（地球探测与信息技术专业论文）基于照明分析的观测系统优化.pdf

捅要 本文题目是基于照明分析的观测系统优化，所用原理有射线追踪原理，地 震波动力学原理，照明分析原理等。基本研究思路如下：以照明分析为基础，针 对目标层作照明分析；分别以射线追踪，波场延拓为工具，通过对复杂的速度场 进行模拟，进行面向目标的照明分析，分析结果可用来评价观测系统的优劣，也 可以指导复杂勘探区观测系统的优化设计。 传统上观测系统分析总体上出发点是基于单个物理点来考虑的，或者说是 基于水平叠加理论的。随着地震勘探技术的推广和应用，工作重点逐步由平原地 区向山区展开，由简单地质构造向复杂地质构造过渡。现阶段的地震勘探中，复 杂地质结构的出现使得传统观测系统分析设计己不适用。 射线追踪采用是基于l a n g a n 思想的基本原理，该原理把射线路径作为一个 独立变量，射线的位置、方向和旅行时都是射线弧长的代数表示。l a n g a n 的射 线追踪方法可以较好的解决局部极值的问题，而且计算花费不大。 波动方程波场传播方法适应于地下复杂介质，单程波方程的计算效率高， 没有高频近似、多路径和焦散等问题的优点，采用f o u r i e r 有限差分算法计算向 下和向上的波场延拓，既保证了波场的准确性又保证了运算的高效性。 照明主要是针对弱能量区域和能量屏蔽区域而言，在这些区域，由于没有 足够的能量到达，往往收不到很好的成像效果。本文在射线追踪和波动理论的基 础上进行模拟。从地质模型和观测系统出发，针对目标体对每一次炮点激发进行 照明分析j 记录各炮激发时能量分布；以观测系统c d p 间隔作为线元大小，并 统计各线元上的射线击打次数和波场能量分布，将分析结果表示成能量贡献分布 图。根据能量贡献分布图，来确定工区观测系统的分布参数，有针对性的优化设 计炮点和检波器的位置。实验表明，基于射线和波动理论照明分析能很好地反映 各界面的照明能量，该方法优化的观测系统对目的层有很好的照明和成像。 关键词：观测系统优化，照明，照明分析，射线，波动 o p t i m i z a t i o no fr e c o r d i n gg e o m e t r yb a s e do n i l l u m i n a t i o na n a l y s i s h a ng a n g ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l iz h e n c h u n a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eo p t i m i z a t i o no fr e c o r d i n gg e o m e t r yw h i c hi sb a s e do n i l l u m i n a t i o na n a l y s i s t h ep r i n c i p l e su t i l i z e di nt h i sp a p e ri n c l u d et h ep r i n c i p l eo fr a y t r a c i n g ，t h ep r i n c i p l eo fd y n a m i c so f s e i s m i cw a v e ，a n dt h et h e o r yo fv e l o c i t ys m o o t h t h em a i nt h r e a do ft h i sp a p e ri sl i s t e db e l o w ：b a s e do nt h et h e o r yo fi l l u m i n a t i o n ， t a r g e tl a y e r i s a n a l y z e d b y f o r w a r dm o d e l i n gf o rc o m p l e xv e l o c i t y ，w ed o il l u m i n a t i o na n a l y s i su s i n gr a yt r a c i n ga n dw a v ec o n t i n u a t i o n t h er e s u l tc o u l db e u s e dt o e v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo fs u r v e ya n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fc