專利名稱：精確地表調查方法
技術領域：
本發明涉及一種地震勘探中的表層調查技術，尤其是精確地表調查方法。
背景技術：
近年來，隨著地震勘探工作的不斷深入發展，表層地震地質條件較好的探區越來越少，我們不得不面對山區、丘陵、黃土源、沙漠等淺表層地震地質條件復雜的地區。這些地區地形條件惡劣，表層結構復雜，給野外原始資料采集和低速帶調查工作帶來很大困難。此外，高分辨率地震勘探隊表層調查的精度提出了更高的要求。幾十年來，野外低速帶調查方法不外乎小折射法和微測井法，與快速發展的儀器裝備及處理解釋方法相比，表層調查方法顯得陳舊單一，難以滿足高精度地震勘探的要求。
1、小折射應用中存在的問題由于低速帶厚度一般不大，難以用反射波法進行探測，通常使用初至折射波法觀測低速層、降速層和高速層界面所產生的直達波和折射波。一般用不等道距布置排列，相遇時距曲線法進行觀測和解釋。工作中資料解釋過程存在以下問題(1)在野外布置排列，地形平坦時易于布置，而在地形起伏時不易布置，在這些地段布置排列所得到的資料，解釋誤差往往較大。(2)小折射遠道能量弱，信噪比低，初至拾取困難。(3)在資料解釋時地震道等間距顯示，拐點位置不易確定。(4)小折射解釋方法中只利用了時間信息，而沒有利用波形信息。(5)小折射加減法解釋只適用于兩層模型，對較復雜的地區，通常為三層模型低速層、降速層、高速層。
2、微測井法應用中存在的問題現行微測井施工方法分為地面接收井中激發、井中接收地面激發、井中激發井中地面同時接收的雙井微測井三種方式，現在國內一般采用地面接收井中激發、井中激發井中、地面同時接收的雙井微測井兩種方法。地面接收井中激發方法在井口附近小偏移距范圍內擺放幾個檢波器，放完炮后對每炮每道拾取初至，通過垂直To時間轉換將每道的初至時間轉換為垂直時間。將轉換后的垂直時間和對應的深度繪在時間-深度坐標系內，當不同深度點位于同一速度層內時，點的分布為一直線，不同速度層對應的直線斜率不同。根據其分布規律，劃分出各層的位置，每一層用最小二乘法擬合直線，直線的斜率的倒數為介質的層速度，兩直線的交點為介質的分界面。在實際施工時通常因為雷管起爆時間差異或地層的不均質性等原因造成在同一層速度內，垂直時間點的分布偏離直線，影響效果，對淺層尤其突出，影響解釋精度。通常情況下，為進一步提高解釋精度采用雙井微測井方法解決。雙井微測井方法地面檢波器的擺放方法與地面接收井中激發方法相同，另外打一口深井到高速層內放一個檢波器接收到達井底的信號。通過比較在高速層內激發與低速層內激發波形特性及時距曲線特征，獲取虛反射界面位置及各層的速度與厚度。雙井微測井精度較高，但需要打兩口井，成本高、效率低。微測井法是利用經多次激發而得到的直達波時距曲線的拐點和折線段的斜率來求取低、降速層及高速層的速度和厚度。用微測井法可以很詳細地對速度層進行劃分，而且也較淺層折射法準確得多。但在實際應用中，還有不盡如人意之處(1)在剛打完的孔中進行觀測，由于鉆孔泥漿水在疏松土中的滲透作用，使井周圍一定范圍的干燥土變為濕潤土，相應地提高了低速層的速度。當檢波器(或炮點)偏移距較小時，誤差較大，偏移距較大時，初至波可能為折射波。(2)雖然利用微測井的垂直時距曲線可以詳細劃分速度層，但往往由于實際地層與理論假設的均質均速有很大出入，如有薄的高速層，水坑溝渠等的影響，速度層的劃分不易進行。且速度層的劃分常常帶有人為的性質。(3)對靜校正而言，一般只需提供低、降、高速層的速度、厚度，由于垂直時距曲線常常缺乏明顯的拐點而使低、降速層的劃分顯得困難。
發明內容
本發明的目的是提供一種有效的準確區分低降速層與高速層的分界面，達到精確測定低速層、降速層、高速層速度，精確測定低速層、降速層的厚度的精確地表調查方法，它克服了小折射法和微測井法存在的缺點。本發明的目的是這樣實現的。
