深水崎嶇海底區不同采集方向地震波照明能量分布特征研究＊

李緒宣 溫書亮 尹 成

(1.中海油研究總院; 2.西南石油大學資源與環境學院)

深水崎嶇海底區不同采集方向地震波照明能量分布特征研究＊

李緒宣1溫書亮1尹 成2

(1.中海油研究總院; 2.西南石油大學資源與環境學院)

深水陸坡區水深急劇變化,峽谷縱橫,水道復雜,形成了崎嶇的海底地形地貌,嚴重影響到其下伏地層的地震成像,并造成地震剖面上構造形態的畸變。以南海北部白云深水區崎嶇海底地貌為基礎,利用高斯射線束正演模擬方法,對深水崎嶇海底界面、深水崎嶇海底下伏水平界面和淺水崎嶇海底下伏水平界面等3個概念模型進行了地震波的激發照明與接收照明的能量分布特征研究,其結果可為深水崎嶇海底地區地震采集設計提供指導。

高斯射線束正演模擬 激發照明 接收照明 能量分布 深水崎嶇海底

深水海域油氣資源豐富,已成為當前熱門的油氣勘探領域。我國南海深水區油氣成藏條件優越,具有良好的油氣勘探前景,白云凹陷LW 3-1-1井鉆探取得重大發現亦證實了這一點。因此,加快勘探開發我國南海深水區豐富的油氣資源,對我國國民經濟的快速發展具有重要意義[1]。

白云深水陸坡區水深急劇變化,峽谷縱橫,水道復雜,形成了崎嶇的海底地形地貌,造成了地震波傳播速度的橫向劇烈變化,使地震波傳播的射線路徑變得復雜(其時距曲線為非雙曲線),嚴重影響了其下伏地層的地震成像,并導致構造形態嚴重畸變。因此,有必要針對深水崎嶇海底地區探索有效的三維地震采集方法,進一步提高深水區地震資料的成像質量[2]。

目前,人們針對復雜地表與復雜構造區提出了面向地質目標、基于模型正演模擬的地震采集設計與論證[3],通過地震波的射線追蹤和波動方程來模擬野外激發與接收對地下反射界面的照明并確定反射盲區的位置,所獲得的正演模擬信息不僅有助于確定后續資料的有效處理方案,同時可用于優化采集參數和控制采集質量,并節約采集成本。為此,筆者利用高斯射線束地震波正演模擬方法研究白云深水區崎嶇海底條件下地震波對地下目的層的激發照明以及地面接收照明能量的分布特征,以期通過幾種典型模型的照明能量分布特征的對比分析,為深水崎嶇海底地區的地震采集設計提供指導性意見。

1 地震波照明的模擬方法

1.1 高斯射線束正演模擬

1983年,Cerveny等人[4]提出了一種將波動方程與射線理論相結合的地震波照明的模擬方法——高斯射線束方法。該方法同時考慮了波的運動學和動力學特點,適用于復雜的非均勻介質模型,還能考慮介質的吸收作用,無需進行兩點射線追蹤,具有速度快、精度高的特點,對焦散區、臨界區及暗區等特殊區域都具有較好的效果。

與傳統射線方法不同的是,高斯射線方法將波場分解成具有一定頻率范圍的射線束,從而實現地震波場的數值模擬。高斯射線束是一條從震源出發,以射線為中心的能量管,射線束的能量分布是以偏離中心射線的距離為函數呈指數衰減。因此,高斯射線束正演模擬一般包含以下3個基本步驟[5-6]:

(1)運動學射線追蹤。射線追蹤是一個遞歸過程,目的是從源點出發,逐層遞歸找出一條從炮點到達接收點的完整射線路徑。

(2)動力學射線追蹤。動力學追蹤的實質是求解復值動力學參數矩陣,它們決定了高斯射線束的分布狀態,也表征了高頻地震波場沿射線傳播的動力學特征。

(3)高斯射線束波場疊加。接收點處的波場是由多條高斯射線束疊加形成的,因此,在求解了全部的高斯射線束后,需要把它們對接收點的貢獻疊加起來并變換到時間域,以獲得地質模型最終的地震記錄。

