一種高精度地面微測(cè)井資料解釋方法

陳德武，魏新建，祿娟，李冬，何欣 (中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院,甘肅 蘭州 730020)

近地表問(wèn)題一直是陸上地震勘探的瓶頸[1]。復(fù)雜近地表會(huì)嚴(yán)重影響地震波的激發(fā)和接收，且容易產(chǎn)生散射、次生干擾等噪聲，淹沒(méi)有效信號(hào)。近地表速度變化容易引起反射波同相軸和振幅的畸變，嚴(yán)重影響地震成像[2～4]。地震勘探中表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的目的主要是為激發(fā)井深的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為靜校正提供低、降速帶的厚度和速度資料[5]。表層調(diào)查的實(shí)現(xiàn)方式主要有小折射法和微測(cè)井法，其中微測(cè)井法又分為井中微測(cè)井、地面微測(cè)井和雙井微測(cè)井。目前，大部分野外地震采集的表層調(diào)查范圍已進(jìn)入黃土高原、山地和沙漠，地形變化巨大[6]，導(dǎo)致低、降速帶地層變化劇烈，常規(guī)小折射調(diào)查法難以正確地建立近地表結(jié)構(gòu)[7]。

微測(cè)井是對(duì)近地表直接鉆孔，通過(guò)透射波和虛反射波來(lái)研究近地表的結(jié)構(gòu)[8]，它克服了小折射的缺點(diǎn)，可以準(zhǔn)確解釋如黃土高原、山地等復(fù)雜地表工區(qū)內(nèi)低、降速帶各層速度和厚度變化劇烈的情況。地面微測(cè)井是一種井中激發(fā)、地面接收的微測(cè)井方式(見(jiàn)圖1)。地面微測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)以SEG-2文件格式存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)工作人員解釋得到工區(qū)的表層速度圖和表層厚度圖。但是，由于低、降速帶可能存在地層異常點(diǎn)，若將上述異常點(diǎn)接收的道跟其他正常道一起進(jìn)行解釋，則會(huì)影響解釋結(jié)果的精度。

目前，關(guān)于地面微測(cè)井的研究較少，潘宏勛等[9]將微測(cè)井的分布情況與測(cè)區(qū)地形變化相結(jié)合，提出了距離比、積分比等微測(cè)井資料密度多參數(shù)評(píng)價(jià)方法，來(lái)評(píng)價(jià)地形變化劇烈地表微測(cè)井解釋結(jié)果的精確性，但該方法無(wú)法校正微測(cè)井資料解釋過(guò)程中的異常初至?xí)r間。王克非等[10]提出了在不改變?cè)y(cè)井觀測(cè)方式的基礎(chǔ)上，增加中遠(yuǎn)偏移距接收點(diǎn)記錄，校正微測(cè)井時(shí)深關(guān)系曲線中的異常現(xiàn)象，但該方式的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程較為復(fù)雜。為此，筆者提出了一種基于迭代線性擬合方法的高精度地面微測(cè)井資料解釋方法。

1 地面微測(cè)井資料解釋

地面微測(cè)井資料解釋過(guò)程如圖2所示，其中最關(guān)鍵的步驟是自動(dòng)拾取初至?xí)r間、計(jì)算垂直時(shí)間和選擇拐點(diǎn)自動(dòng)解釋。

自動(dòng)拾取初至?xí)r間技術(shù)包括滑動(dòng)時(shí)窗的能量比法、分形維法以及相關(guān)法等[11]。若采用合理的激發(fā)方式和激發(fā)藥量采集的地面微測(cè)井資料，初至?xí)r間清晰、起跳干脆，并且每炮只有幾十道，初至?xí)r間拾取的結(jié)果均可達(dá)到較高的精度。研究中筆者采用能量比法，其公式為[12]：

(1)

式中：R為地面微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)某一道某個(gè)時(shí)窗的能量比；X(t)為該時(shí)窗中時(shí)間t的振幅值；T1為時(shí)窗起點(diǎn)，ms；T0為時(shí)窗中點(diǎn)，ms；T2為時(shí)窗終點(diǎn)，ms。

首先，選取合適的時(shí)窗長(zhǎng)度和滑動(dòng)步長(zhǎng)，將各道地面微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)按時(shí)窗長(zhǎng)度和滑動(dòng)步長(zhǎng)分成若干小時(shí)窗；然后計(jì)算每個(gè)時(shí)窗的能量比，某道上最大能量比所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為該道的初至?xí)r間。計(jì)算第i道的垂直時(shí)間t0i的公式為：

(2)

