基于波動方程的陡傾角二維地震觀測系統(tǒng)研究

1地震數(shù)學(xué)模型技術(shù)概述地震模型技術(shù)的實際復(fù)雜環(huán)境（例如，簡化為均勻介質(zhì)、水平層質(zhì)、連續(xù)性介質(zhì)等）被簡化，地震波的傳播規(guī)律也被充分簡化。然后，用數(shù)學(xué)和物理方法研究了特定簡化模型中地震波的傳播特征，模擬了地震波場在真實地質(zhì)條件下的真實傳播，并指導(dǎo)地震資料的現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和解釋。地震模型技術(shù)可分為正演模型和反演模型兩類,而正演模型技術(shù)在具體做法上又分為數(shù)學(xué)模型和物理模型兩種。本文介紹的是地震數(shù)學(xué)模型技術(shù)。所謂地震數(shù)學(xué)模型技術(shù)就是假設(shè)—地下地質(zhì)構(gòu)造模型(包括構(gòu)造的幾何形態(tài)和物性參數(shù)),由計算機模擬該地質(zhì)構(gòu)造在某一觀測方式下產(chǎn)生的地震響應(yīng)。地震數(shù)學(xué)模型可分為以下幾類。(1)根據(jù)對地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、特征的不同假設(shè)可分為:一維地質(zhì)模型、二維地質(zhì)模型、三維地質(zhì)模型。(2)根據(jù)對地層物性參數(shù)的不同假設(shè),可以是只考慮各層在速度上的差別,設(shè)每層速度是常數(shù)或連續(xù)變化;考慮各層速度和密度都不一樣;還可以給出各層的彈性參數(shù),甚至給出吸收系數(shù)等參數(shù)。(3)按照地震波理論的不同,可以是運用運動學(xué)理論(射線理論)計算波的旅行時,得出各種時距曲線;也可以考慮波的動力學(xué)特點,把界面的反射系數(shù)、透射系數(shù)、各種多次波、吸收損失、波前擴散等的影響都考慮進去,在計算出的地震響應(yīng)中不只反映波的傳播時間的特點,還可以反映波的振幅等特點。因此在實際的計算方法上也可以分別用射線追蹤法、繞射疊加(即物理地震學(xué))法和波動方程模擬等。一般來說,模型越復(fù)雜、理論和公式越精確,得出的地震響應(yīng)就越精確越細致;但計算成本也越高。2觀測波場密度設(shè)計二維地震數(shù)學(xué)模型的計算由于假設(shè)條件不同、用途不同,具體計算方法也不同,可分為三大類:基于幾何地震學(xué)的射線追蹤法、基于物理地震學(xué)的繞射疊加方法、從波動方程出發(fā)的二維地震數(shù)學(xué)模型。地震數(shù)學(xué)模型正演在采集、處理、及方法研究和最終解釋環(huán)節(jié)中都有著十分重要的意義。因為從正演過程中,可以分析什么樣的觀測系統(tǒng)和方式可獲得最強的目標(biāo)體波場,以便確定最佳的觀測系統(tǒng)和參數(shù)。根據(jù)已知目標(biāo)體最強的波場類型,可以研究和搭配出最佳的處理流程和質(zhì)控關(guān)鍵點。另外若發(fā)現(xiàn)目前難以處理的觀測波型,還會對研究新的處理模塊有促進作用。眾所周知,當(dāng)前我們采用的各種常規(guī)地震資料處理方法不是基于一種統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)設(shè)計的,而是基于不同的理論和假設(shè)。反褶積、疊加、偏移等處理技術(shù)的發(fā)展,使得時間剖面的信噪比和成像大為改善,在一般情況下,常規(guī)處理剖面也能夠較好地描繪地質(zhì)構(gòu)造,但當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜時,地震波在各向異性的介質(zhì)中傳播時,會產(chǎn)生各種不同類型的畸變和復(fù)雜的噪音,此時,地震波的傳播已不能滿足常規(guī)處理的假設(shè)條件,該常規(guī)處理方法所得到的結(jié)果,其可靠程度會大大降低。模型正演的算法以采用波動方程的算法為佳。