1.2 激發照明與接收照明

地面激發的地震波可以看成一束光波對地下界面的照明,照明的亮暗即地震波能量的強弱。如果照明能量強,一般該界面反射能量也強,也可以說該界面反射地震波的信噪比高。因此,對于復雜地區,研究地震波傳播到該界面上的能量強弱,可以初步判斷所設計的地震采集方案的可行性。同理,將地下界面上的反射波也可以看成一個二次震源向上發射的地震波,研究該地震波對地面觀測的檢波點的照明強弱,同樣可以判斷地震資料的成像質量,特別是檢波點接收能量的均勻性,直接影響地震資料偏移成像的能力。因此,對于一個地區采集觀測系統的分析、評價與設計,可以通過模擬該地區地震波的激發照明和接收照明的能量分布來進行。

基于上述,我們可以利用前述的高斯射線束正演模擬方法來計算一個給定的地質模型的地震波對地下目的層的激發照明和地下目的層對地面觀測點的接收照明,包括:

(1)計算高斯射線束對目的層面元的激發照明的方法

首先追蹤出所有通過目的層反射的高斯射線束,然后疊加高斯射線束對目的層面元的能量。對于一個高斯射線束,先找出它所覆蓋的所有目的層面元,再根據面元中心到射線束中心射線的距離計算出高斯射線束在該位置上的能量并疊加到面元上。

(2)計算目的層面元對地面檢波器的接收照明的方法

以目的層的一個面元為一個二次震源單位,先將其高斯射線束傳播到地面,再根據檢波點到射線束中心的距離計算出射線束對檢波點的貢獻。

2 深水崎嶇海底區不同采集方向地震波照明能量的分布特征

筆者以南海北部白云凹陷深水區崎嶇海底地貌(圖1)為基礎,建立了如圖2所示的深水崎嶇海底的三維概念模型,該模型沿X方向有3個海溝與3個脊梁,沿Y方向有一個海溝。下面利用高斯射線束正演模擬的方法來研究海上不同方向采集時地震波對崎嶇海底以及下伏水平目的層的激發照明和接收照明的能量分布特征。

為了觀測整個模型工區的照明,在海面上一次性布置81條接收線,接收線距為100 m,每條接收線是240道接收,道間距為25 m,排列線的中間布置了8個炮點,炮點距為1 000 m,炮線每次移動2道,共計100條炮線。

2.1 深水崎嶇海底界面的照明能量

圖3所示為不同采集方向地震波對深水崎嶇海底界面的激發照明與接收照明能量分布的模擬結果。從圖3可以看出:對于崎嶇海底界面的激發照明,當沿垂直海溝走向激發時,強能量主要匯聚在中間海溝的深凹處(圖3a);而當沿非垂直海溝走向激發時,強能量主要照射在崎嶇海底的高部位(圖3b、c)。對于崎嶇海底界面的接收照明,3個不同采集方向的能量均呈現出條帶狀,即分布在海底脊梁的投影處(圖3a、b、c),但相對而言垂直于海溝走向激發的接收照明能量均勻性要好一些。

圖3 不同采集方向地震波對深水崎嶇海底界面的激發照明與接收照明能量分布的模擬結果

2.2 深水崎嶇海底下伏水平界面的照明能量

圖4所示為不同采集方向地震波對深水崎嶇海底下伏水平界面的激發照明與接收照明能量分布的模擬結果。從圖4可以看出,崎嶇海底的脊梁會引起下伏地層激發入射能量的發散與接收反射能量的發散,而崎嶇海底的海溝會引起下伏地層激發入射能量的匯聚與接收反射能量的匯聚,即造成地震波激發與接收照明的非均勻性。從激發與接收能量的最大值對比(表1)來看,3個方向激發到下伏地層的最大能量是相同的(為1.1×1010),而垂直海溝走向采集時接收下伏水平地層的反射能量最大(為8.6×107),是另外2個采集方向接收能量(分別為1.4×107和1.5×107)的5～6倍。

