三維復雜界面炮集p波反射時距特征

三維復雜界面炮集p波反射時距特征

0復雜界面模型數值模擬的應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，由于對復雜地質條件下反射的認知能力的不足，復雜地震勘探中的成像存在許多困難?；趶碗s條件下的地震觀測，許多地球理論家（zhuetal.2012；molovanuetal.，2013；kumarandburley，2013；berkhout，2013）致力于優(yōu)化觀測設計，減少反演圖像的不確定性。例如，pelmgrio等人（2012）提出，在復雜的地表條件下使用worm廣播設備不僅易于操作，而且可以提高采集質量。謝曉碧等人（2013）從圖像的角度提出了地震照明設計方法。這些方法的本質是地震波在復雜地質條件下的傳播規(guī)律。因此，除了上述觀測設計和成像的研究外，還需要總結和總結復雜條件下的地震波傳播規(guī)律，以便更好地理解復雜條件下的成像。地震數值模擬是進行地震波正演最重要的方法之一,三維復雜界面模型的建立是地震數值模擬的基礎.實際的復雜地質構造用單一性質界面是無法模擬的,為了讓研究具有明確的地質意義,這里結合實際復雜地質構造對模型做出兩個限定:一是界面有界,二是復雜界面有多個不同性質的界面組合而成.這種有限多界面組合成的復雜構造模型在以往研究中均不曾涉及,那么多個界面組合成的復雜構造模型會出現(xiàn)什么樣的時距?以及有限界面對時距產生什么樣的影響?所有這些問題關系到復雜條件下的資料處理.以往的數值模擬復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、邊界效應等(張金海等,2007;Yangetal.,2009),雖然這與實際資料更加相似,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用的主要波形,故本文只對反射P波形成的理論炮集合成記錄進行分析,這樣既能直觀的反應復雜界面特征,又為后續(xù)的資料處理和動力學分析提供便利.地震數值模擬發(fā)展至今,形成了多種方法為主導的理論體系(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上依據炮檢點位置來獲得反射旅行時的方法,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距,但依據該思路不僅難以確定反射點位置信息,而且不能直觀反映反射點和炮檢點之間的相互位置關系,以及時距隨反射點的變化規(guī)律,那么在三維復雜條件下利用該方法,就會導致多界面、反射點以及傾向傾角等因素所帶來的復雜性不明確,這些不足勢必會對后續(xù)動力學分析造成困難.為了克服以上不足,本文旨在以建立復雜界面為基礎對P波炮集反射特征展開討論,從反射點出發(fā),利用確定的反射點位置信息來進行精確的地震波數值模擬,即是“從下向上”的方法,使得炮檢點和反射點可以緊密對應起來,方便了后續(xù)的分析討論.1方法1.1基于復雜界面反射問題的傾斜界面反射.面對復雜地質構造地區(qū),開展三維多界面嵌接的復雜界面模型的理論數值模擬研究.正演模擬的基本思路是:從反射點出發(fā),可以得到反射點對應的地表法向投影點,再根據法向投影點可得出對應的炮點與檢波點之間的對應關系(姚陳等,2005).這種方法主要針對傾斜界面反射.為了讓該方法適用于復雜彎曲界面,可以把彎曲界面看成是很多個傾角傾向逐空間樣點、逐空間樣點變化的傾斜界面的疊加,這樣就把復雜界面上的CRP(共反射點)點看成傾角傾向不斷變化的傾斜界面上的點(宋利虎等,2012).即三維彎曲界面是多個三維傾斜界面包絡而成的,這樣就把彎曲界面的反射問題轉化為傾斜界面的反射問題.主要步驟如下:在模型的基礎上,由界面反射點向地表作法向投影點,得到的反射點、投影點和炮檢點共面,進而根據檢波點和反射點計算炮點,最終確定射線傳播路徑和時距表現(xiàn);同時可改變某一因素的數值大小來分析該因素對時距的影響規(guī)律.該方法最突出的優(yōu)點和作用是將界面反射點與成像點之間相互聯(lián)系和對應,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果(宋利虎等,2012)給出三維地震數值模擬中所涉及的4個規(guī)則的網格:炮點網格、檢波點網格、反射點網格和對應的地表法向投影網格.