折射微測井方法改進了微測井的施工方法，由原來的井中放炮，小井檢距接收，擴充到小井檢距、大井檢距兩組接收。在大井檢距接收點通過初至波形和時距特征的對比獲取低速層與高速層的分界面，得到低降速層厚度信息，在此分界面基礎上對小井檢距進行精確速度解釋。
精確小折射解釋通過對小折射道按與實際間距相匹配的比例顯示，直接解釋；通過遠道濾波處理提高初至拾取精度；通過擴展減法運算消弱地形起伏、局部地表速度不均的影響，提高分組準確性，達到提高解釋精度目的。
發明效果通過折射微測井，可以把低速層、降速層、高速層分界面誤差限制在相鄰炮點間隔之內，提高精度。精確小折射解釋方法，按與實際間距相匹配的比例顯示，可直接比較地震波初至起跳方向區分直達波折射波；對遠道進行濾波處理提高初至拾取精度；為消除地形等因素影響，對初至進行擴展加減法計算，把計算結果顯示在對應道上，把結果中呈明顯線性關系的道分為一組，作為分層的依據；對兩邊來自同一層的折射波通過減法運算，可直接得到其速度。
四
圖1微測井遠道波形圖 圖2利用近道參考遠道解釋界面圖 圖3近道抽道顯示圖 圖4微測井遠道射線路徑圖 圖5地面接收道排列圖 圖6V0、V1與tani關系表 圖7微測井與小折射對比表 圖8按比例顯示的小折射剖面圖 圖9濾波前剖面圖(遠道初至不清) 圖10 13、14、15三道頻譜圖 圖11濾波后剖面圖(遠道起跳干脆) 圖12擴展減法分層圖 圖13同一層初至的減法結果圖 圖14小折射解釋流程圖 圖15兩層水平介質模型圖 圖16三層水平介質模型圖 圖17兩層傾斜介質模型圖 圖18兩層介質減法模型圖 圖19傾斜界面模型圖 圖20三層介質擴展減法模型圖A 圖21三層介質擴展減法模型圖B 圖22三層介質擴展減法模型圖C 圖23擴展減法不同層間的誤差分析圖 圖24擴展減法不同層間的誤差分析放大圖 圖25理論Δt偏差數據表(單位ms) 圖26三層理論圖(排列適中) 圖27三層理論圖(短排列) 五具體實施例方式 1、折射微測井 折射微測井方法由施工和解釋兩個方面組成。
施工方法是井中激發，地面接收(類似地，也可用地面激發，井中接收)，所不同的是接收道分為兩組如圖5 一組為近道，井檢距一般為1米到5米(根據低速帶厚度而定)，用2-3個； 一組為遠道，從10米開始擺放，5米一道，長度50米。
解釋方法 首先，通過比較在高速層內激發與低速層內激發遠道波形特性及時距特征，獲取速度分界面，如圖1。在低速層激發，可接收到直達波、折射波，由于折射波超前直達波，初至波為折射波。初至折射波特征振幅較小、頻率較低、初至時間由深到淺逐步變大。在高速層激發，遠排列只能接收到初至透射波，特征振幅較大、頻率較高、初至時間由淺到深逐步變大。抽道剖面上存在一個深度界面界面以上，初至振幅小，頻率低，初至時間由深到淺逐步變大為初至折射波；界面以下，初至振幅大，頻率高，初至時間由淺到深逐步變大為初至透射波。通過這種方法可以得到準確的速度界面。
其次，拾取近道初至如圖2。
最后，利用近道初至參考遠道分解面進行解釋。
微測井折射波產生條件以兩層為例如圖4，設第一層厚度為H0，速度為V0，第二層速度為V1。假設在分界面以上緊靠分解面放炮，接收在距離井口為x處，臨界角為i， 為臨界點，當x＜H0tan i時為盲區，不能接收到折射波。x＞H0tan I可接收到折射波。為得到較完整的初至折射波，一般定在x＝2H0tan i左右處。
圖6是速度為V0，第二層速度為V1與tani及排列長度系數2tani之間的關系表。
以上是水平界面，對傾斜界面，視傾角不同而定。
對多層界面，可作類似的推導擴展。
折射微測井與單井微測井、雙井測井、小折射對比如圖7。
2、精確小折射解釋 精確小折射解釋通過對小折射記錄按道距比例顯示，遠道濾波處理，初至起跳波形對比，擴展減法運算進行速度分組方法提高小折射精度。
