（地球探测与信息技术专业论文）斜井vsp射线追踪正演模拟.pdf

摘要 斜井v s p 射线追踪正演模拟 作者简介：仇燕，女，1 9 8 2 年0 7 月出生，2 0 0 5 年0 9 月师从于成都理工大学李 录明教授，于2 0 0 8 年0 6 月获硕士学位。 摘要 v s p 是一种井中地震观测技术。与地面地震相比，v s p 资料信噪比高，分 辨率高，波的运动学和动力学特征明显。v s p 技术提供了地下地层结构同地面测 量参数之间最直接的对应关系，可以为地面地震资料处理、解释提供精确的时深 转换及速度模型，可以可靠识别地震反射层地质层位，改善地面地震资料解释效 果，甚至可以利用v s p 资料研究岩性和储层物性，所以，v s p 技术是一种很有 前途的地震观测技术。随着斜井v s p 技术的发展，斜井v s p 模型技术也变得备 受关注，现已成为垂直地震方法中的一种重要手段。斜井v s p 模型技术可以帮 助斜井v s p 的野外施工设计、选取最佳采集参数；可以帮助识别斜井v s p 波场 特征，确定适合的波场分离方法，选择处理参数；还可以用来检验斜井v s p 处 理新方法和最终解释成果，因此开展斜井v s p 砸演模拟研究就显得非常有必要。 本文首先分析了v s p 法基本特征，对v s p 上的地震波类型和特点作了阐释， 在详细研究v s p 观测系统的基础上选择了一种合适的观测系统对地震波进行研 究。针对二维和三维斜井v s p 模型，利用迭代射线追踪方法进行正演，研究地 震波的运动学特征。同时考虑到分界面处能量分配规律，计算了射线与界面的入 射角，并将计算出的入射角代入z e o p p r i t z ，求取对应的反射系数和透射系数。 最后利用计算出的反射透射系数与理论地震子波褶积合成理论的v s p 记录。 本文从射线理论的程函方程出发，研究完成了二维及三维斜井v s p 两点射 线追踪正演方法、处理流程和计算程序，形成了具体的正演算法，实现对理论斜 井v s p 模型的射线追踪走时计算，同时利用射线追踪所得射线参数，考虑了地 震波射线的能量特征。通过多个模型的试算检验了方法的正确性。正演模拟了单 层、多层反射波，变偏移距的直达波，二维、三维斜井中的各种波正演模型。经 正演模拟，可直观看到直达波、反射波的射线轨迹，也可了解勘探范围及各种波 的时距关系，能量变化特征。正演结果正确反映了纵波、转换波的运动学特征和 随偏移距变化的振幅规律，同时试算结果也表明了方法适应二维和三维的正演。 本文选用的迭代射线追踪方法理论上可以用于计算任意形态的光滑界面，经 成都理工大学硕士学位论文 过验证，本方法具有精度高，速度快的优点，可以达到任意给定的精度。本文利 用合成v s p 记录的流程，通过编制c 语言程序完成了斜井v s p 的正演。正演的 结果与理论分析基本一致，说明了本文所采用的研究思路和算法是可行的，从而 为反演研究打下坚实基础。 关键词：斜井垂直地震剖面射线追踪 理论模型正演 i i a b s t r a c t t h er a yt r a c i n gf o r w a r d m o d e l i n go fv s p i nd e v i a t e dw e u i n 仃o d u 商o no fa u t h o r ：q i u ，f - 锄a l e ，b o mi nj u l o f19 8 2 ，w a s 黟a 1 1 t e dt h e m a s t e r 舶mc 1 1 e n 酣uu n i v e r s 毋o ft e c h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o r “ l u m i n g a b s t r a c t v s pi sas e i s m i cs u r v e yt e c h n o l o g yi nw e l l s c o m p a r e dw i t hs u r f a c es e i s m i c t e c l l l l 0 1 0 9 y ，v s ph a sah i 曲e rs nr a t i oa n dr e s o l u t i o n ，a 1 1 d i t sw a v e s m o t i v e 觚d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r em o r ec o n s p i c u o u s v s pt e c h n 0 1 0 9 yp r o v i d e sam o s t d i r e c t l yc o 仃e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n d e r g m u n ds t r a t l l m s t n 】c t l l r e s锄d s u 血c es u r v e yp a r 锄e t e r s i tc a np r o v i d ep r e c i s et i m e - d 印t hc o n v e r s i o na n dv e l o c i t y m o d e lf o rp