實際生產中設計的觀測系統(tǒng)包括規(guī)則的炮點網格和檢波點網格,因此,該研究對實際生產中炮檢點的布設、覆蓋次數、后續(xù)資料疊加處理都具有很重要的意義;同時,該研究對于所討論的針對反射點網格以及對應的法向投影網格二者規(guī)則化中的矛盾問題,是用稀疏化方法解決,最終經稀疏得到兩個規(guī)則的網格.但是,本文通過數值模擬發(fā)現(xiàn),在CRP基礎上進行數值模擬不需要刻意對反射點進行規(guī)則網格化,反射點網格的規(guī)則與否和疏密程度與實際的反射界面模型有關.因此,這里將4個網格分為規(guī)則網格和非規(guī)則網格兩類,檢波點網格和炮點網格為規(guī)則網格,反射點網格以及對應的地表法向投影網格是非規(guī)則網格.數值模擬中為讓炮點激發(fā)更有效,采取由檢波點網格求取炮點網格的思想(如圖1),這樣可以讓炮點激發(fā)更有效.具體步驟是:首先我們根據所建立模型基礎上布設規(guī)則的檢波點網格,然后求得對應炮點集合,最后對炮點集合進行規(guī)則化.由檢波點網格的位置和范圍以及對應反射點網格,根據斯奈爾定律可以知道所求得的炮點的覆蓋范圍很廣且稀疏不均,這就要求我們根據炮點分布的疏密程度和所需要炮點網格的大小來確定網格范圍,并規(guī)則化.2界面模型的建立本文以三維復雜界面模型為基礎進行P波反射時距模擬,分析復雜界面模型下的反射路徑和時距特征.結合實際地質情況,考慮多個不同性質界面(如水平、傾斜或彎曲界面)嵌接組成的復雜界面模型.為了使研究具有針對性,這里僅以單界面為研究對象.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雜地質模型.基于以上分析建立三個有限范圍復雜地質模型,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代替,設其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系,水平面設為XOY面,Z軸垂直向下.檢波點網格范圍2.1模型量化分析首先,由較為簡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進行數值模擬.依據實際地質情況,建立如圖2所示模型1,討論兩種不同性質界面嵌接后的反射和時距特征.設定模型水平展布范圍(單位:m,下同)為模型參數方程為為了便于分析其射線傳播路徑以及時距特征,我們有必要對模型進行量化分析,傾斜界面法向為n為便于討論,本文將反射界面的顏色與對應反射時距曲線的顏色設為一致.這里圖2綠色代表傾斜界面,對應圖3中綠色時距曲線就代表著傾斜界面反射,藍色時距曲線對應著水平界面的反射.圖3中看到兩條時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”是指測線未接收到反射信號的道集,在該模型中空道在測線左側尤為明顯,而且測線不同空道范圍也不一樣.兩條時距曲線的頂點位置和曲率相差很大,在某些測線上表現(xiàn)出相互交叉的現(xiàn)象.其次,從圖4中Y5測線對應的反射路徑圖看到,同一測線接收兩界面的反射對應的反射點點位有著巨大的差別.由以上簡單模型反射可推斷,復雜界面對應的反射路徑和時距有著復雜的特征,為了更好的解釋和理解交叉、分叉和空道等復雜的時距特征,并總結測線方位對時距的影響規(guī)律,以模型2和3為基礎進行詳細的討論分析.2.2傾斜界面中反射特征由2.1節(jié)的分析得出,復雜的反射界面會產生復雜的時距.考慮實際勘探生產測線布設的要求,測線方向應盡量垂直于地層走向布設(陸基孟和王永剛,2009),顯然模型1中測線布設不符合實際生產要求.那么,測線布設方位對復雜界面反射時距會產生什么樣的影響?其反射點位置隨測線方位的變化又是如何變化的?為解決以上問題,在模型1的基礎上本文建立如圖5所示模型2.設定多界面模型2的水平展布范圍為反射界面模型參數方程為模型2中界面1(綠色)和界面3(紅色)關于YOZ面對稱,界面2(藍色)是水平界面,三個界面走向均平行于Y軸.傾斜界面1法線方向為n首先,分析圖6和7可以得出,X和Y方向時距曲線具有隨炮檢距變化而變化的延續(xù)特性,均關于中心測線X4、Y4測線對稱;Y方向時距頂點均位于測線中心,傾斜界面3對應的反射時距(紅色)在Y5測線最先到達,向左側初至逐漸增加,而傾斜界面1對應的反射時距分布有反向性質,即是Y3測線最先到達,向右側初至逐漸增大.