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复杂山前带地震采集方法研究 张旭( 地质工程) 指导教师：张军华( 教授) 胡立新( 高工) 摘要 随着石油工业对山前带油气聚集场所的日益重视，山前带地震勘探的 步伐得到了加快。但山前带的地震勘探面临下列几个难点：一是山前带地 形起伏剧烈，沟壑纵横，山势陡峭，山地相对高差大；二是地表结构复杂， 岩性变化大，激发和接收地震波困难；三是交通极为不便，气候恶劣，水 源缺乏：四是山前带浅层多发育推覆构造，推覆体发育区老地层被推覆到 新地层上面，使地震资料信噪比和分辨率大幅度降低；五是高陡构造地震 波场复杂，反射波成像困难。酒泉盆地、和田、桑株等就属于这种勘探类 型。从参数选择、炮检距和方位角的设计等多个方面对涉及的观测系统进 行了详细的阐述，提出了基于模型的地震采集目标设计技术；对激发参数 的优选以及表层结构调查进行了深入细致的研究，阐述了卫星电子地图在 复杂山地设计中的重要作用；摸索出了不同地下地质构造交道距、变炮距、 变覆盖次数的勘探方法，运用大炮检距、高覆盖次数和针对低频的观测方 式，获得了高品质的地震资料。 关键词：山前带，炮检距，观测系统，目标设计 t h er e s e a r c ho fs e i s m i ca c q u i s i t i o nm e t h o d s i nc o m p l i c a t e dp i e d m o n tz o n e z h a n gx u ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gj u n h u a s e n i o re n g i n e e rh ul i - x i n a b s t r a c t t h i n k i n gm u c ho ft h er e s e r v o i ri nt h ep i e d m o n tz o n e ，t h ep e t r o l e u m i n d u s t wa c c e l e r a t e st h es t e po fs e i s m i ce x p l o r a t i o n b u tt h ee x p l o r a t i o no ft h e p i e d m o n tz o n ef a c e ss o m ep r o b l e m f i r s t l y , i t st o p o g r a p h yv a r i e sg r e a t l y , t h e r e a r em a n yg u l l i e sa n dm o u n t a i n s ，a n dt h e s ee l e v a t i o n sa r ed i f f r e n t s e c o n d l y , t h es u r f a c es t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，t h el i t h o l o g yc h a n g e sg r e a t l ya n di t i s d i f f i c u l tt oe x c i t ea n dr e c e i v et h es e i s m i cw a v e s t h i r d l y , t h et r a f f i ci s e x t r e m e l yi n c o n v e n i e n t ，a n dt h ew a t e ri ss c a r c e f o u r t h l y , t h en a p p e d e v e l o p si nt h es h a l l o wl a y e r s ，w h e r et h e o l ds t r a t u mi sp u s h e do n t ot h en e w s t r a t t l l m ，w h i c hm a k e st h es na n dr e s o l u t i o nl o w e r f i n a l l y , t h es e i s m i cw a v e f i e l di nt h ep r e c i p i t o u ss t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，w h i c hm a k e si td i f f i c u l tt o i m a g e b a s i no fj i u q u a n ，h e t i a na n ds a n g z ua r e ab e l o n gt ot h i st y p e f r o mt h e v i e wo fp a r a m e t e rc h o o s i n g ，o f f s e t ，a z i m u t ha n ds oo n ，t h ed e s i g no ft h e s u r v e yi sf o r m