石一青，朱 峰，芮建民 成 云，魏 燕，徐繼偉 （江蘇石油勘探局地球物理勘探處，江蘇 揚(yáng)州225007）

三維波動(dòng)方程正演技術(shù)在地震采集施工方法設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

石一青，朱 峰，芮建民 成 云，魏 燕，徐繼偉 （江蘇石油勘探局地球物理勘探處，江蘇 揚(yáng)州225007）

針對(duì)物理點(diǎn)位發(fā)生大量偏移的復(fù)雜城鎮(zhèn)地震采集施工，在三維建?；A(chǔ)上，通過(guò)接近真實(shí)地下情況的三維波動(dòng)方程正演技術(shù)，對(duì)所形成的正演模擬炮集數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊加、疊前時(shí)間偏移的處理及分析。根據(jù)野外實(shí)際情況調(diào)整施工方案，再進(jìn)行循環(huán)多次的三維波動(dòng)方程正演模擬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)炮檢點(diǎn)變化大的復(fù)雜地表進(jìn)行地震采集施工方法科學(xué)設(shè)計(jì)和合理驗(yàn)證的目的。提供了一種直觀、預(yù)先對(duì)采集方法能否完成地質(zhì)任務(wù)效果判斷的技術(shù)手段，極大提高了地震采集野外生產(chǎn)效率，在地震資料采集過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

三維波動(dòng)方程；正演；三維建模；疊前時(shí)間偏移；設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

地震采集方法的正演設(shè)計(jì)最初采用幾何射線法進(jìn)行，所得的地震波傳播時(shí)間比較準(zhǔn)確，但是計(jì)算結(jié)果不符合地震波的動(dòng)力學(xué)特征，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)。為此，應(yīng)用地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算給定地質(zhì)模型的地震響應(yīng)，以準(zhǔn)確分析油氣藏地震波的波場(chǎng)特征即三維波動(dòng)方程正演，是地球物理學(xué)家一直努力的目標(biāo)［1～3］，但是由于受限于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力而難以實(shí)現(xiàn)。隨著地震波理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，開展基于地質(zhì)目標(biāo)的波動(dòng)方程正演采集方法研究與應(yīng)用已成為可能。

1 三維波動(dòng)方程正演模擬技術(shù)

三維波動(dòng)方程正演模擬的地震波同時(shí)包含地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué) （傳播時(shí)間和速度）和動(dòng)力學(xué) （能量、振幅和波形）特征，更加符合地下實(shí)際情況，并能克服以往常用的幾何射線追蹤法只能適應(yīng)均勻介質(zhì)及存在射線盲區(qū)的弱點(diǎn)，使目標(biāo)的地震響應(yīng)分析更加合理準(zhǔn)確。該次三維波動(dòng)方程正演采用單程波方程和基于傅里葉算法的正演模擬技術(shù)［2］，將震源位置的子波作為初始條件，先將波場(chǎng)向下傳播至模型最深處，然后從模型最深處開始向地表傳播并接收，由此得到單程波正演的反射波記錄。在向下延拓的過(guò)程中，按照反射和透射規(guī)律將波場(chǎng)分解為上行波和下行波，即反射波和透射波。該方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是計(jì)算速度較其他數(shù)值算法如有限差分法、有限元法等要快；二是節(jié)省內(nèi)存，對(duì)于二維問題，只需要若干個(gè)一維數(shù)組存儲(chǔ)波場(chǎng)；對(duì)于三維問題，只需要若干個(gè)二維數(shù)組存儲(chǔ)波場(chǎng)，即可完成正演計(jì)算，正確模擬一次反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，在振幅方面存在一定程度的近似，精度較高。

2 三維波動(dòng)方程正演模擬對(duì)采集施工方法優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

針對(duì)蘇北盆地勘探部署幾上幾下的困難地區(qū)，即面積超過(guò)10km2的JH城區(qū)提出基于地質(zhì)目標(biāo)的三維波動(dòng)方程正演模擬及采集方法設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，希望通過(guò)三維地震波場(chǎng)模擬來(lái)指導(dǎo)和驗(yàn)證地震采集施工方法，進(jìn)行激發(fā)點(diǎn)數(shù)、激發(fā)點(diǎn)位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高地震采集野外生產(chǎn)效率，解決大型集鎮(zhèn)城區(qū)的地震采集施工難度大的關(guān)鍵問題。

