可控震源低頻能量激發(fā)在低頻地震數(shù)據(jù)采集應用中的誤區(qū).doc

可控震源低頻能量激發(fā)在低頻地震數(shù)據(jù)采集應用中的誤區(qū)陶知非劉興元王志杰（東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部，河北涿州 ；中國石油物資公司；大慶鉆探物探一公司）摘要陶知非，劉興元，王志杰可控震源低頻能量激發(fā)在低頻地震數(shù)據(jù)采集應用中的誤區(qū)物探裝備，（）：低頻地震數(shù)據(jù)采集與低頻可控震源是近來國際地球物理市場上的熱門話題。 但是，在實際應用中必須明白這項技術(shù)的背景與應用條件，處理好一些關(guān)鍵技術(shù)的銜接，才能在地震勘探中發(fā)揮低頻能量在解決油藏方面潛在的 固有優(yōu)勢。 本文結(jié)合作者的親身實踐，將應用中容易混淆的幾個概念與大家討論，共同思考如何推動這項技術(shù)的 應用。關(guān)鍵詞 低頻地震數(shù)據(jù)采集 低頻可控震源 誤區(qū)， ，（）：， ， ，采集；誤區(qū)三：常規(guī)掃描信號與低頻掃描信號的相位 誤差以及畸變應該大致相當；誤區(qū)四：只要 有 低 頻 震 源，就 可 以 進 行 低 頻 地 震勘探；誤區(qū)五：低頻采集作業(yè)會對可控震源造成嚴重 損壞；誤區(qū)六：低頻震源可以采用常規(guī)的觀測系統(tǒng)與 數(shù)量配置。本文 （上 篇）對 誤 區(qū) 一、二、三 進 行 了 深 入 地 探 討；誤區(qū)四、五、六將在下篇中進行探討。 年東方地球物理公司 與 荷蘭皇家殼牌石 概述低頻地震數(shù)據(jù)采集與低頻可控震源是近來國際地球物理市場上的熱門話題，低頻能量在解決油藏 方面具有潛在的固有優(yōu)勢。 但是，在實際應用中，要 想充分發(fā)揮可控震源低頻能量激發(fā)的優(yōu)勢，必須正 確理解并處理好以下幾個容易混淆的概念，走出下 面幾個誤區(qū)：誤區(qū)一：低頻地震采集是因為先有了低頻可控 震源；誤區(qū)二：常規(guī)可控震源可以用于低頻地震數(shù)據(jù) 本成果是國家“十二五”國家 項目高精度可控震源技術(shù)專題（編號：）下的高精度可控震源中研究課題的一部分。 陶知非， 會員，教授級高級工程師，目前主要從事可控震源激發(fā)與應用研究工作。油公司（）開 展 了 低 頻 激 發(fā)、大 偏 移 距、高 密 度地震數(shù) 據(jù) 采 集 的 先 導 性 試 驗，并 取 得 了 突 破 性 進展。野外實際地震數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果驗證了采用 特殊設計的低頻可控震源（）激發(fā)低頻地震 信號（）的 可 實 現(xiàn) 性，同 時 也 驗 證 了 低 頻 地 震信息對全波場反演（）的重要意義以及對速度建模精度的影響，如圖 所示。施侖貝榭（ ）公司利用純模型數(shù)據(jù)進行相對波阻 抗 反 演， 也得到了同樣的研究結(jié)果，如圖 所示。正是因為地球物理界真正地看到了可以通過主動激發(fā)產(chǎn)生低頻地震信號的作用，從 年開始，國際地球物理勘探地震數(shù)據(jù)采集服務的市場上，幾乎所有應用可控震源的地震采集項目都被要求開始 嘗試采用低頻信號激發(fā)技術(shù)。 實際上，經(jīng)歷過低頻 地震采集試驗后，回顧起來才更清楚地認識到低頻 地震采集項目的風險非常大，稍不注意，就會功虧一 簣，根本達不到預期的地質(zhì)效果。下面結(jié)合國內(nèi)外在低頻地震數(shù)據(jù)采集方面的具 體應用，列舉出應用中易出現(xiàn)的幾個最為重要的誤 區(qū)，也是一種后思考，與大家分享。誤區(qū)一：低頻地震采集是因為先有了低頻可控震源目前一些人還認為低頻地震采集是因為先有了低頻可控震源，這個不是“先有雞，還是先有蛋”那樣 的混沌問題。 低頻地震信號的研究是從觀測天然地 震開始的。 一些科學家采用被動（無源）觀測的方式 接收天然地震激發(fā)數(shù)據(jù)，其中最早開展這方面研究 工作的是瑞士蘇黎世的 項目研究組。