南方复杂山地高信噪比区激发问题研究

潘家智 许孝坤

(胜利石油管理局地球物理勘探开发公司 山东东营)

南方复杂山地高信噪比区激发问题研究

潘家智 许孝坤

(胜利石油管理局地球物理勘探开发公司 山东东营)

南方山地地形、表层情况都非常复杂,在地震采集中,激发是其中非常重要的环节,基于山地激发技术的主要理论基础,从药型(药性)的选择、井深的设计、药量的优化以及激发点位的优选等几个方面,结合实际资料进行了研究总结,总结了四要素综合控制,动态确定激发井深、两原则下药量选择方法以及激发点位优选技术,从而形成了一系列针对南方山地高信噪比区域的激发技术。

复杂山地;激发;细长药柱;井深;视饱和药量区间

0 引 言

激发环节是地震采集中极为重要的一环,在山地勘探中更加突出。我们期望激发出的波场清晰,干扰波能量小,信噪比高,目的层有效波的频带宽。对于特定的工区和具体的地质目标,激发效果的好坏取决于三个方面:震源性能、围岩岩性及震源与围岩的耦合程度。南方复杂山地高信噪比区以追求高信噪比和宽频的地震资料为目标,在一系列激发理论支持下,通过综合考虑地表、近地表等因素,在激发技术方面逐步成型,并开始形成系列。

1 复杂山地地震勘探激发技术主要理论基础

炸药震源爆炸原理:炸药发生爆炸后,装药周围的岩土介质发生剧烈的变形响应,吸收掉大部分爆炸能量,剩余的能量将继续向外传播,形成爆炸地震波。通常将炸药在岩石中爆炸分成“破碎区”、“塑性区”和“弹性形变区”[1]。

通过理论推导,在破碎区,能量随着激发层的激发速度的增大而递增;爆炸塑性区的能量也随着激发层的激发速度的增大而递增;在弹性变形区,理论计算公式也证明,岩石越致密,子波视频率越高,但振幅降低,高频成分表现更为明显;疏松砂岩的低频能量强,但频带窄;选择合适的药量,才能获得适中的能量和较宽的频带。也就是说炸药激发能量与围岩岩性以及含水情况有关。所以,采集时激发岩性应选择致密坚硬或含水地层作为目标,以改善激发效果。

2 高密高爆炸药适应南方山地地震采集需求

2.1 高密高爆炸药与围岩的匹配性能好[2]

南方复杂山地高信噪比区域表明主要的岩性是泥岩、砂岩及其互层,从表1和表2能够看出,砂岩和泥岩的阻抗耦合更接近于1,因此能量转化效果更好。

表1 主要岩性基本参数

表2 炸药基本参数

2.2 细长药柱提高信噪比和分辨率的分析[3]

一般认为细长药柱爆炸往往作用时间较长,时差效应会使激发频谱变窄。因此为了做到既发挥长药柱地震波能量强、定向作用明显的特点,而又避免高频成份的衰减,从而提高长药柱的激发效果,关键在于选择合适的药柱长度和爆速。利用以下公式进行分析。

目前南方山地广泛采用60 mm细长药柱,药柱长度一般为4 m左右,药柱爆炸速度在5 200 m/s左右,而高速层下地震波的传播速度介于 3 000 m/s～4 000 m/s之间。分别取围岩速度3 000 m/s、4 000 m/s、4 500 m/s,药柱长度为4 m。

依据式(1)作出长药柱的频率特性曲图如图1所示,能够看出比较高的围岩速度,4 m的药柱长度,低频响应很小。即使随着入射角加大,波前面的时差增加,但这种效应仍然并不显著。能够看出,目前南方山地三维勘探中采用的细长药柱没有构成低频效应。

图1 长药柱(4 m)的频率特性曲线

2.3 实际资料证明高密高爆炸药的效果

在二维、三维的多个项目中,进行了高密高爆和中密中爆炸药的对比,实际资料证明:高密炸药的效果最为理想,如图2所示,其产生的主频更高,高频段信号信噪比更高。

图2 中密(文件号5)与高密(文件号3)炸药的频谱对比

3 四要素综合控制,动态确定激发井深

3.1 虚反射界面下合理的深度

1)炸药震源距虚反射界面的距离H要小

根据虚反射的入射波频率特性公式为:

取介质速度为3 500 m/s,考虑虚反射的不利影响,在保证能量的前提下,ΔH应尽量小,以减少因虚反射等现象而使激发频谱高频成分缺失的问题。在南方复杂山地高信噪比地区,针对主要目的层,一般要保护的频率为120 Hz左右,因此考虑虚反射,井深一般选择在虚反射界面下7 m。

2)井深要保证炸药距虚反射界面的距离要大于炸药的爆炸半径

通过研究认为,炸药距虚反射界面的距离要大于炸药的爆炸半径,即

式(3)中:H为震源距虚反射界面的距离,m;R为震源的爆炸半径,m;K为比例系数,一般在实际计算中取为1.5。

研究区域药量选择为12 kg～16 kg,H要大于3.6 m～3.8 m,所以井深一般选择为高速层下6 m以下。因此综合考虑A与B两个方面,井深一般选择在虚反射界面下6 m～8 m。

