（地质资源与工程专业论文）复杂构造地区高精度地震观测系统设计及其应用.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 我国南方的海相碳酸盐岩地层发育分布最广和沉积厚度最大，油气资源丰 富，其勘探和开发是我国油气勘探的重要战略目标。但由于其复杂的地质构造 和演化过程，在该类地区寻找油气是世界性难题，传统勘探手段存在严重的不 足和不适应性，制约了勘探的进展。地震数据采集技术是地震勘探的基础，而 观测系统的设计对地震数据的质量起到了至关重要的作用。常规的基于共中心 点的观测系统设计方法，以及依靠单一的地球物理分析方法进行论证的观测系 统设计方法难以满足复杂地区勘探的要求。通过研究，提出了在对前期勘探成 果进行分析的基础上，应用射线追踪、地震物理模拟、波动方程照明、波动方 程数值模拟、波动方程叠前深度偏移等技术，针对目标地层的c r p 面元属性、 地震波传播特征、反射波接收范围、地震波能量分布、成像处理效果等进行分 析，并综合经验公式论证、勘探成本考虑来设计三维观测系统的方法。并应用 到鄂西一渝东的重点探区一一龙驹坝复杂高陡构造的三维观测系统设计中，取 得了良好的勘探效果。实际应用表明，该方法是实现复杂构造地区高精度勘探 的有效手段，是地震采集处理一体化的新思路。 关键词：观测系统设计，波动方程，数值模拟，物理模拟，射线追踪，照明分 析，叠前深度偏移 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o na n dt h i c k n e s so f m a r i n ec a r b o n a t er o c kl a y e r si ns o u t hc h i n aw h i c h 眦 a b u n d a n ti no i la n dg a sa r et h ew i d e s ta n dt h em a x i m u m t h ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n t h i sa r e ai so n eo f o u rn a t i o n a ls t r a t e g i ct a r g e t s b e c a m eo f t h ec o m p l e xg e o l o g i cs t r u c t u r ea n d e v o l u t i o np r o c e s s e s ，t h ep e t r o l e u me x p l o r a t i o ni nt h i sa r e aw h e r et r a d i t i o n a le x p l o r a t i o nm e t h o d a p p e a r e di n a d e q u a t ea n di n a p p l i c a b l ei saw o r l d w i d ep r o b l e m s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ni st h e f o u n d a t i o no fs e i s m i ce x p l o r a t i o n , f u r t h e r m o r es e i s m i cs u r v e yd e s i g np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h eq u a l i t yo fs e i s m i cd a t a t r a d i t i o n a ls u r v e yd e s i g nm e t h o d sb a s e do nc m pp r i n c i p l eo r d e p e n d i n go no n l yo n eg e o p h y s i c a lt e c h n o l o g yc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc u r r e n t e x p l o r a t i o ni nc o m p l e xa r e a c o m b i n e dw i t he x p e r i e n t i a lf o r m u l a t i o na n do p t i m i z i n gt h ec o s to f e x p l o r a t i o n ，an e ws u r v e yd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht e c h n o l o g i e ss u c ha sr a y t r a c i n g 、s e i s m i cp h y s i c a ls i m u l a t i o n 、w a v ee q u