司文朋，狄?guī)妥?，魏建?/p>

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249;2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249;3.CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

地震物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中多次轉(zhuǎn)換干擾波的分析

司文朋1,2,3，狄?guī)妥?,2,3，魏建新1,2,3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249;2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249;3.CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

多層地震物理模型的單炮記錄中有一種特殊的干擾波，在埋深較淺的界面附近能量較強(qiáng)，在中、遠(yuǎn)偏移距上會(huì)與反射波同相軸交叉，嚴(yán)重影響了反射波的振幅分析?；谝粋€(gè)多層物理模型，在相同參數(shù)的數(shù)值模型上利用波動(dòng)方程正演模擬分析這種干擾波的產(chǎn)生機(jī)理，并利用射線追蹤方法對(duì)其傳播路徑進(jìn)行追蹤分析。結(jié)果顯示這是一種經(jīng)歷了P-S-P多次轉(zhuǎn)換過程的干擾波。分析認(rèn)為，一般設(shè)計(jì)制作的多層物理模型中各層介質(zhì)之間的相對(duì)波阻抗差異較大，入射縱波容易產(chǎn)生能量較強(qiáng)的透射橫波，傳播到下一界面時(shí)又會(huì)產(chǎn)生反射縱波傳播上來，在淺層界面附近產(chǎn)生能量較強(qiáng)的干擾波。在地震物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，利用Radon濾波可以很好地去除這種多次轉(zhuǎn)換干擾波。

地震物理模型;數(shù)值模擬分析;多次轉(zhuǎn)換干擾波;產(chǎn)生機(jī)理;射線追蹤

利用數(shù)值模擬和物理模擬方法對(duì)不同類型介質(zhì)地震波場(chǎng)中各種波的形成機(jī)理及傳播特征進(jìn)行分析，是地震正演工作的重要研究?jī)?nèi)容。在數(shù)值模擬方面，近些年來針對(duì)黏彈性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)、裂隙介質(zhì)及隨機(jī)介質(zhì)的波場(chǎng)特征開展了大量研究工作[1-8]。在物理模擬方面，針對(duì)三維多層介質(zhì)物理模型、HTI介質(zhì)物理模型、復(fù)雜高陡構(gòu)造物理模型、含流體物理模型的波場(chǎng)特征也進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)分析[9-12]。

隨著物理模型制作和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)多層及復(fù)雜構(gòu)造物理模型獲取的地震波場(chǎng)信息也愈加豐富和復(fù)雜[13-14]。在多層物理模型觀測(cè)波場(chǎng)的反射同相軸附近經(jīng)常出現(xiàn)一種特殊的干擾波，零偏移距時(shí)與反射波時(shí)差較小，在中、遠(yuǎn)偏移距上會(huì)與其它反射界面的有效波發(fā)生交叉，嚴(yán)重影響了反射波的振幅分析。這種干擾波的傳播特征并不符合多次波或者側(cè)面波等物理模型中常見的干擾波特征。為了對(duì)這種干擾波進(jìn)行正確識(shí)別和有效去除，針對(duì)一個(gè)多層物理模型，在相同參數(shù)的數(shù)值模型上利用波動(dòng)方程正演模擬分析了這種干擾波的產(chǎn)生機(jī)理，并利用射線追蹤方法分析了其傳播路徑和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上給出了去除這種干擾波的有效方法。

1 多層物理模型實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

在進(jìn)行地震物理模擬的時(shí)候，為了使超聲波在模型中的傳播時(shí)間與實(shí)際地震波在地質(zhì)體中的傳播時(shí)間成比例，必須使模型的尺寸與實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)體的尺寸呈一定比例關(guān)系，這是地震物理模擬的幾何相似原理[15]。在地震物理模型的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)系統(tǒng)的炮點(diǎn)距、炮線距、道距、線距等參數(shù)也都在幾何尺度相似比下設(shè)置。

