地震資料構造解釋綜合實驗設計與探索

張佳佳，張廣智，張繁昌，宗兆云，梁 鍇

（中國石油大學（華東） 地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

“新工科”建設行動路線提出，更新改造傳統學科專業，服務地礦、鋼鐵、石化、機械、輕工和紡織等產業轉型升級[1-3]。目前我國資源亟需科學規劃開采，需要高校培養具有多元知識結構和創新能力的工程技術人才[4-7]。勘查技術與工程專業是石油類高校以及地質類高校的傳統優勢工科專業，為國家培養了大量的油氣礦藏地球物理勘探技術人才[8]。中國石油大學（華東）勘查技術與工程專業是國家級特色專業和山東省品牌專業，也是教育部專業綜合改革試點專業和“卓越工程師教育培養計劃”首批試點專業[9-10]。在“新工科”建設背景下，如何“問技術發展改內容，更新工程人才知識體系”是我校勘查技術與工程專業亟需解決的問題。

“地震勘探原理”是勘查技術與工程專業的核心專業課程，本文面對“新工科”建設的新要求，更新傳統的教學實踐環節，將地球物理勘探行業對人才培養的最新要求引入教學過程中，設計了“地震資料構造解釋綜合實驗”，提高課程興趣度和學業挑戰度，同時在實驗拓展環節引入地球物理學科前沿技術，培養學生的工程思維和數字化思維，致力打通“最后一公里”。

1 綜合實驗設計

1.1 實驗目的

“地震勘探原理”課程理論比較抽象，知識點較為零散，數學公式推導內容較多，很多授課教師都容易把教學重心放在理論教學上，對實踐環節不太重視，教學方法也都是以講授法為主。學生往往把主要精力放在理論知識的學習上，容易陷入單純數學或者物理知識學習中難以自拔，這樣就無法將課本理論知識和工程實際應用結合起來，導致理論學習和工程實踐相脫節。因此，綜合實驗設計的目的就是讓學生理論聯系實際，培養工程實踐技能，鍛煉學生運用課本理論知識解決實際工程問題的能力。

設計綜合實驗以地震資料構造解釋為主，即利用地震資料確定地質構造的形態和空間位置，推測地下地層的巖性、厚度及層間接觸關系[11-12]。地震資料構造解釋綜合實驗是油氣礦藏勘探領域典型的工程實踐問題，需要用到“地震勘探原理”課程中的很多理論知識，能夠考查學生對基本知識點的理解程度以及運用理論知識解決實際工程問題的能力。

1.2 實驗原理

對地震資料構造解釋簡單的理解就是需要把地震時間剖面變為地質深度剖面，如圖1所示。學生根據地震波運動學原理，利用地震資料提供的地震反射波旅行時、同相性以及速度等信息，查明地下地層的構造形態、埋藏深度和接觸關系等[13]。最終目標是繪制地質構造圖，搞清地下地層之間的界面信息以及斷層和褶皺的位置和空間展布等，尋找構造圈閉油氣藏，確定地層含油氣的可能性和儲量大小，并為鉆探提供井位。

圖1 地震構造解釋原理

1.3 實驗步驟

綜合實驗包括合成地震記錄制作、垂直剖面解釋、水平切片解釋和地質構造圖繪制等4個模塊，具體實驗步驟如下：

（1）合成地震記錄制作。根據測井數據（速度、密度和層位等）計算獲得每口井的時深曲線，進行深時轉換，獲得地質層位的反射時間，編寫程序制作#16井的合成地震記錄，并與井旁地震道進行對比分析。

（2）垂直剖面解釋。首先選擇基干剖面網，明確整個工區均勻分布且能控制全區的主測線和聯絡測線；然后利用測井數據進行標定，完成垂直剖面上地震反射層與地質層位的對比，最后進行標準層對比追蹤，選擇垂直剖面上反射特征明顯的標準層進行連續追蹤以及斷層劃分。

（3）水平切片解釋。利用步驟（2）已追蹤解釋過的垂直剖面，根據交點閉合的方法對水平切片進行解釋，其中包括標準層的追蹤對比和斷層的劃分。

（4）地質構造圖繪制。分別利用步驟（2）中解釋的垂直剖面以及步驟（3）中解釋的水平切片繪制標準層的等t0構造圖，再按照測井數據計算標準層的平均速度，根據平均速度進行時深轉換，繪制標準層的深度構造圖。

