三维地震勘探
随着数字地震仪器的发展和大型计算机的使用，利用地震勘探研究地质构造时，已能够取得三维空间的地下几何图形。三维地震与常规的二维地震相比，在野外数据采集及资料处理方面均显示了其优越性。三维地震勘探的测线布置不受直线的限制，可布设弯曲测线或面积观测系统，不仅利于地形复杂地区进行工作，也可以提供足够多的地下界面反射点，增加其密度和叠加次数。在资料处理方面，三维结果能较精确地描绘地下非均匀介质的结构，并使干扰波受到压制，大倾角反射界面能够准确归位。 1.三维地震观测系统 三维地震观测系统可分为路线型和面积型两类。 路线型三维观测系统包括宽线剖面和弯曲测线两种类型。宽线剖面是沿测线方向向两旁布置几条平行测线，炮点线设在与测线交叉的线上，交叉线与测线可以正交，也可斜交成任意夹角，如图5-26所示。这种情况下，不仅能利用沿测线方向的反射信息，而且还利用了垂直测线方向的观测资料，因此所给出的剖面可信度高。 图5-26 宽线剖面野外观测系统示意图 对于地形复杂地区，地震勘探不能按常规的直线方式进行野外观测，因而必须将炮点和检波点沿河谷、山沟或公路等布置成弯曲测线。观测资料处理后也可得到一定宽度的地下数据点条带。弯曲测线反射波时距曲线是一条与炮点和检波点相对位置有关的复杂空间曲线。 面积型观测系统地面排列有十字相交排列、环线排列和栅形排列等几种类型。栅形排列是面积测量的一种基本形式，可根据野外具体条件、技术装备和勘探对象作适当变化，以控制地下数据点的网格密度、面积和覆盖次数。图5-27是一种栅型排列的布设示例。 图5-27 栅形排列 在弯曲测线情况下，炮点和检波点已不在同一直线上，实际上已不再是共反射点了。因而各共中心点所对应的反射点的位置是分散的，这时的多次覆盖必须代之以新的概念，即共反射面元覆盖的概念。 共反射面元覆盖，是指在共反射点概念的可容许偏离范围内，来自各相邻反射点道的叠加。在这个偏离范围内，各相邻反射点的能量叠加，应该像来自一个反射点那样得到加强。 三维地震野外观测系统的形式多样，影响因素复杂，使用得当，可增加数据拾取密度和覆盖次数，从而得到更精确的同相轴，反映更全面的波动场。 2.三维地震勘探的数据处理及显示 三维地震勘探数据处理过程中，几乎包括了 二维处理的主要内容。专门用于三维处理的三维偏移以及成果显示是流程的重要环节，其中包括三维速度分析、三维剩余静校正、三维叠加、宽线处理和三维偏移等。 三维地震资料是以专门方式记录的，处理后是一个数据体。由此可以制作标准二维剖面和具体时间点的水平切片，从而作出区域时间切片图。另一种有效的显示方法是椅状投影。利用这类显示方法可更详细的了解地层构造和细微的局部构造。 3.三维地震勘探应用实例 我国文留地区1975年发现工业油流，本区断层发育，形成许多地垒和地堑，二维地震资料的解释成果不能解决断裂系统分布和断块内准确构造形态问题。该区三维地震勘探提供的资料，解决了二维地震所解决不了的问题(温森莱，1994)，图5-28是该区T3层二维地震构造图，图5-29是该区T3层三维地震构造图，与二维地震构造图相比，三维地震构造图上断层大为减少。三维地震构造图细节清楚，有一系列高点，形态变化复杂，这都是二维地震构造图上所没有的。根据三维构造图所设计的井位，钻探成功率明显提高。 图5-28 T3层二维地震构造图 (据温森莱，1994) 图5-29 T3层三维地震构造图 (据温森莱，1994)
三维地震勘探资料处理