式中：di為第i道的井檢距，m；ti為第i道的初至?xí)r間，ms。

由于井中激發(fā)的每一炮對(duì)應(yīng)地面的很多道，每一道都可以計(jì)算出其垂直時(shí)間，但垂直時(shí)間與深度交會(huì)圖中的垂直時(shí)間是某一炮的等效垂直時(shí)間，需要由該炮所有道的垂直時(shí)間計(jì)算得來(lái)。目前普遍采用的計(jì)算方法是將某一炮所有道的垂直時(shí)間求平均值得到該炮的等效垂直時(shí)間，該方法對(duì)于低、降速帶地層存在的異常點(diǎn)引起的某道初至?xí)r間存在跳變情況的計(jì)算結(jié)果不夠精確，導(dǎo)致在交會(huì)圖上解釋的速度和厚度存在偏差。目前在一些專業(yè)軟件中考慮到了上述情況，如KLSeis 6.0軟件，它采取的是人工剔除初至?xí)r間異常道或修改初至?xí)r間異常值的方式[13]，但是該方式的準(zhǔn)確性依賴于解釋人員的經(jīng)驗(yàn)，且解釋效率不高。

2 基于迭代線性擬合方法的高精度地面微測(cè)井資料解釋

地面微測(cè)井資料解釋過(guò)程中，對(duì)于井中不同深度的每一炮，完成每一道的初至?xí)r間拾取之后，根據(jù)式(2)計(jì)算出每一道的垂直時(shí)間。基于迭代線性擬合方法計(jì)算該炮等效垂直時(shí)間的步驟如下：

1)按照常規(guī)方法求取該炮所有道垂直時(shí)間的平均值作為該炮的等效垂直時(shí)間toe：

(3)

式中：n為某一炮的道數(shù)。

2)對(duì)于每一道，垂直時(shí)間誤差函數(shù)ε(di,ti)有2種形式：

(4)

(5)

(6)

5)按照步驟1)～4)的過(guò)程，計(jì)算出某口井每一炮的精確等效垂直時(shí)間，將所有炮的深度和等效垂直時(shí)間以散點(diǎn)的形式繪制到交會(huì)圖中，基于最小二乘法自動(dòng)擬合出每一層的時(shí)深曲線，計(jì)算出每一層的速度和厚度。

對(duì)于交會(huì)圖中包含m炮的某一地層，設(shè)某一炮的深度和等效垂直時(shí)間的散點(diǎn)坐標(biāo)為(H，toe)，擬合出該地層的時(shí)距曲線方程：

toe=AH+B

(7)

式中：A為斜率；B為截距。

根據(jù)最小二乘原理，求A和B的公式為[15]：

(8)

(9)

其中：

(10)

3 實(shí)際應(yīng)用

川南某二維地震工區(qū)地表復(fù)雜，低、降速帶巖性變化較大(見(jiàn)圖3)，導(dǎo)致地面微測(cè)井采集的數(shù)據(jù) 有較多的初至?xí)r間異常道(見(jiàn)圖4中第2炮的第12道)。

分別采用常規(guī)方法和筆者提出的基于迭代線性擬合方法的高精度地面微測(cè)井資料解釋方法對(duì)2017MLC001測(cè)線某口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，解釋結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，筆者提出的方法自動(dòng)剔除了初至?xí)r間異常道后，計(jì)算的等效垂直時(shí)間更加精確，交會(huì)圖中散點(diǎn)基本沒(méi)有出現(xiàn)偏離擬合時(shí)距曲線的情況，計(jì)算的各層速度和厚度也更為精確。

圖6是分別使用常規(guī)方法和筆者提出的方法解釋得到的厚度和速度資料對(duì)2017MLC001測(cè)線剖面進(jìn)行靜校正處理的結(jié)果對(duì)比，可以看出，使用筆者提出的方法解釋成果進(jìn)行靜校正處理后，表層成像效果比常規(guī)方法改善明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

基于迭代線性擬合方法的高精度地面微測(cè)井資料解釋方法，可以快速自動(dòng)剔除由于低、降速帶地層異常點(diǎn)導(dǎo)致的初至?xí)r間異常道，保證了計(jì)算井中每一炮等效垂直時(shí)間的精確性，從而大幅度提高了井中微測(cè)井解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。相較于常規(guī)方法和常用專業(yè)軟件，它無(wú)需增加施工現(xiàn)場(chǎng)額外的工作量，也不用手動(dòng)剔除初至?xí)r間異常道或修改初至?xí)r間異常值，使地面微測(cè)井解釋過(guò)程更加自動(dòng)高效。筆者提出的基于迭代線性擬合方法的高精度地面微測(cè)井垂直時(shí)間計(jì)算方法已經(jīng)集成到地震采集質(zhì)量監(jiān)控軟件系統(tǒng)GeoSeisQCV3.0中，在野外地震采集現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。