高精度地震勘探采集问题的探讨

高精度地震勘探采集问题的探讨

吕公河

一、激发问题

1、激发耦合问题

地震勘探的炸药激发耦合有两个方面，即炸药与围岩的阻抗耦合和炸药形状与围岩接触的几何耦合。当炸药的爆速与密度之积与周围介质的波阻抗(介质弹性P波速度与密度之积)一致时，阻抗耦合匹配最佳；几何耦合认为炸药包的几何直径与激发井的直径一致时，达到最佳几何耦合。长期以来，人们一直认为这两种耦合都最佳时产生的弹性波能量最大。而实际生产中并非如此。在平原胶泥中激发时，采用的炸药爆速往往较高，不符合波阻抗耦合要求，但激发的弹性波能量却比较好(当然是饱和水时)；在1800—4000米／秒的致密岩石中激发时，其波阻抗与常用的中爆速炸药的爆速与密度之积相接近，按理论波阻抗耦合应该是较好的，但往往激发不出较强的地震波能量；尤其在几何耦合也较好时，爆炸能量对周围的作用很难释放开，也即是没有能量释放空间，而大部分能量从井口释放，形不成较强的弹性波。因此人们在岩石中激发时，往往是先在井中激发一下，使井底形成一定的空腔，然后再下炸药进行正式激发，这样做使爆炸有一个作用过程和能量释放空间，其激发效果有所改善。

从力学的角度分析，爆炸对围岩的作用就是一种冲击，其强度依赖于作用力和作用时间，二者的乘积就是作用的动量。

从能量的角度来考虑，激发是一种能量的转换，是将炸药化学反应产生的各种能量转换成机械能，其中产生弹性能的大小是由在弹性界面上作用力平方与作用时间决定的。

高爆速激发时，作用在周围介质上的力大；但作用时间相对较短，激发信号频率较高；低爆速炸药激发时，作用在周围介质上的力小，但作用时间相对较长，信号频率较低。在岩石中激发时，低爆速炸药会增加作用力的时间，而胶泥中激发时，高爆速炸药会增加作用力的强度，同样可能形成较好的能量。通过上面的分析，地震波的激发要在爆炸对围岩的作用力与作用时间选取一个最佳的组合，才能激发出既具有一定能量又具有较高频率的地震波。因此长期以来的爆炸耦合理论与实际的实践存在一定差距，有待于进一步的实践和探索。人们一直推崇的低爆速炸药激发是建立在产生低频大能量稻号的基础上的一种做法。在高精度地震勘探中，首先要考虑围岩特性，适当选择炸药类型，使爆炸对围岩有一个较好的作用力和作用时间，以提高地震波的信噪比和分辨率。

从波阻抗耦合的理论来看，岩石中激发要用高爆速炸药，黄土中要用低爆速炸药激发，这种耦合是“以柔对柔，以刚克刚、”的一种作用方式，不符合自然哲学道理。

2、激友方式

1)正确地利用装药结构

在高精度地震勘探中，为了提高地震资料的频率和信噪比，近几年来人们设计出了垂直延迟叠加震源和其他一些定向震源，其原理是由小药量产生高频信号，通过延迟叠加来提高能量，其目的是增强下传能量，减少在近地表形成的干扰。通过试验垂直延迟叠加震源比地震锤和常规震源的资料面波减弱、频率提高。但是随着技术的日益成熟，人们对这种震源的要求也越来越高。比如在深层地震勘探中，希望该种震源既能产生深层高频信号，又能产生较强的能量；结果使单级的药量加大，总体信号频率降低。更有甚者，在常规的地震勘探中，其它方法都不变，只是片面地想通过垂直延迟叠加震源来提高分辨率的目的，其结果是将产生的高频信号在其他一些环节上都丢失掉了，达不到最终目的。在高精度勘探中单纯地提高某一项技术的做法是不妥的。因此，在使用延迟叠加震源时，在其他一些环节上要有相应的配套技术，而不是单纯地提高某一项技术。当然，在其他技术水平都较高时，找出瓶颈部位加以改进也会使整个技术提高。目前利用定向聚能原理，还研制出了各种定向震源，有利于提高有效波能量和减弱近地表中的各种干扰。

2)定量确定激发深度

炸药震源的激发深度对地震信号的品质有较大的影响，其中包括能量、频率和噪音，正确地选择激发深度是至关重要的。常规的做法是依据表层结构调查确定的虚反射界面，再规定在虚反射界面以下几米深的位置放置炸药(在大多数情况下规定炸药包的顶距虚反射界面1—2米)，这种定性的做法不是很严格的做法，应该从①需要保护的高频信号成分人手计算药包距虚反射界面的距离，再考虑②药包爆炸半径要小于药包距虚反射界面的距离以及③选择合适的激发岩性来定量地确定炸药的沉放深度。这对于增强下传能量、减少近地表的干扰都是至关重要的。

