井炮与可控震源混采数据匹配在火山岩地区的应用

孔令霞 韩 嵩 屠志慧 曾 鸣 彭浩天

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

0 引言

在地震采集中广泛使用的炸药震源具有能量强，信号频带宽等特点，但是随着地震勘探区域的扩大,在遇到城区、工业园、景区、道路等区域，炸药很难实施，这时需要与可控震源联合施工采集数据，才能确保障碍物下的地震数据覆盖次数达到施工要求，完成设计任务[1-3]。然而这两种采集方式的地震资料存在明显的相位、振幅、频率、子波不一致，会给后续地震数据处理带来新的问题和挑战。

从收集的资料来看，不同时期、不同地区对混采数据采用了不同的处理方法消除其差异，例如：云美厚等[4]研究了不同采集方式、不同震源的地震数据，采用互均衡处理方法，消除两种数据的振幅、相位等的不一致，实现一致性处理。张亚南等[5]提出基于纯相位滤波器的子波相位校正方法，对残余的子波相位进行准确寻优，提高地震数据分辨率。高少武等[6]提出可控震源最小相位化的理论、方法，并研发模块来调整校正炸药震源与可控震源资料间的相位差异。邬达理等[7]提出叠前多点综合串联匹配滤波处理技术，通过逐步逼近法对可控震源单炮数据进行匹配滤波，来实现两种震源记录的一致性。向晓丽等[8]通过地表一致性、子波匹配、剩余静校正等一系列处理，达到能量均匀、频率一致。龙正书[9]提出通过极性反转来实现两种震源资料的一致性处理。陈志卿等[10]阐述了对不同震源的数据进行地表一致性振幅校正，利用Robinson模型，计算子波匹配校正算子，消除其子波差异。梁鸿贤[11]提出利用初至信息进行子波提取和求取匹配算子的思路。

本次实验是在对炸药震源与可控震源实际采集资料分析的基础上，综合前人的处理经验，提出3步法来匹配井震混采地震数据的不一致，在实际资料中取得了较好的处理效果。

1 工区概况

四川盆地二叠系钻探玄武岩始于1966年威西地区，截至目前，钻遇火成岩共90余口，主要位于川西南部及川东开江—梁平海槽西侧。除zg1井二叠系玄武岩段裂缝型储层钻获25.61×104m3/d的工业气流，后一直未取得勘探突破。近期yt1井在川西地区爆发相火山角砾岩层段钻遇优质孔洞型储层，钻井过程中气显示频繁，测井解释储层厚102.6 m，测试获得日产气22.5×104的工业气流。同时，川西龙泉山地区ysh1井在火山岩层段同样钻遇优质储层，测井解释火山岩储层厚190 m。这表明，川西地区二叠系火成岩具有较大的勘探潜力，有必要进行系统研究。目前，火山岩的勘探开发面临地震资料成像效果差、火山岩内幕反射结构不清楚的难题。

本工区是针对火山岩为目的层的三维地震勘探，它作为川内首个火山岩领域三维项目意义重大。该区地属川西平原地区，地势平缓。区内最高海拔约850 m，最低海拔约370 m，相对高差480 m。主要出露白垩系七曲寺组、白龙组、苍溪组及侏罗系蓬莱镇组砂泥岩，沱江两岸少量出露第四系砾石。总体上有利于地震波的激发和接收，单炮品质相对较好。

工区地处经济发达的东进开发主战场，城区居民、工厂、河流较多，高附加值经济作物种植面积广，多种因素造成其规划区域内严禁井炮施工。如果仅使用炸药震源采集，工区覆盖次数无法达到设计要求，因此需要增加可控震源点。本工区为炸药震源、可控震源联合施工（图1）。相对于过如城区、风景区之类的大区域障碍，可控震源避免了以前施工只能丢炮丟道，从而造成浅层资料缺失和覆盖次数不均匀的现象。从目前项目获得的资料来看，大部分地区以炸药震源为主，可控震源主要分布在工业园、道路、引水工程等处。可控震源激发的单炮品质相对于炸药震源能量强，信噪比低，可控震源资料能弥补资料缺失和覆盖次数不均匀这一缺陷。但是两种采集方式不同，地震资料必然存在差异，如何在该区消除其差异，取得更好的叠加成像，井震混采的匹配处理技术是其关键技术之一。

