塔里木巴楚地区复杂地表条件下激发井深设计

杨明生

(中石化石油工程地球物理有限公司江汉分公司，湖北 潜江 433100)

在复杂地表条件下进行地震勘探激发方法一直是地震勘探的重点和难点。在中国西部的塔里木沙漠区，由于潜水面深、地下复杂构造，是影响地震资料品质的关键因素之一。1950年代至今，我国多个地震勘探队伍在相同类似地区进行了大量的地震勘探和相关的科学研究，积累了丰富的施工经验和一定的理论成果(王清华，1999;李洪辉等，1998)，但如何解决复杂地表条件下的地震激发方法依然面临很大问题。本文针对这些问题，从多个方面进行了综合条件下的井深设计方法研究取得了较好的效果，为以后在类似地区进行勘探提供理论和经验参考。

1 巴楚地区区域地质概况

塔里木盆地巴楚探区位于巴楚隆起西段，南部毗邻海米罗斯断裂带，北接别里塔格断裂带和卡拉沙依断裂带。自南向北被NW-NWW向的色力布亚断裂带、康塔库木断裂带、乔硝尔盖断裂带、巴楚断裂带、古董山断裂带切割，形成北西向的条状断块，如图1。地表条件复杂激发岩性横向变化大，有城镇、农田、盐碱地、河流、沼泽、沙漠、树林、山地、戈壁等多种地表类型。

其近地表一般为可划分为三层，低速层一般为1～10 m，降速层位10～25 m，变化较大;西北部山前戈壁砾石区的潜水面较深，一般都在10～30 m;中部村庄农田、浮土区和喀什噶尔河流域的潜水面都较浅，一般在3～10 m;东部山区，地表高程达到1 215 m，中部农田区地表高程一般为1 100 m左右;西部沙漠区，沙丘高差为15～30 m，潜水面一般埋深为10～20 m，局部可达20 m以上(图2)。

2 激发井深设计

(1)选择较好的激发岩性。在距爆炸点一定距离处均匀弹性介质中质点位移(陈学强，2005):

式中，a为爆炸形成的球形孔穴半径(m);P0为作用于孔穴内壁上的压强(N/m2);μ为弹性常数;r为传播距离(m)，一般为孔穴半径的几倍;t为传播时间，s;k为圆频率(Hz)。为激发岩性中地震波传播的速度(m/s)。

在不考虑其他因素时，震源子波的波形和振幅谱主要取决于激发岩性的速度、弹性常数和孔穴半径。当药量一定时，岩性速度越大，主频越高，频带越宽;孔穴半径小，频率升高①屈战海，邓述全，杜中东，等.2010.利用微测井地层主频特征设计激发因素的方法[R].中国石油学会2010年物探技术研讨会.。这表明在致密岩性中爆炸时，由于孔穴半径小，并且岩性速度大，频率自然高。因此在设计井深时，选择激发密度大、胶结度好的岩层中激发。

图1 巴楚隆起西段BL线剖面断裂分布图Fig.1 The Distribution map at West of Bachu uplift fracture

图2 探区东西向测线地表高程及表层结构模型Fig.2 The surface elevation and the surface structure model of East-West line

因此在山前带即戈壁区，选择密度大、质地坚硬、成井较好的岩层中激发;在农田及沙漠区段中，选择井深穿透盐碱壳，在致密的胶泥或泥沙中激发。

(2)依据低降速带厚度进行初步设计。为了减少浅表层对地震波的衰减，以及减小面波干扰，保证地震能量下传，地震激发必须选择在低降速层下的高速层中激发;测定低降速层厚度一般采用微测井方法进行表层结构调查，根据资料解释的低降速层厚度，进行了激发井深的初步设计。该区的低降速层厚度最大在25 m左右，低降速层速度一般在350～1 200 m/s，高速层速度一般在1 650 m/s以上，因此激发井深选择在地震波速度不低于1 700 m/s的地层中(图3)。

(3)依据潜水面和虚反射界面深度进行井深设计。一般来说，地震波在潜水面会发生虚反射。通常把地震波发生虚反射的这一界面叫虚反射界面。在地震勘探时，有时可视为潜水面即为虚反射界面。但严格意义上，虚反射界面包括潜水面，但不仅为潜水面。比如，大地地表对地震波传波来说，也是很严重的虚反射界面。本文中，将潜水面视为虚反射界面。

当震源在低速带以下的井中激发时，有一部分能量向上传播，遇到低速带底界面及地表时再向下传播，这种特殊类型的多次波称为虚反射;激发井深为:H=H0+D(H0为虚反射界面深度，L为药柱长度，D为药柱顶部的爆炸破坏带高度)，如图4。通常检波器接收的是由震源直接下传和由虚反射界面反射后的两种波的合振动。