綜合實驗具體流程如圖2所示。

圖2 綜合實驗流程圖

2 綜合實驗實施及結果分析

綜合實驗采用的地震資料是美國休斯敦大學的聯合地球物理實驗室（applied geophysical laboratory,AGL）的 SALNOR地震物理模型數據[14]。物理模型如圖 3(a)所示，將物理模型放入水槽中，震源和檢波器在物理模型上方由計算機控制并按照一定規律移動，模擬實際地震觀測系統，地震測線布設示意圖如圖3(b)所示。

圖3 SALNOR地震物理模型以及地震測線布設示意圖[14]

學生首先需要使用 Matlab語言編程制作合成地震記錄，如圖4所示。學生需要結合“地震勘探原理”課程中的地震記錄生成的理論知識，利用測井數據計算地震反射系數，再選擇合適的地震子波與地震反射系數進行褶積，得到合成地震記錄，最后將合成地震記錄與實際地震記錄進行標定和對比。

在合成地震記錄制作完成之后，學生就可以將地震反射信息與地質層位建立起聯系，也就是說把地震反射層位賦予地質意義。接下來學生要結合“地震勘探原理”課程理論知識，根據“強振幅、波形相似性、同相性和時差變化規律的漸變性”等特征在不同的地震垂直剖面上來識別和追蹤來自同一地質層位的地震反射波。圖5為SALNOR模型CDP90測線和CDP120測線的垂直剖面解釋結果，圖中除了橫向展布的標準層外，還要根據標準層厚度的變化及接觸關系等來劃分斷層（圖5中紅色線表示斷層），解釋地質構造以及斷裂系統。

地震水平切片是不同地質層位在同一時刻的顯示，相當于某一等時面的地質圖，即同一張水平切片里顯示了不同地質層位信息。水平切片上的地震反射信息和垂直剖面上的地震反射信息是一一對應的。因此學生可以根據這一特征，利用解釋好的垂直地震剖面采用交點閉合的方法來解釋水平切片。圖6分別展示了SALNOR模型在1 120和1 220 ms水平切片的解釋結果，水平切片同相軸分布輪廓表示地質層位的局部走向。

圖4 合成地震記錄制作結果

圖5 垂直剖面解釋結果

圖6 水平切片解釋結果

地震構造圖是以等值線直觀表示地質構造形態，是地震勘探的最終成果圖件，為鉆井提供井位的主要參考資料。學生首先根據工區位置坐標信息按照一定的比例尺繪制測網底圖，再利用解釋好的地震垂直剖面和地震水平切片，讀取地震反射標準層的層位數據以及斷層的斷點數據，標注在測網底圖的相應位置上，以及進行斷裂系統組合。然后按構造圖的比例尺確定數據點的間距，勾繪等值線（等時線），就可以得到等t0構造圖。最后按照給定所有測井的層速度計算目標層位的平均速度，根據平均速度進行時深轉換，繪制等深度構造圖。圖7分別展示了SALNOR模型BRENT組頂部的等t0構造圖和等深度構造圖。

圖7 地質構造圖繪制結果

4 實驗拓展

在完成綜合實驗4個模塊后，在實驗拓展環節向學生介紹目前地球物理勘探行業熱點前沿技術——機器學習，將機器學習技術引入到地震資料構造解釋中，進一步深化和擴充實驗內容。

（1）指導學生利用 Python語言編寫卷積神經網絡（convolutional neural networks，CNN）方法程序，該方法在圖像分類、視覺識別和目標檢測等許多機器學習領域都取得了良好效果[14-16]。地震垂直剖面或者水平切片其實就是地下地質構造的圖像顯示，因此引導學生利用基于圖像的機器學習方法來進行地震資料構造解釋。

（2）綜合實驗拓展是將 CNN方法應用到地震資料構造解釋中，不再需要進行人工解釋斷層，通過大數據分析和機器學習就可以由計算機自動識別斷層。如圖8所示。

圖8 基于機器學習方法的斷層自動識別

5 結束語

針對“新工科”建設要求，以解決實際地質工程問題為目標，設計了地震資料構造解釋綜合實驗。通過設置4個不同的實驗模塊，引導學生將課本理論知識與實際地質工程問題建立起聯系，鍛煉學生獨立思考問題和靈活運用知識的能力。通過實驗拓展，向學生講授地球物理勘探行業最新前沿技術，激發學生的學習積極性，培養學生發散思維和創新意識。在該綜合實驗的實施和支撐下，勘查技術與工程專業的4名學生榮獲2018年全國地球物理知識競賽特等獎。