地震波在粘弹性介质中传播时的能量衰减和速度频散可以利用品质因子Q值来描述^[1], 近地表的低Q值特征大幅度降低了地震资料的分辨率。近年来, 国内针对不同地表情况开展了近地表吸收衰减补偿研究^[2-4], 并取得了较好的效果。TONN^[5]比较了7种Q值估算方法, 认为没有一种方法适用于所有情况, 无论哪种方法都强烈依赖于地震资料的品质^[6]。研究表明, 激发深度和检波器耦合是影响地震资料品质的主要因素, 合理地选择激发条件和改善检波器的耦合状态能大幅度提高地震资料的品质^[7-8]。国内学者在激发条件选择方面做了大量的研究, 于鲁洋等^[9]通过对比不同岩土介质中柱状炸药震源激发效果, 合理选择激发参数。蓝阳等^[10]认为最佳激发并非高密度、高爆速炸药激发, 应兼顾等熵膨胀指数等的影响。其它学者在特殊地表条件下激发方式的合理选择做了深入研究, 齐中山^[11]和杨勤勇等^[12]通过数值模拟和野外试验分析等方法, 对灰岩裸露区地震激发的机理及改善激发效果方面做了深入研究。王昀等^[13]在表层结构调查基础上, 基于地形与表层结构的动态设计技术设计井深, 提高低信噪比地区地震采集激发效果。在检波器耦合方面, 吕公河^[14]和徐锦玺等^[15]全面剖析了地震检波器的原理和特性, 并深入研究了检波器尾椎结构对地震信号的影响。基于弹性波动力学理论, 石战结等^[16-18]和陈高翔等^[19]开展了检波器-介质耦合系统研究, 在提高灰岩裸露区、西部沙漠地区地震检波器耦合方面取得了较好的效果。魏继东等^[20-21]和于富文等^[22]在对地震检波器的性能指标进行分析的基础上, 提出了一种大地耦合响应的野外测量方法。李国发等^[23]采用双井微测井地震数据分析了地震衰减非线性特征, 指出实际微测井资料受激发、接收耦合、近场效应等多方面的影响, 设计了一种能削弱接收耦合效应的微测井观测系统, 并提出了一种不受激发条件影响的近地表Q值层析反演方法, 提高了近地表Q值估算精度。

以上研究均从激发条件和检波器耦合理论对地震资料的影响等方面展开, 并未定量分析激发条件和检波器耦合对近地表Q值估算的影响。为此, 本文开展了野外微测井试验, 并定量分析了激发深度与检波器耦合对近地表Q值估算精度的影响。最后, 通过选择合适的井下检波器深度和辅助工具来提高检波器耦合状态, 较为准确地建立了大港ZY地区的近地表Q值模型。

1 激发接收条件对Q值的影响

根据地表一致性理论, 地震波传播距离为r时, 接收信号的频谱X(f)可以用激发项S(f)、接收项R(f)、衰减项H(f)以及与频率无关的球面扩散和投射项P(r)来表示, 具体表达式为:

$ X\left( f \right) = S\left( f \right)R\left( f \right)H\left( f \right)P\left( r \right) $

(1)

其中, 激发项S(f)与激发参数有关, 激发岩性是激发子波波形和振幅大小的主要决定因素之一。大量野外试验结果表明, 深度越大, 介质压实条件越好, 深层激发得到的地震子波频带更宽、主频更高, 即不同的激发条件下获取的地震子波存在差异。

检波器耦合项R(f)与接收参数有关, 如检波器与地面的接触状况。在野外陆地施工中, 检波器埋置要满足“平、稳、正、直、紧”原则, 通过改善检波器与大地之间的接触关系, 可以降低耦合效应的影响, 提高地震资料分辨率。检波器与大地之间可以看作一个谐振系统, 当频率小于谐振频率时, 耦合效应可以忽略不计; 当频率大于谐振频率时, 耦合效应就会严重改变子波的振幅和相位^[24]。下面介绍一种双阻尼弹簧系统, 其耦合效应R(f)在复数域的表达式为:

