利用地震勘探炮井隨鉆振動信號反演近地表結構

李 彪 李子軒 彭 文 張婧瑤 吳曉華

(①中國石油集團東方地球物理公司西南物探分公司，四川成都 610213；②中國石油西南油氣田分公司，四川成都 610041)

0 引言

受地形、地表條件限制，山地地震勘探難以使用可控震源產生地震波，通常采用炸藥作為激發震源，即在地表選定的激發點位置用鉆機鉆挖一口深約5～30m的井孔。作為鉆井動力的柴油機，在驅動鉆桿時產生持續強烈的振動，使鉆頭在鉆進過程中與地層發生摩擦碰撞也產生振動。柴油機與鉆機通過支架連接起來安置于地面，從而形成一個在地表連續振動的噪聲源，該近地表振動噪聲以井架為中心，向四周輻射傳播，其傳播規律與近地表的速度結構[1-4]密切相關。在這些設備中占突出地位的是柴油機，其振動強烈且持續不斷。

事實上，地球表面始終存在一種微弱振動，通常稱之為微動或環境噪聲，它源于自然界和人類的各種活動。所有這些振動的能量以波的形式通過地球介質散射到達接收點，其中含有各種體波，但能量傳播的主要形式是面波，即所謂的被動源面波。

Aki[5]于1957年提出一種被稱為空間自相關(Spatial autocorrelation，SPAC)的被動源面波勘探方法，用于從微動中提取面波頻散曲線。地震波干涉法是處理被動源面波數據的另一種方法，Clearbout[6]是此項研究的先驅者(1968年)。對于利用兩檢波器的道集記錄做互相關運算得到的序列信號，他認為可將其視為以其中一道為(虛擬)震源點，而在另一道接收的地震記錄?；诘卣鸶缮嬖淼奈膊夹g應用于天然地震資料的分析。在全球地殼結構層析成像中獲得成功應用的背景噪聲互相關(Noise correlation function，NCF)也是一種地震干涉法。通過數學分析和物理模型試驗，證明SPAC方法與NCF方法的物理原理是一致的[7]。

從背景噪聲中提取面波格林函數的數據處理方法[8]現已較成熟。近年來，環境噪聲反演成像在天然地震和工程地質勘查領域獲得了大量的應用。Zhang等[9]利用地震干涉法基于城市背景噪聲開展近地表調查[10-11]，通過30m的排列獲得了50m深度的地表結構數據。

在地震勘探炮井的鉆進過程中，柴油機與鉆機通過支架形成的連接體可看作一個位置明確的噪聲源，它產生的近地表振動噪聲連續向四周輻射傳播。本文針對這兩個特點，建立了在以該連接體為中心的一條輻射線上布置一系列檢波器以調查近地表速度結構[12-14]的方法：采用第1道與其余各道的連續記錄地表振動信號互相關構建面波的經驗格林函數，并通過多道數據分析法提取面波頻散曲線[15-16]，從而反演得到近地表地層的速度結構[17-19]。在現場試驗中還開展了多道瞬態面波采集和三分量微測井的對比分析，這三方面的結果對應一致。

1 方法原理

1.1 采集觀測系統

為了用地震干涉法準確地估算面波速度，背景噪聲需要在各個方向上均勻分布或接收排列在背景噪聲傳播的主要路徑上。地震炮井鉆進引起的地表振動屬于傳播方向明確的噪聲源，因此在以噪聲源為中心的一條輻射線上布置直線型接收排列是最佳觀測方式(圖1)。對于山地地震勘探而言，一般在炮井附近很難找到一塊長度或寬度超過30m的平地，最大偏離距常被限制在30m范圍內。這樣，為了能對低頻(即長波長)面波分量進行充分采樣，使用低頻的檢波器就顯得尤為重要。

圖1 隨鉆振動信號的采集觀測系統示意圖

1.2 隨鉆振動信號的特征

炮井鉆進過程中柴油機高速運轉，活塞在氣缸內氣體爆發壓力作用下，對氣缸壁進行強烈撞擊，產生活塞敲擊振動，這是柴油機振動的主要原因?；钊跉飧字兄芷谛缘赝鶑瓦\動，其頻率控制了柴油機、鉆頭和連接支架的振動頻率，因此記錄到的地表振動是周期性非平穩信號，具有如下特征。

