葉云飛，韓復(fù)興， 張益明， 孫建國(guó)

(1. 中海油研究總院，北京　100027；2. 吉林大學(xué)，長(zhǎng)春　130000)

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震源位置對(duì)波場(chǎng)能量傳播以及數(shù)據(jù)采集的影響研究

葉云飛1 ，2，韓復(fù)興2， 張益明1， 孫建國(guó)2

(1. 中海油研究總院，北京100027；2. 吉林大學(xué)，長(zhǎng)春130000)

摘要：針對(duì)瓊東南盆地深水大陡坡區(qū)域中深層地震能量弱、成像品質(zhì)較差的問(wèn)題，這里通過(guò)混合網(wǎng)格建模技術(shù)建立了盆地內(nèi)寶島凹陷典型地震剖面速度模型。在此模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用射線追蹤方法模擬了震源處于不同位置時(shí)地震波場(chǎng)能量的傳播方向及規(guī)律，得出地形復(fù)雜的大陡坡區(qū)域震源和檢波點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系是影響地震能量傳播、信號(hào)接收的重要因素之一。該研究對(duì)今后該類大陡坡、崎嶇海底區(qū)域地震資料采集方案的設(shè)計(jì)和提高中深層地震資料能量及成像品質(zhì)，具有非常重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大陡坡； 混合網(wǎng)格； 射線追蹤； 采集方案

0引言

南海北部瓊東南盆地深水區(qū)油氣資源豐富，是我國(guó)油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域[1]。前人研究證實(shí)，瓊東南盆地從西側(cè)樂(lè)東、陵水凹陷經(jīng)松南凹陷到寶島凹陷內(nèi)，沉積地層厚度差異較大，西側(cè)樂(lè)東凹陷最大沉積厚度超過(guò)5 000 m，而東側(cè)部分無(wú)大量物源注入，區(qū)域沉積厚度不足1 000 m，且水深較大。大量鉆井結(jié)果表明，寶島凹陷內(nèi)晚中新世至今的沉積主要表現(xiàn)為以泥巖為主、快速沉積、地層束縛水含量高的特點(diǎn)，地球物理屬性上表現(xiàn)低速度、低密度和異常高壓的特征，高頻能量被吸收而快速衰減[2]。另外，在盆地北部淺水區(qū)向南部深水區(qū)過(guò)渡的坡折區(qū)域，存在大范圍的水深突然加大、海底傾角突然變陡、海底強(qiáng)烈起伏的現(xiàn)象，這對(duì)地震波場(chǎng)能量影響很大，嚴(yán)重影響了地震資料成像品質(zhì)[3]。在二維地震資料上主要表現(xiàn)為凹陷結(jié)構(gòu)不清、基底面無(wú)法成像、反射雜亂、中深層信噪比低、多次波嚴(yán)重、側(cè)面波發(fā)育等現(xiàn)象。以往前人對(duì)該現(xiàn)象在采集參數(shù)和處理流程上都做了大量的改進(jìn)，如擴(kuò)大氣槍容量(或氣槍組合)、調(diào)整電纜沉放深度、增加電纜長(zhǎng)度、改變采集方向、改變采集船速、改進(jìn)中深層能量補(bǔ)償和提高信噪比技術(shù)等，這使得深水大陡坡區(qū)域地震資料品質(zhì)確實(shí)有了一定的改善，但與淺水區(qū)或海底地形平緩地區(qū)資料相比仍有較大差距[4-8]。圖1為寶島凹陷典型地震剖面，從海底特征上看，主要表現(xiàn)為水深突然加大，坡度變化劇烈，海底面傾角最大可達(dá)10°～13°，且海底受潮流、海流的侵蝕作用，產(chǎn)生了許多垂直于坡折線的縱向水道，對(duì)地震波場(chǎng)能量傳播影響很大。受此影響，中深層能量明顯變?nèi)酰啻尾ê蛡?cè)面波明顯，局部范圍內(nèi)基底成像不清晰，甚至影響了對(duì)凹陷結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。不合理的震源位置及其與檢波器的相對(duì)位置關(guān)系可能是無(wú)法采集到大陡坡下中深層有效地震信息的主要原因之一。因此，這里應(yīng)用該區(qū)內(nèi)實(shí)際采集參數(shù)和實(shí)際地層速度數(shù)據(jù)建立模型，再通過(guò)射線追蹤模擬地震波場(chǎng)傳播路徑，剖析在此條件下震源與檢波器相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)大陡坡下中深層地震波場(chǎng)能量變化的影響。

