利用地震物理模擬技術(shù)研究井間地震觀測系統(tǒng)

摘 要

摘要：適當(dāng)?shù)挠^測系統(tǒng)是保證野外地震記錄采集質(zhì)量的關(guān)鍵。為此，運(yùn)用地震物理模擬技術(shù)，設(shè)計制作井間地震模型來研究了井間地震觀測系統(tǒng)的設(shè)計問題。通過對觀測系統(tǒng)類型和參數(shù)選擇
摘要：適當(dāng)?shù)挠^測系統(tǒng)是保證野外地震記錄采集質(zhì)量的關(guān)鍵。為此，運(yùn)用地震物理模擬技術(shù)，設(shè)計制作井間地震模型來研究了井間地震觀測系統(tǒng)的設(shè)計問題。通過對觀測系統(tǒng)類型和參數(shù)選擇的模擬分析，結(jié)果表明：井間距的大小對所接收的波場有很大的影響，設(shè)計井間地震觀測系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)力求將射線的入射角控制在臨界角以內(nèi)；下傾激發(fā)、上傾接收得到的井間記錄能更好地反映井間介質(zhì)的變化。上述結(jié)論可用于指導(dǎo)實際的野外采集觀測系統(tǒng)的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：井間地震；地震勘探；模擬；激發(fā)；觀測；系統(tǒng)；設(shè)計
    提高地震數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率是地震勘探技術(shù)發(fā)展的永恒主題，野外采集數(shù)據(jù)高信噪比和高分辨率是物探技術(shù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，而適當(dāng)?shù)囊巴獠杉^測系統(tǒng)則是保證原始資料信噪比和分辨率的關(guān)鍵。
    井間地震技術(shù)由于具有能量傳播距離短、接近探測目標(biāo)、避開低速帶、數(shù)據(jù)頻率高、信噪比高、分辨率高和保真度高的優(yōu)勢，更具有能實現(xiàn)透射、反射成像等特點。因此，可以獲得高分辨率儲層構(gòu)造形態(tài)，進(jìn)行精細(xì)儲層的構(gòu)造與沉積特征描述，研究其橫向變化、連通性等，從而達(dá)到尋找漏失油氣層的目的[1～2]。
    井間地震采集成本巨大，采用適當(dāng)?shù)牟杉^測系統(tǒng)更是保證其成功實施的關(guān)鍵。地震物理模擬技術(shù)具有直觀性和可重復(fù)性[3～5]，所以筆者以地震物理模擬為手段，研究井間地震的觀測系統(tǒng)設(shè)計問題，指導(dǎo)實際地震采集觀測系統(tǒng)的設(shè)計。
1 井間地震模型的設(shè)計與制作
    以實際的儲集體類型為主要依據(jù)設(shè)計物理地震模型。目標(biāo)油氣田具有多期成盆，多凹共生，多種構(gòu)造帶類型、多樣性油氣藏組合等特點，構(gòu)造上主要有潛山披覆帶、陡坡帶、中央背斜帶、坡帶、洼陷帶和凸起帶等。因此，設(shè)計了巖石透鏡體、不整合遮擋、楔狀體、背斜、及薄互層等多種物理模型。物理模擬的比例因子如下：①空間尺度(幾何長度)比為1:1000，實驗室模型的1mm相當(dāng)于實際野外的1m；②時間比為1:1000，實驗室記錄1μs相當(dāng)于實際野外的地震剖面記錄1ms；③頻率比為1000:1，實驗室所用發(fā)射震源的主頻為100kHz，相當(dāng)于野外的100Hz。
2 觀測系統(tǒng)類型和參數(shù)的選擇
