三维波动方程正演技术在地震采集施工方法设计优化中的应用

石一青，朱 峰，芮建民 成 云，魏 燕，徐继伟 （江苏石油勘探局地球物理勘探处，江苏 扬州225007）

三维波动方程正演技术在地震采集施工方法设计优化中的应用

石一青，朱 峰，芮建民 成 云，魏 燕，徐继伟 （江苏石油勘探局地球物理勘探处，江苏 扬州225007）

针对物理点位发生大量偏移的复杂城镇地震采集施工，在三维建模基础上，通过接近真实地下情况的三维波动方程正演技术，对所形成的正演模拟炮集数据体进行叠加、叠前时间偏移的处理及分析。根据野外实际情况调整施工方案，再进行循环多次的三维波动方程正演模拟，可实现对炮检点变化大的复杂地表进行地震采集施工方法科学设计和合理验证的目的。提供了一种直观、预先对采集方法能否完成地质任务效果判断的技术手段，极大提高了地震采集野外生产效率，在地震资料采集过程中发挥重要作用。

三维波动方程；正演；三维建模；叠前时间偏移；设计与验证

地震采集方法的正演设计最初采用几何射线法进行，所得的地震波传播时间比较准确，但是计算结果不符合地震波的动力学特征，针对复杂地质构造会出现盲区。为此，应用地震波的运动学和动力学原理，计算给定地质模型的地震响应，以准确分析油气藏地震波的波场特征即三维波动方程正演，是地球物理学家一直努力的目标［1～3］，但是由于受限于计算机运算能力而难以实现。随着地震波理论和计算机技术的迅猛发展，开展基于地质目标的波动方程正演采集方法研究与应用已成为可能。

1 三维波动方程正演模拟技术

三维波动方程正演模拟的地震波同时包含地震波的运动学 （传播时间和速度）和动力学 （能量、振幅和波形）特征，更加符合地下实际情况，并能克服以往常用的几何射线追踪法只能适应均匀介质及存在射线盲区的弱点，使目标的地震响应分析更加合理准确。该次三维波动方程正演采用单程波方程和基于傅里叶算法的正演模拟技术［2］，将震源位置的子波作为初始条件，先将波场向下传播至模型最深处，然后从模型最深处开始向地表传播并接收，由此得到单程波正演的反射波记录。在向下延拓的过程中，按照反射和透射规律将波场分解为上行波和下行波，即反射波和透射波。该方法有两个优点，一是计算速度较其他数值算法如有限差分法、有限元法等要快；二是节省内存，对于二维问题，只需要若干个一维数组存储波场；对于三维问题，只需要若干个二维数组存储波场，即可完成正演计算，正确模拟一次反射波的运动学特征，在振幅方面存在一定程度的近似，精度较高。

2 三维波动方程正演模拟对采集施工方法优化设计及验证

针对苏北盆地勘探部署几上几下的困难地区，即面积超过10km2的JH城区提出基于地质目标的三维波动方程正演模拟及采集方法设计优化研究，希望通过三维地震波场模拟来指导和验证地震采集施工方法，进行激发点数、激发点位的优化设计，提高地震采集野外生产效率，解决大型集镇城区的地震采集施工难度大的关键问题。

2.1 技术思路

1）依据老二维资料及区域构造特征，建立三维地质模型和速度场模型［4］。

2）在三维模型上进行多次地震采集观测系统布设［5］，并开展三维波动方程正演模拟。

3）依据设计点位、实际测量点位等多种变化情况，对形成的正演模拟炮集数据体进行叠加、叠前时间偏移处理。

4）直观地分析和判断不同激发点位情况下所模拟采集处理剖面的地质任务完成情况。

5）再经过多次依据实地情况调整施工设计方法，来寻找最佳的激发点数和点位，实现对复杂地表地震采集施工方法的科学设计和合理验证的目的。

2.2 具体应用

JH城区常规采集方式为12线9炮，设计井炮456炮，施工中由于城区禁止井炮激发，从安全、环保角度考虑采用较小吨位的可控震源在主干道路上施工，但是由于各种地下管线都是沿主干道路布设，预计可以施工的激发点位将会受到极大影响，因此可控震源点位设计为40m点距，共971个点，以保证剔除管线影响时有足够的激发点。并对各种采集方案进行基于地质目标的三维波动方程正演模拟，对形成的正演模拟炮集数据体进行叠加、偏移以及叠前时间处理及分析。三维正演模拟主频是25Hz，采样率4ms，采样数1250，共正演模拟10－11两束线。观测系统参数如下：观测系统为12线9炮正交；面元20m×40m；接收道数2304道 （12线×192道）；覆盖次数12×6＝72次；道距40m；炮点距80m；接收线距240m；滚动距3×240＝720m；炮线距320m。

2.2.1 模拟单炮记录分析

根据城区模拟激发点波长快照图 （图1）可以看出地震波传播到倾斜界面时的反射，及反射波到达地面时的范围，由此可以确定对于该次的地质模型，应该采用非对称的观测系统。由单炮模拟记录 （图2）可以看出三维模拟记录的各个层位的反射波同相轴连续性非常好，断层发育的地区反射波、绕射波清晰可见；在远炮点排列的大炮检距各层的反射波同相轴几乎连成一体，说明最大炮检距不能再加大，否则影响成像效果。

