大基距组合井激发理论分析及应用

冯晓强，石一青，朱 峰

(中国石化地球物理公司华东分公司，江苏 南京 210009)

大基距组合井激发理论分析及应用

冯晓强，石一青，朱 峰

(中国石化地球物理公司华东分公司，江苏 南京 210009)

通过对大基距组合井激发从相控原理的角度进行分析，论述了组合个数、组内距、组合基距等参数对激发效果的影响，并且对其在江苏探区多个火成岩发育地区进行的试验和应用进行了分析对比，提出大基距组合井激发可聚焦能量、控制主波束传播方向，单炮能量更强、信噪比更高，最终增强激发能量，提高资料信噪比，有效改善近地表火成岩地区资料品质，提高复杂地表情况下地震资料品质。同时提出在应用该技术时应充分了解工区地表及地质情况，科学合理设计组合参数。

大基距组合激发 近地表火成岩 定向传播

相控理论源自雷达系统的相控阵天线。相控阵天线是由一组线性或面积组合或空间组合的辐射器构成。每个辐射器振幅和相位独立控制。通过调节辐射器相位来达到空间扫描。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元合成非常高的功率，根据不同方向上的需要分配不同的发射能量，因此抗干扰性强。

相控原理在地震勘探的应用最早始于可控震源，通过控制可控震源组合，形成方向可控的定向地震波，使观测系统接收到的反射波能量最强。近几年来，该技术被广泛应用到炸药震源大基距组合井激发，并在火成岩、黄土高原等地区取得较好效果。

徐峰[1]根据震源对目的层照射能量的贡献，将震源波场划分为4个区(图1)。S1区的波场能量直接垂直传播到地表，形成强次生干扰，是噪音的主要来源，该区域越小能量越弱， 则有利于提高资料信噪比。

图1 震源波场能量分区

S4区是产生有效信号的主要能量区，称之为有效波场区，这个区域能量越大，则有效信号能量越强。S2、S3这两个区的波场对有效信号贡献不大，称为无效波场区。单井激发产生的球面波场在4个区域能量均匀分布，因此只有一小部分能量用于有效反射信号。地震生产中我们希望更多的能量出现在S4区，以激发出更强的有效波。

1 大基距组合井激发理论分析

大基距组合井激发地震波在传递过程中，由于组合内各震源激发的地震波存在一定的波程差和相位差，因此叠加场强会在某一方向增强或减小[2]。汪仁富[3]等人根据炸药震源能量全空间传播的特点提出了全空间分布情形的场强方向因子。以下为归一化场强方向因子：

n为组合井数；d为组内距，m；θ为观察点方位角，(°)；β为相邻井之间恒定相差，m。

通常情况下，大基距组合井间若为相同井深且同时激发，则相邻井之间无恒定差，即β=0。若相邻井之间存在恒定深度差，或相邻井间延时恒定时间差激发，则相邻井间恒定差β≠0。以下对这两种情况进行分类讨论。

1.1 基于β=0的组合效果分析

由方向因子可知，大基距组合井激发效果与组合井数、组内距有关。若β=0，则在θ=0°时波束能量最强，即主波束方向垂直于组合阵列方向。以组内距20 m，频率25 Hz，地震波速1 800 m/s为条件，模拟1井、2井、3井、5井、9井组合效果(图2)，可看出单井激发产生的能量在空间内均匀分布，随着组合井数增多，能量在上下空间越集中，主波束宽度越窄，当组合个数增加到一定程度时主波束宽度变化不再明显。能量在有效波场区越集中，产生的地震波能量越强，抗干扰性越好，因此大基距组合井激发能更好地聚焦能量，增强地震波强度，提高地震波抗干扰性。

图2 不同井数组合场强方向因子

注：从左到右分别为1、2、3、5、9井组合

组内距也是影响大基距组合井激发效果的重要因素。以组合个数为9、频率25 Hz、地震波速1 800 m/s为条件，模拟组内距为4 m、10 m、20 m、30 m、70 m组合效果(图3)。图中可见，随着组内距增大，组合能量在上下空间聚焦效果越明显，但当组内太大时就会出现副瓣，组合效果变差。从激发角度考虑，相邻两炮同时激发，会使压力增强，加剧爆炸对岩石的破坏，造成能量过多损失，降低爆炸的地震效应。因此两炮间距不得少于单个炮点起爆时引起的塑形半径的2倍最宜[4](其经验公式为D=3.0Q1/3，Q为药量)。根据相控理论从传播角度考虑，当整体基距不超过一个波长时有利于增强有效波场区能量，即d<λ/n。

图3 不同组内距组合场强方向因子

注：从左到右分别为4 m、10 m、20 m、30 m、70 m组合

以上所论述的组内距和组合个数最终影响的是组合基距，以下讨论相同组合基距不同组合个数和组内距下的情况：设定160 m组合基距，在频率25 Hz、波速1 800 m/s条件下模拟9井20 m组合、5井40 m组合和11井16 m组合效果(图4)，可以看出，即使组内距和组合个数不同，但是相同的组合基距下组合场强方向因子基本一致，因此，在大基距组合井施工时我们要依据激发效果，合理选择组合参数，在确保激发能量的同时尽可能降低生产成本。