    井間地震觀測要求探區(qū)內(nèi)有2口或更多已完鉆的井。每次在1口井的研究井段上，設(shè)置密集的震源點，在其預(yù)定位置上安放震源；而在另一口井(或幾口井)的相應(yīng)井段設(shè)置密集接收點并布置檢波器。通過改變井中震源和檢波器的深度，進(jìn)行激發(fā)和接收，要使地震射線能穿越井間的全部區(qū)域，適合井間地震的觀測系統(tǒng)設(shè)計便顯得尤為重要，它關(guān)系到整個數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量以及施工效率。根據(jù)研究目的、激發(fā)和接收設(shè)備條件等，可以采用不同的觀測方式，本文參考文獻(xiàn)[1]列舉了6種觀測方式，本項研究的目的是確定井間觀測系統(tǒng)設(shè)計的一般原則，采用目前應(yīng)用較多的共接收點與共激發(fā)點方式研究了井間距、入射方向、上下傾方向接收等問題，以便指導(dǎo)實際的野外采集觀測系統(tǒng)的設(shè)計。
2.1 井間距的選擇
   從應(yīng)用的角度看，井間距越大所研究的井間介質(zhì)橫向范圍越大，因此井距越大越好。從理論上來講，井間距越大地震波傳播的路徑越長，能量穿過介質(zhì)被吸收衰減得越多，對井下震源的要求也越高，實現(xiàn)起來越困難。
   圖1-a所示為層狀物理模型，其中：v1=1800m/s；v2=2500m/s；v3=1500m/s；v4=2400m/s；震源點位于激發(fā)井中450m深處，與接收井1的井間距為250m，與接收井2的井間距為400m。圖1-b、c分別為接收井1和接收井2井間觀測的物理模擬實驗共炮點道集(CSG)記錄。圖中紅圈部位為地層分界面發(fā)生折射現(xiàn)象部位，井間距大時會接收到明顯折射波。
   對比分析兩張實驗記錄可發(fā)現(xiàn)，圖1-c中紅圈處是波在地層分界面上發(fā)生的折射現(xiàn)象。在進(jìn)行井間資料采集時，應(yīng)根據(jù)研究問題的實際需要，盡可能地使用小井間距觀測。因為井間距越大，井間波場折射等伴隨效應(yīng)的影響越大，不利于準(zhǔn)確地拾取初至值。
    對于圖2-a所示的層狀模型，其中：v1=1800m/s，v2=2500m/s，v3=1250m/s。當(dāng)震源點位于激發(fā)井中850m深處，與接收井1的井間距為250m，與接收井2的井間距為400m時，接收井1和接收井2井間觀測的物理模擬實驗共炮點道集記錄如圖2-b和圖2-c。圖中紅圈部位為震源在低速層中引起的槽波，井間距越大，波場越復(fù)雜。
    對比可以看出，圖2-c中出現(xiàn)層間多次反射波，使波場復(fù)雜化，形成一種“波列”現(xiàn)象。在低速薄層(相對其上下層速度)中放置一個震源，激發(fā)出的彈性縱、橫波就會向三維方向傳播。當(dāng)波射線以大于臨界角的方向入射到頂?shù)捉缑鏁r，根據(jù)斯內(nèi)爾定律就會產(chǎn)生“全反射”。“全反射”過程中，由于縱、橫波的臨界角不同，必然產(chǎn)生干涉。結(jié)果使得一些諧波消失，使另一些諧波增強(qiáng)，并在垂直于低速層方向上形成駐波，也稱為槽波。在井間地震勘探中，井間距越大受槽波干擾越強(qiáng)。另外，隨著井間距增大能量衰減增大，分辨率明顯降低，圖中紅圈部位波場有顯著的差異。
    不同井間距接收的井間地震物理模擬實驗記錄分析表明，井間距的大小對所接收的波場有很大的影響。通過多種速度差的模型以及不同井間距的井間物理模擬實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井間距小于300m時，記錄上未出現(xiàn)較明顯的折射現(xiàn)象，各種干擾波也相對簡單、易辨。模擬結(jié)果說明，設(shè)計井間地震觀測系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)力求將射線的入射角控制在臨界角以內(nèi)。
2.2 激發(fā)井與接收井的選擇
