震源位置对波场能量传播以及数据采集的影响研究

叶云飞，韩复兴， 张益明， 孙建国

(1. 中海油研究总院，北京　100027；2. 吉林大学，长春　130000)



震源位置对波场能量传播以及数据采集的影响研究

叶云飞1 ，2，韩复兴2， 张益明1， 孙建国2

(1. 中海油研究总院，北京100027；2. 吉林大学，长春130000)

摘要：针对琼东南盆地深水大陡坡区域中深层地震能量弱、成像品质较差的问题，这里通过混合网格建模技术建立了盆地内宝岛凹陷典型地震剖面速度模型。在此模型基础上，应用射线追踪方法模拟了震源处于不同位置时地震波场能量的传播方向及规律，得出地形复杂的大陡坡区域震源和检波点相对位置关系是影响地震能量传播、信号接收的重要因素之一。该研究对今后该类大陡坡、崎岖海底区域地震资料采集方案的设计和提高中深层地震资料能量及成像品质，具有非常重要的指导意义。

关键词：大陡坡； 混合网格； 射线追踪； 采集方案

0引言

南海北部琼东南盆地深水区油气资源丰富，是我国油气勘探的重点区域[1]。前人研究证实，琼东南盆地从西侧乐东、陵水凹陷经松南凹陷到宝岛凹陷内，沉积地层厚度差异较大，西侧乐东凹陷最大沉积厚度超过5 000 m，而东侧部分无大量物源注入，区域沉积厚度不足1 000 m，且水深较大。大量钻井结果表明，宝岛凹陷内晚中新世至今的沉积主要表现为以泥岩为主、快速沉积、地层束缚水含量高的特点，地球物理属性上表现低速度、低密度和异常高压的特征，高频能量被吸收而快速衰减[2]。另外，在盆地北部浅水区向南部深水区过渡的坡折区域，存在大范围的水深突然加大、海底倾角突然变陡、海底强烈起伏的现象，这对地震波场能量影响很大，严重影响了地震资料成像品质[3]。在二维地震资料上主要表现为凹陷结构不清、基底面无法成像、反射杂乱、中深层信噪比低、多次波严重、侧面波发育等现象。以往前人对该现象在采集参数和处理流程上都做了大量的改进，如扩大气枪容量(或气枪组合)、调整电缆沉放深度、增加电缆长度、改变采集方向、改变采集船速、改进中深层能量补偿和提高信噪比技术等，这使得深水大陡坡区域地震资料品质确实有了一定的改善，但与浅水区或海底地形平缓地区资料相比仍有较大差距[4-8]。图1为宝岛凹陷典型地震剖面，从海底特征上看，主要表现为水深突然加大，坡度变化剧烈，海底面倾角最大可达10°～13°，且海底受潮流、海流的侵蚀作用，产生了许多垂直于坡折线的纵向水道，对地震波场能量传播影响很大。受此影响，中深层能量明显变弱，多次波和侧面波明显，局部范围内基底成像不清晰，甚至影响了对凹陷结构的准确认识。不合理的震源位置及其与检波器的相对位置关系可能是无法采集到大陡坡下中深层有效地震信息的主要原因之一。因此，这里应用该区内实际采集参数和实际地层速度数据建立模型，再通过射线追踪模拟地震波场传播路径，剖析在此条件下震源与检波器相对位置关系，对大陡坡下中深层地震波场能量变化的影响。

图1　宝岛凹陷典型地震剖面Fig．1　Typical seismic in Baodao sag

1混合网格法建立模型

建立海洋特殊地质模型的关键，是对崎岖海底及海底一些复杂界面及复杂地质构造形状的准确刻画，其涉及的核心问题是采用怎样的网格剖分技术，剖分崎岖海底及海底一些复杂界面及复杂地质构造的形状。从数值计算的角度考虑，该网格剖分技术应该尽可能降低计算的复杂程度和减少计算量，同时还能很好地保证数值算法的稳定性和计算精度。因此，网格剖分技术是保证数值算法计算效率、计算精度及稳定性的基础。

图2　混合网格建立法剖分地质模型Fig．2　Establish a geological model with mix grid

为了更好地刻画崎岖海底及海底一些复杂界面的形态，并同时保证算法的大部分计算工作在规则均匀的正方形网格中进行，采用混合网格法建立海洋特殊地质模型(图2)。具体实现步骤为：