u l a t e da n dt h eo b j e c t i v ed e s i g nt e c h n i q u eb a s e do nm o d e li s p r o p o s e d f r o mt h ev i e wo f t h eo p t i m u mc h o i c eo f e x c i t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e s u r f a c es t r u c t u r es u r v e y , m a n ym e t h o d st os u r v e yt h es u r f a c es t m c t u r ea r e l i s t e di nd e t a i l ，s u c ha ss h a l l o wr e f r a c t i o n ，m i c r o l o g g i n g ，l a r g er e f r a c t i o na n d t o m o g r a p h ya n ds oo n a n dm a n ys a t e l l i t ea n de l e c t r o n i cm a p sa r ea p p l i e d t h r o u g hc h a n g i n gt h et r a c ei n t e r v a l ，t h es h o ti n t e r v a la n df o l dn u m b e r , t h e i ” h i g h q u a l i t ys e i s m i c d a t aa f eo b t a i n e d k e yw o r d s ：p i e d m o n t z o n e ，o f f s e t s u r v e y ，o b j e c t i 。d 。5 i g “ 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：弛逊勿眸- f 月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 轻型 。蝉 巾r 年l f 月7 r 臼 少t j ，年，z 月j 日 中国石油人学( 华东) 硕+ 论文第1 章前言 第1 章前言 随着油气勘探规模不断扩大，寻找简单地震地质条件、常规地质模 式的大型油气田时代已经成为过去，而在复杂地震地质条件的边远地区 寻找中小油气田的发现是目前陆上勘探的唯一选择。这些复杂地震地质 条件的地区主要以山地山前带为主。 山地山前带由于受多期构造运动的作用形成了复杂的地下地质构 造，在部分构造上具有良好的油气成藏条件。随着我国油气勘探开发的 不断深入，找油找气领域已向复杂山地山前带延伸。尤其在西部地区， 随着山地勘探技术水平的提高与地质认识的深入，在山地山前带不断有 令人可喜的油气发现，如塔里木盆地北部山前带的克拉2 、迪那2 号等 大型油气田。这些勘探成果的不断取得，预示在山地山前带找油找气有 着良好的前景。 然而，在该类地区往往是恶劣的地表地形条件和复杂的地下地质构 造体并存，上千米的巨厚戈壁砾石层、巨变的地形高差、高陡岩层出露 的地表、地下复杂的逆掩推覆构造，这种复杂的地表地形条件和复杂的 地下地质条件同时存在的地区，开展地震勘探工作，必将对地球物理勘 探技术的进步与发展提出严峻的挑战。 目前，复杂地区进行地震勘探在采集技术上仍存在以下几个方面的 问题： 1 ) 山前带往往断裂发育，地层破碎、构造复杂、地层倾角大、目 的层埋深差异大，波场复杂，造成野外采集资料信噪比低，激 发参数与接收方式的选择困难； 2 ) 受表层条件及深层条件的影眦复杂地区噪音发育； 3 ) 目的反射层常常为弱波阻抗差异层，反射能量弱； 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 4 ) 目的层中常出现较低速度层( 如煤层) ，对其下目的层产生能量 屏蔽作用，并形成微屈多次波干涉，严重影响了深层资料的信 噪比； 5 ) 由于地形起伏大、纵向岩性多变、山前带被巨厚戈壁砾石覆盖， 使目前的表层调查方法及建模技术远远不能解决山前带的静 校正问题，这也在很大程度上影响了地震资料品质； 6 ) 成像困难：山地山前带波场复杂、原始资料信噪比低。 针对这些问题，本文主要对复杂地区的观测系统的设计、激发、接 收、卫星遥感数据应用技术进行了研究，力求解决这些问题的新思路和 方法。通过努力，在山前带的勘探上提出的针对不同地下地质构造，通 过变道间距、变炮点距、变覆盖次数的设计思路，运用大炮检距、高覆 盖次数，针对低频的观测方式，在火焰山三维、霍尔果斯三维以及和田 桑株二维等多块区块的应用中获得了明显的勘探效果。 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 在复杂山前带，受地表及地下地震地质条件的影响，观测系统的科学 合理性是获得丰富地下地质信息的地震数据体的基础，它是接收系统的主 要内容。目前，常规地震勘探主要以二维和三维反射纵波勘探为主，其观 测系统要素主要以观测类型、空间采样率、最大炮检距和覆盖次数的设计 为基础。