高速层出露区常规地震勘探存在的问题及对策

　

第27卷　第1期2006年1月

石油学报

AC TA PETROL EI SIN ICA

Vol.27　No.1Jan.

2006

基金项目:国家“十五”科技攻关项目“矢量地震、山地地震勘探技术研究”(2003BA 613A Ο09)资助。

作者简介:刘洋,男,1972年10月生,1998年获石油大学(北京)博士学位,现为中国石油大学(北京)资源与信息学院副教授,主要从事多波多分量地

震勘探科研和教学工作。E 2mail :wliuyang @https://www.360docs.net/doc/0e957040.html,

文章编号:0253Ο2697(2006)01Ο0053Ο05

高速层出露区常规地震勘探存在的问题及对策

刘　洋

(中国石油大学中国石油天然气集团公司物探重点实验室　北京　102249)

摘要:对比分析了低速近地表和高速近地表对反射波传播的影响。结果表明,当近地表速度为低速时,可以将垂直检波器记录的地震记录近似等同于反射纵波记录,这就是常规地震勘探在低速带区勘探取得成功的原因之一;当近地表速度为高速时,随着界面倾角和入射角的增加,垂直检波器记录的地震记录等效为反射纵波记录的误差增大,这就是存在高速近地表区地震勘探的难点之一。用三分量检波器替换垂直检波器,进而来完整地记录矢量地震波场,这是解决这一困难的根本办法。提出了对高速近地表区进行三分量地震资料处理的方法。

关键词:地震勘探;反射波;垂直检波器;三分量检波器;地震资料处理中图分类号:P 631 文献标识码:A

Some problems and strategies for conventional seismic exploration

in the high 2velocity rock outcropped areas

Liu Yang

(CN PC Key L aboratory f or Geop hysical Pros pecting ,China Universit y of Pet roleum ,B ei j ing 102249,China )

Abstract :The conventional seismic exploration by adopting source of compression wave and receiver of single component geophone is unsuitable for high 2velocity rock outcropped areas such as mountain land ,mountain f ront and tundra areas.The effects of near 2surface low 2velocity layer and near 2surface high 2velocity layer on the propagation of reflection wave were analyzed.The results show that seismic data recorded by vertical geophone may approximate to the data of reflected compression wave when the near 2surface velocity of rock in outcropped areas is low ,which makes the conventional seismic exploration succeed in these areas.In land areas with high 2velocity rock outcrop s ,the seismic data recorded by vertical geophone deviate f rom the data of reflected compression wave with the in 2crement of dip angle of strata and incident angle of reflection wave ,which results in the difficulties of conventional seismic exploration in the near 2surface high 2velocity rock outcropped areas.The three 2component geophone can be taken as a receiver to record the vector field of seismic wave instead of the vertical geophone.The processing technologies of the three 2component seismic data in the near 2surface high 2velocity layer are presented.

K ey w ords :seismic exploration ;reflection wave ;vertical geophone ;three 2component geophone ;seismic data processing

在平原区、沙漠区、黄土塬、沼泽区等地区开展地震勘探时存在一个共同特点,即近地表存在低速带。低速带的存在,对地震波场传播的影响很大[1]。目前,地震勘探普遍采用纵波震源激发、垂直分量检波器接收方法。在存在低速带的地区,由于垂直检波器几乎完整记录到了反射纵波,因而能够取得较好效果。

随着石油天然气勘探领域的不断拓展,油气勘探的区域逐渐向山前带、山地和冻土区延伸,在这些地区取得一些成功实例的同时,也遇到了很多困难。这些地区近地表的速度结构发生了极大变化,主要是存在高速层出露的问题[2Ο5]。本文从近地表速度特征出发,对比分析了低速近地表(低速带)和高速近地表(高速

层出露)对反射波传播的影响。提出了采用纵波震源激发、三分量检波器接收地震反射波的方法来克服高速层出露的影响,并对相应资料处理提出了新的方案。

1　近地表速度和界面倾角对反射纵波

出射方向的影响

在常规地震勘探中采用垂直检波器接收地震波时,只是接收到了地震波振动在垂向上的投影。由于纵波质点振动方向与波的传播方向平行,所以来自地下界面反射波出射到地面的出射方向直接影响到质点振动在垂向上的投影。当反射纵波出射方向越接近于垂直方向时,其在垂向上的投影就越大。

