多波多分量地震勘探与纵波勘探的区别之一是使用多分量检波器接收能够记录到地下的全波场信息, 为准确重构地质体构造形态提供了可能^[1]。经过多年的发展, 多分量地震勘探技术的优点主要包括:①多波资料波场信息丰富, 可以提取除纵、横波速度外的其它物性参数(如泊松比、纵横波振幅差异等), 用于预测储层岩性特征^[2]; ②对于气云区、碳酸盐岩储层等区域, 纵波信噪比低、能量弱, 而利用横波信息能有效成像^[3]; ③鉴于横波对裂缝的敏感性, 可以根据横波分裂特征定量预测地质体裂缝发育以及流体检测等难点问题。转换波资料处理的方法已逐步完善, 但转换波静校正一直是制约多波成像的瓶颈^[4]。P-SV波处理与传统P-P波的处理流程有所差异, 转换波静校正量的求取是其中的一个关键步骤。因为横波波速与纵波波速在近地表差异较大, 相同检波点位置上横波静校正量可能达纵波的2~10倍^[5]。

目前常用的转换波静校正方法有以下几类。①转换波初至静校正:拾取多分量地震勘探中X、Y分量的转换波初至时间, 然后通过静校正计算公式求取转换波校正量^[6-7], 但水平分量上转换横波一般叠加于其它波形之中, 初至不易拾取。②转换波常系数静校正:在已知纵波校正量的前提下, 乘以常系数N来求取转换波静校正量, 常系数N需在处理中经测试获取, 尝试多组常系数N后, 分别进行叠加, 对比叠加剖面来确定最终的N值; 在实际处理中, 测试过程比较繁琐, 准确性较差, 可操作性不强。③面波反演横波速度静校正:利用瑞雷面波频散特征曲线反演得到横波速度的低速带分层结构, 进而求取转换波静校正量, 该方法对初始层状介质模型依赖度较高, 且为了避免空间假频的产生须利用小道间距接收。④转换波共检波点叠加静校正方法:在构造不复杂的情况下, 在基准校正面校正后, 先通过优化CRP叠加道相干法来解决接收点短波长静校正问题, 再应用“井旁参考道外推法”确定并消除剩余静校正, 一般要求有标准参考道, 适用于信噪比高且静校正量比较大的区域^[8]。

鉴于原始地震记录中转换波信噪比较低的原因, 上述转换波静校正方法中的横波速度均难于直接从多分量记录中获取, 因此难以构建合理的纵、横波速度结构。微测井技术优点是可以根据需要得到整个低(降)速层不同深度的地震波场记录, 且记录的信噪比较高。本文介绍的三分量微测井方法是通过井中特制的测井锤激发, 地表采用三分量检波器接收, 可以同时获取纵波和信噪比较好的横波波场信息。在道集分选后的Z分量记录上读取初至时间可以求取纵波速度, 而水平分量上的横波初至被纵波分量的投影所掩盖, 不易直接读取初至, 需进行三分量偏振分析, 进而实现波场分离, 再求取横波速度, 最后通过各微测井井间插值的方法建立合理的地表结构, 计算转换波静校正量。

多波地震资料的静校正量包括纵波静校正量及转换横波静校正量。由于转换横波是由下行纵波和上行转换横波组成, 因此, 转换波静校正量是由激发点处的纵波静校正量和接收点处的横波静校正量相加得到。图 1给出了包含一个风化层的简单近地表模型。通过基准面校正后将实际地层简化成如图 2所示的地层结构。

图 1(Fig. 1)

图 1 风化层地表模型

图 2(Fig. 2)

图 2 地震波在地表传播示意

由图 2可见, P波在介质内的射线的路径为SABR, 转换S波在介质内的射线路径为SACR, 由于纵波速度大于横波速度, 可知在高速界面折射P波先产生, 然后再产生折射S波, 因此, P波早于转换S波到达接收点R, 且二者初至时差为:

令转换波延时d_S=T_CR－T_CD, 纵波延时d_P=T_BR－T_BD, 化简得:

计算得到的风化层h厚度为:

由地震波折射定理可知:

