地震勘探原理——各章要点总结

1 第一章 地震勘探的理论基础 1 各向同性介质 弹性与空间方向无明确关系的介质称各向同性介质 否则是 各向异性介质 2 泊松比 弹性体受力纵向伸长 缩短 与横向收缩 膨胀 的比值 LL dd 3 对于大多数沉积岩石 0 25 VP 1 73VS 4 瑞雷面波 R 波 特点 1 波的能量分布在地表附近的介质中并随深度迅速衰减 2 质点振动方向分上 下 坐 右 合成的振幅轨迹是椭圆 逆时针方向 长 轴垂直地面 长短轴比值是 2 3 3 当 0 25 时 VR 0 92VS 0 54VP 速度低 频率低 10 30Hz 波形宽 4 有频散 波散 现象 不同频率的成分传播速度 相速度 不同 即群速度不等 于相速度 5 拉夫面波 L 波 特点 能量沿地震界面分布 振动方向与传播方向垂直 振 动平面平行界面 即为 SH 波 由于水平振动 检波器接收不到 6 地震波的特征 运动学特征 研究波在地层中传播的空间位置与传播时间的关系 动力学特征 研究波在地层中传播的能量 振幅 变化和波形特征 频谱 7 惠更斯原理 1690 也叫波前原理 说明波向前传播的规律 在弹性介质中 任意时刻波前面上的每一点 都可看作是一个新的波源 子波 而产生二次扰动 新波前的位置可认为是该时刻各子波波前的包络 惠更斯原理只给出了波传播 的空间位置 而不能给出波传播的物理状态 菲涅尔 1814 对惠更斯原理进行 了补充 波在传播时 任意点处的振动 相当于上一时刻波前面上全部新震源 产生的子波在该点处相互干涉的合成波 2 8 视速度定理 地震波的传播是沿射线方向进行的 而观测地震波是沿测线方向进行的 其方向和射线方向不一致 波前沿测线传播的速度不是真速度 而是视速度V V sin x s tx ts V V cossin VV V 式中 射线与地面法线的夹角 称入射角 波前与地面法线的夹角 称出射角 图 1 13 视速度定理 结论 1 当 90 时 即波沿测线方向传播 VV 2 当 0 时 即波垂直测线方向传播 波前同时到达地面各点 V 3 当地震波的入射角由 0 增大至 90 时 视速度由无限大变至真速度 因此 在正常情况下 VV 4 在均匀各向同性介质中 V 是常数 大小和正负主要反映射线入射到地 V 表的方向 3 9 研究地震波振幅和相位随频率的变化规律叫做频谱分析 前者为振幅谱 A f 后者为相位谱 f 10 频谱曲线极大值所对应的频率称为主频 地震信号的大部分能量都集中 0 f 在主频附近 若以的值为 1 可找出对应于 0 707 的两个频率值 fA fA 和 并且把叫做频带宽度 1 f 2 f 12 fff 11 介质对地震波能量的吸收作用 r e r A A 0 式中 吸收系数 表示单位距离振幅的衰减率 dB 介质的吸收系数与岩性有关 疏松岩石大 緻密岩石小 吸收系数与 频率成正比 频率越高 则吸收越大 因此 地震波在传播过程中 高频成分 损失较快 大地相当于一个低通滤波器 12 反射系数 12 12 1122 1122 rr rr VV VV A A K 入 反 透射系数 K rr r A A q 1 2 12 1 入 透 4 第二章 地震波时距曲线 1 反射波时距曲线的特点 1 反射波时距曲线是关于时间轴对称的双曲线 而直达波 面波 声波和折 射波的时距曲线均是直线 2 倾斜界面反射波时距曲线的极小点在虚震源的正上方 而且 反射波时距 曲线是以极小点为对称的 3 视速度与真速度的关系是 反射波前与测线的夹角 sin v v 4 深层反射波的视速度要大于浅层反射波的 即浅层反射波时距曲线较深层 反射波时距曲线弯曲的多 2 煤田地震勘探而言 把地层看成层状介质比较合理 煤田地震勘探中 观测 排列长度一般较短 