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为了研究近地表速度对反射波出射的影响,引入如下2种典型速度模型:低速近地表的层状介质模型Ⅰ(表1)和高速近地表的层状介质模型Ⅱ(表2),其中,地面第1层和第2层的分界面、第2层和第3层的分界面均为水平。

表1　低速近地表模型Ⅰ

T able 1　Model Ⅰof near 2surface low 2velocity Layer 地层

厚度

/m

纵波速度

/(m ?s -1)

速度

比值

密 度/(103

kg ?m -3)

12080022.023*******.23295040001.852.54

600

4500

2

2.6

表2　高速近地表模型Ⅱ

T able 2　Model Ⅱof near 2surface high 2velocity Layer 地层

厚度

/m

纵波速度

/(m ?s -1)

速度

比值

密 度/(103

kg ?

m -3)

120350022.3230380022.43295040001.852.54

600

4500

2

2.6

111　水平界面

针对低速近地表模型Ⅰ和高速近地表模型Ⅱ,计

算了来自第3层底面反射纵波的出射角随炮检距的变化,如图1所示。此时,第3层底界面为水平界面,出射角定义为反射波出射到地面时的传播方向与垂向的夹角,炮检距由0m 变化到3000m 。由图1可见,随

图1　反射波出射角与炮检距的关系

Fig.1　R elationship betw een emission angle of

reflection w ave and offset

着炮检距增加,反射波出射角增大;低速近地表模型的

反射波出射角要低于高速近地表模型的反射波出射角;在炮检距为0时,2个模型的反射波出射角均为0°;在炮检距为3000m ,低速近地表模型的出射角仅为512°,而高速近地表模型的出射角已达到23.1°。显然,低速近地表模型的反射波出射方向比高速近地

表模型反射波的出射方向更接近于垂向。

112　倾斜界面

当地下存在构造时,地下界面会有一定倾角。在计算中,令第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和60°。这4个倾斜界面均过坐标为(3000m ,3000m )的A 点。计算了来自第

3层底界面A 点的反射纵波出射角随入射角的变化规律。其中,入射角定义为第3层底界面的入射角;出射角定义为反射波出射到地面时的传播方向与垂向的夹角,当出射方向指向下倾方向时,出射角为正值;当出射方向指向上倾方向时,出射角为负值。

模型Ⅰ的第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和60°时,反射波出射角随入射角的变化见图2,由图2(a )可见,反射波出射角随着界面倾角的增加而增加;即使当界面倾角为60°时,反射波出射角也仅为10°左右。由图2(b )可见,反射波出射角随着界面倾角的增加而减小;即使当界面倾角为60°时,反射波出射角也小于10°。

图2　模型Ⅰ反射波出射角随入射角的变化

Fig.2　Emission angle of reflection w ave varying with

incident angle of reflection w ave in model Ⅰ

模型Ⅱ的第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和

60°时,反射波出射角随入射角的变化见图3,由图3

(a )可见,反射波出射角随着界面倾角的增加而增加。

当界面倾角为20°,反射波出射角大于17°;当界面倾角为40°,反射波出射角大于34°;当界面倾角为60°时,反射波出射角大于49°。由图3(b )可见,反射波出射角随着界面倾角的增加而减小;反射波出射角偏离0°较远。

　第1期刘　洋:高速层出露区常规地震勘探存在的问题及对策55

　

图3　模型Ⅱ反射波出射角随入射角的变化

Fig.3　Emission angle of reflection w ave varying with

incident angle of reflection w ave in modelⅡ

上述分析表明,当近地表速度为低速时,界面倾角的变化对反射波出射角影响不大,反射波出射方向仍然近似垂直出射;当近地表速度为高速时,界面倾角的变化对反射波出射角影响很大。当界面存在较小倾角时,反射波出射方向偏离垂向较远。

