地震正演（精选3篇）
地震正演 篇1
0 引言
华北是我国重要的煤炭工业基地, 包括河北、山西、河南的全部以及山东中西部、江苏和安徽的北部等[1]。华北地区岩溶发育, 主采煤层受奥陶统灰岩危害严重[2]。三维地震勘探在探测岩溶发育地带方面有较好的应用效果[3]。为了进一步了解岩溶的地震响应特征, 为岩溶的地震资料解释提供理论依据, 对岩溶进行地震正演模拟有着重要的理论和实际意义。
1 正演模拟算法
本文采用声学介质模型对岩溶发育情况进行正演。声波介质模型主要考虑纵波速度和密度特性, 可以有效地逼近真实地质情况下地震能量传播的2D波动效应, 同时大大小于弹性波方程模型的计算时间。
2 正演模型的建立
根据岩溶的发育特点, 文章主要简历了两大类的正演模型:单个岩溶和串珠状模型。正演的地层数据以某矿区的测井资料为基础, 建立起接近实际地层的地质模型。煤层速度选择2 000 m/s, 埋深525 m, 在深度590 m以下为灰岩, 速度选择4 500 m/s, 灰岩中发育的溶洞速度为1 500 m/s。地震子波采用60 Hz雷克子波。
观测系统的参数如表1所示。
2.1 单个岩溶模型
单个岩溶模型主要考虑不同岩溶大小的地震响应特征, 如图1所示, 埋深270 m, 直径分别为5 m、10 m、20 m。
采用声波模型进行正演模拟, 得到28个单炮记录, 经过常规处理, 可以得到叠加和偏移剖面, 如图2、3所示。
由图2、3可看出, 直径为10 m和20 m的溶洞在经过叠加和偏移的时间剖面上有明显的响应特征, 但是当直径减小到5 m时, 在叠加和偏移后的时间剖面上基本无法得到有关溶洞的信息。
2.2 串珠状岩溶模型地震正演模拟研究
对单个发育的岩溶的地震波场特征进行正演模拟以后, 为了更深入地研究岩溶的地震响应, 结合岩溶的分布特征和规律, 对不同串珠状组合形态下的岩溶进行正演模拟, 如图4所示。圆形溶洞直径为20 m, 方形溶洞边长为20 m。所采用的观测系统参数和上述模型一样。
采用声波模型进行正演模拟, 得到28个单炮记录, 经过常规处理, 可以得到叠加和偏移剖面如图5、6所示。
由图5、6可看出, 溶洞尺寸比较小时, 圆形和方形溶洞的地震响应特征没什么区别, 偏移以后溶洞顶界面都呈圆弧状。但当增加岩溶的尺寸时, 方形的岩溶顶界面在偏移后会得到一个短的水平同相轴, 岩性溶洞偏移后则仍然为圆弧状。
3 结论
通过已知地质及测井资料建立起来的地质模型, 更加贴近于现实, 使得岩溶的正演模拟结果更加贴近于实际, 对岩溶的地震资料解释有很好的指导意义。
文章通过对建立的单个和串珠状岩溶模型进行正演模拟分析, 对不同岩溶大小、形状的地震响应特征和地震解释分辨能力做了有益地探讨。
参考文献
[1]潘文勇.华北型岩溶煤田的灰岩分布规律及岩溶发育特征[J].煤炭学报, 1982 (3) :48-56
[2]武强, 金玉洁, 李德安.华北型煤田矿床水文地质类型划分及其在突水灾害中的意义[J].中国地质灾害与防治学报, 1992 (2)
[3]师素珍, 方惠明, 郝海波, 等.煤矿岩溶陷落柱的地震资料解释[J].中国煤炭地质, 2009, 21 (6) :59-61
地震正演 篇2
目前主要采用的地震正演模拟方法有射线理论 (射线追踪法) 和波动方程数值解法 (克希霍夫积分法、有限差分法、有限单元法、边界单元法和虚谱法) 。
射线追踪法是建立在波动方程的高频近似基础上的一种方法, 实际只计算了旅行时和振幅函数的特征曲线, 效率高、计算速度快、计算量小, 可以清晰的反映地质构造在几何特征上的变化, 但其假设条件较为苛刻, 是建立在均匀层状各向同性介质模型上的, 很难满足当今高分辨率地震勘探的要求。因此对于复杂构造、复杂地质体和复杂岩性模型而言, 波动方程的数值解法相对更为有效。
二、波动方程原理
(一) 声波方程正演模拟的算法
在二维空间域内, 二维声波方程为:
在三维空间域内, 声波方程为:
采用高阶差分法得到声波方程的数值解为:
高阶差分系数:
将平面谐波代入二维声波差分方程, 可以得到相速度空间频散曲线 (设Δx=Δz) :
从频散曲线公式可见, 影响频散的主要因素是波长内离散点数、差分精度和传播方向。通过进一步分析, 从不同差分精度的空间频散和时间频散曲线可知, 实际模拟中的频散主要是由空间离散引起的。
稳定性问题是数值求解波动方程的基本问题。数值计算过程中离散参数选择不合理, 可能产生无物理意义的按指数增大的数值计算结果, 造成模拟结果网格频散严重, 影响对问题的分析, 严重时会造成溢出而使计算无法进行。因此, 对一种数值解法, 需要知道计算稳定的离散参数区域, 即分析解法的稳定性。
二维声波2N阶空间差分精度的理论上的稳定性条件:
1对=20.N7=027, 当Δx=Δz时,
对2N=4, 当Δx=Δz时,
Δx
对2N=6, 当Δx=Δz时,
Δx
对2N=8, 当Δx=Δz时,
Δx
对2N=10, 当Δx=Δz时,
Δx
三维声波2N阶空间差分精度的理论上的稳定性条件:
(二) 任意连续介质的波动方程正演模拟的算法
任意连续介质的波动方程正演能模拟任意连续介质的波场特征, 得到绕射波以及地震波场到达地面的垂直分量和水平分量, 并能体现多次波和反射波的振幅衰减等。
二维各向同性完全弹性介质中的弹性波方程主要基于如下一阶动力学方程组来进行求解:
其中:τxx=τxx (x, z, t) , τzz=τzz (x, z, t) , τxz=τxz (x, z, t) 是应力张量;ρ=ρ (x, z) 是密度;vx=vx (x, z, t) , vz=vz (x, z, t) 是速度向量;λ=λ (x, z) , μ=μ (x, z) 是拉梅系数。
用有限差分法求解上述方程组。这里采用Virieux (1986) 的交错网格差分公式, L.T.Ikelle&S.K.Yung (1993) 说明该算法可以精确、稳定地应用于复杂的随机介质模型。特别是当每一个波长中的网格点数多于10个时, Levander (1988) 的结果显示, 这时的网格色散与网格各向异性均可忽略不计。在下面的正演模拟中, 都使用Cerjan et al. (1985) 的吸收边界条件 (Cerjan, C., Kosloff, D., Kosloff, R., and Reshef, M., 1985) 。
(三) 层状介质射线追踪算法
根据Snell定律, 已知入射波的法线单位向量和界面法线的单位向量, 在矢量空间里, 如何直接得到反射及透射波的单位向量呢?如果存在一个简便的算法, 将会使射线追踪过程得到简化。反射波和透射波射线单位向量可以简单的由下面公式得到:
式中v为入射波单位向量, p为界面法线单位向量, θ1为入射角, θ2为透射角, v1为入射波波速, v2为透射波波速, V反为反射波单位向量, V透为透射波单位向量。其中, 透射角由Snell定律直接计算, 公式如下:
三、应用效果对比
(一) 小断块发育的复杂构造区岩性勘探实例分析
某区块小断裂发育, 地层破碎, 储层砂体薄, 地表过大型障碍区, 如何能够得到好的小断层, 识别薄砂体, 同时, 过大型障碍区确保资料的完整性?为此, 我们选取工区的典型剖面, 建立二维地质模型 (如图1所示) ,
通过不同部位激发进行波动方程正演模拟, 从得到的模拟记录 (如图2所示) , 采用20m道距, 3600m排列长度, 能够满足全区地震采集的要求。为了进一步验证采集效果, 进行模拟施工, 共计采集202炮, 通过对采集记录进行偏移处理, 从处理剖面可见 (如图3) , 小的断裂成像效果较好, 断点清晰, 能够达到地址任务的需求。由于地表过大型障碍, 为了确保采集资料的完整性, 目的层资料不受损失, 并且达到地质任务需求, 我们进行了针对目的层的变观设计, 并采用波动方程正演模拟技术, 进行模拟采集。通过处理分析, 在最大最小炮检距控制在1000m以下的情况下, 对采集资料没有影响, 通过实际采集资料对比分析可见 (如图4) , 设计方案合理, 达到了预期的目标。
