面向目標(biāo)靶區(qū)的雙程波動方程地震定向照明分析技術(shù)

近年來，地震照明設(shè)計技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜地區(qū)的觀測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的基礎(chǔ)。常見的地震照明分析方法主要分為兩大類:基于射線理論的射線照明分析根據(jù)照明度計算方法的不同,波動方程照明度又分為總照明度和定向照明度近幾年來,Chen等我們采用雙程聲波波動方程傳播算子1波場密度分解根據(jù)彈性波理論式中:E實際勘探生產(chǎn)中多應(yīng)用縱波信息,若只考慮縱波成分,則彈性波方程弱化為聲波方程,聲波的能流密度矢量可表示為根據(jù)(2)式,已知聲波波場壓力P和速度分量v對于各向同性彈性介質(zhì),能流密度矢量的方向和波傳播方向一致式中:F(x,z,θ)為二維定向濾波器,一般取余弦窗函數(shù);θ為波的傳播角度(或入射角)。2定向照明度根據(jù)入射波的能量和方向,第i個點源在二維模型空間點(x,z)處的定向照明度對于源總定向照明度、源-檢定向照明度以及源-檢組合總定向照明度的定義等內(nèi)容詳見文獻(xiàn)[24],由于篇幅限制,本文不再贅述。定向照明不僅能分析地震波的角度域照明分布,而且能提供傾角域地震響應(yīng)和反射角域地震響應(yīng)。3數(shù)值模型試驗為了驗證本文方法的正確性和可行性,設(shè)計了透鏡體模型、層狀介質(zhì)模型和鹽丘模型進(jìn)行數(shù)值試驗,針對不同目標(biāo)靶區(qū)作定向照明分析。3.1速度結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1和圖2是對高、低速透鏡體模型分別計算出的源總照明度和源總定向照明度。模型大小均為4000m×2000m,高速透鏡體的速度為4000m/s,低速透鏡體的速度為1000m/s,背景速度為2000m/s。網(wǎng)格大小為Δx=Δz=5m,時間采樣間隔為Δt=0.5ms,炮點范圍為500~3500m,炮點間隔為10m,共301炮。震源為雷克子波,主頻為20Hz。從圖1和圖2可以看出:1)定向照明清晰地反映了震源照明的方向特性;2)透鏡體對地震波照明能量的分布規(guī)律以及照明方向有著明顯影響;3)高速透鏡體的源總定向照明度可以明顯改善透鏡體之下遠(yuǎn)端的照明量(相對于源總照明度而言),對近端的照明量沒有改善,而低速透鏡體則與之相反;4)高速透鏡體對其下的介質(zhì)具有能量屏蔽作用,而低速透鏡體對其下的介質(zhì)具有能量聚焦作用(圖1a,圖2a)。3.2反射波照明分析圖3和圖4分別是水平層狀介質(zhì)模型及其單炮總照明度和定向照明度。模型大小為7000m×4000m,網(wǎng)格大小為Δx=Δz=10m,時間采樣間隔為Δt=1ms,炮點范圍為500~6500m,炮點間隔為20m,共301炮。震源類型同透鏡體模型。從圖4可以看出:1)水平層狀介質(zhì)對地震波的照明方向以及強度的分布有著明顯的影響;2)透射波的能量明顯高于反射波的能量(圖4c紅色橢圓圈內(nèi)所示);3)對于同一個界面上同一個炮點,不同的入射角度對應(yīng)不同的反射段,由此可以推斷,對于某一個反射段,選擇不同的入射角可以追蹤到不同的炮點位置,并從中優(yōu)選出特定角度的最佳激發(fā)范圍,具體見圖5和圖6。圖5反映了總照明量和定向照明量隨炮點位置的變化規(guī)律:對于水平層狀模型,總照明量在目標(biāo)區(qū)的正上方達(dá)到最大值;隨著入射角的增大,方向照明在目標(biāo)區(qū)達(dá)到最大值的位置逐漸發(fā)生偏移,且定向照明量逐漸減小。圖6反映了不同入射角的定向照明量在目標(biāo)區(qū)達(dá)到最大值的最佳炮點位置與圖5中的不同能量曲線峰值位置對應(yīng):0°照明對應(yīng)炮號S115;30°照明對應(yīng)炮號S70;45°照明對應(yīng)炮號S47;60°照明對應(yīng)炮號S24。