順北沙漠區地震資料陷波現象原因分析及消除

劉 斌 宋智強* 王 超 陳洪芝

(①中國石化石油工程地球物理公司勝利分公司研究所，山東東營 257086； ②中國石化西北油田分公司，新疆輪臺 841600； ③中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北任丘 062552)

1 問題的提出

順北沙漠區是中國石化西部重要的油氣勘探區，奧陶系目的層較深，地表為沙漠，因此地震資料有效頻帶范圍較窄。而該地區地震單炮中普遍存在“陷波”現象，“陷波”點位于12～15Hz內，正好位于地震資料有效頻帶范圍內(圖1)。

以往認為陷波現象可能與地震波的虛反射有關[1-3]。首先根據微測井數據近地表調查數據，建立該區的近地表速度模型，再通過虛反射原理計算陷波點的位置，可以分析這種陷波現象是否與地震波虛反射有關。

圖2為微測井解釋結果，位置與與圖1試驗炮相同。可以看出，該處近地表為兩層結構，低速層厚度為2.48m，速度為344m/s，降速層厚度為3.87m，速度為515m/s，高速層頂界面深度為6.35m，高速層速度為1678m/s。圖3為該處近地表速度模型。虛反射是由于炸藥在高速層頂面以下激發時，地震波向上傳播，遇到強波阻抗界面(高速層頂界面)向下反射，與向下傳播的地震波疊合，由于兩個地震波存在時差，對部分頻率進行了壓制[4-5]。采用虛反射原理計算陷波點的位置[6](圖4)，第一個陷波點位于60Hz，與實際資料中15Hz陷波點不符。另外根據該工區表層厚度為21.2m的微測井數據，計算的陷波點位置是28Hz，也與實際資料陷波點位置不符。因此，該陷波現象并非由虛反射引起。

圖1 順北沙漠區地震資料單炮頻譜分析(a)不同炸藥量試驗單炮頻譜對比； (b)不同井深試驗單炮頻譜對比

圖2 微測井解釋結果

圖3 建立的近地表模型

圖4 理論計算的虛反射陷波現象

2 陷波現象成因分析

2.1 地震記錄不同區段的頻譜分析

進一步對單炮地震記錄沿著反射波同相軸開較小的時窗(圖5左方框所示)進行頻譜分析，并沒有出現陷波現象。

另外，從單炮記錄中可以明顯看到淺層多次折射波(圖6左)，多次折射波速度約為1700m/s，與高速層速度相近并且與初至波平行，是在低降速帶內經多次折射滑行的多次波，其主頻為10Hz(圖6右)。 從圖7所示單炮記錄可見，淺層多次折射波不僅存在于炮記錄的淺層，而且貫穿于整個記錄，在深層與有效反射波的波場混疊在一起(圖7方框所示)。

圖5 單炮記錄反射波同相軸(左圖中黃色區域)的頻譜(右)

根據圖5～圖7，可能是分析時窗包含了反射波和淺層多次折射波，頻譜中出現了兩個主頻峰值、導致了峰值間低凹處出現了視覺陷波現象。

將淺層多次折射波和有效反射波頻譜疊合顯示(圖8)，可以明顯看到兩個頻譜峰值，一個是淺層多次折射波的主頻，而另一個是有效反射波的主頻，該疊合顯示的頻譜與實際資料中放大時窗所顯示的頻譜特征相同(圖9)，陷波點的頻率都為15Hz，說明由于近地表中的淺層多次折射能量太強，與地下有效反射波的混疊，使頻譜分析中產生了“兩高夾一低”的現象，形成了視覺上的陷波現象。

圖6 淺層多次折射波(左)及頻譜分析(右)

圖7 單炮中的淺層多次折射波

圖8 兩種波場的頻譜疊合顯示

2.2 淺層折射波的正演模擬

為了進一步說明問題，通過微測井數據(圖10a)采用VSP速度解釋方法，即拾取初至時間并計算井中相鄰兩炮間的速度曲線[7-11](圖10b)，建立精細的近地表模型(圖10c)。將近地表模型與地下地質模型結合建立該區的綜合模型(圖11)，運用波動方程進行正演模擬。 從模擬記錄(圖12a)可以看到明顯的淺層多次折射波，對該模擬單炮進行頻譜分析，可以看到頻譜中明顯存在兩個峰值頻率，在這兩個峰值頻率之間存在著視覺上的陷波現象(圖12b)。

圖9 時窗包括兩種波場的頻譜

2.3 不同近地表厚度淺層多次折射波對地震資料的影響

對SZ工區資料中的淺層多次折射波調查發現，并不是所有地方都有明顯的淺層多次折射波，且強度也有差異，這主要由近地表結構決定。利用SZ工區中的單炮記錄及近地表結構圖分析不同近地表厚度與單炮中淺層多次折射波現象之間的對應關系(圖13)。圖中E、F方框所示分別為無和有明顯淺層多次折射影響的兩個時窗，圖14為這兩個時窗對應的頻譜。可以看到，E處表層較薄，為4m，單炮中淺層多次折射波不發育，頻譜中沒有偽陷波現象。而F處表層較厚，大于20m，單炮中表現為強烈的淺層多次折射波，頻譜中可以見到明顯的偽陷波現象。因此低降速帶厚度與淺層多次折射波的發育及偽陷波現象有關。