圖1　寶島凹陷典型地震剖面Fig．1　Typical seismic in Baodao sag

1混合網(wǎng)格法建立模型

建立海洋特殊地質(zhì)模型的關(guān)鍵，是對(duì)崎嶇海底及海底一些復(fù)雜界面及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造形狀的準(zhǔn)確刻畫，其涉及的核心問(wèn)題是采用怎樣的網(wǎng)格剖分技術(shù)，剖分崎嶇海底及海底一些復(fù)雜界面及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的形狀。從數(shù)值計(jì)算的角度考慮，該網(wǎng)格剖分技術(shù)應(yīng)該盡可能降低計(jì)算的復(fù)雜程度和減少計(jì)算量，同時(shí)還能很好地保證數(shù)值算法的穩(wěn)定性和計(jì)算精度。因此，網(wǎng)格剖分技術(shù)是保證數(shù)值算法計(jì)算效率、計(jì)算精度及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

圖2　混合網(wǎng)格建立法剖分地質(zhì)模型Fig．2　Establish a geological model with mix grid

為了更好地刻畫崎嶇海底及海底一些復(fù)雜界面的形態(tài)，并同時(shí)保證算法的大部分計(jì)算工作在規(guī)則均勻的正方形網(wǎng)格中進(jìn)行，采用混合網(wǎng)格法建立海洋特殊地質(zhì)模型(圖2)。具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)獲取海水及海底以下介質(zhì)中地震波傳播的速度參數(shù)分布、海底水深、復(fù)雜界面位置等信息，并確定相關(guān)計(jì)算參數(shù)(包括計(jì)算區(qū)域尺度大小、正方形網(wǎng)格的網(wǎng)格間距)等信息。

2)綜合利用海平面位置、崎嶇海底水深、復(fù)雜界面位置、計(jì)算區(qū)域尺度大小等信息，構(gòu)建模型的整體框架。

3)根據(jù)計(jì)算要求選取的網(wǎng)格間距大小，采用均勻的正方形網(wǎng)格剖分整個(gè)框架，并采用三角網(wǎng)格剖分崎嶇海底及復(fù)雜界面附近區(qū)域。

4)根據(jù)各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置和其鄰近網(wǎng)格單元地震波速度參數(shù)的分布情況，采用面積加權(quán)平均法計(jì)算各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的地震波速度參數(shù)，并按照一定存儲(chǔ)格式輸出模型參數(shù)以備數(shù)值計(jì)算使用。

據(jù)此，細(xì)化了陡坡和深水?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行了網(wǎng)格化，生成的模型如圖3所示。該模型為凹陷坡折區(qū)深水漸變密度模型，水深從300 m至3 000 m急劇變化，坡折度為13°，勘探目的層深度約為3 s～5 s，速度、密度參數(shù)均按實(shí)際地層參數(shù)設(shè)置。

圖3　網(wǎng)格剖分后地質(zhì)模型Fig．3　The geological model after grid subdivision

2地震走時(shí)和射線路徑計(jì)算

針對(duì)海洋特殊地質(zhì)條件的特點(diǎn)，并為了很好地適應(yīng)上述混合網(wǎng)格模型和復(fù)雜介質(zhì)，通過(guò)綜合利用快速推進(jìn)法和線性插值法各自的優(yōu)勢(shì)，采用基于迎風(fēng)差分思想的線性插值法來(lái)進(jìn)行射線追蹤[9]。

如圖4(a)所示，為了完成混合網(wǎng)格中的走時(shí)計(jì)算，作者基于Asakawa[10]的線性插值法的思想，分別推導(dǎo)了正方形網(wǎng)格和三角網(wǎng)格中的走時(shí)計(jì)算公式[11],如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

黃淮流域是中華文明的搖籃，蘇、魯、豫、皖四省是黃淮流域白酒的核心產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品品質(zhì)位居我國(guó)白酒主要產(chǎn)區(qū)前列，具有鮮明的區(qū)域特色和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。本次峰會(huì)以“傳承創(chuàng)新，協(xié)同發(fā)展”為主題，共同探討進(jìn)一步提升板塊的優(yōu)勢(shì)和特色，引導(dǎo)區(qū)域白酒產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此外，如圖4(b)所示，為了保證算法的穩(wěn)定性(滿足Fermat原理)，式(1)、式(2)在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的策略分別為，在對(duì)應(yīng)的正方形和三角形網(wǎng)格中，在包圍被算點(diǎn)的8和6條線段上分別采用式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，然后選取其中的最小走時(shí)作為最終的計(jì)算結(jié)果。

圖4　基于迎風(fēng)差分思想的線性插值公式Fig．4　The linear interpolation formula based on upwind thought(a)原線性插值公式的建立；(b)原線性插值公式的局部實(shí)現(xiàn)策略；(c)改進(jìn)后線性插值公式的建立及實(shí)現(xiàn)策略

