巴丹吉林高陡沙漠區低頻震源勘探技術攻關

摘要：沙漠區可控震源作為一種安全、環保、高效、低成本的激發源，越來越受到油公司的重視;但對可控震源的實際應用效果往往持有疑慮。針對巴丹吉林高陡沙漠區影響低頻震源激發效果因素分析，研究得出掃描信號量化設計與優選方法，攻關改進了低頻低畸變信號保護技術，并通過逐級疊前噪音壓制和實施高精度速度分析，形成了一套有效的高陡沙漠區低頻震源勘探方法，使得施工質量和效率得到明顯提高，所獲得的地質資料品質得到較大改善。

關鍵詞：巴丹吉林;高陡沙漠區;低頻震源;信號設計;低頻低畸變;噪音壓制

一、前言

內蒙古西部巴丹吉林沙漠區，屬典型風積沙漠地貌，沙丘高陡，地下構造復雜。該區所鉆探的拐參1井見到良好油氣顯示，證實了拐子湖凹陷成藏條件較好，具有一定的資源潛力。但是該區地形起伏劇烈，高速層頂界面埋深巨厚，且主要勘探目的層埋藏深、跨度大（K1y-K1b1埋深2000-4000m，最大埋深5000m），使得提高該區地震資料品質難度較大。為獲得適合本區的地震勘探方法，通過低頻震源勘探技術攻關，獲得了較好的勘探效果。

二、 主要攻關技術

（一）基于地層響應的掃描信號設計與優選

1.常規方法

常規優選掃描信號是先選定一個不變因素，然后逐一匹配試驗。現假設有一個優選方案，按震源參數逐一優選時至少需試驗炮數如下：

當匹配因子全選時n≥C31.C31.C61.C91.C61.C81=23328;

輪選至起止頻率參數時n ≥ C61.C81=48。

由此可見，常規設計和優選震源參數，試驗量非常大，參數優選難度也較大。

2.新方法

依據各參數對信噪比提升效果，分組分步實施。對于可控震源，單炮資料信噪比的改善來源于震源5個激發參數的組合匹配，其中W（絕對頻帶寬度）是大值變量，而要獲得較大的絕對頻帶寬度，就需科學地設計最大和最小頻率范圍。其它因素不變時，終了頻率越大，越有利于改善單炮信噪比;信噪比改善程度隨其它因素提高變得緩慢;由此可見，先設計終了頻率是關鍵。

（1）“五步逼近法”設計終了頻率

依據終了頻率最大值和最小值的設計原則，將兩個極值邊界由兩端逐漸向中間靠近，以逐漸逼近目標值即最佳終了頻率。

①與數據采集系統假頻濾波參數匹配。采樣率2ms時，選擇高段截止頻率<125Hz。

②與主要目的層反射時間響應。主要勘探目的層取反射時間1.55s，經計算fK1y≤96.8Hz，終了頻率 ≤96Hz合適。

③與主要目的層固有頻率響應。工區最淺目的層峰值頻率80Hz，終了頻率≥ 80Hz。

④與優勢頻段響應。

⑤考慮高頻成分的吸收。設定一個線性升頻掃描信號，掃描頻率3-84Hz，掃描長度20s，斜坡0.9s，據此可算出掃描優勢頻段6.65-80.36Hz;依據以上分析，結合VSP測井資料，終了頻率設計范圍應逼近在86Hz≤f2 ≤96Hz。

（2）基于倍頻程數的低端頻率優選

單純增加高端頻率可能會降低分辨率，增加倍頻程利于提高分辨率，尤其是地質薄層。物理學家什內爾索納在《可控震源地震勘探》提到“只有在使用相對頻寬為2或更大倍頻程的掃描信號時，才有可能實現線性掃描信號的高分辨率可控震源地震勘探”。事實上，當相對頻寬相同，自相關子波清晰度一樣，但增加高頻成分可改善分辨率。

