面向目標(biāo)的起伏地表組合震源延時(shí)參數(shù)計(jì)算方法

0組合震源地震波場(chǎng)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(huì)相應(yīng)增加。早在20世紀(jì)70年代,然而,震源組合在提高聚焦方向上地震波場(chǎng)傳播能量的同時(shí),削弱了非聚焦方向上地震波場(chǎng)的傳播能量.如果聚焦方向選擇不當(dāng),不僅不能提高地震資料信噪比反而會(huì)降低采集質(zhì)量.因此,組合震源地震波場(chǎng)定向傳播方向的正確選擇就顯得尤為重要.但是,目前對(duì)組合震源定向方面的研究大多集中在計(jì)算給定聚焦方向的組合震源延遲激發(fā)時(shí)間上,并沒(méi)有討論對(duì)于特定的地下構(gòu)造,如何準(zhǔn)確計(jì)算最佳的組合震源地震波場(chǎng)定向傳播方向.近年來(lái),地震波場(chǎng)方向性分解越來(lái)越受到地球物理工作者們的重視,地震波場(chǎng)方向性分解在地震定向照明和逆時(shí)偏移低頻噪聲壓制中得到了廣泛的應(yīng)用此外,組合震源理論基本都是基于水平地表?xiàng)l件,國(guó)內(nèi)外對(duì)起伏地表?xiàng)l件下組合震源理論的研究相對(duì)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(shí)間的方法.即根據(jù)炮點(diǎn)坐標(biāo)建立起炮點(diǎn)向量,計(jì)算炮點(diǎn)向量在聚焦方向上的投影,通過(guò)投影的長(zhǎng)度即可確定組合震源的延遲激發(fā)時(shí)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(chǎng)的延遲激發(fā)時(shí)間.1方法原理1.1地表方向統(tǒng)計(jì)坡印廷矢量等于電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的叉積,矢量大小代表單位時(shí)間內(nèi)垂直穿過(guò)單位面積的電磁場(chǎng)能量,矢量方向代表電磁波的傳播方向.地震波場(chǎng)與地磁場(chǎng)類(lèi)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(shí)刻的坡印廷矢量,質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度矢量和壓力場(chǎng).通過(guò)坡印廷矢量公式可以計(jì)算出任意位置任意時(shí)刻地震波場(chǎng)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(diǎn)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(dāng)該平面波傳播至地表時(shí),通過(guò)坡印廷矢量公式計(jì)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(jì)方向的反方向作為震源組合的聚焦方向來(lái)激發(fā)組合震源,則組合震源的主波束傳播至目的層時(shí)為垂直入射(或近似垂直入射).這樣一來(lái)可以最大限度的提高目的層的照明能量,同時(shí)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(diǎn)進(jìn)行波場(chǎng)上傳,當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過(guò)上覆地層透射傳播至地表時(shí),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(jì)結(jié)果,將P(x)與x方向的夾角α(x)作為地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果的另一種形式進(jìn)行記錄.計(jì)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(chǎng)的計(jì)算起伏地表?xiàng)l件下,組合震源的各個(gè)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(shí)組合震源的延遲時(shí)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(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源,而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面,就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)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(chǎng)的計(jì)算思路,即若原始波前為定向的地震波場(chǎng),其新波前仍為同方向的定向地震波場(chǎng)(將水平方向依次排列的炮點(diǎn)集合設(shè)為{s通過(guò)計(jì)算各炮點(diǎn)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(shí)間.在構(gòu)造較復(fù)雜的地區(qū),組合震源各個(gè)子震源位置的地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能存在一定差異,通過(guò)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(diǎn)向量可根據(jù)各炮點(diǎn)所在坐標(biāo)位置來(lái)確定:根據(jù)余弦定理可以計(jì)算出炮點(diǎn)向量與組合震源聚焦方向夾角的余弦值:炮點(diǎn)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(jìn)而計(jì)算出各炮點(diǎn)相對(duì)于第一個(gè)炮點(diǎn)的延遲激發(fā)時(shí)間:然而,計(jì)算出的延遲激發(fā)時(shí)間為相對(duì)于第一個(gè)炮點(diǎn)(即s2數(shù)值模擬2.1地表出射角特征為了驗(yàn)證本文提出的面向目標(biāo)的起伏地表組合震源延遲激發(fā)時(shí)間確定方法的正確性,設(shè)計(jì)了如圖3所示的起伏地表模型進(jìn)行測(cè)試.模型寬度為800m,最大深度為800m,起伏地表最大高低落差達(dá)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(diǎn)進(jìn)行面炮激發(fā),當(dāng)激發(fā)產(chǎn)生的平面波經(jīng)過(guò)上覆地層透射到達(dá)地表時(shí),通過(guò)坡印廷矢量進(jìn)行地表方向統(tǒng)計(jì).由于目的層界面左右兩側(cè)基本對(duì)稱并且呈輕微“凹”狀,在不考慮上覆地層界面透射對(duì)傳播角度影響的情況下,地表出射角統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)該成中心對(duì)稱;目的層左側(cè)傾斜界面產(chǎn)生的平面波在地表的出射角應(yīng)該為銳角,右側(cè)傾斜界面產(chǎn)生的平面波在地表的出射角應(yīng)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(chǎn)生的平面波在地表的出射角應(yīng)該在90°附近.