即可视为在激发点附近进行观测 这样便使多层介质问题 得以简化 其基本思路是 可以把某个界面以上的多层介质用一层虚构的均匀 介质来代替 波在这种均匀介质中以某个速度传播 它到达接收点的反射波旅 行时间与实际情况非常接近 于是单个界面条件下的理论便可以推广到多个界 面条件下使用 3 地层的总厚度除以地震波在地层中垂直传播的总时间 并记作 有了平均v 速度 便可以把 n 层介质简化为一层均匀介质 其速度就是平均速度 4 在多层水平层状介质条件下 在激发点附近 炮检距 x 较小时 可用均方 根速度代替第 n 个界面以上多层介质的速度值 即把具有不同速度的 n 层介 R v 质视为具有均方根速度的均匀介质 5 多次反射波是一种干扰波 它与一次反射波互相干涉叠加 破坏了对有效波 的识别和追踪 更为严重的是如果把浅层的多次反射波误认为是深层的一次反 射波 就会模糊深层构造的真实形态 从而导致错误的地质推断 6 长程多次波是与相同深度界面的一次反射波相比其传播路径更长 在地震记 5 录上作为独立的波出现 短程多次波则是紧接在一次反射波之后到达 常与一 次反射波干涉或作为一次反射的延续波 它改变了一次反射波的波形 在地震 记录上很难识别 7 地震波传播到岩性突变点上 如断层的断棱 地层尖灭点 不整合面的突变 点处 它们就会成为新震源 再次发射球面波 向四周传播 这种现象叫做波 的绕射 由绕射形成的波称为绕射波 8 绕射波的主要特点 1 绕射波时距曲线是一支对称于过绕射点 R 时间轴的双曲线 2 绕射波时距曲线的极小点位置与激发点位置无关 始终位于绕射点 R 的 正上方 当激发点沿测线移动时 绕射波的极小点位置不变 3 绕射波的时间是绕射波从激发点到绕射点之间的双程旅行时间 R t0 4 在 O 点激发 水平界面的反射波时距曲线的极小点位于 O 点正上方 1 R 反射波的接收范围到断棱点 R 为止 RM 不但是反射波的最后一条射线 而且 是一条绕射波射线 故两条时距曲线在 M 点上相切 5 绕射波时距曲线的斜率比反射波时距曲线的斜率大 所以绕射波时距曲线 较反射波时距曲线要弯曲 这本质上是由于绕射波的绕射点 R 较反射波的虚震 源 O 要浅 6 9 对水平界面上的同一反射点进行多次重复观测 并将多张地震记录中含有该 反射点的地震道抽取出来 形成一个新的地震道集 通常叫共反射点 CDP 道集 对共反射点道集进行一系列的处理 最后得到水平叠加剖面 多次叠加 技术也适用于非水平界面 这时界面上的反射点不是一个而是多个 所得到的 地震道集是共中心点 CMP 道集 10 水平界面的共炮点时距曲线方程式与共反射点时距曲线方程式在形式上一 样 均代表一条对称的双曲线 但二者的物理意义完全不同 它们的区别是 共反射点时距曲线反映的是界面上一个点 共反射点 R 的情况 而共炮点时 距曲线反映的是一段界面的情况 共反射点时距曲线的时间表示炮检距中点 0 t 9 共中心点 M 的垂直反射时间 而共炮点时距曲线的时间表示激发点 O 的 0 t 垂直反射时间 共反射点时距曲线的正常时差是各叠加道的反射时间与共中t 心点 M 的垂直反射时间之差 而共炮点时距曲线的正常时差是各道的反射t 时间与激发点 O 的垂直反射时间之差 11 p 域内各种波的分布 直达波和面波均自震源出发 在时间轴上的截距为零 因此它们位于 0 的 p 轴上 由于直达波时距曲线是反射波时距曲线的渐进线 即在无限处二者 相切 因而反射波最大斜率的点就是直达波在 p 域的位置 面波的速度小于 直达波的速度 即它的 p 值大 因而它位于椭圆之外的 p 轴上 折射波在始点 与反射波相切 因而它必定在椭圆上 7 第三章 地震数据的采集 1 几种典型的干扰波 1 声波 坑炮激发 干井爆炸 