图1 工区三维地震勘探设计物理点分布示意图

2 不同震源资料分析

炸药震源是利用炸药爆炸来激发脉冲波。当炸药爆炸时，在炸药附近产生一个尖脉冲，它的频带很宽。可控震源是依赖长时间的振动激发，把具有相同相位，不同频率成分正弦信号叠加后向地下发射，由采集接收器接收，最后经过相关器相关后得到有限带宽地震信号[12-14]。从整个工区的单炮品质来看，炸药震源资料明显优于可控震源。图2是相同位置处的可控震源和炸药震源的原始单炮对比。可以看出，两种震源能量存在巨大差异，可控震源能量较强，与炸药震源相差在109倍；频率也不同，单炮目的层段2 000～3 000 ms处，可控震源目的层主频在5～25 Hz，炸药震源主频在5～35 Hz。受地表障碍及复杂的激发环境影响，可控震源单炮记录整体背景噪音很强，以低频面波和异常振幅为主的强能量干扰十分发育，资料信噪比较低，初至时间难以准确识别。

图2 相同位置可控震源与炸药震源的单炮对比图

图3是可控震源和炸药震源单炮记录相位比较。可以看出：两种单炮起跳极性不一致，炸药震源单炮是最小相位，初至起跳时间比较清楚，易于初至拾取；可控震源为零相位，初至起跳振幅能量较弱、不清楚。只有先对可控震源子波进行最小相位化处理，才能使可控震源和炸药震源初至起跳相位一致，进而保证初至拾取的可靠性及后续层析静校正计算的精度。由于两种震源的子波相位不一致，地震资料波组特征存在差异，只有将两种震源的地震资料先进行一致性处理，然后再一起进行常规处理，才能够使同相轴同相叠加，提高剖面的信噪比和分辨率，可控震源数据对整个地震数据处理才能起到有利补充、改善处理效果的目的。

图3 可控震源与炸药震源相位区别图

根据目前炸药、可控震源混采处理技术的研究现状，并结合本研究区块的特点，认为井震混采数据提高成像质量的难点主要体现在4个方面：①两种地震数据的相位存在差异，炸药震源激发子波是最小相位子波，可控震源激发子波是零相位。需要对可控震源进行相位校正；②由于激发方式的不同，在激发能量上二者存在能级上的差异；③目的层段子波仍然有差异。可控震源的叠加剖面同相轴连续性较差，信噪比低；④两者的带宽不同。由于激发方式的不同，炸药震源频率带宽不受限，可控震源激发频率带宽是有限的，扫描频率为3～96 Hz。而传播过程中的频率衰减，导致两种地震数据的主频和有效频带有所差异[8，15]。

3 关键技术

根据工区采集特点及技术难点，地震资料主要是以炸药震源为主，可控震源为辅，本次处理主要采用炸药震源为标准，可控震源向炸药震源匹配的一个处理方案。需解决的主要问题是两种震源的一致性处理问题。通过结合工区施工特点和资料品质，最终制定了一套适用于本区的炸药、可控震源联合处理技术流程（图4）：

图4 炸药-可控震源数据匹配流程图

基于初至起跳信息差异，对可控震源做最小相位化处理，使之与炸药震源相位特征保持一致，消除不同震源采集资料的波形差异，有利于初至波的准确拾取，满足地表一致性反褶积输入为最小相位的前提条件。

通过可控震源能量比例因子与地表一致性振幅补偿相结合的方法来解决不同震源之间、炮道之间振幅能量不一致的问题[15-16]。

通过求取可控震源与炸药震源相同位置处叠加剖面之间的匹配因子，应用到可控震源的地震数据上，达到振幅、频率、相位、子波与炸药震源单炮一致。

3.1 相位一致性处理

目前生产中常用的可控震源地震数据转换为最小相位的方法是：选取炸药震源子波为相位校正的标准，把可控震源地震子波相位校正到最小相位。首先根据采集的可控震源扫描频率、扫描长度、采样率等震源参数,计算出零相位子波；然后通过多项式求根法或最小平方法求出零相位子波的最小相位转换因子；最后将得到的最小相位转换因子应用于可控震源地震资料，即可实现可控震源地震数据的最小相位化[2-5]。从图5看出，最小相位化后，可控震源的初至波峰更加清楚，与炸药震源的一致性变好。

