地震资料构造解释综合实验设计与探索

张佳佳，张广智，张繁昌，宗兆云，梁 锴

（中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

“新工科”建设行动路线提出，更新改造传统学科专业，服务地矿、钢铁、石化、机械、轻工和纺织等产业转型升级[1-3]。目前我国资源亟需科学规划开采，需要高校培养具有多元知识结构和创新能力的工程技术人才[4-7]。勘查技术与工程专业是石油类高校以及地质类高校的传统优势工科专业，为国家培养了大量的油气矿藏地球物理勘探技术人才[8]。中国石油大学（华东）勘查技术与工程专业是国家级特色专业和山东省品牌专业，也是教育部专业综合改革试点专业和“卓越工程师教育培养计划”首批试点专业[9-10]。在“新工科”建设背景下，如何“问技术发展改内容，更新工程人才知识体系”是我校勘查技术与工程专业亟需解决的问题。

“地震勘探原理”是勘查技术与工程专业的核心专业课程，本文面对“新工科”建设的新要求，更新传统的教学实践环节，将地球物理勘探行业对人才培养的最新要求引入教学过程中，设计了“地震资料构造解释综合实验”，提高课程兴趣度和学业挑战度，同时在实验拓展环节引入地球物理学科前沿技术，培养学生的工程思维和数字化思维，致力打通“最后一公里”。

1 综合实验设计

1.1 实验目的

“地震勘探原理”课程理论比较抽象，知识点较为零散，数学公式推导内容较多，很多授课教师都容易把教学重心放在理论教学上，对实践环节不太重视，教学方法也都是以讲授法为主。学生往往把主要精力放在理论知识的学习上，容易陷入单纯数学或者物理知识学习中难以自拔，这样就无法将课本理论知识和工程实际应用结合起来，导致理论学习和工程实践相脱节。因此，综合实验设计的目的就是让学生理论联系实际，培养工程实践技能，锻炼学生运用课本理论知识解决实际工程问题的能力。

设计综合实验以地震资料构造解释为主，即利用地震资料确定地质构造的形态和空间位置，推测地下地层的岩性、厚度及层间接触关系[11-12]。地震资料构造解释综合实验是油气矿藏勘探领域典型的工程实践问题，需要用到“地震勘探原理”课程中的很多理论知识，能够考查学生对基本知识点的理解程度以及运用理论知识解决实际工程问题的能力。

1.2 实验原理

对地震资料构造解释简单的理解就是需要把地震时间剖面变为地质深度剖面，如图1所示。学生根据地震波运动学原理，利用地震资料提供的地震反射波旅行时、同相性以及速度等信息，查明地下地层的构造形态、埋藏深度和接触关系等[13]。最终目标是绘制地质构造图，搞清地下地层之间的界面信息以及断层和褶皱的位置和空间展布等，寻找构造圈闭油气藏，确定地层含油气的可能性和储量大小，并为钻探提供井位。

图1 地震构造解释原理

1.3 实验步骤

综合实验包括合成地震记录制作、垂直剖面解释、水平切片解释和地质构造图绘制等4个模块，具体实验步骤如下：

（1）合成地震记录制作。根据测井数据（速度、密度和层位等）计算获得每口井的时深曲线，进行深时转换，获得地质层位的反射时间，编写程序制作#16井的合成地震记录，并与井旁地震道进行对比分析。

（2）垂直剖面解释。首先选择基干剖面网，明确整个工区均匀分布且能控制全区的主测线和联络测线；然后利用测井数据进行标定，完成垂直剖面上地震反射层与地质层位的对比，最后进行标准层对比追踪，选择垂直剖面上反射特征明显的标准层进行连续追踪以及断层划分。

（3）水平切片解释。利用步骤（2）已追踪解释过的垂直剖面，根据交点闭合的方法对水平切片进行解释，其中包括标准层的追踪对比和断层的划分。

（4）地质构造图绘制。分别利用步骤（2）中解释的垂直剖面以及步骤（3）中解释的水平切片绘制标准层的等t0构造图，再按照测井数据计算标准层的平均速度，根据平均速度进行时深转换，绘制标准层的深度构造图。