下面，首先讨论目前采集设计和常规处理的基础理论一几何地震 学( 基于射线理论) 的前提条件，其次，探讨观测系统参数设计的基本原 则，最后，根据山前带的特点和目前的勘探成果，对观测系统的具体应用 进行分析。 2 1 遵循理论的适用条件讨论 由于地震勘探是一个非常复杂的系统工程，目前还不能从理论上给予 精确的过程描述，因此只能近似准确地将复杂过程简单化，在遵循一定适 用条件下进行采集参数的合理设计。下面，就几何地震学的适用条件和有 关速度类型进行讨论。 2 1 1 几何地震学理论的适用条件讨论 知道，地震波动力学是从介质运动的基本方程波动方程出发来研 究地震波的传播特点，它是关于地震波传播的最基本的和最精确的理论， 而几何地震学是通过波前、射线等几何图形来研究地震波的传播规律，只 能是一种近似。然而，波动学需要非常复杂的数学推导和求解，相比之下， 几何地震学将地震理论展示为简单、直观的形式，因此，几何地震学成为 目前采集参数设计和常规处理的基础理论。下面首先讨论几何地震学的适 中国右油大学( 华东) 硕士论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 用条件。 三维标量波动方程的形式为 v2 厂= 志i 警 考虑波动方程简谐波解，将波函数形式写为 m 舭，m 圳 f _ 捌 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中，a ( x ，y ，z ) 为振幅，y ( x ，y ，z ) 为自坐标原点到波前面的法线距离。 ，一等等为波的相位。令此相位为零，可得波前面的方程为 并可得到 f 一黑：o ( 2 - 3 ) v 【x ，y ，zj y ( x ，y ，z ) o 2 可巧万 2 。4 b 表示波前面从原点传到空间任一点( x ，y ，z ) 所需要的时间，也就 是几何地震学中的时间场函数。 将( 2 - 4 ) 式代入( 2 2 ) 式，然后计算波动方程中的各偏导数项，并 代入波动方程( 2 - 1 ) 式，可得 v z a 一2 j w ( g r a 月战) ( g r a n 妁一j r i z 2 t o a 一矿( g r a d t o ) 2 a ：一要彳 2 ( g r a n d t o ) ( g r a n d a ) + v 2 乇一= 0 令上式两端的实部和虚部相等，有 v 2 a 一玎z ( 删成) 2 a ：一等爿 将关系式( i ) = 2 7 【t 代入( 2 - 6 ) 式，可得 名v 2 a 一4 石2 v 2 ( g r a d t 。) 2 a = 4 石2 4 其中九= v t 为波长。 当波长很小，且v2 a 有限时，( 2 - 8 ) 式可写成 l ( g r a d t o ) 2 = v ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 将t 。写成t ，则( 2 9 ) 式可写成 ( 尝 2 + ( 考) 2 + ( 尝) 2 = 志 c z m ， ( 2 - 1 0 ) 式正是时间特征方程。该结果表明，当地震波波长很小时， 且振幅a 满足v 2 4 有限时，波动方程可过渡到时间特征方程，也就是说， 波动地震学可以过渡到几何地震学，这两个过渡条件也就是几何地震学的 适用条件。 在地震勘探中，波长很小是相对于地震剖面中的不均匀体的尺寸而言 的，当不均匀体的尺寸小到一定程度时( 如和波长相当时) ，就必须用波 动地震学来解释有关的波动现象( 如小断块上的绕射波等) 。另外，界面 聚焦点这样一类特殊点上的波场情况，由于地震波的振幅变得非常大，几 何地震学不在适用，必须用波动地震学来说明。3 。 下面所讨论的观测系统参数设计是基于几何地震学的原理，因此地震 波波长较小和振幅相对稳定也是基于几何地震学进行参数设计的两个前 提条件。 2 1 2 均方根速度、叠加速度与反射波时距曲线的讨论 地震波在地下岩层介质中的传播速度是地震资料数字处理和解释中 的非常重要的参数。在地震勘探领域中，地震波速度主要分为真速度、视 速度、层速度、平均速度、均方根速度、叠加速度、等效速度、间隔速度、 射线速度等。在几何地震学中，根据费马原理和斯奈尔定律可知，由于射 线路径的曲折，层状介质或非均匀介质中波的时距曲线方程是一支高次曲 线，为此，引入均方根速度和叠加速度( 或等效速度) ，以均匀介质等效 非均匀介质，以双曲线的时距曲线形式逼近实际时距曲线，从而使问题的 讨论得以简化。卜 _ f 此，均方根速度和叠加速度也就成为了进行聚集参数设 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 计采用的主要速度类型。 下面，重点对均方根速度 和叠加速度的应用条件及 两种速度之间的关系进行 讨论。 设有如图2 - 2 1 所示的 一组水平层状介质，在d 点激发，s 点接收，则第 n 层界面的反射波到达s 点 的传播时间为通过各层的 ” 传播时间的总和，即图2 - 2 1 水平层状介质时距曲线图 f = 2 宝刍：2 窆i 立了( 2 - 1 1 ) 智b鲁v fc o s 仃 式中：t 是每一层中波传播的路程长度( i = 1 ，2 ，n ) ：v ，是每一层波的传播速度 h ，是每一层的厚度；0 l ，是波在每一层中的入射角。 