1、弹性波正演技术在地震采集中的应用地球物理勘探小型油气藏SmallH)drocarbonReserxoirs弹性波正演技术在地震采集中的应用王勇程金星庞全康陆树勤曾强(江苏油田分公司物探技术研究院,江苏南京 210046)摘要:受地震采集装备和技术条件的限制,江苏油田以往的地震资料不能满足现阶段勘探的需要.为了进一步落实构造,需要进行地震资料重新采集.在观测系统设计中,传统的射线追踪正演法已不能适应江苏复杂地下构造地区,因此使用弹性波波动方程正演技术,对不同采集参数的观测方法进行正演模拟,运用照明度分析以及单炮模拟记录,对优选采集参数和合理选择观测系统进行探讨.关键词:弹性波正演采集参数照明度分
2、析观测系统引言观测系统设计是保证地震资料品质的一个关键因素.在观测系统设计时,地震采集参数最优化论证非常重要.常规的基于 CMP 点进行观测系统设计的思路是建立在地表水平,地下界面水平的假设之上,在地表及地下构造比较复杂的情况下,已不能满足精细勘探的需求.因此面对复杂的勘探对象,应该根据已有的地震资料和地质解释成果建立地下地质模型,通过对地震波的传播进行模拟,对 CRP 点进行分析,找出目标成像区,指导地震采集设计.所以提出了面向地质目标,基于模型正演模拟的地震采集设计与论证.通过对地震波的射线追踪和波动方程模拟,确定野外激发与接收对地下反射界面的照明和反射盲区的位置.通过正演模拟可以优化采集
3、参数,控制采集质量和节约采集成本.在对 LMZ 地区进行采集设计时,由于地下断层发育,构造破碎,传统的射线理论已不能适应于描述地震波的传播过程.为此,使用弹性波正演技术,通过照明度分析以及单炮模拟记录的后续处理,对地震采集参数进行了优选,为科学合理设计观测系统提供了保证.l 弹性波正演技术的特点地震波场数值模拟的是研究复杂地区地震资料采集,处理和解释的有效辅助手段,通过对目标地质模型进行地震波场数值模拟,可以深入地认识地震波的传播规律及波场的分布特征,为设计科学合理的观测系统提供必要的保证.常规地震波场数值模拟的主要方法包括两大类,即波动方程法和几何射线法.几何射线也就是射线追踪法,属于几何地
4、震学方法,它将地震波波动理论简化为射线理论,在高频近似条件下寻求质点运动方程的渐近近似解,主要考虑的是地震传播的运动学特征,缺少地震波的动力学信息.因此射线法的主要优点是:概念明确,显示直观,运算方便,适应性强;其缺陷是应用受到一定条件限制,计算结果在一定程度上是近似的,对于复杂构造进行射线追踪往往会出现盲区.介质中声波或弹性波场的数值模拟,对于人们理解波动传播规律,解释实际地震资料,表征地下介质结构与岩性等,均有重要的理论和现实意义.地震波动方程的数值模拟方法主要有:有限差分法,有限元法,反射率法,傅立叶伪谱法等,总体来说波动方程法用数值计算方法直接求解波动方程,包含了地震波的动力学特征,波
5、场信息丰富,模拟结果较为准确,但是由于计算量大,在实际的地震观测系统设计中受到一定的限制.由于射线追踪法寻求的是质点运动方程的渐修改日期:20071008作者简介:王勇(1962 一), 教授级高级工程师 ,现在江苏油田物探技术研究院从事油气勘探研究和管理工作.电话:051486743332,电子信箱:.?22?小型油气藏 2007 焦近近似解,所以在模拟相对简单的构造时是可行的,而面对 LMZ 地区复杂的地下结构,则不能准确地描述地震波的传播特征,存在很大的局限性.因此利用弹性波正演来研究 LMZ 地区地震波传播规律及波场分布特征,能弥补射线追踪法在处理复杂构造方面的缺陷,为指导该地区的地震