(1)同一地震道中信號的周期長短具有一定的隨機性。這是因為鉆頭在不同巖層中鉆進速度和摩擦阻力不同，造成柴油機、鉆頭和連接支架的總體振動周期呈現隨機性，而且不同周期中振動的幅度也呈現非平穩特征，這種性質也直接影響了地表的振動特點。

(2)由于近地表壓實程度低，對地震波衰減強，造成不同炮檢距接收的振動信號振幅變化大。因此，為了避免引起地震道之間信號互相關計算誤差，需做地震道信號振幅歸一化處理。

1.3 隨鉆振動信號數據處理

理論計算和眾多實際觀測數據表明，兩點間噪聲場的互相關函數與格林函數非常相似。因此，對兩個檢波點記錄的長時間鉆井地表噪聲進行互相關，可提取它們之間近地表地震波場，即經驗格林函數。然而，直接利用兩道的地表噪聲信號進行互相關計算，通常很難得到高信噪比的格林函數，這主要是因為地表振動噪聲的頻譜存在優勢頻率，其較強的能量抑制了其他頻段的信號；此外，接收排列附近的人為活動等干擾源和不同道之間噪聲信號振幅差異對互相關結果的影響也較大。為了減少這些不利因素的影響，首先要對原始地表振動噪聲記錄進行預處理，然后再進行互相關計算。其數據處理可分為三個主要步驟。

1.3.1 單道數據預處理

通常一口炮井的完鉆時長約為60～120min。為了提高互相關結果的信噪比，將每道的長時間記錄劃分為多段，每段的時長可根據記錄信號的質量和總的記錄道長度綜合確定。一般來說，每段5min時長的信號能在互相關結果中提取到面波，段數越多，越有利于提高互相關結果的信噪比。

每段數據分別進行預處理：去均值，去趨勢，帶通濾波，時間域歸一化和譜白化。其中最重要一步是時間域歸一化處理，目的是消除排列附近的人動等干擾，并使不同道的信號振幅達到均衡。由于地震干涉法使用遠場背景噪聲計算格林函數，近場的不規則強能量干擾(如人動等)引起的強振幅干擾會影響計算結果的精度。因此，避免接收排列附近的強能量干擾就顯得尤為重要。

滑動絕對平均值法是一種有效的時域歸一化方法[8]。假定一個離散事件序列dj，利用下式

(1)

計算一個時窗內波形數據絕對振幅的平均值，即時間點n的歸一化因子ωn。逐段移動時窗，用dn除以該點的權重ωn，得到歸一化的時間序列

(2)

時窗長度(2N+1)決定了有多少振幅信息可保留。

1.3.2 分段振動信號互相關與疊加

(3)

(4)

式中Td為相關函數的最大延遲時。

1.3.3 頻散曲線的計算與反演

可將從式(3)、式(4)得到的經驗格林函數看作是一個二維單炮記錄，應用相移法、FK及Radon(τ-p)變換等面波頻散譜分析法可得到擬面波頻散曲線，然后進行阻尼最小二乘法或遺傳算法反演就可求得近地表的橫波速度場[15,19]。計算流程如圖2所示。

圖2 隨鉆擬面波頻散曲線的計算與反演流程

2 應用實例

在四川盆地秋林北地區三維地震勘探項目中對上述方法進行了試驗。整個工區的近地表為第四系土壤(厚度約10m)覆蓋下的砂泥巖互層結構，地震鉆井深度一般為15～20m，使用的鉆機類型包括空氣鉆機、水鉆和頓鉆等。試驗現場如圖3所示，為山地斜坡上的一小塊平地。在以鉆機為起點的一條直線上布設隨鉆振動信號接收排列，圖中紅色的小盒子為能長時間連續記錄的節點儀，節點儀間距為1m，共布放18個接收節點，排列總長為17m，第1道節點儀距離鉆機3m。鉆機于13∶46啟動，直到15∶16結束，井深為15.4m。