(1)遠道濾波處理在小折射施工過程中，在地形地質條件較為復雜的地區，小折射遠道干擾較強如圖9，嚴重影響初至拾取，經過研究發現，干擾波主要為高頻干擾，且與有效波有明顯的波段界限如圖10，從圖10頻譜分析中找出相應的拐點，作為高頻濾波界限，把拐點以上的高頻段濾去，可得到起跳干脆的波形圖11，達到準確拾取初至的目的。
(2)按比例顯示，初至起跳波形對比通過按比例顯示，拾取初至后，根據直達波與折射波波形起跳方向反向特征，可直接區分直達波和折射波，進行分層，如圖8，該炮的前四道為直達波，從第五道開始為折射波，利用前四道解釋出直達波速度，利用以后的道解釋出折射波。
(3)小折射擴展加減法解釋分層，如圖12，圖13。
解釋流程如圖14。
擴展加減法論證如下 (1)兩層水平介質模型，圖15展示了從震源S到接收點R的傳播路徑，地質模型為由水平界面分開的兩層介質模型，速度分別為V1、V2，水平分界面深度為z。若炮檢距為x，則總的傳播時間tx是構成其路徑的三部分所花費的時間之和，即 由上面符號可寫成 或 根據斯涅爾定律 上式可轉化為 直達波時距曲線為 (2)三層水平介質模型圖16展示了被水平界面分隔的三層介質模型的遠炮檢距射線路徑，模型三層的速度分別為V1、V2、V3，水平分界面的埋深分別為z1、z2。前兩層的時距曲線見上頁的兩層介質，對第三層從炮點S到檢波點R的射線路徑總旅行時間tx為組成射線路徑的五部分所需時間之和，即 式中，x為炮檢距，第二層厚度h2＝z2-z1，從第二層到第三層的臨界角θ2由 sinθ2＝V2/V3 給出，利用斯涅爾定律，知第一層的入射角θ1為 sinθ1＝V1/V2 tx可表示為 (3)兩層傾斜介質模型，如圖17展示了從炮點S1到遠炮檢距接收點S2的射線路徑，模型為兩層介質，速度分別為V1、V2，兩層介質由一個傾斜界面所分割，界面傾角為α。兩點到界面的垂直厚度為hd和hu，它們分別對應于下傾和上傾介質的厚度。可以算出下傾方向激發總旅行時txd，即 由上傾介質厚度hu可由hd表達 hu＝hd+xsinα 因此 其中 類似地，上傾激發的總旅行時txu可以表達為 其中 可知V2d＜V2＜V2u，其中0＜α≤θc，平均速度在α＜10°時 所以 以上討論的為層狀介質模型。實際上通常第一層厚度稍有差異，第二層厚度基本恒定。針對這種情況，我們引入擴展加減法概念。通過擴展減加法，可消除低速層影響，提高解釋精度。
(4)兩層介質減法模型，如圖18展示了相遇折射剖面從兩個炮點到一個公共接收點的射線路徑，我門可以把A、B、R處的延遲時表示為τA、τB、τR，從炮點A到接收點R、B和B的折射波到達時tAR、tAB、tBR表示為 定義加時間T+為位于一個接收點兩邊的兩個炮點的旅行時之和再減去互換時間tAB得到 T+＝tAR+tBR-tAB 可整理為 所以 接收點延遲時等于加時間的一半。定義減時間T-為位于一個接收點兩邊的兩個炮點的旅行時相減得到 T-＝tAR-tBR 可整理為 式中，K是個常數；x是炮點A到接收點R的距離，這樣如果對于兩炮之間的接收點計算出了T-，然后繪出與炮檢距x的關系曲線，折射層速度就可以依據該曲線估計出來。
可以證明，在傾斜界面，傾角為α下，減時間可表示為 目前，利用上述方法進行小折射資料解釋的有關資料只介紹了針對兩層介質的情況，現在我們將其擴展到三層介質。
(5)三層介質擴展減法模型，定義，第二層上的延遲時記作τA、τB、τR，第三層上的延遲時為τA2、τB2、τR2，于是 I、R點對激發點A與激發點B均為遠炮檢距，如圖22，在R點上能接收到來自A、B兩激發點第三層上的折射波，對應的初至時間為tA2、tB2ο，互換時間為tAB 減時間T-為 其中， 上面我們已經證明兩層時情況 雙邊放炮，當初至波為來自同一層折射波時，其初至時間差與距離為線性關系，且其斜率為折射層速度倒數的一半。