a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、w a v ee q u a t i o n i l l u m i n a t i o n 、p r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o nw e r eu s e dt oa n a l y z ec r p a t t r i b u t e 、s e i s m i cp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c 、t h er a n g et or e c e i v er e f l e c tw a v e 、t h ed i s t r i b u t i o no fs e i s m i cw a v ee n e r g y 、t h e r e s u l t so fm i g r a t i o np r o c e s s i n ge t a 1 t h ea p p l i c a t i o no f t h i sm e t h o dt ot h ei m p o r t a n t e x p l o r a t i o ns e c t i o nb e t w e e nw e s th u b e ia n de a s tc h o n g q i n g ，a n dr e c e i v eaw e l lr e s u l t t h er e s u l t s h o w st h a tt h i sm e t h o di sa l le f f i c i e n tw a yf o rh i g hp r e c i s i o ne x p l o r a t i o ni nc o m p l e xa r e a ；a n di s an e wi d e ao fs e i s m i ce x p l o r a t i o ni n t e g r a t e dp r o c e s sa n da c q u i s i t i o n k e yw o r d s ：s u r v e yd e s i g n ，w a v ee q u a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r a yt r a c i n g ，p h y s i c a l s i m u l a t i o n ，i l l u m i n a t i o na n a l y s i s ，p r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。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，也不包含为获得澎姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一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谢 意。 学位论文作者签名： 毋吟 签字日期：矽l 口年 弓月 lf 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：冶命 导师签名： 髑飞冷。 签字日期：训l o 年多月 l1 日 签字日期： 力训a 年多月日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 感谢我的导师陈生昌教授对课题研究以及论文的撰写、完成、修改所给予 的悉心指导与重要帮助。 感谢曾经在南京石油物探技术研究院共事的赵群教授、常鉴、徐国庆、余 德平高工在本论文的物理模拟、数值模拟、观测方案的选择等方面的研究工作 中给予的重要帮助和支持。 感谢地球物理研究所的同学林晨，尹喜玲等人在学习及生活中给予的帮助。 孰 够浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究目的及意义 近年来，我国国民经济发展速度远远超过了资源发展的速度，为了减少对 进口能源的依赖，更好地保证国家油气资源的安全，当前国内油气勘探开发战 略中的“准备南方”已调整为“发展南方”加快南方海相下组合油气勘探步伐， 努力实现油气勘探重大突破，是当前油气勘探的一个重要战略任务。南方下组 合是指南方海相下古生界以志留系、奥陶系、寒武系和震旦系为主体的成藏组 合。分布面积约1 5 6 万平方公里，其中有利勘探面积约7 6 万平方公里，主要分 布于包括四川盆地、黔中隆起及其周缘、鄂西和中下扬子等区块在内的扬子地 块，总资源量超过5 7 万亿立方米天然气当量。南方地区是我国海相碳酸盐岩 地层发育分布最广和沉积厚度最大的地区，该地区有着丰富的油气资源，其勘 探和开发已成为我国2 1 世纪油气资源战略目标之所在。经过近半个世纪以来的 勘探和研究，特别是经“六五”以来的多项专项科研攻关和勘探实践，发现了 大量的地面油气、沥青显示和不同时代的古油藏，并相继在苏北、江汉和川东 北等地成功地获得了工业油流，尤其是普光气田的发现证实了中国海相残留盆 地有着丰富的油气藏。 