圖1為一個(gè)多層物理模型的示意圖，模型同野外地質(zhì)構(gòu)造的尺寸比為1∶10000，即模型中的1mm代表野外地質(zhì)構(gòu)造中的10m(圖1中模型尺度已經(jīng)換算到了野外情況);速度比為1∶1。設(shè)計(jì)制作該多層物理模型的目的在于含氣砂巖層識(shí)別技術(shù)的檢測(cè)。共設(shè)計(jì)了5層層狀介質(zhì)，第4層為含氣砂巖，由人工砂巖板制作加工而成，其它4層均由不同比例的環(huán)氧樹脂與滑石粉配制固化而成。

圖1 多層物理模型及其數(shù)據(jù)采集

表1給出了多層物理模型各層介質(zhì)的參數(shù)，由于模型的地震觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是在水槽中進(jìn)行的，因此也給出了水層的參數(shù)。從表1中可以看出，由于模型是對(duì)野外地質(zhì)構(gòu)造的簡(jiǎn)化模擬，模型各層介質(zhì)之間的相對(duì)縱、橫波阻抗差異要比野外實(shí)際地層之間的相對(duì)波阻抗差異大得多。

表1 多層物理模型參數(shù)

該多層物理模型的地震數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)是在水槽中進(jìn)行的，因此在地震記錄上所得到的都是縱波信息，如圖2a所示。在單炮記錄上有一種特殊的干擾波，這種波不是多次反射波，也不可能是P-S轉(zhuǎn)換波;零偏移距時(shí)與反射波旅行時(shí)相差很小，在中、遠(yuǎn)偏移距上與其它反射界面的有效波發(fā)生交叉。圖2b為動(dòng)校正之后的CDP道集，可見這種特殊的波很難被校平，而且與界面的一次反射波交叉，影響有效波的AVO特征分析。這種特殊的干擾波在多層物理模型的地震觀測(cè)記錄中經(jīng)常出現(xiàn)。

圖2 多層物理模型單炮記錄(a)及CDP道集上的特殊干擾波(b)

2 模型數(shù)據(jù)中的特殊干擾波分析

2.1 產(chǎn)生機(jī)理分析

針對(duì)上述多層物理模型，采用彈性波動(dòng)方程正演數(shù)值模擬的波場(chǎng)快照分析上述特殊干擾波的產(chǎn)生機(jī)理。將水層也考慮在內(nèi)，在參數(shù)完全相同的多層數(shù)值模型上進(jìn)行波動(dòng)方程數(shù)值模擬，網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置為5m×5m，采樣率為0.5ms，8000個(gè)點(diǎn)采樣，地震記錄的長(zhǎng)度為4s，與物理模型地震記錄長(zhǎng)度相同。步長(zhǎng)為100個(gè)點(diǎn)，即每隔50ms進(jìn)行一次波場(chǎng)快照。炮點(diǎn)設(shè)置在模型正中點(diǎn)的水面上。

與物理模型相對(duì)應(yīng)，圖3中R1為水層與物理模型頂面之間的界面;R2,R3,R4,R5分別是模型各層介質(zhì)之間的界面。圖3a是彈性波動(dòng)方程數(shù)值模擬的1350ms時(shí)刻Z分量波場(chǎng)快照，在此時(shí)刻，R1界面上的上行波分別是R1和R2界面的一次反射縱波，下行波為R2界面的一次反射在R1界面上產(chǎn)生的層間多次反射縱波。同樣，在R2界面上也可以看到來自R3界面的一次反射和層間多次反射縱波。需要注意的是，此時(shí)在R2和R3界面上，有一種能量較強(qiáng)的特殊波正在產(chǎn)生，這種波顯然不是由入射縱波和反射縱波所激發(fā)產(chǎn)生的。此外，由于Z分量只包含縱波信息，顯然這種波也不是P-S轉(zhuǎn)換波。

圖3 多層數(shù)值模型彈性波動(dòng)方程正演模擬的1350ms時(shí)刻波場(chǎng)快照

由于波動(dòng)方程數(shù)值模擬時(shí)已將橫波速度為0的頂層水層考慮在內(nèi)，因此模擬記錄中各界面上產(chǎn)生的橫波均由縱波轉(zhuǎn)換而來。圖3b是數(shù)值模擬的1350ms時(shí)刻X分量波場(chǎng)快照，在R1界面的下行橫波分別為入射縱波和入射多次縱波轉(zhuǎn)換而來，當(dāng)?shù)竭_(dá)R2界面時(shí)又會(huì)轉(zhuǎn)化為縱波繼續(xù)傳播;R2界面上產(chǎn)生的下行橫波在到達(dá)R3界面時(shí)也同樣發(fā)生了S-P轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