o m p l e x e x p l o r a t i o na r e a t r a d i t i o n a l l y ，a n a l y s i so fr e c o r d i n gg e o m e t r yi sb a s e d o n a s i n g l ep h y s i c a lp o i n t o rt h et h e o r yo fh o r i z o n t a ls t a c k i n g w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n so f s e i s m i ce x p l o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ew o r ki sg r a d u a l l yf o c u s e df r o mt h ep l a i n st ot h e m o u n t a i na r e a s ，f r o mt h es i m p l et ot h ec o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r e h o w e v e r ，a tt h e p r e s e n ts t a g eo fs e i s m i ce x p l o r a t i o n ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g no fo b s e r v i n gs y s t e m si sn o t s u i tf o rc o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r e r a yt r a c i n gi sb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fl a n g a n t h i sp r i n c i p l ec o n s i d e r s r a yp a t ha sa ni n d e p e n d e n tv a r i a b l e l o c a t i o no fr a y ，d i r e c t i o na n dt r a v e l - t i m ea r ea l l a l g e b r a i cf o r m so fa r c r a y r a yt r a c i n gb a s e do nl a n g a nc a n b e t t e rs o l v et h ep r o b l e m o fl o c a le x t r e m u mw i t hl i t t l ec a l c u l a t i o n p r o p a g a t i o nb a s e d o nw a v ee q u a t i o ni ss u i t a b l ef o rt h ec o m p l e xm e d i u m o n e w a yw a v ee q u a t i o nh a sh i g hc a l c u l a t i n ge f f i c i e n c y ，w i t hn oh i g h f r e q u e n c y a p p r o x i m a t i o n ，m u l t i p a t ha n dc a u s t i c sa n ds oo n f o u r i e rf i n i t e - d i f f e r e n c ea l g o r i t h m f o rd o w n w a r da n du p w a r de x t e n s i o no ft h ew a v ef i e l dc a nn o to n l ye n s u r et h e a c c u r a c yo f t h ew a v ef i e l db u ta l s ot h ee f f i c i e n to p e r a t i o n i l l u m i n a t i o ni su s e dt oa n a l y z ep o o re n e r g ya r e aa n de n e r g ym a s k e da r e a