南方地区油气勘探从1 9 5 6 年起至今，已有5 0 多年。2 0 0 0 年统计，南方地 区钻遇中、古生界海相地层的钻井约有8 8 0 余口。其中，以海相地层为主要目 的层的钻井为5 5 0 口，井深大于3 2 0 0 m 的中深井仅6 4 口，主要原因就是中、 古生界资料信噪比差，圈闭落实程度很低。这些钻井集中分布在江苏、江汉、 湘鄂西、湘中、桂中、黔东、煤山等地，普遍见油气显示( 近5 0 0 口) ，而且油 气显示层位多( z 2 j ) 、类型多，反映了南方海相地层有过油气生成与成藏的过 程。但就我国1 5 6 万平方千米范围的南方海相勘探领域而言，只在局部地区有 些发现，大部分地区勘探一直处于艰苦的攻关和探索过程中。 南方地区是众所周知的低信噪比区域，地震勘探所获得的资料无法很好地 解决地质问题，主要原因是南方地区与国外地质现象不同，我国南方的地壳运 动在中三叠世后进入了强烈活动时期，先后经历了印支期、燕山期及喜马拉雅 澎浙江大学硕士学位论文绪论 期的多次构造运动和改造这些构造作用，不仅使得海相沉积上覆中、新生代 陆相地层复杂化，对海相油气的保存条件造成了重大影响，同时也使得油气勘 探地震地质条件变得异常复杂。在南方地区地震勘探面临着：( 1 ) 地表条件复 杂多变，如分布有平原水网区、碳酸盐岩出露区、砂泥岩出露区等；( 2 ) 地层 时代老，埋藏深度大，地震反射信号弱；( 3 ) 海相地层波阻抗差异小；( 4 ) 地 下构造复杂，稳定区小、地层倾角陡；( 5 ) 碳酸盐岩出露区地表非均质性强， 散射严重，内幕反射弱，地震资料品质普遍较差。因此该地区地震采集难以获 得高品质的地震资料。地震资料信噪比通常很低，干扰波影响严重，主要有面 波、折射波及多次波、直达波、多次折射和散射干扰波、规则倾斜干扰、随机 噪声以及各种低速干扰等，特别是中、深层呈杂乱反射，是资料的空白区。( 6 ) 起伏地表及表层岩性剧变对地震波的传播方向影响很大。炮点位于低速层中时， 容易把地震能量聚于低速层中；炮点位于高速层中时，地震波能量沿高速层滑 向一个方向，导致激发能量不能很好地照明目标体，即使地下是水平反射层， 也会造成照明的不均匀，给地震数据有效性带来困难。这些因素造成地震波采 集、成像、地震地质解释和储层预测都十分困难，严重制约着南方海相地区大 范围油气勘探的重大突破，而目前现有的一些地震方法技术又不能很好地解决 海相碳酸盐岩地区地震成像遇到的问题。 地震采集数据是地震勘探工作的基础，野外采集资料的质量直接影响到勘 探效果，一个采集工程的成败，观测系统设计起到了非常重要的作用，采集参 数的准确设计是资料采集成功的关键。针对南方地区的复杂地震地质条件，传 统的基于地面共中心点的分析和观测系统设计的方法已经难以满足地震勘探的 需要。因此，通过复杂构造地区的高精度观测系统设计得到采集目标的有效信 息，压制噪音，提高原始资料的信噪比，提高复杂构造成像质量，是提高地震 勘探解决复杂地质问题能力的关键，是解决该地区勘探难题的关键手段之一， 也是南方海相碳酸盐岩地区地震攻关的一项重要技术。 鄂西渝东区是南方下组合勘探的主要领域，区块位于中、上扬子交接部位 的川东断褶带内，为川鄂隆褶带之北西缘和四川沉降褶皱带之川东褶皱带的一 部分。构造北缘与北西向的大巴山弧形构造斜接，区块内存在海相下组合( 震 旦系志留系) 和海相上组合( 石炭系三叠系) 两大勘探领域，其勘探层系 2 陬 够浙江人学硕士学位论文绪论 众多，油气资源丰富，海相地层总资源量为1 1 8 1 8 8 6 1 0 8 m 3 。其中，上组合资 源量为3 0 2 2 6 1x1 0 8 m 3 ，占总资源量的2 6 。下组合资源量为8 7 9 6 2 5 x 1 0 8 m 3 ， 占总资源量的7 4 ，是油气勘探新领域。区域中的龙驹坝构造区块位于重庆万 县龙驹坝一海螺口一线，是典型的高陡构造带，其地表条件复杂，地形起伏大， 高差较大；激发接收条件差，断层发育，各断块间接触关系复杂，地层厚度、 产状变化大，深浅层构造的不协调以及速度纵横向的差异造成了地震波场复杂； 尤其是地层倾角大，高陡背斜核部地层倾角达到7 0 。，容易造成地震反射空白 区，该区是南方历年勘探的重点与难点地区 本学位论文以中石化勘探南方公司“鄂西渝东地区三维观测系统设计项目” 为依托，应用当前多种先进和实用的技术开展复杂构造地区高精度观测系统设 计方法研究，旨在通过项目的研究形成一套适合复杂构造地区勘探的高精度三 维地震观测系统设计方法，并应用于龙驹坝地区，以解决该区的三维地震观测 系统设计问题。最终通过高精度三维地震观测系统的实施，采集高质量的3 d 地震资料，落实龙驹坝地区构造形态、圈闭规模，查清构造之间的关系，为龙 驹坝气藏描述与储量研究奠定基础，并根据其应用效果检验方法的有效性和实 用性。因此，本论文研究工作不仅具有一定的理论意义，并且对实际工作也有 指导价值。 1 2 研究现状及进展 最初的三维地震勘探开始于1 9 7 0 年代后期，但直到1 9 9 0 年代早期整个工 业界才总体上获得了可以接受的效果。