李緒宣 溫書亮 尹 成

(1.中海油研究總院; 2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院)

深水崎嶇海底區(qū)不同采集方向地震波照明能量分布特征研究＊

李緒宣1溫書亮1尹 成2

(1.中海油研究總院; 2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院)

深水陸坡區(qū)水深急劇變化,峽谷縱橫,水道復(fù)雜,形成了崎嶇的海底地形地貌,嚴(yán)重影響到其下伏地層的地震成像,并造成地震剖面上構(gòu)造形態(tài)的畸變。以南海北部白云深水區(qū)崎嶇海底地貌為基礎(chǔ),利用高斯射線束正演模擬方法,對(duì)深水崎嶇海底界面、深水崎嶇海底下伏水平界面和淺水崎嶇海底下伏水平界面等3個(gè)概念模型進(jìn)行了地震波的激發(fā)照明與接收照明的能量分布特征研究,其結(jié)果可為深水崎嶇海底地區(qū)地震采集設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

高斯射線束正演模擬 激發(fā)照明 接收照明 能量分布 深水崎嶇海底

深水海域油氣資源豐富,已成為當(dāng)前熱門的油氣勘探領(lǐng)域。我國(guó)南海深水區(qū)油氣成藏條件優(yōu)越,具有良好的油氣勘探前景,白云凹陷LW 3-1-1井鉆探取得重大發(fā)現(xiàn)亦證實(shí)了這一點(diǎn)。因此,加快勘探開(kāi)發(fā)我國(guó)南海深水區(qū)豐富的油氣資源,對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有重要意義[1]。

白云深水陸坡區(qū)水深急劇變化,峽谷縱橫,水道復(fù)雜,形成了崎嶇的海底地形地貌,造成了地震波傳播速度的橫向劇烈變化,使地震波傳播的射線路徑變得復(fù)雜(其時(shí)距曲線為非雙曲線),嚴(yán)重影響了其下伏地層的地震成像,并導(dǎo)致構(gòu)造形態(tài)嚴(yán)重畸變。因此,有必要針對(duì)深水崎嶇海底地區(qū)探索有效的三維地震采集方法,進(jìn)一步提高深水區(qū)地震資料的成像質(zhì)量[2]。

目前,人們針對(duì)復(fù)雜地表與復(fù)雜構(gòu)造區(qū)提出了面向地質(zhì)目標(biāo)、基于模型正演模擬的地震采集設(shè)計(jì)與論證[3],通過(guò)地震波的射線追蹤和波動(dòng)方程來(lái)模擬野外激發(fā)與接收對(duì)地下反射界面的照明并確定反射盲區(qū)的位置,所獲得的正演模擬信息不僅有助于確定后續(xù)資料的有效處理方案,同時(shí)可用于優(yōu)化采集參數(shù)和控制采集質(zhì)量,并節(jié)約采集成本。為此,筆者利用高斯射線束地震波正演模擬方法研究白云深水區(qū)崎嶇海底條件下地震波對(duì)地下目的層的激發(fā)照明以及地面接收照明能量的分布特征,以期通過(guò)幾種典型模型的照明能量分布特征的對(duì)比分析,為深水崎嶇海底地區(qū)的地震采集設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 地震波照明的模擬方法

1.1 高斯射線束正演模擬

1983年,Cerveny等人[4]提出了一種將波動(dòng)方程與射線理論相結(jié)合的地震波照明的模擬方法——高斯射線束方法。該方法同時(shí)考慮了波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),適用于復(fù)雜的非均勻介質(zhì)模型,還能考慮介質(zhì)的吸收作用,無(wú)需進(jìn)行兩點(diǎn)射線追蹤,具有速度快、精度高的特點(diǎn),對(duì)焦散區(qū)、臨界區(qū)及暗區(qū)等特殊區(qū)域都具有較好的效果。

