三維復(fù)雜界面炮集p波反射時(shí)距特征

三維復(fù)雜界面炮集p波反射時(shí)距特征

0復(fù)雜界面模型數(shù)值模擬的應(yīng)用三維地震勘探可以接收地下界面信息，是近年來尋找油氣藏的主要方法之一。然而，由于對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下反射的認(rèn)知能力的不足，復(fù)雜地震勘探中的成像存在許多困難。基于復(fù)雜條件下的地震觀測(cè)，許多地球理論家（zhuetal.2012；molovanuetal.，2013；kumarandburley，2013；berkhout，2013）致力于優(yōu)化觀測(cè)設(shè)計(jì)，減少反演圖像的不確定性。例如，pelmgrio等人（2012）提出，在復(fù)雜的地表?xiàng)l件下使用worm廣播設(shè)備不僅易于操作，而且可以提高采集質(zhì)量。謝曉碧等人（2013）從圖像的角度提出了地震照明設(shè)計(jì)方法。這些方法的本質(zhì)是地震波在復(fù)雜地質(zhì)條件下的傳播規(guī)律。因此，除了上述觀測(cè)設(shè)計(jì)和成像的研究外，還需要總結(jié)和總結(jié)復(fù)雜條件下的地震波傳播規(guī)律，以便更好地理解復(fù)雜條件下的成像。地震數(shù)值模擬是進(jìn)行地震波正演最重要的方法之一,三維復(fù)雜界面模型的建立是地震數(shù)值模擬的基礎(chǔ).實(shí)際的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造用單一性質(zhì)界面是無法模擬的,為了讓研究具有明確的地質(zhì)意義,這里結(jié)合實(shí)際復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造對(duì)模型做出兩個(gè)限定:一是界面有界,二是復(fù)雜界面有多個(gè)不同性質(zhì)的界面組合而成.這種有限多界面組合成的復(fù)雜構(gòu)造模型在以往研究中均不曾涉及,那么多個(gè)界面組合成的復(fù)雜構(gòu)造模型會(huì)出現(xiàn)什么樣的時(shí)距?以及有限界面對(duì)時(shí)距產(chǎn)生什么樣的影響?所有這些問題關(guān)系到復(fù)雜條件下的資料處理.以往的數(shù)值模擬復(fù)雜界面得到的理論地震記錄,不僅僅包括反射波,還包括散射波、多次波、邊界效應(yīng)等(張金海等,2007;Yangetal.,2009),雖然這與實(shí)際資料更加相似,但是地震記錄整體上比較散亂,能量不均衡,各種波不易分清,解釋上增加了困難.然而,反射波是采集和處理中應(yīng)用的主要波形,故本文只對(duì)反射P波形成的理論炮集合成記錄進(jìn)行分析,這樣既能直觀的反應(yīng)復(fù)雜界面特征,又為后續(xù)的資料處理和動(dòng)力學(xué)分析提供便利.地震數(shù)值模擬發(fā)展至今,形成了多種方法為主導(dǎo)的理論體系(裴正林和牟永光,2004).傳統(tǒng)方法的主要思路是在反射模型基礎(chǔ)上依據(jù)炮檢點(diǎn)位置來獲得反射旅行時(shí)的方法,即是“從上向下”的方法,如有限差分法(張劍鋒,1998;武曄等,2008;陳可洋,2011;張慧和李振春,2011;孫章慶等,2012;劉有山等,2013;劉文卿等,2013)和射線追蹤法(JulianandGubbins,1977;Langanetal.,1985;VirieuxandFarra,1991;Sun,1993;楊長(zhǎng)春等,1997;張建中等;2003;徐濤等,2004;蔣先藝等,2004;張美根等,2006;Zhangetal.,2009;趙后越和張美根,2014),這兩種方法均能比較精確的模擬反射時(shí)距,但依據(jù)該思路不僅難以確定反射點(diǎn)位置信息,而且不能直觀反映反射點(diǎn)和炮檢點(diǎn)之間的相互位置關(guān)系,以及時(shí)距隨反射點(diǎn)的變化規(guī)律,那么在三維復(fù)雜條件下利用該方法,就會(huì)導(dǎo)致多界面、反射點(diǎn)以及傾向傾角等因素所帶來的復(fù)雜性不明確,這些不足勢(shì)必會(huì)對(duì)后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析造成困難.