论述利用可控震源进行VSP的优越性

论述利用可控震源在VSP观测上的优越性摘要：针对VSP技术的特点，通过分析VSP井中垂直地震剖面观测技术所需要的震源条件，讨论可控震源在生产上的可行性，对比可控震源与炸药震源激发所得到的地震剖面的质量对比，结合实例深入探讨了利用可控震源进行VSP观测的优越性，并从HSE角度说明可控震源的特点。

说明了可控震源在VSP观测较普通炸药震源具有优越性。

关键词：VSP 可控震源普通炸药震源地震剖面质量前言垂直地震剖面法（简称VSP）是一种井中观测方法，它是早已广泛使用的地震测井（又称速度检验放炮）方法的变革和发展。

垂直地震剖面在其发展过程中已经研制了专门的仪器系统，实验了成套的野外工作方法，并发展了解释的理论基础，所以它已远远超出地震测井原来的范围，而发展成为一套完整的、独立的、新的观测方法。

利用VSP可以深入了解地震子波传播的某些基本特性，帮助了解反射和透射过程，从而反过来又可以改善地表地震资料关于构造、地层和岩性的解释。

VSP还在继续向前发展，其主要方面可能是：仪器设备将进一步改善；在复杂构造和岩性勘探及其他一些未知领域中将进一步发挥作用；VSP与地面地震和声测井等其他勘探方法将更好地结合并成为这种结合的纽带；VSP作为自然环境下地震波实验研究的手段将会不断的有所发现。

1、VSP原理及相关介绍垂直地震剖面（VSP=Vertical Seismic Profiling）是一种地震勘探观测方法，与通常地面观测的地震剖面相对应的。

地面观测的地震剖面是在地表附近的一些点上激发地震波，同时在沿地面测线的一些检波点上进行观测。

前者检波器放在地表，测线沿地面布臵，所以称为水平地震剖面；后者检波器放在井中，测线沿井孔垂向布臵，所以称为垂直地震剖面。

垂直地震剖面与水平地震剖面相比，最重要的一个特点是，在水平地震剖面中，因为检波器臵于地面，所以除沿地表传播的直达波和面波外，只能接受来自地下的上行波；在垂直地震剖面中，因为检波器通过井臵于地层内部，所以既能接收到自下而上传播的上行波，也能接收到自上而下传播的下行波。

图1 垂直地震剖面原理图该方法的主要特点有：(1)接收点分布在介质内部；(2)可记录被研究对象的“单一”地震波；(3)干扰因素少；(4)可记录上行波和下行波。

这种垂直地震剖面有零井源距观测、非零井源距观测和斜井VSP 观测三种观测方法。

VSP 几何观测如图1 所示。

垂直地震剖面的解释和应用主要有：（1）改善地面地震资料的解释；（2）可靠地识别地震反射层的地质层位；（3）利用VSP 资料，提高地面地震记录的分辨力；（4）利用VSP 资料提高横向分辨地质现象的能力；（5）利用VSP 探测真实的构造形态（6）利用VSP 资料研究岩性和储集层。

VSP的激发方式较多。

几乎所有水平地震勘探的震源都可以用作VSP的震源。

针对在进行VSP采集时，应该选用何种震源，我们做如下讨论研究。

1）垂直地震剖面法（VSP）对震源的要求（1）V SP所用的震源最好与VSP井旁地面地震剖面所用的震源一致；（2）V SP各次激发的震源子波应具有高度的一致性和重复性；（3）V SP的输出强度应当适中；（4）激发频谱尽可能宽，以提高分辨率；除此之外，激发的干扰波能量应该相对较小或者易于压制，激发的波形应与勘探的目的相一致等也都是选择震源时应该考虑的原则。