6、观测系统设计具有很重要的现实意义.2 交错网格高阶差分方法有限差分法是目前研究最多的波动方程数值模拟方法,针对有限差分法所固有的频散比较严重和运算速度比较慢等问题,采用了一些有针对性的措施.为了克服频散问题,有限差分从早期的低阶(Aherman,1968)发展到高阶 (Dablain,1986;CraseE,1990);为了解决运算速度问题 ,网格划分也从规则网格发展到交错网格(Madariaga,1976;VirieuxJ,1982).采用交错网格高阶差分方法具有精度高,实现简单且运算速度能够满足实际需要的特点.为此在此次的弹性波正演时采用的时交错网格高阶差分法,保证正演的精度和计算速度.根
7、据二维 VTI 介质中弹性波方程(1):A+日(1)dtaxaz其中:U=(,OrOrxz,Or),其中和为和 z 方向的速度 ,Or;i 为面力( 体应力)分量,A 和分别为仅与介质密度和弹性系数有关的系数矩阵.A=B=其中 P 为密度 ,C 为弹性系数 .在交错网格技术中,变量的导数式在相应的变量网格点之间的半程上计算的,这也是“交错“的核心所在.为此,用有限差分计算时刻 t 的应力,并将该时间差分做泰勒展升,得刽在时 I-的2M 阶精度差分递推公式(2):vx(+At=一At+2M一+D(2)其中,At 是时间步长;M 是泰勒级数展开式的阶数,2m 为时间差分精度.计算至空间一阶导数的
8、2N 阶精度方程为(3):=Nc:/I+Ax(2n 一)一/一等(2 】)+o(axTM)(3)其中,差分系数 c:可以通过求解一个 N 阶方程组确定,由在处将+(2n 一 1)和一(2n 一 1)作泰勒展开而得到,其表达式(4)为13513513512N-I352一 1(2N 一 1)(2N 一 1)(2N 一 1)l000(4)在公式(2)中, 可用应力的空间导数代替速度的时间导数,用速度的空间导数代替应力的时间导数,即可将时间导数转换为空间导数.这样对时间的高阶差分转化为对空间的高阶差分,不再涉及到除了和 t 以外的时间层.可得到时间上为2M 阶精度,空间上为 2N 阶精度的有限差分方法
9、.高阶差分方法产生的数值频散包括空间频散和时间频散两个方面,只需取适当的时间空间步长,就可以保证差分的精度及稳定.3LMZ 地区地震重新采集设计3.1 步骤弹性波正演在采集设计中的应用主要包括以;00000p0000-一0P000p0000000000p000000000000C0C000C0第 12 卷第 4 期王勇等.弹性波正演技术在地震采集中的应用?23?下 6 个步骤:(1)根据以往地震资料,建立目标区域的地质模型;(2)变化采集参数,设计多种观测系统;(3)利用不同的观测系统,使用弹性波正演技术对目标地质模型进行炮域地震模拟;(4)提交中问成果图件一波场快照,炮集记录,并分析地震波的
10、传播规律和波场分布特征;(5)利用叠前偏移方法对步骤 3 中的炮点记录进行叠前偏移;(6)根据步骤 4 及 5 中的成果分析,结合勘探的精度需求,优选采集参数,选择合适的观测系统.3.2 二维地质模型的建立a 三维地震剖面 (1ine252)在以往的 LMZ 地区三维地震剖面中,选取一条过目标区域的三维剖面(图 1a),根据该剖面的地质解释方案以及声波测井资料,建立二维地质模型(图 1b).同时分析以往的采集方法,变化采集参数,设计多种观测系统,本次共设计了三种不同的观测系统,其中:第一种:中问放炮,最大偏移距 3O00m,最小偏移距 0,道距 20m,道数 301 道;第二种:中问放炮,最大