sw h i c h h a v ew e a ki m a g eq u a l i t yb e c a u s eo fi n s u f f i c i e n te n e r g y i nt h i sp a p e r ，w ed ot h e f o r w a r dm o d e l i n gb a s e do nr a yt r a c i n ga n dw a v et h e o r y i nv i e wo ft h eg e o l o g i c a l m o d e la n do b s e r v a t i o ns y s t e m s ，w ed oi l l u m i n a t i o na n a l y s i st oe a c hs h o t ，i no r d e rt o r e c o r dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fe a c hs h o t u s i n gt h ec d pi n t e r v a lo fo b s e r v a t i o na sa l i n ee l e m e n ts i z e ，w es t a t i s t i c st h es t r i k i n gf r e q u e n c yo fr a yb e a ta n de n e r g y d is t r i b u t i o no fw a v e f i e l da n de x p r e s st h ea n a l y s i sr e s u l t si nt h ef o r mo fe n e r g y d i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt oe n e r g yd i s t r i b u t i o nm a p s ，t h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so f o b s e r v i n gs y s t e mf o rw o r ka r e aa r ed e t e r m i n e d t h e r e f o r e ，t h es h o tl o c a t i o n sa n d d e t e c t o r sc a nb e o p t i m i z e dd i r e c t i o n a l l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ： i l l u m i n a t i o na n a l y s i sb a s e do nr a ya n dw a v et h e o r yc o u l dw e l lr e f l e c tt h ei n t e r f a c e e n e r g y ，a n d t h eo p t i m i z a t i o no fo b s e r v i n gs y s t e m sc o u l dl e a da v e r yg o o d i l l u m i n a t i o na n di m a g i n gf o rt a r g e t e da r e a k e yw o r d s ：o b s e r v i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o n ，i l l u m i n a t i o na n a l y s i s ，r a y ，w a v e t h e o r y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：薹立! 銎j 一日期：m ，年月夕 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位沦文作暑签名：蔓薹因型 指导教师签名： 日期：加哆年占月；，e t 日期：w 呻年否月f i , e t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究意义 石油能源成为人类社会的主要能源以后，迅速改变着整个世界的经济和社会面 貌。自然界没有哪一种原料能像石油那样能对社会产生如此巨大的影响力，石油危机 能够引发世界性的经济危机；对石油的争夺能挑起很多的国际战争；为保障本国石油 的供应安全能促使许多大国家领导人亲自出面进行外交活动。