為了克服以上不足,本文旨在以建立復(fù)雜界面為基礎(chǔ)對(duì)P波炮集反射特征展開討論,從反射點(diǎn)出發(fā),利用確定的反射點(diǎn)位置信息來進(jìn)行精確的地震波數(shù)值模擬,即是“從下向上”的方法,使得炮檢點(diǎn)和反射點(diǎn)可以緊密對(duì)應(yīng)起來,方便了后續(xù)的分析討論.1方法1.1基于復(fù)雜界面反射問題的傾斜界面反射.面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造地區(qū),開展三維多界面嵌接的復(fù)雜界面模型的理論數(shù)值模擬研究.正演模擬的基本思路是:從反射點(diǎn)出發(fā),可以得到反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地表法向投影點(diǎn),再根據(jù)法向投影點(diǎn)可得出對(duì)應(yīng)的炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(姚陳等,2005).這種方法主要針對(duì)傾斜界面反射.為了讓該方法適用于復(fù)雜彎曲界面,可以把彎曲界面看成是很多個(gè)傾角傾向逐空間樣點(diǎn)、逐空間樣點(diǎn)變化的傾斜界面的疊加,這樣就把復(fù)雜界面上的CRP(共反射點(diǎn))點(diǎn)看成傾角傾向不斷變化的傾斜界面上的點(diǎn)(宋利虎等,2012).即三維彎曲界面是多個(gè)三維傾斜界面包絡(luò)而成的,這樣就把彎曲界面的反射問題轉(zhuǎn)化為傾斜界面的反射問題.主要步驟如下:在模型的基礎(chǔ)上,由界面反射點(diǎn)向地表作法向投影點(diǎn),得到的反射點(diǎn)、投影點(diǎn)和炮檢點(diǎn)共面,進(jìn)而根據(jù)檢波點(diǎn)和反射點(diǎn)計(jì)算炮點(diǎn),最終確定射線傳播路徑和時(shí)距表現(xiàn);同時(shí)可改變某一因素的數(shù)值大小來分析該因素對(duì)時(shí)距的影響規(guī)律.該方法最突出的優(yōu)點(diǎn)和作用是將界面反射點(diǎn)與成像點(diǎn)之間相互聯(lián)系和對(duì)應(yīng),使其正演的物理意義更明確.1.2要有意義的意義已有研究結(jié)果(宋利虎等,2012)給出三維地震數(shù)值模擬中所涉及的4個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格:炮點(diǎn)網(wǎng)格、檢波點(diǎn)網(wǎng)格、反射點(diǎn)網(wǎng)格和對(duì)應(yīng)的地表法向投影網(wǎng)格.實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)包括規(guī)則的炮點(diǎn)網(wǎng)格和檢波點(diǎn)網(wǎng)格,因此,該研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中炮檢點(diǎn)的布設(shè)、覆蓋次數(shù)、后續(xù)資料疊加處理都具有很重要的意義;同時(shí),該研究對(duì)于所討論的針對(duì)反射點(diǎn)網(wǎng)格以及對(duì)應(yīng)的法向投影網(wǎng)格二者規(guī)則化中的矛盾問題,是用稀疏化方法解決,最終經(jīng)稀疏得到兩個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格.但是,本文通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在CRP基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬不需要刻意對(duì)反射點(diǎn)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化,反射點(diǎn)網(wǎng)格的規(guī)則與否和疏密程度與實(shí)際的反射界面模型有關(guān).因此,這里將4個(gè)網(wǎng)格分為規(guī)則網(wǎng)格和非規(guī)則網(wǎng)格兩類,檢波點(diǎn)網(wǎng)格和炮點(diǎn)網(wǎng)格為規(guī)則網(wǎng)格,反射點(diǎn)網(wǎng)格以及對(duì)應(yīng)的地表法向投影網(wǎng)格是非規(guī)則網(wǎng)格.