    圖3為兩個楔形模型的射線追蹤圖，比較可以發(fā)現(xiàn)，對于尖滅傾斜層來說，激發(fā)井相對地層為下傾或接收井相對地層為上傾時(圖3-b、圖3-d)，其經(jīng)過尖滅傾斜層射線明顯多于上傾激發(fā)或上傾接收(圖3-a、圖3-c)。顯而易見，利用下傾激發(fā)上傾接收的井間資料進(jìn)行偏移成像或?qū)游龀上?，其得到的結(jié)果肯定優(yōu)于上傾激發(fā)下傾接收的結(jié)果。圖4是與圖3-c、3-d對應(yīng)的物理模型實驗炮集記錄，也表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。數(shù)值模擬和物理模擬結(jié)果均表明下傾激發(fā)、上傾接收得到的井間記錄能更好地反映井間介質(zhì)的變化。
 
3 工區(qū)井間地震物理模型實驗分析
    圖5是根據(jù)某油田H地區(qū)2口井的井間地質(zhì)結(jié)構(gòu)并適當(dāng)簡化后制作的物理模型[6～8]。該模型主要為層狀模型，其中有一小斷層、幾個薄層，并含有傾斜層。實驗采用中國石化石油物探技術(shù)研究院的超聲地震物理模擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
3.1 觀測系統(tǒng)
    根據(jù)對特殊地質(zhì)體井間觀測系統(tǒng)的實驗結(jié)果，結(jié)合工區(qū)的實際地質(zhì)情況，井間地震物理模型模擬采集的具體方法為：采用共炮點激發(fā)方式，在模型的一側(cè)放置震源(超聲換能器的發(fā)射探頭)，在另一側(cè)放置接收器(超聲換能器接收探頭)。根據(jù)井間地震層析成像處理的要求，保證每個層內(nèi)至少有一條射線穿過，同時還要提高工作效率，在井間距為300m的前提下，制定了如下的采集參數(shù)：接收道距為4m，每炮175道接收；激發(fā)炮間距4m，在2414～3114m井段進(jìn)行測量。震源與檢波器彼此間在井中的水平位置?？偧ぐl(fā)炮數(shù)為175炮，得到實驗記錄175張，共獲得井間數(shù)據(jù)30625道。
3.2 地震波能量分析
    圖5所示為震源處于低速夾層及其附近所獲得的CSG剖面。通過比較可明顯看出，當(dāng)震源位于低速夾層時，地震波能量明顯被屏蔽在槽內(nèi)。斷層面也對地震波產(chǎn)生一定的屏蔽作用。總體分布規(guī)律為高速區(qū)射線分布較密，低速區(qū)射線分布較疏，具有高速層“吸引”射線、低速層“排斥”射線的特征，導(dǎo)致射線主要沿著高速層傳播，而在低速層形成射線空白區(qū)。
4 結(jié)束語
   井間地震技術(shù)是一種空間連續(xù)且具有特高分辨率的地震勘探方法，但就目前它也是一種采集成本極高的方法。因此，設(shè)計有效的采集觀測系統(tǒng)，保證采集質(zhì)量是保證發(fā)揮其作用的關(guān)鍵之一。筆者利用地震物理模擬技術(shù)，研究了井間地震的采集設(shè)計問題。
   模擬結(jié)果表明，在設(shè)計井間地震觀測系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)力求將射線的入射角控制在臨界角以內(nèi)。同時，為了更好地反映井間介質(zhì)的變化，應(yīng)該采取下傾激發(fā)、上傾接收的方式。因此，物理模型實驗可以為野外井間觀測系統(tǒng)設(shè)計提供直觀的依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：朱海龍1，2 李智宏2 趙群2 1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)；2.中國石化石油物探技術(shù)研究院)