漂药爆炸 能量向上 往往有强声波 这种在空气 中传播的波 也能引起检波器的振动 速度 340m s 频率高 100Hz 以上 波形是尖锐脉冲状 2 面波 主频低 10 30Hz 速度低 几百 m s 振幅强 3 频干扰 4 浅层折射波 5 微震 2 观测系统是指检波器排列和爆炸点相对位置的关系 要求是不仅在单张记录 上可靠追踪有效波 且要保证在所得资料上连续追踪地震界面 观测系统参数 是 12 2 0 是煤田地震勘探常用的观测系统 叠加次数 n n 炮点距道数 偏移距道数 xx 1 3 观测系统特点 1 仪器道数 N 一般为 48 或 96 道 2 排列长度为检波器安置在地表的长度 道间距 xNl 1 x 3 放炮形式分单边放炮和双边放炮两种 4 偏移距为震源到第一个接收点的距离 其长度为道间距的整数倍 1 x 5 最大炮检距为震源到最远接收点的距离 max x 4 正常时差 共反射点道集内各道反射波到达时间与时间的时差 0 t 5 从各道反射波到达时间中减去正常时差 则反射点时距曲线变成直线 xt 8 这个过程称为动校正 0 xt 6 时距曲线进行动校正 它不能变成直线 信号时间与时间总存在一个时 0 t 差 称为剩余时差 9 第四章 地震分辨率 1 分辨率是指将两个靠得非常近的异常区分开的能力 地震分辨率分为纵向分 辨率和横向分辨率 2 可检测性是指能够检测到来自地下某一薄层的复合反射波 并不考虑能否区 分薄层的顶 底界面 即不考虑能否将复合反射波分成单个子波 3 煤层纵向分辨率就是刚好分开煤层顶 底界面反射波的极限厚度或双程旅行 时间 4 一个反射波有三个基本参数 时间 波形和噪音 时间参数取决于主峰的 宽度 其宽度越小 反射波越趋于一尖脉冲 纵向分辨率越高 波形参数取 决于主峰中反射能量所占的百分比 其比值越大 反射波越趋于一尖脉冲 纵向分辨率越高 噪音参数与反射波的绝对振幅有关 在一定程度上限制了 纵向分辨率 5 在煤田地震勘探中 煤系地层主要是由砂岩 泥岩 灰岩等构成 岩石界面 的反射系数一般小于 0 2 而煤层顶底板的反射系数很大 一般在 0 5 左右 6 未经偏移的时间剖面上 通常用第一 Fresnel 带来描述横向分辨率 第一 Fresnel 带的大小与地震子波的频率 盖层速度 反射界面的深度有关 频率 越高 速度越低和界面深度越浅 第一 Fresnel 带越小 横向分辨率越高 10 第五章 地震波的传播速度 1 平均速度是地震波沿直线传播的速度 在层状介质情况下 只有炮检距为零 时地震波的射线才是直线 故平均速度是准确的 随着炮检距的增大 平均速 度就不适用 2 射线平均速度是地震波在层状介质中传播 沿不同的射线路径有不同的传播 速度 3 平均速度 射线平均速度和均方根速度的关系 1 利用射线平均速度的概念 能够反映地震波沿不同射线传播这一特点 因 此 可以利用射线平均速度作为衡量其它速度的精度标准 2 平均速度和均方根速度都把层状介质看成某种假想的均匀介质 因此 对 于某一介质结构 只有一个平均速度和一个均方根速度 但是 地震波在这种 介质结构中 沿不同射线传播其速度是不同的 这说明用同一速度对道集中各 道作动校正是不准确的 其误差随炮检距增大而增大 3 平均速度一定小于或等于均方根速度 11 第六章 地震资料处理 1 地震资料处理包括观测系统定义 预处理 能量关系恢复校正 叠前去噪 反褶积 静校正 速度分析 动校正 DMO 校正 叠加 偏移 叠后修饰等主 要步骤 2 观测系统定义也叫建立空间属性是地震资料处理的最基本步骤 特别是对于 三维地震勘探而言 地震资料的野外采集 一般都是按照勘探设计方案实施的 如观测系统的类型 测线的长度 位置和方位 接收排列的长度 炮点 检波 