专利名称：三维地震物理模拟的数据采集设计方法
技术领域：
本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种三维地震物理模拟的数据采集设计
方法。
背景技术：
地震模拟分为数值模拟与物理模型模拟，地震模拟技术在地震勘探中一直发挥重 要的作用。借助地震模拟技术，可以检验各类介质弹性波理论的正确性，促进弹性波理论 的发展；为地震勘探提供基于模型的观测系统的优化设计，保证野外地震数据采集的质量； 为地震资料处理提供标准数据体，检验地震处理方法的正确性；另外，还可检验地震资料解 释结果的正确性等。 20世纪70 80年代是二维多次覆盖地震勘探时代。借助计算机技术的有力支 持，地震数值模拟以其正确、可靠、灵活、简便、快速、廉价等优点，在二维地震勘探的生产实 践和方法研究中占据了重要的地位。 20世纪80年代，我国的油气勘探主要目标已经转向复杂的隐蔽油气藏和岩性油 气藏，相应的三维地震逐渐取代了二维地震；到了 20世纪末，石油勘探全面进入三维地震 时代；进入21世纪，又开始转人投资更大、技术更加先进的高精度三维地震试验和研究。三 维地震本身就是一项大规模的生产活动，它涉及大量的财力、物力和人力资源，工作量大、 生产时间长、投资高、技术难点多，现在需要进行的高精度三维地震试验，它的规模更庞大， 投资可能翻几番，因此迫切需要利用地震模拟技术来降低试验成本，提高研究成效。但是， 面对海量的三维信息，数值模拟便陷于捉襟见肘的境地，时至计算机技术高速发展的今天， 这种局面仍然没有发生质的改变。然而，地震物理模型模拟却具有投资少、时效高、涉及面 小、容易实现方法攻关等特点；它还有另外一大优点，物理模型是一种实际介质，信号在这 种介质中传播时的动力学特征，如振幅的衰减机制、相位变化机制、频率损失、传播速度等 等都满足自然规律，因此更具有真实性。所以，近几年国内外的地震物理模型技术发展都比 较快，并且成为复杂油气勘探和地震方法攻关中一项不可缺少的技术。 实际三维地震资料是在野外采集的，而地震物理模型数据是在实验室中采集的， 因此两者在采集方法上有些不同。例如前者勘探对象是工区的地下实际地质构造，后者是 以该地质构造为蓝图的简化后的地震速度模型；前者是每放一炮成百上千道接收，后者是 单炮单道接收；前者激发、接收的地震波是频率几百周以下的声波波段，后者激发、接收的 是频率几万周以上的超声波段，……。鉴于上述不同，地震物理模型实验的数据采集有其 自身特点，包括三维物理模型设计、制作、测试，超声波激发、接收探头研制，实验室地震仪 器、设备配备，三维观测系统设计和参数计算论证等，都需要进行探索、试验和研究。

发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种三维地震物理模拟的数据采集设计方法，应用 该方法可以提高地震物理模型实验室的工作效率和实验成果质量。
本发明实施例提供一种三维地震物理模拟的数据采集设计方法，包括三维地震物 理模拟实验中的数据采集设计流程，物理模型设计技巧，三维横向覆盖次数的计算公式和 三维观测系统模板的分解与合成方法。其中三维地震物理模拟的数据采集设计流程，该流 程主要由三维地震物理模型设计和三维地震观测系统设计两部分组成；三维地震物理模型 设计中的关键部分设计技巧，是指工区地下地质构造简单化、层状化和勘探目标轮廓化、抽 象化的设计技巧，以及地震物理模型比例因子的设计技巧；三维地震观测系统的横向覆盖 次数计算公式，该公式是直接根据物理意义推导得出，此处为首次公开发表；以及三维地震 物理模拟的观测模板的分解与合成方法，应用该方法可以实现实验室的"边走边采"技术及 野外施工的"滚进滚出"技术。 1、三维地震物理模拟的数据采集设计流程 本流程由三维地震物理模型设计和三维地震观测系统设计两部分组成，具体参见 说明书附图1。 