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可控震源地震勘探新方法研究与应用

倪宇东  
【摘要】:可控震源地震勘探始于上世纪50年代的前苏联及美国,至今已经有60余年的发展历史。上世纪50年代末期,前苏联首先研制了偏心轮振动器,而后又研制了液压式振动器。在此基础上发展了以激发编码信号为基础的可控震源地震勘探方法,前苏联的可控震源地震勘探方法在上世纪70年代末期才真正走向工业化生产。美国大陆石油公司(CONOCO)在1952年开始了连续振动工作法试验,所谓连续振动工作法就是采用一个大质量的振动体,通过与大地紧密耦合的振动平板,向地下传送一组连续振动的弹性波信号,通过处理经过大地改造过的这组弹性波信号,获得与地下地质构造、地层岩性、地层含油气性有关的信息。通常把产生连续振动信号的装置叫做可控震源。1956年美国成立第一支可控震源地震队,同前苏联一样直到上世纪70年代才开始现代意义上的可控震源地震勘探生产。 可控震源地震勘探不仅具有“安全、环保”的特点、还具有出力大小、频率范围、扫描时间、相位等参数可根据具体的工区地表条件、深层地震地质条件而调整的特点。正是由于上述特点,可控震源在地震勘探领域占据重要的位置。对比东方地球物理勘探有限责任公司2004年到2008年承担的国内外地震勘探项目可控震源的使用情况不难发现,国内在可控震源使用上与国外有很大的差距:国内一共531个地震勘探项目,使用可控震源的项目为44个,比例仅仅为8.3%;国际项目一共413个,使用可控震源的项目为234个,比例为56.5%;国内44个项目中面积超过500Km2的仅仅占6.8%,国际234个项目中面积超过500Km2的占到47.5%;国内可控震源项目多在戈壁,占总项目的68.2%,沙漠使用可控震源的项目仅仅为4.4%;国外可控震源项目以沙漠地区为主,占总项目的40.3%,戈壁使用可控震源的项目为34.0%。 针对可控震源在国内使用落后于国际的现状,作者开展了大量新技术、新方法的调研工作,结合在工作中承担的科研项目开展了相关技术的研究工作。目的在于在国内尽快大范围推广可控震源这种安全、环保的地震勘探技术。推广可控震源地震勘探技术具有重要的意义,首先是国家安全形势的需要,包括安全生产、社会安全两方面,炸药震源作为地震勘探主力激发源已经不能完全适应于安全形势的需要;其次是环保形势的需要,可控震源在环保方面的优势是其他地震激发源无法比拟的。推广可控震源地震勘探需要解决一系列技术问题,第一个问题是生产效率问题,第二个问题是资料保真的问题。总结目前技术发展情况可以看到,这两个问题已经在国外得到了较好的解决。 作者在调研的基础上,把可控震源技术的发展划分为三个阶段:第一阶段是试验阶段,时间段是从上世纪50年代开始到上世纪60年代末期。第一阶段是可控震源系统本身研发阶段,主要通过野外采集试验来发展与完善可控震源系统;第二阶段是大规模应用阶段,时间段是从上世纪70年代初到上世纪80年代末期。一般称该阶段为可控震源常规生产阶段,该阶段一般采用多台可控震源组合激发的方式,通过互相关处理方法获得野外单炮记录。常规生产阶段采用逐点依次激发的方式,野外生产效率低,在这一阶段的中后期,野外生产日效才刚刚达到300-500炮/天;第三阶段是可控震源高效采集阶段,时间段是从上世纪90年代初一直发展到现在。在这一阶段中,先后出现了交替扫描技术(Flip-Flop Sweep)、滑动扫描技术(Slip-Sweep)、多点独立同步扫描技术(ISS:Independent Simultaneous Sweeping)、可控震源高保真地震勘探技术(HFVS:High Fidelity Vibratory Seismic)等等。目前,可控震源高效采集方法最高日生产炮数可达20000炮。伴随可控震源高效采集方法的出现,谐波干扰、邻炮噪音问题必须解决;伴随多台可控震源高保真激发技术的出现,高保真数据分离技术也需要深入研究。压制谐波干扰方法、压制邻炮干扰技术以及高保真数据分离技术都属于原始数据预处理技术,因此作者把这些技术称为可控震源地震“采集处理”技术,尽管有些技术使用的是成熟的数学方法,但是这些数学方法都是最近才应用到可控震源新的采集方法中,因此,这些技术称为“可控震源地震采集处理新技术”。论文重点介绍可控震源高效采集技术、高保真采集技术,同时围绕相关的采集处理新技术开展理论研究与应用研究。 论文包括五个部分,第一部分重点介绍了可控震源地震勘探发展历程。包括可控震源地震勘探发展历史、现状;可控震源系统本身的基本结构及功能特点、常规野外采集方法。 第二部分介绍了可控震源地震勘探的理论基础。对比了炸药震源与可控震源地震记录、介绍了可控震源使用的线性扫描信号、简单评价了其他扫描信号的特点。重点介绍了可控震源振动记录压缩方法基本原理一相关法基本原理,分析了可控震源地震勘探次生干扰波一谐波的特点。