三维地震勘探虚拟仿真实验设计

2020-09-29张佳佳张广智张繁昌宗兆云

实验技术与管理 2020年2期

张佳佳，梁锴，张广智，张繁昌，宗兆云

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

三维地震勘探具有高密度地震数据采集、三维空间成像归位以及显示方式灵活多样等特点，已广泛应用于复杂地质构造以及隐蔽油气藏[1-3]探查。三维地震勘探是勘查技术与工程专业以及地球物理学专业“地震勘探原理”“地震资料数字处理”和“地震资料综合解释”等主干课程的重要内容[4-6]。与二维地震勘探相比，三维地震勘探的基本概念和理论方法更加抽象和复杂，学生理解起来比较困难。针对这一问题，制作了W. S. French 三维地质模型，利用超声波模拟实际三维地震勘探的地震波进而模拟实际三维地震勘探的数据采集过程，指导学生利用Seismic Unix 软件处理三维地震勘探数据，并进行三维地震数据解释，编制地质构造图，使学生能够直观地学习三维地震勘探采集、处理和解释过程。

1 虚拟仿真实验平台设计

地震勘探是在地表用炸药或者可控震源等向地下激发地震波，地震波遇到地下地质构造会发生反射，在地表用检波器接收反射回来的地震波，形成地震波的反射记录[4-6]。常规的二维地震勘探是指炮点和检波点布设在一条直线上，而三维地震勘探是指炮点和检波点位于一个平面内[7-8]，如图1 所示。

地震勘探虚拟仿真实验平台是根据物理相似性和几何相似性原则，将实际地下地质构造等比例缩小，制作成地质模型，并用超声波模拟实际地震勘探的地震波。该虚拟仿真实验平台由地质模型、超声波发生器、超声波激发探头和接收探头、数模转换器、控制系统、三维定位装置以及计算机组成，如图2 所示。其中：地质模型是三维地震勘探的地质目标；超声波激发探头用于向地质模型激发超声波；超声波接收探头用于接收由地震模型反射回来的超声波；超声波发生器用来控制超声波探头发射和接收超声波；数模转换器用于将超声波模拟信号转换为数字信号传输给计算机；三维定位系统是根据三维地震勘探观测系统对超声波激发和接收探头进行空间位置坐标定位；计算机用来进行超声波信号采集记录，以及移动变换超声波探头的位置；控制系统用来根据计算机指令对三维定位系统进行控制。

图1 地震勘探原理示意图

图2 虚拟仿真实验平台

2 三维地震勘探虚拟仿真实验

2.1 三维地质模型制作

W. S. French 三维地质模型是20 世纪70 年代W. S.French 提出的经典地质模型[9-11]，该模型可以说明三维地震勘探解决复杂地质问题的优势和二维地震勘探的缺陷和局限性。

手工W. S. French 三维地质模型的制作过程为：

（1）将硅橡胶与固化剂按照合适比例混合，倒入搅拌器搅拌均匀。

（2）将搅拌均匀的混合材料倒入真空容器并进行抽真空处理，再将已抽真空的材料倒入事先准备好的模具，直至完全固化为止。

（3）从模具中脱模。

手工制作的W. S. French 三维地质模型如图3 所示。该地质模型为一个平坦地层被一条断层分割为两部分，断层下降盘有两个紧靠在一起的穹隆构造，断面是一个斜坡。

图3 手工制作的W. S. French 三维地质模型

2.2 三维地震勘探采集实验

将制作好的W. S. French 三维地质模型放置在虚拟仿真实验平台中，即可进行三维地震勘探采集实验，如图4 所示。实际的三维地震勘探实施过程非常复杂，采用虚拟仿真实验可以最大限度地模拟实际三维地震勘探采集过程[12-15]。结合“地震勘探原理”课程地震观测系统布设的知识点，指导学生沿着W. S. French三维地质模型布设三维地震勘探测线。整个 W. S.French 地质模型共布设13 条地震测线，如图5 所示。这些地震测线分别经过了断层下降盘4、穹隆1 和穹隆2、断层面3 以及断层上升盘5 等地质构造。

图4 三维地震勘探采集实验

图5 三维地震测线布设图

2.3 三维地震勘探处理实验

结合“地震资料数字处理”课程中有关地震资料处理的知识点，指导学生使用Seismic Unix 软件处理三维地震勘探数据，并选择图6 中测线6 和测线13地震剖面结果进行分析。

第6 条测线从断层下降盘4 开始，经过穹隆2 的顶部，再经过穹隆1 右翼最低点的平坦部位，与断层陡坡呈45°夹角进入断层上升盘5。第13 条测线从断层下降盘仅经过断层下降盘4、断层面3 以及断层上升盘5，未经过穹隆1 和穹隆2。

图6(a)为测线6 未经偏移校正的常规水平叠加剖面，可以明显看到绕射波和侧面波，其中穹隆1 被放大并掩盖平坦地层，并且断面反射右移，同时还出现了来自穹隆2 的侧面反射波。图6(b)为测线13 未经偏移校正的常规水平叠加剖面，除了上升盘5 和下降盘4 之外，同样可以看到出现了来自穹隆2 的侧面反射波。学生通过地震剖面的对比分析可知：在地下地质构造比较复杂的情况下，二维地震勘探得到的地震剖面往往不能真实反映地下构造形态，因此必须进行三维地震勘探，这也是三维地震勘探的优势所在。