2、三维地震物理模型的设计技巧 简单化、层状化、轮廓化及抽象化设计技巧 三维地震物理模型设计的关键有两点1)实际的地下地质构造总是很复杂的，受 材料选择和工艺水平的制约，试图在实验室制作出与实际构造形态相一致的地震物理模型 是不可能的，因此必须先将工区宏观的地下地质构造简单化，简化为层状均匀介质模型，才 能制作出供实验室应用的三维地震物理模型；2)将主要勘探目标轮廓化，甚至可以抽象化 为一个比较简单、规则，比较容易加工制作的几何图形，随后参照实际地质构造及勘探目 的，置入层状均匀介质模型中的适当部位，于是完成三维物理模型设计(当确定比例因子 后，才是地震物理模型)。 地震物理模型的比例因子设计技巧 要将实际的工区地质构造縮小为实验室的地震物理模型，则有一个几何比例因子 问题；同时，实际的地震勘探应用的是声波波段，而实验室模拟应用的是超声波段，又有一 个频率比例因子设计问题。地震物理模型技术是一种地震正演技术，其理论是以无量纲波 动方程的不变性为基础，以几何参数、物理参数的相似性为准则的，可以根据相似准则确定 以下4个比例因子介质速度比、几何长度比、时间采样比或振动频率比。但是这4个比例 因子并非都是独立的，例如速度乘时间等于长度，3个中只有2个是独立的，所以如何选择 和确定这几个比例因子，是地震物理模型设计中的又一关键环节。
3、三维地震物理模拟的观测系统设计方法
三维观测系统的横向覆盖次数计算公式 三维覆盖次数等于横向覆盖次数与纵向覆盖次数的乘积，对于常规应用的线束型 三维观测系统，已知有三维纵向覆盖次数计算公式为Fi = NgX2bi/2Li，本发明公开三维 横向覆盖次数计算公式为Fc = MgXNsX2bc/2Lc 其中，Fi和Fc分别为线束型三维观测系统的纵横向覆盖次数，Mg、 Ng和Ns分别 为三维观测系统模板的线数、道数和炮数，，Li和Lc分别为三维观测系统模板的纵横向滚 动距，2bi为纵向检波道距，2bc为横向炮点距。
三维观测系统模板的分解与合成方法 在实验室数据采集时，为了实现"边走边采"技术，同时实现野外施工的"滚进滚出"效果，需要将原先采集设计确定的三维观测系统模板在纵向上和/或横向上进行分解， 分解为2个或4个子模板，然后进行地震模拟数据采集。在数据处理时，将多个子模子合成 为原先的三维地震观测系统模板。 应用本发明，可以提高实验室的三维地震物理模拟数据的采集效率和采集质量。


此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中 图1为本发明的三维地震物理模拟的数据采集设计流程图； 图2为根据本发明的带有抽象化潜山构造的三层水平均匀介质模型的示意图； 图3a为根据本发明的12线4炮观测系统模板示意图； 图3b为根据本发明的12线4炮观测系统模板的纵向分解示意图； 图3c为根据本发明的12线4炮观测系统模板的纵横向分解示意图； 图4为根据本发明的陆相断陷盆地陡坡带扇体沉积演化模式图； 图5为根据本发明设计的水退模式扇形薄砂体三维地震物理模型的截面示意图； 图6为根据本发明设计的4个扇体的水平透视图及7条实验成果分析线； 图7为本发明实施例5的处理成果——WE方向穿过模型中心线的二维偏移剖面； 图8为本发明实施例5的处理成果——1240、1242、1244和1246ms的4个扇体成
像水平切片。
具体实施例方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附 图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本 发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1 :潜山构造的三维地震物理模型设计 受模型材料选择和加工工艺的限制，必须把三维几何图形比较复杂的勘探目标先 轮廓化，再适当规则化，甚至可以进一步抽象化为一个标准图形的几何体。例如对于潜山构 造、盐丘构造或穹隆构造，就可抽象化为一个标准的球冠几何体，见图2。