2　近地表速度对垂直检波器接收反射纵波振幅的影响

211　垂直检波器接收反射纵波振幅

为了研究近地表速度对反射振幅的影响,计算了反射波垂向振幅随界面倾角、入射角的变化,反射波垂向振幅值(或反射波垂向系数)定义为反射系数在垂向上投影值,真实反射波振幅值为反射系数值。

模型Ⅰ的第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和60°时,反射波垂向振幅值随入射角的变化见图4。由图4可见,界面倾角的变化对反射波垂向振幅值影响不大,反射波垂向振幅值都很接近真实反射波振幅值。

模型Ⅱ的第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和60°时,反射波垂向振幅随入射角的变化见图5。由图5(a)可见,随着界面倾角的增加,反射波出射角逐渐增大,反射波垂向振幅值明显降低,反射波垂向振幅值偏离真实反射波振幅值越远。由图5(b)可见:当倾角为0°时,反射波垂向振幅值随入射角增加而减小;当倾角为20°、40°、60°时,反射波垂向振幅值随入射角增加而增加,表明反射波垂向振幅值随入射角的变化趋势与界面倾角有关;当界面倾角较大时,反射波垂向振幅值偏离真实反射波振幅值较远。

由图4和图5还可以看出,在界面存在倾角时,当入射角相同时,采用上倾方向激发、下倾方向的计算结果与采用下倾方向激发、上倾方向的计算结果不相同。即:当界面存在倾角时,炮点和检波点不满足互换性原理。

在常规反射纵波地震勘探中,往往将垂直分量地震记录等效为反射纵波记录。在高速层出露区,这种等效显然存在较大误差,垂直分量地震记录上所反应的AVO效应也是片面的。如果不消除出射角的影响而直接进行纵波AVO分析,得出的结果将存在较大误差甚至是错误的

。

图4　模型Ⅰ反射波垂向振幅随入射角的变化Fig.4　V ertical amplitude of reflection w ave varying with

incident angle of reflection w ave in modelⅠ

212　合成地震记录

当纵波非垂直入射到不同介质分界面上时,除了形成反射纵波之外,还要形成反射转换横波。当纵波、横波非垂直出射到地表时,其振动会在水平方向和垂向上均有投影。因此,垂直检波器、水平检波器一般都接收到不同强弱的纵波和转换横波。

令模型Ⅰ、模型Ⅱ第3层底界面倾角分别为0°、20°、40°和60°,这4个倾斜界面均过坐标为(3000m, 3000m)的A点,计算中仅考虑来自界面第3层底界

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图5　模型Ⅱ反射波垂向振幅随入射角的变化

Fig.5　V ertical amplitude of reflection w ave varying with incident angle of reflection w ave in model Ⅱ

面的反射纵波和反射转换横波,合成记录为共中心点记录,中心位置为(3000m ,0m ),最小炮检距为100m ,最大炮检距为3000m ,采用上倾方向纵波震源激

发、下倾方向垂直检波器接收。

计算得到的低速近地表模型Ⅰ、高速近地表模型Ⅱ的地震记录见图6,每个小图的左半部分为X 分量(水平径向分量)记录,右半部分为Z 分量(垂直分量)记录。由图6可见,纵波和横波在2个分量上都有投影。随着倾角和炮检距的增加,纵波在垂直分量上投

影减小,而在水平分量上投影增大;横波在垂直分量上投影增大,而在水平分量上投影减小。当近地表速度

为低速时(模型Ⅰ

),反射纵波主要集中在垂直分量上,反射横波主要集中在水平分量上;当近地表速度为高

速时(模型Ⅱ

),反射纵波在垂直分量和水平分量上的投影量受界面倾角和炮检距影响较大。当倾角较大时,反射纵波在水平分量上的投影量会超过其在垂直分量上的投影量,反射转换横波在垂直分量上的投影量会超过其在水平分量上的投影量

