面向目標的起伏地表組合震源延時參數(shù)計算方法

面向目標的起伏地表組合震源延時參數(shù)計算方法

0組合震源地震波場定向傳播方向確定如果將傳統(tǒng)單一源的劑量增加到一定程度，激發(fā)的地震波能量就不會相應增加。早在20世紀70年代,然而,震源組合在提高聚焦方向上地震波場傳播能量的同時,削弱了非聚焦方向上地震波場的傳播能量.如果聚焦方向選擇不當,不僅不能提高地震資料信噪比反而會降低采集質量.因此,組合震源地震波場定向傳播方向的正確選擇就顯得尤為重要.但是,目前對組合震源定向方面的研究大多集中在計算給定聚焦方向的組合震源延遲激發(fā)時間上,并沒有討論對于特定的地下構造,如何準確計算最佳的組合震源地震波場定向傳播方向.近年來,地震波場方向性分解越來越受到地球物理工作者們的重視,地震波場方向性分解在地震定向照明和逆時偏移低頻噪聲壓制中得到了廣泛的應用此外,組合震源理論基本都是基于水平地表條件,國內外對起伏地表條件下組合震源理論的研究相對較少.本文從惠更斯-菲涅爾原理出發(fā),提出一種在已知聚焦方向的情況下求取起伏地表組合震源延遲激發(fā)時間的方法.即根據(jù)炮點坐標建立起炮點向量,計算炮點向量在聚焦方向上的投影,通過投影的長度即可確定組合震源的延遲激發(fā)時間.水平地表和傾斜地表作為起伏地表的特殊形式,同樣能夠利用此方法求取組合震源沿指定方向定向傳播地震波場的延遲激發(fā)時間.1方法原理1.1地表方向統(tǒng)計坡印廷矢量等于電場強度與磁場強度的叉積,矢量大小代表單位時間內垂直穿過單位面積的電磁場能量,矢量方向代表電磁波的傳播方向.地震波場與地磁場類似也存在能流密度矢量,聲波方程的能流密度矢量(坡印廷矢量)可表示為P(x,y,z,t)=v(x,y,z,t)·p(x,y,z,t),(1)式中,P(x,y,z,t),v(x,y,z,t),p(x,y,z,t)分別代表(x,y,z)位置處t時刻的坡印廷矢量,質點震動速度矢量和壓力場.通過坡印廷矢量公式可以計算出任意位置任意時刻地震波場的傳播方向和沿該方向傳播的地震波能量大小.根據(jù)爆炸反射面原理,在目的層界面上均勻布置炮點激發(fā)地震波,能夠形成與地層界面平行的平面波,該平面波傳播方向與地層界面垂直.當該平面波傳播至地表時,通過坡印廷矢量公式計算并記錄地震波的傳播方向.根據(jù)互易性原理,如果將地表統(tǒng)計方向的反方向作為震源組合的聚焦方向來激發(fā)組合震源,則組合震源的主波束傳播至目的層時為垂直入射(或近似垂直入射).這樣一來可以最大限度的提高目的層的照明能量,同時提高野外采集地震資料的信噪比.如圖1所示,在目的層界面上均勻布置炮點進行波場上傳,當?shù)卣鸩ń涍^上覆地層透射傳播至地表時,將其坡印廷矢量記為P(x).為了更加直觀的顯示地表方向統(tǒng)計結果,將P(x)與x方向的夾角α(x)作為地表方向統(tǒng)計結果的另一種形式進行記錄.計算公式如下公式中Px(x)代表坡印廷矢量在x方向上的分量.1.2組合震源定向地震波場的計算起伏地表條件下,組合震源的各個子震源位置高低起伏,并不能保證震源布置在同一條直線上.此時組合震源的延遲時間參數(shù)是非線性的,傳統(tǒng)的歸一化方向因子公式也就不再適用了.為此,本文從惠更斯-菲涅爾原理出發(fā)提出了一種解決方案.惠更斯-菲涅爾原理指出“行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源,而從波陣面上各點發(fā)出的許多次波所形成的包絡面,就是原波面在一定時間內所傳播到的新波面”.