11、偏移距 4O00m,最小偏移距 0,道距 20m,道数 401 道;第三种:中问放炮,最大偏移距 4O00m,最小偏移距 0,道距 40m,道数 201 道.图 i 建立二维地质模型3.3 弹性波正演引用这三种不同参数的观测系统在该地质模型.上进行了波动方程数值模拟,得到模拟地震记录,单炮照明图以及波场快照等中间成果,图 2 为射线追踪法正演的单炮记录,图 3 为弹性波正演的单炮记录,从这两张图上可以看出弹性波正演得到的模拟记录信噪比和波场特征明显优于射线追踪法得:.到的模拟记录,更有利于叠加及偏移处理,获得成像结果更准确,便于与实际地震资料的对比.f图 4 为波场快照图,从图上可以清晰地看到
12、,由于汉留断层的影响,穿过断层的地震波频率降低,并产生大量的干扰波,它动态地反映了地震波的传播规律,可用来指导实际地震资料的去噪处理.b 目标区域地质模型图 2 射线追踪法正演的单炮记录O0n00n0000un0,h0.4050b00.0.4t 匿圄管穗圜旨鹳爱旨量?24?小型油气截 2007 年图 3 弹性波正演的单炮记录图 4 波场快照图图 5 为单炮的照明图,通过计算每炮地下照明强度分布,得到地下照明强度分布图(图 6 为 150 炮的照明强度分布图),从照明强度分析上来看,该模型基本不存在照明阴影区,因此不需要再进行炮点加密,但是在深层照明强度明显减弱,所以还需要提高覆盖次数以改善深层
13、地层的成像.图 5 单炮照明图图 6 模型地下照明强度分布图(共 50 炮)3.4 地震采集参数优选对弹性波正演得到的单炮数据进行处理得到叠加剖面以及偏移剖面,图 7 为最大偏移距分别为 3O00m 和 4O00m 的叠加剖面,从对比中可以看出,图 7b 上陡倾角断层及断面波的成像明显好于图 7a.图 8 是 CMP 距分别为 20m 和 lore 的偏移剖面,从对比中可以看出,图 8b 的断点清晰,构造细节上要好于图 8a.a 最大偏移距 3O00mb 最大偏移距 4O00m图 7 叠加剖面第 12 卷第 4 期王勇等.弹性波正演技术在地震采集中的应用?25?a 道间距 40m图 8 偏移剖
14、面通过以上对偏移距以及道间距的分析,可确定最大偏移距应在 4O00m 左右,道间距应为 20m才能更好地刻画出复杂断块分布形态,同时根据图 6 的分析,当覆盖次数为 50 次覆盖时,深部地层的照明强度依然较弱,因此设计的覆盖次数必须要大于 50 次覆盖,才能有效的提高深层地层的成像.这样通过弹性波正演,对采集参数进行了优选,降低了人为判断因素的影响,为设计合理的观测系统提供了保证.4 结束语在 LMZ 地区地震重新采集观测系统设计中,通过建立地质模型,对不同观测系统进行了弹性波正演,弥补了射线追踪法正演的不足,刻画了复杂介质中地震波的传播特征,更真实的反映出复杂的地下结构;利用照明强度分布以及
15、模拟炮集记录,对覆盖次数,排列长度和道间距等采集参数进行了优化,确定了合适的地震观测系统.同时,对使用弹性波正演技术在地震采集中的应用做了有益的尝试.此次采用的交错网格高阶差分方法考虑了地b 道间距 20m震波传播过程中振幅和相位的变化,得到正演记录的信噪比高,形态更真实,不仅可用于采集观测系统设计中,而且可为实际地震资料的处理和解释提供依据;同时交错网格高阶差分方法采用并行算法,计算效率高,具有很高的推广应用价值.另外,地震观测系统设计是一项复杂的工作,有效利用弹性波(尤其是三维弹性波)正演技术来指导采集工作,以适应实际工作的要求,是一个需要进一步的深入研究的课题.工作中得到了物探技术研究院王山岭主任师和屠世杰高级工程师的帮助,在此表示感谢!参考文献:1 吕公河,尹成,周星合等.基于采集目标的地震照明度的精确模拟.石油地球物理勘探,2006,41(3):258 2612 张永刚.地震波场数值模拟方法.石油物探,2003,42(2):142一l483 余德平.波场数值模拟技术.勘探地球物理进展,2004,27(1);l62l(编辑韩枫)