出于实用和经济方面的考虑，三维地震 采集从来没有实现空间轴的完全规则采样，三维地震采集观测系统设计是在数 据质量、后勤供应和成本之间进行平衡的结果。如何选择一个最优的震源和接 收点分布，在最大程度上获得地下信息同时使得采集成本最小，是地震技术中 一个还没有解决的问题。 以往，常规的三维观测系统设计方法主要是根据水平层状介质共中心点叠 加为理论基础，并根据该理论推导的公式计算采集参数，如l i n e r 【l 】等人在设计 时，通过假设炮点位于中心的片区法，通过给定六个设计参数，计算出3 d 地 震采集的目标值，这些值包括共中心点覆盖次数、共中心点面元大小、最大近 3 鼽 夥浙江人学硕士学位论文绪论 炮检距和远炮检距等观测参数，然后根据符合条件的目标值来确定采集参数。 m o r r i c e d f 2 】等人提出基于数学规划理论的最优化设计模型，简称为m k b 法。 v e r m e e r 3 】通过分析正交块状三维观测系统的参数分配对m k b 法进行了适当的 修改。尹成 4 】等人提出了利用有约束的数学规划求解优化的目标函数，实现三 维观测系统参数的最优化设计方法。 但在复杂地质构造地区，水平层状介质理论已经无法满足该区域的勘探要 求，许多公式及条文，其结论都难以应用。射线追踪法因其能够提供直观的射 线路径图，且运算速度快，对计算机硬件要求低，可以得到确定的射线轨迹和 波传播时间而广泛地应用于地震观测系统设计中。s l a w s o n l 5 】提出利用射线追踪 对地下模型进行c r p 面元属性分析的观测系统设计方法，c h a n g f 6 】提出了利用3 d 波前结构射线追踪法生成地面接收到的目标层位反射振幅图，从而确定地面检 波器的安放位置，同时根据入射角度分布图可以获知a v o 分析的最大角度，并 根据需要对观测系统的排列长度进行调整。朱海波【7 】在观测系统初设计的基础 上，对地下目的层进行射线追踪，获得真实的反射点分布和射线在地面的接收 范围，然后选择最有利的接收范围进行观测系统的调整，保证地下反射点分布 均匀；姚本全【8 】利用射线追踪模型正演确定最大排列长度，设计广角反射信号 的覆盖次数，评价观测系统的采集效果。 但射线追踪法是建立在以射线理论为基础的波动方程高频近似基础上，在 复杂构造地区应用存在着精度问题，尤其在是模拟地震波的动力学特征时。随 着高性能集群计算机技术的飞速发展，一些计算量很大的波动方程模拟方法也 逐步地应用于地震观测系统设计中。熊晓军【9 】等人提出了基于波动方程的地震 观测系统设计方法，理论模型试验结果表明波动方程正演记录的叠前偏移剖面 与原始地质模型具有很好地对应关系，而且其同相轴的能量与覆盖次数成正比， 通过目标层位的能量可以定量地分析覆盖次数的高低。蒋韬【1 0 1 等人提出了复杂 构造地区的目标导向观测系统设计方法，通过对波动方程模拟的不同道距、不 同排列长度的单炮记录进行对比选取最佳道距和排列长度。 然而在复杂构造地区，波场响应特征也尤其复杂。在炮记录中，有效反射 波，多次波、折射波、绕射波等干扰波场混杂，难以区分，仅仅依靠波动方程 模拟的单炮进行对比仍然难以选择最佳的采集参数。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 波动方程照明分析是近几年来发展起来的一项新技术，它可以直观的反映 出在确定的观测系统下地下介质中地震波能量的分布。在此方面国内外的学者 做了大量的研究，如b e r k h o u t i l l 】提出的控制照明的方法；w ur u s h a n 12 1 ，x i e x i a o b i t l 3 】等人提出的基于波动方程的3 d 地震照明分析方法。陈生昌【1 4 】提出了 对炮点和检波点位置上的波场分别应用波动方程波场传播的双程地下照明法。 l i u ( 1 5 】等人提出了对f o u r i e r 有限差分算子进行局部平面波分解，通过用小波束 分解单向传播算子的方法对采集系统进行定向照明分析。吕公河【16 】等人利用基 于采集目标的地震照明度精确模拟，将地震照明度分解为震源对地下界面的照 明度及地下反射界面对地表检波器的照明度，并通过对两种照明度的分析，确 定采集数据的信噪比和地表检波器的照明度，判断地面排列采集反射能量的均 匀性。 地震波照明分析可以评判观测系统的优劣，却难以对弱照明区域的成因进 行深入分析，不利于提出针对性解决措施，高精度的观测系统设计需要综合应 用多种观测系统分析方法。 s p i t z e r 1 刀提出了利用对合成数据的成像处理优选观测系统参数的高分辨率 地震观测系统设计方法。董良国f 1 8 】等人根据波动方程照明结果，确定针对某勘 探目的层的地面最优炮点分布范围，并利用射线追踪和波动方程模拟，分析特定 目的层各c r p 点的覆盖次数、能量贡献分布曲线以及照射能量的分布情况，最 后确定目的层的最优检波器排列方式和排列长度。尹吴海【伸】等人通过综合应用 波动方程正演、照明模拟和三维地质模型分析等多种技术手段，进行了基于目 标地质体的三维观测系统优化设计。胡中平【2 0 】等人提出在开展靶区前期地震资 料分析的基础上，利用数值模拟和物理模拟等方法开展基于采集、处理、解释 一体化的观测系统设计方法。