3)激发药量问题

激发药量的大小对产生的地震信号的能量有直接的影响，一般药量大能量强。爆炸产生的地震波大体可以分为两种：一种是有效波，一种是干扰波。那么有效波和干扰波相对能量的大小，要看勘探地区的表层结构和近地表的地形等情况。在表层疏松并且有一个较强的屏蔽层时(如黄土塬)，爆炸产生的地震波能量

大部分都在表层中形成干扰，而只有部分能量下传形成有效波，类似这样的低信噪比地区，并不是药量大就能提高信噪比，相反会降低信噪比。因此，要通过对噪音和有效信号的分析，来恰当地选择激发药量。另一方面大药量激发会降低地震波的频率，不利于提高地震资料的分辨率。药量的选择要在信噪比韧分辨率之间寻找一个最佳的折衷点。

二、接收问题

1、正确地选取检波器类型

高精度地震勘探中，人们对检波器的要求一直很高。而且，根据大地对地震吉号的吸收衰减特点，力求借助检波器的频率特性来加以补偿(与可控震源的非线性扫描是截然不同的)，因此，就产生了高频检波器，利用低于自然频率的顷响陡度，来达到压制低频信号相对提高高频信号的目的。在16位地震仪器时代，为了防止瞬时动态范围的不足，较强沟低频信号将全部位数占满而将较弱的高频信号挤出记录位数之外，从而丢掉了高频信号，所以采取了削弱低频信号保护高频信号的做法。但是随之而来的是接收信号的低频缺失，尤其是采用高频检波器接收时，频带变窄，根据傅里叶变换，其地震信号旁瓣增多，不利于分辨率。目前24位的数字地震仪，由于具备了较高的动态范围，是能够满足检波器接收信号的要求，再采用压低低频信号相对提高高频的做法是不合适的。尤其是采用较高频检波器，从单炮记录上看；信号频率好像提高了，其实信号的高频成分没变，变的只是滤掉了低频信号。

加速度检波器目前使用的有涡流式和压电式两种，涡流式直接感应的是速度，只是通过涡流转换，相当于对速度进行了一次求导，而变为加速度。压电检波器直接感应的是作用力，是一种真正的加速度检波器，由于它的结构和材料的原因，使其具备了较高的稳定性。加速度检波器在较弱压制低频信号的前提下，高频信号的频率响应适当加大，对于提高高频信号还是有利的，但是不会改变某些频率段上的信噪比，整体来看，由于高频端的信号提起来，显得整个记录的信噪比较差，其实在滤波之后，每个频率段上的信噪比是不会改变的。

地震勘探作为一种测试技术，其所使用的传感器不应该对所测试的信号有较大的改造，无论从频率上、相位上还是能量上，应该真实地反应被测信号，那就要求所使用的传感器在工作范围内能量、频率、相位响应都是线性的。具体到地震勘探所使用的检波器，在频率特性上，从地震信号的低频到高频都要具有相同的灵敏度，同时具有良好的线性相频特性，这样才能够最真实地将地震信号感应下来。可以通过整体提高灵敏度的做法，来提高感应弱信号的能力。因此采取高频检波器不是一种理想的做法，只会失去优势段的低频信号，造成窄频带接收的

结果。

2、检波器埋置问题

检波器的埋置对于高精度地震勘探是至关重要的。这关系到耦合谐振频率对接收高频信号的影响问题，埋置的好坏与埋置的环境介质有关，有些位置即使埋置得很好，也存在着耦合谐振(安装谐振)问题。比如海边的淤泥地带或沙漠地区，这是无法避免的，只能是采取一些措施加以改进。但是对于一些人为的做法，可以加以改进和避免。比如，人们将检波器放置在井中接收；其结果使接收点的接收波场和环境复杂化，造成一些新的干扰，而且造成了地震信号的“伪陷波”效应。因此，井中接收是一种不可取的方法。那么检波器埋置在什么情况下比较合适？在平原地区，一般不要离开地表的硬壳层(一般20-30厘米)埋实；黄土塬、沙漠区在浮沙土下埋实即可。接收中的另一种做法就是将几个或十几个检波器芯子放在一个大铁壳中，形成单点接收，这种做法使得整个检波器质量增加，根据振动系统的弹性与质量之比的平方根即为振动系统固有频率的理论，险波器质量的增加，谐振频率降低将会降低接收系统的工作频率，影响高频信号的接收。

