起到示范带动作用。

图7 延川南地区数字检波器与模拟检波器地震反射波自相关分析Fig.7 Autocorrelation analysis of seismic reflection wave between digital geophone and analog geophone in Yanchuannan area

3.2 织金地区煤层气高分辨率地震勘探

贵州省织金地区是南方山地地表出露灰岩的典型代表，二叠系龙潭组煤系地层是煤层气勘探主要目标层。煤层埋深浅(0.3～1 km)、单层厚度薄(0.3～3 m)且横向变化大、煤层多(30～35层)，上、中、下3套煤系地层累计厚度大(18.0～26.0 m)，属高煤阶煤，构造煤发育，煤层气的质量体积高(9～23 m3/t)[25]、煤层密度低(1.3～1.46 g/cm3)、地震波速度低(1.6～2.8 km/s)；而围岩(二叠系龙潭组灰岩)的密度高(2.6～2.9 g/cm3)、地震波速度高(4.95～6.50 km/s)[26]：具有较强的反射界面，煤层非均质性强、各向异性突出。要求获得浅目的层高信噪比、高分辨率的地震资料才能满足煤层气勘探地质任务要求。

织金地区煤层气勘探阶段采用2 km×4 km网格的二维地震勘探方法，有利目标区局部采用细分面元三维地震勘探方法。二维地震勘探吸取延川南煤层气地震勘探经验，采用小药量激发(2～4 kg)、小点距接收 (5～10 m)、小排列长度(1.5 km)、较高叠加次数(50～60次)的“三小一高”观测系统、数字检波器单点接收的采集方法，在试验点上进行数字检波器单点接收与模拟检波器组合接收对比试验。

图8是织金地区进行的数字检波器单点接收与模拟检波器2串(24个)面积组合接收对比试验静校正后的3组不同品质单炮记录，图9是这3组单炮记录的频谱分析，图10是这3组单炮记录的能量分析。可以看出，数字检波器单点接收的记录有效反射子波的波形具有较高的一致性。

图8 织金地区数字检波器与模拟检波器试验不同品质地震单炮记录Fig.8 Single shot seismic records of different qualities tested by digital geophone and analog geophone in Zhijin area

图9 织金地区数字检波器与模拟检波器试验不同品质地震单炮记录频谱分析Fig.9 Frequency spectrum analysis of single shot seismic records with different qualities tested by digital geophone and analog geophone in Zhijin area

图10 织金地区数字检波器与模拟检波器试验不同品质地震单炮记录能量分析Fig.10 Energy analysis of single shot seismic records with different qualities tested by digital geophone and analog geophone in Zhijin area

从频谱分析结果来看，数字检波器单点接收的记录在频率(主频、频宽等)响应上较稳定，尤其是高频成分损失较少；模拟检波器面积组合接收的记录主频存在差异，频宽较窄，相当于带通滤波器，高频成分损失严重。从能量分析结果来看，数字检波器单点接收的记录与模拟检波器面积组合接收的记录相比能量稍强。图11是数字检波器单点接收与模拟检波器2串(24个)面积组合接收相邻单炮记录同一偏移距的子波分析结果。从炮间子波分析及道间子波分析结果来看，数字检波器单点接收受地表条件影响较小，子波波形、能量、频率等方面一致性明显优于模拟检波器组合接收。同延川南煤层气勘探开发一样，在织金地区也采用“三小一高”的观测系统、数字检波器单点接收的地震资料采集方法，为织金地区的煤层气勘探开发和资源评价提供支撑。由于目的层埋藏浅、地表高差大、灰岩出露和地表岩性变化大，浅目的层地震成像是地震资料采集和处理的难点，数字检波器单点接收为保证浅目的层地震反射波的子波一致性起到很大作用。织金地区构造解释成图精度较高，由于目的层较多且薄，钻井深度与地震预测深度误差<5%；小微构造、煤储层高产富集区的预测，与煤层气开发井的日产气量符合率达到75%；水平开发井利用地震地质导向技术，在目标煤层穿行率达到80%以上。织金煤层气田主要开发的是下煤组，平均钻井深度500 m，最大井深750 m，是中国石化公司下一个煤层气田培育基地。延川南和织金2个实例分析，说明数字检波器比模拟检波器灵敏度高、动态范围大、接收地震子波道间一致性好，且在煤层气或煤田地质高分辨率地震勘探中具有明显优势。