與傳統(tǒng)射線方法不同的是,高斯射線方法將波場(chǎng)分解成具有一定頻率范圍的射線束,從而實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的數(shù)值模擬。高斯射線束是一條從震源出發(fā),以射線為中心的能量管,射線束的能量分布是以偏離中心射線的距離為函數(shù)呈指數(shù)衰減。因此,高斯射線束正演模擬一般包含以下3個(gè)基本步驟[5-6]:

(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)射線追蹤。射線追蹤是一個(gè)遞歸過(guò)程,目的是從源點(diǎn)出發(fā),逐層遞歸找出一條從炮點(diǎn)到達(dá)接收點(diǎn)的完整射線路徑。

(2)動(dòng)力學(xué)射線追蹤。動(dòng)力學(xué)追蹤的實(shí)質(zhì)是求解復(fù)值動(dòng)力學(xué)參數(shù)矩陣,它們決定了高斯射線束的分布狀態(tài),也表征了高頻地震波場(chǎng)沿射線傳播的動(dòng)力學(xué)特征。

(3)高斯射線束波場(chǎng)疊加。接收點(diǎn)處的波場(chǎng)是由多條高斯射線束疊加形成的,因此,在求解了全部的高斯射線束后,需要把它們對(duì)接收點(diǎn)的貢獻(xiàn)疊加起來(lái)并變換到時(shí)間域,以獲得地質(zhì)模型最終的地震記錄。

1.2 激發(fā)照明與接收照明

地面激發(fā)的地震波可以看成一束光波對(duì)地下界面的照明,照明的亮暗即地震波能量的強(qiáng)弱。如果照明能量強(qiáng),一般該界面反射能量也強(qiáng),也可以說(shuō)該界面反射地震波的信噪比高。因此,對(duì)于復(fù)雜地區(qū),研究地震波傳播到該界面上的能量強(qiáng)弱,可以初步判斷所設(shè)計(jì)的地震采集方案的可行性。同理,將地下界面上的反射波也可以看成一個(gè)二次震源向上發(fā)射的地震波,研究該地震波對(duì)地面觀測(cè)的檢波點(diǎn)的照明強(qiáng)弱,同樣可以判斷地震資料的成像質(zhì)量,特別是檢波點(diǎn)接收能量的均勻性,直接影響地震資料偏移成像的能力。因此,對(duì)于一個(gè)地區(qū)采集觀測(cè)系統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì),可以通過(guò)模擬該地區(qū)地震波的激發(fā)照明和接收照明的能量分布來(lái)進(jìn)行。

基于上述,我們可以利用前述的高斯射線束正演模擬方法來(lái)計(jì)算一個(gè)給定的地質(zhì)模型的地震波對(duì)地下目的層的激發(fā)照明和地下目的層對(duì)地面觀測(cè)點(diǎn)的接收照明,包括:

(1)計(jì)算高斯射線束對(duì)目的層面元的激發(fā)照明的方法

首先追蹤出所有通過(guò)目的層反射的高斯射線束,然后疊加高斯射線束對(duì)目的層面元的能量。對(duì)于一個(gè)高斯射線束,先找出它所覆蓋的所有目的層面元,再根據(jù)面元中心到射線束中心射線的距離計(jì)算出高斯射線束在該位置上的能量并疊加到面元上。

(2)計(jì)算目的層面元對(duì)地面檢波器的接收照明的方法

以目的層的一個(gè)面元為一個(gè)二次震源單位,先將其高斯射線束傳播到地面,再根據(jù)檢波點(diǎn)到射線束中心的距離計(jì)算出射線束對(duì)檢波點(diǎn)的貢獻(xiàn)。

2 深水崎嶇海底區(qū)不同采集方向地震波照明能量的分布特征

筆者以南海北部白云凹陷深水區(qū)崎嶇海底地貌(圖1)為基礎(chǔ),建立了如圖2所示的深水崎嶇海底的三維概念模型,該模型沿X方向有3個(gè)海溝與3個(gè)脊梁,沿Y方向有一個(gè)海溝。下面利用高斯射線束正演模擬的方法來(lái)研究海上不同方向采集時(shí)地震波對(duì)崎嶇海底以及下伏水平目的層的激發(fā)照明和接收照明的能量分布特征。