由斯莱尔定律可知 s i n ( h ：兰堕一兰坚= p v 】 v 2 7 ， 故 s i n q = p v i c 。s 吼= 扛面百= 厨 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) r r 将上式代入( 2 1 1 ) 式得 喜焘 沼 应用多项式f ，：生展开，并令表示波在各层中的单程垂直传播 时间，得r ：喜。c ，二p z q2 + 丢；p q 4 + c z 一，s ， 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 一个重要的条件是在震源附近接收反射波时，d ，角可以认为是比较 小的，因此p u 的高次项可略去，则得到上式的近似式为 塾( 1 + i 1 2 2 ) ( 2 _ 1 6 ) 如果令反射波在0 点的双程垂直传播时间为 t 。= 2 t ， 则( 2 1 6 ) 式可写为 tt t 。+ t i p 2 v f 2 另外由图2 - 2 1 可见，s 点的横坐标x ( 炮检距) 为 ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 脚n铲2n也tgcti=2鲁正h，p零vil=1 i = l1 ( 2 - 1 9 ) i = l ，f 一口一v 式中x i 表示z 在x 轴上投影的长度。 同样进行多项式展开，并略去s i n a ，= p v 。的高次项，得 x = 2 h z p v f ( 1 + i 1p2 v f 2 ) = 2 p v ，2 f 。+ p 3 v f 4 f f ( 2 - 2 0 ) 式( 2 1 8 ) 和式( 2 2 0 ) 是共同组成以p 为参数的水平多层介质的时 距曲线方程式。将它们分别平方，略去p v 。的高次项，并消去参数p 经化 简后可得到水平多层介质的简化时距曲线方程式 其中t 2 ：f 。：+ 芝 ( 2 - 2 1 ) v 口 t i k 2 i ( 2 2 2 ) k 称为均方根速度，式2 - 2 2 称为d i x 公式。 把( 2 2 1 ) 式同一个水平界面的时距曲线方程式比较可以看出，水平 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 多层介质的反射波时距方程从形式上看是与之完全相似的，仅仅是用均方 根速度v 。代替了水平均匀介质中的速度v 。这意味着在多层介质情况下， 当入射角口，较小时，办即当炮检距较小时，可用均方根速度v ，代替反射 界面以上多层介质的速度值，把介质假想成具有均方根速度的均匀介质。 当入射角增大时即炮检距增大时，这种假设引起的误差将增大。从时距曲 线的角度来说，即意味着在靠近爆炸点附近( x 较小) ，由均方根速度引 出的二次双曲线同实际高次时距曲线比较近似，而远离炮点( x 较大) 则 这二支时距曲线差异比较大，如图2 2 一l 所示( 虚线为均方根速度二次双 曲线) 。 然而，实际地层并非完全是水平层状介质，尤其是在山前带，地下构 造是非常复杂的。因此，有必要讨论倾斜层状介质的复杂情况。对于任意 倾斜的多层介质地层，一般要推导其时距曲线是困难的，但可以简化思路 进行讨论。根据上述讨论对于多层介质可以用均方根速度或平均速度的假 想均匀层来代替上覆地层v 。，因此多层倾斜层的情况亦可按此思想来处 理。由一个倾斜地层的时距曲线理论可知，该曲线仍为一双曲线，不过此 时必须对速度进行倾角校正，用v 中代替v 。 k = 上 ( 2 - 2 3 ) c o s 妒， 其中妒。表示视倾角。 于是可以认为多层倾斜地层亦能用恒速( v ( p ) 的均匀层来等效，把 多层问题用一个倾斜的时距曲线理论来讨论。显然多层倾斜层亦应是一旅 双曲线，但它们并非是以爆炸点为对称点的双曲线，而是以虚震源o 在地 面的投影点为对称的双曲线族，由于虚震源都偏向地层的上倾方向，故双 曲线的极小点都位于地层的上倾方向。界而越深、倾角越大，偏离爆炸点 越远，如图22 - 2 。由于时距曲线的偏离，故多层介质的时距曲线族可以 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 是彼此相交的。 综上所述，对于任意的 多层介质的反射波时距曲 线，可近似地表示为 ( 2 2 与式( 2 2 1 ) 一样均为 双曲线方程形式。根据上式 可求得反射界面之上多层介 i 多 池 l ； h o o 图2 - 2 2 多层介质反射波时距曲线图 质的v ( p 值，该速度值即为有效速度，也是处理时所用的叠加速度“1 。 2 2 复杂山前带观测系统参数设计思路 复杂山地山前带由于受本身的地震地质条件的影响，使地震勘探主要 面临以下两方面的问题：一方面由于构造复杂( 如高陡逆冲构造) 造成波 场复杂、成像困难，另一方面由于表层岩性不均、有效波哀减快、各种 干扰发育且目的层表现为弱波阻抗界面、采集资料信噪比低。对于野外采 集工作，选择合理的观测系统是获得高质量地震数据体的前提。