項目組的主要研究內(nèi)容是低頻信息與流體關(guān)聯(lián)性的研究。 俄羅斯的科學家也觀測到圖地震記錄中低頻信息對速度模型精度的影響天然地震活動中的低頻信息對油氣藏檢驗的作用，通過對低頻地震信息異常的處理，研究低頻信號對流體的特殊響應，分析油氣藏的油氣特 征。 國 內(nèi) 賀振華教授等知名學者也對類似現(xiàn)象進行過數(shù)值模 擬，早期的這類研究工作可以歸結(jié)為： 油 藏 區(qū) 低頻伴影研究； 儲層含油氣性能的檢測。在圖 中油氣藏的低頻伴影現(xiàn)象中可以看到：頻率為時，油藏下方有高能量團（圖 左），當頻率提高到后，這一現(xiàn)象消失（圖 右）。圖 左所示的是地震剖面與鉆井井位，其中實 心點表示鉆遇到油氣區(qū)，空心點表示鉆空。 圖 右是通過對頻率屬性提取后的顯示結(jié)果，從中可以看圖楔狀模型的相對波阻抗反演結(jié)果圖 油氣藏的低頻伴影現(xiàn)象（等）圖 儲層含油氣性能的檢測（ 等）出：有低頻能量團的地方的確與儲層的含油氣性有關(guān)，而無低頻能量的地方則與儲層的含油氣顯示無關(guān)。數(shù)值模擬的結(jié)果（見圖 所示）也間接證實儲層 的含油氣與地震記錄中的低頻屬性有某種關(guān)聯(lián)性。 類似的研究還在巴西、阿聯(lián)酋等國家的油田區(qū)也開展過。 這些研究的共同點都說明油藏中流體 的屬性確實 與 地 震 記 錄 中 的 低 頻信息有特殊的聯(lián) 系，可究竟哪些低頻信息更能準確地反映這些屬性 則莫衷一是，但是大家公認且具有普遍意義的是：這 些對油氣指 示 有重 要 意義 的低頻頻帶通常在 之間，正是基于這樣的認識，國內(nèi)外的一些學者進 行 了 使 用 低 頻 信 息 進 行 烴 類 指 示 性 （，）方面的研究。研究中人們意識到：僅僅從天然場源得到這些低頻信息是遠遠不夠的，也影響了研究周期和研究 效果。 因此，研究人員開始尋找主動激發(fā)低頻地震信號的方式，期望通過進一步的數(shù)據(jù)采集試驗，加深對流體屬性與低頻信息聯(lián)系的認識。地震信號激發(fā)源有多種形式，其中采用炸藥激 發(fā)最為簡單。 但是，在實踐中發(fā)現(xiàn)：激發(fā)低頻地震波 信號需要較大的炸藥量，我們在做低頻信號激發(fā)對 比試驗中曾經(jīng)采用 井深、單井 的藥量 進行激發(fā)（國際上進行大地構(gòu)造研究時，為了得到莫霍面的反射信號，曾經(jīng)采用 的炸藥進行 激發(fā)）。 絕大多數(shù)國家的油田區(qū)對這樣的試驗，特別是像工業(yè)性實施這樣的作業(yè)方式都是嚴格禁止的。因此，要想進行主動源低頻地震數(shù)據(jù)采集試驗或未來工業(yè)化的規(guī)模作業(yè)生產(chǎn)，唯一的選擇就是采用可 控震源?？煽卣鹪丛诩ぐl(fā)地震波的過程中，具備了低能 量密度特點，激發(fā)能量的積累是通過增加激發(fā)時間 實現(xiàn)的，因此對周邊環(huán)境與基礎(chǔ)建設無危害，且激發(fā) 頻率與激發(fā)強度可控，所以，可控震源就成為未來激 發(fā)低頻信號重要的手段。從事可控震源研究的人們知道：可控震源是一 種低能量密度的激發(fā)源，總的激發(fā)能量不像炸藥震 源那樣瞬間釋放完成，而是依賴激發(fā)時間的積累，但 總的激發(fā)能量并不低于炸藥震源，并且是具有激發(fā) 頻率與振幅精確控制特點的地震波激發(fā)工具。 地球 物理工作者正是看到了可控震源在激發(fā)能量與頻率 控制精度上的特殊優(yōu)勢，嘗試用它進行地震低頻信 號激發(fā)研究的。 但在相當長一段時間里，可控震源 并未在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出滿意的效果。 從經(jīng)濟性角度 出發(fā)，未來在相當長的時間里，低頻地震數(shù)據(jù)采集仍 以被動 檢 測 為 主。 在 年 前，國 際 上 （）多次 召 開 被 動 地 震 采 集 技 術(shù) 研 討 會 （），因此說低頻地震數(shù)據(jù)采集的歷 史由來已久，并非因為有了低頻可控震源的緣故。圖油氣檢測中的低頻伴影數(shù)值模擬（賀振華等）最低極限頻率。