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利用石油勘探面波信息调查表层结构的方法研究

彭文  
【摘要】: 当在半空间的自由表面进行激振时,会产生沿着自由表面传播的波,其振幅随着离开自由表面的距离增大而呈指数形式衰减,其能量限制在一个表面薄层内,Rayleigh首先在理论上证明了这种波的存在,因此称为Rayleigh面波。在均匀半空间中,Rayleigh面波以一个恒定的速度传播;而在垂向非均匀的半空间中,不同频率的面波分量以各异的相速度传播,发生频散。面波频散的规律与表层介质的结构有密切的关系。人们最早在天然地震记录中发现了面波,并根据天然地震记录中Rayleigh面波的频散特性来研究地球内部构造。迄今为止,Rayleigh面波测深已成为天然地震领域中研究地球内部结构的重要方法。同时随着计算机技术的飞速发展及工程勘查的需要,近几年人工激发的瞬态Rayleigh面波勘探已被广泛地用于查明工程区地下介质结构并进行地层划分。面波是反射波法石油勘探地震记录中主要的规则干扰波之一。在探测地球结构的天然地震、石油地震勘探和用于工程地质勘察的瞬态法都会出现Rayleigh波,事实上它们的本质都是一样的,不同的只是这三种探测方式的震源、信号的记录方法、勘探的目的和Rayleigh波的频带等。在石油勘探中,表层模型可简化为三层结构,即低速带、降速带和高速层,有的地区没有降速带,但都属于地层刚度随深度逐层增加的简单的正向分层结构模型。通过正演计算表明,这种表层结构产生的面波中基阶模式质点位移大于高阶模式的质点位移,而且在石油面波的5~20Hz频带分布范围内基阶的频散曲线贯穿其中,而高阶模式只有2阶、3阶等少数几个,且存在最低截止频率限制,因此石油地震面波的大部分能量都集中在基阶模式。石油地震勘探观测方式中的接收排列长度、偏移距分布范围、检波器与地震仪的性能以及时间采样率和记录长度都不妨碍面波波场的接收,对其有显著影响的是炸药震源激发的井深和组合检波的方法,道距在低(降)速层较薄地区的影响比较明显。在天然地震和工程勘探领域,人们提出了多种求面波相速度和群速度频散曲线的方法。p-ω加是先把x-t域中的共炮点记录V(x,t)变换到x-ω域,即(?)(x,ω);然后把波场(?)(x,ω)中具有相同频率ω_i和射线参数p_k的所有同相位波相加,得到p-ω域的F(p,ω)波场;寻找F(p,ω)波场振幅谱图|F(p,ω)|上的极大值点,就对应了面波的频散曲线。p-ω叠加谱反映的是面波中能量最强模式的频散关系,石油面波主要是基阶模式,因此p-ω叠加技术能求出石油面波中基阶模式的频散曲线。根据频散曲线来推断表层的结构,属于一个非线性的最优化问题,其数学模型可以归结为求共有n,层的弹性层状介质参数,每层由纵波速度V_(Pi)、横波速度V_(Si)、密度ρ_i和厚度h_i四个介质参数来确定,因此是一个四维的反演问题。由于纵波速度V_(Pi)和密度ρ_i对频散曲线的影响相对较小,在反演中可以取一个近似值,认为是已知的;同时通过数值模拟和理论分析可以发现把一个厚层细分为多个薄层后在相速度计算上具有等效性。因此,把低(降)速带细分成等厚的薄层,可以在反演中不再考虑层厚度参数,从而把四维的反演问题简化成仅仅关于地层横波速度的一维反演问题。在反演中引入光滑性约束,从而建立石油地震面波的薄层光滑模型反演法。在实际的石油勘探工作中,通过前期的踏勘、小折射和微测井工作,能够基本估计出整个工区低降速带的最大埋深和合适的薄层厚度参数。应用面波法处理了在新疆实际采集的连续24炮面波资料,得到了大约1800m长的一段表层横波剖面,与小折射、微测井调查的结果基本吻合。因此,基于大炮面波信息调查表层结构具有一定的适用性和应用前景。


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