顺北沙漠区地震资料陷波现象原因分析及消除

刘 斌 宋智强* 王 超 陈洪芝

(①中国石化石油工程地球物理公司胜利分公司研究所，山东东营 257086； ②中国石化西北油田分公司，新疆轮台 841600； ③中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 062552)

1 问题的提出

顺北沙漠区是中国石化西部重要的油气勘探区，奥陶系目的层较深，地表为沙漠，因此地震资料有效频带范围较窄。而该地区地震单炮中普遍存在“陷波”现象，“陷波”点位于12～15Hz内，正好位于地震资料有效频带范围内(图1)。

以往认为陷波现象可能与地震波的虚反射有关[1-3]。首先根据微测井数据近地表调查数据，建立该区的近地表速度模型，再通过虚反射原理计算陷波点的位置，可以分析这种陷波现象是否与地震波虚反射有关。

图2为微测井解释结果，位置与与图1试验炮相同。可以看出，该处近地表为两层结构，低速层厚度为2.48m，速度为344m/s，降速层厚度为3.87m，速度为515m/s，高速层顶界面深度为6.35m，高速层速度为1678m/s。图3为该处近地表速度模型。虚反射是由于炸药在高速层顶面以下激发时，地震波向上传播，遇到强波阻抗界面(高速层顶界面)向下反射，与向下传播的地震波叠合，由于两个地震波存在时差，对部分频率进行了压制[4-5]。采用虚反射原理计算陷波点的位置[6](图4)，第一个陷波点位于60Hz，与实际资料中15Hz陷波点不符。另外根据该工区表层厚度为21.2m的微测井数据，计算的陷波点位置是28Hz，也与实际资料陷波点位置不符。因此，该陷波现象并非由虚反射引起。

图1 顺北沙漠区地震资料单炮频谱分析(a)不同炸药量试验单炮频谱对比； (b)不同井深试验单炮频谱对比

图2 微测井解释结果

图3 建立的近地表模型

图4 理论计算的虚反射陷波现象

2 陷波现象成因分析

2.1 地震记录不同区段的频谱分析

进一步对单炮地震记录沿着反射波同相轴开较小的时窗(图5左方框所示)进行频谱分析，并没有出现陷波现象。

另外，从单炮记录中可以明显看到浅层多次折射波(图6左)，多次折射波速度约为1700m/s，与高速层速度相近并且与初至波平行，是在低降速带内经多次折射滑行的多次波，其主频为10Hz(图6右)。 从图7所示单炮记录可见，浅层多次折射波不仅存在于炮记录的浅层，而且贯穿于整个记录，在深层与有效反射波的波场混叠在一起(图7方框所示)。

图5 单炮记录反射波同相轴(左图中黄色区域)的频谱(右)

根据图5～图7，可能是分析时窗包含了反射波和浅层多次折射波，频谱中出现了两个主频峰值、导致了峰值间低凹处出现了视觉陷波现象。

将浅层多次折射波和有效反射波频谱叠合显示(图8)，可以明显看到两个频谱峰值，一个是浅层多次折射波的主频，而另一个是有效反射波的主频，该叠合显示的频谱与实际资料中放大时窗所显示的频谱特征相同(图9)，陷波点的频率都为15Hz，说明由于近地表中的浅层多次折射能量太强，与地下有效反射波的混叠，使频谱分析中产生了“两高夹一低”的现象，形成了视觉上的陷波现象。

图6 浅层多次折射波(左)及频谱分析(右)

图7 单炮中的浅层多次折射波

图8 两种波场的频谱叠合显示

2.2 浅层折射波的正演模拟

为了进一步说明问题，通过微测井数据(图10a)采用VSP速度解释方法，即拾取初至时间并计算井中相邻两炮间的速度曲线[7-11](图10b)，建立精细的近地表模型(图10c)。将近地表模型与地下地质模型结合建立该区的综合模型(图11)，运用波动方程进行正演模拟。 从模拟记录(图12a)可以看到明显的浅层多次折射波，对该模拟单炮进行频谱分析，可以看到频谱中明显存在两个峰值频率，在这两个峰值频率之间存在着视觉上的陷波现象(图12b)。

图9 时窗包括两种波场的频谱

2.3 不同近地表厚度浅层多次折射波对地震资料的影响

对SZ工区资料中的浅层多次折射波调查发现，并不是所有地方都有明显的浅层多次折射波，且强度也有差异，这主要由近地表结构决定。利用SZ工区中的单炮记录及近地表结构图分析不同近地表厚度与单炮中浅层多次折射波现象之间的对应关系(图13)。图中E、F方框所示分别为无和有明显浅层多次折射影响的两个时窗，图14为这两个时窗对应的频谱。可以看到，E处表层较薄，为4m，单炮中浅层多次折射波不发育，频谱中没有伪陷波现象。而F处表层较厚，大于20m，单炮中表现为强烈的浅层多次折射波，频谱中可以见到明显的伪陷波现象。因此低降速带厚度与浅层多次折射波的发育及伪陷波现象有关。