為了觀測(cè)整個(gè)模型工區(qū)的照明,在海面上一次性布置81條接收線,接收線距為100 m,每條接收線是240道接收,道間距為25 m,排列線的中間布置了8個(gè)炮點(diǎn),炮點(diǎn)距為1 000 m,炮線每次移動(dòng)2道,共計(jì)100條炮線。

2.1 深水崎嶇海底界面的照明能量

圖3所示為不同采集方向地震波對(duì)深水崎嶇海底界面的激發(fā)照明與接收照明能量分布的模擬結(jié)果。從圖3可以看出:對(duì)于崎嶇海底界面的激發(fā)照明,當(dāng)沿垂直海溝走向激發(fā)時(shí),強(qiáng)能量主要匯聚在中間海溝的深凹處(圖3a);而當(dāng)沿非垂直海溝走向激發(fā)時(shí),強(qiáng)能量主要照射在崎嶇海底的高部位(圖3b、c)。對(duì)于崎嶇海底界面的接收照明,3個(gè)不同采集方向的能量均呈現(xiàn)出條帶狀,即分布在海底脊梁的投影處(圖3a、b、c),但相對(duì)而言垂直于海溝走向激發(fā)的接收照明能量均勻性要好一些。

圖3 不同采集方向地震波對(duì)深水崎嶇海底界面的激發(fā)照明與接收照明能量分布的模擬結(jié)果

2.2 深水崎嶇海底下伏水平界面的照明能量

圖4所示為不同采集方向地震波對(duì)深水崎嶇海底下伏水平界面的激發(fā)照明與接收照明能量分布的模擬結(jié)果。從圖4可以看出,崎嶇海底的脊梁會(huì)引起下伏地層激發(fā)入射能量的發(fā)散與接收反射能量的發(fā)散,而崎嶇海底的海溝會(huì)引起下伏地層激發(fā)入射能量的匯聚與接收反射能量的匯聚,即造成地震波激發(fā)與接收照明的非均勻性。從激發(fā)與接收能量的最大值對(duì)比(表1)來(lái)看,3個(gè)方向激發(fā)到下伏地層的最大能量是相同的(為1.1×1010),而垂直海溝走向采集時(shí)接收下伏水平地層的反射能量最大(為8.6×107),是另外2個(gè)采集方向接收能量(分別為1.4×107和1.5×107)的5～6倍。

圖4 不同采集方向地震波對(duì)深水崎嶇海底下伏水平界面的激發(fā)照明與接收照明能量分布的模擬結(jié)果

表1 深水與淺水崎嶇海底模型激發(fā)照明與接收照明的最大能量

3 淺水崎嶇海底下伏水平界面照明能量的分布特征

為了對(duì)比研究,建立了如圖5所示的淺水崎嶇海底三維概念模型,也利用高斯射線束正演模擬的方法對(duì)不同采集方向地震波對(duì)淺水崎嶇海底下伏水平界面的激發(fā)照明與接收照明的能量分布特征進(jìn)行了模擬,其結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出,相對(duì)于深水崎嶇海底對(duì)下伏地層入射與反射能量的發(fā)散與匯聚特征而言,淺水崎嶇海底對(duì)下伏地層入射與反射能量的非均勻性影響要小得多,3種不同采集方向激發(fā)到下伏地層的能量最大值都不相同(見(jiàn)表1),垂直構(gòu)造走向激發(fā)能量最小(為0.77×1010),平行構(gòu)造走向激發(fā)能量最大(為1.4×1010),而垂直與平行構(gòu)造走向采集的接收能量最大值基本相當(dāng)(分別為1.4×107和1.5×107),沿構(gòu)造走向斜交方向采集的接收能量最小(為0.9×107)。因此,從地震波照明的均勻性和激發(fā)能量的大小來(lái)說(shuō),在淺水崎嶇海底條件下,斜交于海溝走向布設(shè)地震采集更有利于降低崎嶇海底對(duì)反射地震波成像的影響。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)高斯射線束正演模擬方法可以有效地模擬入射的地震波對(duì)地下目的層的激發(fā)照明,以及目的層對(duì)地面觀測(cè)點(diǎn)的接收照明,這對(duì)于海上地震采集觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析具有很好的指導(dǎo)作用。