數(shù)值模擬中為讓炮點(diǎn)激發(fā)更有效,采取由檢波點(diǎn)網(wǎng)格求取炮點(diǎn)網(wǎng)格的思想(如圖1),這樣可以讓炮點(diǎn)激發(fā)更有效.具體步驟是:首先我們根據(jù)所建立模型基礎(chǔ)上布設(shè)規(guī)則的檢波點(diǎn)網(wǎng)格,然后求得對(duì)應(yīng)炮點(diǎn)集合,最后對(duì)炮點(diǎn)集合進(jìn)行規(guī)則化.由檢波點(diǎn)網(wǎng)格的位置和范圍以及對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)網(wǎng)格,根據(jù)斯奈爾定律可以知道所求得的炮點(diǎn)的覆蓋范圍很廣且稀疏不均,這就要求我們根據(jù)炮點(diǎn)分布的疏密程度和所需要炮點(diǎn)網(wǎng)格的大小來確定網(wǎng)格范圍,并規(guī)則化.2界面模型的建立本文以三維復(fù)雜界面模型為基礎(chǔ)進(jìn)行P波反射時(shí)距模擬,分析復(fù)雜界面模型下的反射路徑和時(shí)距特征.結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況,考慮多個(gè)不同性質(zhì)界面(如水平、傾斜或彎曲界面)嵌接組成的復(fù)雜界面模型.為了使研究具有針對(duì)性,這里僅以單界面為研究對(duì)象.所建立的模型以傾斜界面為主,初步分析包含有彎曲界面的復(fù)雜地質(zhì)模型.基于以上分析建立三個(gè)有限范圍復(fù)雜地質(zhì)模型,分別是:高傾角傾斜界面和水平界面組合模型1,具有對(duì)稱性的傾斜界面和水平界面組合模型2和包含有彎曲界面的模型3.假定模型以上用均勻各向同性介質(zhì)代替,設(shè)其P波傳播速度為2000m/s,地震波用雷克子波來模擬.建立空間右手直角坐標(biāo)系,水平面設(shè)為XOY面,Z軸垂直向下.檢波點(diǎn)網(wǎng)格范圍2.1模型量化分析首先,由較為簡(jiǎn)單的有限傾斜界面和水平界面嵌接而成的三維界面為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬.依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況,建立如圖2所示模型1,討論兩種不同性質(zhì)界面嵌接后的反射和時(shí)距特征.設(shè)定模型水平展布范圍(單位:m,下同)為模型參數(shù)方程為為了便于分析其射線傳播路徑以及時(shí)距特征,我們有必要對(duì)模型進(jìn)行量化分析,傾斜界面法向?yàn)閚為便于討論,本文將反射界面的顏色與對(duì)應(yīng)反射時(shí)距曲線的顏色設(shè)為一致.這里圖2綠色代表傾斜界面,對(duì)應(yīng)圖3中綠色時(shí)距曲線就代表著傾斜界面反射,藍(lán)色時(shí)距曲線對(duì)應(yīng)著水平界面的反射.圖3中看到兩條時(shí)距曲線均具有隨炮檢距的變化而改變的延續(xù)特征,并伴隨有交叉、分叉和空道等特征.這里“空道”是指測(cè)線未接收到反射信號(hào)的道集,在該模型中空道在測(cè)線左側(cè)尤為明顯,而且測(cè)線不同空道范圍也不一樣.兩條時(shí)距曲線的頂點(diǎn)位置和曲率相差很大,在某些測(cè)線上表現(xiàn)出相互交叉的現(xiàn)象.其次,從圖4中Y5測(cè)線對(duì)應(yīng)的反射路徑圖看到,同一測(cè)線接收兩界面的反射對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)點(diǎn)位有著巨大的差別.由以上簡(jiǎn)單模型反射可推斷,復(fù)雜界面對(duì)應(yīng)的反射路徑和時(shí)距有著復(fù)雜的特征,為了更好的解釋和理解交叉、分叉和空道等復(fù)雜的時(shí)距特征,并總結(jié)測(cè)線方位對(duì)時(shí)距的影響規(guī)律,以模型2和3為基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)的討論分析.2.2傾斜界面中反射特征由2.1節(jié)的分析得出,復(fù)雜的反射界面會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的時(shí)距.