如圖4(c)所示正方形網(wǎng)格中新計(jì)算TC的公式，如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

同理，如圖4(c)所示三角網(wǎng)格的形態(tài)來(lái)獲取計(jì)算TC的公式，當(dāng)三角形CBminAmin為直角三角形時(shí)，如式(4)所示。

當(dāng)三角形CBminAmin不為直角三角形時(shí)，如式(5)所示。

綜上所述，式(3)為新的正方形網(wǎng)格中的走時(shí)計(jì)算公式，式(4)和式(5)計(jì)算結(jié)果較小者為三角網(wǎng)格中被計(jì)算TC的值。在此需要特別指出的是建立式(3)、式(4)、式(5)借鑒了迎風(fēng)差分格式建立時(shí)的基本思想，即根據(jù)地震波的傳播規(guī)律，地震波總是從走時(shí)值更小的方向傳來(lái)，因此在計(jì)算被算點(diǎn)的走時(shí)值時(shí)，應(yīng)該選擇其附近走時(shí)值最小的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來(lái)作為已知條件，這樣在走時(shí)計(jì)算過(guò)程中Fermat原理就得到了自然的滿足，進(jìn)而保證了算法的穩(wěn)定性。

建立了混合網(wǎng)格中的走時(shí)計(jì)算公式后，基于Asakawa[10]的線性插值法的思想，在走時(shí)計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程中產(chǎn)生計(jì)算射線路徑的公式。實(shí)際上，射線路徑的計(jì)算公式即為圖4中各種情況下E點(diǎn)的位置坐標(biāo)公式。與式(3)相對(duì)應(yīng)，E點(diǎn)的位置坐標(biāo)公式為式(6)：

(6)

與式(4)相對(duì)應(yīng)，E點(diǎn)的位置坐標(biāo)公式為式(7)：

(7)

與式(5)相對(duì)應(yīng)，E點(diǎn)的位置坐標(biāo)公式為式(8)：

(8)

綜上所述，式(6)～式(8)即為各種網(wǎng)格情況下射線路徑的計(jì)算公式。其具體實(shí)現(xiàn)策略：①確定射線路徑的終點(diǎn)，即從震源出發(fā)射線路徑最終要到達(dá)的位置；②根據(jù)式(6)～式(8)，以及當(dāng)前被算法點(diǎn)周圍的走時(shí)分布情況，來(lái)計(jì)算當(dāng)前被算點(diǎn)的上一級(jí)子震源點(diǎn)；③再把新算出來(lái)的上一級(jí)子震源點(diǎn)作為新的被算點(diǎn)，繼續(xù)追蹤其上一級(jí)子震源點(diǎn)；④如上不斷追蹤下去直到追蹤到震源點(diǎn)位置。

如圖5所示，上述射線路徑計(jì)算策略的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)確定接收點(diǎn)G的位置，其即為射線的終點(diǎn)。

2)把射線最終端點(diǎn)G作為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)該點(diǎn)周圍的走時(shí)分布情況與各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與G點(diǎn)的具體的位置關(guān)系，根據(jù)式(6)～(8)計(jì)算G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的E1點(diǎn)(G點(diǎn)的上一級(jí)子震源點(diǎn))的位置。

3)對(duì)E1點(diǎn)作判斷，若其為真正的震源點(diǎn)則計(jì)算結(jié)束，否則跳回步驟2)，并把E1點(diǎn)作為當(dāng)前計(jì)算節(jié)點(diǎn)繼續(xù)重復(fù)計(jì)算，直到E1點(diǎn)等于S點(diǎn)為止。

圖5　射線路徑計(jì)算的整體實(shí)現(xiàn)策略Fig．5　Overall implementation strategy to calculate the ray path

根據(jù)上面走時(shí)計(jì)算以及射線路徑的計(jì)算描述，在所建立的模型上計(jì)算走時(shí)和射線路徑如圖6所示。

圖6　地震波走時(shí)和射線路徑計(jì)算Fig．6　The calculation of travel time and ray path

3震源位置變化對(duì)能量傳播的影響

在前面模型建立和地震走時(shí)計(jì)算的基礎(chǔ)上，模擬了震源處于不同位置處地震波場(chǎng)能量傳播的路徑，并以此來(lái)剖析大陡坡和崎嶇海底的存在對(duì)地震波場(chǎng)能量傳播的影響。根據(jù)實(shí)際的采集電纜長(zhǎng)度，我們建立了大小為1 848 m×871 m、間距為5 m×5 m的網(wǎng)格，并依次變換炮點(diǎn)位置，通過(guò)射線追蹤分析其能量傳播路徑。