進一步研究發現，在設計掃描信號時，還需考慮低頻陷阱。低頻頻率設置過低，則對震源達到最大重錘行程和對震源液壓控制系統要求較高。由Normad65-Neo可控震源激發原理推導如下：

a=-4π2Xf2sin（2πft）， a=4π2Xf2（重錘最大加速度）

F=4π2MXf2（M為重錘質量，X為重錘最大行程）

對于特定型號的可控震源，其重錘質量一定（Nomad65重錘質量4082kg）， 于是，4π2M=160.9875，FMAX=62000磅=28122.7kg，也就是X=176K/f2（f為起震頻率，X為重錘最大行程，K為出力）。

因此，擴展低頻既是對震源機械性能的考驗，又是出力大幅降低的結果。從保護深層低頻看，起始頻率越低越好。綜合考慮，最終確定掃描信號起始頻率為3Hz（如圖4）。

（二） 低頻低畸變信號保護技術

可控震源振動性能和應用潛力取決于其控制系統能力和綜合質控能力[2]。即確保設計出完美的寬頻掃描信號理想地實施，并盡可能減小信號畸變。

（1）信號斜坡設計技術

① 減小掃描信號的邊界效應，使相關子波邊葉平靜[3]，盡量做到往大處選;

② 優勢頻帶不落入斜坡中，需要做到往小處選。

對于掃描信號瞬時頻率f（t）=f1+kt（0≤t ≤TD），當f1=3Hz， f2=84Hz時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，優勢頻段在7-84Hz。生產中要按照理論計算、震源參數限制曲線，結合地震資料，選擇合適的斜坡長度。

（2）地形斜坡控制技術

針對高陡沙丘，震源斜震角度較大時，影響到地面力分布而降低激發能量，并易帶來諧耦畸變，因此，在布設震點時需坡度的影響。圖5顯示地面剛性與粘度較大值一般分布在迎風面，而地面剛性平均值32，粘度平均值35。因此，激發點需選在沙丘迎風面較高部位。

（三）低頻勘探資料處理關鍵技術

通過逐級噪音衰減和振幅平滑技術，對“黑三角”內噪聲第一次衰減，通過分頻噪聲衰減技術，利用速度和頻率特征，對“黑三角”內噪聲第二次衰減[4]，通過自適應模式識別噪聲技術對折射波干擾（十字交叉域、高速度）等一系列處理，單炮頻寬更寬。

三、應用效果

（1）本課題在銀額盆地拐子湖項目實施，通過科學優選參數，進行低頻震源寬頻掃描激發，具有同井炮相當的單炮品質，為后續沙漠區震源代替井炮施工提供了可靠依據。

（2）完成的三維剖面淺層層位與地震解釋剖面完全吻合;基底、邊界斷層更加可靠，通過本次地震采集可以更準確的確定拐子湖凹陷中洼構造格架，震源資料較井炮有所頻帶拓寬。

四、結論與建議

（1）本項目通過技術攻關，形成了震源參數量化設計與優選、低頻低畸變弱信號保護及噪音衰減處理等關鍵技術，達到了項目預期目的。

（2）量化設計震源參數有利于滿足勘探需求，對于改善資料信噪比效果明顯。

（3）建議今后在運作項目時，提前搜集好工區地震和測井資料，更好指導參數設計;

（4）采用低頻激發，有利于獲得深層弱反射信息，考慮到低頻檢波器的幅頻響應特征，建議以后采用配套的低頻檢波器接收。

（5）針對銀額盆地高陡沙丘和高陡構造雙復雜特點，建議進一步開展精細處理，改善成像效果。

參考文獻：

[1] 陶知非.《高精度可控震源技術》本成果是國家“十二五”國家863項目。

[2] 王光德.可控震源源驅動技術的實現方法，《物探裝備》，2012年22（2），97-100。

作者簡介：

胡嘯（1969-），漢族，男，湖北廣水人，本科，高級工程師，長期從事地球物理勘探地震資料采集技術研究與應用工作。

作者單位：中石化石油工程地球物理有限公司華北分公司