r o c e s s i n g 觚di n t e 印r e t a t i o no fs u r f a c es e i s m i cd a t a i tc a l le x a c t l yi d e n t i 匆 g e 0 1 0 西cs t r a t u mo fs e i s m i cr e f l e c t i o na n di m p r o v em ei n t e 印r e t a t i o ne 仃e c to fs u r f a c e s e i s m i cd a t a w ec a ne v e nd oar e s e a r c ho nl i t h 0 1 0 9 ya i l d p h y s i c a lp r o p e r t yo f r e s e r v o i r b yu s eo fv s pd a t a t h u s ，v s pi sap r o m i s i n gs e i s m i cs u r v e yt e c h n 0 1 0 9 y w i m t h ed e v i a t e d w e l lv s pt e c h n 0 1 0 9 yd e v e l o p m e n t ，m ed e v i t e dw e l lv s pm o d e l t e c h n 0 1 0 9 yh a sb e c o m eo fc o n c e n l ，t h ev s pm o d e lt e c l m o l o g yh a sb e c o m ea n i n 】i p o r t a n tm e a n sf o rt h ev e r t i c a ls e i s m i cm e t h o d d e v i a t e dw e nv s pm o d e l t e c l l i l 0 1 0 9 yc a i lh e l pd e v i a t e dw e l lv s pd e s i g l li nt h ef i e l da n ds e l e c tt h eb e s t a c q u i s i t i o np a r 锄e t e r s ；i tc a nh e l pi d e n t i 矽t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a v e 矗e l do f d e v i a t e dw e l lv s p ，c h o o s et h es u i t a b l em e t h o df i o rt h es 印a r a t i o no fw a v ef i e l da i l da p r o c e s s i n gp 撇e t e r s ；i tc a l la l s ob eu s e dt o t e s td e v i t e dw e l lv s pt od e a lw i 也n e w m e t h o d sa n dt h ef i n a li n t e i p r e t a t i o no fr e s u l t s ，s oi ti sv e 叫n e c e s s a r yt ot h ev s p f o n ) i ，a r ds i m u l a t i o nf o rt h ed e v i a t e dw e l l t h i sp 印e ra n a l y z e st h eb a s i cc h a r a c t 甜s t i c so fv s p a n dt h e ne x p l a i n st h et y p e a 1 1 dc h a r a c t e n s t i c so fs e i s m i cw a v eo nt h eb a s i so fv s p ，f i n a l l yd e t a i l e ds t u d i e st h ev s p o b s e a t i o nm e t h o d s ，o nb a s e do nt h i ss e l e c t sas u i t a b l eo b s e r v a t i o ns y s t e mf o rt h e s e i s m i cr e s e a r c h t h ep a p e ru s e di t e r a t i v er a y - t r a c i n gm e t h o dt op e r f o n nv s pf o 刑a r d f o rm et w o d i m e n s i o n a la n dt 1 1 r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 柚d 如n h e rs t u d i e dt h e k i n e n l a t i c a lc h a r a c t e d s t i c so fs e i s m i cw a v e s a tt h es 