近地表地层品质因子在川西北部地区地震勘探中的应用

杨智超 李 敏, 张 璐 陈江力 张 孟

1. 东方地球物理勘探公司西南物探分公司 2. Texas A & M University

在陆地地震勘探中，地震波在地层中传播时，其能量和频率都会产生吸收衰减。相对于深部坚硬岩层，近地表松散地层对地震波的吸收和衰减最严重，是地震波衰减的主要原因。为了消除这种因素对地震资料的影响，需要对近地表的地层结构进行精细剖析，并进行补偿处理。地层对地震波的吸收衰减程度通常采用地震波能量耗散的品质因子（Q）来描述。如果获得了近地表地层的Q值，再利用反Q滤波技术，则可以消除或者削弱近地表松散地层对地震波的衰减作用，提高地震资料的品质。

针对地层品质因子的求取，国内外许多学者都做了有益的工作。席道瑛等[1]通过低频共振的方法测得了多孔饱和砂岩的衰减温度谱，阐明了在低温和低频下的饱和流体砂岩的衰减特性；石玉梅等[2]提出了用瞬时频率匹配法提取衰减参数方法，从模型上实现了速度和Q值联合反演的层析成像方法；严又生等[3-4]提出了井间介质速度和Q值联合成像。凌云等[5-9]提出“时频域和频时域球面发散与吸收衰减统计分析”方法，利用大炮记录对地层的吸收与发散特征进行研究，导出了求取品质因子的统计公式。但前人的研究主要集中在方法上，在实际应用中对于复杂多变的近地表地层，获得的Q值精度较低，不能精细刻画近地表Q值变化情况。笔者团队基于双井微测井数据，利用谱比法计算Q值，并结合精细近地表结构模型，采用V-Q公式来构建近地表Q值结构模型，应用效果较好。

1 区域概况

川西北部主要指四川盆地西北部地区，位于川北古拗陷低缓构造区。该区地表既有丘陵地形，也有山地地貌，最高海拔1 500 m左右，最低海拔400 m左右。地表主要出露白垩系七曲寺组、白龙组和苍溪组、剑阁组、剑门关组上段、下段、侏罗系莲花口组、遂宁组、沙溪庙组以及二、三叠系砂岩和灰岩地层，也有第四系黄土砾石堆积区，地表沉积物巨厚，低降速层厚度变化大，有些地区厚度可达几百米，有些地区只有1～2 m。这样复杂的地表，必然会导致复杂而严重的地震波衰减，造成地震原始资料频率和信噪比都较低。

2 近地表Q值模型的建立

对于川西北部这样的复杂地区，如果采用以往的常规近地表Q值建模方法，仅利用微测井构建Q值模型，只能获得一些单点的Q值数据，不能连续刻画Q值横向上的变化，并且这种模型的深度受微测井深度限制（＜20 m），不能很好地反映Q值随地层深度的变化情况。通过对比单、双井微测井资料和研究近地表Q值与纵波速度的关联性后，确定采用双井微测井数据来求取单点Q值，并利用求取的Q值和微测井解释的速度成果进行拟合，获得速度与Q值的关系式，再利用层析技术获得较为精细的近地表速度结构模型,进而求取近地表Q值结构模型（图1）。所构建的Q值结构模型较真实地反映了近地表Q值随地形起伏、低降速带速度及表层厚度的变化情况。

图1 近地表Q值模型构建流程图

2.1 单点Q值求取

以往求取近地表单点Q值都采用单井微测井，获得的成果精度不高。因为单井微测井无法避免地表极疏松的风化层，极疏松的风化层对地震波能量、频率的衰减作用都很强，所获得资料的频率和振幅信息将产生较大改变，难以真实反映地层对资料的影响情况。而双井微测井采用井中激发井中接收，接收到的地震波没有经过地表极疏松风化层的衰减，获得的地震信息更丰富真实。

实际资料显示，两种方式获得的资料能量差异较大，单井微测井资料（图2）在1～6 m激发能量最强，7～30 m激发能量都较弱，变化不大；而双井微测井资料（图3），在1～10 m激发能量最弱，11～24 m激发能量最强，25～30 m激发能量减弱。结合地层激发岩性分析，该试验井1～10 m地层是风化层，激发效果最差；11～24 m地层是泥岩，激发效果最好；24～30 m地层是砂岩，激发效果次之。可见双井微测井资料能量曲线的强弱变化与激发岩性对应得更好，说明双井微测井资料能较客观地反映地层的岩性情况。

图2 单井微测井资料不同深度激发能量分析图

图3 双井微测井资料不同深度激发能量图

笔者选择在川西北部柘坝场构造进行方法验证。首先利用双井微测井资料，采用频谱比法求取Q值。谱比法基于Q值与频率无关的假设条件，通过最小二乘拟合振幅谱比值的对数随频率的变化斜率，进而估算层间Q值[6-8]，该方法稳定性较好，理论推导严密, 假设条件少。频谱比法求Q的公式为：

