下揚子南部地震波激發介質優選

彭仁艷，劉文峰，王軍鋒，郝曉敏，黃 偉

（1.中國石化石油工程地球物理有限公司科技研發中心，江蘇南京 211100；2.中國石化石油工程地球物理有限公司華東分公司，江蘇南京 211100）

下揚子南部地處長江南岸，古生界地層具有形成大-中型油氣田的基本條件[1-3]。下揚子南部淺表層屬于第四系沖積平原，受長江古河道影響、低速流沙體不規則分布，表層巖性結構縱、橫向變化劇烈；古生界地層受多次構造運動影響，地層重復、褶皺、倒轉等現象較普遍，構造復雜，地震資料品質普遍較差，不能滿足地質任務的需求[4-5]。

周松從共反射點疊加理論出發，在寬線地震資料處理過程中改善了古生界的地震資料成像效果[6]；高紅波從優化觀測系統角度出發，給出了下揚子常州地區地震采集的主要觀測系統參數[7]；劉文峰等從照明分析等角度出發，對該區的主要觀測系統參數進行了進一步優化[8]。前人采用多種方法嘗試，取得了一定的效果；但以往的地震采集激發參數設計僅定性地選擇激發巖性，沒有選擇最佳的阻抗匹配介質，沒有量化指標對比，激發巖性不穩定，地震子波一致性差且不穩定，子波的頻帶寬度等問題沒有得到充分考慮。近地表巖性的復雜化和多樣化是影響地震采集品質的關鍵因素。

根據野外取心樣品的巖性描述特征，將樣品劃分為四大類，綜合各種方法精確建立該地區近地表模型和深層地質模型；測定取心樣品的物性參數，建立物性參數與彈性勢能之間的關系；計算不同樣品的子波特征參數，并對不同樣品進行正演單炮模擬；定量分析初定適合該區的激發巖性介質，并結合野外采集應用驗證，獲取適合下揚子南部地區的地震采集激發介質。

1 淺表層巖性結構特征

1.1 野外取心

在下揚子南部某地區NE、NW 方向6 個不位置點進行野外取心，取心深度40 m，現場共獲取37 份樣品。在實驗室按照國際巖石力學協會組織的“巖石力學實驗室實驗和野外實驗標準化委員會”指定的系列規范加工制備成50 mm×25 mm 的圓柱形測試標本共計111 份，根據巖性描述和黏土分類標準將所有樣品劃分為四類（表1）。整個樣品加工過程和后續測試過程在中國石化地球物理重點實驗室MTS815 系統上完成。主要測試了品質因子、縱橫波速度、密度、泊松比、體積模量、剪切模量、楊氏模量等參數。

1.2 淺表層地質模型建立

對前期該區及鄰區的老資料分析，該區表層流砂體發育，不同期次黏土縱向上疊置發育、橫向上流沙和黏土不規則分布，因此建立準確的淺表層介質模型尤為重要。

表1 黏土類型劃分

以往的淺表層介質模型建立過程中，主要采用小折射、微測井、地面地質調查和大地電磁測深等。小折射施工時要求地表較為平坦且近地表不存在高速夾層，否則會產生較大的誤差，但本區巖性縱向上存在疊置反轉現象；微測井精度比較高，但施工效率比較低、調查深度有限，且下揚子南部地區潛水面低、深井中普遍含水，影響調查精度；大地電磁測深法在橫向上趨勢較好，但縱向上探測精度有限。這幾種方法通常只能確定近地表的速度、厚度參數，不能準確地獲取近地表巖性參數。淺層巖性取心在綜合以上方法優點的基礎上，縱向上精度更高，不僅可以直接獲取近地表介質的含水率、密度、飽和度等重要的巖石物理參數，且后續測試可獲取更多的縱波速度、橫波速度、密度、體積模量、剪切模量、楊氏模量、泊松比、縱橫波吸收因子等參數，可以為淺表層介質模型的建立提供準確指導。

針對下揚子南部地區淺表層介質特點，以小折射和大地電磁測深為基礎，初步圈定各類介質的平面分布范圍、厚度趨勢；用大網格平均密度布設的微測井控制點進行控制，對低降速層厚度突變段、地表巖性突變段、地形起伏劇烈地段加密微測井控制點進行詳查，提高了淺層結構模型的精度；結合大炮初至反演情況，再用6 個不同位置點的取心資料進行驗證和修改，“循環迭代”確定淺層模型的結構和介質物性參數，為后續單炮正演模擬提供依據（圖1）。