(二) 构造、岩性勘探实例分析
根据该区构造格局不同, 建立该区的典型地质模型, 进行波动方程模型正反演分析。从实际单炮分析看 (如图5) , 考虑主要目的层, 最大炮检距应为4200m~5500m左右。
为了进一步研究分析炮检距的大小, 在4300m~6300m偏移距内采用4300-20-40-20-4300、5300-20-40-20、6300-20-40-20-6300三种观测系统进行波动方程正演模拟采集, 通过对模拟采集记录进行叠前深度偏移成像处理, 以确定合理的最大偏移距。
从叠前深度偏移结果看 (如图6) , 在断层收敛上5300-20-40-20-5300好于另外两种观测系统, 同时在2000~3000ms处成像效果也好于其他观测系统。
对模拟采集目的层定量分析看 (如图7) , 无论在能量还是在信噪比上5300-20-40-20-5300均好于其他观测系统, 但在频宽方面则三者相差不大, 因此在此区域内使用5300-20-40-20-5300观测系统能够满足目的层偏移成像需求。
四、结论
1.波动方程正演能够更加真实的模拟地下地质体的反射波组特征。
2.通过波动方程正演模拟, 合理选取观测系统参数。
3.通过模拟采集施工, 预测地震采集效果。
4.利用波动方程正演炮集记录进行叠加成像效果分析, 能更好的确定地震采集设计中的观测系统, 减少盲目试验, 降低勘探成本。
5.进一步在地震解释中应用波动方程正演技术, 模拟不同地质体的反射特征, 解决解释过程中遇到的疑难问题。
参考文献
[1]肖开宇, 胡祥云.正演模拟技术在地震解释中的应用[J].工程地球物理学报, 2009, (04) .
[2]李万万.基于波动方程正演的地震观测系统设计[J].石油地球物理勘探, 2008, (02) .
[3]高文博.波动方程正演在地震采集设计中的应用[J].石油天然气学报, 2011, (08) .
[4]朱峰.使用地震正演技术开展针对复杂勘探目标的地震采集方法研究[J].小型油气藏, 2003, (03) .
[5]刘喜武, 刘洪.波动方程地震偏移成像方法的现状与进展[J].地球物理学进展, 2002, (04) .
[6]李佩.基于波动理论的地震观测系统设计[J].浙江大学学报 (工学版) , 2010, (01) .
地震正演 篇3
辽河探区外围盆地龙湾筒地区是典型低信噪比地区。由于该区的深层地震地质条件复杂多变,资料信噪比较低,原始记录上,有效信息很难识别。尤其深层反射能量弱,局部资料仍然存在深层能量不足和成像精度低的问题。因此,本区勘探重点应以提高深层信噪比和成像效果为前提。
随着地质任务要求的不断提高,在现有条件下,如何通过优化地震采集观测系统参数,以达到提高地震资料品质和深层能量,改善深层成像效果的目的,是本文研究的重点。在研究中我们引入模型正演和照明分析技术,以此视角进行观测参数的选取与优化。
1地震正演照明技术
地震波动方程正演照明技术是认识地震波传播规律和论证不同观测参数直接有效的工具[1],是面向地质目标的野外观测系统设计的最直观的方法。地震波照明分析是在波动理论的框架下模拟地震波在模型中的传播[2]:震源激发的地震波,经过地下反射能量被排列接收,如能得到较大且均匀的照明强度,则说明观测系统合理。其采用的是二维声波模拟方法,具体公式为[3]:
2观测系统优化方法