鉴于静校正基本原理是基于地表一致性的假设, 反射角α和β均较小, 则可认为ER≈FR≈h, 结合(3)式、(4)式和(5)式可得:

假设基准面位于风化层中间, 可得检波点处转换波基准面静校正量为:

式中:E_G和E_GR分别为检波点处地表高程和基准面高程。将公式(6)代入公式(7)化简得:

式中:v_S0/v_S1和v_S0/v_P0可以通过三分量微测井求取。

在施工中采用井中激发、地面三分量检波器呈十字形排列接收, 在4个方位和井口各安置2个三分量检波器, 其X分量和Y分量方向相反, 即“背对背”安置^[9], 如此安置可以通过两道记录相加减达到压制噪声、增强并识别横波的目的。其中X分量沿测线方向, Z分量统一向下, Y分量方向垂直于Z分量和X分量组成的平面。由深到浅进行激发, 共计10个三分量检波器接收。激发间距依据岩层厚度决定, 对于薄层适当减小激发间距, 保证各层内有2~3个以上的控制点, 激发装置采用参考文献[10]中介绍的测井锤, 将雷管横向放置在测井锤内, 测井锤直径略小于激发井井径, 这样既增强了雷管和激发地层的耦合性, 也保证了激发能量的方向性和聚能性, 可以用于激发横波。激发井深为18m, 药量随深度增加, 在18~15m深度用4发雷管, 在15~10m深度用3发雷管, 在10~4m深度用2发雷管, 小于4m范围用1发雷管。本次施工以0.5m的间距均匀激发, 检波器按6m井源距布置。具体微测井施工布置如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 微测井施工布置 a  平面图; b  垂面图

将采集的共炮点道集分选成X分量、Y分量和Z分量共检波点道集, 如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 共检波点道集 a  Z分量; b  X分量; c  Y分量

图 4a中蓝框区域为高频噪声, 对比图 4a至图 4c可见, Z分量上高频噪声最强, Y分量上高频噪声最弱。Z分量记录的背景干净, 纵波初至能量强, 可以直接拾取; X分量、Y分量记录包含了横波信息, 但由于横波速度小于纵波, 纵波会先于横波到达接收点, 横波初至叠加于其它波形中, 不易直接拾取。根据运动学特征分析, 横波速度较纵波小, 时距曲线应较纵波陡, 因此判断图 4b和图 4c中红线指示位置为横波初至, 红圈位置处的初至应为纵波的投影。

图 5对比分析了Z分量、X分量和Y分量记录的频谱, 图中蓝线所示为0~80ms所有记录的频谱平均值, 黑线所示为0~80ms某一道记录的频谱。由图可见, Z分量频带较宽, 主频在250Hz左右, 而X分量、Y分量的频带较窄, 主频约为150Hz。

图 5(Fig. 5)

图 5 频谱分析 a  Z分量频谱; b  X分量频谱; c  Y分量频谱

横波信息需通过去噪、三分量偏振分析处理及波场分离获得。图 6是Z分量以及波场分离后的R分量和T分量记录, 可见在R分量记录上横波初至清楚, 易于读取, 而T分量记录初至较差。

图 6(Fig. 6)

图 6 波场分离后记录 a  Z分量记录; b  R分量记录; b  T分量记录

施工工区地表土层结构疏松, 第四系内部分布有钙质结核层, 但不成层, 之下是第三系地层(棕红色黏土层), 结构比较密实, 是黄土塬地区比较理想的激发层位。本次选取工区2个典型的黄土地层进行了2组微测井, 分别选取如图 3中的2号检波点和4号检波点作为观测点, 共4个观测点, 微测井点的速度解释结果见图 7和图 8。

图 7(Fig. 7)

图 7 第1组微测井点速度解释结果 a  2号检波点; b  4号检波点

图 8(Fig. 8)

图 8 第2组微测井点速度解释结果 a  2号检波点; b  4号检波点

测线所处区域地表大部分为基岩出露区域, 黄土覆盖少且薄, 施工前期, 沿测线进行了地表地质调查, 并在钻孔时记录了各激发孔的岩性, 绘制成全线浅表层地表岩性结构, 见图 9。在此基础上, 选择了2处黄土覆盖较厚的区域, 布置了2个三分量微测井点, 依据微测井调查结果, 划分浅层结构, 了解各分层速度。