II、對來自不同層的折射波，在離左邊炮點較近的位置接收，如圖20，若該點可接收到左邊炮點的降速層折射波、右邊炮點的高速層折射波。在第二層厚度速度穩定，V1＜＜V3的情況下，我們有 減時間T-為 其中， 對來自不同層的折射波，在離右邊炮點較近的位置接收，如圖21若該點可接收到右邊炮點的降速層折射波、左邊炮點的高速層折射波。在第二層厚度速度穩定的情況下，設V1＜＜V3，我們有 減時間T-為 其中， 同樣可證，三層折射波與一層直達波，二層與一層之間也有類似結果，因此結論 雙邊放炮，當初至波為來自不同層折射波時，其初至時間差與距離為線性關系，且其斜率為兩折射層速度倒數和的一半。
利用以上結論，可對低速層厚度不太穩定，降速層厚度較為穩定的地表結構進行擴展減法運算和層速度分組，從而得到精確解釋效果。
(6)擴展減法不同層間的誤差分析如圖23和24。以三層為例，接收點R在左邊較近點，可接收到來自激發點A的二層折射，激發點B的三層折射，在第二層厚度、速度穩定，V1＜＜V3的情況下，對水平介質，我們有 第一層的厚度影響，由于地表起伏，把R點升高到R’點，ΔZ＝RR’，把該點放大如圖23和圖24 設第一層第二層之間發生折射臨界角θ1c，第二層第三層之間發生折射臨界角θ2c，R點厚度為Z，根據斯涅爾定律sinθ2c＝V2/V3，sinθ1c＝V1/V2，sinθ1＝V1/V3，于是 N′M′＝MN， 偏差Δt，有 圖25為理論Δt偏差數據表(單位ms) 擴展減法中的現象與對策 在擴展解釋方法中常見現象 I、斷距現象，如圖12。在三層解釋中，分層出現斷距，表明此處為第三層與第二層的分界面。此種現象一般出現在中間位置。且其減法求取的速度小于高速層速度。
II、在三層解釋中，排列長度適中情況下，如圖26模型圖，中間解釋為高速層。排列較短時，中間分層線解釋為一層，但其速度小于高速層速度，而且從初至上看中間可能是分界點，說明中間為第二層與第三層的分界點，如圖27。
權利要求
1.精確表層調查方法，其特征是折射微測井方法由施工和解釋兩個方面組成施工方法是井中激發，地面接收，類似地，也可用地面激發，井中接收，所不同的是接收道分為兩組一組為近道，井檢距一般為1米到5米，根據低速帶厚度而定，用2-3個；一組為遠道，從10米開始擺放，5米一道，長度50米；解釋方法首先，通過比較在高速層內激發與低速層內激發遠道波形特性及時距特征，獲取速度分界面，在低速層激發，可接收到直達波、折射波，由于折射波超前直達波，初至波為折射波，初至折射波特征振幅較小、頻率較低、初至時間由深到淺逐步變大；在高速層激發，遠排列只能接收到初至透射波，特征振幅較大、頻率較高、初至時間由淺到深逐步變大；抽道剖面上存在一個深度界面界面以上，初至振幅小，頻率低，初至時間由深到淺逐步變大為初至折射波；界面以下，初至振幅大，頻率高，初至時間由淺到深逐步變大為初至透射波；通過這種方法可以得到準確的速度界面；其次，拾取近道初至；最后，利用近道初至參考遠道分解面進行解釋。
2.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是微測井折射波產生條件以兩層為例，設第一層厚度為H0，速度為V0，第二層速度為V1；假設在分界面以上緊靠分解面放炮，接收在距離井口為x處，臨界角為i，為臨界點，當x＜H0tani時為盲區，不能接收到折射波，x＞H0tan I可接收到折射波，為得到較完整的初至折射波，一般定在x＝2H0tan i左右處；圖(6)是速度為V0，第二層速度為V1與tani及排列長度系數2tani之間的關系表；以上是水平界面，對傾斜界面，視傾角不同而定；對多層界面，可作類似的推導擴展；折射微測井與單井微測井、雙井測井、小折射對比圖(7)。