根据成果剖面,建立龙湾筒地区过哲参3井的308测线的地球物理模型(如图1所示),模型长24 km,深6 km,从下到上的四个勘探目的层为K1jf(九佛堂组)、K1Sh(沙海组)、K1f(阜新底)和K2y(白垩底)。在图1中都标注了各层的层速度。此模型就是进行观测系统优化研究的基础,本次研究的目的就是如何通过正演照明手段来选取最优的观测系统,改善深层目的层九佛堂的成像效果。在优化过程中,我们形成了基于二维模型照明能量和正演剖面效果的比较筛选方法和基于二维模型照明分析的炮排(点)科学加密方法。
2.1 基于二维模型照明能量和正演剖面效果的比较筛选方法
优化方法:针对模型优选某一采集参数时,可以设定其他参数不变,把待论证的参数取不同的值,分别做多炮正演和照明,根据总照明能量和正演模拟偏移处理剖面的比较结果,确定采集参数。
2.1.1 道距的优选
使用308测线模型,采用炮排距200 m、最大炮检距4 775 m、中间放炮的方式,共放80炮,首炮点在模型中的位置是5 400 m,在这里我们选择的最大炮检距和炮排距都为待定的观测参数,仍然需要在后面的参数优化选取中分别讨论。分别对道距为12.5 m、25 m、50 m和75 m四种情况进行了多炮照明和多炮正演,接收总道数为768、384、192和128。
从总照明能量(图2)上可以发现,75 m道距相对非常弱,不能满足深层的能量要求,可以首先排除这种因素。在25 m和50 m已经可以满足深层能量的前提下,12.5 m成本过大没有必要,因此也可以排除。这样我们可以通过正演剖面的结果从另一个角度在25 m和50 m道距离间进行优选。
从不同道距情况下多炮正演处理生成的偏移剖面(图3)上看,道距对偏移处理效果影响主要是背景噪声,道距大,噪声大。而从成像效果上看,25 m和50 m的道距的效果相差不大。因此,从照明能量、正演剖面成像和成本上等方面综合考虑,50 m道距是最佳选择。
2.1.2 最大炮检距的优选
最大炮检距的优选原则有三点:①多炮照明的能量是否满足目的层需要;②多炮正演处理生成的剖面效果;③整个排列能否接收到来自目的层的全部反射信息[4]。其思路也与道距的选取相同。同样使用308线的地质模型,采用道距50 m、炮排距200 m、中间放炮的方式,炮点首位置在模型上的5 400 m,共放80炮,分别对最大炮检距为3 975 m、4 375 m、4 775 m和5 175 m的四种情况进行了多炮照明和正演,接收道数分别为176、192、208和224,其总照明能量分别如图4所示。
通过对比照明分析结果可以发现,3 975 m 的最大炮检距为深层照明强度相对较低,可以首先排除;4 375 m的深层照明能量得到提高,而4 775 m和5 175 m相差不大,因此5 175 m的最大炮检距可以排除;因此,从照明分析的角度最大炮检距应选择在4 775—5 175 m之间。
从叠前时间偏移剖面(图5)的角度,4 775 m的最大炮检距比4 375 m针对深层陡断层成像的效果稍强,但随着最大炮检距向5 175 m增加,改善效果已经不明显。从整个排列能否接收到目的层的全部反射信息来看,通过正演模拟发现4 775 m的最大炮检距已经足够。因此从综合上考虑,4 775 m是最佳选择。
2.1.3 炮排距的优选
在炮排距优选中,仍然使用相同的模型、方法和优选参数,对100 m和200 m两个备选炮排距参数进行照明和正演模拟。通过对比照明结果(如图6)可以发现,100 m和200 m炮排距的照明能量针对浅层都可以达到要求,但针对深层200 m炮排距的照明能量则稍弱。那么,究竟如何选择?使用100 m炮排,加大成本且对浅层成像效果改善不大;使用200 m炮排,深层目的层能量与成像效果稍差。而我们的目的就是要增强深层能量,改善深层成像。那么如何解决采集成本与成像效果的矛盾?存在什么折衷的方法?这里我们产生了一个想法:在使用200 m炮排距的前提下,是否可以在某一区域针对深层目的层进行炮排加密,这样既能满足深层能量和成像的要求,在浅层能量已经足够的前提下,又不必使用更多的炮排,达到两全的效果。那么,究竟在什么区域加密炮排呢?加密后能否达到预期的效果?