通过对以 往山前带的地震勘探工作进行总结分析，认为在观测系统设计中，应在考 虑处理能力的前提下改善资料信噪比，即采集到的地震数据必须能被后续 处理有效利用并满足处理需要。下面主要针对山前带二维地震勘探观测系 统的最大炮检距、道距、覆盖次数和观测形式等参数的选择提出设计思路。 2 2 1 最大炮检距的设计 山前带表层岩性主要以砾石层或岩石风化层为主，地表一致性非常 中国石油大学( 华东) 硕士沦文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 差，导致近炮点面波、散射、伴随 波等干扰异常发育，而远离炮点面 波、散射等干扰哀减快，反射波能 量反而增强，相比之下信噪比增加 ( 如图2 2 3 ) 。因此，在低信噪比 的山前带进行地震勘探时，应尽量 采用较大的炮检距。但影响选择 x m 。大小的因素很多，而且相互制 图2 - 2 3 山前带典型地魏及地震记录 约。下面，就其主要因素进行讨论。 1 ) 动校正拉伸畸变的限制 在地震记录上反射波的到达时间中，包含着由于非零炮检距而引起 的时间延迟( 正常时差) ，由于这种时差的存在，在数据处理中，必须把 来自界面的同一个点的各道的反射波时间校正为共中心点处的回声时间， 以保证各道的反射波同相叠加，从丽压制干扰、提高信噪比。由于目前在 处理中还不能实现自动识别反射子波，导致一个反射子波用了不同的速度 值计算出不同的校正量，从而引起波形畸变，畸变达到一定程度，叠加时 必须把它切除掉。根据反射波时距曲线公式( 2 2 4 ) ，由炮检距引起的正 常时差，可用如下公式表示 d t = 水2 + 丁x x t 。 q 之5 式中t n 。为零炮检距双程反射时问：v 为叠加速度，对于水平层状介质 相当于均方根速度，对于倾斜地层为等效速度( 见式2 2 2 、式2 2 3 ) 。 当x v t o ( 水平层状介质相当于2 h ) 时，对2 2 5 进行泰勒展开 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 硪= 矧2 一矧4 + 面，- r t m “j 6 + ( - 1 ) ”“c t v “t o ) 2 在处理中为更快、准确地计算动校正量，通常略去x l v i _ 0 的高次项， 即采用常规二次项动校正公式西z i x _ 2 ( 2 2 6 ) 以目前常用的逐点搬家动校正方法，根据式2 - 2 6 计算动校拉伸百分比 。= 半= 半2 r , f l 生v , ：t , 一高 协z ， 式中，t l 和t 2 分别为校正前、 后的反射子波长度，d t l 和d t 2 分别 为反射子波振动起始时刻和终了 时刻的校正量( 见图2 2 4 ) 。 速度谱的变化差异是非常大 的，为计算方便，可以忽略一个反 射子波长度的叠加速度变化，将式 2 2 7 简化 。= i d t = i 1 砰x 2 ( 2 2 8 ) 为避免过大的动校拉伸畸变， 需对最大炮检距进行限制，由上式 可得 x 。f o v 2 d ( 2 2 9 ) 动校正前动校正后 图2 2 4 动校正前后反射子波对比图 目前，已开发了四次项动校正、动校正拉伸消除和炮检距方向变速动 校正的模块，但由于动校正数学模型的条件和速度精度的限制，过大的炮 检距的动校、叠加效果均不很理想。因此，在观测系统设计中，必须对最 大炮检距进行限制，可采用式2 2 9 。根据不同勘探目的可采用不同的拉 伸畸变限定值。在以提高信噪比为主的勘探中，最大拉伸畸变值的限定主 要考虑使共中心点道集内的反射波同相叠加，一般波形畸变不应超过波形 长度的1 8 ，即1 2 5 ，低信噪比区可以扩大到1 4 ，即2 5 ；在以提高 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 分辨率为主的勘探中，应严格控制拉伸畸变值以保护所需要的频率成分。 2 ) 速度分析精度 为获得最佳的叠加效果，需要对野外采集数据进行速度分析从而获得 准确的速度信息。根据式2 2 4 和式2 2 6 知，地震反射波的到达时间和正 常时差中包含着叠加速度信息，因此从反射波正常时差的分析中可以提供 叠加速度的信息。为保证求取的叠加速度精度，要求有一定信噪比的较大 的炮检距资料。由此，用允许的最大速度分析误差6v 来估算所需的炮检 距长度 设由速度误差6v 引起的时间误差为6t ，则有 x ro 巧r v1 2 规定时间 1 v 2 误差 x 万i ( 2 1 3 0 ) 2 ( 2 3 1 ) 许的最大值不得超过信号的 的层反射信号主频厶。m 的 最大炮检距x 。应当大于至少要等于这个值， xm a x 周挈， - 则上式可写成 ( 2 3 2 ) 即1 卜 i 两 nu允 ，一此 2 t 一! = 抓钼 一( 一j e ， 一2 o 一 一，i够 一f 一 一、目i 导fij、l波如一 卜褐_黻啮 里 反 砥 她 x 饭飙 乳 为周 t 0 11 2f 女。 ( v 占v ) 2 v 。 t0 l1 2f d o 。 ( v 6 v ) 2 v 2 ，。，、。l 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 由式2 2 3 和式2 2 6 知，均方根速度和叠加速度均与正常时差( n m o ) 有关，只有当正常时差有较大的数值时，彳噜保证速度分析的精度。