这一切都清楚的表明， 对当代社会而言，石油是一种及其重要的战略物资，是现代的经济命脉。 现今石油资源总的趋势有以下两个特点：一是全球油气资源总量不足，保证年 限有限。据国际能源机构资料，世界累计探明石油可采储量为2 4 1 2 亿吨，已采出1 0 8 0 亿吨，剩余可采储量1 3 3 2 亿吨，保证年限4 1 年，全球尚待发现的可采石油资源7 0 1 亿吨，还可维持2 0 年，也就是说约在6 0 年后，常规石油资源可能枯竭；二是未来石 油的供需形式不容乐观【。 1 9 8 5 年世界石油消费量为2 8 亿吨，1 9 9 9 年增加到3 4 6 2 亿吨，年增长1 6 8 ， 而石油生产的趋势达到一定的高峰后将会下降，所以供不应求的局面将会出现。1 9 5 8 年，美国石油地质学家狄克( p a d i c k e y ) 曾说过： “我们通常能用老的概念在新的 地区找到油气资源，也常能用新的概念在老的地区找到油气资源，然而，我们却很少 能用老的概念在老的地区找到大量的油气资源，这不是油气都找光了，而实际上是我 们的概念不够用【2 1 。”，这也恰恰说明了现有的石油勘探、开采等领域的技术需要进 一步提高的道理。 在当今的石油天然气勘探开发中，地震勘探仍然是最主要的勘探方法。随着石 油勘探中勘探目标的日趋复杂化和勘探方法技术的发展，人们对地震勘探中的数据采 集、处理和解释的技术要求也越来越高。而在这三个环节中，采集资料的好坏，直接 影响到资料处理和解释结果的好坏。所以，在地震勘探的工作中首先要确保野外采集 资料的高质量。 要得到高质量的地震数据，合理的设计地震数据采集观测系统是非常关键的。 所谓观测系统就是指获取地下有效反射波的激发和接收系统。传统上观测系统分析总 体上出发点是基于单个物理点来考虑的，或者说是基于水平叠加理论的，即假定地下 均为水平层状均匀介质，此时共中心点( c m p ) 与共反射点( c r p ) 位置重合。这时 获得的共中心点叠加剖面即共反射点叠加剖面。但在现阶段的地震勘探中，勘探区的 第一章前宣 地质目标日益复杂，勘探区域已从平原地区向山地、沙漠、海洋等地区扩张，复杂地 质结构如正断层、逆断层、尖灭、侵入体等的出现使得传统观测系统分析设计己不适 用。理论上的水平叠加实质上是共中心点叠加，非共反射点叠加，不能准确反映地下 真实的地质情况【3 】。 在复杂构造地区，由于聚焦和散焦的作用，震源激发的入射地震波和反射面产 生的反射波在地下传播时能量的空间分布是不均匀的。此外，不同的观测系统对地下 入射波和反射波的能量分布有不同的影响。地下照明分析是有关地震数据采集系统设 计、数据处理解释中采集系统分析评价和地下复杂构造对地震波传播路径影响分析评 价的基本问题【4 j 。 为了在复杂勘探区得到准确的，高质量的地震采集数据，就需要对地震观测系 统参数进行优化选择以适应复杂地形。观测系统的优化设计一般通过正演模拟的方法 来完成。首先针对复杂勘探区，进行满足复杂地区需要的正演模型建立，再对复杂地 质目标进行正演模拟，然后根据正演模拟结果指导地震采集观测系统的优化设计。 1 2 地震波照明技术概述 对地下地质目标进行照明分析，虽然不属于偏移成像的范畴，但是目标是为了 提高地下地质目标体的成像质量，尤其是对于弱能量区域和能量屏蔽的区域而言。虽 然照明是光学概念，字面意义理解是对黑暗的区域进行光照，让我们能够看的更清楚。 在地球物理学上，对原有采集、处理和解释方法进行改进，只要是为了得到高质量的 地下地质目标的像，都可以认为是是照明。尤其是对于叠前深度偏移处理遇到困难的 阴影区( 无反射和弱反射区) 和上覆构造引起地震波能量聚焦、分散的区域1 5 】。 对地下地质目标进行照明分析的方法有两种，波动方程照明和射线追踪照明。 射线追踪照明是以射线理论为基础，能够得到射线路径在地下地质体的分布，射线的 路径和疏密程度同时反映的也是地下地质目标的能量分布。波动方程照明以波动方程 为基础，可以得到地下地质体的能量分布图，使我们能对地下地质体的能量分布有清 楚直观的了解。 基于射线追踪的照明分析可以反映出地下各界面覆盖次数的变化，虽然射线的 照明度分析具有方便快速、适应三维模型的特点，能够给出反射点覆盖信息。但由于 射线追踪存在单一性，缺乏波场能量的信息，不能得到反射波场的综合能量信息，照 明结果可能存在巨大的误差，对复杂地质模型的应用效果还是有限。