惠更斯-菲涅爾原理提供了組合震源定向地震波場的計算思路,即若原始波前為定向的地震波場,其新波前仍為同方向的定向地震波場(將水平方向依次排列的炮點集合設為{s通過計算各炮點向量在組合震源聚焦方向上的投影確定各震源間的延遲激發(fā)時間.在構造較復雜的地區(qū),組合震源各個子震源位置的地表方向統(tǒng)計結果可能存在一定差異,通過初至波的平均出射方向作為組合震源的聚焦方向,從而提高聚焦方向的可靠性:炮點向量可根據(jù)各炮點所在坐標位置來確定:根據(jù)余弦定理可以計算出炮點向量與組合震源聚焦方向夾角的余弦值:炮點向量在組合震源聚焦方向上的投影可表示為將公式(5)代入公式(6)中,可得進而計算出各炮點相對于第一個炮點的延遲激發(fā)時間:然而,計算出的延遲激發(fā)時間為相對于第一個炮點(即s2數(shù)值模擬2.1地表出射角特征為了驗證本文提出的面向目標的起伏地表組合震源延遲激發(fā)時間確定方法的正確性,設計了如圖3所示的起伏地表模型進行測試.模型寬度為800m,最大深度為800m,起伏地表最大高低落差達102m,三套地層層速度由淺至深分別為2500m·s在目的層頂界面上均勻布置炮點進行面炮激發(fā),當激發(fā)產生的平面波經過上覆地層透射到達地表時,通過坡印廷矢量進行地表方向統(tǒng)計.由于目的層界面左右兩側基本對稱并且呈輕微“凹”狀,在不考慮上覆地層界面透射對傳播角度影響的情況下,地表出射角統(tǒng)計結果應該成中心對稱;目的層左側傾斜界面產生的平面波在地表的出射角應該為銳角,右側傾斜界面產生的平面波在地表的出射角應該為鈍角;目的層左右兩端及目的層中部近似為水平界面,產生的平面波在地表的出射角應該在90°附近.通過公式(2)將傳播方向轉化為出射角進行顯示,如圖4,與預測結果基本相符.因此,利用坡印廷矢量進行地表方向統(tǒng)計的方法是完全可行的.根據(jù)地表方向統(tǒng)計結果和炮點向量,可以計算出任意起伏地表組合震源的延遲激發(fā)時間.我們分別選擇了“凸”型,“凹”型和傾斜地表布置了三個包含七個子震源的組合震源,各子震源在水平方向等間隔排列,水平方向組內距為10m.三個組合震源的水平中心位置分別在320m,410m和600m處(幾何放大圖中五角星代表各個子震源點),單個組合震源內最大高低落差達62m,最大延遲激發(fā)時間為19.74ms.根據(jù)地表方向統(tǒng)計結果和炮點向量計算出三個組合震源的延遲激發(fā)時間如表1所示.根據(jù)計算得到的各子震源的延遲時間參數(shù)設計組合震源,可以得到如圖5所示的三個組合震源在225ms時的波場快照.無論是地表凸起(圖5a),凹陷(圖5b)或者傾斜(圖5c),根據(jù)地表方向統(tǒng)計和炮點向量設計出的組合震源都形成了垂直于目的層傳播的定向地震波場.波場快照只能反映某一個時刻的地震波場傳播情況.為了獲得震源能量的傳播“軌跡”,我們進行了不同激發(fā)方式的多炮照明模擬(圖6),組合震源均包含七個子震源,除激發(fā)時間不同外其余參數(shù)相同,單震源與組合震源總藥量相等,激發(fā)振幅按照經驗公式E=(Q/s)2.2地震照明模擬測試本節(jié)中采用國際上廣泛應用的SEG起伏地表模型(如圖7)進行測試,其模型原型來自加拿大英屬哥倫比亞東北部的逆掩斷層構造,由Amoco和BP公司設計.