正常 时差是随着界而深度与炮检距之比的减小而增加的，因此为了提高速度分 析的精度，正如一开头所说的应当具有足够大的炮检距，炮检距越大，精 度越高。 但是，根据1 1 2 节的讨论，随炮检距增大，地震波入射角度也将增 大，均方根速度和叠加速度也将增大，那么，多层介质的反射波双曲线时 距曲线的误差越大( 如图2 2 1 ) 。d i x 公式是垂直入射零炮检距时间模型， 用不同的炮检距计算将会求出不同的速度值，这是不希望的。因此，从速 度分析的观点上，应该有一个最佳的炮检距值。 3 ) 多次波消除 在复杂山前带的地震勘探中往往存在着较强的浅层多次波，对所期望 的弱反射目的层形成较强的干扰。因此，在多次波发育地区的采集参数的 设计中，应兼顾选择有利于在处理中消除或减弱多次波影响的参数。 叠加可以消除多次波能量，其原因是用一次波的速度进行动校正时， 对于多次波而言，还存在着剩余时差。当这个剩余时差达到一定数值时， 叠加过程中能量就会减弱直到消除。设v 1 为受多次波干扰的一次波，v 2 为多次波速度，它们对应的正常时差为t l 和t 2 ，则有 “= 寿= 杀 协，4 ， 定义6 t 为t 1 和t 2 的差值，则有 一一= 著c 专一专， 协，；， 6t 是多次波经一次波的速度校正后的剩余时差值。为使多次波得到 消除或减弱，应使一半的接收道的剩余时差值大于1 1 2 个周期t ，计t 对 中国右油大学( 华东) 硕士论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计琏查 应的频率为f ，于是上式可写成 ( 2 3 6 ) 式中t o 目的层双程零炮检距反射时间。 4 ) 反射系数稳定性 在层状介质中，各种波在地层界面上的能量分布可由z o e p p r i t z 方程 和s n e l l 定律确定。假设入射波、反射波和透射波的位移矢量为如下射线 级数解形式 u ，( x ，y ，z ，f ) = “。( x ，y ，z ) 型 笋( 2 - 3 7 ) 其中：j 表示波前类型，意义为： j = 0 ，入射p 波或s 波；j = l ，反射p 波。 j = 2 ，透射p 波：j = 3 ，反射s 波； j = 4 ，透射s 波。 根据弹性介质中脉冲振动可以分解为不同频率的筒谐振动，不同频率 的简谐振动可以合成不同形状的脉冲的原理，把( 2 - 3 7 ) 式代入可化简， 最后得到包括反射波和透射波能量的方程组如下 a p rs i n 口1 + a mc o s l a p rs i n 口2 一a 盯c o s 卢22 一s i n 口 a mc o s a l a ms i n l + a p rc o s 盘2 一a s rs i n 22c o s 口l a p rs i n 2 5 l + 爿船v ，“。c o s 2 f l l + 4 p r 百, 0 2 、百v 5 z ) 2 导 s i n 2 5 2 + a s r 鲁等c o s 2 z2 s i n 2 5 ， a e rc o s 2 f l t a s rs i n 2 7 t a r r 鲁爸c 。s 2 2 + ( 2 3 8 ) 彳m 鲁昔s i n 2 ：= 一c 。s 2 卢j 上式中a 。、a s 。、a ，、a 。，是入射波振幅都归一化后的反射波、透射波振 套 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 幅，也可以称为纵、横波的反射、透射系数。 在界面r 上，入射角、反射角和透射角满足s n e l l 定律，设p 为射线 参数，对于任意目的层i 的射线参数为p f = 5 i “乡( ，因此，任意目 的地层的入射角可以表示为口，= a r c s i n ( p 。v 鼽) “1 。 。反射横授。透射橘渡一反射纵踱透射纵渡 图2 - 2 5 反射系数、透射系数与入射角o 的关系 根据z o e p p r i t z 方程绘制的反射、透射能量以及反射系数随入射角8 变化的关系曲线，当地震纵波由高波阻抗介质进入低波阻抗介质时，能量 随入射角变化的关系曲线相对比较简单( 见图2 2 5 a ) ，当入射角o 5 0 。 时，反射纵波能量随入射角增大逐渐减小，超过5 0 。时，能量逐渐地回升， 6 8 0 以后，剧烈上升。当地震波由低波阻抗介质进入高波阻抗介质时，能 量随入射角变化的情况变得十分复杂( 见图2 2 5 b ) ，当入射角等于临界 角时，能量系数发生了急剧变化，透射纵波的强度很快下降至零，透射纵 波能量转换为折射波，在临晃角附近反射纵波能量突然变大，即广角反射， 这时在能量关系式中出现了复数项( p ，= + f ( v 。p 2 一1 ) ”2 ) ，地震波变得 非常复杂，因此，通常要求，最大炮检距所对应的入射角要小于l 嗡界角。 然而，针对波阻抗差小的弱反射界面( 规定反射系数r o 5 的反射界面为强反射界面，反射系数r 介于 0 1 0 5 之间的反射界面称为中等反射界面) ，可以采用大炮检距，追踪 该界面的广角反射，来获得较强的振幅，从而提高该层的信噪比，但在实 际应用中，应充分考虑上覆地层的吸收哀减作用和干扰情况以及处理手 段。 