堤防隐患的时间推移地球物理监测探讨

刘润泽 张建清 陈 勇 韩 波 刘方文

（1.长江工程地球物理勘测武汉有限公司，武汉 430010；2.哈尔滨工业大学数学系，哈尔滨 150001）

我国是拥有大量堤防工程的国家，受当时技术、经济和环境条件的限制，加之数十年的运行，这些堤防工程不同程度地存在一些隐患，如何快速有效地探找隐患，有的放矢地对堤坝工程进行除险加固处理，一直是防洪工程管理的重要内容.近年来，虽然针对堤坝隐患采用电法、电磁法、弹性波法、流场法及放射性等的地球物理探测取得了大量的应用成果［1－6］，但均难说可以有效解决堤防隐患探测问题.原因在于堤防隐患探测是不均匀低速、低阻背景下的精细探测问题，且介质属性会随环境而变化，地球物理探测会面临背景干扰大、不同时期物性变化甚至异常属性倒转、信号难以到达等非常不利的地球物理条件.在这种地球物理条件下，要满足精确至查明几豪米洞穴的探测要求，目前常规的物探方法、技术将勉为其难.在深刻认识到堤防隐患探测的复杂性基础之上，认识到堤防隐患不仅仅是探测问题，更重要是是监测问题，如郭玉松的从堤防隐患探测到堤防隐患监测的思考［7］、杜华坤的高密度电阻率法用于堤坝渗漏监测的数值模拟研究［8］等，就是堤防隐患的时间推移地球物理监测思想的重要开端.

时间推移勘探技术国际上始于20世纪80年代初，最早用于油藏动态监测.随着电子技术的发展，进入20世纪90 年代后期，时移勘探得到了空前的发展.国际上应用该技术成功的地区有美国墨西哥湾、北海Sognefjiod、加拿大Saskatchewan 省的Weyburn Field，挪威Gullfaks、印度尼西亚Duri、西非等地区［9－16］.国内的时间推移勘探研究起步较晚，胜利油田于1988年首次在单家寺地区进行了蒸汽吞吐与蒸汽驱稠油热采地震监测试验.之后，新疆石油管理局于1993年至1995年也进行了时间推移地震监测稠油开采的先导性试验，辽河油田在千12块Q64－54井区进行了蒸汽驱稠油热采的时间推移地震监测，石油大学（北京）与大庆物探研究所合作，开展了薄互层注水条件下进行时移地震应用可行性研究［17－20］.目前，我国又开展了国家高技术研究发展计划（863计划）项目“海上时移地震油藏监测技术”研究.

油藏时间推移是利用两期或多期物理波场或位场响应的差异信息进行油藏动态特征研究的技术，虽然油藏探测与工程探测的对象、特点不尽相同，但借助这一基本思想，工程地球物理可以利用原位探测洞悉测区内部介质在不同时期的的物性变化规律，进而实现对目标异常体状态的动态地球物理监测.目前时移探测技术在工程地球物理探测领域尚未开展原理、方法与技术的系统研究，本文抛砖引玉，针对堤防隐患探测的特点，对堤防隐患的时间推移地球物理监测的思路、技术等进行解读.

1 堤防隐患探测的特点

1）地球物理探测有利的物理条件是高阻、高速背景下探测低阻、低速目标体，而堤防隐患探测是在不均匀低速、低阻背景下寻找目标体，如裂缝、松散体和孔洞等，是极为不利地球物理探测条件.这种介质环境，电法、电磁波法、弹性波法背景干扰严重；极大地阻碍了弹性波、电磁波波场的传播，虽然有利于传导类，但传导类的探测结果具有体积效应.因此，无论是波场类，还是传导类的探测方法，如果目标体不具备一定的规模，准确探测目标体的位置和大小是极其困难的.

2）堤防背景和目标体的物理属性会随环境的改变而变化，如在低水位时，含空气的裂缝、孔洞呈现相对高阻，雨季或高水位时，随着雨水的浸入，堤防背景和目标体的电阻率会降低，波阻抗也会出现变化，目标体的异常范围会有相应扩大.因此，靠某一时刻的地球物理探测很难完全判断隐患目标体所在.

针对堤防隐患探测的特点，有必要转换思路，从探测隐患目标体转变为探测隐患目标体的物理属性的变化（即从探测介质在某一时刻的状态到监测其变化过程），从追求隐患目标体的精确探查到探查隐患目标体存在的范围，进一步地，科学地运用物探异常在不同时刻的物理属性和范围的变化，达到准确的判断隐患的存在和位置.这种思路的转换正是时移地球物理监测思想的优势所在.

2 时间推移监测的基本原理

在时移油藏动态监测中，较常用的是时移地震，研究也较为系统，以时移地震为例，说明时移监测的正反演、数据体匹配的基本思路.

2.1 时间推移地震快速正演算法思想

时间推移地震要求在同一区域，使用相同的震源，布置相同的测线，才能有效地反映地下油藏储层的变化情况.抽象成数学模型后，具有如下显著特点：

1）时间推移问题是描述随着开采进行的地下油藏的变化情况，而油藏的存储层相对于整个勘探区域而言，是一个局部区域.所以有理由认为仅仅是在已知模型的一个局部区域内地震波的物理属性发生变化.

2）对于地震正演模拟，地震信息记录的是在整个模拟区域内的地震波传播情况.而模型仅仅在局部区域发生变化，对应正演记录，数据具有大量的重复性.