图1 不同时刻波场快照三维显示图

2.2.2 模拟剖面分析

1）城区禁炮后叠加剖面、叠前偏移处理剖面分析。对形成的正演模拟炮集数据体进行叠加、偏移以及叠前时间处理及分析。从抽取的CDP55叠加时间偏移剖面 （图3）及叠后时间偏移剖面上都可以看出3个主要目的层出现了很大的缺口，由于空炮段太大造成浅层缺口过大，出现了较大的空白CDP段，同时缺口两边的不满覆盖段的剖面信噪比降低，不能满足解释的需要。

图2 激发点单炮模拟记录

图3 城区禁炮后的CDP55三维波动模拟叠加处理剖面

2）根据实测结果进行三维波动方程正演模拟，叠加剖面、叠前偏移处理剖面分析。依据实测情况去除地下管线影响，根据地质雷达实测结果，避开各种管线后可控震源点数减少近一半，可用激发点为491炮。由三维波动方程正演模拟叠加剖面及叠前时间偏移处理剖面 （图4、5）可以看出，叠前偏移剖面的层位非常清晰，与速度模型非常符合。模型左边和右边的断层发育地区也能清晰成像。与CDP55同一位置的老三维解释剖面对比，除原有城区空白区域外，二者各主要目的层形态一致。说明在可控震源能量足够的情况下，该采集方案能够达到完成地质任务的要求。

3）根据野外可控震源试验结果，调整城区采集方案，再次进行三维波动方程模拟验证。为了降低可控震源对道路破坏程度，施工参数采用18t、驱动幅度在60%～70%，垂直叠加次数6～8次，3台线性组合，与同一位置2kg井炮相比，可控震源在2s附近仍有较清晰的反射信息，但是2000ms以下不如井炮能量强 （图6），所以为了增强深层反射能量，还需要通过城区绿地深井小药量施工、改变观测系统及非纵接收［6］。

根据试验结果调整后的三维波动模拟叠前时间偏移剖面 （图7）可以看出，各主要目的层反射信息均很丰富，同相轴连续性好，能够较好地完成地质任务。从野外采集现场处理剖面 （图8）上可以看出，尽管由于城区运用可控震源能量弱 （信噪比较低），但是其浅层缺口较小，未影响到主要目的层；深层各主要地震反射存在，并可连续追踪，说明运用三维波动方程正演模拟进行施工方案的调整与验证效果是明显的，能够较好地完成地质任务要求。

图4 城区激发点调整后的CDP55三维波动模拟叠加处理剖面

图5 城区激发点调整后的CDP55三维波动模拟叠前时间偏移处理剖面

图6 同一位置井炮与可控震源单炮对比

3 结 语

图7 根据试验结果调整后的CDP线55三维波动模拟叠前时间偏移处理剖面

图8 野外采集现场处理剖面 （9－11束）

随着油气勘探和开发工作的深入，成熟油区都面临着复杂构造油气藏、岩性油气藏和裂缝油气藏等复杂油气藏的勘探开发艰巨任务。地震正演模拟技术的发展，为通过三维复杂介质地震数值模拟，对三维复杂介质地震采集方法优化设计、地震数据处理方法和地震资料解释方法等进行研究提供了可行的技术手段。通过该次研究与应用得到以下认识，在复杂障碍区地震采集物理点位发生大量偏移、无法正常施工的情况下，依据地下反射的需要指导地面激发点位的优化设计，采用三维波动方程正演模拟技术对采集施工方法进行模拟，然后对所形成的正演模拟炮集数据体进行叠加、叠前时间偏移的处理及分析；并根据野外实际情况调整施工方案，再进行循环多次的三维波动方程正演模拟，可实现对炮检点变化大的复杂地表进行地震采集施工方法科学设计和合理验证的目的，并且提供了一种直观、预先对采集方法能否完成地质任务效果判断的技术手段；能够提高地震采集野外生产效率，解决大型集镇城区地震采集施工难度大的关键问题，在地震资料采集过程中发挥重要作用。

［1］牟永光，裴正林.三维复杂介质地震数值模拟 ［M］.北京：石油工业出版社，2005.1～13.

［2］裴正林.波动方程地震定向照明分析 ［J］.石油地球物理勘探，2008，43（6）：645～651.

［3］李万万.基于波动方程正演的地震观测系统设计 ［J］.石油地球物理勘探，2008，43（2）：134～141.

［4］魏嘉，唐杰，岳承祺，等.三维地质构造建模技术研究 ［J］.石油物探，2008，47（4）：319～327.

［5］赵殿栋，郭建，王咸彬，等.基于模型面向目标的观测系统优化设计技术 ［J］.中国西部油气地质，2006，2（2）：119～122.

［6］尹成，吕公河，田继东，等.基于地球物理目标参数的三维观测系统优化设计 ［J］.石油物探，2006，45（1）：74～78.

P631.44

A

1000－9752（2011）06－0199－05

2011－03－02

石一青 （1970－），女，1992年大学毕业，高级工程师，现从事地震采集方法设计工作。

［编辑］ 龙 舟