二维处理所包括的主要内容，在三维地震勘探资料处理的流程中一般也是需要的。专门用于三维处理的三维偏移以及成果显示是流程的重要环节，其中包括三维速度分析、三维剩余静校正、三维叠加、宽线处理、三维偏移等方面。下面仅对三维处理中最重要的速度分析和偏移归位加以讨论。 （一）三维速度分析 1.叠加速度的方向性变化 对于平倾斜界面而言，叠加速度随方位的变化可以方便地导出。众所周知，此时共中心点时距曲线方程仍可写成双曲线方程形式，只须将所用速度改为等效速度vφ。因此，速度分析求出的叠加速度vst就是等效速度： 反射波地震勘探原理和资料解释 式中，va为均方根速度vrms或称沿界面走向的速度，φ为反射界面视倾角。由视倾角与真倾角ψ及方位角α*的关系： sinφ＝sinψcosα* 可以得到： 反射波地震勘探原理和资料解释 这是一个椭圆，主轴沿界面倾向和走向。 当反射界面不是一个平界面时，在一阶近似的意义上叠加速度的方向变化可用此椭圆关系表示。 若覆盖地层比较单纯，则沿界面走向为最小叠加速度，沿界面倾向为最大叠加速度。当上覆地层复杂时，va不再能认为是均方根速度，叠加速度方位变化椭圆的主轴也不一定沿界面倾向和走向，整个上覆地层对椭圆形状和主轴都有影响。此时，式（7-5-2）需要化为 反射波地震勘探原理和资料解释 式中，e为椭圆的离心率： 反射波地震勘探原理和资料解释 vmax、vmin分别是最大和最小叠加速度，α*是椭圆主轴方位角， 是求叠加速度方向的方位角。此式中vmax、vmin和α*均为未知数。因此，欲确定叠加速度方位变化椭圆，必须至少求出三个方位处的叠加速度。 2.三维叠加速度的求取 由前述第五章可知，在二维地震勘探中叠加速度取决于地层速度和界面倾角，共反射点时距曲线符合双曲线规律，故通过速度谱分析就可以求得叠加速度。在三维地层模型中，反射界面的倾角的走向可以是任意的。这样，反射同相轴的时差就不仅受地层速度的倾角的控制，而且还受炮点-检波点方位与地层走向方位之间的相对方位角的控制。因此，对三维面积观测的地震资料就不能用前述的求取二维地震资料的方法来求取二维叠加速度，而必须进行三维速度分析以求取比较可靠的三维叠加速度。目前，求取三维叠加速度的方法很多，这里介绍一个简单易行的扇形分析技术。 考虑一个CDP选排中像蜘蛛网似的炮检矢量分布，图7-5-10。将它划分成若干个扇形。划分的原则是不能太小，太小会增加工作量，且造成一扇形内道数太少，影响结果精度；但也不能太大，太大反映叠加速度方位变化就不灵敏，误差也比较大。另外，尽量使每个扇形内保持有数量相近的道数。划分了扇形之后，将一个扇形内的所有道组成一个虚二维共反射点道集，用标准的二维速度分析方法计算速度，结果置于扇形的中心方位。然后用最小平方拟合技术求出叠加速度方位椭圆（求最大叠加速度、最小叠加速度和椭圆主轴方位角）。为了完成椭圆的计算至少需要划分三对扇形。用虚二维CDP道集计算叠加速度时可适当考虑加权问题。 图7-5-10 扇形分析示意图 在速度横向变化不大的地区，常常忽略方位对叠加速度的影响。为了保证采用统一速度校正对叠加结果的影响为最小，在数据采集的设计阶段对最大炮检距要加以限制。实际中一般应使最大炮检距Smax小于或等于目的层深度z。另外，处理中还需采用平滑的方法。因为对各方位叠加速度取平均是求取统一速度的常用方法，但这样求出的速度总是不准确的，势必造成速度曲面（即同一界面叠加速度空间变化曲面）出现抖动现象。对速度曲面进行二维平滑处理有助于求出较准确的叠加速度，消除抖动，当然即使用这种准确的叠加速度对道集进行校正叠加，仍会引起共反射点的分散，使时间剖面上同相轴的连续性、光滑性受到影响。这一问题可在自动剩余静校正中解决或直接对同相轴进行光滑处理。 （二）三维偏移归位处理 1.三维偏移归位处理概述 三维偏移归位是三维资料处理中的核心部分，它集中体现了三维勘探的优点。前述的二维偏移处理，只能使存在于二维（x，z）剖面内的反射同相轴归位，绕射波、回转波等收敛。实际中地下地质体是三维的，即使在地面沿一条测线观测时，只要满足斯奈尔定律，在包括测线的各个射线平面内的反射都会反映到该测线剖面中来，即水平叠加剖面上必然会混杂着由测线位置的法平面之外传来的侧面波。