锄et i m e ，c o n s i d e r i n gt h e 成都理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c ee l l e r g yd i s t r i b u t i o n ，s ot h a tt h ei n c i d e n ta n 百eb e t w e e ni n t e 血c e sa 1 1 dr a y si s f i r s t l yc a l c u l a t e d ，t 1 1 e 1 1b ys u b s t i t u t i o no f m ea n 西eo b t a i n e d 丘o ma b o v ea 1 1 a l y s i si n t o t l l ez e o p p r i t z ，m ec o n e s p o n d i n gr e n e c t i o nc o e 伍c i e n ta i l dt r a i l s m i s s i o nc o e 伍c i e i l tc a i l b eo b t a i n e d f i n a l l y ，t l l er e n e c t i o nc o e 硒c i e l l ti sc o n v 0 1 v e dw i t ht h em e o r e t i c a l s e i s m i c w a v e l e tt os y n t l l e s i st h et h e o r e t i c a lv s pd a t a f r o mt h ee i k o n a le q u a t i o no fr a yt h e o r y t h i sp a p e rc o m p l e t e d t h e t w o d i m 锄s i o n a la i l dt h r e e d i m e n s i o n a ld e v i a t e dw e nv s pf 0 刑a 1 d 似op o i n t sr a y t m c i n gm e m o d s 、p r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i o np r o c e d u r e s ，f o m das p e c i f i cf o 刑a r d a l g o r i t h m ，a c h i e v e dt h ed e v i a t e dw e l lv s pt h e o r e t i c a lm o d e lo fr a yt r a c i n gp a t h ， w h i l eu s i n gm yt r a c i n gr a y s 丘o mt h ep a r 锄e t e r s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es e i s m i c w a v e r a ye 1 1 e r g yc h a r a c t e r i s t i c s nt e s t st h ev a l i d i t yo ft h em e t h o dt h r o u 曲m u l t i p l e m o d e ls p r e a d s h e e t t h ef o n a r ds i m u l a t st h es i n 酉e 一1 a y e r ，m u l t i 一1 a y e r e dr e n e c t i o n w a v e ，v 撕a b l eo 行s e tm ed i r e c tw a v e ，v 撕o u sw a v e so ft h ef o n a r dm o d e li n2 da i l d 3 dd e v i a t e dw e l l b yt h ef 0 刑a r dm o d e l i n g ，w en o to n l ys e et h ed i r e c tw a v ei n t u i t i v e a n dt h er e n e c t e dw a v e r a yt r a j e c t o r y ，b u ta l s ou n d e r s t a n dt h ee x p l o r a t i o na r e aa n dm e v 撕o u sw a v e so ft h et i m e d i s t a l l c er e l a t i o n s h i pa n de n e r g yc h a r a c t e r i s t i c s f o 刑a r d r e s u l t s a c c u r a t e l y r e n e c tm ep w a v e ，m ew a v eo fc o n v e r s i o n sk i n 锄a t i c c h a r a c t e 矗s t i c so fm eo 凰e ta n da m p l i t u d ec h a n g e si nm e1 a w ，a tm es 锄et i m e s p r e a d s h e e t r e s u l t sa l s o s h o wt h a tm em e t h o dt o 铆。