從圖7可以看到，由于海底大陡坡和崎嶇海底地形存在的影響，有部分能量能夠穿透到地層下部中深層，但是同樣也有一部分能量無(wú)法穿透地層，甚至在此采集模式下無(wú)法被接收到。例如，圖7(a)中，炮點(diǎn)在初始點(diǎn)位置的時(shí)候，有很大一部分能量是沿海水層傳播至遠(yuǎn)處，并未能穿透至地層，甚至僅僅是作為直達(dá)波被接收到；隨著震源位置的變化，穿透至地層中的波場(chǎng)能量不斷增加，仍需要很長(zhǎng)的電纜方能接收到反射信號(hào)；當(dāng)震源位于x=5 000 m位置處放炮時(shí)，大部分能量穿透至地層中，但反射能量方向不同，這時(shí)若仍采用電纜單邊接收的方式進(jìn)行地震資料采集，就會(huì)損失掉很大一部分能量。當(dāng)震源位于x=7 000 m位置處時(shí)，在坡度較緩地帶能量基本穿透地層，但在陡傾角位置依然有能量損失。這種情況說(shuō)明，在采集過(guò)程中，無(wú)論是采用上傾方向還是下傾方向采集都會(huì)損失部分能量，而致使在接收到的信號(hào)中，中深層能量偏弱。因此，在應(yīng)對(duì)這種陡傾角、崎嶇海底地形情況的時(shí)候，采集過(guò)程中可以根據(jù)傾角大小、海底地形起伏特征在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾臃排诖螖?shù)，同時(shí)盡可能地增加電纜長(zhǎng)度，來(lái)增強(qiáng)中深層能量，從根本上為中深層地震資料成像提供高能量信號(hào)。

圖7　炮點(diǎn)位置變化時(shí)地震波場(chǎng)能量傳播路徑Fig．7　The variety of seismic wave field energy propagation path with the change of shot location(a)炮點(diǎn)位置X=5 m;(b)炮點(diǎn)位置X=625 m;(c)炮點(diǎn)位置X=1625 m;(d)炮點(diǎn)位置X=5 000 m;(e)炮點(diǎn)位置X=6 000 m;(f)炮點(diǎn)位置X=7 000 m

4結(jié)論和認(rèn)識(shí)

通過(guò)混合網(wǎng)格法地層模擬技術(shù)，模擬了寶島凹陷大陡坡、崎嶇海底情況下地層模型 ，應(yīng)用射線追蹤技術(shù)，分析了震源處于不同位置處地震波場(chǎng)能量傳播路徑。通過(guò)分析可以看到，當(dāng)存在大陡坡和崎嶇海底地形的時(shí)候，始終有一部分能量無(wú)法穿透地層，致使中深層地震能量偏弱，影響了后續(xù)地震資料處理和中深層成像。因此，在該類大陡坡、崎嶇海底地形地震資料采集的過(guò)程中，除了關(guān)注氣槍能量、電纜沉放深度、采集方向、電纜長(zhǎng)度等信息外，更應(yīng)通過(guò)實(shí)際模擬，適當(dāng)調(diào)整炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)相對(duì)位置，在適當(dāng)位置處增加放炮次數(shù)，以從根本上增強(qiáng)大陡坡下中深層地震資料信號(hào)，為后續(xù)地震資料處理打好基礎(chǔ)。

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收稿日期：2015-07-01改回日期：2015-07-22

基金項(xiàng)目:“十二”五國(guó)家重大專項(xiàng)課題(20112x05025001)

作者簡(jiǎn)介：葉云飛(1982-)，男，碩士，主要從事儲(chǔ)層與油氣檢測(cè)工作，E-mail:yeyfz@cnooc.com.cn。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)03-0382-06

中圖分類號(hào)：P 631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.14

The impact of the source positions on the wavefield energy spread and seismic data acquisition

YE Yun-fei1,2, HAN Fu-xing2, ZHANG Yi-ming1, SUN Jian-guo2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing100027,China;2. JiLin University, Changchun130000,China)

Abstract:This paper is aiming to solve the problems of weak seismic energy and poor imaging quality in the deep water area with big steep slope of Qiong Dong Nan basin. Firstly, the typical velocity model of BaoDao sag is established with the mixing grid modeling technology. Then, the wavefield propagation directions is simulated with ray tracing in different source positions. The research shows that, in complex terrain of steep slope area, the relative position relation of source and hydrophone is one of the important factors, which has the influence on the energy propagating and signal receiving. This research will play important guiding significance for future seismic acquisition scheme design in big steep or rugged sea areas, and also for improving the energy of deep seismic data and imaging quality.

Key words:big steep; hybrid grid; ray tracing; acquisition scheme