因此，只进行所谓“平面型”的二维偏移处理不可能使这些侧面波归位和收敛，这些侧面波会构成假象掩盖真实界面。故只有进行“立体型”的三维偏移处理才可能使侧面波归位，去掉假象。目前常用的三维偏移方法主要有全三维偏移和两步法偏移两种，其原理见图7-5-11。图中为地下P点的三维共深度点或中心点道集所形成的旋转双曲面，全三维偏移就是把双曲面上所有的点一次归位到P点上去。两步法偏移是先对某一方向做好第一步的二维偏移，再在其垂直方向做好第二步的二维偏移从而得到最终成果。例如，先在y方向把A、B、C、D、E、F、G……各点上资料偏移归位到D点，见图7-5-11，并以此类推；再在x方向把第一步偏移归位好的D-1、D0、D1、D2、D3……各点的资料偏移归位到P点。由于三维勘探得到的数据量十分大，全三维偏移（或称一步法偏移）工作量相当大，因此目前多用某些效率较高的近似方法，就是两步法和分裂法。 图7-5-11 全三维偏移和两步法偏移原理图 2.两步法和分裂法偏移 （1）两步法偏移。两步法的概念建立在认为一个三维问题可以完全分离成若干个二维问题解决的基础上。在具体实现时，一个三维偏移用互相垂直方向上依次进行的两次二维偏移代替，先沿x方向对所有的三维资料进行一次二维偏移，然后将偏移后的各道按y方向进行一次二维偏移就完成了近似的三维偏移工作。 其优点是极大地减少了计算工作量，而且现行的所有二维偏移程序在用于实现三维偏移时均可不作任何修改（仅在其中加上若干组织工作程序）。 （2）分裂法偏移。比两步法更精确的方法是分裂法。它是将一个三维偏移方程分裂为两个二维偏移方程，即将三维偏移化为两个二维偏移。但这两个二维偏移方程互相耦合，不是独立的，每延拓一次要交替使用两个方程。因此，分裂法与两步法不同之处在于它要交替地计算x方向和y方向上的延拓剖面，相当于一种递归运算，是一种递归偏移。 由此可见，虽然分裂法比两步法精确，但工作量大一些。图7-5-12给出了三维偏移和二维偏移的对比图。图7-5-12（b）是二维偏移剖面，可以在2.0s左右看到有明显的侧面波同相轴和反射同相轴斜交；图7-5-12（a）是经过三维偏移处理的剖面，侧面波被去掉，记录形态更清楚。 图7-5-12 三维偏移（a）和二维偏移（b）剖面比较 3.一步法与两步法的区别 用绕射扫描求和思想很容易说明一步法和两步法的区别。见图7-5-13（a），三维偏移要将绕射双曲面上任一点E（xe，ye，t）处的采样值归位于双曲面顶点D（xd，yd，t0）处。一步法偏移使用直接归位法，即直接将E点处的样值取至D点与其他归位样值叠加。两步法先将E点的样值归位于沿x方向切割的双曲面顶点A（xα，yα，t0），待此方向二维偏移做完后，再将这些双曲线顶点处的归位值沿y方向归位于双曲线顶点D。从形式上看二者毫无区别，实际上在速度纵向变化时二者结果是不同的。 图7-5-13 一步法和两步法的区别 做一步法偏移时，计算绕射双曲面所用的速度是D点处的速度v（t0）［图7-5-13（b）］。两步法沿x方向做第一次二维偏移时，计算绕射双曲线所用的速度也应当是v（t0），但实际使用的却是A点处速度v（T0）图7-5-13（b）（因t0在何处此时并不知道）。当v（T0）＝v（t0）时，当然没有问题。只要存在简单的纵向速度变化，就必然出现误差。此时并没有按切割绕射双曲面得到的双曲线进行归位，而是按另一条用v（T0）算出的双曲线（即图7-5-12（b）中的虚线）进行归位。归位到A点的能量并不完全是D点绕射波的能量，结果有问题。误差的大小取决于速度、速度梯度、旅行时、倾角、方位角等因素。不过，虽然两步法有误差，但通常情况下误差不很大，且它的效率十分高，故仍经常使用。