对于水平层状介质模型，则对应第n 个界面的某一入射角的炮检距 x ”可由下式给定 x 。n 。= 2 h ，t g o ， ( 2 3 9 ) 式中h i 和0 ，一为各层的铅垂厚度和相应的入射角。 对于均一倾斜层，某一入射角的炮检距x “可表示为 x 瑙塑堕! 竺坚 (2-)cos(02 a ) 24 0 一 l j 式中a 为地层视倾角 对于复杂构造，需建立地质模型，针对模型进行计算。 上述因素是确定野外采集中最大炮检距选择的基本原则，在针对特定 工区进行设计时，应充分收集地震地质资料，建立较为准确的地球物理模 型，在此基础上，根据资料品质情况、地质任务，选择合理的限制参数， 进行综合论证，并结合模型正演最终确定合理的最大炮检距。 2 2 ，2 道距的设计 道距的设计主要考虑处理的要求，总原则是经过处理后能在地震记录 或地震剖面的相邻道上可靠地追踪波的同一相位。在山前带，道距的大小 主要考虑保证足够的空问采样率、避免由地下地层的倾角引起的空间假频 和避免剖面上有效频率成分混叠。 中国石油大学( 华尔) 硕+ 论文第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 1 ) 保证足够的空间采样 一般而言，对于某一目的层，在个视波长范围内，不能少于两个空 间采样点。首先计算某一炮检距和一个目的层的视波长。 当地层倾斜时，反射波时距曲线方程为 f = ( z 2 + f 。2 v2 士2 to p xs i n 妒) 丁 ( 2 4 1 ) 对上式求导 d t x f n vs i n d x v ( 工2 + f 。2v2 2f 。v xs i n 庐) 丁1 ( 2 - 4 2 ) 考虑到视速度 y = 磐。t t ，五+ = y + 丁+ = 妥t c z 郴， 十 一一 可以得到信号视波长入+ 的计算公式 。 五= ( 2 4 4 ) 式中x 一炮检距；t o 一双程垂直反射时间；v 与t o 相应的地震波传播速 度；- 地层倾角；( ) 代表上下倾放炮。 由此，确定空间采样率即道距的大小。当记录干扰背景不大时，道距 可按下式进行限制： 石竺 ( 2 4 5 ) 2 对于山前带，记录干扰背景往往较大，此时道距应进行严格限制 芷(2-46x 24 6 1 1 4 道距计算时，x 应取最大炮检距。由于计算公式中，涉及参数较多， 准确获得各种参数较困难，因此按公式仅能对道距进行粗略估计。实际设 计中，可从以往信噪比较高的炮集记录或道集记录中( 见图2 - 2 6 ) ，读取 视周期t + 远炮检距中的一段d x 距离和某目的层的反射波时差d t ，估算需 要的道距： x 拿卫( 2 4 7 ) 哿 生“ ! 里至迪查堂! 坐查! 堡丝壅篁! 主些萱堂垫塞塾堡婴型墨篓堡盐垫查 1 1 值可视单炮信噪比情况进行 选择，一般在山前带至少应为4 。 该种方法比采用公式计算的方法 要更准确一些。吲 2 ) 最高无混叠频率对道距的要求 在存在倾斜地层的情况下，当 射线间的时差大于半个周期时，剖 面上就会出现空间混叠。对应于一 个道距和每个倾斜同相轴，在偏移图2 - 2 6 山前带道集记录 前都存在一个最高无混叠频率f m 。，其周期记为t ，以 1 4 射线时差记为 最高无混叠频率的限制条件，则它与该同相轴的上一层层速度v i 一倾角巾 和道距x 的关系，可用下式表示： 。s i n = i 1 业= 研v i m a x 2 ( 2 4 8 ) 得 2 4 巩“ “1 “ 血：二匣一 ( 2 - 4 9 ) 4 厂m 。s i n 妒 偏移后的空间采样即道距与最高无混叠频率的关系为 a x = _ ：卫l _ ( 2 5 0 ) 4 厶。t a n 矿 最高无混叠频率在实际工作 中很难测出，选择该参数时也可用 每个优势频率f d 。的波长取2 个样 点，也能保证有良好的横向分辨率 另外，还可通过工区以往的偏 移剖面来选择满足最高无混叠频 图2 - 2 7 山前逆冲断裂带典型剖面 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 率的空间采样率。在剖面上读取目的层的视周期t 4 和倾斜段的d x 水平距 离所对应的反射波时差d t ( 见图2 2 7 ) ，估算最高无混叠频率对应的道距： x = 砉 ( 2 - 5 1 ) 2 厶。 “。“ 2 2 3 覆盖次数的设计 一般情况下，覆盖次数越高，叠加数据的信噪比越高，信噪比的改善 与原始数据相比是n “2 倍的关系。尤其是在山前带低信噪比地区，覆盖次 数对资料品质的改善起到非常重要的作用。 覆盖次数的选择要兼顾浅中深目的层的有效覆盖次数。所谓有效覆盖 次数是指在多次覆盖技术中，对于某一勘探目的层有效贡献的共中心点的 覆盖次数，也就是在剖面上该目的层的叠加次数。观测系统设计中的覆盖 次数一般是最深目的层所对应的覆盖次数，也就是共中心的理论最高覆盖 次数，在实际采集和后续处理时中、浅层一般达不到该覆盖次数。有效覆 盖次数受道距、炮点距、最大炮检距、目的层埋藏深度以及资料处理中切 除参数等因素影响。 