图5 可控震源的最小相位化处理前后与可控震源对比图

3.2 能量一致性处理

由于采集方式的不同，炸药震源和可控震源单炮的振幅存在数量级上差异，造成两种地震资料的单炮在能量上具有明显的差异，同时由于激发点位置和激发岩性不同，单炮之间也存在能量差异（图6）。本次工作提出利用炸药—可控震源能量比例因子校正炸药震源和可控震源单炮在振幅上的能级差异，用地表一致性振幅补偿的方法来解决单炮之间能量不一致的问题[15-16]。

图6 能量均衡前、后的可控震源单炮和炸药震源图

首先主要统计炸药和可控震源单炮记录目的层段时窗内的振幅能量的平均值，然后求取两者之间的比例因子，将求取的能量比例因子乘以可控震源数据，将其校正到炸药震源的能量级别，利用该因子可以减小不同震源之间的能量差异[15-16]；其次在纵向做好单炮的真振幅恢复，目的是为了消除几何球面扩散的能量衰减，把浅、中、深层的能量尽量补偿到同一个能量级别；最后结合地表一致性振幅补偿和道均衡，来补偿因地表激发、接收位置不同而造成的炮间、道间能量差异。从图6可以看出，经过一系列振幅能量一致性处理后，二者单炮能量级别基本一致，炮道之间振幅的空间分布也趋于一致，地震数据振幅一致性也得到较好的改善[15-16]。

3.3 子波匹配整形

可控震源叠前数据经过最小相位化后，子波虽然有较大改变，然而目的层位的子波、频率与炸药震源的单炮相比仍然有差异，造成叠加数据的波形不一致性，同相轴不连续[15-17]。也就是说，经过最小相位化和地表一致性反褶积后，不同震源子波之间的差异大大缩小，但是仍然存在微小的差异。子波匹配整形可以调整不同震源频率、相位、振幅关系，但其受地震资料的信噪比影响较大，因此在去噪、振幅补偿、反褶积处理后应用，才能更好地提取子波。将不同震源的地震数据分别进行叠加，在共叠加段数据目的层段选取时窗提取炸药震源的子波匹配因子，并对可控震源单炮进行子波匹配整形，进而使炸药和可控震源数据波形达到一致，以消除两个数据之间残留的子波差异。

图7展示了整形前后炸药和可控震源单独叠加剖面的差异，黑线标记是可控震源和炸药震源拼接的地方，可以看出没有经过子波校正时，不同震源拼接处的波组特征强弱关系不一致，拼接地方存在同相轴不连续，甚至出现同向轴错断，有明显的拼接痕迹。由反射层提取整形因子整形后，可控震源记录叠加的剖面与炸药记录叠加的剖面相比，可以看出拼接的地方相位的连续性得到很好的改善，同相轴易于追踪，没有明显的相位、频率和振幅差异。与炸药震源的剖面拼接处没有明显的拼接痕迹，连续性也变好。同时，二者频带趋于一致，可控震源资料更多的反射层间细节被刻画出来，剖面的信噪比得到提高。

图7 不同震源资料匹配前后单独叠加剖面对比及互相关图

为了检验整形因子是否合适，将可控震源整形前、后对应的叠加剖面分别与炸药震源叠加剖面进行互相关分析，如果互相关由整形前的不相干两条平行线变为整形后0值附近的一条直线，说明整形后两种震源的相关度变高，求取的子波整形因子是合适的。

经过一系列匹配处理后，对可控震源和炸药震源同时叠加。可以看出，匹配后混叠区的剖面有了很大的改善。从图8匹配前、后的混叠区的初叠加剖面看，匹配后反射波同相轴较为连续、光滑，波组关系清楚，地层反射信息丰富[18]。

图8 炸药和可控震源混采区匹配前后叠加剖面对比图

4 结论

1）可控震源的使用，有效补偿了在禁炮区的覆盖次数，但是在相位、振幅、频率、子波与炸药震源存在差异，要进行数据匹配后，才能进行同相叠加。

2）井炮与可控震源混采数据匹配3步法处理技术流程，有效改善不同震源之间存在的相位、振幅、频率、子波的差异，使数据整体一致性更好，有利于地震数据同相叠加，提高了剖面的信噪比和分辨率。