实施例2 :地震物理模型的比例因子设计技巧 地震物理模拟有4个比例因子介质速度比、几何长度比、时间采样比或振动频率 比，但这4个比例因子并非都是独立的。例如周期(时间)与频率互为倒数，可视为同一个 因子，4个中去掉1个剩3个。长度等于速度乘时间，这意味着剩余的3个因子中只有其中 任意2个为独立因子，选择这两个独立因子的技巧如下。 实验室激发探头的主频和实际工区的地震波主频都是已知的，因此首先应该考 虑频率这个因子。实用的超声波频率范围很广，一般在104 107^，但是地震物理模型实 验中所用的激发探头有一定范围，通常为几十万周(105^，为超声波波段)，例如本实验室 研制的激发探头发射频率为2 3X105Hz。另外，工区地层的频率也是已知的，通常主频 为几十周(1(^Hz，声波波段)，例如目的层主频为28Hz。这样，频率比就可以先确定下来， 2.2X105 : 2.8X10、数量级近似为104。时间比与频率比互为倒数，则第一个比例因子时
5间比就可确定为10—4。已知野外地震数据采集常用的时间采样率为lms，则物理模型数据采 集所用的时间采样率应为0. 1 s。第二个可选速度因子，也可选长度因子，要两者兼顾。因 为超声波在模型介质中传播的速度与地震波在实际地层中传播的速度是同一数量级的，因 此一般可选择速度比等于1、1.5、2等，具体多少应该参考长度因子进行调整，原则上是以 达到物理模型的体积、长度符合实验条件为标准。
实施例3 :三维覆盖次数设计和计算 在"陆上三维地震勘探的设计与施工"这本权威著作第二章中， AndreasCordsen(俞守鹏等译)阐述了线束型三维观测系统的纵横向覆盖次数计算公式 "纵线方向覆盖次数的定义与二维数据的覆盖次数相似"，即纵向覆盖次数Fi =(接收道 数X道距)/(2X排炮间距)；"横线方向覆盖次数很简单，就是排列片中接收线数的一 半"。上述横向覆盖次数的计算公式只是一种特例，实际上横向覆盖次数可设计为接收线数 的1/2，也可设计为1/4或1/8，因此需要推导一个广义的计算公式。 设排列为N道、排列滚动距(炮点距)为L、面元长为b、满覆盖次数为F，地面l炮 激发，N道接收，则可以生成N条地下旅行射线，它既可视为对地下N个面元(长度为NXb) 完成一次观测，也可视为对地下N/F个面元(长度L = NXb/F)完成满覆盖F次观测。将 L设为排列滚动距(炮点距)，则L = NXb/F即为覆盖次数与排列滚动距离设计公式，写成 F = NX2b/2L便是传统的二维覆盖次数计算公式。 将物理概念推广到三维，则可建立三维覆盖次数广义计算公式。 设线束型三维观测系统模板为Mg线Ng道Ns炮，纵横向覆盖次数分别为Fi和Fc
次，模板滚动距分别为Li和Lc，面元大小为biXbc，即纵向检波道距为2bi，横向炮点距为
2bc。 可以利用物理概念建立三维纵向覆盖次数计算公式 地面一个模板( 一个排列)观测，在纵向生成Ng条地下旅行路线，可以视为对地 下Ng个面元完成一次观测，也可视为对地下NgX/Fi个面元完成满覆盖次数观测。
三维纵向覆盖次数计算公式如下Fi = NgX2bi/2Li，写成文字式即为排列道 数X道距/2倍排炮距，与二维覆盖次数计算公式完全相同。
可以利用物理概念建立三维横向覆盖次数计算公式 地面一个模板Ns炮激发、Mg线接收，在横向可以生成MgXNs条地下旅行路线，即
在横向可以完成MgX Ns/Fc个面元的满覆盖次数观测。 同理有三维横向覆盖次数计算公式如下Fc = MgXNsX2bc/2Lc 例如三维观测系统确定为12线4炮，具体参数如下排列片为12线，线间距200m ;
排列80道，道距50m ;排炮4炮，位于排列片中间，点距50m。假设三维覆盖次数F = 60次，
试求横向覆盖次数Fc分别为6次、4次、3次、2次时，模板纵横向滚动距离Li和Lc。横向6次横向Lc = MgXNsX2bc/2Fc = 12X4X50/2X6 = 200m，横向应该滚
动1条线间距；纵向Fi应为10次，纵向滚动距离Li = NgX2bi/2Fi = 80X50/2X10 =
200m，即纵向应该滚动4个道距。 横向4次横向Lc = MgXNsX2bc/2Fc = 12X4X50/2X4 = 300m，300不能整除 200，即横向滚动不是线间距的整数倍，所以此参数设计不成立。横向3次横向Lc = MgXNsX2bc/2Fc = 12X4X50/2X3 = 400m，横向应该滚