图10 精细近地表模型(a)微测井数据； (b)近地表速度解释结果； (c)近地表模型

图11 建立的综合模型及其正演波场快照

为分析整个工区近地表结构对浅层多次折射波的影响，按照近地表厚度将全区分为四类：小于5m；5～15m；15～20m；大于20m。在图13中，A区近地表厚度为17m，B区近地表厚度为16m，C区近地表厚度为9m，D区近地表厚度为22m。从单炮记录面貌看，D区浅层多次折射波能量较强，贯穿于记录的始终。图15是A区2.5、3.5、4.0、4.5和5.0s处时窗(图13炮集黄框所示)的频谱，可以看出，小于4.5s都存在明显的“伪陷波”现象，而大于4.5s“伪陷波”现象不再明显。因此近地表厚度为15～20m时浅层多次折射波能量较强，能影响到4.5s，也就是奥陶系目的层反射。图16是C区1.7、2.5和3.3s处时窗(图13炮集蓝框所示)的频谱，小于2.5s存在明显的“伪陷波”现象，大于2.5s“伪陷波”现象不明显。因此近地表厚度为5～15m时浅层多次折射波最大影响到2.5s左右。

图12 模拟单炮记录(a)及其频谱(b)

图13 不同近地表厚度与浅层多次折射波的对应关系 上图为近地表厚度图，中图为近地表结构图，下图为对应的单炮记录

图14 图13中E(a)、F(b)两个窗口对应的频谱

图15 图13A区2.5s(a)、3.5s(b)、4.0s(c)、4.5s(d)和 5.0s(e)处时窗(图13炮集黄框所示)的频谱

图16 图13C区1.7s(a)、2.5s(b)和3.5s(c)处 时窗(图13炮集蓝框所示)的频谱

由图13～图16的分析可知，近地表厚度小于5m时， 单炮中的浅层多次折射波不明显； 近地表厚度大于5m时，单炮中有明显的浅层多次折射波； 近地表厚度大于20m时，浅层多次折射波能量最强，干扰范围最大。因此近地表厚度越大，浅层多次折射波能量越强，影响范围越大，伪陷波现象越明显。

2.4 不同近地表厚度的波场模拟

为什么近地表厚度越大，浅层多次折射波能量越强？为此，建立不同近地表厚度模型(图17a)，通过波动方程正演模拟，对模拟数据进行分析。

由模拟炮记录可见，随着近地表模型厚度的增加，浅层多次折射波能量逐渐增强(图17b)。图18是近地表厚度为50m时地震波在近地表内反复震荡波场快照。首先震源激发，地震波从低降速带之下传入低降速带内，当遇到地表时，地震波被反射回来向下传播，当遇到高速层顶界面，地震波再次被反射回传，如此地震波在地表和高速层顶界面间来回震荡，形成浅层多次折射波[12-14]。

图19是近地表厚度为4m时的波场快照，地震波在近地表内波长是10m，在高速层内是50m，当近地表厚度较小时，即小于1/2波长，地震波从高速层传入近地表时，地震波直接透射过去，不会在近地表内震荡，从而不会形成浅层多次折射波。

当近地表厚度较大时，即大于1/2波长，地震波从高速层传入近地表时，地震波在近地表内形成多次震荡，从而形成浅层多次折射波。且近地表厚度越大，浅层多次折射波能量越强，影响范围越大。

图17 不同近地表厚度模型(a)及模拟的单炮记录(b) 从左到右近地表厚度依次为4、10、20、30、40和50m

图18 近地表厚度为50m时的波场模拟快照

图19 近地表厚度为4m时的波场模拟快照

3 陷波现象压制方法

由以上分析可知，顺北沙漠区地震资料中存在的陷波现象是由近地表浅层多次折射波能量较强导致的，严重影响了地震资料的信噪比。浅层多次折射波具有固定的视速度(约为1700m/s)和频率(主频为10Hz)，在近地表内沿高速层顶界面进行传播，是典型的线性干扰[15-17]，可通过频率和速度特征进行约束剔除[18-20]。线性干扰压制技术较FK滤波具有更好的压制效果，不受空间假频影响。图20为浅层多次折射压制前、后结果对比，可见浅层多次折射波分布于整个单炮中，剔除浅层多次折射波后单炮信噪比有了较大提高，反射同相轴更加清晰连续，单炮频谱中的伪陷波现象已不明显。

图20 多次折射波压制前、后效果对比(a)原始记录； (b)剔除的浅层多次折射波； (c)压制后记录； (d)原始记录频谱； (e)压制后记录频谱

4 结论

顺北沙漠区地震单炮记录中的“陷波”现象，是由于近地表结构中高速层顶界面是一个较强的波阻抗界面，地震波在近地表内传播时反复震荡，在单炮记录中形成能量较强的浅层多次折射波，速度为高速层顶界面速度，主频为10Hz左右。该多次折射波贯穿于整个单炮记录中，与地下有效反射波混叠在一起，影响了深层反射波的信噪比，在频谱中表现为与地下反射波主频之间形成“两高夹一低”的形态，形成了视觉上的“陷波”现象。当近地表厚度大于5m时，单炮中有明显的浅层多次折射波，并且当近地表厚度大于20m时，浅层多次折射波能量更强，所产生的陷波现象影响到了目的层反射。由于浅层多次折射波具有固定的速度和频率，因此可以在处理中加以压制，达到消除陷波现象、提高资料信噪比的目的。