地震物理模型实验数据中多次转换干扰波的分析

司文朋，狄帮让，魏建新

(1.中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院，北京102249;2.油气资源与探测国家重点实验室，北京102249;3.CNPC物探重点实验室，北京102249)

地震物理模型实验数据中多次转换干扰波的分析

司文朋1,2,3，狄帮让1,2,3，魏建新1,2,3

(1.中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院，北京102249;2.油气资源与探测国家重点实验室，北京102249;3.CNPC物探重点实验室，北京102249)

多层地震物理模型的单炮记录中有一种特殊的干扰波，在埋深较浅的界面附近能量较强，在中、远偏移距上会与反射波同相轴交叉，严重影响了反射波的振幅分析。基于一个多层物理模型，在相同参数的数值模型上利用波动方程正演模拟分析这种干扰波的产生机理，并利用射线追踪方法对其传播路径进行追踪分析。结果显示这是一种经历了P-S-P多次转换过程的干扰波。分析认为，一般设计制作的多层物理模型中各层介质之间的相对波阻抗差异较大，入射纵波容易产生能量较强的透射横波，传播到下一界面时又会产生反射纵波传播上来，在浅层界面附近产生能量较强的干扰波。在地震物理模型实验数据的处理中，利用Radon滤波可以很好地去除这种多次转换干扰波。

地震物理模型;数值模拟分析;多次转换干扰波;产生机理;射线追踪

利用数值模拟和物理模拟方法对不同类型介质地震波场中各种波的形成机理及传播特征进行分析，是地震正演工作的重要研究内容。在数值模拟方面，近些年来针对黏弹性介质、各向异性介质、裂隙介质及随机介质的波场特征开展了大量研究工作[1-8]。在物理模拟方面，针对三维多层介质物理模型、HTI介质物理模型、复杂高陡构造物理模型、含流体物理模型的波场特征也进行了一些实验分析[9-12]。

随着物理模型制作和观测实验技术的发展，针对多层及复杂构造物理模型获取的地震波场信息也愈加丰富和复杂[13-14]。在多层物理模型观测波场的反射同相轴附近经常出现一种特殊的干扰波，零偏移距时与反射波时差较小，在中、远偏移距上会与其它反射界面的有效波发生交叉，严重影响了反射波的振幅分析。这种干扰波的传播特征并不符合多次波或者侧面波等物理模型中常见的干扰波特征。为了对这种干扰波进行正确识别和有效去除，针对一个多层物理模型，在相同参数的数值模型上利用波动方程正演模拟分析了这种干扰波的产生机理，并利用射线追踪方法分析了其传播路径和特点，在此基础上给出了去除这种干扰波的有效方法。

1 多层物理模型实验观测

在进行地震物理模拟的时候，为了使超声波在模型中的传播时间与实际地震波在地质体中的传播时间成比例，必须使模型的尺寸与实际地质构造或地质体的尺寸呈一定比例关系，这是地震物理模拟的几何相似原理[15]。在地震物理模型的数据采集实验中，观测系统的炮点距、炮线距、道距、线距等参数也都在几何尺度相似比下设置。

图1为一个多层物理模型的示意图，模型同野外地质构造的尺寸比为1∶10000，即模型中的1mm代表野外地质构造中的10m(图1中模型尺度已经换算到了野外情况);速度比为1∶1。设计制作该多层物理模型的目的在于含气砂岩层识别技术的检测。共设计了5层层状介质，第4层为含气砂岩，由人工砂岩板制作加工而成，其它4层均由不同比例的环氧树脂与滑石粉配制固化而成。

图1 多层物理模型及其数据采集

表1给出了多层物理模型各层介质的参数，由于模型的地震观测实验是在水槽中进行的，因此也给出了水层的参数。从表1中可以看出，由于模型是对野外地质构造的简化模拟，模型各层介质之间的相对纵、横波阻抗差异要比野外实际地层之间的相对波阻抗差异大得多。

表1 多层物理模型参数

该多层物理模型的地震数据采集实验是在水槽中进行的，因此在地震记录上所得到的都是纵波信息，如图2a所示。在单炮记录上有一种特殊的干扰波，这种波不是多次反射波，也不可能是P-S转换波;零偏移距时与反射波旅行时相差很小，在中、远偏移距上与其它反射界面的有效波发生交叉。图2b为动校正之后的CDP道集，可见这种特殊的波很难被校平，而且与界面的一次反射波交叉，影响有效波的AVO特征分析。这种特殊的干扰波在多层物理模型的地震观测记录中经常出现。

图2 多层物理模型单炮记录(a)及CDP道集上的特殊干扰波(b)

2 模型数据中的特殊干扰波分析

2.1 产生机理分析

针对上述多层物理模型，采用弹性波动方程正演数值模拟的波场快照分析上述特殊干扰波的产生机理。将水层也考虑在内，在参数完全相同的多层数值模型上进行波动方程数值模拟，网格点设置为5m×5m，采样率为0.5ms，8000个点采样，地震记录的长度为4s，与物理模型地震记录长度相同。步长为100个点，即每隔50ms进行一次波场快照。炮点设置在模型正中点的水面上。

与物理模型相对应，图3中R1为水层与物理模型顶面之间的界面;R2,R3,R4,R5分别是模型各层介质之间的界面。图3a是弹性波动方程数值模拟的1350ms时刻Z分量波场快照，在此时刻，R1界面上的上行波分别是R1和R2界面的一次反射纵波，下行波为R2界面的一次反射在R1界面上产生的层间多次反射纵波。同样，在R2界面上也可以看到来自R3界面的一次反射和层间多次反射纵波。需要注意的是，此时在R2和R3界面上，有一种能量较强的特殊波正在产生，这种波显然不是由入射纵波和反射纵波所激发产生的。此外，由于Z分量只包含纵波信息，显然这种波也不是P-S转换波。