因此基于波动方 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 程的照明度模拟日益受到关注，基于波动方程的照明度方法可以反映出特定观测系统 下地下介质中各界面的波场能量分布情况，以及各界面对观测系统中各检波器的照明 情况。 1 3 国内外研究现状 地下地层是经过千百力年漫长的沉积形成的具有定属性的介质，其后经过多 次的构造运动，地层发生各种变形，各种类型的断层将地层进行任意性的分割，从而 造成地下地层的结构复杂多样。地震勘探是利用地震反射波、折射波、绕射波等波场 信息进行反演来重建地下地质结构，这在地震勘探中称为地震反演。在地震勘探的一 系列工作中，首先要进行的工作就是根据预先设计好的观测系统在特定的工区进行地 震资料野外采集。采集资料的好坏，直接影响到资料处理和解释结果的好坏。观测系 统的优化设计通常用模型正演的方法进行，根据以往勘探获得的地质资料，建立正演 地质模型，通过对地质模型进行照明正演模拟，选用合适的观测系统以提高野外采集 资料的质量。 照明度分析主要有基于射线追踪的照明度模拟和基于波动方程的照明度模拟两 种方法。近年来，除了地震采集的设备得到了长足发展外，地震采集技术也得到了飞 速的发展，利用计算机软件进行基于地下照明分析的采集参数和观测系统分析设计已 越来越受到地震工作者的关注和重视。 现有的数学模拟地下照明的方法很多是基于射线追踪模拟的，c m a p b e n ( 2 0 0 2 ) ， b l r a l l m i ( 2 0 0 5 ) ，a l v a e r z 等学者对基于射线追踪的地下照明度进行了研究。其基本 出发点是：根据勘探工区的表层结构和地下地质构造信息，建立符合实际情况的地球 物理模型，并布置上经过参数论证的地震采集观测系统。通过射线追踪计算，得到地 下各反射界面在某一观测系统下的被照明区域( 反射点) ，以及各界面的覆盖次数， 将各界面的覆盖次数视作照明能量。虽然射线追踪代价不大，但在地下地质结构复杂 的区域，由于射线追踪的单一性，照明结果可能存在巨大的误差。这就限制了基于射 线追踪的照明度模拟的精确度( h o f f i l z n n a ，2 0 0 1 ) 。在这种情况下，基于波动方程的 照明度模拟就应运而生。x i e 和w u 、w u 和c h e n 、陈生昌等分别利用局部平面波分 析方法a n d , 束( b e a m l e t ) 传播算子方法以及窗口f o u r i e r 框架展开方法研究了地震波的 方向照明，为利用波动方程研究地震波照明开辟了途径。c h e n 和w u 以及j i n 和 w a l r a v e n 应用波动方程的方法讨论了叠前深度偏移成像与数据采集孔径以及照明的 第一章前言 关系，指出了照明不足和偏移成像阴影间的对应关系。董良国( 2 0 0 6 ) ，吕公河( 2 0 0 6 ) ， 孙伟家( 2 0 0 7 ) ，陈生昌( 2 0 0 7 ) 等利用地震波照明进行地震数据采集设计和优化研 究。近年来，在基于波动方程的照明模拟方面，基于波束分解的频率与波场的局部角 度域信息的获取技术得到了长足的发展，并应用于定向照明度分析中。基于波动方程 的照明技术有很强的应用潜力，可用于多种照明模拟中，如局部照明、随地质目标倾 角变化的照明度能量分布、基于特定目标的照明度、波数域照明度等。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章观测系统优化基本原理 地震资料野外采集的任务是获取第一手的资料，为地震数据处理和解释提供基 本的物质基础。原始资料的好坏直接影响到资料数字处理的质量和解释精度，关系到 地质成果的优劣。要得到高质量的地震数据，合理的设计地震数据采集观测系统是非 常关键的。 地震勘探野外采集形式是根据地质任务、干扰波与有效波的特点、地震地质条 件等诸方面因素确定的。为了得到能够系统的追踪目的层反射波的地震记录，在野外 观测时必须适当地安排和选择激发点和接收点的互相位置、激发条件、记录仪器参数 等。 2 1 观测系统的基本概念 测线上激发点和接收点的相对位置关系叫观测系统阳1 。 如果沿着地表的一条直线连续的进行勘测，就能够研究该测线下面不同地层界 面的形状和位置，这种勘测方法称为二维地震勘探，相应的观测系统称为2 d 观测系 统；对二维采集来说就是沿一条二维测线设计一系列炮点和接收点，按一定的方式进 行激发和接收，以获取地下界面沿测线的反射信息。如果在地表的某一平面内连续的 进行观测，就能够最佳的地研究该平面下不同地震界面的形状和位置，这种勘测方法 称为三维地震勘探，相应的观测系统称为3 d 观测系统。对三维采集来说就是设计一 组炮线和一组接收线，滚动的激发和接收，获取地下反射面信息。 