1)获取海水及海底以下介质中地震波传播的速度参数分布、海底水深、复杂界面位置等信息，并确定相关计算参数(包括计算区域尺度大小、正方形网格的网格间距)等信息。

2)综合利用海平面位置、崎岖海底水深、复杂界面位置、计算区域尺度大小等信息，构建模型的整体框架。

3)根据计算要求选取的网格间距大小，采用均匀的正方形网格剖分整个框架，并采用三角网格剖分崎岖海底及复杂界面附近区域。

4)根据各网格节点的位置和其邻近网格单元地震波速度参数的分布情况，采用面积加权平均法计算各网格节点的地震波速度参数，并按照一定存储格式输出模型参数以备数值计算使用。

据此，细化了陡坡和深水数据，并进行了网格化，生成的模型如图3所示。该模型为凹陷坡折区深水渐变密度模型，水深从300 m至3 000 m急剧变化，坡折度为13°，勘探目的层深度约为3 s～5 s，速度、密度参数均按实际地层参数设置。

图3　网格剖分后地质模型Fig．3　The geological model after grid subdivision

2地震走时和射线路径计算

针对海洋特殊地质条件的特点，并为了很好地适应上述混合网格模型和复杂介质，通过综合利用快速推进法和线性插值法各自的优势，采用基于迎风差分思想的线性插值法来进行射线追踪[9]。

如图4(a)所示，为了完成混合网格中的走时计算，作者基于Asakawa[10]的线性插值法的思想，分别推导了正方形网格和三角网格中的走时计算公式[11],如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

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此外，如图4(b)所示，为了保证算法的稳定性(满足Fermat原理)，式(1)、式(2)在实现时采用的策略分别为，在对应的正方形和三角形网格中，在包围被算点的8和6条线段上分别采用式(1)和式(2)进行计算，然后选取其中的最小走时作为最终的计算结果。

图4　基于迎风差分思想的线性插值公式Fig．4　The linear interpolation formula based on upwind thought(a)原线性插值公式的建立；(b)原线性插值公式的局部实现策略；(c)改进后线性插值公式的建立及实现策略

如图4(c)所示正方形网格中新计算TC的公式，如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

同理，如图4(c)所示三角网格的形态来获取计算TC的公式，当三角形CBminAmin为直角三角形时，如式(4)所示。

当三角形CBminAmin不为直角三角形时，如式(5)所示。

综上所述，式(3)为新的正方形网格中的走时计算公式，式(4)和式(5)计算结果较小者为三角网格中被计算TC的值。在此需要特别指出的是建立式(3)、式(4)、式(5)借鉴了迎风差分格式建立时的基本思想，即根据地震波的传播规律，地震波总是从走时值更小的方向传来，因此在计算被算点的走时值时，应该选择其附近走时值最小的网格节点来作为已知条件，这样在走时计算过程中Fermat原理就得到了自然的满足，进而保证了算法的稳定性。

建立了混合网格中的走时计算公式后，基于Asakawa[10]的线性插值法的思想，在走时计算公式推导过程中产生计算射线路径的公式。实际上，射线路径的计算公式即为图4中各种情况下E点的位置坐标公式。与式(3)相对应，E点的位置坐标公式为式(6)：

(6)

与式(4)相对应，E点的位置坐标公式为式(7)：

(7)

与式(5)相对应，E点的位置坐标公式为式(8)：

(8)

综上所述，式(6)～式(8)即为各种网格情况下射线路径的计算公式。其具体实现策略：①确定射线路径的终点，即从震源出发射线路径最终要到达的位置；②根据式(6)～式(8)，以及当前被算法点周围的走时分布情况，来计算当前被算点的上一级子震源点；③再把新算出来的上一级子震源点作为新的被算点，继续追踪其上一级子震源点；④如上不断追踪下去直到追踪到震源点位置。

如图5所示，上述射线路径计算策略的具体实现步骤为：

1)确定接收点G的位置，其即为射线的终点。

2)把射线最终端点G作为当前计算点，根据该点周围的走时分布情况与各网格节点与G点的具体的位置关系，根据式(6)～(8)计算G点对应的E1点(G点的上一级子震源点)的位置。