点的间距和坐标位置等 这些参数描述了地震记录的空间位置及记录之间的相 对关系 但是受野外条件的限制 采集过程中经常 变观 调整或改变观测系 统的参数 此外 还有一些参数是在地震资料采集时实测获得的 如炮点和检 波点的地表高程 井口时间等 3 预处理是在正式处理前对地震数据进行的预备性处理工作 是后续处理的基 础性工作 通常包括解编 编辑 观测系统质量控制 切除 滤波等 4 野外地震数据的记录格式和地震资料处理系统中使用的记录格式也完全不同 前者一般使用 SEG 2 SEG D 等格式 它们都是美国勘探地球物理家协会 SEG 推 荐的野外记录标准格式 在工业界中得到普遍应用 SEG Y 格式是美国勘探地 球物理家协会推荐使用的不同处理或解释系统间数据交换的标准通用格式 已 在全球范围内普遍应用 5 道编辑包括不正常炮 不正常道及尖脉冲干扰等非期望波动能量的剔除 6 完成观测系统的定义后 还需要对定义的观测系统进行严格的检查 即所谓 的质量控制 观测系统的质量控制分为三个基本环节 即简单初叠加 观测系 统数据核查和线性动校正 12 7 在地震记录的头部往往会有各种初至干扰波 如直达波 折射波 折射多次 波等 它们的能量很强 对于浅层反射信号非常不利 这类干扰波一般采用切 除的方法予以消除 切除处理是一种 充零 处理 即将地震道上某时刻以前 的所有数据用零值代替 8 抽道集是把地震记录按某种原则进行排列 以便于进行某些处理 为了便于 计算速度谱和叠加 需要把共中心点的各道记录按炮检距从小到大的顺序排列 即抽取共中心点道集 为了做剩余静校正 需要把共炮点或共接收点的各道记 录按炮检距从小到大的顺序排列 即抽取共炮点道集和共接收点道集 为了检 查地震记录质量 需要把相同炮检距的记录道按中心点位置顺序排列 即抽取 共炮检距道集 9 滤波是信号分析 图像处理 通信 地震数据处理等领域广泛应用的信号处 理的通用技术 在信号处理中 滤波是一种从数据中清除无用成分 保留有用 成分的处理过程或运算过程 需要清除的成分是噪声 而需要保留的成分是信 号 10 地震波能量恢复与校正的目的是消除外界因素对地震波振幅的影响 使处 理后的地震波振幅能反映反射系数的大小 11 地震波振幅补偿是指不考虑透射损失 散射作用 激发与接收条件变化 只补偿波前扩散和介质吸收作用 12 动平衡是显示地震剖面时广泛采用的能量控制技术 它使得能量差异很大 的地震信号能在剖面上显示出来 动平衡也称道内均衡 其基本做法是计算地 震道在一个时窗内的平均能量 以它的倒数作为权系数 动平衡系数 对该时 窗中心点振幅加权 动平衡处理后 能量弱的深层反射 由于其权系数大 加 权后能量变强 能量强的浅层反射 由于其权系数小 加权后能量变弱 于是 整个地震道的振幅得到均衡 13 13 道间均衡是指对于单炮记录 由于各道的偏移距不同 造成反射信号能量 的不均衡 道间均衡是使各道之间的同组有效波能量均衡的一种方法 14 最小延迟信号地震子波的能量集中在前面 最大延迟信号地震子波的能量 集中在后面 混合延迟信号地震子波的能量集中在中部 15 地表一致性 地面上同一点对上行波和下行波的影响相同 即不考虑不同传播方向的波 的不同滤波作用 同一炮点位置对于共炮点道集 具有相同的炮点影响 同一 接收点位置对于共接收点道集 具有相同的接收影响 换句话说 同一炮的所 有道具有同一振幅因子 同一检波点的所属各道也具有相同的振幅因子 16 区域剩余静校正 剩余静校正量呈区域性变化 变化在一个排列以上 也称长波长剩余静校 正或低频剩余静校正 这是形象的比喻说法 本质上静校正和波长 频率无关 区域剩余静校正会引起叠加速度的变化 但不会引起一个共反射点时距曲线中 各道的相对时移 即它仍然是双曲线 17 