因為使用波動方程已成為石油勘探獲得有關(guān)油藏地質(zhì)構(gòu)造信息的最完善和最成熟的方法,因此,用波動方程模擬的模型正演,可獲得真實可靠的地震同相軸的到達時間和振幅強度。3安徽淮南煤礦調(diào)查區(qū)基本結(jié)構(gòu)3.1復(fù)向斜主體構(gòu)造形跡淮南煤田位于秦嶺緯向構(gòu)造帶南亞帶的北緣,東與新華夏系郯城—廬江斷裂相連,西連周口凹陷,北接蚌埠隆起,南鄰合肥凹陷?；茨厦禾餅橐粡?fù)向斜構(gòu)造(圖1)。由于南北壓應(yīng)力的擠壓作用,使淮南復(fù)向斜主體構(gòu)造形跡呈東西向展布,并在復(fù)向斜南北兩翼發(fā)育一系列壓扭性的逆斷層、逆掩斷層以及大型推覆體,造成復(fù)向斜兩翼的疊瓦式構(gòu)造,使南翼部分地層直立倒轉(zhuǎn)。由于新華夏系構(gòu)造復(fù)合干擾,從而使主體構(gòu)造形跡稍有變動,呈北西西—南東東向展布。這一緯向構(gòu)造帶經(jīng)過燕山運動的改造,形成了現(xiàn)在的構(gòu)造輪廓。3.2潘集背斜斜直直資回復(fù)突變斷(現(xiàn)代地層生長指標(biāo))該煤礦位于陳橋潘集背斜北翼,西段南部屬潘集背斜的傾伏轉(zhuǎn)折端。地層走向北偏西55°~70°,一般比較平直,變化不大,僅局部地層走向隨次一級褶皺而急劇轉(zhuǎn)折。潘集背斜傾伏端,地層走向逐漸向東南呈弧形。造成在走向、傾向上傾角的變化,其主要原因是受力方式、大小和受力部位不同;垂向上的變化,主要由于斷層錯動扭曲而產(chǎn)生的牽引和伴生的小揉皺所致。礦井構(gòu)造復(fù)雜程度應(yīng)屬中等類型,但在不同區(qū)段尚有明顯的差異和不同的特點。3.3地層大小對比三維地震測區(qū)位于十一東線—東部邊界,地層傾角變化較大,一般為20°~40°、最大達55°,淺部陡、深部較緩,總的構(gòu)造形態(tài)為一個向北傾斜的單斜,精查勘探階段查出區(qū)內(nèi)有斷層5條(圖2)。受F3.4礦區(qū)地層本礦區(qū)為全隱蔽區(qū),據(jù)鉆探揭示,礦區(qū)地層有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系、第四系。3.5地震勘探目的層礦區(qū)內(nèi)有十四層可采、局部可采煤層,依次分布在上、下石盒子組、山西組內(nèi)。地震勘探的主要目的層為13(1)13(2)11(3)8煤層。厚度0.40~9.13m,平均3.26m,下距74二維地震數(shù)學(xué)模型的示例4.1地質(zhì)層平滑模型地震記錄的計算(1)創(chuàng)建地質(zhì)模型。輸入地質(zhì)層位、地質(zhì)異常體邊界、斷層,編輯地質(zhì)層參數(shù)(包括編輯地質(zhì)界面、去除交點、保證斷塊封閉等)。(2)地質(zhì)層平滑。利用平滑工具平滑地質(zhì)層位、地質(zhì)異常體邊界、斷層。其目的是為了生成一個精細的地震合成記錄成果,減少人為作用。(3)地質(zhì)體的填充。確定地質(zhì)體每一層、每一塊段的巖性參數(shù)(速度、密度及波阻抗)。(4)定義生成合成記錄常規(guī)參數(shù)。定義產(chǎn)生模型合成記錄的縱/橫向比例、時間采樣率、AGC窗口長度、噪音參數(shù)、子波類型、觀測系統(tǒng)參數(shù)等。(5)產(chǎn)生模型地震記錄。根據(jù)需要產(chǎn)生模型的自激自收剖面、單炮記錄等。4.2煤系地層與新生界地層的不整合接觸在三維地震測區(qū)中部選擇了一條典型地質(zhì)剖面—十東線(圖2)?？梢娒合档貙优c新生界地層呈不整合接觸,樁號315-1060之間為煤層隱覆露頭區(qū);樁號315-1400之間模擬了5個煤層:由下至上為1、44.3陡峭傾斜模型的模擬結(jié)果4.3.1觀測系統(tǒng)參數(shù)針對圖2所示的地質(zhì)模型,采用60Hz的雷克子波,并用如下的觀測系統(tǒng)參數(shù)進行地震模擬:下傾方向激發(fā)、上傾方向接收,80道接收、道距10m,最大偏移距800m。4.3.2生界地面單炮點(1)單炮1。炮點樁號1000、排列樁號200~990,單炮中顯示了新生界底面及3個煤層1、4(2)單炮2。炮點樁號1200、排列樁號400~1190,單炮中顯示了新生界底面及5個煤層1、4(3)單炮3。