同时论述了反射地震波褶积模型,给出了可控震源地震勘探积分褶积模型,建立了可控震源地震勘探资料预处理技术的理论基础。 论文的第三部分详细介绍了可控震源多种高效采集技术野外施工方法以及原始数据处理方法。可控震源交替扫描技术是高效采集技术的基础,在扫描信号参数一定的前提下,交替扫描采集方法的生产效率是可控震源常规生产方式的1.5-2倍。交替扫描采集方法是指野外地震采集项目使用两组或两组以上可控震源作为激发源,当前一组可控震源在某一个激发点处于振动激发状态时,下一组可控震源移动到另外一个激发点位置并完成准备工作;当前一组可控震源完成振动并延续一定记录时间后,下一组可控震源开始振动作业。滑动扫描(Slip-Sweep)技术是在交替扫描方法基础上发展起来的一种技术,滑动扫描与交替扫描的区别就在于用于滑动扫描的多组可控震源扫描作业时间可以相互重叠,而交替扫描则不能相互重叠。滑动扫描滑动时间应该大于等于记录长度。由于滑动扫描的多组震源作业时间相互重叠,因此某一组震源产生的谐波干扰必然影响其他组震源数据,论文详细描述了滑动扫描中谐波干扰的特点,并重点介绍了滤波法消除谐波干扰的基本原理及应用效果。多点独立同步扫描(ISS)采集方法是一种超乎想象的高效采集技术,这种方法野外采用多组可控震源施工,各组可控震源之间不需要互相等待、只要准备好就可以放炮;仪器采用连续记录的方式,只要施工中使用的各种硬件设备与软件不出现故障、或者没有自然因素(大风、下雨等)的影响,原则上可以在一个工作日内从第一炮一直不间断记录到最后一炮;在施工过程中,不同于传统的施工方法,该方法中使用的采集仪器与可控震源之间独立作业,并通过GPS授时的方式完成仪器与可控震源的时间同步,需要记录每台震源的T0启动时间。多点独立同步扫描技术会引入邻炮干扰,影响资料的信噪比。由于邻炮干扰在共检波点道集上表现为随机噪音的特点,因此我们采用了压制随机噪音的方法消除邻炮干扰,主要介绍了3D-RNA去噪方法及其在试验工区的应用效果。在论文的第三部分中,还介绍了其他几种可控震源高效采集技术,如DSSS、HPVA以及V1、DSS技术,这些技术基本上都是基于滑动扫描技术而发展起来的,因此同样面临谐波干扰压制的问题,同时也可以用相同的压制方法消除谐波干扰。可控震源高效采集技术野外生产组织与我们常规地震勘探生产组织方式有非常大的区别,论文在第三部分中简单介绍了执行这些高效采集技术时必须使用的相关配套技术,包括连续记录系统、可控震源控制系统、高精度定位系统、海量数据适时存储技术等等,没有这些相关配套技术是不可能执行高效采集施工的。 第四部分是论文的又一重点内容,主要介绍了可控震源高保真地震勘探方法(HFVS)。可控震源常规勘探技术、可控震源高效采集技术都是利用理论的扫描信号(真参考信号)与地面仪器接收到的振动记录互相关运算获得地震记录。扫描信号与振动记录互相关运算的过程实际就是扫描信号自相关生成的零相位Klauder子波与反射系数脉冲响应的褶积,每一个脉冲响应对应一个Klauder子波,这样就把长的振动记录压缩为短的地震记录。值得注意的是,尽管互相关运算得到的地震记录与波阻抗界面有一定的对应关系,但是互相关地震记录不能真实反映波阻抗界面纵横向变化的地质含义、仅仅是波阻抗界面的数学响应,这种数学运算响应特征受扫描信号自身特征的影响,如何消除扫描信号对地震资料的影响是业界一直研究的课题。随着装备技术的进步,我们可以记录到可控震源平板以及重锤加速度信号,用这两种加速度可以计算得到真实传播到大地的信号的最佳逼近信号一地面力信号,业内用地面力信号设计滤波器,使用反褶积方法对振动记录进行处理,得到没有扫描信号或没有地面力信号影响的高保真的地震数据。这就是可控震源高保真采集技术的基础。在实际生产中,一般采用多台可控震源同步采集的方法完成高保真野外生产,这里就引入了不同震源之间对应地震记录的数据分离问题,论文介绍了奇异值分解法(SVD)的基本原理,利用SVD方法可以很好地实现多台可控震源高保真数据分离,实际生产试验数据的分离结果证实了这一点。可控震源高保真地震勘探技术有五大技术优势:可以得到高保真的可控震源地震数据,避免了扫描信号以及相关噪音对地震资料的影响;使用HFVS方法的可控震源地震记录分辨率高于相关法可控震源地震记录;解决了可控震源初至时间难于拾取的问题,提高了初至时间拾取精度,提高了静校正精度;压制了谐波干扰;解决了同一项目震源与地面耦合差异问题。 论文的最后一部分介绍了可控震源地震勘探技术未来发展的趋势以及结论与建议。作者认为,大吨位可控震源勘探方法、低频可控震源勘探技术、“高效+高保真+低频”相结合的可控震源地震勘探技术是未来可控震源地震勘探技术发展的方向与趋势。论文较详细介绍了上述技术目前发展的现状、列举了典型实例,最后得出了上述结论。


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