2.1 技術(shù)思路

1）依據(jù)老二維資料及區(qū)域構(gòu)造特征，建立三維地質(zhì)模型和速度場(chǎng)模型［4］。

2）在三維模型上進(jìn)行多次地震采集觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)［5］，并開展三維波動(dòng)方程正演模擬。

3）依據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)位、實(shí)際測(cè)量點(diǎn)位等多種變化情況，對(duì)形成的正演模擬炮集數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊加、疊前時(shí)間偏移處理。

4）直觀地分析和判斷不同激發(fā)點(diǎn)位情況下所模擬采集處理剖面的地質(zhì)任務(wù)完成情況。

5）再經(jīng)過(guò)多次依據(jù)實(shí)地情況調(diào)整施工設(shè)計(jì)方法，來(lái)尋找最佳的激發(fā)點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地表地震采集施工方法的科學(xué)設(shè)計(jì)和合理驗(yàn)證的目的。

2.2 具體應(yīng)用

JH城區(qū)常規(guī)采集方式為12線9炮，設(shè)計(jì)井炮456炮，施工中由于城區(qū)禁止井炮激發(fā)，從安全、環(huán)保角度考慮采用較小噸位的可控震源在主干道路上施工，但是由于各種地下管線都是沿主干道路布設(shè)，預(yù)計(jì)可以施工的激發(fā)點(diǎn)位將會(huì)受到極大影響，因此可控震源點(diǎn)位設(shè)計(jì)為40m點(diǎn)距，共971個(gè)點(diǎn)，以保證剔除管線影響時(shí)有足夠的激發(fā)點(diǎn)。并對(duì)各種采集方案進(jìn)行基于地質(zhì)目標(biāo)的三維波動(dòng)方程正演模擬，對(duì)形成的正演模擬炮集數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊加、偏移以及疊前時(shí)間處理及分析。三維正演模擬主頻是25Hz，采樣率4ms，采樣數(shù)1250，共正演模擬10－11兩束線。觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)如下：觀測(cè)系統(tǒng)為12線9炮正交；面元20m×40m；接收道數(shù)2304道 （12線×192道）；覆蓋次數(shù)12×6＝72次；道距40m；炮點(diǎn)距80m；接收線距240m；滾動(dòng)距3×240＝720m；炮線距320m。

2.2.1 模擬單炮記錄分析

根據(jù)城區(qū)模擬激發(fā)點(diǎn)波長(zhǎng)快照?qǐng)D （圖1）可以看出地震波傳播到傾斜界面時(shí)的反射，及反射波到達(dá)地面時(shí)的范圍，由此可以確定對(duì)于該次的地質(zhì)模型，應(yīng)該采用非對(duì)稱的觀測(cè)系統(tǒng)。由單炮模擬記錄 （圖2）可以看出三維模擬記錄的各個(gè)層位的反射波同相軸連續(xù)性非常好，斷層發(fā)育的地區(qū)反射波、繞射波清晰可見；在遠(yuǎn)炮點(diǎn)排列的大炮檢距各層的反射波同相軸幾乎連成一體，說(shuō)明最大炮檢距不能再加大，否則影響成像效果。

圖1 不同時(shí)刻波場(chǎng)快照三維顯示圖

2.2.2 模擬剖面分析

1）城區(qū)禁炮后疊加剖面、疊前偏移處理剖面分析。對(duì)形成的正演模擬炮集數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊加、偏移以及疊前時(shí)間處理及分析。從抽取的CDP55疊加時(shí)間偏移剖面 （圖3）及疊后時(shí)間偏移剖面上都可以看出3個(gè)主要目的層出現(xiàn)了很大的缺口，由于空炮段太大造成淺層缺口過(guò)大，出現(xiàn)了較大的空白CDP段，同時(shí)缺口兩邊的不滿覆蓋段的剖面信噪比降低，不能滿足解釋的需要。

圖2 激發(fā)點(diǎn)單炮模擬記錄

圖3 城區(qū)禁炮后的CDP55三維波動(dòng)模擬疊加處理剖面

2）根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行三維波動(dòng)方程正演模擬，疊加剖面、疊前偏移處理剖面分析。依據(jù)實(shí)測(cè)情況去除地下管線影響，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)結(jié)果，避開各種管線后可控震源點(diǎn)數(shù)減少近一半，可用激發(fā)點(diǎn)為491炮。由三維波動(dòng)方程正演模擬疊加剖面及疊前時(shí)間偏移處理剖面 （圖4、5）可以看出，疊前偏移剖面的層位非常清晰，與速度模型非常符合。模型左邊和右邊的斷層發(fā)育地區(qū)也能清晰成像。與CDP55同一位置的老三維解釋剖面對(duì)比，除原有城區(qū)空白區(qū)域外，二者各主要目的層形態(tài)一致。說(shuō)明在可控震源能量足夠的情況下，該采集方案能夠達(dá)到完成地質(zhì)任務(wù)的要求。