图 9(Fig. 9)

图 9 地表岩性结构(局部)

总体来看, 区内沿测线地表结构分为3层, 局部为2层, 如图 9所示(箭头所指为微测井位置)。低速层:v_P为500~800m/s, v_S为150~300m/s, v_P/v_S为3.0~4.6。低速层之下的降速层:v_P为900~1400m/s, v_S为300~500m/s, v_P/v_S为2.8~3.5。高速层:v_P为1600~1800m/s, v_S为600~700m/s, v_P/v_S为2.5~3.0。低速层厚度和降速层厚度变化较大, 但速度比较稳定, 各分层厚度可为转换波校正提供初始模型。

根据三分量微测井表层调查结果, 在资料处理时, 将低、降速带融合为一层, 进行简化处理, 选择合适的基准面和替换速度。在致密的高速层顶界面, 纵、横波解释结果基本吻合, 所以基准面应选择高速层顶部附近。替换速度采用高速顶界面的纵波速度均值, 横波用横波速度均值, 分别计算检波点和炮点的静校正量, 计算结果如图 10所示。

图 10(Fig. 10)

图 10 检波点(a)和炮点(b)横波静校正量

图 11对比了X分量单炮记录静校正前、后的结果, X分量的原始单炮记录信噪比差, 反射波信息基本不能辨认, 静校正后, 在其左侧远道的区域可以看到反射波。图 12是X分量静校正前、后的叠加剖面, 可以看出, 未校正的叠加剖面波形杂乱, 没有有效的地质信息, 静校正后的叠加剖面质量得到改善, 层位可以连续追踪。

图 11(Fig. 11)

图 11 X分量单炮记录静校正前(a)、后(b)对比

图 12(Fig. 12)

图 12 X分量静校正前(a)、后(b)的叠加剖面

图 13为Z分量叠加剖面, 可以看出, 图中浅、中、深层同相轴连续性都较好, 目标层段同相轴清晰且易追踪。图 14为不同方法静校正后的X分量叠加剖面, 图中红圈位置处低速带覆盖层较厚(对应于图 9右侧箭头指示区域), 横波速度低, 校正量大, 用固定的常系数N来计算转换波静校正量时, 静校正量计算误差较大, 校正效果差, 导致同相轴扭曲变形、不连续(图 14a)。而三分量微测井转换波静校正法是分别求取低(降)速带纵横波速度比, 通过插值构建合理速度模型, 计算各接收点的转换波静校正量, 应用于转换波叠加成像(图 14b)。对比图 14a和图 14b可见, 在红圈位置处转换波常系数校正剖面的连续性差, 浅层同相轴扭曲、错断, 成像精度差; 而基于三分量微测井转换波静校正后的叠加剖面, 目的层段的同相轴连续性和信噪比有了明显提高, 浅层出现更加连续、清晰易追踪的同相轴, 较好地改善了叠加成像效果。

图 13(Fig. 13)

图 13 Z分量叠加剖面

图 14(Fig. 14)

图 14 不同方法静校正后的X分量叠加剖面

1) 三分量微测井转换波静校正方法是分别求取低(降)速带纵横波速度比, 在地表地质调查的基础上, 通过插值构建合理速度结构模型, 计算各接收点的转换波静校正量, 不受地形条件限制, 有效解决了转换波静校正问题。

2) 采用井中激发地面接收的施工布置方法不受地表地形条件的限制, 可根据实际情况灵活安置三分量检波器, 每个位置“背对背”安置2个三分量检波器, 相加各点观测数据取其平均值, 可以有效减小随机噪声误差, 提高解释精度。

3) 三分量记录在水平分量上的横波初至被纵波投影所掩盖, 需通过偏振处理识别。其频谱分析可见:Z分量频带较宽, 主频约为250Hz, 而X分量和Y分量频带较窄, 主频约为150Hz, 主频较纵波明显偏低。

4) 在岩性横向变化较大的地区, 为了提高转换波勘探精度, 调查浅层纵横波速度是必须的。建议利用炮井钻孔做高密度三分量微测井工作, 通过插值的方式建立更接近实际的近地表速度结构。