結(jié)合數(shù)值模擬波場(chǎng)快照Z分量和X分量中R2和R3界面上的各種波的分析，就能夠解釋這種特殊干擾波是如何產(chǎn)生的。激發(fā)出這種干擾波的橫波首先由縱波轉(zhuǎn)換而來，即先經(jīng)歷了P-S波的轉(zhuǎn)換，隨后又在下層界面上經(jīng)歷了S-P波的轉(zhuǎn)換。干擾波的能量在埋深較淺的反射界面附近比較強(qiáng)，其原因在于所設(shè)計(jì)的物理模型各層介質(zhì)波阻抗差異較大，在界面發(fā)生反射的同時(shí)有很大一部分能量透射進(jìn)入下層，透射的S波在遇到下層界面后又轉(zhuǎn)換為P波反射上來。在深層反射界面附近，這種干擾波的能量則變得非常微弱。

2.2 傳播路徑分析

在相同參數(shù)的多層數(shù)值模型上，利用射線追蹤方法分析多次轉(zhuǎn)換波的傳播路徑特征。由于在多層物理模型記錄上，R4和R5界面產(chǎn)生的各種波能量已經(jīng)比較微弱不好辨認(rèn)，因此重點(diǎn)分析在R2和R3界面上所產(chǎn)生的波。圖4給出了1350ms時(shí)刻波場(chǎng)快照中R2和R3界面上產(chǎn)生的多次轉(zhuǎn)換波對(duì)應(yīng)的射線路徑，以及在地震剖面上所產(chǎn)生的同相軸。圖4a顯示入射縱波在界面R1上產(chǎn)生下行的透射橫波，其到達(dá)R2界面后發(fā)生轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了上行的縱波，圖4c為其在地震剖面上產(chǎn)生的相應(yīng)同相軸。同理，圖4b所示為入射縱波在R2界面上產(chǎn)生的下行透射橫波在到達(dá)R3界面后發(fā)生轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的上行縱波,圖4d為其在地震剖面上產(chǎn)生的相應(yīng)同相軸。

實(shí)際上，在模型內(nèi)部的固-固界面上都會(huì)產(chǎn)生多次轉(zhuǎn)換方式的波。由上層界面透射而來的縱波或者橫波都會(huì)在下層界面上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。仍然以界面R3為例，圖5給出了反射縱波(圖5a)及可能的多次轉(zhuǎn)換干擾波(圖5b,圖5c,圖5d)的傳播路徑。因?yàn)闇\層界面上透射橫波的能量比較強(qiáng)，所以產(chǎn)生的經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)換過程的干擾波的能量比較強(qiáng)。隨著縱波傳播到深部界面，這種干擾波的能量將會(huì)變得非常微弱。

圖4 多層模型R2及R3界面上產(chǎn)生的多次轉(zhuǎn)換干擾波路徑(a,b)及相應(yīng)的同相軸(c,d)

2.3 單炮記錄對(duì)比

利用射線追蹤方法找出多層模型各界面上每種可能路徑的波，并得到地震記錄上對(duì)應(yīng)的同相軸。圖6a是射線追蹤方法得到的單炮記錄，圖6b為波動(dòng)方程數(shù)值模擬的單炮記錄，圖6c為物理模型采集的單炮記錄，可見三者有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 多層模型R3界面上反射縱波(a)及可能的多次轉(zhuǎn)換干擾波(b，c，d)傳播路徑