6动2条线间距；纵向Fi应为20次，纵向滚动距离<formula>formula see original document page 7</formula>，即纵向应该滚动2个道距。 横向2次横向<formula>formula see original document page 7</formula>，横向应该滚 动3条线间距；纵向Fi应为30次，纵向滚动距离<formula>formula see original document page 7</formula>，纵向滚动距离不是道距的整数倍，所以此参数设计也不成立。必须修改参数，例如纵 向滚动1个道距，则纵向覆盖次数可以达到<formula>formula see original document page 7</formula>此时总的三维覆盖次数<formula>formula see original document page 7</formula>
实施例4 :三维观测系统模板的分解与合成方法 为了节省野外工作量，野外施工到工区边缘地区时，普遍采用"滚进滚出"技术，即 改变模板大小，纵向排列縮道、横向縮线。其结果是满覆盖面积不变，不会影响地质目标的 成像质量，但减小了覆盖次数渐减带，大大节省了野外工作量。实验室模型数据采集不能直 接应用该项技术，因为野外施工采用一炮激发多点接收(几百、几千个检波点)，而实验室 模型数据采集则是单点激发单点接收；同时为了提高实验效率，激发探头固定不动，接收探 头采用"边走边采"技术，该技术要求模板固定不变。三维观测模板的分解和合成技巧就是 为了适应实验室模型数据采集特点而研制的。 例如参见图3，一个中间放炮的12线4炮观测系统模板(图3a)，可以在纵测线方 向上将排列片一分为二，分解为两个子模板一个为半个排列片在左，排炮在右(图3b)，另 一个为半个排列片在右，排炮在左(图3b)。如果将它们以排炮为目标重合起来，便恢复为 原来的12线4炮观测系统模板。因为分解后是两个独立的模板，所以可以将左边模板设计 为从右向左滚动，将右边模板设计为从左向右滚动，从而达到"滚进滚出"的效果。如果在 纵向和横向都一分为二，分解成图3c所示4个子模板，则可在工区边缘东西南北方向上都 实现"滚进滚出"的效果。在数据采集过程中按上述方法分解成多个三维观测系统，在室内 资料处理时将它们合成为原先的12线4炮观测系统。
实施例5 :扇形薄砂体的三维地震物理模拟 这是一个比较完整的三维地震物理模拟实例，包括技术设计、数据采集、数据处理
及成果解释等整个实验过程。 地震物理模型设计 扇体是陆相断陷盆地中主要的隐蔽油气藏，洪积扇、扇三角洲、近岸水下扇、浊积 扇等都可形成隐蔽油气藏。根据层序地层学理论，陆相断陷盆地陡坡带扇体沉积演化模式 如图4所示，主要发育有6类砂砾岩扇体，即扇三角洲、近岸水下扇、滑塌浊积扇、洪积扇、辫 状河三角洲和陡坡深水浊积扇。基于对陆相断陷盆地陡坡带的断层、坡折带、扇体构造的 层序演化过程及其组合等的认识，经过简单化、轮廓化和抽象化，设计水退模式扇形薄砂体 沉积地质模型如图5。模型由4层介质组成底层基岩为BA、中层泥岩为SH、上层低速带为 LV、水层为WA。左边基岩为海岸陡坡带，在基岩顶面、泥岩底部，从左到右沉积了 4个扇形薄 砂体Sl、 S2、 S3、 S4，扇体为扁平状，边缘为楔形尖灭，4个扇体相互叠置，大小和厚度依次递 减，速度依次递增。图6为4个扇体的水平俯视图，图上还有7条直线，这是为成果解释阶 段设计的扇体成像质量分析线。 根据地质模型设计图制作扇形薄砂体三维地震物理模型。模型参数比如下尺度
比i : 5000，速度比i : i ;由此得到时间采样率比为i : 5000，频率比为sooo : i。物理模型长、宽、高为650mmX460mmX244mm，换算成实际地质模型为3250mX2300mX 1220m。超 声波主频220KHz，相当于实际地震波主频44Hz，估计目标层的地震波主频约为40Hz。图6 为在制作过程中的扇形薄砂体三维地震物理模型(照片)。
三维观测系统设计 为了进行对比实验，设计了全方位和窄方位两种三维观测系统。