三、噪音问题

1、噪音类型

在高精度地震勘探中，我们要更加重视对噪音的分析。对于不同的勘探地区，噪音的类型是有差异的，尤其是次生噪音。在山区勘探中，侧面的次生干扰极为发育，尤其在沟中勘探，沟口、沟梁次生反射绕射等，还存在着多次振荡的干扰。在平原地区，由于地表的不均匀性，也存在着各种次生干扰波。除次生波动干扰外，由于地面上的各种设施(桥梁、房屋等)与大地之间组成了一些振动系统，当没有外界激励时，这些振动系统就处在静平衡状态，当受到来自震源的激励后就会振动起来，形成振动干扰。波动次生干扰是沿空间分布、表现在地震记录上是跨道成轴的，振动次生干扰是沿时间分布的，表现在记录上就是某道(或相邻几道)随时间振动的。概括起来，弹性干扰只有波动干扰和振动干扰两种。

2、干扰压制

高精度勘探工作中，对于干扰波的压制，一直是广大地球物理工作者探索的课题，尤其是一些低信噪比地区，但一直也没有很好的办法。对于环境噪音，人们一直是避开或是在相对较弱的时间内进行施工。在激发时，利用震源方向性和近地表的结构尽量减弱在近地表层中产生的各类干扰。可控震源的组合使用，对于提高地震资料的信噪比也是很有成效的。在检波器接收压噪方面，最初检波器组合主要是为压制面波，随着高分辨率地震勘探技术的发展，人们提出了单点接收(单道不组合)方法。这种做法的结果是降低了信号的信噪比，失去了一次利用

干扰波传播的方向特性和组合压噪的方向特性来压制沿近地表传播的各种干扰的良机，室内是无法弥补的。因此，单道不组合的接收方法是不可取的(与目前国际上点接收的概念是不同的)。

为拓宽优势频带的宽度，在无法提高靠近优势频带高频端的有效信号的能量时，采用检波器组合的方式来有目的地压制高频端的噪音，也可以适当拓宽优势频带的宽度。但必须先确定需要压制的高频端噪音的频率范围，然后计算组合基距和组内距，有针对性地压制该频率附近的噪音。

四、覆盖次数

高精度地震勘探，近几年来在观测方式方面大有覆盖次数越高越好和CDP面元越小越好的趋势。一些高精度勘探覆盖次数都在60次以上，甚至还有更高的达到数百次。覆盖次数的选择，要分析单炮信噪比情况，不同的地区覆盖次数也有所差异。特别是在低信噪比地区，能够得到地下构造的形态就可以了，主要追求的是信噪比。而在高精度勘探中，不仅要有较高的信噪比，还要有较高的分辨率。因此，覆盖次数的选择不是越高越好，当覆盖次数较高时，信噪比较高，但分辨率降低；当覆盖次数较低时，分辨率较高，但信噪比较低。因此，只有在信噪比与分辨率之间相对都较好的覆盖次数才是要选择的。我们在Cz地区进行了覆盖次数试验，通过处理得到了覆盖次数为9次、18次、36次、72次的4套剖面。剖面分析表明：9次剖面频率最高，但信噪比最低；72次剖面信噪比最高，但频率最低；综合信噪比和频率，36次覆盖时分辨率和信噪比均较好。因此，在高精度勘探中，覆盖次数选择要适中，最好通过试验段处理分析后确定。

通过以上的分析，作者认为高精度勘探采集工作中有以下几点意见供大家参考：

1、激发偶合问题不要过分强调炸药爆速，要分析围岩介质的特性(产生地震波的频率更大程度上依赖围岩的特性)，利用能量转换的理论对症下药。

2、激发井深要从定性的确定方法提高到定量的方法上来，并结合探区实际广泛推广应用。

3、自然频率较高的检波器慎用，中深层油气地震勘探最好不用，它不仅从根本上失掉了低频段的地震信号，同时对高频信号没有任何改善；而且较大地改造了地震信号。

4、检波器井中接收的做法使得接收环境和波场变得复杂，尤其在表层条件复杂的地区，同时还存在“伪陷波”效应。检波器近地表埋实即可。

5、检波器集中组装单点接收的做法，降低偶合谐振频率，失去了一次压噪机会；因此，既不利于分辨率，又不利于信噪比。

6、小面积组合有针对性地压制高频段噪音，以拓宽优势频带。

7、覆盖次数的选择既要考虑信噪比又要考虑分辨率，同时还要考虑经济效益。在三者之间求平衡。

8、激发、接收两次能量的转换在客观物质确定后，更需要对与之相应的两种偶合方式加强研究。

高精度地震勘探是一门精细的勘探技术，在这项技术中，由于人们的认识的局限性，还存在着许多不同的看法。这就需要广大地球物理工作者都来关注这项技术，共同探讨这些问题，使这项技术更加完善。同时，要清楚地认识到这项技术的整体配套组合是非常关键的，不要片面地强调某一单项技术(在实际工作中，往往容易走片面和极端)。正象李庆忠院士所认为的那样。高分辨率地震勘探是一项系统工程，就象一个“链条”。高精度地震勘探也一样，各项技术就象“链条”中的各个环节，是相互联系，相互制约的。只有统筹设计，整体提高，才能达到高精度地震勘探的目的。