局部剩余静校正 局部剩余静校正量变化范围小 变化在一个排列以内 也称短波长剩余静 校正或高频剩余静校正 局部剩余静校正不会引起叠加速度的变化 时距曲线 不是双曲线 18 波的能量与叠加速度的关系叫做速度谱 0 t a v 19 速度扫描是一项速度精细分析技术 在地下构造比较复杂或是资料信噪比 较低的情况下 通过速度谱技术难以求准叠加速度 可以利用速度扫描方法来 提高速度分析的精度 14 20 DMO Dip Moveout 也称倾角时差校正 是一种叠前部分偏移方法 21 反射波旅行时由三部分组成 1 共中心点处的自激自收时间 2 只与炮检距有关的部分 也即与正常时差有关 3 与界面倾角有关的部分 与倾角时差有关 22 叠加的主要作用是利用 NMO 动校正 后一次反射波信号的统计相似 性来压制噪声能量 提高信噪比 15 第七章 波动方程偏移 1 在水平叠加时间剖面上 反射点位置是沿地层下倾方向偏离了其真实位置 这种现象称为偏移 2 波动方程偏移方法 1 以克希荷夫方程为基础的积分法 2 以频率波数域的解为基础的方法 3 在时间域的有限差分法 3 利用水平叠加时间剖面作为原始资料进行偏移处理 称为叠加偏移或叠后 偏移 从原始的野外资料开始进行偏移处理 称为偏移叠加或叠前偏移 4 按处理过程中是否考虑 了速度在横向上的变化 或波的折射效应分为时间 偏移和深度偏移 5 进行叠后偏移时 基于两点基本假设 1 输入数据是自激自收的零炮检距剖面 即地震数据放在共中心点的正下 方 2 反射界面上覆地层为常速介质 射线为直射线 6 偏移的目标是得到反射层的正确空间位置 但是通常不能准确得到时深转 换所需要的速度值 所以偏移结果一般是时间剖面 7 叠前偏移方法基本上分为三大类 叠前部分偏移 DMO 叠前时间偏移 和叠前深度偏移 16 第八章 反射资料的构造解释 1 地震资料解释包括 1 构造解释 主要运用地震波的运动学特征来解决岩层空间分布问题 野外原始资料 初步整理 数字处理 时间剖面 水平剖面和偏移剖 面 对比解释 找出界面反射波 成果图 2 岩性解释 主要运用地震波的动力学特征来解决岩石性质问题 野外原始资料 初步整理 数字处理 提取岩性参数 密度 速度 吸收系数 反射系数等 岩性剖面 三瞬剖面 波阻抗剖面 速度剖面等 成果图 2 煤田地震资料解释的发展方向 1 解决小构造问题 如 3m 落差的断层 2 岩性解释 特别是煤层底板的岩性 3 解释工作的完全自动化 3 地震时间剖面也称水平叠加剖面 时间剖面 是构造解释的基础资料 由 0 t 于进行了动校正 它记录的是界面的法线反射时间 时间 因此 时间剖面 0 t 相当于自激自收剖面 4 地震时间剖面不同于沿测线铅垂向下的地质深度剖面 它们之间存在以下 重要差别 1 时间剖面的纵坐标是双程旅行时 而地质剖面的纵坐标是铅垂深度 二 者需经过时深转换才能等价 2 地质剖面中的界面与时间剖面中的反射波同相轴 在数量上 出现位置 上并不一一对应 3 反射波包含了地层的构造和岩性信息 它不是与地层界面简单对应的 而是与界面两侧的地层岩性有关 4 反射波是由多个地层界面上的子波叠加而成的复合波 各个子波的振幅 17 极性和出现时间不同 5 在构造复杂地区 时间剖面上会出现异常波 如断面波 绕射波 回转 波等 6 地下各界面倾角 走向各不相同时 各界面的法线不在一个射线平面内 所以不能直接把时间剖面用于解释 7 时间剖面把界面的法线反射时间记录在正下方 产生偏移问题 5 在时间剖面上波峰或波谷称为相位 二者构成的光滑曲线叫同相轴 6 振幅增强 波形相似 时间相近是认识时间剖面上反射波的基本标志 7 时间剖面上识别断层的标志 1 标准波组或波系的突然消失或出现 反射层次的突然减少或增加 