p e d r o 2 1 】等人利用射线追踪合成不同偏移距的单 炮记录，通过单炮记录对比来选择最大偏移距，同时采取不同大小的炮距进行 模型的波动方程正演模拟采集，并在模拟数据加入不同程度的噪音后进行叠前 时间偏移，根据偏移的结果选择合适的炮距，确保所选择的观测参数在含有噪 音的情况下既缩减了采集成本又不损失地下构造的信息。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 主要技术路线及方法 根据勘探目标地区的地质地震条件、前期勘探成果以及地质任务，分析目标 地区的主要勘探难点，并建立工区相应的地质一地球物理模型。根据基于目的 层反射信号分析以及地震波场均匀、对称、连续、无假频采样的设计理念，重 点考虑实际处理技术的需求与能力，综合应用当前多种先进的模型分析技术， 针对目的层的反射进行分析，优选观测系统参数，并以模型采集数据的叠前深 度成像评判观测参数采集效果，实现复杂构造地区的三维地震观测系统优化设 计方法。 具体方法包括：物理模拟研究，c r p 面元属性研究，射线追踪研究，波动方 程照明分析，波动方程数值模拟研究，波动方程叠前深度偏移成像，观测系统 属性分析 6 浙江大学硕士学位论文方法原理 2 方法原理 地震资料的野外采集是地球物理勘探的基础，野外采集资料的质量直接影 响到勘探的效果，而采集参数的准确设计是资料采集成功的关键。在确定勘探 任务后，要收集勘探区域内的浅表层结构、地震剖面、地质解释、钻井和交通 等资料，在分析这些资料的基础上，提出采用的观测系统、接收参数、激发参 数等。目前使用较多的方法是根据理论公式进行计算，然后根据经济可行性进 行选取。 三维地震采集方法对勘探成本和成像质量都有重要影响，在技术和实用中 许多关联而又相互抵触的因素制约着三维勘探设计，比如大炮检距可以提高速 度分析精度，但随着炮检距增大，动校正拉伸严重，影响成像剖面的的分辨率； 宽方位三维可以提供更多的动力学信息，但处理技术的发展限制了宽方位三维 采集在地下构造复杂，速度场变化剧烈地区的应用。所以我们对这些方面及其 相互影响都要有一个细致的了解，并在三维勘探设计时，对每一个方面都给予 充分地考虑。因此，如何采用合理的采集和处理技术，提高三维地震勘探精度， 清晰成像，并获得最佳的地质效果是观测系统设计的最终目标，这也要求我们 不但在综合设计上，而且在若干具体技术细节和参数选择上，都必须在对客观 地震地质条件做出具体分析后才能做出抉择。 实施三维资料采集，不仅要满足目前已取得成功的各种处理和储层预测技 术的要求，同时还要适应物探新技术发展的要求，如满足a v o 油气检测技术、 p 波各向异性裂缝检测技术、a v a 技术、v v a 技术。另外，还要满足静校正处 理的需要，保证较浅的层位有一定的覆盖次数；考虑到落实局部构造，查明地 腹构造细节变化，要求有较高的分辨率，具有可操作性和较高的价值比【2 2 1 。 三维地震观测参数选择包括覆盖次数、面元尺寸、最小和最大炮检距、偏 移孔径、覆盖次数衰减带、记录长度等方面，每个参数的应用范围都有一定的 假设条件，各个参数成立的条件既互相联系，又相互制约。其中地下反射面元 是最基本单元，它的属性( 覆盖次数、炮检距和方位角的分布) 对处理效果影 响很大，如果设计的好，则三维处理的主要环节( 如速度分析、静校正等) 效 7 ：、 够浙江大学硕士学位论文方法原理 果就会很好。由面元属性及分布状况可以概貌三维整体效果，并且其大小与勘 探成本成平方反比的关系，因此在三维设计中对面元属性的分析和选择是三维 勘探成败的关键之一 2 1 参数论证 2 1 1 面元尺寸 面元边长是指在什么范围内把各道数据叠加在一起。高精度三维设计的面 元应根据纵、横向分辨率的大小、空间采样率要求、地质体的大小，合理确定 采集面元网格。面元边长的确定可考虑三个因素：目标尺度、由倾角推算的最 高无混叠频率、横向分辨率，从中可选择最小的面元网格【2 3 1 。 ( 1 ) 满足分辨最小地质体目标尺度的要求 沿着地质体的某一方向，在该地质体上应有一定的地震道数，才能在横向 上分辨，即面元边长应满足经验公式： b = d n( 2 1 ) 式中，d 是最小地质体目标尺度，b 是面元边长，1 1 是某个方向地质体上的 地震道数，通常根据资料信噪比，n 取值2 4 。 ( 2 ) 满足最高无混叠频率的要求 对于任何倾斜同相轴都有一个叠前最高无混叠频率f m a x ( 要求保护的最高 频率) ，它依赖于其上覆地层的层速度v i n t 和地层倾角0 ，其要求的最大面元边 长b 为： b = v i 。( 4 木f 。，* s i n o )( 2 2 ) ( 3 ) 满足具有较好横向分辨率的要求 地震勘探中通常f r e s n e l 带做为衡量横向分辨率的准则，在偏移前，两个绕 射的距离如果小于第一f r e s n e l 带直径，它们就不能分辨开。第一f r e s n e l 带半 径约为r = 西万，这个距离一般很大，这意味在c m p 叠加上很容易漏掉小断层。 