低頻震源的技術(shù)核心是盡可能地提高低頻信號 的下傳能力，在提高低頻信號下傳能力的同時，還要 提高激發(fā)信號的頻帶寬度。 實際上，如果不采用特 殊的能量補償方法，則高頻端激發(fā)能量的損失是非 常明顯的。 高頻有效頻率要遠遠低于常規(guī)震源的激 發(fā)頻率，因而常規(guī)震源往往不具備在較寬的地震信 號激發(fā)頻帶內(nèi)激發(fā)地震波的能力，但不排除其在一 些特定地區(qū)（如：信噪比高的地區(qū)）應用，特別是在高 頻信號的衰減不強、低頻背景較弱的地區(qū)應用，可能 會收到一定的改善效果。圖 所示的是采用地面激發(fā)、井中接收的激發(fā) 頻率試驗。 從試驗中可以看出：隨著地面激發(fā)信號（圖 上）頻 率 的 升 高，井 中 接 收 到 有 效 信 號 （圖 下）的信噪比也逐漸提高，當頻率達到時，地面與 井中信號的振幅比基本可以接受，井下的信號可以復 現(xiàn)地面的信號。從圖中還可以看出：因為諧波的頻率高，所以，諧波信號恢復得就比基波快得多了。誤區(qū)二：常規(guī)可控震源可以用于低頻地震數(shù)據(jù)采集一般情況下，采用常規(guī)震源進行低頻地震勘探的效果是難以保證的，這與近地表、地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和 物性有關(guān)，也與受迫振動的約束條件有關(guān)，從研究的 角度看，這確實是一個比較復雜的問題。目 前 許 多 常 規(guī) 震 源 宣 稱 可 以 用 于 低 頻 地 震 勘 探，其實質(zhì)是最低起始頻率為 。 一些油公司之 所以接受并嘗試使用它們，原因就是期待用常規(guī)震 源完成低頻地震信號的激發(fā)，降低地震勘探作業(yè)的投入，更重要的原因是要降低未來低頻地震數(shù)據(jù)采 集作業(yè)的門檻！近期知名 的 物 探 裝 備 供 應 商 公 司 修 改 了它生產(chǎn)的 、 可控震源關(guān)于激 發(fā)頻帶的技術(shù)指標值，使其描述更加準確：其中原來 手冊中標稱最低極限頻率現(xiàn)改為最大行程振幅下的圖 井地信號接收試驗（）美國德州大學（，）也做過類似的試驗（見圖），當?shù)孛婕ぐl(fā)頻率達到時，井中的有效 接收信號基本可以復現(xiàn)出來。傳統(tǒng)意義上的低頻可控震源是指低頻極限頻率 低于的震源，但是作為直接烴類指示（）或 低頻伴影研究用的低頻有效信號的頻率一定要低于！因此，目前國內(nèi)外都在研究如何實現(xiàn) 甚 至更低的地震信號激發(fā)。常規(guī)可控震源的低頻極限頻率一般為 ，表面上看這是震源機械結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)流量能力的限制，實質(zhì)上是以大地的響應問題為主的多因素約束，因此，常規(guī)震源低頻起始頻 率 通 常 設 定 為 或是有客觀依據(jù)的。 正是因為低頻信號下傳極其 困難，所以說低頻可控震源不僅僅是信號激發(fā)技術(shù)的挑戰(zhàn)，更是低頻信號下傳技術(shù)的挑戰(zhàn)！ 對于地球物理應用還有另外矛盾的難題，即：解決地質(zhì)問題，不僅需要低頻，還需要高頻。因此，作為地震信號的激發(fā)源，可控震源必須同時滿足頻帶寬度向兩個相反的方向上拓展的需求。從事大地構(gòu)造或天然地震研究只追求低頻段的特性，而高頻段只要滿 足有限倍頻程數(shù)（倍）就可以了，一般在左右。因為低頻地震信號對地球物理工作者的極大吸引力，人們不斷嘗試采用常規(guī)震源激發(fā)低頻地震信 號。 年西方地球物理公司（）首次提出了 最大位移 掃 描 （ ）技 術(shù) 的 概 念，并 在 常規(guī)震源上實現(xiàn)了低頻掃描信號的激發(fā)。最大位移掃描信號技術(shù)實際上是一種基于激發(fā) 信號振幅約束的，通過增加激發(fā)時間（掃描長度）來 加強低頻信號能量的非線性掃描信號設計技術(shù)。 對 于常規(guī) 震 源 而 言，采 用 掃 描 設 計 技 術(shù)，基 于 輸出振幅的約束，就能夠?qū)崿F(xiàn)掃描信號向低頻段延伸，確實可以提高低頻段的激發(fā)能量，見圖 所示。