这是 区域性断层的特征 2 标准波组或波系的错断 这是中型断层的特征 3 反射产状突变 4 记录面貌变坏 剖面上出现空白带 5 记录上同相轴扭曲 分叉 合并 强相位转移 这是小断层的特征 6 出现明显的特殊波 如绕射波 断面波等 8 在地震勘探工作中 测线尽量沿倾向方向布置 否则 视倾角和视深度分 别小于真倾角和真深度 地震剖面与地质剖面不重合 18 第九章 三维地震勘探 1 一维 地震道 二维 地震剖面 三维 地震数据体 2 三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间 通过面积 测量技术获得与地质体相适应的三维数据体 面积测量技术是把观测系统布 置在一定的面积内 利用炮点和检波点的灵活组合 获得地下均匀分布的数据 点网格 三维地震勘探中 CDP 道集内的各叠加道分布在理论共反射点的周围 称 为 共反射面元 3 三维地震观测系统设计原则 1 在 共反射面元 道集内 地震道的炮检距应当是从小到大均匀分布 能 够保证同时勘探浅 中 深各个目的层 2 在 共反射面元 道集内 各炮检距连线的方位方向应当是均匀分布在 共中心点的 360 的方位上 3 在全区范围内 地下反射点的覆盖次数尽量相同 这是保证记录振幅和 频率成分均匀的前提 4 考虑测区内的地面条件 5 垂直剖面分为三种 垂直于构造走向的剖面称为主测线剖面 通常表示为 Inline 方向 图中 EFGH 剖面 与主测线剖面相垂直的为联络测线剖面 通常 表示为 Crossline 方向 图中 MNOP 剖面 实现地震资料与地质资料直接对 比而连结部分钻孔的测线称为联井测线 对应的剖面为联井剖面 图 三维数据体 19 水平切片是三维地震资料特有的成果 通常表示为 Time Slice 每一张切 片是地下不同层位的信息在同一时间内的反映 它相当于某一等时面的地质图 即 同一张切片里显示了不同层位的信息 而同一层位的信息又连续清晰地反映 到多张切片上 20 第十章 岩性地震勘探技术 1 岩性地震勘探的主要手段 1 高分辨率地震勘探 2 地震正反演技术 3 多波勘探 4 VSP 技术 5 特殊处理 包括三瞬剖面 碳氢检测等 2 我国煤田岩性地震勘探尚在起步阶段 主要的研究方向是 1 高分辨率地震勘探技术 2 多波地震勘探技术 3 煤层岩性变化规律 4 煤层厚度变化趋势 5 煤层底板岩溶和裂隙发育带分布 3 地震模拟技术是指用物理模型和数学模型代替地下真实介质 用物理实验 和数学计算模拟地震记录的形成过程 以得到理论地震记录的各种方法 技 术 4 合成地震记录的定义 根据钻孔的速度和密度测井资料把地层分成许多具 有某一反射系数的反射层 再选择一定形状的地震子波 计算地震子波在这 些界面上的反射 并把它们相加合成一道地震记录 5 制作合成地震记录的假设条件是 1 地下介质是水平层状的 无岩性横向变化 各层间密度变化不大 均可 视为常数 2 地震子波以平面波形式垂直向下入射到界面 各层反射波的波形与子波 波形相同 只是振幅和极性不同 3 所有波的转换 吸收 绕射等能量损失均不考虑 21 6 AVO Amplitude Versus Offset 技术是利用反射系数随入射角变化的原 理 在叠前道集上分析振幅随炮检距变化的规律 以估求岩石的弹性参数 鉴别岩性 直接找矿 本质上也是一种地震反演方法 7 垂直地震剖面 Vertical Seismic Profiling 简称 VSP 这种方法是在地 表设置震源 在井内安置检波器接收地震波 即在垂直方向观测波场 对所 得资料经过各种处理 得到垂直地震剖面 8 三瞬剖面是指瞬时振幅 瞬时相位 瞬时频率剖面 22 第十一章 折射波法地震勘探 1 折射波法地震勘探是观测