3.3鹽丘模型激發(fā)范圍由于高速巖體的屏蔽作用,鹽丘之下的成像效果一般較差。為了驗證定向照明分析的有效性,選擇橫向起伏較大的深水層狀模型,如圖7所示,分析不同組合照明對鹽下目標(biāo)區(qū)域(圖7黑框內(nèi))照明效果的改善。模型大小為6000m×4000m,炮點范圍為500~5500m,共251炮,網(wǎng)格大小為Δx=Δz=10m,時間采樣間隔為Δt=1ms,炮點間隔20m。震源類型同透鏡體模型。圖8為對鹽丘模型計算出的總照明度和定向照明度。從圖8a可以看出,能量主要集中在海水層,由于鹽丘的屏蔽作用,位于鹽下的目標(biāo)區(qū)域總照明度較弱,存在照明陰影區(qū)。從圖8b至圖8e可知,在目標(biāo)區(qū)域的0°方向地震波對目標(biāo)區(qū)域的貢獻(xiàn)極小,說明在目標(biāo)區(qū)域很難產(chǎn)生0°方向的地震波場;當(dāng)入射角增加到30°左右時,目標(biāo)區(qū)域的能量驟增,且能量主要來自于透過鹽丘的透射能量;當(dāng)入射角增加到45°~60°時,能量強度和均勻性逐漸減弱,這主要是由上覆速度體以及鹽丘形態(tài)等因素造成的。推斷可知,在鹽丘的左上方小角度(30°左右)范圍內(nèi),目標(biāo)區(qū)域?qū)ε诩捻憫?yīng)較好。從圖8e至圖8h可知,當(dāng)入射角反向增加到-30°左右時,目標(biāo)區(qū)域的能量增加較快,其主要來自目標(biāo)區(qū)域上方的低速地層而非高速鹽丘體;當(dāng)入射角增加到-45°左右時,目標(biāo)區(qū)域的能量和均勻性高于海水層,且高于其它方向的方向照明效果;當(dāng)入射角增加到-60°左右時,由于入射角較大、目標(biāo)區(qū)域較深等原因,到達(dá)的能量很弱。圖9為鹽丘模型不同炮點的總照明以及定向照明在目標(biāo)區(qū)域的能量分布曲線,據(jù)此可以更好地分析單炮的總照明和各方向照明對目標(biāo)區(qū)域的貢獻(xiàn)。對于總照明而言,1~190號炮點的總照明量變化不大,且維持在一個較低的水平;190~235號炮點的總照明量增加較快;235~251號炮點的總照明量有所下降,這主要是由于偏移距較大造成的。若選取最大能量的70%作為閾值,則選擇合理的激發(fā)范圍為炮號222~251,即x方向4920~5500m。對于各個方向照明而言,不同的炮點范圍所對應(yīng)的方向照明的最佳角度范圍是不同的:在10~30號炮點范圍內(nèi),總照明主要來自60°左右的方向照明;在50~70號炮點范圍內(nèi),總照明主要來自45°左右的方向照明;在100~115號炮點范圍內(nèi),總照明主要來自30°左右的方向照明;在170~185號炮點范圍內(nèi),0°方向的照明量較小,由于方向照明的窗口采用的是±5°,推斷可知此范圍內(nèi)炮集的總能量主要來自-5°~-25°以及5°~25°范圍內(nèi)的方向照明;而190~235號炮點的總照明量增加較快的原因主要是來自-25°~-50°范圍內(nèi)的方向照明貢獻(xiàn)大。綜上所述,若選取總能量最大值的70%作為閾值,則合理的激發(fā)范圍為x方向4920~5500m,在此范圍內(nèi)可以對炮點進(jìn)行加密,且采用右邊放炮的方式有利于鹽下目標(biāo)的成像;在不同的炮點范圍內(nèi),各個角度的方向照明的貢獻(xiàn)值不同,-45°左右的方向照明對總照明的貢獻(xiàn)最大,而0°方向的貢獻(xiàn)最小,同時,由于鹽丘的形態(tài)等因素影響,0°方向的貢獻(xiàn)范圍偏離目標(biāo)區(qū)域的正上方(炮號125附近)。在上述最佳激發(fā)范圍內(nèi)選擇最佳的角度激發(fā),將得到最佳的效果。4地震采集設(shè)計的定量分析本文提出的雙程聲波方程定向照明技術(shù)通過波印廷矢量對波場值進(jìn)行方向性分解,可以快速地分析目標(biāo)靶區(qū)照明