一d i m e n s i o n a la 1 1 d t b r e e d i m e n s i o n a lf o r 、v a r d 1 1 1 i sp a p e ri m o d u c e si t e r a t i v er a y - t r a c i n gm e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t e a n yf o 肌o fs m o o t hi n t e m c ei nt h e o 够t h i sm e t h o dh a sb e e l lv 嘶f i e db yah i 曲 a c c u r a c y 锄ds p e e da d v a n t a g e s ，s oi t c a i la c h i e v ea i l y 百v e l la c c u r a c y b a s e do nt h e s y n t h e s i cv s p d a t af l o w ，t h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g eo fcp r o 伊锄t or e a l i z et h ed e v i a t e d w e l lv s pf o n a r d t h ef o n ) l ，a r dr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h i c h p r o v e sm a tm er e s e a r c hm i n l ( i n ga i l da l g o r i t h mu s e di nt h i sp a p e ra r ee 伍c i e n ta 1 1 d c o n e c t ，a n dc a nl a yas o l i df o u n d a t i o hf o ri n v e r s i o ns t l l d y k e y w o r d s ：d e v i a t e dw e l l v m i c a ls e i s m i cp r o f i l i n g r a y - t r a c i n g t h e o 巧m o d e h o r w a r d i v 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。据我所知，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，也不包含为获得威都理工太堂或其他教 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： 仇荡 硼年岁月) o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理工太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂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，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：仇壅 学位论文作者导师签名： 绣狮 沙d 年6 月y 日 第1 章引言 1 1 研究目的和意义 第1 章引言 多年以来，地震勘探工作一直是在地面布置测线，设置排列，这种方法称为 地面地震勘探方法，所得剖面是常规的地震剖面。近些年来，出现了在井中与地 面结合起来设置观测系统的地震勘探方法。该方法在地表附近激发，在井中不同 深度布置一些检波器进行观测，即：检波器放在井中，测线沿井孔垂向布置，所 以这种方法称为垂直地震剖面法，简称为v s p ( v c 柏c a ls e i s m i cp r o f i l i n g ) 。当前 v s p 法大多采用在地面设置震源来激发地震波，而在井中安置检波器的观测方 法。 v s p 是一种井中地震观测技术。与地面地震相比，v s p 资料信噪比高，分 辨率高，波的运动学和动力学特征明显。v s p 技术提供了地下地层结构同地面测 量参数之间最直接的对应关系，可以为地面地震资料处理、解释提供精确的时深 转换及速度模型，可以可靠识别地震反射层地质层位，改善地面地震资料解释效 果，甚至可以利用v s p 资料研究岩性和储层物性，所以，v s p 技术是一种很有 前途的地震观测技术。 地球物理勘探中有两类问题，一类是正问题，一类是反问题。一般来说，正 问题即已知场源和介质的地球物理参数分布( 包括地质体形态和岩石物性) 求地 球物理场的空间分布和时间变化( 地球物理响应) ，反问题即已知地球物理场的 空间分布和时间变化求场源和介质的地球物理参数分布。