從圖 中 可 以 看 到： 振 幅 譜 （圖 左）中 的 信號與線性信號 相 比，低 頻 輸 出 力 曲 線 明 顯 地 向低頻部分延伸了，表明震源激發(fā)的低頻能量應該有所加強； 深部（圖 右）反射層成像的信噪比得到了明顯地改善，反射連續(xù)性明顯提高。無論何種型號的可控震源，只要提供其低頻最 大位移振幅和最低頻率等基本參數(shù)，理論上就可以 通過激發(fā)信號振幅約束的計算方法，在不考慮其它 約束條件下，進一步設計任意低的地震激發(fā)信號。但可控震源激發(fā)低頻能量的大小，取決于震源單 次最大能量與激發(fā)時間。換言之，采用 掃描完全 可以實現(xiàn)極低頻率（）的地震激發(fā)掃描信號，也 可以實現(xiàn)所需要的激發(fā)能量，但需要更長的激發(fā)時間 來保證，同時需要特別注意的是：即便采用更長的激 發(fā)時間，也不表示這些信號的有效頻率能夠達到期望 值。所以，為了市場競爭等因素，一些震源制造商在技術(shù)指標中單純地采用滿行程下的技術(shù)描述并不準 確，應該增加在該頻率下的輸出力或幅度的大小。在實際應用中，因為采用常規(guī)震源激發(fā)存在難 以克服的低頻能量過低、無法實現(xiàn)有效信號檢測與 去噪、液壓系統(tǒng)流量約束過強以及低頻諧振頻率的 瓶頸，所以并沒有形成工業(yè)性應用流程或規(guī)范。 現(xiàn)圖井地信號接收試驗，圖 兩種激發(fā)方式的地質(zhì)效果對比（等，）在一些油公司嘗試采用常規(guī)震源使用的低頻信號激發(fā)只能屬于“蜀中無大將，廖化為先鋒”之舉了。與特殊 設 計 的 低 頻 可 控 震 源 （）相 比， 同樣激發(fā)能級的可控震源除了主要的振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 與液壓系統(tǒng)流量的差異外，在低頻實際輸出力方面 的能 量 差 異 比 較 大，如 圖 所 示。 常 規(guī) 震 源 采 用 掃描設計輸出信號的背景更強，影響范圍更寬， 如圖 所示。激發(fā)能量的差異可能好理解，甚至可以直接通過計算得到，但背景的差異就涉及較多的因素，其中 一個主要因素就是能量守恒：當激發(fā)能量一定時，如 果下傳的能量少，則駐留在源附近（或稱近源）的能 量就相對多，因此，背景噪音自然也就高。從圖 中還可以看出：與常規(guī)起始的激發(fā)頻率 相比，即便是低頻震源引發(fā)的背景也顯得高。圖同等激發(fā)能級，低頻（上）與常規(guī)震源（下）在低頻時激發(fā)能量的差異圖同等激發(fā)能級，低頻（左）與常規(guī)震源（中）以及正常頻率激發(fā)（右）時背景的差異）近地表的影響。從可控震源能量輸出的角度看，因為受到振幅等條件的約束，輸出能量是在約束條件下的能量，與低誤區(qū)三：常規(guī)掃描信號與低頻掃描信號的相位誤差及畸變應大致相當頻激發(fā)頻率有關(guān)，因此不能套用額定輸出力進行評價。很多人在嘗試進行低頻掃描信號激發(fā)試驗時，一個 最 難 過 的 門 坎 就 是 可 控 震 源激發(fā)質(zhì)量控制 （），其中相位、輸出力以及輸出信號的畸 變 都 不 能滿足傳 統(tǒng) 技 術(shù) 標 準 的 要 求。 這是一個客觀的事 實，實際上相關(guān)的技術(shù)內(nèi)幕還遠遠不止這些：信號傳 輸、系統(tǒng)控制模型辨識與控制、 數(shù)據(jù)的處理方式 都存在差異。 因此要想用傳統(tǒng)的可控震源激發(fā)質(zhì)量 控制方法來評估低頻掃描信號的表現(xiàn)，當然異常困 難，而且是不客觀的。低頻掃描信號在實際應用中存在幾個主要方面 的因素影響著最終的質(zhì)量控制：）控制系統(tǒng)本身的影響；）低頻掃描信號的設計方法；）可控震源物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響；傳統(tǒng)可控震源的控制系統(tǒng)為了避免低頻干擾，往往設計有模擬高通濾波，因此，在信號低頻段不可避免地引入了相位誤差，見圖 所示。圖系統(tǒng)線性濾波器在低頻段的特性曲線作為信號檢測元件的傳感