用f r e s n e l 带衡量横向分辨率主要适用于偏移前的情况，当前进行偏移处理已经 比较常规，偏移的过程就是把激发点和接收点向下延拓，横向分辨率已经不受 浙江大学硕士学位论文方法原理 f r e s n e l 带的制约，在偏移后，横向分辨率受到偏移速度精度、采样间隔、偏移 算法、资料的信噪比因素的影响根据空间采样定理，要区分两个地质体，即 使是非常好的资料，每个视波长内至少有两个采样点，因此空间采样率是影响 偏移剖面的关键因素之一。国内外有关学者对横向分辨率的认识和讨论的文献 【2 铊7 l 认为，偏移后横向分辨率依赖于目的层段反射的最高频率。两个绕射的距 离若小于最高频率的一个空间波长，它们就不能分辨开。由于最高频率在实际 工作中很难测出，一般情况下取优势频率的波长2 个样点，这样就能得到良好 横向分辨率的面元边长。 b = v 。( 2 木f d 。)( 2 3 ) 式中，b 是面元边长，f d o m 是目标层优势频率，v i m 是上覆地层的层速度。 2 1 2 覆盖次数 水平叠加相当于一个线性滤波器，其多次叠加特性方程为渊： 以旬= 去j v 百? 善n s 访2 施 ( 2 4 ) 式中，觳，2 【时( 卜1 ) 2 川2 ；“= x ，缸；v - 引缸；口2 等峙一古) 为单位叠 加参量；x i 为最小偏移距，d 为炮点移动距离；l i x 为道间距；t 为地震波周期； t 。为地震波双程铅直旅行时；v d 为多次波速度；v 为一次反射波速度；l r l 为覆盖 次数。由此可以计算出多次叠加特性曲线，覆盖次数增加，通过带变窄，压制 带内p ( a ) 变小，对干扰波压制越好。 从多次叠加的统计效应分析，多次叠加对随机干扰也有压制作用。如果道 集内各道炮检距差别足够大，使各道记录到的随机干扰是互不相干的，则经过 n 次叠加后，随机干扰只增强i 倍。如果有效波叠加后增强n 倍，则叠后信噪 比增加i 倍。 由此，如果不考虑线性干扰、多次波影响，只考虑反射波和随机干扰，则 可以定量分析覆盖次数与信噪比的关系，即： ( s n ) s t a c k = n ( s n ) m w ( 2 5 ) 浙江大学硕士学位论文方法原理 n 是覆盖次数，( 幽) m w 为原始炮集的信噪比，( s n ) 。础为叠加后剖面的信噪 比。 2 1 3 最大炮检距选择 最大炮检距观测系统的一个重要参数。在覆盖次数一定的情况，它控制了 偏移距的采样密度；在偏移距采样间隔一定的情况下，它又决定了覆盖次数。 最大炮检距的设计要考虑以下因素【2 明：最深目的层的埋深；满足动校拉伸和速 度分析精度的要求；有效的“地震窗”。在复杂构造地区，为了接收到更丰富的 反射信息，应选择适当的最大炮检距，以确保接收到更多来自陡倾角地层和深 层的反射信息。 ( 1 ) 满足动校拉伸对信号信号频率畸变的要求 数据处理时，动校正使波形发生畸变，尤其在大偏移距处，因此设计排列 长度时要考虑浅层、中层有效波动校拉伸情况，要使有效波畸变限制在一定的 范围内。动校拉伸系数与排列长度的关系为： k f = ( 2 6 ) 七，是频率拉伸系数，一般最大为1 2 5 ，x 是最大炮检距，f 。是反射目的层 双层旅行时。v 是目的层的上覆地层均方根速度。 由此，最大炮检距取值应为： x 等厢 ( 2 7 ) ( 2 ) 满足速度分析精度要求 用速度谱求取速度，其精度和排列长度有关，排列过短，速度谱的分辨率 会降低，增大排列长度有利于提高速度分析精度。 x 1 ，、7 粤_ ( 2 8 ) 1 4 l 七， p 叫 式中，七，为速度分析精度，一般取6 ，工是最大炮检距，f 。是反射目的层 双层旅行时，v 是目的层的上覆地层均方根速度，凡是目的层优势频率。 ( 3 ) 满足有效“地震窗”条件 l o 融 夥浙江大学硕士学位论文方法原理 在判断有效“地震窗”时，可以根据原始单炮以及正演模拟中目的层的出 现情况、初至折射的干扰和c d p 道集切除等确定。在复杂构造区域，通常目的 层埋深大，倾角大，因此，需要有足够大的炮检距才能接收到来自深层的能量， 以满足有效“地震窗”条件。 2 1 4 方位角选择 随着三维p 波勘探方法的日益普及，宽方位大偏移距的采集方法越来越受 到勘探地球物理学家的重视，叠前地震道集所蕴藏的丰富地震信息在不断地摸 索中获得应用，叠前p 波方位各向异性探索性研究就是油气勘探的重要研究内 容之一。依赖于方位的p 波a v o 响应，对裂缝所含流体的检测比s 波更加敏 感，目前它是探测地下裂缝发育程度的一种较好的地球物理手段，主要包括p 波振幅方位各向异性分析技术( a v a ) 和p 波方位a v o 模拟的基本方法 ( a v o a ) 。 宽、窄方位角观测系统并没有明确的界限，通常认为【3 0 1 ，如果排列片的纵横 比小于0 5 的话，则为窄方位角观测，容易产生静校正耦合问题，难以检测与 方位有关的变化；如果横纵比增加到0 6 至1 0 之间，则为宽方位观测，良好的 方位角分布能保证叠加数据包含了面元周围所有角度的信息。宽方位采集较有 利于干扰波压制、多次波衰减、静校正求解，并且地下采样的方向较均匀 3 1 1 。 但是宽方位采集不利于沿排列方向的叠加速度估算，叠前偏移时容易产生较强 的偏移噪音，处理中存在全三维处理能力限制，并且其勘探成本较高【3 2 1 。 