面向目标的起伏地表组合震源延时参数计算方法

面向目标的起伏地表组合震源延时参数计算方法

0组合震源地震波场定向传播方向确定如果将传统单一源的剂量增加到一定程度，激发的地震波能量就不会相应增加。早在20世纪70年代,然而,震源组合在提高聚焦方向上地震波场传播能量的同时,削弱了非聚焦方向上地震波场的传播能量.如果聚焦方向选择不当,不仅不能提高地震资料信噪比反而会降低采集质量.因此,组合震源地震波场定向传播方向的正确选择就显得尤为重要.但是,目前对组合震源定向方面的研究大多集中在计算给定聚焦方向的组合震源延迟激发时间上,并没有讨论对于特定的地下构造,如何准确计算最佳的组合震源地震波场定向传播方向.近年来,地震波场方向性分解越来越受到地球物理工作者们的重视,地震波场方向性分解在地震定向照明和逆时偏移低频噪声压制中得到了广泛的应用此外,组合震源理论基本都是基于水平地表条件,国内外对起伏地表条件下组合震源理论的研究相对较少.本文从惠更斯-菲涅尔原理出发,提出一种在已知聚焦方向的情况下求取起伏地表组合震源延迟激发时间的方法.即根据炮点坐标建立起炮点向量,计算炮点向量在聚焦方向上的投影,通过投影的长度即可确定组合震源的延迟激发时间.水平地表和倾斜地表作为起伏地表的特殊形式,同样能够利用此方法求取组合震源沿指定方向定向传播地震波场的延迟激发时间.1方法原理1.1地表方向统计坡印廷矢量等于电场强度与磁场强度的叉积,矢量大小代表单位时间内垂直穿过单位面积的电磁场能量,矢量方向代表电磁波的传播方向.地震波场与地磁场类似也存在能流密度矢量,声波方程的能流密度矢量(坡印廷矢量)可表示为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)分别代表(x,y,z)位置处t时刻的坡印廷矢量,质点震动速度矢量和压力场.通过坡印廷矢量公式可以计算出任意位置任意时刻地震波场的传播方向和沿该方向传播的地震波能量大小.根据爆炸反射面原理,在目的层界面上均匀布置炮点激发地震波,能够形成与地层界面平行的平面波,该平面波传播方向与地层界面垂直.当该平面波传播至地表时,通过坡印廷矢量公式计算并记录地震波的传播方向.根据互易性原理,如果将地表统计方向的反方向作为震源组合的聚焦方向来激发组合震源,则组合震源的主波束传播至目的层时为垂直入射(或近似垂直入射).这样一来可以最大限度的提高目的层的照明能量,同时提高野外采集地震资料的信噪比.如图1所示,在目的层界面上均匀布置炮点进行波场上传,当地震波经过上覆地层透射传播至地表时,将其坡印廷矢量记为P(x).为了更加直观的显示地表方向统计结果,将P(x)与x方向的夹角α(x)作为地表方向统计结果的另一种形式进行记录.计算公式如下公式中Px(x)代表坡印廷矢量在x方向上的分量.1.2组合震源定向地震波场的计算起伏地表条件下,组合震源的各个子震源位置高低起伏,并不能保证震源布置在同一条直线上.此时组合震源的延迟时间参数是非线性的,传统的归一化方向因子公式也就不再适用了.为此,本文从惠更斯-菲涅尔原理出发提出了一种解决方案.惠更斯-菲涅尔原理指出“行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源,而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面,就是原波面在一定时间内所传播到的新波面”.惠更斯-菲涅尔原理提供了组合震源定向地震波场的计算思路,即若原始波前为定向的地震波场,其新波前仍为同方向的定向地震波场(将水平方向依次排列的炮点集合设为{s通过计算各炮点向量在组合震源聚焦方向上的投影确定各震源间的延迟激发时间.在构造较复杂的地区,组合震源各个子震源位置的地表方向统计结果可能存在一定差异,通过初至波的平均出射方向作为组合震源的聚焦方向,从而提高聚焦方向的可靠性:炮点向量可根据各炮点所在坐标位置来确定:根据余弦定理可以计算出炮点向量与组合震源聚焦方向夹角的余弦值:炮点向量在组合震源聚焦方向上的投影可表示为将公式(5)代入公式(6)中,可得进而计算出各炮点相对于第一个炮点的延迟激发时间:然而,计算出的延迟激发时间为相对于第一个炮点(即s2数值模拟2.1地表出射角特征为了验证本文提出的面向目标的起伏地表组合震源延迟激发时间确定方法的正确性,设计了如图3所示的起伏地表模型进行测试.模型宽度为800m,最大深度为800m,起伏地表最大高低落差达102m,三套地层层速度由浅至深分别为2500m·s在目的层顶界面上均匀布置炮点进行面炮激发,当激发产生的平面波经过上覆地层透射到达地表时,通过坡印廷矢量进行地表方向统计.