考慮實(shí)際勘探生產(chǎn)測(cè)線布設(shè)的要求,測(cè)線方向應(yīng)盡量垂直于地層走向布設(shè)(陸基孟和王永剛,2009),顯然模型1中測(cè)線布設(shè)不符合實(shí)際生產(chǎn)要求.那么,測(cè)線布設(shè)方位對(duì)復(fù)雜界面反射時(shí)距會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?其反射點(diǎn)位置隨測(cè)線方位的變化又是如何變化的?為解決以上問題,在模型1的基礎(chǔ)上本文建立如圖5所示模型2.設(shè)定多界面模型2的水平展布范圍為反射界面模型參數(shù)方程為模型2中界面1(綠色)和界面3(紅色)關(guān)于YOZ面對(duì)稱,界面2(藍(lán)色)是水平界面,三個(gè)界面走向均平行于Y軸.傾斜界面1法線方向?yàn)閚首先,分析圖6和7可以得出,X和Y方向時(shí)距曲線具有隨炮檢距變化而變化的延續(xù)特性,均關(guān)于中心測(cè)線X4、Y4測(cè)線對(duì)稱;Y方向時(shí)距頂點(diǎn)均位于測(cè)線中心,傾斜界面3對(duì)應(yīng)的反射時(shí)距(紅色)在Y5測(cè)線最先到達(dá),向左側(cè)初至逐漸增加,而傾斜界面1對(duì)應(yīng)的反射時(shí)距分布有反向性質(zhì),即是Y3測(cè)線最先到達(dá),向右側(cè)初至逐漸增大.同時(shí)可見不同測(cè)線接收到的時(shí)距曲線條數(shù)并不相同:Y3-Y5測(cè)線能接收到三條時(shí)距,Y2和Y6測(cè)線僅僅能接收到傾斜界面部分對(duì)應(yīng)的反射,Y1和Y7測(cè)線未接收到反射信號(hào),結(jié)合圖8a反射路徑的分析不難得出,多界面中不同形態(tài)部分的有限界面范圍是造成這種時(shí)距特征的主要原因.其次,對(duì)比圖6和圖7可以得出,同一炮集對(duì)應(yīng)X方向與Y方向時(shí)距表現(xiàn)有很大差別.X方向時(shí)距曲線表現(xiàn)出彎曲界面對(duì)應(yīng)的時(shí)距頂點(diǎn)偏離測(cè)線中心并相互交叉,兩側(cè)有空道產(chǎn)生.這一特征與宋利虎等(2012)在討論傾斜界面反射時(shí)提出臨界距離會(huì)產(chǎn)生無信號(hào)道相一致.此外,在本文的研究中,我們還可以得出界面有限范圍也是產(chǎn)生無信號(hào)道的原因之一,可以解釋實(shí)際資料中常見的同向軸間斷和不連續(xù)問題.進(jìn)一步對(duì)比分析得出時(shí)距曲線交叉點(diǎn)的本質(zhì)是激發(fā)點(diǎn)經(jīng)不同反射點(diǎn)反射后同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)的集合,與路徑長(zhǎng)度無關(guān),只與走時(shí)有關(guān),可用如圖9所示橢圓時(shí)距圖來解釋.圖9中,各向同性均勻介質(zhì)中炮點(diǎn)S和檢波點(diǎn)R分別位于橢圓(圖中虛線表示)的兩個(gè)焦點(diǎn)上,同時(shí)有三個(gè)二維傾斜界面與該橢圓相切于A、B和C點(diǎn);由橢圓定義可知路徑SAR、SBR和SCR是相等的,即在均勻介質(zhì)中由炮點(diǎn)S激發(fā)的P波經(jīng)A、B和C三個(gè)反射點(diǎn)的反射同時(shí)到達(dá)R接收點(diǎn),在時(shí)距上表現(xiàn)為三條對(duì)應(yīng)的反射時(shí)距交叉于一點(diǎn).由模型1和模型2中X和Y方向測(cè)線接收同一激發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)距曲線的差別得出,測(cè)線方位是影響復(fù)雜界面反射時(shí)距特征的敏感因素.以模型2為例,檢波點(diǎn)布設(shè)方式與傾斜界面的走向平行(Y方向)或垂直(X方向),對(duì)比兩方向時(shí)距特征發(fā)現(xiàn),這些時(shí)距曲線的特征隨測(cè)線方位的改變而改變,不同方位的時(shí)距對(duì)應(yīng)的三維反射路徑、反射點(diǎn)范圍、反射點(diǎn)位置以及界面特征不同.