微測井、取心資料反映淺層地表巖性多為泥砂及黃膠泥，泥砂發育規模不穩定，深井處偶見黑色軟膠泥，對應II 類取心樣品。

2 激發介質選擇

2.1 淺層樣品物性特征研究

圖1 下揚子南部淺表層巖性結構模型

分別測定四種類型的6 個點的樣品物性參數并進行綜合分析，結果表明，四種類型粘土樣品物性值是有明顯差異的，其中I 類樣品的縱波速度、橫波速度、密度、體積模量、剪切模量、楊氏模量最大，II類樣品次之，其后是III 類樣品，而IV 類樣品數值最小。整體上來看I 類樣品的泊松比最大，IV 類樣品的泊松比最小。I 類黏土韌性高，縱波衰減大，而IV 類黏土韌性低，橫波衰減大（表2）。

表2 不同樣品黏土物性參數均值

2.2 不同類型樣品的彈性應變能分析

巖石在受力變形的過程中，不同階段有不同的能量轉化方式，主要表現為高塑性、高彈性低塑性、極脆性[9]，與巖石物理屬性密切相關。受力初期壓密階段巖石被輸入能量，轉變為彈性勢能儲存在內部（A 點）；然后進入彈性階段，彈性階段巖石發生彈性形變，受力全部轉化為彈性勢能（B 點）；超過彈性極限后，巖石進入穩定破裂的塑性變形階段，但是彈性勢能仍占主要地位（C 點）；隨著微破裂出現質的變化彈性勢能存儲減弱，進入不穩定的破裂階段，到達最高峰值D 點；之后進入應變軟階段，巖石向外釋放能量，塑性能和動能在總能量中占很大的比例。峰值強度點之前表現為能量儲集過程，峰值點后是能量急劇的釋放過程[9]。由圖2 可以看出，在激發時應該選擇 D-F 階段具有一定塑性和回彈性的介質（σ1、σ3 是分別表示巖石兩個方向受力之后的應力），以便產生較好的彈性波。

本次研究對四類樣品進行了應力應變曲線測試，結果顯示 I 類 、II 類、III 類、IV 類樣品均表現為中等彈性、高塑性的特征（圖 3）。巖石在受力初期，會發生彈性變形，外力所做功轉化為彈性勢能并儲存在內部。進行應力加載后，應變從0 增大到0.6 左右，四類樣品均發生彈性形變并大部分轉變成彈性勢能；其中I 類、III 類、IV 類樣品的單位形變量基本一致，II 類樣品的單位形變量最大，說明II 類樣品儲存的彈性勢能最大，如果卸載，則對應的彈性勢能又能釋放出來。

圖2 巖石三軸壓縮的應力應變曲線

巖石變形過程中，彈性勢能為：

式中： Ep為彈性勢能，J；K 為彈性系數；x為形變量，m。

圖3 四類樣品應力應變測試曲線

在彈性應變階段，合理近似的巖石服從虎克定律，外力對巖石所做功全部轉化為巖石的彈性勢能，此階段是可逆過程，在此范圍內卸載外力，能量又會釋放出來而不會造成對巖石的破壞[10]。巖石形變量與前述樣品物性參數中的楊氏模量、應變參數有較好的對應關系，因此將彈性系數引申為彈性模量，形變量引申為應變參數，從而以等效的彈性應變能形式表示巖石形變瞬間釋放彈性能的能力。

則彈性應變能為：）

式中： Eq為彈性應變能，J；E為彈性模量（楊氏模量），GPa；ε 為應變參數[8]。

據此計算獲得了I 類至IV 類巖性彈性應變能平均值分別為0.324 5，0.432 7，0.360 6，0.307 2 J，其中II 類樣品的彈性應變能最大，表明在II 類樣品中激發能較好地產生彈性波。

2.3 不同類型樣品的子波特征分析

炸藥爆炸時會形成沖擊波，沖擊波作用于圍巖介質后，形成爆腔、塑性形變區和彈性變形區。沖擊波衰減到一定程度后，在彈性變形區中傳播形成彈性波。

距爆炸點一定的距離，彈性介質中質點位移函數可寫成[5]：

式中：a 為爆炸形成的球形孔穴半徑，m； po為作用于孔穴內壁上的壓強，N/m2；μ為彈性常數；r 為傳播距離（一般為孔穴半徑的幾倍），m；t為傳播時間，s； k 為圓頻率，Hz。