3）根據(jù)野外可控震源試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整城區(qū)采集方案，再次進(jìn)行三維波動(dòng)方程模擬驗(yàn)證。為了降低可控震源對(duì)道路破壞程度，施工參數(shù)采用18t、驅(qū)動(dòng)幅度在60%～70%，垂直疊加次數(shù)6～8次，3臺(tái)線性組合，與同一位置2kg井炮相比，可控震源在2s附近仍有較清晰的反射信息，但是2000ms以下不如井炮能量強(qiáng) （圖6），所以為了增強(qiáng)深層反射能量，還需要通過(guò)城區(qū)綠地深井小藥量施工、改變觀測(cè)系統(tǒng)及非縱接收［6］。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整后的三維波動(dòng)模擬疊前時(shí)間偏移剖面 （圖7）可以看出，各主要目的層反射信息均很豐富，同相軸連續(xù)性好，能夠較好地完成地質(zhì)任務(wù)。從野外采集現(xiàn)場(chǎng)處理剖面 （圖8）上可以看出，盡管由于城區(qū)運(yùn)用可控震源能量弱 （信噪比較低），但是其淺層缺口較小，未影響到主要目的層；深層各主要地震反射存在，并可連續(xù)追蹤，說(shuō)明運(yùn)用三維波動(dòng)方程正演模擬進(jìn)行施工方案的調(diào)整與驗(yàn)證效果是明顯的，能夠較好地完成地質(zhì)任務(wù)要求。

圖4 城區(qū)激發(fā)點(diǎn)調(diào)整后的CDP55三維波動(dòng)模擬疊加處理剖面

圖5 城區(qū)激發(fā)點(diǎn)調(diào)整后的CDP55三維波動(dòng)模擬疊前時(shí)間偏移處理剖面

圖6 同一位置井炮與可控震源單炮對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

圖7 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整后的CDP線55三維波動(dòng)模擬疊前時(shí)間偏移處理剖面

圖8 野外采集現(xiàn)場(chǎng)處理剖面 （9－11束）

隨著油氣勘探和開發(fā)工作的深入，成熟油區(qū)都面臨著復(fù)雜構(gòu)造油氣藏、巖性油氣藏和裂縫油氣藏等復(fù)雜油氣藏的勘探開發(fā)艱巨任務(wù)。地震正演模擬技術(shù)的發(fā)展，為通過(guò)三維復(fù)雜介質(zhì)地震數(shù)值模擬，對(duì)三維復(fù)雜介質(zhì)地震采集方法優(yōu)化設(shè)計(jì)、地震數(shù)據(jù)處理方法和地震資料解釋方法等進(jìn)行研究提供了可行的技術(shù)手段。通過(guò)該次研究與應(yīng)用得到以下認(rèn)識(shí)，在復(fù)雜障礙區(qū)地震采集物理點(diǎn)位發(fā)生大量偏移、無(wú)法正常施工的情況下，依據(jù)地下反射的需要指導(dǎo)地面激發(fā)點(diǎn)位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用三維波動(dòng)方程正演模擬技術(shù)對(duì)采集施工方法進(jìn)行模擬，然后對(duì)所形成的正演模擬炮集數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊加、疊前時(shí)間偏移的處理及分析；并根據(jù)野外實(shí)際情況調(diào)整施工方案，再進(jìn)行循環(huán)多次的三維波動(dòng)方程正演模擬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)炮檢點(diǎn)變化大的復(fù)雜地表進(jìn)行地震采集施工方法科學(xué)設(shè)計(jì)和合理驗(yàn)證的目的，并且提供了一種直觀、預(yù)先對(duì)采集方法能否完成地質(zhì)任務(wù)效果判斷的技術(shù)手段；能夠提高地震采集野外生產(chǎn)效率，解決大型集鎮(zhèn)城區(qū)地震采集施工難度大的關(guān)鍵問題，在地震資料采集過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

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A

1000－9752（2011）06－0199－05

2011－03－02

石一青 （1970－），女，1992年大學(xué)畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地震采集方法設(shè)計(jì)工作。

［編輯］ 龍 舟