圖3 隨鉆振動信號接收排列

圖4展示了距離鉆機最近道(圖4a，即第1道)和最遠道(圖4b，即第18道)記錄(90min)的近地表振動信號。它們所反映的鉆井過程中近地表振動特征規律基本一致，但由于地震波傳播衰減，后者的振幅小于前者。圖4c為第1道信號局部顯示，可見在強振幅之間夾有一小段弱振幅，各個強振幅的幅度和間隔呈現隨機性特征，表明了隨鉆振動信號的非平穩特征。

圖4 持續90min的隨鉆近地表振動信號(a)、(b)分別為第1、第18道的隨鉆振動信號；(c)13∶45～13∶46時段的第1道信號

對記錄的18道地震數據每道分割成15段，每段時長為6min，分段進行去均值、去趨勢、時間域歸一化和頻率域歸一化等處理，再將第1道分別與其余17道對應段數據進行互相關計算和疊加，最終得到17條互相關曲線。將相關結果對延遲時求導，并對這些導數曲線按照與第1道距離從小到大的順序排列(圖5)。由于鉆機的振動以輻射狀向四周傳播，接收排列布置在以鉆機為中心的輻射線上，接收到的振動傳播方向性明確，即從第1道向第18道沿直線傳播。因此，互相關時間導數曲線的極大值集中在相關零延遲時刻的右側，它們實際上就代表了隨鉆振動激發面波的經驗格林函數。

圖5 第1道與其余17道的互相關結果對延遲時的導數

對相關零延遲時刻左、右兩側對稱點的相關值取平均，并選取0～700ms時段數據，就得到圖6a所示的隨鉆振動激發的擬面波地震記錄，它相當于震源在第1道位置處激發產生的擬面波波場。

由于圖6a的擬面波波場的震源相當于在第1道位置，為了便于對比，在第1道位置使用重錘敲擊(圖7)，按照多道瞬態方式采集實際的面波波場，接收排列為記錄隨鉆振動的同一個排列，得到的多道瞬態面波記錄如圖6b所示。通過對比，可見兩個波場非常相似，其面波同相軸出現的時間和數量也基本一致，但隨鉆振動擬面波記錄(圖6a)中的高頻成分相對多一些。對這兩條記錄分別進行圖8所示的頻散譜分析：圖中黑點表示譜振幅的局部極大值，面波的頻散點就位于這些局部極大值中；在譜強振幅(紅色)區域黑點代表的局部極大值點即為真正的面波頻散點。從圖8還可看見基階、1階和2階三種面波，它們的頻散曲線基本一致(圖9)，但隨鉆振動擬面波的1階、2階面波要強些，而多道瞬態面波的基階面波更強些。

圖6 隨鉆振動擬面波(a)和多道瞬態面波(b)記錄

圖7 多道瞬態方式采集實際面波波場

圖8 隨鉆擬面波(a)和多道瞬態面波(b)相移法頻散譜分析

圖9 隨鉆擬面波與多道瞬態面波頻散曲線比較

同時，還開展了數字三分量微測井對比試驗，得到相應的橫波(圖10中綠線)與縱波(藍線)速度的微測井解釋成果。應用阻尼最小二乘法對上述隨鉆振動擬面波頻散曲線(圖8a)進行反演，反演初始模型采用由頻散曲線計算得到的半波長模型。從反演結果(圖10中紅線)可見，面波反演得到的橫波速度與微測井測出的橫波速度基本相符。

圖10 第1道與其余17道的互相關結果對延遲時的導數

3 結論與討論

本文現場試驗的結果表明，按照被動源面波的處理方式能夠從隨鉆振動信號中提取面波信息，反演的近地表橫波速度結構與實際情況基本一致。

由于山地地形起伏變化，在炮井周邊平地長(或寬)度一般不超過30m，因此排列長度被限制在30m范圍內。對低頻信號可能存在采樣不足問題，從而影響探測深度，這是有待后續進一步研究的課題。

由于多道瞬態面波頻散曲線高頻段相對豐富，而隨鉆振動擬面波頻散曲線的低頻段信息相對充分，因此可對兩者的頻散曲線進行拼接、合并，從而拓寬頻散曲線的頻帶范圍，達到主動源方法與被動源方法聯合勘探的目的。