。

图6　低速近地表模型Ⅰ和高速近地表模型Ⅱ的合成地震记录

Fig.6　Synthetic seismic records for model Ⅰand model Ⅱ

3　分　析

目前,在常规地震勘探资料处理时,一般都假设垂

直分量记录的主要是反射纵波,因而直接将Z 分量记录等同于纵波记录。当近地表速度为低速时,反射波近似于垂直出射到地面,反射纵波能量主要投影到垂直分量上,反射转换横波主要投影到水平分量上,因而

在这种情况下假设是合理的。

但是,当近地表为高速时,界面倾角越大,入射角越大,则反射波出射角越大,反射波在垂直分量和水平分量上的投影强弱主要取决于界面倾角和入射角。如果此时仍然认为垂直分量记录为纵波记录,就会存在较大误差,这种误差一般随着界面倾角和入射角的增加而增加。而且,当地下界面存在一定倾角时,检波器

　第1期刘　洋:高速层出露区常规地震勘探存在的问题及对策57

　

记录到的反射纵波和转换横波一般会来自非铅垂面内,所以此时反射纵波和转换横波会在3个分量上有投影。因此,将垂直分量记录等同于纵波记录将会产生如下问题:

(1)纵波AVO(反射振幅随炮检距变化)是不真实的,因为它包含了出射角的影响。

(2)记录信噪比降低,这是因为垂直分量上记录的纵波信息不完整,同时垂直分量上还受到了横波的干涉。

产生上述问题的关键是反射波非垂直出射到地面。如果已知反射波出射角,即可以恢复出反射波的真实振幅。一种可行的办法是:先反演地下速度场,然后根据速度场来确定反射波出射角,进而进行角度校正,恢复出反射波真实振幅。然而,这种校正尽管可以近似恢复出反射波强度,但它不可能提高信噪比。因为在校正反射波强度的时候,噪声的强度也得到了同等程度的校正。

当采用垂直单分量检波器接收时,记录的仅仅是矢量地震波场在垂向上的投影。单独利用此垂直分量记录,既难以恢复出反射纵波和转换横波的真实能量,又难以将两者从垂直分量上进行波场分离。要完整地记录和描述矢量场,必须采用三维坐标系统。如果将垂直检波器改为三分量检波器,则三分量检波器就能够完整地记录矢量地震波场,因而从三分量地震记录中,也就完全能够恢复出纵波与横波。

因此,在近地表高速层出露地区,建议开展三分量地震勘探。在进行资料处理时,要进行波场分离,从3个分量中分离出反射纵波和反射转换横波;然后再对反射纵波和反射转换横波分别进行偏移成像。由于三分量检波器完整地记录了矢量波场,所以最佳资料处理方法是不进行波场分离,而是在获得地下介质纵波和横波速度后,直接从弹性波理论出发,对三分量地震资料进行弹性波偏移成像[6Ο8]。由于三分量检波器完整地记录到了纵波和横波矢量波场,而联合利用纵波和横波能够在岩性勘探、裂隙勘探、流体识别等方面发挥重要作用[9Ο12],因此开展三分量地震勘探还能够提高油气勘探的能力和精度。

4　结　论

当近地表速度为低速时,反射波近似于垂直出射到地面,垂直检波器记录了绝大部分反射纵波能量,因而可以将垂直检波器记录的地震记录近似等同于反射纵波记录,这就是常规地震勘探在低速带区勘探取得成功的原因之一。

当近地表速度为高速时,随着界面倾角和入射角的增加,反射波出射方向偏离垂向的程度也增加。垂直检波器记录了部分反射纵波能量和部分反射转换横波能量,因此垂直检波器记录的地震记录不能等同于反射纵波记录。由于纵波只有部分能量投影到垂直分量上,横波也有部分能量投影到垂直分量上对纵波起到干涉作用,因而垂直分量上反射纵波的信噪比降低,这就是高速近地表区地震勘探的困难之一。解决这一问题的根本办法是用三分量检波器替换垂直检波器,进而来完整地记录矢量地震波场。提出了对高速近地表区三分量地震资料处理的方案。

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(收稿日期2005Ο03Ο18　改回日期2005Ο06Ο24　编辑　张　怡)