图3 多层数值模型弹性波动方程正演模拟的1350ms时刻波场快照

由于波动方程数值模拟时已将横波速度为0的顶层水层考虑在内，因此模拟记录中各界面上产生的横波均由纵波转换而来。图3b是数值模拟的1350ms时刻X分量波场快照，在R1界面的下行横波分别为入射纵波和入射多次纵波转换而来，当到达R2界面时又会转化为纵波继续传播;R2界面上产生的下行横波在到达R3界面时也同样发生了S-P转换现象。

结合数值模拟波场快照Z分量和X分量中R2和R3界面上的各种波的分析，就能够解释这种特殊干扰波是如何产生的。激发出这种干扰波的横波首先由纵波转换而来，即先经历了P-S波的转换，随后又在下层界面上经历了S-P波的转换。干扰波的能量在埋深较浅的反射界面附近比较强，其原因在于所设计的物理模型各层介质波阻抗差异较大，在界面发生反射的同时有很大一部分能量透射进入下层，透射的S波在遇到下层界面后又转换为P波反射上来。在深层反射界面附近，这种干扰波的能量则变得非常微弱。

2.2 传播路径分析

在相同参数的多层数值模型上，利用射线追踪方法分析多次转换波的传播路径特征。由于在多层物理模型记录上，R4和R5界面产生的各种波能量已经比较微弱不好辨认，因此重点分析在R2和R3界面上所产生的波。图4给出了1350ms时刻波场快照中R2和R3界面上产生的多次转换波对应的射线路径，以及在地震剖面上所产生的同相轴。图4a显示入射纵波在界面R1上产生下行的透射横波，其到达R2界面后发生转换产生了上行的纵波，图4c为其在地震剖面上产生的相应同相轴。同理，图4b所示为入射纵波在R2界面上产生的下行透射横波在到达R3界面后发生转换产生的上行纵波,图4d为其在地震剖面上产生的相应同相轴。

实际上，在模型内部的固-固界面上都会产生多次转换方式的波。由上层界面透射而来的纵波或者横波都会在下层界面上产生转换现象。仍然以界面R3为例，图5给出了反射纵波(图5a)及可能的多次转换干扰波(图5b,图5c,图5d)的传播路径。因为浅层界面上透射横波的能量比较强，所以产生的经历了多次转换过程的干扰波的能量比较强。随着纵波传播到深部界面，这种干扰波的能量将会变得非常微弱。

图4 多层模型R2及R3界面上产生的多次转换干扰波路径(a,b)及相应的同相轴(c,d)

2.3 单炮记录对比

利用射线追踪方法找出多层模型各界面上每种可能路径的波，并得到地震记录上对应的同相轴。图6a是射线追踪方法得到的单炮记录，图6b为波动方程数值模拟的单炮记录，图6c为物理模型采集的单炮记录，可见三者有很好的对应关系。

图5 多层模型R3界面上反射纵波(a)及可能的多次转换干扰波(b，c，d)传播路径

图6 多层模型射线追踪(a)、数值模拟(b)及物理模型观测(c)单炮记录对比

通过射线追踪对单炮记录中能量较强的同相轴进行了标定，对能量较强比较容易识别的同相轴给出了合理的解释。图6中①，②，③，⑥分别为R1,R2,R3,R4界面的一次纵波反射;④为R2界面上产生的路径为P-S-P-P的多次转换波;⑤为R2界面上产生的路径为P-S-S-P的多次转换波;⑦为R3界面上产生的路径为P-P-P-S-P-P的多次转换波;⑧为R3界面上产生的路径为P-P-S-S-P-P的多次转换波。由图6可见，对于模型中埋深较浅的R2和R3界面，能够产生能量较强的多次转换干扰波，而随着界面的加深这种波的能量将变得非常微弱。

3 多次转换干扰波的去除

通过以上分析,可以确定特殊干扰波是一种多次转换波，每个界面上产生的不同路径的多次转换波与有效波存在一定的时差关系。根据物理模型各层的参数以及传播路径，可以确定多次转换干扰波与有效波在不同偏移距上的旅行时差范围，从而利用Radon滤波去除掉物理模拟数据中的这种特殊干扰波。图7为Radon滤波前、后的多层模型物理模拟CDP道集，可见能量较强的干扰波被有效去除。

图7 Radon滤波去除多次转换干扰波前(a)、后(b)的多层模型物理模拟CDP道集

4 结论与认识

基于一个多层物理模型，在相同参数的数值模型上利用波动方程正演数值模拟分析了物理模型实验数据中一种特殊干扰波的产生机理，利用射线追踪方法对这种干扰波的传播路径进行了分析，得到以下结论与认识：

1) 在多层地震物理模型实验数据中，模型界面上会产生一种特殊的干扰波，其基本传播形式为P-S-P，即经历了纵波转换为横波、再转换为纵波的多次转换过程。这种多次转换干扰波是由于所设计制作的多层物理模型中各层介质之间波阻抗差异比较大而产生的，尤其在埋深较浅的界面上能量比较强。

2) 在中、远偏移距上这种多次转换干扰波会与界面的有效反射波发生交叉，给有效波的振幅分析带来较大的误差。在物理模型实验数据的处理中，通过Radon滤波可以很好地去除这种干扰波。

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(编辑：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，博士在读，研究方向为岩石物理、储层预测和地震物理模拟。

国家科技重大专项(2011ZX05007-006)资助。

P631

A

1000-1441(2015)01-0017-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.003