3)对E1点作判断，若其为真正的震源点则计算结束，否则跳回步骤2)，并把E1点作为当前计算节点继续重复计算，直到E1点等于S点为止。

图5　射线路径计算的整体实现策略Fig．5　Overall implementation strategy to calculate the ray path

根据上面走时计算以及射线路径的计算描述，在所建立的模型上计算走时和射线路径如图6所示。

图6　地震波走时和射线路径计算Fig．6　The calculation of travel time and ray path

3震源位置变化对能量传播的影响

在前面模型建立和地震走时计算的基础上，模拟了震源处于不同位置处地震波场能量传播的路径，并以此来剖析大陡坡和崎岖海底的存在对地震波场能量传播的影响。根据实际的采集电缆长度，我们建立了大小为1 848 m×871 m、间距为5 m×5 m的网格，并依次变换炮点位置，通过射线追踪分析其能量传播路径。

从图7可以看到，由于海底大陡坡和崎岖海底地形存在的影响，有部分能量能够穿透到地层下部中深层，但是同样也有一部分能量无法穿透地层，甚至在此采集模式下无法被接收到。例如，图7(a)中，炮点在初始点位置的时候，有很大一部分能量是沿海水层传播至远处，并未能穿透至地层，甚至仅仅是作为直达波被接收到；随着震源位置的变化，穿透至地层中的波场能量不断增加，仍需要很长的电缆方能接收到反射信号；当震源位于x=5 000 m位置处放炮时，大部分能量穿透至地层中，但反射能量方向不同，这时若仍采用电缆单边接收的方式进行地震资料采集，就会损失掉很大一部分能量。当震源位于x=7 000 m位置处时，在坡度较缓地带能量基本穿透地层，但在陡倾角位置依然有能量损失。这种情况说明，在采集过程中，无论是采用上倾方向还是下倾方向采集都会损失部分能量，而致使在接收到的信号中，中深层能量偏弱。因此，在应对这种陡倾角、崎岖海底地形情况的时候，采集过程中可以根据倾角大小、海底地形起伏特征在适当的位置增加放炮次数，同时尽可能地增加电缆长度，来增强中深层能量，从根本上为中深层地震资料成像提供高能量信号。

图7　炮点位置变化时地震波场能量传播路径Fig．7　The variety of seismic wave field energy propagation path with the change of shot location(a)炮点位置X=5 m;(b)炮点位置X=625 m;(c)炮点位置X=1625 m;(d)炮点位置X=5 000 m;(e)炮点位置X=6 000 m;(f)炮点位置X=7 000 m

4结论和认识

通过混合网格法地层模拟技术，模拟了宝岛凹陷大陡坡、崎岖海底情况下地层模型 ，应用射线追踪技术，分析了震源处于不同位置处地震波场能量传播路径。通过分析可以看到，当存在大陡坡和崎岖海底地形的时候，始终有一部分能量无法穿透地层，致使中深层地震能量偏弱，影响了后续地震资料处理和中深层成像。因此，在该类大陡坡、崎岖海底地形地震资料采集的过程中，除了关注气枪能量、电缆沉放深度、采集方向、电缆长度等信息外，更应通过实际模拟，适当调整炮点和检波点相对位置，在适当位置处增加放炮次数，以从根本上增强大陡坡下中深层地震资料信号，为后续地震资料处理打好基础。

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收稿日期：2015-07-01改回日期：2015-07-22

基金项目:“十二”五国家重大专项课题(20112x05025001)

作者简介：叶云飞(1982-)，男，硕士，主要从事储层与油气检测工作，E-mail:yeyfz@cnooc.com.cn。

文章编号：1001-1749(2016)03-0382-06

中图分类号：P 631.4

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.14

The impact of the source positions on the wavefield energy spread and seismic data acquisition

YE Yun-fei1,2, HAN Fu-xing2, ZHANG Yi-ming1, SUN Jian-guo2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing100027,China;2. JiLin University, Changchun130000,China)

Abstract:This paper is aiming to solve the problems of weak seismic energy and poor imaging quality in the deep water area with big steep slope of Qiong Dong Nan basin. Firstly, the typical velocity model of BaoDao sag is established with the mixing grid modeling technology. Then, the wavefield propagation directions is simulated with ray tracing in different source positions. The research shows that, in complex terrain of steep slope area, the relative position relation of source and hydrophone is one of the important factors, which has the influence on the energy propagating and signal receiving. This research will play important guiding significance for future seismic acquisition scheme design in big steep or rugged sea areas, and also for improving the energy of deep seismic data and imaging quality.

Key words:big steep; hybrid grid; ray tracing; acquisition scheme