2）垂直地震剖面常用的震源：（1）炸药震源优点：单次激发能量较强，可得到较强的体波输出振幅；频谱较宽，高频成分比较丰富，分辨率高。

缺点：震源子波的重复性难以保证，多次激发的多道记录不好对比；野外操作比较复杂，费用大，不安全。

（2）可控震源（振动震源）特点：①重复性好，震源相关子波可认为是已知的；②易于移动，可以方便和快速地在很多激发点位臵上工作。

对于多偏移距观测特别有利；③信号频率范围可以调节，以满足特定的VSP记录所需要的分辨率条件；④通过改变震源车的大小或者震源车的数目，或者改变单个震源车的输出驱动力，其输入能量的大小可按照最佳信噪比的条件进行调节；⑤当存在随机干扰时，通过相关可以分离扫描频率范围之外的随机噪声，通过若干个扫描的迭加可以消除扫描频率范围外的随机噪声（但是对于扫描频率内的相干噪声，不但不能消除，反而会加强。

炸药震源在潜水位深、浅层卵砾石、沙石发育的浅层地震地质条件复杂区，施工极为困难，甚至不能施工。

但可控震源以其特性克服了炸药震源的不足。

因此，根据VSP的基本原理，震源选择要求和适用条件以及各种震源的特点，我们认为在一些特定地质条件下，人工可控源在VSP勘探中要比普通炸药震源更具有优越性。

2 、可控震源在实际生产中的可行性图2试验点1与试验点2的频谱扫描图为了能说明人工可控震源在实际生产中具有可行性，我们从东方地球物理勘探公司找到了某一区块，相邻两口井的VSP 测井实验资料（如图2）。

在确定施工因素时，分别在对这两口井均采用普通炸药震源与人工可控震源，把这两口井命名为试验点1与试验点2。

因为这两口井相距距离比较小（<300M ）所以我们认为它们井下的地质概况基本一致，这样，就把可变量进行了简化。

通过以往的相关经验，我们的可控震源采用了台次4×2；驱动幅度75%。

对两试验点的频谱扫描采用了扫描长度14s 扫描频率8－100Hz 。

在频谱图中，横坐标代表的是扫描时间，纵坐标代表的是人工可控震源激发波的频率（单位：Hz ），图中颜色代表人工可控震源激发波与普通炸药震源激发波振幅比的对数（单位：dB ）。

因为脉冲波在地层中传播时，高频部分会很快衰减，所以低频部分的能量扫描长度对于地震勘探质量的好坏尤为重要。

因此，我们对比的焦点是两种不同震源激发出的波的低频部分由以上两个实验点的频谱扫描图我们可以看出，试验点1中，在频率12到30Hz的范围内，人工可控震源激发波与普通炸药震源激发波振幅比的对数基本为0；试验点2中，在频率23到30Hz的范围内，人工可控震源激发波与普通炸药震源激发波振幅比的对数基本为0。

这也就是说，在这两个范围内人工可控震源激发波与普通炸药震源激发波的相关性较好。

这表明在低频带范围内人工可控震源激发波与普通炸药震源激发波的能量基本一致。

因此，可控震源激发出的波在低频部分与普通炸药震源相差无几。

在这一点上，人工可控震源在实际生产中具有可行性。

为了进一步说明怎样的可控震源组合能够更好的满足施工要求，我们还得到了以下资料（如图3），在试验点1，保持线性升频，扫描长度14s，扫描频率8Hz-100Hz，出力75%激发参数不变的情况下，做了2×3、2×4、2×6、4×2、4×3、4×4震动台次试验。

在试验点2，保持线性升频，扫描长度10s，扫描频率8Hz-100Hz，出力75%激发参数不变的情况下，做了2×4、2×6、4×2、4×4震动台次试验。

从图4可见，4台震源比2台震源激发能量强，频率更宽。

选择4台震源激发，4×2、4×3、4×4激发频谱区别不明显。

震动台次试验点1 试验点2图3试验点1与试验点2不同振动台次的频谱扫描从施工效率来说，正式进行生产开始，当天完成630炮，共用五天半的时间完成3D-VSP测井3926炮，最高炮数860炮/天。