对界面上某一点进行观测称为采样或覆盖。若对每个点只观测次，称为单次 覆盖，如观测多次，则称为多次覆盖。 以下为观测系统设计的一些基本概念的简单解释： 1 、偏移距：激发点到接受点的距离。 2 、接收点距( 道间距) ：相邻接收点之间的距离。 3 、激发点距( 炮间距) ：相邻激发点之间的距离。 4 、最小炮检距：激发点到最近的接收点之间的距离。 5 、最大炮检距：激发点到最远的接收点之间的距离。 6 、排列长度：第一个接收点到最后一个接收点之间的距离。 7 、覆盖次数：对界面上某一点进行观测的次数。 第一二章观测系统优化幂本原理 2 2 传统观测系统设计方法 观测系统的设计首先要考虑的是观测方式必须满足地质任务的需要，保证目标 层观测资料的完整性。原则上是针对具体的目标层，采用灵活多变的观测方式来满足 各种复杂地质条件下采集任务的需要。在实际的地震数据采集生产设计中，首先要了 解勘探工区的地表情况、地下地质情况，以及勘探目标层的埋深、构造特征等，然后 要对原有地震资料的特点和存在的问题进行分析，提出解决方案，根据已有资料进行 综合分析，设计出合理观测系统。观测系统设计一般遵循以下原则f 7 】： 1 、在一个炮点道集内或一个共c d p 点道集内，应当有均匀的地震道，炮检距 从d , n 大均匀分布，能够保证同时勘探浅、中、深各个目的层。使观测系统既能保证 取得各目的层的有用反射波信息，又能用来进行速度分析； 2 、地下各点的覆盖次数尽可能的相同或接近，在全区范围内分布是均匀的。均 匀的覆盖次数是保证反射记录振幅均匀、频率成分均匀的前提条件，这样才能保持地 震记录特征稳定，使地震记录特征的变化能够与地质变化的因素相联系，有利于对复 杂地质结构和岩性进行研究； 3 、考虑地表的施工情况，在地表条件允许的情况下，尽可能满足以上两个原则。 如果地面条件受限，则需变观，采用不规则观测系统。依据工区的己有资料进行观测 系统设计，就必须对相关参数进行分析和论证。观测系统参数分别介绍如下： l o 接收排列长度 接收排列长度是观测系统的最基本参数，包括最小炮检距和最大炮检距两个基 本参数。最小炮检距指炮点与接收排列中接收点最近的距离，应尽可能的小，虽然最 小偏移距大一些可以有效地消除震源产生的噪音信号，但这样有可能损失有用的浅层 的有效信号。最大炮检距是采集观测系统中最重要的参数之一，也就是炮点与最远一 道之问的距离，应该大致等于最深目的层的深度。满足这个条件可以使正常时差足够 大，以区分一次反射波和多次波与其它相干噪音，但是偏移距不能太大，如果太大， 反射系数就会发生明显变化，对非水平界面而言，c m p 的假设也会变得无效。 2 0 面元 面元( 在二维中称c d p 点距) 是观测系统的一个重要参数，其大小与勘探工作量 ( 或勘探成本) 成反平方的关系，因此，在满足勘探任务的前提下应尽可能采用大的面 元尺寸。面元尺寸又被保护地震信号频率决定，在接收中有效频率不能产生混叠现象， 6 中国石油大学( 华东) 硕。 ：学位论文 它还依赖于地层的倾角和地层的层速度，可用下式表示： n n ) 己, - j 4 f 极盗s i n o ( 2 - 1 ) 式中，是目标层的层速度，是最大有效频率，臼为地层的倾角。从式中可以 看出，地层的倾角越大、最大有效频率越高，面元尺寸要求就越小，地层的层速度越 高面元尺寸就可以越大。 3 0 接收道距 接收道距参数是指两个相邻的接收道的间距。接收道距应当满足空间采样定理， 要求接收n 足g ( a x ) 要小于有效波最小视波长( k ) 的一半，根据旅行时方程可得到如 下计算公式： 缸等= 赤譬等竽 协2 ， 2 2 厂懈s i l l 秒 。 式中，丘为最大有效频率，岛为双程时，为最大炮检距，秒为地层倾角。式中 上倾激发取十号，下倾激发取一号。 4 0 覆盖次数 覆盖次数参数指在炮检点滚动接收后，落在每一个面元内炮检对的个数。多次 覆盖是实现地震资料通过叠加压制噪声提高信号的重要手段，刀次覆盖将使叠加信号 的信噪比提高聆倍。覆盖次数是根据勘探工区的具体情况决定的j 干扰严重、地震 资料信噪比低的工区需要较高覆盖次数。一旦覆盖次数被确定下来，设计观测系统时 就要求每一个面元内覆盖次数分布均匀。传统上都是假设地下水平，按每一个面元共 中心点( c m p ) 来进行分析和设计。 5 0 偏移孔径参数 偏移孔径参数是指为使勘探工区边界能够成像归位需要扩大的区域。偏移孔径 是为了使任意倾斜同相轴能正确成像而加到三维测区边缘区域的宽度。计算偏移孔径 主要考虑以下因素。 1j 偏移孔径大于第一菲涅耳带半径。 2 、偏移孔径大于相当于向上出射角为3 0 。