3.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是精確小折射解釋，精確小折射解釋通過對小折射記錄按道距比例顯示，遠道濾波處理，初至起跳波形對比，擴展減法運算進行速度分組方法提高小折射精度。
4.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是遠道濾波處理在小折射施工過程中，在地形地質條件較為復雜的地區，小折射遠道干擾較強圖(9)，嚴重影響初至拾取，經過研究發現，干擾波主要為高頻干擾，且與有效波有明顯的波段界限圖(10)，從圖(10)頻譜分析中找出相應的拐點，作為高頻濾波界限，把拐點以上的高頻段濾去，可得到起跳干脆的波形圖(11)，達到準確拾取初至的目的。
5.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是按比例顯示，初至起跳波形對比通過按比例顯示，拾取初至后，根據直達波與折射波波形起跳方向反向特征，可直接區分直達波和折射波，進行分層，如圖(8)，該炮的前四道為直達波，從第五道開始為折射波，利用前四道解釋出直達波速度，利用以后的道解釋出折射波。
6.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是小折射擴展加減法解釋分層，如圖(12)，圖(13)，解釋流程圖(14)，擴展加減法論證如下1、兩層水平介質模型，圖(15)展示了從震源S到接收點R的傳播路徑，地質模型為由水平界面分開的兩層介質模型，速度分別為V1、V2，水平分界面深度為z；若炮檢距為x，則總的傳播時間tx是構成其路徑的三部分所花費的時間之和，即
由上面符號可寫成
或
根據斯涅爾定律
上式可轉化為
直達波時距曲線為
2、三層水平介質模型圖(16)展示了被水平界面分隔的三層介質模型的遠炮檢距射線路徑，模型三層的速度分別為V1、V2、V3，水平分界面的埋深分別為z1、z2；前兩層的時距曲線見上頁的兩層介質，對第三層從炮點S到檢波點R的射線路徑總旅行時間tx為組成射線路徑的五部分所需時間之和，即
式中，x為炮檢距，第二層厚度h2＝z2-z1，從第二層到第三層的臨界角θ2由
sinθ2＝V2/V3
給出，利用斯涅爾定律，知第一層的入射角θ1為
sinθ1＝V1/V2
tx可表示為
3、兩層傾斜介質模型，圖(17)展示了從炮點S1到遠炮檢距接收點S2的射線路徑，模型為兩層介質，速度分別為V1、V2，兩層介質由一個傾斜界面所分割，界面傾角為α，兩點到界面的垂直厚度為hd和hu，它們分別對應于下傾和上傾介質的厚度，可以算出下傾方向激發總旅行時txd，即
由上傾介質厚度hu可由hd表達
hu＝hd+xsinα
因此
其中
類似地，上傾激發的總旅行時txu可以表達為
其中
可知V2d＜V2＜V2u，其中0＜α≤θc，平均速度在α＜10°時
所以
以上為層狀介質模型；實際上通常第一層厚度稍有差異，第二層厚度基本恒定，針對這種情況，我們引入擴展加減法概念，通過擴展減加法，可消除低速層影響，提高解釋精度；4、兩層介質減法模型，圖(18)展示了相遇折射剖面從兩個炮點到一個公共接收點的射線路徑，我門可以把A、B、R處的延遲時表示為τA、τB、τR，從炮點A到接收點R、B和B的折射波到達時tAR、tAB、tBR表示為
定義加時間T+為位于一個接收點兩邊的兩個炮點的旅行時之和再減去互換時間tAB得到
T+＝tAR+tBR-tAB
可整理為
所以
接收點延遲時等于加時間的一半。定義減時間T-為位于一個接收點兩邊的兩個炮點的旅行時相減得到
T-＝tAR-tBR