將式（3）求導可得質點振動的速度表達式：

當r 較小時，式（4）可近似看作是震源子波。

進一步對其作付氏變換可得相應振幅譜表達式：

式中：w為地震波的頻率，Hz。

通過式（4）和式（5）可以看出，在不考慮其他因素時，震源子波的波形和振幅譜主要取決于激發巖性的速度、彈性常數和孔穴半徑。

對不同類型樣品按照式（3）、式（4）和式（5）計算其子波特征參數，由于樣品的物性參數不同，則其子波特征也存在不同。對計算結果統計分析，I類黏土的子波頻帶為7.0～29.0 Hz，平均主頻為12.7 Hz，平均子波能量為26；II 類黏土激發子波頻帶為6.0～31.0 Hz，平均主頻為13.6 Hz，平均子波能量為28；III 類黏土激發子波頻帶為5.0～22.0 Hz，平均主頻為11.2 Hz，平均子波能量為28；IV 類黏土激發子波頻帶為5.0～23.0 Hz，平均主頻為11.1 Hz，平均子波能量為27。

對計算的子波主頻和振幅進行交會分析（圖4），II 類樣品中計算所得激發子波頻帶寬、頻率高，、子波一致性較好且較為穩定，因此野外采集時應在 II類樣品中激發。

圖4 不同性質黏土中激發的子波主頻率與振幅關系

2.4 不同類型樣品激發單炮模擬

根據測井資料、巖心資料及以往地質-地球物理解釋方案建立初始地質模型，并根據測井資料設定相應的物性參數；通過射線自激自收的方式不斷修改模型，確保與實際地震記錄一致，完成合理的地質模型搭建。據DS1 井從上到下鉆遇情況，研究區從上至下發育第四系，下古生界志留系茅山組、墳頭組、高家邊組，奧陶系五峰組、湯頭組、寶塔組、大田壩組、牯牛潭組、大灣組、紅花園組、侖山組、觀音臺組、炮臺山組、幕府山組，上元古界震旦系燈影組（未鉆穿）等地層。本次研究下古生界志留系高家邊組和寒武系幕府山組為主要目的層，高家邊組視厚度2 079.6 m，底界埋深3 800～4 000 m ；幕府山組視厚度613. 2 m，底界埋深5 800～6 100 m。根據上述樣品物性測定結果建立整體地質模型（圖5），其中近地表40 m 的淺表層流砂體模型見圖1。在不同深度不同黏土類型中激發模擬，研究不同巖性中模擬激發的單炮特征。本次正演模擬選取雷克子波作為震源函數，使用高階有限差分法來求解彈性波方程，進行彈性波模擬[11-15]。

下揚子南部地區經多期演化，中生界地層幾乎剝蝕殆盡，但古生界地層完整保留，燕山運動等進一步改造使其整體成為一斷背斜模型；斷層向上消失在志留系滑脫層中。之后地層整體沉降，接受第四紀地層的沉積覆蓋，形成現今結構。

前期地震采集施工中經淺層鉆孔證實，受長江下游平原古河道影響，淺表層巖性在縱向上和平面上均不固定，呈多期疊置發育，不同期次黏土物性呈現不同特點。

圖5 下揚子南部整體地質模型

對同一激發深度、不同類型樣品處模擬的單炮進行對比（圖 6），具體為 I 類、II 類、III 類和 IV 類30 m 處激發得到的彈性波單炮模擬記錄。在II 類黏土中模擬激發的記錄總體品質高于I、III、IV 類，尤其在遠排列深層3.0～4.5 s，這與子波模擬的結論相一致。從鉆井取心、錄井巖性角度來看，井深30 m巖性為黑色軟膠泥，對應樣品中鐵錳含量高的II 類巖性樣品。綜上樣品物性特征、彈性應變能大小、不同樣品計算的子波特征參數以及不同樣品中模擬的單炮記錄，在II 類樣品中激發，地震資料品質較好。

圖6 相同深度不同類型中模擬激發單炮記錄頻譜分析

3 應用效果對比

綜合以上各種方法優選II 類巖性介質并在黑色軟膠泥中激發，對同一構造相鄰位置單炮對比（圖7）可以看出，優選激發巖性后的單炮整體信噪比較高，中、深層目的層連續性好，所獲地震剖面淺、中、深層反射波特征較清楚，斷點清晰，新剖面能夠滿足地質任務的需求。

4 結論

（1）綜合運用多種方法建立精確的地質模型，為后續正演提供了建模依據。從四類樣品的物性計算結果、彈性應變能大小、子波特征分析及單炮正演模擬對比，II 類樣品為較為合適的激發介質；野外現場應用對比認為，在II 類樣品即黑色軟膠泥中激發所獲取的單炮記錄比相鄰位置其他巖性激發單炮記錄改善效果明顯。

（2）采用多種方法聯合優選適合該區的激發介質，對該地區和相似地區的地震勘探工作具有一定的借鑒意義。