三維地震勘探虛擬仿真實驗設計

張佳佳，梁 鍇，張廣智，張繁昌，宗兆云

（中國石油大學（華東） 地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

三維地震勘探具有高密度地震數據采集、三維空間成像歸位以及顯示方式靈活多樣等特點，已廣泛應用于復雜地質構造以及隱蔽油氣藏[1-3]探查。三維地震勘探是勘查技術與工程專業以及地球物理學專業“地震勘探原理”“地震資料數字處理”和“地震資料綜合解釋”等主干課程的重要內容[4-6]。與二維地震勘探相比，三維地震勘探的基本概念和理論方法更加抽象和復雜，學生理解起來比較困難。針對這一問題，制作了W. S. French 三維地質模型，利用超聲波模擬實際三維地震勘探的地震波進而模擬實際三維地震勘探的數據采集過程，指導學生利用Seismic Unix 軟件處理三維地震勘探數據，并進行三維地震數據解釋，編制地質構造圖，使學生能夠直觀地學習三維地震勘探采集、處理和解釋過程。

1 虛擬仿真實驗平臺設計

地震勘探是在地表用炸藥或者可控震源等向地下激發地震波，地震波遇到地下地質構造會發生反射，在地表用檢波器接收反射回來的地震波，形成地震波的反射記錄[4-6]。常規的二維地震勘探是指炮點和檢波點布設在一條直線上，而三維地震勘探是指炮點和檢波點位于一個平面內[7-8]，如圖1 所示。

地震勘探虛擬仿真實驗平臺是根據物理相似性和幾何相似性原則，將實際地下地質構造等比例縮小，制作成地質模型，并用超聲波模擬實際地震勘探的地震波。該虛擬仿真實驗平臺由地質模型、超聲波發生器、超聲波激發探頭和接收探頭、數模轉換器、控制系統、三維定位裝置以及計算機組成，如圖2 所示。其中：地質模型是三維地震勘探的地質目標；超聲波激發探頭用于向地質模型激發超聲波；超聲波接收探頭用于接收由地震模型反射回來的超聲波；超聲波發生器用來控制超聲波探頭發射和接收超聲波；數模轉換器用于將超聲波模擬信號轉換為數字信號傳輸給計算機；三維定位系統是根據三維地震勘探觀測系統對超聲波激發和接收探頭進行空間位置坐標定位；計算機用來進行超聲波信號采集記錄，以及移動變換超聲波探頭的位置；控制系統用來根據計算機指令對三維定位系統進行控制。

圖1 地震勘探原理示意圖

圖2 虛擬仿真實驗平臺

2 三維地震勘探虛擬仿真實驗

2.1 三維地質模型制作

W. S. French 三維地質模型是20 世紀70 年代W. S.French 提出的經典地質模型[9-11]，該模型可以說明三維地震勘探解決復雜地質問題的優勢和二維地震勘探的缺陷和局限性。

手工W. S. French 三維地質模型的制作過程為：

（1）將硅橡膠與固化劑按照合適比例混合，倒入攪拌器攪拌均勻。

（2）將攪拌均勻的混合材料倒入真空容器并進行抽真空處理，再將已抽真空的材料倒入事先準備好的模具，直至完全固化為止。

（3）從模具中脫模。

手工制作的W. S. French 三維地質模型如圖3 所示。該地質模型為一個平坦地層被一條斷層分割為兩部分，斷層下降盤有兩個緊靠在一起的穹隆構造，斷面是一個斜坡。

圖3 手工制作的W. S. French 三維地質模型

2.2 三維地震勘探采集實驗

將制作好的W. S. French 三維地質模型放置在虛擬仿真實驗平臺中，即可進行三維地震勘探采集實驗，如圖4 所示。實際的三維地震勘探實施過程非常復雜，采用虛擬仿真實驗可以最大限度地模擬實際三維地震勘探采集過程[12-15]。結合“地震勘探原理”課程地震觀測系統布設的知識點，指導學生沿著W. S. French三維地質模型布設三維地震勘探測線。整個 W. S.French 地質模型共布設13 條地震測線，如圖5 所示。這些地震測線分別經過了斷層下降盤4、穹隆1 和穹隆2、斷層面3 以及斷層上升盤5 等地質構造。

圖4 三維地震勘探采集實驗

圖5 三維地震測線布設圖

2.3 三維地震勘探處理實驗

結合“地震資料數字處理”課程中有關地震資料處理的知識點，指導學生使用Seismic Unix 軟件處理三維地震勘探數據，并選擇圖6 中測線6 和測線13地震剖面結果進行分析。

第6 條測線從斷層下降盤4 開始，經過穹隆2 的頂部，再經過穹隆1 右翼最低點的平坦部位，與斷層陡坡呈45°夾角進入斷層上升盤5。第13 條測線從斷層下降盤僅經過斷層下降盤4、斷層面3 以及斷層上升盤5，未經過穹隆1 和穹隆2。

圖6(a)為測線6 未經偏移校正的常規水平疊加剖面，可以明顯看到繞射波和側面波，其中穹隆1 被放大并掩蓋平坦地層，并且斷面反射右移，同時還出現了來自穹隆2 的側面反射波。圖6(b)為測線13 未經偏移校正的常規水平疊加剖面，除了上升盤5 和下降盤4 之外，同樣可以看到出現了來自穹隆2 的側面反射波。學生通過地震剖面的對比分析可知：在地下地質構造比較復雜的情況下，二維地震勘探得到的地震剖面往往不能真實反映地下構造形態，因此必須進行三維地震勘探，這也是三維地震勘探的優勢所在。

圖6 W. S. French 地質模型不同測線地震剖面

2.4 三維地震勘探解釋實驗

結合“地震資料綜合解釋”課程中關于地震構造解釋的知識點，訓練學生利用三維地震勘探結果進行地質構造解釋，如圖7 所示。圖7 說明利用三維勘探結果編制的地質構造解釋圖能夠真實反映 W. S.French 地質模型頂面的構造形態。

圖7 W. S. French 地質模型地質構造解釋

3 結語

三維地震勘探虛擬仿真實驗能夠實現在地質模型上布設三維地震測線，模擬實際三維地震勘探施工過程，并進行三維地震數據的采集、處理和解釋，有助于加深學生對三維地震勘探理論方法的理解，提高學生的工程實踐意識和實際動手能力。該虛擬仿真實驗也可以為其他地球物理勘探類課程的實驗教學提供參考。