显然，地球物理勘探的 直接目标是解反问题，但为了解反问题，首先需要解正问题，两者是互相关联的。 v s p 作为一种地球物理勘探方法也有这两类问题。正问题，即已知震源激发 特征，井和震源即接收点之间的几何布置，井旁地层和岩性的分布，求垂直排列 上地震波的运动学和动力学响应。反问题，即已知垂直排列上的波场响应，求井 旁构造形态和地层岩性特征。v s p 的直接目的也是解反问题，为了解反问题首先 也要解正问题。 近年来正演模型技术已成为地震资料采集、处理和解释工作的一个不可缺少 的分支。在地震j 下演中，正演模拟技术贯穿于地震数据采集、处理和资料解释的 各个环节，是进行地震反演的基础，是认识和研究地下地质结构的最有效手段。 在地震数据采集阶段，根据己知的勘探工区资料，建立目标模型，通过正演模拟， 了解反射信息和波场分布特征；在地震数据处理阶段，通过建立正演模型和正演 成都理工大学硕士学位论文 模拟可以了解有效波的波场特征及其变化规律，以便压制干扰信号和准确进行地 下构造成像；在地震资料解释阶段，可根据解释结果进行正演模拟，通过对比来 验证解释结果是否正确，还可通过模型正演了解地下波场的细微变化，提高解释 的精度。总之，模型正演技术在地震勘探领域发挥着非常重要的作用，也一直是 地球物理工作者关注和致力研究的重要课题之一。 近些年来，v s p 作为一种新兴的地质探测技术，在我国已从引进、试验进入 应用阶段。随着v s p 应用研究的不断深入，成功地解决了能源、工程等领域内 的许多难题。模型技术在v s p 的理论研究、资料的采集、处理及解释中都具有 十分重要的意义。2 0 世纪8 0 年代以来，制作v s p 模型日益受到勘探学者们的重 视。 以前主要研究零偏移距直井v s p ，零偏移距平界面的v s p 射线追踪模型是 一种只考虑波的运动学特征的最简单的模型，它可以提供近似的、总体的v s p 地震响应的情况。随着斜井v s p 技术的发展，斜井v s p 模型技术也同样成为垂 直地震方法的重要手段，其应用范围主要表现在以下几个方面： ( 1 )帮助斜井v s p 的野外施工设计，选取最佳采集参数，以取得最好的 勘探效果； ( 2 ) 帮助识别斜井v s p 波场特征，确定适合的波场分离方法，选择处理 参数； ( 3 )检验新的斜井v s p 处理方法，以便确定该方法的j 下确性及可行性； ( 4 )验证最终解释成果。这是通过选用适当的模型，将获得的斜井v s p 响应与实际资料进行反复对比，修改，以期达到两者最好的吻合，进而验证解释 成果的可靠性。 因此，对斜井v s p 进行正演是非常有必要的。 1 2v s p 发展历程 1 2 1 基本原理和早期思想的提出 将震源或检波器放在井中进行勘探的基本思想发源于地震勘探的初期，可追 溯到本世纪二十年代。f e s s e n d e n ( 1 9 1 7 ) 的专利是这方面的第一个文献。后来， b a n o n ( 1 9 2 9 ) 曾参考f e s s e n d e n 早期的工作，介绍井中地震测量的可能应用。m c c 0 1 l u 姗和l a r u e ( 1 9 3 1 ) 明确建议，通过测量地表震源到井中地下检波器的旅 行时来确定局部地质构造，他们介绍了用深井检波器探测盐丘的方法。这些建议 2 第1 章引言 实际上已经包含有垂直地震剖面的基本原理，但是西方地球物理学家并没有把这 些井中勘探的思想发展成为v s p 方法。三十年代末，d i x ( 1 9 3 9 ) 提出利用井中 检波器测量时一深曲线和时间速度关系，导致地震测井技术的发展。这对地表地 震资料解释的价值是无法估量的，但是地球物理学家们仍然没有继续前进，将这 种具有肯定物理和地质前提的井中地震方法发展为同时观测和利用续至波的垂 直地震剖面。 1 2 2 形成为一种新的观测方法 五十年代，除苏联地球物理学家外，西方j 0 1 l y ( 1 9 5 3 ) ，r i g g s ( 1 9 5 5 ) 以及 l e v i n 和l y l l n ( 1 9 5 8 ) 的著作，都曾强调井中地震的潜力，他们阐明，如果井中检 波器不仅用于记录初至波，而且研究直达波后面的续至波，有可能更严格地研究 波的传播，说明一次反射和多次反射之间的相互关系，研究地震子波的衰减。他 们的这些观点实际上就是v s p 的基本内容。但是西半球对v s p 仍然没有发生真 正的兴趣。与西方不同，苏联在加尔彼林院士的领导和组织下，从五十年代开始， 经过六十年代到七十年代，一直进行坚持不懈的努力，从而研制了v s p 观测的 专门的仪器系统，试验了成套的野外工作方法，并发展了相应的解释理论基础， 使v s p 成为一套完整的、独立的、新的观测方法。1 9 7 3 年，加尔彼林的专著垂 直地震剖面就是对苏联十多年试验研究工作的极好描述和总结，给v s p 的发 展奠定了基础。此后，加尔彼林和他的同事们仍然继续这方面的研究，主要集中 在v s p 三分量观测和波的偏振以及v s p 的广泛应用方面。直到2 0 世纪7 0 年代 末，西方仍只有少数地球物理学家对v s p 发生兴趣。 1 2 3 工艺发展和广泛应用 随着石油勘探进入复杂构造和地层岩性油藏等困难地区，地震勘探的成本日 益增高，成功率却逐渐下降，这就迫使各石油公司积极寻求新的技术，因而它们 对v s p 的兴趣也逐渐增加。