圖10 精細近地表模型(a)微測井數據； (b)近地表速度解釋結果； (c)近地表模型

圖11 建立的綜合模型及其正演波場快照

為分析整個工區近地表結構對淺層多次折射波的影響，按照近地表厚度將全區分為四類：小于5m；5～15m；15～20m；大于20m。在圖13中，A區近地表厚度為17m，B區近地表厚度為16m，C區近地表厚度為9m，D區近地表厚度為22m。從單炮記錄面貌看，D區淺層多次折射波能量較強，貫穿于記錄的始終。圖15是A區2.5、3.5、4.0、4.5和5.0s處時窗(圖13炮集黃框所示)的頻譜，可以看出，小于4.5s都存在明顯的“偽陷波”現象，而大于4.5s“偽陷波”現象不再明顯。因此近地表厚度為15～20m時淺層多次折射波能量較強，能影響到4.5s，也就是奧陶系目的層反射。圖16是C區1.7、2.5和3.3s處時窗(圖13炮集藍框所示)的頻譜，小于2.5s存在明顯的“偽陷波”現象，大于2.5s“偽陷波”現象不明顯。因此近地表厚度為5～15m時淺層多次折射波最大影響到2.5s左右。

圖12 模擬單炮記錄(a)及其頻譜(b)

圖13 不同近地表厚度與淺層多次折射波的對應關系 上圖為近地表厚度圖，中圖為近地表結構圖，下圖為對應的單炮記錄

圖14 圖13中E(a)、F(b)兩個窗口對應的頻譜

圖15 圖13A區2.5s(a)、3.5s(b)、4.0s(c)、4.5s(d)和 5.0s(e)處時窗(圖13炮集黃框所示)的頻譜

圖16 圖13C區1.7s(a)、2.5s(b)和3.5s(c)處 時窗(圖13炮集藍框所示)的頻譜

由圖13～圖16的分析可知，近地表厚度小于5m時， 單炮中的淺層多次折射波不明顯； 近地表厚度大于5m時，單炮中有明顯的淺層多次折射波； 近地表厚度大于20m時，淺層多次折射波能量最強，干擾范圍最大。因此近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強，影響范圍越大，偽陷波現象越明顯。

2.4 不同近地表厚度的波場模擬

為什么近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強？為此，建立不同近地表厚度模型(圖17a)，通過波動方程正演模擬，對模擬數據進行分析。

由模擬炮記錄可見，隨著近地表模型厚度的增加，淺層多次折射波能量逐漸增強(圖17b)。圖18是近地表厚度為50m時地震波在近地表內反復震蕩波場快照。首先震源激發，地震波從低降速帶之下傳入低降速帶內，當遇到地表時，地震波被反射回來向下傳播，當遇到高速層頂界面，地震波再次被反射回傳，如此地震波在地表和高速層頂界面間來回震蕩，形成淺層多次折射波[12-14]。

圖19是近地表厚度為4m時的波場快照，地震波在近地表內波長是10m，在高速層內是50m，當近地表厚度較小時，即小于1/2波長，地震波從高速層傳入近地表時，地震波直接透射過去，不會在近地表內震蕩，從而不會形成淺層多次折射波。

當近地表厚度較大時，即大于1/2波長，地震波從高速層傳入近地表時，地震波在近地表內形成多次震蕩，從而形成淺層多次折射波。且近地表厚度越大，淺層多次折射波能量越強，影響范圍越大。

圖17 不同近地表厚度模型(a)及模擬的單炮記錄(b) 從左到右近地表厚度依次為4、10、20、30、40和50m

圖18 近地表厚度為50m時的波場模擬快照

圖19 近地表厚度為4m時的波場模擬快照

3 陷波現象壓制方法

由以上分析可知，順北沙漠區地震資料中存在的陷波現象是由近地表淺層多次折射波能量較強導致的，嚴重影響了地震資料的信噪比。淺層多次折射波具有固定的視速度(約為1700m/s)和頻率(主頻為10Hz)，在近地表內沿高速層頂界面進行傳播，是典型的線性干擾[15-17]，可通過頻率和速度特征進行約束剔除[18-20]。線性干擾壓制技術較FK濾波具有更好的壓制效果，不受空間假頻影響。圖20為淺層多次折射壓制前、后結果對比，可見淺層多次折射波分布于整個單炮中，剔除淺層多次折射波后單炮信噪比有了較大提高，反射同相軸更加清晰連續，單炮頻譜中的偽陷波現象已不明顯。

圖20 多次折射波壓制前、后效果對比(a)原始記錄； (b)剔除的淺層多次折射波； (c)壓制后記錄； (d)原始記錄頻譜； (e)壓制后記錄頻譜

4 結論

順北沙漠區地震單炮記錄中的“陷波”現象，是由于近地表結構中高速層頂界面是一個較強的波阻抗界面，地震波在近地表內傳播時反復震蕩，在單炮記錄中形成能量較強的淺層多次折射波，速度為高速層頂界面速度，主頻為10Hz左右。該多次折射波貫穿于整個單炮記錄中，與地下有效反射波混疊在一起，影響了深層反射波的信噪比，在頻譜中表現為與地下反射波主頻之間形成“兩高夾一低”的形態，形成了視覺上的“陷波”現象。當近地表厚度大于5m時，單炮中有明顯的淺層多次折射波，并且當近地表厚度大于20m時，淺層多次折射波能量更強，所產生的陷波現象影響到了目的層反射。由于淺層多次折射波具有固定的速度和頻率，因此可以在處理中加以壓制，達到消除陷波現象、提高資料信噪比的目的。