时的绕射宽度( 使地质目标边界断点 绕射能正确归位) 。其计算式为： 笫二章观测系统优化耩本原理 偏移孔径：目的层深度罂 ( 2 3 ) c o s j u 此时能获得边界断点绕射能量的9 5 。 3 、偏移孔径大于偏移后地层倾角横向位移( 使倾斜地层在偏移时能正确归位) 。 其计算式为： 偏移孔径：目的层深度竺 ( 2 4 ) c o s c r 口为地层边界最大倾角。 6 0 最小偏移距 一般而言，最小偏移距越小越好，以便能对浅反射面有适当的采样。若最小偏 移距太大，就不能保证浅层达到多次覆盖的要求。最小偏移距的经验计算公式： 瓦i 。最浅作业深度鲰0 - 1 2 倍 ( 2 5 ) 7 0 最大偏移距 最大偏移距的选择主要考虑以下几个方面的因素。 1 、小于折射波( 初至波) 干涉。当反射界面较浅时，初至波切过反射波同相 轴。当进行数字处理时，为了保证叠j j n 静j 面的信噪比不受干扰，必须切除初至波干涉， 从而限制了采集的最大炮检距范围。 2 、值小于动校正拉伸不能容忍的炮检距。动校正时，地震子波会被拉伸， 子波周期拉长，频率变低，且动校正量越大，拉伸越剧烈。处理资料时为了使动校正 后浅、中层有效波在大炮检距处不致过大被拉伸，一般限定动校拉伸百分比小于 2 0 。 3 、k 值大于速度分析精度所需的炮检距。最大偏移距越大，速度分析精度越 高。一般要求大于8 的速度分析精度。 4 、k 值大于辨别多次波超过3 个波长的炮检距。压制多次波总是要利用剩余 时差，而剩余时差的大小取决于眦的大小，也取决于多次波与一次波的速度差。 一般来说，在采集时应适当加大偏移距，以有利于对多次波的压制。 5 、k 值大于a v o 分析所需的炮检距，即至少能让目标反射角度足以表现出 a v o 效应。a v o 分析是用来分析反射波振幅与其入射角的关系，以推测地层的含 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 油气性。而地层界面的反射系数是在入射角为2 0 。 - 3 0 。时变化最明显，因此k 值 的设计，应保证入射角达2 5 。，最好是达到3 0 。，以保证a v o 分析的效果。 2 3 复杂地质结构传统观测系统的存在的问题 传统观测系统分析总体上的出发点是基于单个物理点来考虑的，或者说是基于 水平叠加理论的，即假定地下均为水平层状介质，此时共中心点( c m p ) 与共反射点 ( c r p ) 位置重合，这时获得的共中心点叠加剖面即共反射点叠加剖面。基本上反映了 地下的地质情况，是相对可靠的，被大量的勘探成果所证实【8 】。 随着地震勘探技术的推广和应用，工作重点逐步由平原地区向山区展开，由简 单地质构造向复杂地质构造过渡。基于水平层状理论的观测系统设计，相对复杂构造 而言己不适用。因为复杂构造存在地质上构造上的复杂性，当地下或地表不再是水平、 层状、均匀介质时，这时反射点与共中心点出现偏离，不重合，理论上的水平叠加实 质上是共中心点叠加，非共反射点叠加。它不能准确反映地下真实的地质情况。 ，丘一 h h c r p a j i c m p 图2 - 1 非水平层状介质地震反射波示意图 如图2 1 所示。共中心点与共反射点之间的偏离可以用下列公式来表示。 a l = l x 币h 丽 ( 2 6 a ) 2 l + 办 或一r 丈五五s i n 0 曩画( 2 - 6 b ) 2 c o s 0 l2 肌以茹j 式中：此为反射点与共中心点偏差；为偏移距；h 为目的层埋深；h 为接收点 9 第二章观测系统优化摹本原理 与激发点高差；臼为地面与水平方向的倾角。 由此可以看出影响共中心点与共反射点偏离的几个因素及其影响程度。可以得 出以下结论：偏移距越大，偏离越大；埋深越深，偏离越小；高差越大，偏离越大； 地面陡度越大，偏离越大。 2 4 观测系统优化设计的基本思路及技术流程 目自 ，常规多次覆盖叠加技术仍然是地震勘探工作的重点，数据采集技术和数 据处理以及资料解释，都是围绕这一中心进行的。传统观测系统设计在复杂地质结构 下的不适应性，当地面或地下界面不是水平的，共中心点( c m p ) 和i 共反射点( c r p ) 是 不重合的，所以，共中心点覆盖并不是真正的共反射点的叠加，这种情况下进行的水 平叠加所获得的叠加剖面，不能准确反映地下真实的地质情况。为了尽量避免这种问 题，本文对基于照明分析的观测系统设计方法进行了研究，并初步找到一种观测系统 优化设计技术流程。 1 、在确定勘探工区后，根据以往勘探获得的地质资料，建立合适的地质模型。 陔地质模型要求能较好的描述构造特征，并能反映各层的速度。 