可整理為
式中，K是個常數；x是炮點A到接收點R的距離，這樣如果對于兩炮之間的接收點計算出了T-，然后繪出與炮檢距x的關系曲線，折射層速度就可以依據該曲線估計出來；可以證明，在傾斜界面，傾角為α下，減時間可表示為
目前，利用上述方法進行小折射資料解釋的有關資料只介紹了針對兩層介質的情況，現在我們將其擴展到三層介質；5、三層介質擴展減法模型，定義，第二層上的延遲時記作τA、τB、τR，第三層上的延遲時為τA2、τB2、τR2，于是
I、R點對激發點A與激發點B均為遠炮檢距，圖(22)，在R點上能接收到來自A、B兩激發點第三層上的折射波，對應的初至時間為tA2、tB2。，
互換時間為tAB
減時間T-為
其中，
上面我們已經證明兩層時情況
雙邊放炮，當初至波為來自同一層折射波時，其初至時間差與距離為線性關系，且其斜率為折射層速度倒數的一半。
II、對來自不同層的折射波，在離左邊炮點較近的位置接收，如圖20，若該點可接收到左邊炮點的降速層折射波、右邊炮點的高速層折射波。在第二層厚度速度穩定，V1＜＜V3的情況下，我們有
減時間T-為
其中，
對來自不同層的折射波，在離右邊炮點較近的位置接收，圖(21)若該點可接收到右邊炮點的降速層折射波、左邊炮點的高速層折射波；在第二層厚度速度穩定的情況下，設V1＜＜V3，我們有
減時間T-為
其中，
同樣可證，三層折射波與一層直達波，二層與一層之間也有類似結果，因此結論雙邊放炮，當初至波為來自不同層折射波時，其初至時間差與距離為線性關系，且其斜率為兩折射層速度倒數和的一半；利用以上結論，可對低速層厚度不太穩定，降速層厚度較為穩定的地表結構進行擴展減法運算和層速度分組，從而得到精確解釋效果。
7.根據權利要求1所述的精確表層調查方法，其特征是擴展減法不同層間的誤差分析圖(23)和(24)，以三層為例，接收點R在左邊較近點，可接收到來自激發點A的二層折射，激發點B的三層折射，在第二層厚度、速度穩定，V1＜＜V3的情況下，對水平介質，我們有
第一層的厚度影響，由于地表起伏，把R點升高到R’點，ΔZ＝RR’，把該點放大圖(23)和圖(24)；設第一層第二層之間發生折射臨界角θ1c，第二層第三層之間發生折射臨界角θ2c，R點厚度為Z，根據斯涅爾定律sinθ2c＝V2/V3，sinθ1c＝V1/V2，sinθ1＝V1/V3，于是
N′M′＝MN，
偏差Δt，有
圖(25)為理論Δt偏差數據表，單位ms；擴展減法中的現象與對策，在擴展解釋方法中常見現象I、斷距現象，圖(12)在三層解釋中，分層出現斷距，表明此處為第三層與第二層的分界面；此種現象一般出現在中間位置；且其減法求取的速度小于高速層速度；II、在三層解釋中，排列長度適中情況下，(26)模型圖，中間解釋為高速層，排列較短時，中間分層線解釋為一層，但其速度小于高速層速度，而且從初至上看中間可能是分界點，說明中間為第二層與第三層的分界點，圖(27)。
全文摘要
精確地表調查方法是一種地震勘探中的表層調查技術，它克服了其它技術存在的缺點，折射微測井方法改進了微測井的施工方法，由原來的井中放炮，小井檢距接收，擴充到小井檢距、大井檢距兩組接收，在大井檢距接收點通過初至波形和時距特征的對比獲取低速層與高速層的分界面，得到低降速層厚度信息，在此分界面基礎上對小井檢距進行精確速度解釋；精確小折射解釋通過對小折射道按與實際間距相匹配的比例顯示，直接解釋；通過遠道濾波處理提高初至拾取精度；通過擴展減法運算消弱地形起伏、局部地表速度不均的影響，提高分組準確性，達到提高解釋精度目的。
文檔編號G01V1/02GK101178439SQ20071005409
公開日2008年5月14日 申請日期2007年3月22日 優先權日2007年3月22日
發明者孫素梅 申請人:孫素梅