(2)深水崎嶇海底對(duì)下伏地層地震波的激發(fā)照明和接收照明的均勻性有很大的影響,因此,在海上地震采集設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮增加數(shù)據(jù)的采集密度和覆蓋次數(shù),以便于室內(nèi)有選擇性地進(jìn)行照明補(bǔ)償。

(3)淺水崎嶇海底對(duì)下伏地層地震波照明的均勻性影響相對(duì)要小一些;相對(duì)而言,將地震采集排列布置在斜交海溝走向的方向,更有利于降低崎嶇海底對(duì)下伏地層地震波照明的均勻性的影響。

(4)本文僅僅研究了深水與淺水崎嶇海底對(duì)下伏水平地層的激發(fā)照明與接收照明能量的影響,對(duì)于崎嶇海底下伏深部復(fù)雜構(gòu)造的激發(fā)照明與接收照明能量的分布特征,同樣可以通過(guò)高斯射線束正演模擬進(jìn)行研究。由于崎嶇海底形成的嚴(yán)重多次繞射波也是影響下伏地層地震波照明均勻性的主要因素,因此,研究多源多纜以及多方位采集條件下深水崎嶇海底地區(qū)下伏目的層地震波照明能量的分布特征是非常有意義的。

[1] 呂福亮,賀訓(xùn)云,武金云,等.世界深水油氣勘探現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)我國(guó)深水勘探的啟示[J].中國(guó)石油勘探,2007,12(6): 28-31.

[2] DAN IELSEN B,REKDAL T,STRAND C.Addressing challengesat Ormen Lange by innovative acquisition design[C].SEG 74 th Annual Meeting,Denver,Colorado,2004.

[3] 呂公河,尹成,周星合,等.基于采集目標(biāo)的地震照明度的精確模擬[J].石油地球物理勘探,2006,41(3):258-261.

[4] CERVENY V.Synthetic body wave seismograms for laterally varying structures by the Gaussian beam method[J].Geophys.J.R. Astr.Soc.1983,73:389-426.

[5] 周熙襄,劉學(xué)才,蔣先藝.二維高斯射線束地震模型[J].石油地球物理勘探,1991,26(4):452-464.

[6] 鄧飛,王美平,周杲,等.高斯射線束法地震記錄合成系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2006,25(6):93-97.

(編輯:崔護(hù)社)

A research on energy distribution pattern of seismic illumination a long various acquisition direction on deep rough seafloor

Li Xuxuan1Wen Shuliang1Yin Cheng2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 2.Resources and Environment Institute, Southwest Petroleum University,Chengdu,610500)

There are rapidly-changed water depth, crossed canyons and complicated channels in a deep slope area,resuling in rough seafloor topography, w here seismic imaging of underlying stratigraphic intervals is seriously influenced,with distorted structural shape on a seismic section.On a basis of the rough seafloor topography in Baiyun deep water area,the northern South China Sea,the energy distribution pattern of seismic shot and receiver illumination was researched by the method of Gaussian bean forward modeling for 3 conceptual models,i.e.the deep rough seafloor interface,the horizontal interface below deep rough seafloor and the ho rizontal interface below shallow rough seafloor.The obtained results can provide a guidance for designing seismic acquisition in a deep rough seafloor area.

Gaussian beam for ward modeling;shot illumination;receiver illumination;energy distribution; deep rough seafloor

＊國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“南海深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地震采集基礎(chǔ)理論研究”(2009CB219403)部分研究成果。

李緒宣,男,高級(jí)工程師,1982年畢業(yè)于山東海洋學(xué)院海洋地質(zhì)系海洋物探專業(yè),現(xiàn)任中海油研究總院地球物理總師。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號(hào)海油大廈(郵編:100027)。

2009-12-21