圖4 不同采集方向地震波對深水崎嶇海底下伏水平界面的激發照明與接收照明能量分布的模擬結果

表1 深水與淺水崎嶇海底模型激發照明與接收照明的最大能量

3 淺水崎嶇海底下伏水平界面照明能量的分布特征

為了對比研究,建立了如圖5所示的淺水崎嶇海底三維概念模型,也利用高斯射線束正演模擬的方法對不同采集方向地震波對淺水崎嶇海底下伏水平界面的激發照明與接收照明的能量分布特征進行了模擬,其結果見圖6。從圖6可以看出,相對于深水崎嶇海底對下伏地層入射與反射能量的發散與匯聚特征而言,淺水崎嶇海底對下伏地層入射與反射能量的非均勻性影響要小得多,3種不同采集方向激發到下伏地層的能量最大值都不相同(見表1),垂直構造走向激發能量最小(為0.77×1010),平行構造走向激發能量最大(為1.4×1010),而垂直與平行構造走向采集的接收能量最大值基本相當(分別為1.4×107和1.5×107),沿構造走向斜交方向采集的接收能量最小(為0.9×107)。因此,從地震波照明的均勻性和激發能量的大小來說,在淺水崎嶇海底條件下,斜交于海溝走向布設地震采集更有利于降低崎嶇海底對反射地震波成像的影響。

4 結論

(1)通過高斯射線束正演模擬方法可以有效地模擬入射的地震波對地下目的層的激發照明,以及目的層對地面觀測點的接收照明,這對于海上地震采集觀測系統的設計與分析具有很好的指導作用。

(2)深水崎嶇海底對下伏地層地震波的激發照明和接收照明的均勻性有很大的影響,因此,在海上地震采集設計中應考慮增加數據的采集密度和覆蓋次數,以便于室內有選擇性地進行照明補償。

(3)淺水崎嶇海底對下伏地層地震波照明的均勻性影響相對要小一些;相對而言,將地震采集排列布置在斜交海溝走向的方向,更有利于降低崎嶇海底對下伏地層地震波照明的均勻性的影響。

(4)本文僅僅研究了深水與淺水崎嶇海底對下伏水平地層的激發照明與接收照明能量的影響,對于崎嶇海底下伏深部復雜構造的激發照明與接收照明能量的分布特征,同樣可以通過高斯射線束正演模擬進行研究。由于崎嶇海底形成的嚴重多次繞射波也是影響下伏地層地震波照明均勻性的主要因素,因此,研究多源多纜以及多方位采集條件下深水崎嶇海底地區下伏目的層地震波照明能量的分布特征是非常有意義的。

[1] 呂福亮,賀訓云,武金云,等.世界深水油氣勘探現狀、發展趨勢及對我國深水勘探的啟示[J].中國石油勘探,2007,12(6): 28-31.

[2] DAN IELSEN B,REKDAL T,STRAND C.Addressing challengesat Ormen Lange by innovative acquisition design[C].SEG 74 th Annual Meeting,Denver,Colorado,2004.

[3] 呂公河,尹成,周星合,等.基于采集目標的地震照明度的精確模擬[J].石油地球物理勘探,2006,41(3):258-261.

[4] CERVENY V.Synthetic body wave seismograms for laterally varying structures by the Gaussian beam method[J].Geophys.J.R. Astr.Soc.1983,73:389-426.

[5] 周熙襄,劉學才,蔣先藝.二維高斯射線束地震模型[J].石油地球物理勘探,1991,26(4):452-464.

[6] 鄧飛,王美平,周杲,等.高斯射線束法地震記錄合成系統的研究與開發[J].大慶石油地質與開發,2006,25(6):93-97.

(編輯:崔護社)

A research on energy distribution pattern of seismic illumination a long various acquisition direction on deep rough seafloor

Li Xuxuan1Wen Shuliang1Yin Cheng2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 2.Resources and Environment Institute, Southwest Petroleum University,Chengdu,610500)

There are rapidly-changed water depth, crossed canyons and complicated channels in a deep slope area,resuling in rough seafloor topography, w here seismic imaging of underlying stratigraphic intervals is seriously influenced,with distorted structural shape on a seismic section.On a basis of the rough seafloor topography in Baiyun deep water area,the northern South China Sea,the energy distribution pattern of seismic shot and receiver illumination was researched by the method of Gaussian bean forward modeling for 3 conceptual models,i.e.the deep rough seafloor interface,the horizontal interface below deep rough seafloor and the ho rizontal interface below shallow rough seafloor.The obtained results can provide a guidance for designing seismic acquisition in a deep rough seafloor area.

Gaussian beam for ward modeling;shot illumination;receiver illumination;energy distribution; deep rough seafloor

＊國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“南海深水區復雜地質結構地震采集基礎理論研究”(2009CB219403)部分研究成果。

李緒宣,男,高級工程師,1982年畢業于山東海洋學院海洋地質系海洋物探專業,現任中海油研究總院地球物理總師。地址:北京市東城區東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。

2009-12-21