$ \begin{array}{l} R(f) = {\rm{ }}\\ \;\;\;\frac{{ - {{\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{g}}}}}} \right)}^2}\left[ {1 - {\rm{i}}\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{c}}}}}} \right){\eta _{\rm{c}}}} \right]}}{{\left[ {1 - {{\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{g}}}}}} \right)}^2} - {\rm{i}}\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{g}}}}}} \right){\eta _{\rm{g}}}} \right]\left[ {1 - {{\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{c}}}}}} \right)}^2} - {\rm{i}}\left( {\frac{f}{{{f_{\rm{c}}}}}} \right){\eta _{\rm{c}}}} \right]}} \end{array} $

(2)

式中:f_g为检波器自然频率; f_c为检波器与大地谐振系统共振频率; η_g为检波器内置弹簧的阻尼因子; η_c为检波器与大地之间的阻尼因子; f为频率; i为虚数单位。图 1a对比了两种不同阻尼因子检波器振幅耦合响应。图中, 蓝色曲线代表检波器与大地之间耦合较差, f_g=8Hz, η_g=1.4, f_c=100Hz, η_c=0.2;红色曲线代表检波器与大地耦合较好, f_g=8Hz, η_g=1.4, f_c=100Hz, η_c=1.0。当检波器与大地之间的阻尼因子较小时, 在谐振频率(f_c=100Hz)附近, 检波器振幅耦合响应变化剧烈; 当检波器与大地之间的阻尼因子较大时, 在谐振频率附近, 检波器振幅耦合响应变化相对平缓。图 1b为上述两种情况对应的相位曲线, 当检波器与大地之间的阻尼因子较大时, 其相位变化相对平缓。检波器耦合效应对地震信号频率和相位产生较大影响。

以谱比法为例, 定性分析激发接收条件对Q值估算的影响, 对不同激发、接收条件获得的地震信号进行谱比运算后, 取对数的表达式为:

$ \begin{array}{l} {\rm{ln}}\left[ {\frac{{{X_2}({r_2}, f)}}{{{X_1}({r_1}, f)}}} \right] = \overline S (f) + \overline R (f) + \overline P \left( f \right) - {\rm{ }}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{{\rm{ \mathsf{ π} }}f}}{{Qv}}({r_2} - {r_1}) \end{array} $

(3)

式中:

$ \overline S \left( f \right) = {\rm{ln}}\left[ {\frac{{{S_2}\left( f \right)}}{{{S_1}\left( f \right)}}} \right] $

(4)

$ \overline R \left( f \right) = {\rm{ln}}\left[ {\frac{{{R_2}\left( f \right)}}{{{R_1}\left( f \right)}}} \right] $

(5)

$ \overline P \left( f \right) = {\rm{ln}}\left( {\frac{{{P_2}}}{{{P_1}}}} \right) $

(6)

其中, S₁(f)和S₂(f)分别为不同激发条件下的地震子波, 当激发条件存在差异时, S(f)为与频率相关的函数; R₁(f)和R₂(f)分别为不同接受条件下的检波器耦合函数, 当接收条件存在差异时, R(f)也为与频率相关的函数; P₁(f)和P₂(f)分别为不同传播路径对应的球曲扩散函数。激发和接收条件差异改变了地层衰减与地震子波频率和波形之间的对应关系, 在不考虑激发接收条件差异对地震子波的影响前提下, 谱比法不能准确地通过自然对数曲线斜率与Q值之间的对应关系估算出近地表Q值。