由于目的层界面左右两侧基本对称并且呈轻微“凹”状,在不考虑上覆地层界面透射对传播角度影响的情况下,地表出射角统计结果应该成中心对称;目的层左侧倾斜界面产生的平面波在地表的出射角应该为锐角,右侧倾斜界面产生的平面波在地表的出射角应该为钝角;目的层左右两端及目的层中部近似为水平界面,产生的平面波在地表的出射角应该在90°附近.通过公式(2)将传播方向转化为出射角进行显示,如图4,与预测结果基本相符.因此,利用坡印廷矢量进行地表方向统计的方法是完全可行的.根据地表方向统计结果和炮点向量,可以计算出任意起伏地表组合震源的延迟激发时间.我们分别选择了“凸”型,“凹”型和倾斜地表布置了三个包含七个子震源的组合震源,各子震源在水平方向等间隔排列,水平方向组内距为10m.三个组合震源的水平中心位置分别在320m,410m和600m处(几何放大图中五角星代表各个子震源点),单个组合震源内最大高低落差达62m,最大延迟激发时间为19.74ms.根据地表方向统计结果和炮点向量计算出三个组合震源的延迟激发时间如表1所示.根据计算得到的各子震源的延迟时间参数设计组合震源,可以得到如图5所示的三个组合震源在225ms时的波场快照.无论是地表凸起(图5a),凹陷(图5b)或者倾斜(图5c),根据地表方向统计和炮点向量设计出的组合震源都形成了垂直于目的层传播的定向地震波场.波场快照只能反映某一个时刻的地震波场传播情况.为了获得震源能量的传播“轨迹”,我们进行了不同激发方式的多炮照明模拟(图6),组合震源均包含七个子震源,除激发时间不同外其余参数相同,单震源与组合震源总药量相等,激发振幅按照经验公式E=(Q/s)2.2地震照明模拟测试本节中采用国际上广泛应用的SEG起伏地表模型(如图7)进行测试,其模型原型来自加拿大英属哥伦比亚东北部的逆掩断层构造,由Amoco和BP公司设计.该模型近地表条件复杂,速度横向变化剧烈,地表高低起伏大,逆掩断层与地层褶皱发育.速度模型剖面全长25km,模型深度10km,地层速度3600～6000m·s地震照明模拟参数:x方向网格步长15m,z方向网格步长10m,采样间隔4ms,单个震源传播时间8s,炮间距750m,共计33炮.我们将该模型最底层的倾斜界面视为此次研究的目的层界面,在该界面上利用爆炸反射面原理进行波场上传,得到地表方向统计结果如图8.此次模型测试采用了四种不同的震源激发方式进行地震照明模拟,模型(图7)中五角星为震源横向中心位置.图9(a—d)依次为单震源照明、同时激发组合震源照明、聚焦方向竖直向下的组合震源照明、采用本文方法设计的组合震源照明.组合激发与普通单震源激发总药量保持不变,根据经验公式计算各震源类型的激发振幅(经验公式为E=(Q/s)从照明结果中可以看出,组合震源激发效果明显优于普通震源激发效果,定向激发效果优于同时激发效果,面向目标的定向激发效果略优于垂向激发效果.图10是四种激发条件下目的层的照明能量曲线,该曲线更加清晰地反应了各种震源激发类型对目的层照明能量的贡献情况.虽然采用本文方法设计的组合震源激发照明效果与垂向激发照明效果大致相当,但对目的层的照明主要为更有效的垂直入射,相比于另外两种激发方式效果提升明显.值得注意的是,在模型试验过程中,组合震源激发具有一定的能量聚焦能力,而导致目的层照明曲线的均匀性变差.我们可以通过减小组合震源组内距、高密度采集或者进行局部炮点加密的方法解决这一问题.3组合震源延迟激发时间的优化组合震源定向激发技术对提高地震资料信噪比和地震照明度有着至关重要的作用.本文方法不仅能够确定任意起伏地表情况下沿给定地质模型的目的层界面垂直入射的组合震源聚焦方向,也能够计算形成沿该聚焦方向定向传播地震波场的组合震源延迟激发时间.通过上述理论分析和模型试验可以得出如下结论和认识:(1)无论是地表凸起、凹陷或是倾斜,按照本文方法设计的组合震源均能形成沿目的层垂直入射的定向地震波场.水平地表作为起伏地表的特殊形式,同样能够利用本文方法计算基于特定模型目的层的最优组合震源延迟激发时间;(2)组合震源照明能量大于普通单震源照明能量,定向激发组合震源照明能量大于同时(非定向)激发组合震源照明能量,聚焦方向竖直向下的组合震源主波束入射到目的层界面时通常不是垂直或近垂直入射,并且往往地层倾角越大,入射角越大,检波器接收到的可能性就越小;(3)本文方法只改变组合震源的延迟激发时间,不改变井深等参数,因此,本文方法不会增加组合震源的采集成本;(4)速度模型精度对基于模型的方法都具有决定性的影响,定量的评价速度误差对方法的影响程度非常困难.速度模型误差主要来自两个方面,一是层速度误差,由于层速度误差对地震波的传播路径影响较小,对本文方法的影响也就比较小.二是地层倾角误差,如果不考虑上覆地层对地震波传播方向的影响,则可基本认为地层倾角误差小于目的层有效入射角时本文方法有效;(5)如果按照地表方向统计结果进行基于组合震源的常规观测系统采集(等炮间距采集),目的层的“凹型”区域可能会存在照明不足