圖6 多層模型射線追蹤(a)、數(shù)值模擬(b)及物理模型觀測(cè)(c)單炮記錄對(duì)比

通過射線追蹤對(duì)單炮記錄中能量較強(qiáng)的同相軸進(jìn)行了標(biāo)定，對(duì)能量較強(qiáng)比較容易識(shí)別的同相軸給出了合理的解釋。圖6中①，②，③，⑥分別為R1,R2,R3,R4界面的一次縱波反射;④為R2界面上產(chǎn)生的路徑為P-S-P-P的多次轉(zhuǎn)換波;⑤為R2界面上產(chǎn)生的路徑為P-S-S-P的多次轉(zhuǎn)換波;⑦為R3界面上產(chǎn)生的路徑為P-P-P-S-P-P的多次轉(zhuǎn)換波;⑧為R3界面上產(chǎn)生的路徑為P-P-S-S-P-P的多次轉(zhuǎn)換波。由圖6可見，對(duì)于模型中埋深較淺的R2和R3界面，能夠產(chǎn)生能量較強(qiáng)的多次轉(zhuǎn)換干擾波，而隨著界面的加深這種波的能量將變得非常微弱。

3 多次轉(zhuǎn)換干擾波的去除

通過以上分析,可以確定特殊干擾波是一種多次轉(zhuǎn)換波，每個(gè)界面上產(chǎn)生的不同路徑的多次轉(zhuǎn)換波與有效波存在一定的時(shí)差關(guān)系。根據(jù)物理模型各層的參數(shù)以及傳播路徑，可以確定多次轉(zhuǎn)換干擾波與有效波在不同偏移距上的旅行時(shí)差范圍，從而利用Radon濾波去除掉物理模擬數(shù)據(jù)中的這種特殊干擾波。圖7為Radon濾波前、后的多層模型物理模擬CDP道集，可見能量較強(qiáng)的干擾波被有效去除。

圖7 Radon濾波去除多次轉(zhuǎn)換干擾波前(a)、后(b)的多層模型物理模擬CDP道集

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

基于一個(gè)多層物理模型，在相同參數(shù)的數(shù)值模型上利用波動(dòng)方程正演數(shù)值模擬分析了物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中一種特殊干擾波的產(chǎn)生機(jī)理，利用射線追蹤方法對(duì)這種干擾波的傳播路徑進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

1) 在多層地震物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，模型界面上會(huì)產(chǎn)生一種特殊的干擾波，其基本傳播形式為P-S-P，即經(jīng)歷了縱波轉(zhuǎn)換為橫波、再轉(zhuǎn)換為縱波的多次轉(zhuǎn)換過程。這種多次轉(zhuǎn)換干擾波是由于所設(shè)計(jì)制作的多層物理模型中各層介質(zhì)之間波阻抗差異比較大而產(chǎn)生的，尤其在埋深較淺的界面上能量比較強(qiáng)。

2) 在中、遠(yuǎn)偏移距上這種多次轉(zhuǎn)換干擾波會(huì)與界面的有效反射波發(fā)生交叉，給有效波的振幅分析帶來較大的誤差。在物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，通過Radon濾波可以很好地去除這種干擾波。

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(編輯：戴春秋)

Analysis of multiple-converted interference wave in seismic physical modeling data

Si Wenpeng1,2,3,Di Bangrang1,2,3,Wei Jianxin1,2,3

(1.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,Beijing102249,China; 3.CNPCKeyLaboratoryofGeophysicalExploration,Beijing102249,China)

One special interference wave frequently appears in the shot records of multi-layer seismic physical models,whose amplitude is relatively strong around the shallow interfaces.The interference wave intersects with the reflection wave events from middle and far offset and severely affects the amplitude analysis on reflection wave of seismic physical modeling data.Based on a multi-layer physical model,we use elastic wave equation forward numerical simulation to analyze the generation mechanism of the interference wave for a multi-layer numerical model with the same parameters.Then the ray tracing method is utilized to trace its propagation path and we find that it is a P-S-P multiple converted process.It was believed that the difference of the wave impedance between adjacent layers is relatively large in multi-layer physical modeling,therefore the incident P-wave can generate transmitted S-wave with stronger energy,and when the S-wave arrives at nearby interface it will induce reflected P-wave again.The amplitude of the interference wave is relatively large near shallow interfaces.In the processing of seismic physical modeling data the multiple-converted interference wave can be removed by Radon filtering.

seismic physical model,numerical simulation analysis,multiple-converted interference wave,generation mechanism,ray tracing

2014-05-29;改回日期：2014-08-24。

司文朋(1987—)，男，博士在讀，研究方向?yàn)閹r石物理、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和地震物理模擬。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05007-006)資助。

P631

A

1000-1441(2015)01-0017-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.003