2 数值模拟

为模拟激发和接收条件对Q值的影响, 设计了如图 2所示的双井微测井观测系统, 由深至浅激发, 激发点S₁, S₂, S₃的深度分别为0, 5, 15m, 接收井口、井底放置两个检波器R₁和R₂, 激发井和接收井的距离为5m。依据潜水面的位置, 将近地表分为两层, 第1层的速度v₁=600m/s, 品质因子Q₁=2.5;第2层的速度v₂=1200m/s, 品质因子Q₂=5.0。采用上述采集方式进行模拟, 可以将(1)式表示为如下离散形式:

$ {X_{ij}}(f) = {S_i}(f){R_j}(f){H_{ij}}(f){P_{ij}}(f) $

(7)

式中:i=1, 2, 3为激发点号; j=1, 2为接收点号; X_ij(f), H_ij(f), P_ij(f)分别为第i炮激发j道接收的地震记录、近地表吸收衰减项和球面扩散项; S_i(f), R_j(f)分别为激发项与接收项。

2.1 激发条件模拟

通过给定不同激发深度的地震子波主频, 利用(7)式可模拟出不同激发条件的地震信号, 为消除检波器耦合差异带来的影响, 取R₁(f)=1, R₂(f)=1。在S₁, S₂, S₃处激发主频(f_d)分别为100, 115, 130Hz时, 地面检波器R₁接收的地震记录及频谱对比结果如图 3所示。根据地层吸收衰减规律, S₃处地震波传播的距离远, 理论上经历的吸收衰减应更加严重, 然而从图 3b可以看出, S₃处激发得到的子波主频稍高于其它两个子波的主频。很明显, 激发条件差异导致了模拟地震数据不满足吸收衰减规律, 为定量分析激发条件对近地表Q值的影响, 利用谱比法对模拟地震资料进行处理, 采用S₁和S₂处激发地震波传播的衰减差异来估算第1层品质因子Q₁, 用S₂和S₃处激发地震波传播的衰减差异来估算第2层品质因子Q₂。估算的结果为:Q₁=2.90, Q₂=7.85;第1层估算误差为0.40, 第2层估算误差为2.85。激发条件模拟试验结果表明, 不同的激发条件降低了近地表Q值估算的精度。

2.2 检波器耦合模拟

不考虑激发条件的影响, 即S₁, S₂, S₃处激发子波给定相同的主频f_d=100Hz, 给定图 1中两种不同阻尼因子检波器对应的检波器耦合参数, 可模拟出不同接收条件的地震信号。图 4为模拟检波器R₁接收的结果, 由于检波器R₁与大地之间的阻尼因子大, 即检波器耦合条件好, 故模拟结果基本不受检波器耦合的影响, 其对应的主频随传播距离的增大而减小; 反之, 检波器R₂耦合条件差, 模拟结果如图 5所示, 地震子波发生畸变, 出现多个旁瓣, 对应的频谱亦出现了畸变, 能明显看出频谱变窄, 降低了地震资料的分辨率。

采用谱比法对比不同检波器耦合对Q值估算的影响, 分别选取S₁激发、R₁接收, S₂激发、R₁和R₂接收以及S₃激发、R₂接收的地震信号来联合估算Q值, 频带范围为0~80Hz, 估算结果为:Q₁=1.40, Q₂=2.44;第1层估算误差为1.10, 第2层估算误差为2.56。当频带范围为0~120Hz时, 估算误差变得更大, 第1层估算误差为1.52, 第2层估算误差为3.38。检波器耦合模拟试验结果表明, 检波器耦合影响了地震信号的频谱, 从而缩小了Q值估算可选择频带范围, 严重降低了Q值估算的精度。

3 实际地震数据分析 3.1 实际微测井地震资料分析

为验证激发条件、检波器耦合等因素的影响, 利用如图 6所示的微测井观测系统进行了两次试验。试验采用井中激发、地面接收的方式进行, 具体试验参数如下:激发井深9m, 激发深度分别为9m和5m, 在地面距激发井5m处布设2个检波器, 一个埋置正常, 一个埋置较松且斜插。