用了不到10个小时的时间完成了四个非零偏和一个零偏的常规测井任务（46炮），通过试验确定2×4施工因素，分两组震源分别完成了两个非零偏常规VSP测井；然后在另外两个非零偏生产的同时，一组震源往返零偏和非零偏之间，同时完成了两个非零偏和一个零偏的常规VSP测井，这样既减少了一次提、放电缆的时间，同时也保证了零偏和非零偏井下检波器在同一位臵，提高了施工效率。

综上，我们可以说，如果采用了适当的震源组合方式，人工可控震源是完全可以满足生产要求，并且可以提高施工效率。

3、可控震源与普通炸药震源激发所得到的地震数据的质量对比1）从相位上的分析在地震勘探中，为了能从干扰背景中辨别和检测出有效信号，要求增强有效波的能量。

对于一个延续时间为Δt的地震脉冲信号S(t),它的能量表达式为(1)式：Es= 21t t S 2(t)dt （1）增大有效波的能量（ES ）有两个途径：一个用增加炸药量的办法来增加地震脉冲的振幅；二是延长地震脉冲的延续时间Δt ，但是信号延续时间过长又降低了分辨率。

解决的办法就是利用相关分析理论提出的连续振动法（又称脉冲压缩记录法）。

其实现途径为向地下输入延续时间很长的连续振动信号作为激发源，在地面接收反射回来的这种长持续时间的反射信号，然后与参考点的连续振动时间做相关，最后得到用相关函数表示的地震记录。

这样做的结果，不仅可以提高有效波的能量，而且在相关过程中有效地压制了干扰，提高了信噪比。

炸药震源子波与可控震源子波的产生机制、记录方式以及波形形态都不一样。

对炸药源来讲，产生的激发波延续时间很短，类似于冲击脉冲，而且无法人为地控制其准确的波形，也不能用某一固定时间函数关系式进行描述，故称为不可控震源或冲激震源。

由于冲激震源激发波持续时间很短，远小于相邻界面的反射时差，因此相邻界面的反射波在原始记录上不会相互重叠，可以分辨出来。

而对于可控震源来讲，它的激发波持续时间很长，一般在8～16s ，远大于各界面间的反射时差，而且激发波形可由人为控制，以满足一固定的时间函数关系式，通常为一线性扫描信号：（2）（2）式中，ƒ1和ƒ2分别为扫描起始频率和终了频率；T 为扫描长度。

由于可控震源的激发波X(t)的持续时间T 远大于各界面的反射时差，因此相邻界面反射波形在原始记录上互相重叠，以致无法分辨开来，但由于波形X(t)满足一个确定的函数关系式，所以可以将原始记录Y（t）与激发波形X（t）进行互相关，得到其相关记录Y1（t）。

可控震源和炸药震源子波相位存在较大差异。

可控震源的源信号是扫描信号的自相关，理论证明，它本身就是一个零相位信号。

而炸药震源为一个混合相位子波，在处理中更多地把它近似为最小相位。

图4是同一位臵激发，相同检波器接收记录的拼接。

由图可见，两种震源资料不仅在频率方面存在差异，而且亦存在明显相位差异。

这些相位差异不利于资料成像，须进行一致性处理。

图4 炸药震源和可控震源观测记录对比2）人工可控震源与普通炸药震源数据闭合差的问题可控震源的另一个重要和潜在的影响因素是其与其它脉冲（小相位）震源的闭合问题。

在某种假设条件下，可以利用一些方法来解决两种震源资料的闭合问题，但实际上这一因素仍在不同程度地影响可控震源的有效应用（图5）。

对于已进行了大量震源地震工作的我国，一旦开始广泛应用可控震源，在解释工作中必然要面对这一问题。

图5可控震源与普通炸药震源叠加剖面存在闭合差国际上针对可控震源与炸药震源闭合问题的处理技术主要有：零相位转换小相位的纯相位滤波技术，基于叠后或叠前数据的子波整形技术和分频补偿技术等。