下扬子南部地震波激发介质优选

彭仁艳，刘文峰，王军锋，郝晓敏，黄 伟

（1.中国石化石油工程地球物理有限公司科技研发中心，江苏南京 211100；2.中国石化石油工程地球物理有限公司华东分公司，江苏南京 211100）

下扬子南部地处长江南岸，古生界地层具有形成大-中型油气田的基本条件[1-3]。下扬子南部浅表层属于第四系冲积平原，受长江古河道影响、低速流沙体不规则分布，表层岩性结构纵、横向变化剧烈；古生界地层受多次构造运动影响，地层重复、褶皱、倒转等现象较普遍，构造复杂，地震资料品质普遍较差，不能满足地质任务的需求[4-5]。

周松从共反射点叠加理论出发，在宽线地震资料处理过程中改善了古生界的地震资料成像效果[6]；高红波从优化观测系统角度出发，给出了下扬子常州地区地震采集的主要观测系统参数[7]；刘文峰等从照明分析等角度出发，对该区的主要观测系统参数进行了进一步优化[8]。前人采用多种方法尝试，取得了一定的效果；但以往的地震采集激发参数设计仅定性地选择激发岩性，没有选择最佳的阻抗匹配介质，没有量化指标对比，激发岩性不稳定，地震子波一致性差且不稳定，子波的频带宽度等问题没有得到充分考虑。近地表岩性的复杂化和多样化是影响地震采集品质的关键因素。

根据野外取心样品的岩性描述特征，将样品划分为四大类，综合各种方法精确建立该地区近地表模型和深层地质模型；测定取心样品的物性参数，建立物性参数与弹性势能之间的关系；计算不同样品的子波特征参数，并对不同样品进行正演单炮模拟；定量分析初定适合该区的激发岩性介质，并结合野外采集应用验证，获取适合下扬子南部地区的地震采集激发介质。

1 浅表层岩性结构特征

1.1 野外取心

在下扬子南部某地区NE、NW 方向6 个不位置点进行野外取心，取心深度40 m，现场共获取37 份样品。在实验室按照国际岩石力学协会组织的“岩石力学实验室实验和野外实验标准化委员会”指定的系列规范加工制备成50 mm×25 mm 的圆柱形测试标本共计111 份，根据岩性描述和黏土分类标准将所有样品划分为四类（表1）。整个样品加工过程和后续测试过程在中国石化地球物理重点实验室MTS815 系统上完成。主要测试了品质因子、纵横波速度、密度、泊松比、体积模量、剪切模量、杨氏模量等参数。

1.2 浅表层地质模型建立

对前期该区及邻区的老资料分析，该区表层流砂体发育，不同期次黏土纵向上叠置发育、横向上流沙和黏土不规则分布，因此建立准确的浅表层介质模型尤为重要。

表1 黏土类型划分

以往的浅表层介质模型建立过程中，主要采用小折射、微测井、地面地质调查和大地电磁测深等。小折射施工时要求地表较为平坦且近地表不存在高速夹层，否则会产生较大的误差，但本区岩性纵向上存在叠置反转现象；微测井精度比较高，但施工效率比较低、调查深度有限，且下扬子南部地区潜水面低、深井中普遍含水，影响调查精度；大地电磁测深法在横向上趋势较好，但纵向上探测精度有限。这几种方法通常只能确定近地表的速度、厚度参数，不能准确地获取近地表岩性参数。浅层岩性取心在综合以上方法优点的基础上，纵向上精度更高，不仅可以直接获取近地表介质的含水率、密度、饱和度等重要的岩石物理参数，且后续测试可获取更多的纵波速度、横波速度、密度、体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、纵横波吸收因子等参数，可以为浅表层介质模型的建立提供准确指导。

针对下扬子南部地区浅表层介质特点，以小折射和大地电磁测深为基础，初步圈定各类介质的平面分布范围、厚度趋势；用大网格平均密度布设的微测井控制点进行控制，对低降速层厚度突变段、地表岩性突变段、地形起伏剧烈地段加密微测井控制点进行详查，提高了浅层结构模型的精度；结合大炮初至反演情况，再用6 个不同位置点的取心资料进行验证和修改，“循环迭代”确定浅层模型的结构和介质物性参数，为后续单炮正演模拟提供依据（图1）。