试验1采用9m与5m处激发、埋置正常检波器接收方式, 获取了不同激发条件下的地震资料。图 7a为试验1获取的道集资料, 从左到右激发深度分别为9m与5m, 图 7b为对应的频谱。按照地震波衰减规律, 波在地层中传播的距离越长, 衰减越严重, 主频应向低频移动。分析图 7b可以看出, 资料呈现出与地层吸收衰减规律相反的现象, 传播距离越远的地震波, 其主频反而越大, 9m处激发比5m处激发得到的地震子波的主频约高55Hz。很显然, 随着激发深度的增大, 激发岩性发生变化, 即激发条件不同导致了地震子波主频差异。这种由于激发条件不同产生的地震子波差异比地层衰减带来的差异更为明显, 很大程度上影响近地表Q值估算的精度。

检波器耦合也是造成地震子波差异的重要因素, 为验证检波器耦合对地震资料的影响, 利用如图 6所示的观测系统开展的试验2, 即在9m处激发, 地面两种不同埋置状态的检波器同时接收。图 8a为试验2获取的地震子波, 从左到右分别为埋置正常、不正常状态下的地震子波, 可以看出, 两个子波波形存在明显的差异; 埋置较松且斜插的检波器, 其获得的地震子波波形发生畸变。图 8b为其对应的频谱, 可以看出, 检波器耦合对地震资料的频谱影响较大, 检波器耦合状态差获取的地震子波严重缺失低频信息, 且高频部分出现类似“陷波”的抖动。这种由于检波器耦合差异严重影响了近地表Q值估算的精度。

3.2 实际近地表Q值估算

由上述的理论分析及模拟试验可知, 激发和接收条件对近地表Q值估算的影响较大。在实际近地表Q值估算时, 应选取相同激发条件以及检波器耦合状态好的资料。我们在大港ZY地区进行了大面积的双井微测井采集, 根据大港地区近地表特点, 将近地表分为两层, 即潜水面以上的低速层和潜水面以下的降速层。为避免激发条件差异带来的影响, 采取单炮激发、多道接收的双井微测井采集方式, 如图 9所示, C₁为激发井, C₂为接收井(距离激发井4m), 激发井深度为21m, 在接收井底以及井口分别放置两个检波器R₁和R₂, 在距离激发井30m处的地面放置检波器R₃。ray₁, ray₂, ray₃分别表示地震波从激发点到检波器R₁, R₂, R₃之间的路径。可以利用路径ray₁与ray₂之间的差异估算低速带的Q值, 利用路径ray₂与ray₃之间的差异估算降速层(包含高速层衰减)的等效Q值。为保证井下检波器耦合状态良好, 本次采集选择的井下检波器深度不大于潜水面深度, 以保证周围岩石松软度, 并设计了特定的井下助插器使井下检波器尽量插紧、插直, 保证检波器与周围介质良好的接触关系。

利用常规谱比法估算大港ZY地区近地表Q值模型。如图 10所示, 该地区低速层Q值较小, 低Q值将会大幅度降低地震资料的分辨率。降速层与高速层的等效Q值稍大于低速层Q值, 但也远远小于中深层, 即降速层和部分高速层的吸收衰减作用同样比较严重, 对地震资料的影响较大。

4 结论

本文通过模拟试验及实际微测井资料的分析, 得出以下结论。

不同深度激发得到的地震子波主频相差较大, 检波器耦合效应使地震子波严重地缺失低频成分, 且高频部分出现类似“陷波”现象。不同激发深度以及不同检波器耦合状态都会带来地震子波差异。

由激发深度引起的地震子波差异和由检波器耦合状态导致的地震子波差异降低了近地表Q值估算的精度。

实际微测井资料采集过程中, 应该尽量保证良好的检波器耦合状态; 实际近地表Q值估算时应避免激发条件差异带来的影响。ZY地区近地表吸收衰减作用比较严重, 对地震资料采集质量的影响应予以重视。