正是在各个石油公司的推动下，从1 9 7 9 年到1 9 8 2 年，经过短暂几年的时间，v s p 就迅速在西方全面推广，并且有了进一步的发展。 出版了大量有关v s p 技术的论文和文章以及研究成果，使得v s p 在野外采集、 资料处理以及解释，尤其是探测复杂构造和地层岩性解释方面取得重大突破，极 大地促进了v s p 技术的发展和应用。截止到目前为止，美国地质调查局、s s c 公司、c g g 公司、a r c 0 公司、s c h l u m b e r g e r 测井公司，以及几乎所有大的石 油公司都在无一例外地竞相利用v s p 技术。h a r d a g e ( 1 9 8 4 ) 所著的垂直地震 3 成都理工大学硕士学位论文 剖面部分a ：原理在某种程度上也是西方数年在v s p 工艺和应用方面发展的 总结。 我国自从1 9 7 8 年从西方间接见到关于加尔彼林专著垂直地震剖面的英 文译本之后，石油工业界立即组织力量进行翻译，并在石油地球物理勘探上 系统进行了介绍。最近几年，随着每年s e g 年会上v s p 论文数目的增加，国内 对此项新技术的重视也逐年增长，一方面引进推广，一方面自力更生试验，形成 热潮。目前，我国和西方一样，v s p 也是地球物理勘探中最活跃的领域之一。 1 3v s p 正演研究现状 八十年代以来，制作v s p 模型日益受到勘探学家们的重视，很多作者陆续 发表了一些文献。k d w y a t t ( 1 9 8 1 ) 首先提出利用一维波动方程分解制作一维 v s p 合成记录的s v s p 方法；d c g a n l e v ( 1 9 8 1 ) 在制作这种一维合成记录时， 进一步考虑到吸收和品质因数的波散效应；接着k d w y a f f 和s b w y a t t ( 1 9 8 1 ) 又提出二维情况的射线追踪模型，并用于v s pc d p 迭加；b a h a r d a g ( 19 8 3 ) 在 其专著还谈到制作三维v s p 模型的意义；t k y 0 1 1 1 1 9 ( 1 9 8 4 ) 比较了七种制作 v s p 模型方法的优缺点和适用场合。在国内，朱光明等( 1 9 8 5 ) 发表了零偏移距 v s p 射线追踪模型，接着在1 9 8 6 年他又发表了v s p 非零偏移距任意界面渐近射 线追踪模型；王成礼等( 1 9 9 6 ) 提出了垂直入射斜井v s p 的正演模型；胡建平 ( 1 9 9 8 ) 发表了变偏移距v s p 射线追踪模型；卞爱飞等( 2 0 0 6 ) 提出了基于体 元模型的三维v s p 射线追踪；本文主要利用射线追踪方法对二维和三维v s p 理 论模型进行正演。 1 4 研究的内容和思路 本文用射线追踪方法分别对二维和三维斜井v s p 理论模型进行正演，具体 说来，本文内容可分为以下四个部分： ( 1 ) v s p 勘探基本方法。该部分首先概括了v s p 法基本特征，然后对v s p 上的地震波类型和特点作了阐释，最后讨论了v s p 观测方法，包括零井源距观 测系统、非零井源距观测系统、斜井v s p 观测系统和逆v s p 观测系统，重点对 斜井v s p 观测系统进行介绍，选择了一种合适的观测系统进行研究。 ( 2 ) v s p 射线追踪模拟。本文详细论述了射线理论，运用迭代射线追踪方 法对给定的地质模型进行射线正演，用以合成v s p 记录。 4 第1 章引言 ( 3 ) 合成v s p 记录。每一接收点所有到达的波按射线追踪求出的走时先后 构成振幅系列；震源子波与此振幅时间系列相褶积，从而得出该接收点的一道 地震记录。不同深度的地震记录道按深度顺序排列起来，就是所要制作的v s p 合成地震记录。 ( 4 ) 对得出的结果进行对比和分析，验证本方法的正确性和有效性，使正 演得出的结果能有利的指导反演。 成都理工大学硕士学位论文 2 1v s p 基本特征 2 1 1v s p 的特点 第2 章v s p 勘探方法 v s p 就是在地面激发地震信号在井中不同深度上用检波器接收并记录地震 信号的技术。进行v s p 观测，要有以下基本条件：( 1 ) 井孔；( 2 ) 震源；( 3 ) 井下检波器；( 4 ) 记录仪器系统，如图2 一l 所示。在地面地震勘探中，震源和检 波器都布置在地面上；而在垂直地震剖面中，检波器是布置在与震源垂直方向上， 这两种观测技术的差异可以通过图2 2 来说明。图2 2 中，布置在地下深处的检 波器对上行和下行地震波都有反应，而在地面的检波器只能记录到地震反射波。 与地面地震相比，v s p 具有以下特点： ( 1 ) 接收点分布在介质内部。v s p 法的测井检波器是被安置在井中，故v s p 的接收点是分布在被测介质内部的，因此，它可用接收点的垂直方向分布形式来 研究地质剖面的垂向变化，而地面地震观测则是以接收点在地表的水平方向分布 形式来观测和研究地下地质剖面的垂向变化的，所以，前者能更明显、更直接地 反映波的运动学和动力学特征。 ( 2 ) 可记录研究对象的“单一”地震波。由于v s p 的测井检波器置于井中， 故可将其放置在被测地层界面之上、附近或其中间，因此检波器可直接记录由震 源产生而传播到所研究对象的“单一”地震波。