1) 16线4炮/2 X 32道/8 X 8次全方位三维观测系统 纵向为WE方向，分解为两个子模板，道距25m，滚动距离100m(4道)，WE和EW方 向各滚动29个模板，相互错开，相当于"滚进滚出"的效果。 WE方向炮线SOl， S02， S03，......， S29 ; EW方向炮线S34， S33， S32，......， S05。 横向为SN方向，线间距lOOm，炮间距25m，滚动1线lOOm，共计17束线
第l束线R01-R11 11条线
第2束线R01-R12 12条线
第3束线R01-R13 13条线
第4束线R01-R14 14条线 第5束线R01-R15 15条线"滚进"过程，线数递增至16条
第6束线R01-R16 16条线 ......... 第12束线R07-R22 16条线 第13束线R08-R22 15条线开始"滚出"，线数递减
第14束线R09-R22 14条线
第15束线R10-R22 13条线
第16束线R11-R22 12条线
第17束线R12-R22 11条线 设计的模拟地震道总数接近180万道，地面观测面积为4000mX 2100m = 8. 4km2， 地下资料覆盖面积为6. lkm2。 2) 6线4炮/2 X 40道/3 X 20次窄方位三维观测系统
具体参数略。
处理成果与解释 处理成果为三维偏移数据体。图7为垂直切片，为WE方向穿过模型中心线的二 维偏移剖面，图上红色箭头所指为扇体S4的理论尖灭位置，右下角放大图用于扇体偏移成 像的定量分析，显然实验结果与理论标准完全一致，误差为零。对多条二维偏移剖面进行 定量分析，其误差都达到士1个CDP面元。图8为4张水平时间切片，时间分别为1240ms、 1242ms、 1244ms和1246ms，显然4个扇体图像与图6中的原始模型图像一致，说明水平成像 质量也很高。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保 护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
权利要求
一种三维地震物理模拟的数据采集设计方法，该方法主要包括三维地震物理模拟实验中的数据采集设计流程，物理模型设计技巧，三维横向覆盖次数的计算公式和三维观测系统模板的分解与合成方法。
2. 根据权利要求1所述的三维地震物理模拟的数据采集设计方法，该三维地震物理模 拟实验中的数据采集设计流程包括三维地震物理模型设计和三维地震观测系统设计两部 分。
3. 根据权利要求1所述的三维地震物理模拟的数据采集设计方法，该物理模型设计中 的关键部分设计技巧是指工区地下地质构造简单化、层状化和勘探目标轮廓化、抽象化的 设计技巧，以及地震物理模型比例因子的设计技巧。
4. 根据权利要求1所述的三维地震物理模拟的数据采集设计方法，该三维横向覆盖次数的计算公式为Fc = MgXNsX2bc/2Lc。
5. 根据权利要求1所述的三维地震物理模拟的数据采集设计方法，三维观测系统模板 的分解与合成方法包括输入三维地震观测系统模板；将所述三维地震观测系统模板在纵向上和/或横向上分解成多个子模板；以及 处理所述三维地震数据。
全文摘要
本发明提供一种三维地震物理模拟的数据采集设计方法，包括该方法主要包括三维地震物理模拟实验中的数据采集设计流程，地震物理模型设计技巧，三维横向覆盖次数的计算公式和三维观测系统模板的分解与合成方法。三维地震物理模型设计中的关键部分设计技巧，是指工区地下地质构造简单化、层状化和勘探目标轮廓化、抽象化的设计技巧，以及地震物理模型比例因子的设计技巧。应用该方法可以提高地震物理模型实验室的工作效率和实验成果质量。近几年本实验室配合国内大庆、吉林、辽河、冀东、大港、胜利、新疆、长庆、任丘、中原、江苏、江汉等油田，做了几十个三维地震物理模型实验，取得了较好效果。
文档编号G01V1/16GK101750626SQ20081023970
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者狄帮让, 魏建新 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油大学(北京)