在理论计算中，首先，需根据以往资料分析不同目的层所需的最低覆 盖次数，经综合考虑后确定观测系统的覆盖次数：然后，根据最大炮检距 设计中所讨论的动校拉伸畸变、叠加速度稳定和反射系数稳定等因素所限 制的不同埋深的目的反射层的炮检距范围，结合各目的层所需要的有效覆 盖次数，优化、调整最大炮检距、道距、炮点距等相关的参数。另外也可 以通过从已有的共炮集记录、共中心点道集和叠加剖面中进行综合分析， 合理选择覆盖次数。 1 9 中国石油人学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 图2 - 2 8 某地区山前带大炮检距炮集记录 图2 - 2 - 9 某地区山前带小炮检距、小道距炮集记录 图2 2 8 为塔晕木搞地某地区山前带的共炮集记录，其最大炮检距为 1 2 0 7 5 m ，根据地下目的层反射时间，对主要目的层成像有贡献的只有在炮 检距7 5 7 5 m 以内范围，设计满覆盖次数为1 2 0 次，对于主要目的层有效覆 盖次数只能达到7 5 次。而图2 2 9 中最大炮检距为5 4 4 5 m ，道距为3 0 m ， 设计满覆盖为9 0 次，对于深部目的层反射信息全排列都有贡献，深部目 的层有效覆盖次数为与设计满覆盖次数相同。 ，n 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 图2 - 2 一l o 某地区山前带共中心点道集资料 另外从共中心点道集中，根据数据处理过程中的切除，能更加直观的 分析不同目的层的有效覆盖次数。图2 2 1 0 为该区不同二维测线的共中 心点道集，依据切除线的位置以及对应的炮检距可以看出图2 2 1 0 a 中虽 然设计满覆盖次数为1 2 0 次，针对最深目的层，对应的有效覆盖次数只有 9 5 次，而中浅目的层对应的有效覆盖次数更低，只有6 5 、4 0 、3 0 次覆盖。 图2 - 2 1 0 b 中由于采用了小道距，虽然接收道数增加，但最大炮检距范围 内的地下信息对最深目的层叠加都有贡献，因此针对最深目的层有效覆盖 次数可以达到设计满覆盖1 5 0 次，不过对于浅、中部的目的层有效覆盖次 数只能为5 0 、7 5 、l l o 次。 根据叠加时去留信息的数量，在叠加剖面中可以确定不同目的层的覆 盖次数以及叠加效果。图2 - 2 1 l 和2 2 1 2 为两条相同测线水平叠加剖面， 其中图2 2 1 2 中设计满覆盖次数为1 2 0 次( 道距为5 0 m ，最大炮检距为 1 2 0 7 5 m ，接收道数为4 8 0 道) ，针对最深目的层有效覆盖次数有9 5 次；而 图2 2 1 l 中设计满覆盖次数为9 0 次。( 道距为3 0 m ，最大炮检距5 4 4 5 m ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 接收道数3 6 0 道) ，针对最深目的层覆盖次数达到了满覆盖9 0 次。两条剖 面效果图2 2 一1 2 中的最深目的层反射信噪比较2 2 一1 1 高，但浅、中层信 噪比反而降低，分析其原因是由于浅中层有效覆盖次数低的结果，这也从 侧面反映了小道距的优势。 图2 2 1 1 最大炮检距5 4 4 5 ，道距3 0 m ，9 0 次覆盖观测系统剖面 图2 2 1 2 最大炮检距1 2 0 7 5 ，道距5 0 m ，1 2 0 次满覆盖观测系统剖面 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 由此可见，计算有效覆盖次数才是衡量观测系统是否有利于提高资料 信噪比的关键。 所以在针对逆冲高陡构造设计观测系统时，既要考虑大排列，又要考 虑目的层有效覆盖次数，采用基于模型的分析方法合理选择有效覆盖次数 以及小道距和长排列，有利于提高资料信噪比。 2 2 4 观测形式的设计 二维地震勘探多次覆盖观测系统一般可分为单边、双边、中间激发三 种基本观测系统形式。在实际应用中，选择观测系统形式主要受仪器最大 带道能力和外设资源所决定的。受设备资源限制，可采用单边和双边观测 系统，其中，双边观测系统可以提高覆盖次数及对复杂构造的有效信息的 接收；在资源允许的情况下，应采用中间激发方式，它可以充分接收地下 反射信息，节约勘探成本( 相同覆盖次数，炮数比单边观测系统少一半) ， 另外有利于对复杂构造的成像，避免或减少勘探盲区。其中，中间激发观 测系统又可分为中间对称和中间不对称观测系统。从最大炮检距和道距的 论证分析中可知，为确保速度分析精度和避免空间假频，在高陡构造区应 采用下倾激发、上倾接收的方式，但由于山地山前带地下构造复杂，无法 准确确定下倾激发、上倾接收的具体位置，因此应采用中问激发的方式， 具体观测系统方式应根据地下模型和上述观测系统参数论证结果进行灵 活选取。 上述是对观测系统的最大炮检距、道距、覆盖次数和观测形式等基本 参数的设计原则的讨论，但由于山前带地上及地下构造的复杂性，实际生 产中，需结合具体情况进行科学设计和应用。下面就结合具体实例，对观 测系统的具体应用进行分析。 中国石油人学( 华东) 硕士论文 第2 章山前带地震勘探观测系统设计技术 2 3 复杂山前带基于模型的目标设计 复杂山前带不同地区构造样式千差万别，因此观测系统设计必须针对 地下地质构造模型变化进行合理设计。针对山前带的复杂性，为获得高质 量的地震资料，在观测系统上