窄方位观测系统沿排列方向附近分布的炮检对多、大炮检对多，有利于沿 排列方向的叠加速度估算，对复杂构造地区和低信噪比地区的构造成像较为有 利。 另外，在常规资料处理技术中，三维剩余静校正技术是以地表一致性为基 本条件的，在复杂地表、地下的地震地质条件情况下，在着三维非地表一致性 问题，因此应考虑非地表一致性问题，但目前的处理方法还无法解决好三维非 地表一致性静校正问题。研究结果表明【3 3 1 ，在现行勘探程序中，对观测系统而 言，如三维排列片越窄，非地表一致性问题影响应该越小，所以，如果从做好 三维静校正的角度考虑，在目前的处理技术条件下，窄排列片比宽排列片更好 一些，这样在一个排列片内静校正的求解会更好。同时，为避免横向的不耦合 烈 够浙江大学硕士学位论文 方法原理 现象，还要求资料具有一定的横向覆盖次数，这样做实际上是加强对地表因素 ( 静校正量) 的横向约束。在实际施工滚动排列片时，接收线( 点) 有一定的 重复，会更好约束线间的静校正量，使之具有更好的耦合性。如果整体三维数 据体的静校正耦合性好，则剖面的质量就会提高。 通常认为，在低信噪比和复杂构造地区，采用利于构造成像的窄方位观测 系统；在高信噪比地区，则采用有利于储层预测的宽方位观测系统，适当提高 垂直排列方向的覆盖次数。 2 1 5 观测系统类型 从观测系统的属性来看，选择的观测系统应该是检波点、炮点分布均匀， 同时面元内炮检距、方位角分布均匀和全区覆盖次数分布均匀。同时需要考虑 地质任务以及近地表情况。 目前陆地勘探所采用的基本观测系统主要有：正交型、斜交型及砖墙型观 测系统。 正交型观测系统：形状简单，炮检距和方位角分布较好； 斜交型观测系统：小炮检距分布最好，有利于提高浅层有效覆盖次数，但 测量工作量较大； 砖墙型观测系统：将正交型观测系统的一条炮线分为两条炮线，即为砖墙 型，其小炮检距分布较好，尤其适合浅目的层层勘探中提高其有效覆盖次数， 但测量工作量很大。 图2 1 正交型观测系统示意图 1 2 够浙江大学硕士学位论文方法原理 董墼丝杰囱 ， ；| ；l l i i ；：。：| - ：- j - - i - - ，- - ) ，。- ，- _ - _ _ ，o ： ：； ： i i i i n 。：+ ： 。_ z ：_ _ l s a i l u o - n u n 。 r a n ：。 n 二 ：， 、 - ；i _ ：； 辟i 筹譬叠 炮 线 方 向 图2 2 斜交型观测系统示意图 接收线方向 一 一 一l 一0 u “卜； 一一 一 一i 一1 p 一啼叫- 删一u q 卜1 u h 一一 一 一 一 一 叫p 一州卜叫| | 喧 一 千 一 _- t ll 一 一 曩 一一一 蠹= 卜b b = 1 = ：t ：t ：彘：量| l 量j t j ：“：= b b = ：； 图2 3 砖墙型观测系统示意图 常规地震观测系统是针对水平层状介质的假设而设计的，在该假设条件下 进行地震观测系统设计，必将造成很大的偏差，从而影响对地下有效反射信息 的接收，近年来，通过建立模型，利用正演模拟技术对地震波场的动力学和运 动学特征进行分析以及利用照明等技术对观测系统进行评估的方法逐步应用到 地震观测系统设计中。 2 2 射线追踪技术 射线理论正演方法是根据模型结构和速度变化，追踪地震波在地下介质中 的运动轨迹及其经过速度界面发生的能量损失和相位变化，从而近似模拟波场 特征。它具有计算速度快，可以直观的反映射线的传播路径等特点【3 4 1 。 常规的针对水平层状介质假设的地震观测设计，指标之一就是要获得均匀 浙江大学硕士学位论文 方法原理 的共中心点覆盖次数。然而，当地下地质情况偏离水平层状介质的假设时，一 般会导致观测系统对地下同一反射层不同的覆盖次数。共反射点( c r p ) 面元 分析是针对共中心点( c m p ) 面元分析提出的，是以目标反射面元的反射点分 布信息为基础来分析面元的属性，因此c r p 面元分析更直接地反映了地下目标 层的反射信息。利用射线追踪技术可以进行c r p 面元覆盖次数、c r p 面元炮检 距、c r p 面元方位角等面元信息分析 基于费马原理、斯奈尔定律以及惠更斯原理，目前提出了较多的射线追踪 方法，主要分为三大类：打靶法，弯曲法，迭代法。我们在设计中采用了迭代 法进行射线追踪模拟 迭代射线追踪法是预先知道震源点和接收点的位置，由震源点和接收点出 发寻找射线在介质中的传播路径，并遵循费马原理，通过不断逼近的方式来获 得射线与界面的交点，迭代射线追踪问题可以描述为多元函数的极值问题【3 5 1 。 假设s 是震源点，坐标是( 工。，0 ) ，r 是接收点，坐标是( x ri0 ) ，射线的旅行 时方程为： ，：挚生 鲁1 ， ( 2 9 ) 其中 1 f = ( x f x i - 1 ) 2 + ( y ，一y i - 1 ) 2 式中，( 工，y ，) 表示射线与界面相交的第i 个交点，i = l ，2 ，2 n ，n 表示界面 序号，表示射线在第i 层介质中传播的距离，v ，表示第i 层介质速度，界面函 数记为f a x ) ，有y ，= 工( x ) 据上述的射线方程，利用函数的最小值计算方法，存在 - o t = o( 2 1 0 ) 呀f 预先给定一组射线路径与各界面交点的初始值，根据最小值计算方法在初 始值处展开并近似，可建立射线与界面交点坐标变量的方程组，通过解方程可 获得各变量的修正值，使初始值向真实值逼近；将修正值作为新的初始值，重 复上述过程，不断迭代直到满足精度要求为止，最终获得具有最小旅行时的射 线路径。 