除測(cè)線方向沿著Y方向這一特殊情況以外,多界面組合對(duì)應(yīng)的反射時(shí)距均會(huì)出現(xiàn)相互交叉的現(xiàn)象,而且對(duì)應(yīng)著完全不同的反射點(diǎn).綜上所述,測(cè)線方位不同則接收到的界面反射點(diǎn)的點(diǎn)位不同.因此,反射點(diǎn)位置的差異最終導(dǎo)致了時(shí)距曲線隨方位的變化.所以,比較多個(gè)方位的時(shí)距特征將有利于對(duì)三維反射界面形態(tài)的整體把握.2.3反射點(diǎn)與接收點(diǎn)的關(guān)系本節(jié)討論包括三維彎曲界面在內(nèi)的多界面組合模型,建立包含有彎曲界面的三維復(fù)雜界面模型3如圖10,由傾斜界面、彎曲界面(凸界面和凹界面)以及水平界面嵌接組成.設(shè)模型3界面水平展布范圍為這里,a界面方程z=a為了易于研究界面和時(shí)距間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,圖中定義暗紅色時(shí)距曲線對(duì)應(yīng)著凸界面反射,紅色時(shí)距對(duì)應(yīng)著凹界面反射.三條反射時(shí)距曲線的初至?xí)r刻均在X4并且向兩側(cè)逐漸增加.然而,三條時(shí)距間存在復(fù)雜的關(guān)系,暗紅色時(shí)距曲線頂點(diǎn)稍偏離中心向右,但紅色時(shí)距曲線明顯偏離測(cè)線中心.而且兩條曲線存在于所有的測(cè)線中并且每道均能接收到反射信號(hào),但綠色時(shí)距并非如此,因?yàn)榫G色時(shí)距對(duì)應(yīng)于傾斜界面反射,其范圍的有限而致使部分道集能接收到對(duì)應(yīng)的反射信號(hào),這在圖11b中的射線路徑能夠得到證明,同時(shí)彎曲界面的反射點(diǎn)范圍分為兩部分,從路徑圖看到凸界面和凹界面對(duì)應(yīng)的反射范圍彼此分開,而且,在同等長(zhǎng)度的時(shí)距曲線下,對(duì)應(yīng)的彎曲界面的反射范圍要小于傾斜界面的反射范圍,也即是針對(duì)彎曲界面反射和傾斜界面反射,同樣個(gè)數(shù)的反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同長(zhǎng)度的時(shí)距曲線,這就可能導(dǎo)致反射盲區(qū),同時(shí)也可以推斷在復(fù)雜地質(zhì)條件下反射點(diǎn)與接收點(diǎn)并不是整體對(duì)應(yīng)整體的關(guān)系.這種關(guān)系充分顯示了反演成像是部分的,是針對(duì)反射點(diǎn)的成像并非三維檢波點(diǎn)網(wǎng)格下整個(gè)區(qū)域的成像.我們也可以發(fā)現(xiàn)時(shí)距隨著方位的變化而變化,如圖12a顯示出的Y方向時(shí)距曲線,每一條曲線均可看做標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線,唯一的區(qū)別就是初至?xí)r間的不同,但由12b路徑圖看到他們對(duì)應(yīng)著完全不同的反射點(diǎn),并且反射點(diǎn)并非位于測(cè)線正下方.在小排列情況下(伊爾馬茲,1993),針對(duì)三維彎曲界面而言,時(shí)距曲線展布很廣通常對(duì)應(yīng)著很小一部分反射范圍.可用如圖13來探究其原因,彎曲界面不同反射點(diǎn)性質(zhì)各不相同,使得反射區(qū)域法向投影范圍很廣,滿足炮檢點(diǎn)的反射點(diǎn)增多,進(jìn)而致使反射時(shí)距曲線延展范圍很廣.如圖13反射路徑圖中反射點(diǎn)分布傾斜界面較彎曲界面均勻,彎曲界面較小的反射點(diǎn)范圍對(duì)應(yīng)著展布較廣的時(shí)距曲線,這就導(dǎo)致在復(fù)雜區(qū)域會(huì)存在反射盲區(qū),即是三維復(fù)雜界面下的接收點(diǎn)和反射點(diǎn)之間并非整體對(duì)應(yīng)整體的關(guān)系,這種關(guān)系充分說明了三維復(fù)雜構(gòu)造的反演成像是局部的,是針對(duì)反射點(diǎn)位置的成像,而不是檢波點(diǎn)網(wǎng)格以下的整體區(qū)域或基