图4 相同基距组合场强方向因子

注：从左到右依次为9井20 m、5井40 m和11井16 m组合

图5 不同频率场强方向因子

通常情况下，大基距组合对不同频率组合效果不同。相同组合参数下，低频能量集中效果差，高频能量集中效果好。图5为以4井组合，波速1 800 m/s，10 m组内距为条件，模拟所得10 Hz和50 Hz频率场强空间分布情况。如果想增加低频能量聚集效果，可以通过增加组合井数和组内距来达到，在以上条件不变情况下，分别模拟将组内距增加至40 m和组合个数增加至18个时10 Hz能量的聚集效果(图6)，可见10 Hz的组合效果得到了提高，同时，增强低频能量聚集效果有可能使高频聚焦效果变差，因此在设计组合参数时要以高频主波束宽度为参考。

图6 不同组合参数下10 Hz场强方向因子

1.2 基于β≠0的组合方向性分析

若β不为0，则相邻震源之间存在一个恒定的相差。地震勘探中相差可以通过延时激发而达到，最常用的做法是采用不同井深(即组合井之间相邻井存在一个恒定的深度差)激发。图7中d为组内距，h为深度差，因此恒差井深组合总的相位差为：β=nK(dsinθ-hcosθ)。其中K为调整系数，取值1或-1，确保总相位差为正数。

图7 组合的方向性

图8 不同井深差组合场强方向因子

若组合能量在θ角最大时需：dsinθ=hcosθ。

因此组合的方向性只与组内距和井深恒定差有关。图8为在激发参数f=100 Hz，v=800 m/s，n=4，d=4 m条件下，井深差为1.07 m、2 m、4 m产生的15 °、26.6 °、45 °主波束方向。同时，可以看出随着井深恒差越大，主波束倾角越大。

2 大基距组合井激发的应用

2.1 应用背景

江苏JH凹陷BT区块位于油气运移有利地区，周边已发现有多个油田，勘探潜力大，但是该地区局部近地表发育多套玄武岩，埋深较浅，由于火成岩对中深层能量屏蔽严重，资料品质差。为了突破火成岩对能量的屏蔽，取得高品质的地震资料，在该地区进行了大基距组合井激发试验。试验参数为：井深15 m、总药量18 kg(平均分配到每口井)，组内距20 m，组合个数分别为单井、2井、3井、5井、9井。

2.2 试验分析

图9为试验所得资料固定增益显示，原始单炮可见：单井资料整体品质较差，目的层反射能量弱，同相轴破碎，连续性差。随着组合井数增多目的层信息趋于丰富，反射能量增强，同相轴连续性变好。对单炮能量信噪比进行分析(图10)发现单炮能量和信噪比随着组合井数增多而提高。

图9 试验单炮

图10 均方根能量和信噪比分析

图11 单井与三井单炮能量分析

2.3 应用效果

结合试验结论和工区地表情况，认为BT地区地表障碍物较多，5井组合基距大，难以展开，且由于观测系统炮距限制，若减小组内距将造成组合效果较弱，因此综合考虑后在江苏BT工区近地表火成岩段采用了3井组合激发，组内距20 m，药量为2×3 kg。对于地表限制不能展开3井的采用单井激发，药量为6 kg。对其中一束线部分单井和3井单炮能量分析(图11)，显示3井单炮能量整体强于单井。对比该地区老资料(如图12白色框内)，实施大基距组合井激发的新资料近地表火成岩区同相轴信息丰富，信噪比高，剖面品质好。

图12 新老资料对比

3 结论

通过理论分析和应用效果验证，认为大基距组合井激发可聚焦能量、控制主波束传播方向，单炮能量更强、信噪比更高，能够有效提高复杂地表情况下地震资料品质。但大基距组合井激发同时也会导致施工成本提高，在应用该技术时应充分了解工区地表及地质情况，科学合理设计组合参数。以上分析及应用仅仅是针对线性组合的讨论，对于面积组合等其他组合方式的分析及应用需要进一步探索。

[1] 徐峰，刘福烈，梁向豪.基于相控理论的炮点组合设计技术[J].石油地球物理勘探，2011，46(2)：170-175.

[2] 王仁富，徐峰，刘福烈，等.波动方程震源组合模拟定量研究[J].石油地球物理勘探，2011，46(4)：538-544.

[3] 陆基孟.地震勘探原理[M].东营：中国石油大学出版社，1993.58-110.

[4] 姜弢.基于相控震源的地震波定向方法研究[D].吉林：吉林大学，2006.

[5] 吕公河.弱弹性介质中炸药震源大基距面积组合激发效果分析[J].石油地球物理勘探2011，46(6)51-855.

(编辑 韩 枫)

Application and theoretical analysis of long distance geophone array excitation

Feng Xiaoqiang，Shi Yiqing，Zhu Feng

(SINOPECGeophysicalCorporationHuadongBranch，Nanjing210009,China)

The long distance geophone array excitation was analyzed from the phased array theory.And then it was discussed the effect of number of array，geophone interval and array base distance on exciting result.According to the comparison of application data of this technology in several developed igneous rock areas in Jiangsu exploratory area，it was proposed the long distance geophone array excitation with focusing the source energy，controlling the spread direction of main beam，enhancing single-shot energy，higher signal to noise ratio (SNR)，especially improving the quality of seismic data in near-surface igneous rock area.Meanwhile，the surface and geological conditions of work area should be completely understood，and the reasonable parameters of array are scientifically designed.

long distance geophone array excitation；near-surface igneous rock；energy spread direction

2015-11-02；改回日期：2016-05-16。

冯晓强(1987—)，工程师，现从事地震采集工作。电话：18752786630，E-mail：xoocm@qq.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.03.008

P631.4

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