当下行波与虚反射时差为t/2时出现调谐振幅，为避免虚反射对地震分辨率的影响，根据需要保护的地震信号的最高频率时差小于1/4波长，可计算药包距虚反射界面的距离:

为保证激发能量和信噪比，药包距虚反射界面的距离不应小于炸药的爆炸半径:

图3 低降速厚度图与高速层顶界面图Fig.3 Low speed reducing thickness map and the top of the interface map

图4 地震激发虚反射示意图(刘艾奇等，2004)Fig.4 The ghosting interface of Seismic excitation

图5 167测线微测井监视记录所显示的低频带Fig.5 167line low-frequency belt shown by m-vsp

药包到虚反射界面的传播时间为:

(4)依据低频带厚度进行井深设计。低频带，一般是指位于潜水面附近而与潜水面厚度和定义有差别的一个厚度带，目前地球物理勘探界还没有给出很严格的定义;它主要是指域让地震波能量和频率快速衰减的位于近地表的某个区域或厚度层，一般来说范围在潜水面一下3 m至地表的这一区域;但具体的厚度和区域需要在施工中进行界定。

根据微测井抽道所显示的监视记录，进行高低频带划分。野外表层结构调查的数据表明，低频带厚度与低降速带厚度是不完全相同的。例如，该探区的农田区低降速厚度为10 m，而低频带的厚度为12 m;沙土区低降速厚度为3.57 m，低频带的厚度为7 m;沙漠区低降速厚度为5 m，低频带的厚度却为7.2 m，如图5、表1。一般地，低频带的埋深大于低降速的埋深。

进行激发井深设计时，应该对比低频带厚度与低降速层厚度加上药包距虚反射界面的距离(该距离不应小于炸药的爆炸半径的激发深度)，将这两个距离作为野外井深试验的试验井深，通过试验选择效果较好的井深作为生产井深。

通常在全区建立双井微测井控制点，在横向岩性变化大的地方适当加密;通过双井微测井所解释的虚反射界面建立近地表模型，作为单井微测井解释的潜水面或低降速带厚度的近地表模型补充和控制。

(5)依据地震子波形态进行井深设计。震源子波是极性相反具有时差的下行波与虚反射的非同相叠加，因此就必然带来低频响应，其频率特性公式为(李套山等，1997):

式中，R为潜水面的虚反射系数;t为下行波与虚反射的时间差，t=2Δh/v;Δh为清水面以下的深的。从公式看出，激发深度虽只差1～2 m，但频率特性会发生很大的变化，表明井深对震源子波频率的影响是非常明显的。

在进行井深试验时，在单炮记录上不能明显反映不同井深之间单炮资料品质的差异时，应该提取单炮地震子波井行对比分析;子波形态较好的激发井深，作为生产井深;从分析提取的子波旁瓣、和子波峰值可以看出，该区潜水面下5 m激发的效果较好(图6)。

3 采集效果分析

通过多种条件约束下进行激发井深设计，有效避免了根据单一条件而采用的激发井深。戈壁、盐碱地、农田、沙地、沙漠等各种激发岩性的单炮品质均得到很好的保证(图7)。叠加剖面各目的层反射同相轴清晰、主要构造断点清晰、易于对比追踪(图8)。

表1 BC12-151EW线低降速带厚度与低频带厚度对比表Table1 Compared with low velocity zone thickness and low-frequency belt thickness of BC12-151EW

4 结论与认识

(1)地表条件复杂、激发岩性横向变化大的探区，激发井深要考虑激发岩性、低降速带厚度、虚反射界面埋深、地震激发子波形态和低频带等多种因素，要在综合约束条件下进行井深设计。

(2)该工区激发井深的约束条件并不与戈壁、盐碱地、农田、沙地、沙漠等的地表高程相关，而是在地下某一深度为一个倾斜的面。因此复杂地表的地表高程减去这个多重条件约束而得出的面的埋深，就得到激发井深的深度，该深度相对地表来说都不一样，需要逐点设计井深。

(3)地表条件复杂的探区，要针对不同近地表条件对地震波衰减程度不一的情况，进行逐点井深设计。

(4)巴楚地区通过多种条件约束下激发井深设计，取得了较好的激发效果。

图6 不同井深的子波的形态Fig.6 Seismic wavelet of Different depth of shot hole

图7 探区不同激发岩性的原始单炮监视记录Fig.7 The original single shot monitor record of different Shooting lithology

图8 探区BC12-165线初叠剖面Fig.8 The Initial stack section of BC12-165line

陈学强.2005.陆上复杂地表区地震采集激发应用技术研究[D].北京:中国石油大学.

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