2 、使用传统的共中心点覆盖法迸行观测系统设计，对观测系统的各参数进行论 证以得到最合理的取值。 3 、使用该观测系统对地质模型进行照明分析，根据照明分析的结果，如：各层 照明度能量分布、检波器能量分布、各层覆盖次数、反射点分布等，对观测系统各项 参数包括激发位置，激发密度，排列长度，排列位置进行针对性地调整。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕： ：学位论文 第三章基于射线追踪照明分析原理 3 1 射线追踪的基本原理 射线追踪法，是波动方程的高频近似，属于几何地震学方法。由于几何射线法 将地震波波动理论简化为射线理论，所以该方法主要考虑的是地震波传播的运动学特 征，即旅行时和射线路径。该方法虽然缺少地震波传播的动力学信息，即振幅等，应 用时有一定的限制条件，但是几何射线法的概念明确、显示直观、运算方便，具有很 强的适用性。 运动学射线主要是根据费马原理和惠更斯原理，以及由两者导出的折射定理继 而得到的程函方程。在追踪的过程中，其中运动学射线追踪只考虑了射线的旅行时和 射线路径。 根据运动学射线理论可知，波在介质中传播满足s n e l l 定理、f e r m a t 原理和 h u y g e n s 原理，所有射线追踪方法基本上是围绕这三个基本原理展开的【9 1 。 s n e l l 定理表明地震波在传播过程中，当遇到介质分界面时，一部分能量发生反 射，回到原来介质称为反射波，另外一部分能量透过界面，进入到新的介质中称为透 射波，入射波和透射波遵循如下关系： 坠：旦 ( 3 1 ) s i n 口2v 2 式中，嘶和口：分别表示入射角和透射角；m 和v 2 分别表示入射介质速度和透射介质 速度。当口。= 9 0 0 时，透射波以速度1 ，：沿界面滑行，即产生折射波。此外该定理还表 明，入射波、反射波和透射波同处在一个平面里。 f e r m a t 原理即射线传播时间最小原理，指地震波在介质传播的路径以旅行时间 为最小。因此，在均匀介质中射线传播为直线，在非均匀介质中射线为曲线，且与波 前面垂直。 h u y g e n s 原理指出震源产生振动，通过介质的质点向四周传播，形成波前面， 在波前面上每一个点可以看成新的震源，通过介质的质点继续传播，叠加形成新的波 前面。 射线路径的计算方法大致可分为以下：试射法、弯曲法、波前法和迭代法【1 0 1 。 试射法，或称打靶法，这是最早提出且使用最普遍的一种射线追踪方法。其射 第二帝皋十身f 线追踪的照明分析原理 线追踪过程是：在激发点，给定一系列射线参数初始值，然后根据s n e l l 定理依次进 行追踪，在接收点附近选择最接近的两条射线，通过内插，调整初始射线参数值，经 过多次的调整修改，可获得满意的结果。试射法在数学上属于初值问题，它通过更改 射线的初始入射角、使射线的出射点与接收点之间不断靠近，直到满足给定的精度要 求为止，可实现两点之间的射线追踪计算。这种方法的最大优点是实现了射线的精确 追踪，能够避开在盲区中追踪；但是在复杂结构和三维结构中比较耗时。 弯曲法，将模型进行网格化，从震源位置开始，沿波场的传播方向，按网格节 点次序逐点计算旅行时，网格旅行时计算可用差分程函方程方法或根据h u y g e n s 原理 的波前方法等手段求解，然后由f e r m a t 原理，从接收点按走时最小的原则逐个节点 比较，找回到震源点，即得到最小走时射线。弯曲法在数学上属于两点边值问题。即 固定起始点和终点，预先描述出射线旅行时方程，根据射线旅行时满足最小走时条件， 导出迭代修f 公式，通过修正使初始猜测的射线逐渐收敛到正确的射线路径。弯曲法 充分体现了地震波的波动特点，适应速度变化的介质，但这类方法存在以下几方面不 足： l 、模型经过网格化近似对复杂结构描述有一定的局限性，即不能满足非常复杂 的地质结构需要； 2 、用网格节点的连线近似射线路径( 即使有些方法通过插值处理) ，其近似程度 决定于网格的大小： 3 、按f e r m a t 原理搜索射线路径，有可能失去最短射线路径，当存在多条射线路 径时判断较困难，此外还不能排除射线盲区； 4 、需要消耗大量的计算机时间和内存，不利于交互计算。 波前法是根据惠更斯原理导出的一类方法，它首先将介质分割成许多网格节点， 要求射线必须经过这些网格节点，而震源点和接收点分别处于网格节点上，由震源点 所处的网格节点出发经由各节点以最小走时到达接收点的网格节点组，射线依次经过 这些节点，形成最小走时射线路径，虽然此方法在节点数目增加时，计算量也成比例 的增加，但对于多个接收点的射线追