3.2 有利岩性控制

南方复杂山地选择有利岩性一般考虑三个方面。一是能够激发出有利的子波特性的岩性段,分析多种资料,研究有利的岩性段,保证激发出有利的子波;二是选择稳定的高速层岩性段;三是合理规避刚性岩性和疏松砂岩。南方山地有多种不利的激发岩性,其中刚性岩石硬度大,钻井困难,激发能量转化率低;疏松砂岩速度低,激发能量弱,频带窄。在这两种岩性中,井深设计采取两种方式:一是在疏松砂岩层(刚性岩层)和高速层顶之间距离不足8 m时,打穿该层,在其下激发;二是在疏松砂岩层(刚性岩层)和高速层顶之间距离超过8m时,则在其中间激发。

3.3 地形因素

根据坡度大小、相对高差、入射角度等、山体形状、岩层角度等,综合考虑,在山顶高部位合理加密井深。

3.4 依据试验资料,进行定量分析验证

选择典型的试验点位置,进行系统的试验,依靠试验进行实际资料定量分析和井深的验证,试验资料注重目的层段的分析、注重高频段资料的差异。

综合考虑地形、低降速带结构、激发岩性、虚反射界面、试验井深等因素的影响,逐点进行超前井深设计,实现了南方山地的动态井深设计。

4 应用两原则选择适中的药量[4]

4.1 高信噪比、宽频带为主,绝对能量为辅的药量选择标准

南方山地重点探区基本为高信噪比区,地质目标主要为岩性复合圈闭,因此在药量的选择上首先坚持的原则就是:高信噪比、宽频带为主,绝对能量为辅的药量选择标准。针对浅中深目的层,分别进行信噪比和频率的分析如图3所示,综合选择保证地震资料信噪比高、频带宽的药量。

4.2 应用视饱和药量区间的新概念,激发药量的选择更具操作性

图3 药量信噪比曲线

复杂山地药量选择,受岩性、地形和复杂地物区的安全距离等不同方面的要求,实际操作中,一般按照定性的原则。这种方式毕竟是一种泛概念。通过对南方多个工区的资料进行了研究和分析,得出高信噪比区药量与频率的拟和曲线一般存在如下情形,如图4所示。即在某一个药量区间,资料的信噪比和频带非常接近;在区间之外,则变化显著。

图4 频谱与药量理论和实际关系曲线

在南方山地的高信噪比区,上述的一个药量范围可以被定义为“视饱和药量区间”,选择该区间因素能够保证资料品质的稳定。这是对饱和药量概念的完善和补充,它可以指导野外激发点药量的选取,针对地形高低、障碍物远近在视饱和药量区间内采取合适的药量,这种方式在实际操作上更可行。

5 三步法实现激发点位的选择和优化

合理选择激发点,目标是使激发点均处在合理有利地段,主要要达到三个目的:一是最大限度地实现设计观测理念;二是追求原始资料品质的最优化,即频带宽、能量强、信噪比高;三是保证安全激发,规避各种障碍物带来的危害。

1)基于高精度卫片的室内井位选择

利用高精度数字卫星照片进行井位的初步选择,大大提高了激发点点位设计的准确性,尤其在河流、公路、铁路及其隧道、房屋、高大山峰区域,对激发点提前进行偏移,提高井位选择的一次成功率,同时也提高了测量效率。

2)野外基于避就原则的测量放样

通常情况下,一般可以遵循“七避七就”(避虚就实、避高就低、避碎就整、避干就湿、避陡就缓、避危就安、避灰就泥(砂岩、水)的原则优选井位。但是“七避七就”原则相互之间的对立和矛盾,通常情况下的“七避七就”就要辨证地理解和运用了。根据山体形态、坡度大小、沟谷形状、沟谷沉积物、悬崖深度、岩性、植被特点、障碍物性质综合确定激发点位置。

3)钻井现场基于有利岩性的适时调整

在钻井过程中,测量组会调整测量仪器跟班钻井作业,随时调整不合理的钻井井位。

6 结 论

1)高爆速炸药南方山地围岩的匹配性好,适应南方山地地震勘探的需求,能够激发出高能宽频的地震波。同时采用长药柱不会造成低频效应。

2)根据地形、表层结构、岩性及试验情况综合确定激发井深,实现山地激发井深的动态设计。应用视饱和区间的新概念,以高信噪比、宽频带为主的药量选择标准,实现了药量的定量选择。

3)“三步法”的点位优化选择,是山地激发环节的关键一环,需要进一步研究,实现更加系统的、科学的体系。

[1] 陆基孟.地震勘探原理[M].东营:石油大学出版社,2001

[2] 邓志文.复杂山地地震勘探[M].北京:石油工业出版社,2006

[3] 梁运基.虚反射与长药柱对地震子波频谱影响规律分析[J].石油天然气学报,2006,28(4)

[4] 李庆忠.地震高分辨率勘探中的误区与对策[J].石油地球物理勘探,1997,32(4)

Study on the exploding technology for high signal-to-noise mountain area.

Pan Jiazhi and Xu Xiaokuen.

The terrain of the south mountain region and surface layer situation are very complex.During the acquisition,the exploding is very important.Based on the dynamite type,depth of shot hole,quantity of dynamite and shot position etc.Four factors are summed up to control and to make dynamic analysis to decide shot hole depth,and to Choose the dynamite quantity by two principles and the technology of shot position selection.A series of the exploding technology for high Signal-to-noise in south mountain area is come into being.

Complex Mountain;explode;shot hole depth;saturate dynamite quantity

P631.3+24

B

1004-9134(2011)04-0058-03

潘家智,男,1973年生,工程师,2004年毕业于中国石油大学(华东)资源勘查专业,长期从事野外地震采集技术研究工作。邮编:257100

2011-03-18编辑梁保江)

PI,2011,25(4):58～60

·方法研究·