而常规勘探由于检波器置于地表， 故只能间接接收由震源产生而又返回地表的双程地震波。 ( 3 ) 干扰因素少。v s p 在井中观测可以避免或减少地面以上的自然干扰； 而地面地震测量则所受干扰因素较多。所以，前者是易于波的记录和识别。 ( 4 ) 可记录上行波和下行波。v s p 在井中观测，即可记录到来自观测点下 方的上行波( 如反射波) ，又可以记录到来自观测点上方的下行波( 如直达波) ， 而地面地震测量只能记录到上行波，是无法记录到下行波的，因此在垂直地震剖 面上，波的信息是很丰富的。 6 第2 章v s p 法勘探方法 v s p 并 图2 1v s p 野外施工示意图 ( 口) 曳 q r 一 、 涉一 1 ，、 ，“ 、- r 。， 一 图2 2 常规地面观测( a ) 与v s p 观测( b ) 的比较 2 1 2v s p 与地震测井区别 ( 6 ) v s p 类似于以速度为目的的地震测井技术，然而，v s p 又不同于地震测井， 表现在以下几个方面： 7 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 后者只利用记录的初至波，而前者不仅利用记录上的初至波，也要利 用记录上的续至波，例如上行一次反射波等； ( 2 ) 后者的观测点距( 深度间隔) 通常较大( 1 0 0 米到数百米) ，而前者的 观测点距很小( 典型的是1 0 到2 5 米) ； ( 3 ) 后者只利用震源在井口附近的零偏移距观测系统，而前者的观测系统 则多种多样，主要有：零偏v s p 、非零偏v s p 、变偏( 移动震源) v s p 、多方位 变偏v s p 、逆v s p 、随钻v s p 等； ( 4 ) 后者的目的主要是测定波速，而前者的目的主要是研究井旁地层剖面 及在实际地质介质中研究波的形成和传播规律； ( 5 ) 后者作为一种技术从原理上来说是很简单的，而前者在其发展过程中 已经研制了专门的仪器系统，试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。 v s p 由于有这些“先天性”的优点，所以得到日益广泛的应用，最近几年更 是世界范围内地球物理勘探中最活跃的领域之一。利用v s p 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，从而反过来又可改善地表 地震资料关于构造、地层和岩性的解释。 2 2v s p 中的主要地震波 2 2 1 初至直达波 直达波是由震源点出发向接收点直接传播的波，即依次到达井内各观测点的 初至波。直达波也称下行波，其波的旅行时间随观测点深度增大而增大，形成的 初至同相轴具有正的视速度，如图2 3 ( a ) 所示。 2 2 2 一次反射波 一次反射波是由震源点出发向下传播，遇到反射界面并由反射界面向上反 射，然后传播到观测点的波。一次反射波旅行时间随观测深度增大而减小，且只 有当观测点位于界面之上时才能记录到它，其同相轴具有负的视速度，如图2 3 ( b ) 所示。 第2 章v s p 法勘探方法 2 2 3 多次波 v s p 上多次波有上行多次波和下行多次波，凡是来自检波器以下的多次波都 是上行多次波，其旅行时随观测点深度增加而减小，其同相轴具有负的视速度， 如图2 3 ( c ) 所示。反之，凡是来自检波器以上的多次波都是下行多次波，其旅行 时随观测点深度增加而增大，其同相轴具有正的视速度，如图2 3 ( d ) 所示。 1 ) 上行波 凡是接收来自观测点以下各种路径的波( 无论是一次波或多次波) 统称上行 波。 2 ) 下行波 凡是接收来自观测点以上各种路径的波( 无论是初至或多次波) 统称下行波。 图2 3 ( e ) 是一张假想的v s p 记录剖面。1 表示由最初震源点激发产生的下 行直达波和一次反射波，用重粗线表示；2 表示由界面1 反射回来的波到达地表 后，经地表反射重新产生的“下行直达波 和“一次反射波”，用中粗线表示， 实际上都是多次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波；3 表示由界面2 反 射回来的波到达地表后，经地表反射重新产生的“下行直达波”和“一次反射波”， 用细线表示，实际上也都是多次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波。 os x os x 循 _ r 9 n 么一 逸 r 成都理工大学硕士学位论文 一一 一 r 膳一 嵫 r 一一 厶1 ， v1 忙i 图2 - 3v s p 上几种主要地震波及其记录剖面 ( a ) 下行直达波；( b ) 一次反射波；( c ) 上行多次波；( d ) 下行多次波；( e ) v s p 记录剖面 上述几种波是v s p 中的主要地震波，明确了这些波可以方便的对模型进行 正演。 2 3v s p 观测方法 进行v s p 测量时，通常将地震震源布置在地面或地表附近，并在井中按相 间较近的距离放置检波器。从原理上讲，地面一次激发，井中各深度点上检波器 同时接收获得一张多道的垂直地震剖面。