2.2 基于二维模型照明分析的炮排(点)科学加密方法
表1是针对深层K1jf(九佛堂组)目的层,从有射线开始击打并伴有接收的情况下,在不同位置(每隔100 m)放炮的照明能量统计表。表格中包含了每一炮的位置、序号和分别基于射线追踪和波动方程两种原理的照明能量统计值。从统计结果可以发现:不同位置放炮对同一目的层的照明贡献差异明显。基于此,我们形成了基于二维模型照明分析的炮排(点)科学加密方法:利用射线追踪和波动方程两种原理的照明分析方法分别对目标域进行照明度模拟[5],逐点放炮,统计每炮针对目标域的照明强度值,以照明能量最高值的炮为标准,对所有照明值归一化,给定加密的能量标准,进行炮排(点)的加密。
从统计表可以看出,基于射线追踪原理,模型上点15 800 m放炮对深层九佛堂组的击打次数(照明能量)最大,即对成像的贡献最大。可以看出基于波动方程原理,模型上点15 700 m放炮对深层九佛堂组的照明能量最强。分别以它们为标准对照明能量进行归一化,得出两种原理的照明能量统计曲线,可以两种方法能量趋势曲线基本相同。
注:波动照明能量为照明软件自带定性标准统计数值,统计目的层四个点后相加所得,单位为“流明(lm)”。
设定最大照明能量的80%为炮排加密的界限,即统计出所有归一化能量大于0.8的炮点区域,在这个区域内进行炮排的加密即使用100 m的炮排距。(注:炮排加密要综合两种原理的照明结果,即基于设计追踪和波动方程的两种原理的归一化照明能量都要大于0.8。)
根据此思路我们得出优化结论:在模型上14 000—16 200之间使用100 m的炮排距,就在原来80个炮排的基础上增加了11排炮。通过对比加密前后的正演偏移剖面(图8)可以发现,加密后的深层九佛堂(画框部位)成像效果改善明显,而画圈区域几乎没有改善,是因为画圈部位不是加密针对的目标,这也从侧面上证明了此方法的正确与可行。
3 优化效果分析—剖面分析
通过对比龙湾筒地区2009年和2004年相同位置测线的偏移剖面(见图9),可以发现2009年新地震剖面无论是信噪比和分辨率,还是层间信息和深层成像,资料品质提高都很大。通过剖面的频谱分析也可以发现,新剖面中深层的频宽(图9画框部位)较2004年老剖面拓宽了20 Hz左右。由于资料频率较高,分辨率有较大改善,浅层层间信息丰富,中层同相轴连续性好,微构造形态明显,深层反射能量强,构造边界较清晰,成像效果改善相当明显,这说明基于正演照明方法的观测系统优化技术在龙湾筒地区是可行的。
4 结论
(1) 对于地下地质构造复杂、特殊地质体发育、信噪比低成像效果差的地区,在地震采集设计时,必须以目标设计为指导原则;
(2) 照明分析技术可以统计不同观测参数时各目的层的反射能量,正演模拟技术可以生成不同观测参数时的地震剖面,两者相辅相成,可以评价观测系统优劣,优选采集参数;
(3) 基于照明分析的炮排(点)加密方法在保证效果的前提下减少了工作量,解决采集成本和成像效果的矛盾,应广泛应用于地震采集观测系统的设计,实现目标勘探的理念;
(4) 基于模型正演与照明分析的地震采集观测系统优化技术应用于辽河外围盆地龙湾筒地区的地震采集设计阶段,取得了较好的效果,此技术应在未来广泛应用并逐渐完善。
参考文献
[1]佘德平.波场数值模拟技术.勘探地球物理进展,2004;27(1):16—21
[2]张永刚.地震波场数值模拟方法.石油物探,2003;42(2):143—148
[3]董良国,吴晓东,唐海忠,等.逆掩推覆构造的地震波照明与观测系统优化.石油物探,2006;45(1):40—48
[4]董良国.复杂地表条件下地震波传播数值模拟.勘探地球物理进展,2005;28(3):187—194