因此，理解时间推移问题的关键在于把握模型的局部发生变化这一特性，进行时间分段模拟.这样构造时移地震正演方法，就能做到有的放矢.

传统的正演模拟，通常是对于t∈［0，T］进行一次模拟.实际上，正演模拟描述的是地震波在地下的传播过程，在任意时刻T0，全波场都可以通过计算得出.也就是说，对于任意的T0，T1∈［0，T］而言，如果对t∈［T0，T1］进行计算，得到的正演纪录就描述了［T0，T1］这一时间段的地震波的传播情况.这样，可以通过对时间区间分段模拟来描述波的传播情况.

如果记t∈［0，T］时间段上的正问题为L［0，T］，在波的叠加原理和全波场连续性前提下有：

2.2 时间推移地震反演模型

完整的时间推移地震反演问题，应该包括两次以上的反演.第1次是初次勘探模型的反演，是一般意义下的反演问题.第2次、第3次等是变化后的反演，是所关注的反演问题.对第1次勘探以后的反演，传统的反演一般是用初次反演结果作为初始模型进行整个勘探区域的反演，从计算量来说，无疑是巨大的，而且各期反演之间没有建立关联度.为此，建立一个能够精确描述时间推移问题的数学模型非常必要.

以m 表示地下介质模型的参数，观测记录为y，而用F 表示模型空间到数据空间的映射，则通常的地震勘探反演问题可描述为

或极小化问题（Ⅰ）

其中∑为允许集.

对于时间推移地震而言，观测记录依赖于勘探时间t.此时，时间推移地震反演问题可以描述为极小化问题（Ⅱ）

但通常只有有限个离散时间观测数据，此时极小化问题（Ⅱ）可以写成问题（Ⅲ）

一般来说，参数向量m，观测向量y 以及向量映射F 在不同的勘探时间其维数要有所改变.由于反问题的不适定性，极值问题（Ⅰ）～（Ⅲ）不宜直接求解，可采用Tikhonov正则化方法先进行光滑化，此时问题（Ⅱ）和（Ⅲ）变为问题（Ⅳ）

及问题（Ⅴ）

2.3 非重复性时移地震数据匹配处理

时移地震数据匹配是时移地震数据处理的重要内容，由于各期地震数据采集目的、采集方式不同，造成两期地震资料的振幅能量、时间、频率和相位等方面存在很强的不一致性，从而影响了时移地震资料处理的效果.文献［21］讨论了针对非重复时移地震处理的3项关键技术：数据匹配、共约束一致及互均化处理.先从面元大小、反射中心点位置、覆盖次数、方位角、信噪比等方面进行数据体匹配，得到一致性较好的初始地震数据.然后采用叠前共约束一致性处理方法，包括共约束一致性频率、相位、速度、剩余静校正等，提高两期资料的整体一致性.最后使用叠后互均化处理方法进一步改善两期资料的一致性，以消除两期资料在时间、振幅、频率、相位等方面的不一致性.这是非重复性时移地震数据匹配处理的基本思路.

3 堤防隐患时移监测的基本思路与关键研究内容

堤防隐患时移监测的基本思路就是：针对堤防隐患探测的特点，在同一部位探测堤防介质（包括隐患目标体）在不同时期，如低水位、雨季、高水位、低水位，……，物理属性及其范围变化（包括循环变化），来判断堤防隐患目标的存在和位置.但还必须在时移油藏动态监测的理论与技术基础上对一些关键技术进行研究，主要关键技术的研究包括：

1）方法选择研究，堤防探测的特点不同于大尺度资源勘探，也不同于高阻、高速背景下工程地球物理探测，有必要开展堤防隐患时移监测的地球物理方法的适应性研究，选择重复性好、速度快、分辨率较高的探测方法.在此基础之上研究大范围的监测仪器，构成联合作业系统.

2）隐患目标体力学及电学响应特点的研究，隐患目标体力学及电学在不同时期的属性及范围的变化特点，需要在理论模型、现场模型及现场试验的基础上进行充分的了解，为时移监测的成果分析提供可靠依据.

3）数据处理技术与方法研究，虽然可以借鉴时移油藏动态监测数据处理技术与方法，但堤防隐患时移监测更复杂、且是依赖于时间的，必须对堤防隐患时移地球物理监测相关方法的正演、反演与成像、非重复性时移数据的匹配等方法与技术进行系统的研究.

4）四维可视化反演与成像系统研究，这是地球物理反演的重要趋势，它融合了反演与成像技术、可视化技术、物理地质模型数据库技术，在可预见的将来必经历静态反演与成像、可视化交互反演与成像、虚拟环境交互反演与成像3个阶段，堤防隐患时移监测实现“实时、动态、可控的可视化交互四维反演与成像”对于堤防隐患快速、实时监测具有重要意义.

4 结 论

堤防隐患探测的复杂性决定了采用现有的地球物理探测技术与方法在某一时刻的探查很难准确探测一些隐患目标体的位置和大小，甚至也很难完全对隐患目标体进行有效判别，有必要借鉴时移油藏监测的思想进行时移地球物理监测.时移勘探作为油藏监测的新技术，其技术和方法虽取得了较大的进展，但堤防隐患的时间推移地球物理监测还必须对一些关键技术问题，如地球物理监测方法选择、隐患目标体力学及电学响应特点、数据处理技术与方法、四维可视化反演及监测仪器设备等开展系统的研究，如此，地球物理探测才能在堤防隐患探查中发挥出应有的作用.

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