综合实验具体流程如图2所示。

图2 综合实验流程图

2 综合实验实施及结果分析

综合实验采用的地震资料是美国休斯敦大学的联合地球物理实验室（applied geophysical laboratory,AGL）的 SALNOR地震物理模型数据[14]。物理模型如图 3(a)所示，将物理模型放入水槽中，震源和检波器在物理模型上方由计算机控制并按照一定规律移动，模拟实际地震观测系统，地震测线布设示意图如图3(b)所示。

图3 SALNOR地震物理模型以及地震测线布设示意图[14]

学生首先需要使用 Matlab语言编程制作合成地震记录，如图4所示。学生需要结合“地震勘探原理”课程中的地震记录生成的理论知识，利用测井数据计算地震反射系数，再选择合适的地震子波与地震反射系数进行褶积，得到合成地震记录，最后将合成地震记录与实际地震记录进行标定和对比。

在合成地震记录制作完成之后，学生就可以将地震反射信息与地质层位建立起联系，也就是说把地震反射层位赋予地质意义。接下来学生要结合“地震勘探原理”课程理论知识，根据“强振幅、波形相似性、同相性和时差变化规律的渐变性”等特征在不同的地震垂直剖面上来识别和追踪来自同一地质层位的地震反射波。图5为SALNOR模型CDP90测线和CDP120测线的垂直剖面解释结果，图中除了横向展布的标准层外，还要根据标准层厚度的变化及接触关系等来划分断层（图5中红色线表示断层），解释地质构造以及断裂系统。

地震水平切片是不同地质层位在同一时刻的显示，相当于某一等时面的地质图，即同一张水平切片里显示了不同地质层位信息。水平切片上的地震反射信息和垂直剖面上的地震反射信息是一一对应的。因此学生可以根据这一特征，利用解释好的垂直地震剖面采用交点闭合的方法来解释水平切片。图6分别展示了SALNOR模型在1 120和1 220 ms水平切片的解释结果，水平切片同相轴分布轮廓表示地质层位的局部走向。

图4 合成地震记录制作结果

图5 垂直剖面解释结果

图6 水平切片解释结果

地震构造图是以等值线直观表示地质构造形态，是地震勘探的最终成果图件，为钻井提供井位的主要参考资料。学生首先根据工区位置坐标信息按照一定的比例尺绘制测网底图，再利用解释好的地震垂直剖面和地震水平切片，读取地震反射标准层的层位数据以及断层的断点数据，标注在测网底图的相应位置上，以及进行断裂系统组合。然后按构造图的比例尺确定数据点的间距，勾绘等值线（等时线），就可以得到等t0构造图。最后按照给定所有测井的层速度计算目标层位的平均速度，根据平均速度进行时深转换，绘制等深度构造图。图7分别展示了SALNOR模型BRENT组顶部的等t0构造图和等深度构造图。

图7 地质构造图绘制结果

4 实验拓展

在完成综合实验4个模块后，在实验拓展环节向学生介绍目前地球物理勘探行业热点前沿技术——机器学习，将机器学习技术引入到地震资料构造解释中，进一步深化和扩充实验内容。

（1）指导学生利用 Python语言编写卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）方法程序，该方法在图像分类、视觉识别和目标检测等许多机器学习领域都取得了良好效果[14-16]。地震垂直剖面或者水平切片其实就是地下地质构造的图像显示，因此引导学生利用基于图像的机器学习方法来进行地震资料构造解释。

（2）综合实验拓展是将 CNN方法应用到地震资料构造解释中，不再需要进行人工解释断层，通过大数据分析和机器学习就可以由计算机自动识别断层。如图8所示。

图8 基于机器学习方法的断层自动识别

5 结束语

针对“新工科”建设要求，以解决实际地质工程问题为目标，设计了地震资料构造解释综合实验。通过设置4个不同的实验模块，引导学生将课本理论知识与实际地质工程问题建立起联系，锻炼学生独立思考问题和灵活运用知识的能力。通过实验拓展，向学生讲授地球物理勘探行业最新前沿技术，激发学生的学习积极性，培养学生发散思维和创新意识。在该综合实验的实施和支撑下，勘查技术与工程专业的4名学生荣获2018年全国地球物理知识竞赛特等奖。