炮點樁號1800、排列樁號1000~1790,單炮中顯示了新生界底面及5個煤層1、44.3.3陡傾角區(qū)煤層地震偏移處理技術(shù)研究圖6為模型數(shù)據(jù)單炮的疊加剖面,可以看出各煤層反射波的信噪比很高,說明觀測系統(tǒng)設(shè)計合理、滿足陡傾角區(qū)煤層地震勘探的要求。為了進一步研究陡傾角區(qū)煤層地震資料的處理方法,進行了偏移處理方法和手段的研究。圖7為模型數(shù)據(jù)的疊后偏移剖面,可以看出在陡傾角部位煤層中出現(xiàn)了假斷層,說明疊后偏移手段不適合陡傾角區(qū)煤層地震資料的處理。圖8為模型數(shù)據(jù)的疊前時間偏移剖面,剖面中陡傾角部位煤層反射波的成像質(zhì)量比疊后偏移剖面有了明顯的改善。4.4陡峭坡面地震勘探的困難和技術(shù)對策4.4.1地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜研究的陡傾角區(qū)煤系地層傾角陡(地層最大傾角達55°)、地層產(chǎn)狀變化大(4°~55°)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,導(dǎo)致:(1)CMP道集反射點離散嚴(yán)重,傳統(tǒng)的水平層狀介質(zhì)假設(shè)條件下的共反射點疊加技術(shù)已不適應(yīng);(2)地震速度縱橫向變化大、地震波場復(fù)雜,疊加和偏移高精度地震成像困難。4.4.2觀測安全性原則(1)采用基于波動方程理論的正演模型對目標(biāo)構(gòu)造進行模擬,以選擇合適的觀測系統(tǒng),保證接收到的陡傾地層反射不出現(xiàn)“空白區(qū)”,通過地質(zhì)地震模型不斷調(diào)整觀測系統(tǒng),達到獲得設(shè)計一個經(jīng)濟技術(shù)較合理的觀測系統(tǒng)的目標(biāo)。(2)為確保采集到陡傾角、深目的層的反射信息,堅持下傾方向激發(fā),上傾方向接收的原則。(3)通過計算選擇具有一定覆蓋次數(shù)的較合適的、方位角不太寬的觀測系統(tǒng),以免因方位角太寬而影響疊加效果、降低分辨率和信噪比。(4)選擇適用于本區(qū)地質(zhì)情況的高分辨率三維地震勘探的觀測系統(tǒng)。即該觀測系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的空間采樣密度,防止出現(xiàn)空間假頻;足夠的面元覆蓋次數(shù),均勻的炮檢距分布,良好的靜校正耦合特性,炮檢距分布范圍處在最佳接收窗口內(nèi),同時能保證速度分析和動校正精度。(5)采用疊前時間偏移地震成像技術(shù)和創(chuàng)造條件采用疊前深度偏移地震成像技術(shù)。因為從偏移理論來看,對于逆掩高陡構(gòu)造及其下部地層正確成像,只能使用深度偏移方法。時間偏移也可成像,其清晰度也不錯,但其位置在橫向上可能會產(chǎn)生錯動。疊前深度偏移成像技術(shù)是解決復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)地震資料成像問題的有效手段,而其最關(guān)鍵的是建立高精度的層速度模型。本區(qū)有利條件是在約3km范圍內(nèi)精查勘探期間已完工40~50個鉆孔,可用于約束層速度模型的建立,以提高層速度模型精度。4.5陡傾角區(qū)采區(qū)地震勘探觀測系統(tǒng)通過對陡傾角地質(zhì)模型采用不同觀測系統(tǒng)獲得的模擬地震記錄的處理和分析,根據(jù)多年在淮南礦區(qū)開展采區(qū)三維地震勘探的工作經(jīng)驗,確定了方位角特性好、共面元道集內(nèi)炮檢距分布均勻的八線八炮制束狀規(guī)則觀測系統(tǒng)(圖9、圖10、圖11)。建議在實際勘探區(qū)有代表性區(qū)域進行生產(chǎn)性試驗、并對試驗資料作處理和分析,以確定陡傾角區(qū)域煤礦采區(qū)地震勘探最佳觀測系統(tǒng)。八線八炮制束狀觀測系統(tǒng)參數(shù)為:接收點距:10m;接收線距:80m;炮點距:50m;炮線距:20m;最小炮檢距:14.1m;最大炮檢距:873.21m;接收線數(shù):8線;接收道數(shù):640道(8線×80道);激發(fā)線數(shù):