式中 S1(Z1, f)、S2(Z2，f)分别表示点 Z1、Z2记录到的振幅谱；C表示常数；Δt表示时差，ms；f表示频率，Hz。

从不同深度点激发频谱分析结果图（图4）可以看出，在不同深度激发，地震波的能量和频率会有明显的分层性，深度1～5 m激发的频谱相似度高，低频能量较强，高频能量较弱；深度6～11 m激发的频谱相似，低频和高频能量较弱；深度12～24 m激发的频谱相似，低频能量较弱，高频能量较强，深度25～31 m激发的频谱相似，低频能量较弱，高频能量较强。造成这种现象的原因是激发岩性的不同。为了获得每个地层的Q值，在求取近地表Q值过程中，就需要对Q值进行分层计算。

图4 川西北部柘坝场构造双井微测井资料频谱图

一般情况下，主要依据岩性进行地层划分。但由于柘坝场构造近地表地层的岩性结构变化较快，不易判断，可能会出现多种划分方式。为了获得高精度的近地表Q值，采用综合属性分层法求取近地表Q值，即利用双井微测井资料获取地层速度、能量、频率等属性的变化趋势，再结合钻井岩性等多种属性进行分层。图5为同一口微测井的不同属性，可以看出不同属性的分层性并不一致，如果采用单个属性进行分层，将会有多种划分方式。如同样划分为3层，根据岩性录井，即为1～5 m、6～15 m、16～31 m；根据频率曲线，即为1～7 m、8～15 m、16～31 m；根据速度曲线，即为1～4 m、5～7 m、8～31 m。综合考虑各种因素，将该井Q值分为3层计算，第1层1～7 m；第2层8～15 m；第3层16～31 m。最终得到 第1层Q值为0.58，第2层Q值为1.99，第3层Q值为4.14。

图5 综合利用多种属性进行层位划分展示图

2.2 Q值模型的建立

利用双井微测井数据计算Q值，在纵向上具有较高的精度。但由于双井微测井在横向上分布较为稀疏，因此不能得到整个区域的准确Q值模型。根据李庆忠等人[9-10]的研究，地层的Q值与地层速度具有一定的对应关系，并且给出了数学表达公式Q=，vp为纵波速度[10]。基于此，利用双井微测井资料获得四川盆地川西地区近地表地层Q值和地层纵波速度，在进行Q值和速度对应关系求取过程中，发现与李庆忠的公式误差较大，根据实际获得的数据和考虑川西地区地表条件与其他地区的差别，拟合得到Q值与纵波速度(v)之间的关系式如下：

图6为四川盆地川西北柘坝场构造利用地震大炮资料层析反演得到的近地表纵波速度结构模型。结合前面拟合得到的纵波速度与Q值的关系公式，得到近地表Q值结构模型（图7），可见该模型精细地反映了Q值在横向和纵向上的变化情况，每个物理点上都具有不同的Q值，为后期精细Q补偿提供了可靠的数据依据。

3 应用效果

上述近地表Q值模型构建和补偿技术，在川西北地区柘坝场构造进行了首次应用。图8是原始单炮资料，可见资料中低频面波干扰突出，信噪比低，纵向上地震波反射能量随深度增加而减弱，横向上地震波反射能量随距离增加而变弱，且变化不均衡，有的部位减弱明显，有的部位减弱不明显。这主要由地表条件变化引起。通过近地表Q值补偿后，可见单炮资料（图9）的浅、中、深层及远、近偏移距的地震波反射能量较为均衡，同时地震反射的25～50 Hz高频段能量得到较大提高，而低频面波能量却没有增加，更突出有效反射波，使资料信噪比得到较大提高。图10是补偿前后单炮资料的频谱图，可见补偿前资料的优势频带范围是7～25 Hz，而补偿后地震资料的优势频带拓宽为7～40 Hz，频带向高频端拓展了15 Hz左右。

4 结论

1）针对岩性分层较多的近地表结构，采用综合属性分层可以增加每一层的Q值计算样点，从而降低计算结果的误差。

2）利用双井微测井和大炮初至信息，构建的近地表Q值模型能真实反映近地表纵、横向上随地形、岩性、低降速带厚度、速度变化的Q值变化情况。

3）利用这种Q值模型对地震资料进行反Q滤波，有效补偿了近地表对地震波频率和能量的衰减。

4）复杂地区近地表Q值模型构建技术还处于初步研究阶段，还需要补偿方法和关键参数进行完善，能获得更高频率的地震反射信息。

图6 川西北地区柘坝场构造二维近地表速度模型图

图7 川西北地区柘坝场构造二维近地表Q值模型图

图8 Q补偿前单炮地震记录剖面图

图9 Q补偿后的单炮地震记录剖面图

图10 单炮地震记录频谱对比图