同時可見不同測線接收到的時距曲線條數并不相同:Y3-Y5測線能接收到三條時距,Y2和Y6測線僅僅能接收到傾斜界面部分對應的反射,Y1和Y7測線未接收到反射信號,結合圖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距特征的主要原因.其次,對比圖6和圖7可以得出,同一炮集對應X方向與Y方向時距表現(xiàn)有很大差別.X方向時距曲線表現(xiàn)出彎曲界面對應的時距頂點偏離測線中心并相互交叉,兩側有空道產生.這一特征與宋利虎等(2012)在討論傾斜界面反射時提出臨界距離會產生無信號道相一致.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生無信號道的原因之一,可以解釋實際資料中常見的同向軸間斷和不連續(xù)問題.進一步對比分析得出時距曲線交叉點的本質是激發(fā)點經不同反射點反射后同時到達接收點的集合,與路徑長度無關,只與走時有關,可用如圖9所示橢圓時距圖來解釋.圖9中,各向同性均勻介質中炮點S和檢波點R分別位于橢圓(圖中虛線表示)的兩個焦點上,同時有三個二維傾斜界面與該橢圓相切于A、B和C點;由橢圓定義可知路徑SAR、SBR和SCR是相等的,即在均勻介質中由炮點S激發(fā)的P波經A、B和C三個反射點的反射同時到達R接收點,在時距上表現(xiàn)為三條對應的反射時距交叉于一點.由模型1和模型2中X和Y方向測線接收同一激發(fā)點對應的時距曲線的差別得出,測線方位是影響復雜界面反射時距特征的敏感因素.以模型2為例,檢波點布設方式與傾斜界面的走向平行(Y方向)或垂直(X方向),對比兩方向時距特征發(fā)現(xiàn),這些時距曲線的特征隨測線方位的改變而改變,不同方位的時距對應的三維反射路徑、反射點范圍、反射點位置以及界面特征不同.除測線方向沿著Y方向這一特殊情況以外,多界面組合對應的反射時距均會出現(xiàn)相互交叉的現(xiàn)象,而且對應著完全不同的反射點.綜上所述,測線方位不同則接收到的界面反射點的點位不同.因此,反射點位置的差異最終導致了時距曲線隨方位的變化.所以,比較多個方位的時距特征將有利于對三維反射界面形態(tài)的整體把握.2.3反射點與接收點的關系本節(jié)討論包括三維彎曲界面在內的多界面組合模型,建立包含有彎曲界面的三維復雜界面模型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距間的對應關系,圖中定義暗紅色時距曲線對應著凸界面反射,紅色時距對應著凹界面反射.三條反射時距曲線的初至時刻均在X4并且向兩側逐漸增加.然而,三條時距間存在復雜的關系,暗紅色時距曲線頂點稍偏離中心向右,但紅色時距曲線明顯偏離測線中心.而且兩條曲線存在于所有的測線中并且每道均能接收到反射信號,但綠色時距并非如此,因為綠色時距對應于傾斜界面反射,其范圍的有限而致使部分道集能接收到對應的反射信號,這在圖11b中的射線路徑能夠得到證明,同時彎曲界面的反射點范圍分為兩部分,從路徑圖看到凸界面和凹界面對應的反射范圍彼此分開,而且,在同等長度的時距曲線下,對應的彎曲界面的反射范圍要小于傾斜界面的反射范圍,也即是針對彎曲界面反射和傾斜界面反射,同樣個數的反射點對應著不同長度的時距曲線,這就可能導致反射盲區(qū),同時也可以推斷在復雜地質條件下反射點與接收點并不是整體對應整體的關系.這種關系充分顯示了反演成像是部分的,是針對反射點的成像并非三維檢波點網格下整個區(qū)域的成像.我們也可以發(fā)現(xiàn)時距隨著方位的變化而變化,如圖12a顯示出的Y方向時距曲線,每一條曲線均可看做標準的雙曲線,唯一的區(qū)別就是初至時間的不同,但由12b路徑圖看到他們對應著完全不同的反射點,并且反射點并非位于測線正下方.在小排列情況下(伊爾馬茲,1993),針對三維彎曲界面而言,時距曲線展布很廣通常對應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性質各不相同,使得反射區(qū)域法向投影范圍很廣,滿足炮檢點的反射點增多,進而致使反射時距曲線延展范圍很廣.如圖13反射路徑圖中反射點分布傾斜界面較彎曲界面均勻,彎曲界面較小的反射點范圍對應著展布較廣的時距曲線,這就導致在復雜區(qū)域會存在反射盲區(qū),即是三維復雜界面下的接收點和反射點之間并非整體對應整體的關系,這種關系充分說明了三維復雜構造的反演成像是局部的,是針對反射點位置的成像,而不是檢波點網格以下的整體區(qū)域或基