从实际情况考虑，在充满泥浆具有高温 高压的深井中，要在各个深度点上同时记录地震波在技术和设备上是有许多困难 的，所以在生产中，往往是采用单道或几道沿井逐点进行多次观测，最后将多次 观测的记录拼成一张多道记录，如果震源稳定，重复性好，则这种单点测量多次 观测的方法与多点测量一次观测的方法，其效果基本是一致的。地面震源偏离井 1 0 第2 章v s p 法勘探方法 口的水平距离称为偏移距或井源距。在实际生产过程中，为了适应各种不同的 v s p 采集任务，出现了各种不同的观测方法，设计了各种不同的观测系统。按震 源、检波器和井三者空间位置组合关系可分为零并源距v s p 观测系统、非零井 源距v s p 观测系统、变井源距观测系统等。 2 3 1 零井源距观测系统 从原理上讲，零井源距是使震源位于观测井的井口之上，如图2 4 所示。当 地下界面水平时，零井源距是不能探测井深周围的地质情况的。当地层倾斜时， 地层的探测范围随地层倾角而变化，探测范围可用虚震源到起止观测点的两条直 线所限的界面长度确定。而实际上，不可能使震源点位于观测井的井口之上，一 般距观测井井口都有一定的距离。最大井源距约百米，小则几十米，且震源位置 固定。每激发一次，测井检波器由井底向上提升一次。检波器间隔一般为2 0 m 左右，最小距离3 m ，最大5 0 m 左右，当求取速度时，一般采用等间距观测。若 研究波的衰减或某一有意义的目的层时，则采用小间距观测。用零偏移距获得的 资料，在纵向上有较高的分辨率，但在横向上仅是一个菲涅尔带的反射，因此零 偏移距的v s p 也称为一维v s p 。 q 一 致。 q h 4 一 ( 口)( 6 ) 图2 4 偏移距与探测范围的关系 2 3 2 非零井源距观测系统 非零井源距的震源固定在离所测井一定的位置上，其检波器由下向上提，其 井源距的大小，根据目的层埋藏深度而定。井源距和可能勘探的界面范围之间的 关系如图2 5 所示，当界面水平时，且井为垂直井时，非零偏移距则可勘探从观 成都理工大学硕士学位论文 测井到震源一半距离的界面范围。当界面倾斜时，勘探界面的范围与倾角有关， 勘探范围可用虚震源到井中最浅和最深的两个检波点所引直线截取的界面段近 似地确定。显然，对于同样的偏移距，地层上倾方向的探测范围大于地层下倾方 向的探测范围，所以在生产中，将震源设在地层上倾方向是有利的。 2 3 3 逆v s p 观测系统 ( 口) ( 6 ： 图2 5 偏移距与探测范围关系 逆v s p ( r v s p ) 就是在井中放炮，地面布置在检波器接收的一种观测方式， 如图2 6 所示。逆v s p 技术的特点是在井中激发，地面接收，作业效率有很大 的提高。井中激发，地面全方位接收，扩大了井周附近区域的覆盖范围，增加了 信息量、提高了资料的应用价值，为v s p 技术的发展拓宽了空间。 随钻v s p 测量( 利用钻头噪声作震源) 作为r v s p 技术的一种，具有资料 应用的实时性，可以对钻前地层进行预测，在钻头尚未钻开地层之前进行标志层 识别、归位，确定层速度，对钻头周围及前方目标成像，是钻前预测的有力工具。 1 2 第2 章v s p 法勘探方法 一r j 忑i i 1 1 1：圊 1 1 1 1 1 1 悃 2 3 4 斜井v s p 观测系统 图2 石逆v s p 观测系统 v s p 除在垂直井中观测外，也可以在斜井中观测。一般来说，在垂直井中观 测比在斜井中简单、效率高、成本低、资料较易解释，对于目的比较简单的v s p ， 例如确定一次反射的时间等特别有利。在斜井中观测比较复杂，因为震源位置常 常需不断变动，井下仪器的空间位置难以确定。但是它对地下界面成像有更高的 分辨率。 斜井v s p 的观测方法同垂直井v s p 的观测一样，按照激发点与接收点几何 位置的分布情况，斜井v s p 观测方法有以下几种。 1 ) 垂直入射斜井v s p 这种观测方法是将震源安置在井下检波器的正上方，一一对应地进行激发和 接收。以海上为例，图2 7 为海上垂直激发斜井v s p 观测示意图。图中a 、b 、为 两个“炮圆”，其圆心恰在井中测点a 、b 的正上方。震源必须在该“炮圆”内 激发。为保证波的传播路径近似垂直，炮圆的直径不得超过观测点深度的 2 肌3 ，且越接近井口，“炮圆”的直径应愈小。 成都理工大学硕士学位论文 彳b y 、1 一 ii ii ii ii 图2 7 垂直激发接收斜井v s p 示意图 2 ) 井口激发斜井v s p 这种观测方法对海上、陆上皆适用，尤其在陆上进行斜井v s p 测量时，由 于地表条件的限制，有时会使震源位置难以按垂直激发接收布置，此时，可以选 择井口激发方式进行观测。图2 8 所示为井口激发斜井v s p 示意图，震源位置 在井口的较小范围之内，并且尽可能地与井处于同一个平面上。 图2 - 8 井口激发斜井v s p 示意图 3 ) 斜井w v s p 观测 此种观测方法要求检波点位于斜井中的某一位置，震源在地面( 或海面) 上 以等步长移动，如图2 9 所示。图中震源线与井位处于同一个平面上，且两者分 别位于井口两侧。这种观测方法的优点是能取得井另一侧的反射信息，可以作为 以上两种观测方法的补充，拓宽观测范围。 1 4 第2 章v s p 法勘探方法 震源 图2 9 斜井w v s p 观测示意图 2 3 5 三维v s p 观测系统 三维v s p 是由二维在平面上的观测