1 4 题浙江大学硕士学位论文方法原理 但射线追踪法是建立在以射线理论为基础的波动方程高频近似基础上，在 复杂构造地区应用存在着精度问题，尤其是模拟地震波的动力学特征。 2 3 波动方程数值模拟技术 由于地震波传播方程对地震波在复杂介质中传播描述的适应性及波动方程 数值解法在地震波数值模拟中的有效性，伴随着地震波理论和计算机技术的发 展，波动方程数值模拟技术从2 0 世纪6 0 年代以来得到了飞速发展，形成了目 前以有限差分法、有限元法、虚谱法、有限体积法和积分方程法为主的波动方 程数值模拟技术。有限差分模拟具有稳定、快速、易实现和频散较少等优势， 在空间域具有较高的分辨率，可以很好地适应剧烈变化的地下介质情况，因此 是目前应用最为广泛的波动方程数值模拟方法。 波动方程数值模拟采用将速度( 应力) 对时间的奇数阶高阶导数转化为应 力( 速度) 对空间的导数的方法，通过交错网格与高阶差分的结合，求解二维t i 介质一阶速度一一应力弹性波方程【3 6 1 。 ( 1 ) 时间上2 m 阶差分近似 在用交错网格法数值求解一阶弹性波方程时，速度和应力分别是在f + 掣和 f 时刻计算的。为了提高时间差分精度，利用t a y l o r 公式，可以得到2 m 阶精 度的时间差分近似，如： k ( r + 譬 ：u ( ，一分姜南滢厂筹v ，+ 出w ) 眈j 其中，为时间步长。m = i 时，( 2 1 1 ) 式即为传统的二阶精度差分近似。 直接计算式中的竺二、，要涉及过多的时间层，需要较大的内存量。为此， a 2 “一1 。 可以将速度对时间的任意奇数阶高阶导数转嫁到应力对空间的导数上去，将应 力对时间的任意奇数阶高阶导数转嫁到速度对空间的导数上去。这样，在计算 一个时间层上速度( 应力) 场时，只需要前一时间层的速度( 应力) 场，以及 之间的应力( 速度) 场，不需要过多的时间层，从而节省了内存。 如2 m = 4 时，( 2 1 1 ) 式变为： 略( f + 学) = ( ，一譬) + 詈 等+ 旦纠+ 浙江大学硕士学位论文方法原理 + 等f c l l ( 争+ 芸薏等+ 瓮一譬薏+ 貉， c 文等+ 等一c + 等一c 簧+ 象，1 1 2 ( 2 ) 空间上2 n 阶差分近似 在交错网格技术中，变量的导数是在相应的变量网格点之间的半程上 计算的。为此，我们用下式计算方程中的一阶空间导数： 要= 击萎c ， f x + 等( 2 n 一1 ) 一f x 一等( 2 n 一) ) + 。c x 2 ”，眈j 3 ( 2 1 3 ) 式中待定系数c ，的准确求取是确保一阶空间导数的2 n 阶差分精 度的关键。将士+ 等( 知一1 ) 和l 一等( 2 ，i 1 ) 在x 处用t a y l 。r 公式展开后可以发现， 通过下列方程组即可求得待定系数c ，。 135 1 33 35 3 1 53 55 5 1 2 n - 13 2 n - 15 2 纠 c ：n c c 7 ； 鲽 ( 2 1 4 ) 这种求解一阶弹性波方程的交错网格高阶差分解法，与常规的有限差分法 以及交错网格低阶差分法相比，具有网格频散小、精度高、稳定性好的特点。 2 4 地震物理模拟技术 地震物理模型技术就是用一定的材料，按一定的比例，制造出与实际地质 构造在形态、结构和物性各方面的主要特征相当的物理模型，并在实验室里对 此物理模型模拟地震勘探的野外采集，并对数据进行处理，以研究地震勘探的 野外工作方法技术，处理方法和资料解释的理论和实际问题。同数学模型相比， 物理模型能更全面地反映复杂地层岩性或构造形态的地震波场特点，这也是物 理模型技术越来越受到重视的原因。但物理模型制作起来比较复杂，成本高， 修改模型远不如数学模型方便。 ，妒驴 脚 。1 唧w ：巾 烈孙孙；卅 * 目* 女 i 月 霆囊 囤2 , 4 二雏物理模型示意田及接收数据处理剖面 2 5 波动方程照明技术 波动方程照明技术是近几年来发展起来的一项新技术，它能有效的克服射 线追踪涪在复杂构造区的不足。照明分析可以进行面向目标照明的采集与成但。 对于指导宴际采集中面向地质目标的勘探研究具有重要价值进行波场照明分 析，针对目标成像优化观测系统布设，提高地质目标的成像精度，使目的层得 到最佳成像照明是观剥系统研究发展的一个方向同时，溃场照明分析技术也 可对实际地震资料进行分析，以预计和改善地震戒像瞬效果 当前主要有垒嫂场有限差分照明以及基于单程被算于的照明方法全泣场 有限差分照明由于忽略7 地震波传播的方向信息只能进行整体照明分析，难以 得到与地层倾角有关的照嚷信息，同时其昂贵的计算开销也限制了该方法在实 际中应用，基于单程渡算子的照明方涪由于其具有的快速高教、能提供地下 构造倾角方向的能量分布等优势而得到广迁应用