通過(guò)公式(2)將傳播方向轉(zhuǎn)化為出射角進(jìn)行顯示,如圖4,與預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符.因此,利用坡印廷矢量進(jìn)行地表方向統(tǒng)計(jì)的方法是完全可行的.根據(jù)地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果和炮點(diǎn)向量,可以計(jì)算出任意起伏地表組合震源的延遲激發(fā)時(shí)間.我們分別選擇了“凸”型,“凹”型和傾斜地表布置了三個(gè)包含七個(gè)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(nèi)距為10m.三個(gè)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(gè)子震源點(diǎn)),單個(gè)組合震源內(nèi)最大高低落差達(dá)62m,最大延遲激發(fā)時(shí)間為19.74ms.根據(jù)地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果和炮點(diǎn)向量計(jì)算出三個(gè)組合震源的延遲激發(fā)時(shí)間如表1所示.根據(jù)計(jì)算得到的各子震源的延遲時(shí)間參數(shù)設(shè)計(jì)組合震源,可以得到如圖5所示的三個(gè)組合震源在225ms時(shí)的波場(chǎng)快照.無(wú)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(jì)和炮點(diǎn)向量設(shè)計(jì)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(chǎng).波場(chǎng)快照只能反映某一個(gè)時(shí)刻的地震波場(chǎng)傳播情況.為了獲得震源能量的傳播“軌跡”,我們進(jìn)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(gè)子震源,除激發(fā)時(shí)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(jīng)驗(yàn)公式E=(Q/s)2.2地震照明模擬測(cè)試本節(jié)中采用國(guó)際上廣泛應(yīng)用的SEG起伏地表模型(如圖7)進(jìn)行測(cè)試,其模型原型來(lái)自加拿大英屬哥倫比亞?wèn)|北部的逆掩斷層構(gòu)造,由Amoco和BP公司設(shè)計(jì).該模型近地表?xiàng)l件復(fù)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(zhǎng)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(wǎng)格步長(zhǎng)15m,z方向網(wǎng)格步長(zhǎng)10m,采樣間隔4ms,單個(gè)震源傳播時(shí)間8s,炮間距750m,共計(jì)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(jìn)行波場(chǎng)上傳,得到地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8.此次模型測(cè)試采用了四種不同的震源激發(fā)方式進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)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(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各震源類(lèi)型的激發(fā)振幅(經(jīng)驗(yàn)公式為E=(Q/s)從照明結(jié)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(shí)激發(fā)效果,面向目標(biāo)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(yīng)了各種震源激發(fā)類(lèi)型對(duì)目的層照明能量的貢獻(xiàn)情況.雖然采用本文方法設(shè)計(jì)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(dāng),但對(duì)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(yàn)過(guò)程中,組合震源激發(fā)具有一定的能量聚焦能力,而導(dǎo)致目的層照明曲線的均勻性變差.我們可以通過(guò)減小組合震源組內(nèi)距、高密度采集或者進(jìn)行局部炮點(diǎn)加密的方法解決這一問(wèn)題.3組合震源延遲激發(fā)時(shí)間的優(yōu)化組合震源定向激發(fā)技術(shù)對(duì)提高地震資料信噪比和地震照明度有著至關(guān)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(zhì)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(jì)算形成沿該聚焦方向定向傳播地震波場(chǎng)的組合震源延遲激發(fā)時(shí)間.通過(guò)上述理論分析和模型試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論和認(rèn)識(shí):(1)無(wú)論是地表凸起、凹陷或是傾斜,按照本文方法設(shè)計(jì)的組合震源均能形成沿目的層垂直入射的定向地震波場(chǎng).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(jì)算基于特定模型目的層的最優(yōu)組合震源延遲激發(fā)時(shí)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(shí)(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(shí)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(shí)間,不改變井深等參數(shù),因此,本文方法不會(huì)增加組合震源的采集成本;(4)速度模型精度對(duì)基于模型的方法都具有決定性的影響,定量的評(píng)價(jià)速度誤差對(duì)方法的影響程度非常困難.速度模型誤差主要來(lái)自兩個(gè)方面,一是層速度誤差,由于層速度誤差對(duì)地震波的傳播路徑影響較小,對(duì)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(duì)地震波傳播方向的影響,則可基本認(rèn)為地層傾角誤差小于目的層有效入射角時(shí)本文方法有效;(5)如果按照地表方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行基于組合震源的常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)采集(等炮間距采集),目的層的“凹型”區(qū)域可能會(huì)存在照明不足