該模型近地表條件復雜,速度橫向變化劇烈,地表高低起伏大,逆掩斷層與地層褶皺發(fā)育.速度模型剖面全長25km,模型深度10km,地層速度3600～6000m·s地震照明模擬參數(shù):x方向網格步長15m,z方向網格步長10m,采樣間隔4ms,單個震源傳播時間8s,炮間距750m,共計33炮.我們將該模型最底層的傾斜界面視為此次研究的目的層界面,在該界面上利用爆炸反射面原理進行波場上傳,得到地表方向統(tǒng)計結果如圖8.此次模型測試采用了四種不同的震源激發(fā)方式進行地震照明模擬,模型(圖7)中五角星為震源橫向中心位置.圖9(a—d)依次為單震源照明、同時激發(fā)組合震源照明、聚焦方向豎直向下的組合震源照明、采用本文方法設計的組合震源照明.組合激發(fā)與普通單震源激發(fā)總藥量保持不變,根據(jù)經驗公式計算各震源類型的激發(fā)振幅(經驗公式為E=(Q/s)從照明結果中可以看出,組合震源激發(fā)效果明顯優(yōu)于普通震源激發(fā)效果,定向激發(fā)效果優(yōu)于同時激發(fā)效果,面向目標的定向激發(fā)效果略優(yōu)于垂向激發(fā)效果.圖10是四種激發(fā)條件下目的層的照明能量曲線,該曲線更加清晰地反應了各種震源激發(fā)類型對目的層照明能量的貢獻情況.雖然采用本文方法設計的組合震源激發(fā)照明效果與垂向激發(fā)照明效果大致相當,但對目的層的照明主要為更有效的垂直入射,相比于另外兩種激發(fā)方式效果提升明顯.值得注意的是,在模型試驗過程中,組合震源激發(fā)具有一定的能量聚焦能力,而導致目的層照明曲線的均勻性變差.我們可以通過減小組合震源組內距、高密度采集或者進行局部炮點加密的方法解決這一問題.3組合震源延遲激發(fā)時間的優(yōu)化組合震源定向激發(fā)技術對提高地震資料信噪比和地震照明度有著至關重要的作用.本文方法不僅能夠確定任意起伏地表情況下沿給定地質模型的目的層界面垂直入射的組合震源聚焦方向,也能夠計算形成沿該聚焦方向定向傳播地震波場的組合震源延遲激發(fā)時間.通過上述理論分析和模型試驗可以得出如下結論和認識:(1)無論是地表凸起、凹陷或是傾斜,按照本文方法設計的組合震源均能形成沿目的層垂直入射的定向地震波場.水平地表作為起伏地表的特殊形式,同樣能夠利用本文方法計算基于特定模型目的層的最優(yōu)組合震源延遲激發(fā)時間;(2)組合震源照明能量大于普通單震源照明能量,定向激發(fā)組合震源照明能量大于同時(非定向)激發(fā)組合震源照明能量,聚焦方向豎直向下的組合震源主波束入射到目的層界面時通常不是垂直或近垂直入射,并且往往地層傾角越大,入射角越大,檢波器接收到的可能性就越小;(3)本文方法只改變組合震源的延遲激發(fā)時間,不改變井深等參數(shù),因此,本文方法不會增加組合震源的采集成本;(4)速度模型精度對基于模型的方法都具有決定性的影響,定量的評價速度誤差對方法的影響程度非常困難.速度模型誤差主要來自兩個方面,一是層速度誤差,由于層速度誤差對地震波的傳播路徑影響較小,對本文方法的影響也就比較小.二是地層傾角誤差,如果不考慮上覆地層對地震波傳播方向的影響,則可基本認為地層傾角誤差小于目的層有效入射角時本文方法有效;(5)如果按照地表方向統(tǒng)計結果進行基于組合震源的常規(guī)觀測系統(tǒng)采集(等炮間距采集),目的層的“凹型”區(qū)域可能會存在照明不足