微测井、取心资料反映浅层地表岩性多为泥砂及黄胶泥，泥砂发育规模不稳定，深井处偶见黑色软胶泥，对应II 类取心样品。

2 激发介质选择

2.1 浅层样品物性特征研究

图1 下扬子南部浅表层岩性结构模型

分别测定四种类型的6 个点的样品物性参数并进行综合分析，结果表明，四种类型粘土样品物性值是有明显差异的，其中I 类样品的纵波速度、横波速度、密度、体积模量、剪切模量、杨氏模量最大，II类样品次之，其后是III 类样品，而IV 类样品数值最小。整体上来看I 类样品的泊松比最大，IV 类样品的泊松比最小。I 类黏土韧性高，纵波衰减大，而IV 类黏土韧性低，横波衰减大（表2）。

表2 不同样品黏土物性参数均值

2.2 不同类型样品的弹性应变能分析

岩石在受力变形的过程中，不同阶段有不同的能量转化方式，主要表现为高塑性、高弹性低塑性、极脆性[9]，与岩石物理属性密切相关。受力初期压密阶段岩石被输入能量，转变为弹性势能储存在内部（A 点）；然后进入弹性阶段，弹性阶段岩石发生弹性形变，受力全部转化为弹性势能（B 点）；超过弹性极限后，岩石进入稳定破裂的塑性变形阶段，但是弹性势能仍占主要地位（C 点）；随着微破裂出现质的变化弹性势能存储减弱，进入不稳定的破裂阶段，到达最高峰值D 点；之后进入应变软阶段，岩石向外释放能量，塑性能和动能在总能量中占很大的比例。峰值强度点之前表现为能量储集过程，峰值点后是能量急剧的释放过程[9]。由图2 可以看出，在激发时应该选择 D-F 阶段具有一定塑性和回弹性的介质（σ1、σ3 是分别表示岩石两个方向受力之后的应力），以便产生较好的弹性波。

本次研究对四类样品进行了应力应变曲线测试，结果显示 I 类 、II 类、III 类、IV 类样品均表现为中等弹性、高塑性的特征（图 3）。岩石在受力初期，会发生弹性变形，外力所做功转化为弹性势能并储存在内部。进行应力加载后，应变从0 增大到0.6 左右，四类样品均发生弹性形变并大部分转变成弹性势能；其中I 类、III 类、IV 类样品的单位形变量基本一致，II 类样品的单位形变量最大，说明II 类样品储存的弹性势能最大，如果卸载，则对应的弹性势能又能释放出来。

图2 岩石三轴压缩的应力应变曲线

岩石变形过程中，弹性势能为：

式中： Ep为弹性势能，J；K 为弹性系数；x为形变量，m。

图3 四类样品应力应变测试曲线

在弹性应变阶段，合理近似的岩石服从虎克定律，外力对岩石所做功全部转化为岩石的弹性势能，此阶段是可逆过程，在此范围内卸载外力，能量又会释放出来而不会造成对岩石的破坏[10]。岩石形变量与前述样品物性参数中的杨氏模量、应变参数有较好的对应关系，因此将弹性系数引申为弹性模量，形变量引申为应变参数，从而以等效的弹性应变能形式表示岩石形变瞬间释放弹性能的能力。

则弹性应变能为：）

式中： Eq为弹性应变能，J；E为弹性模量（杨氏模量），GPa；ε 为应变参数[8]。

据此计算获得了I 类至IV 类岩性弹性应变能平均值分别为0.324 5，0.432 7，0.360 6，0.307 2 J，其中II 类样品的弹性应变能最大，表明在II 类样品中激发能较好地产生弹性波。

2.3 不同类型样品的子波特征分析

炸药爆炸时会形成冲击波，冲击波作用于围岩介质后，形成爆腔、塑性形变区和弹性变形区。冲击波衰减到一定程度后，在弹性变形区中传播形成弹性波。

距爆炸点一定的距离，弹性介质中质点位移函数可写成[5]：

式中：a 为爆炸形成的球形孔穴半径，m； po为作用于孔穴内壁上的压强，N/m2；μ为弹性常数；r 为传播距离（一般为孔穴半径的几倍），m；t为传播时间，s； k 为圆频率，Hz。

将式（3）求导可得质点振动的速度表达式：

当r 较小时，式（4）可近似看作是震源子波。

进一步对其作付氏变换可得相应振幅谱表达式：

式中：w为地震波的频率，Hz。

通过式（4）和式（5）可以看出，在不考虑其他因素时，震源子波的波形和振幅谱主要取决于激发岩性的速度、弹性常数和孔穴半径。

对不同类型样品按照式（3）、式（4）和式（5）计算其子波特征参数，由于样品的物性参数不同，则其子波特征也存在不同。对计算结果统计分析，I类黏土的子波频带为7.0～29.0 Hz，平均主频为12.7 Hz，平均子波能量为26；II 类黏土激发子波频带为6.0～31.0 Hz，平均主频为13.6 Hz，平均子波能量为28；III 类黏土激发子波频带为5.0～22.0 Hz，平均主频为11.2 Hz，平均子波能量为28；IV 类黏土激发子波频带为5.0～23.0 Hz，平均主频为11.1 Hz，平均子波能量为27。

对计算的子波主频和振幅进行交会分析（图4），II 类样品中计算所得激发子波频带宽、频率高，、子波一致性较好且较为稳定，因此野外采集时应在 II类样品中激发。

图4 不同性质黏土中激发的子波主频率与振幅关系

2.4 不同类型样品激发单炮模拟

根据测井资料、岩心资料及以往地质-地球物理解释方案建立初始地质模型，并根据测井资料设定相应的物性参数；通过射线自激自收的方式不断修改模型，确保与实际地震记录一致，完成合理的地质模型搭建。据DS1 井从上到下钻遇情况，研究区从上至下发育第四系，下古生界志留系茅山组、坟头组、高家边组，奥陶系五峰组、汤头组、宝塔组、大田坝组、牯牛潭组、大湾组、红花园组、仑山组、观音台组、炮台山组、幕府山组，上元古界震旦系灯影组（未钻穿）等地层。本次研究下古生界志留系高家边组和寒武系幕府山组为主要目的层，高家边组视厚度2 079.6 m，底界埋深3 800～4 000 m ；幕府山组视厚度613. 2 m，底界埋深5 800～6 100 m。根据上述样品物性测定结果建立整体地质模型（图5），其中近地表40 m 的浅表层流砂体模型见图1。在不同深度不同黏土类型中激发模拟，研究不同岩性中模拟激发的单炮特征。本次正演模拟选取雷克子波作为震源函数，使用高阶有限差分法来求解弹性波方程，进行弹性波模拟[11-15]。

下扬子南部地区经多期演化，中生界地层几乎剥蚀殆尽，但古生界地层完整保留，燕山运动等进一步改造使其整体成为一断背斜模型；断层向上消失在志留系滑脱层中。之后地层整体沉降，接受第四纪地层的沉积覆盖，形成现今结构。

前期地震采集施工中经浅层钻孔证实，受长江下游平原古河道影响，浅表层岩性在纵向上和平面上均不固定，呈多期叠置发育，不同期次黏土物性呈现不同特点。

图5 下扬子南部整体地质模型

对同一激发深度、不同类型样品处模拟的单炮进行对比（图 6），具体为 I 类、II 类、III 类和 IV 类30 m 处激发得到的弹性波单炮模拟记录。在II 类黏土中模拟激发的记录总体品质高于I、III、IV 类，尤其在远排列深层3.0～4.5 s，这与子波模拟的结论相一致。从钻井取心、录井岩性角度来看，井深30 m岩性为黑色软胶泥，对应样品中铁锰含量高的II 类岩性样品。综上样品物性特征、弹性应变能大小、不同样品计算的子波特征参数以及不同样品中模拟的单炮记录，在II 类样品中激发，地震资料品质较好。

图6 相同深度不同类型中模拟激发单炮记录频谱分析

3 应用效果对比

综合以上各种方法优选II 类岩性介质并在黑色软胶泥中激发，对同一构造相邻位置单炮对比（图7）可以看出，优选激发岩性后的单炮整体信噪比较高，中、深层目的层连续性好，所获地震剖面浅、中、深层反射波特征较清楚，断点清晰，新剖面能够满足地质任务的需求。

4 结论

（1）综合运用多种方法建立精确的地质模型，为后续正演提供了建模依据。从四类样品的物性计算结果、弹性应变能大小、子波特征分析及单炮正演模拟对比，II 类样品为较为合适的激发介质；野外现场应用对比认为，在II 类样品即黑色软胶泥中激发所获取的单炮记录比相邻位置其他岩性激发单炮记录改善效果明显。

（2）采用多种方法联合优选适合该区的激发介质，对该地区和相似地区的地震勘探工作具有一定的借鉴意义。