三維地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張佳佳，梁 鍇，張廣智，張繁昌，宗兆云

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

三維地震勘探具有高密度地震數(shù)據(jù)采集、三維空間成像歸位以及顯示方式靈活多樣等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造以及隱蔽油氣藏[1-3]探查。三維地震勘探是勘查技術(shù)與工程專業(yè)以及地球物理學(xué)專業(yè)“地震勘探原理”“地震資料數(shù)字處理”和“地震資料綜合解釋”等主干課程的重要內(nèi)容[4-6]。與二維地震勘探相比，三維地震勘探的基本概念和理論方法更加抽象和復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)比較困難。針對(duì)這一問(wèn)題，制作了W. S. French 三維地質(zhì)模型，利用超聲波模擬實(shí)際三維地震勘探的地震波進(jìn)而模擬實(shí)際三維地震勘探的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生利用Seismic Unix 軟件處理三維地震勘探數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維地震數(shù)據(jù)解釋，編制地質(zhì)構(gòu)造圖，使學(xué)生能夠直觀地學(xué)習(xí)三維地震勘探采集、處理和解釋過(guò)程。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

地震勘探是在地表用炸藥或者可控震源等向地下激發(fā)地震波，地震波遇到地下地質(zhì)構(gòu)造會(huì)發(fā)生反射，在地表用檢波器接收反射回來(lái)的地震波，形成地震波的反射記錄[4-6]。常規(guī)的二維地震勘探是指炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)布設(shè)在一條直線上，而三維地震勘探是指炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位于一個(gè)平面內(nèi)[7-8]，如圖1 所示。

地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是根據(jù)物理相似性和幾何相似性原則，將實(shí)際地下地質(zhì)構(gòu)造等比例縮小，制作成地質(zhì)模型，并用超聲波模擬實(shí)際地震勘探的地震波。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由地質(zhì)模型、超聲波發(fā)生器、超聲波激發(fā)探頭和接收探頭、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、控制系統(tǒng)、三維定位裝置以及計(jì)算機(jī)組成，如圖2 所示。其中：地質(zhì)模型是三維地震勘探的地質(zhì)目標(biāo)；超聲波激發(fā)探頭用于向地質(zhì)模型激發(fā)超聲波；超聲波接收探頭用于接收由地震模型反射回來(lái)的超聲波；超聲波發(fā)生器用來(lái)控制超聲波探頭發(fā)射和接收超聲波；數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將超聲波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)；三維定位系統(tǒng)是根據(jù)三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)超聲波激發(fā)和接收探頭進(jìn)行空間位置坐標(biāo)定位；計(jì)算機(jī)用來(lái)進(jìn)行超聲波信號(hào)采集記錄，以及移動(dòng)變換超聲波探頭的位置；控制系統(tǒng)用來(lái)根據(jù)計(jì)算機(jī)指令對(duì)三維定位系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 地震勘探原理示意圖

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 三維地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 三維地質(zhì)模型制作

W. S. French 三維地質(zhì)模型是20 世紀(jì)70 年代W. S.French 提出的經(jīng)典地質(zhì)模型[9-11]，該模型可以說(shuō)明三維地震勘探解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)和二維地震勘探的缺陷和局限性。

手工W. S. French 三維地質(zhì)模型的制作過(guò)程為：

（1）將硅橡膠與固化劑按照合適比例混合，倒入攪拌器攪拌均勻。

（2）將攪拌均勻的混合材料倒入真空容器并進(jìn)行抽真空處理，再將已抽真空的材料倒入事先準(zhǔn)備好的模具，直至完全固化為止。

（3）從模具中脫模。

手工制作的W. S. French 三維地質(zhì)模型如圖3 所示。該地質(zhì)模型為一個(gè)平坦地層被一條斷層分割為兩部分，斷層下降盤有兩個(gè)緊靠在一起的穹隆構(gòu)造，斷面是一個(gè)斜坡。

圖3 手工制作的W. S. French 三維地質(zhì)模型

2.2 三維地震勘探采集實(shí)驗(yàn)

將制作好的W. S. French 三維地質(zhì)模型放置在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，即可進(jìn)行三維地震勘探采集實(shí)驗(yàn)，如圖4 所示。實(shí)際的三維地震勘探實(shí)施過(guò)程非常復(fù)雜，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以最大限度地模擬實(shí)際三維地震勘探采集過(guò)程[12-15]。結(jié)合“地震勘探原理”課程地震觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)的知識(shí)點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生沿著W. S. French三維地質(zhì)模型布設(shè)三維地震勘探測(cè)線。整個(gè) W. S.French 地質(zhì)模型共布設(shè)13 條地震測(cè)線，如圖5 所示。這些地震測(cè)線分別經(jīng)過(guò)了斷層下降盤4、穹隆1 和穹隆2、斷層面3 以及斷層上升盤5 等地質(zhì)構(gòu)造。

圖4 三維地震勘探采集實(shí)驗(yàn)

圖5 三維地震測(cè)線布設(shè)圖

2.3 三維地震勘探處理實(shí)驗(yàn)

結(jié)合“地震資料數(shù)字處理”課程中有關(guān)地震資料處理的知識(shí)點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生使用Seismic Unix 軟件處理三維地震勘探數(shù)據(jù)，并選擇圖6 中測(cè)線6 和測(cè)線13地震剖面結(jié)果進(jìn)行分析。

第6 條測(cè)線從斷層下降盤4 開(kāi)始，經(jīng)過(guò)穹隆2 的頂部，再經(jīng)過(guò)穹隆1 右翼最低點(diǎn)的平坦部位，與斷層陡坡呈45°夾角進(jìn)入斷層上升盤5。第13 條測(cè)線從斷層下降盤僅經(jīng)過(guò)斷層下降盤4、斷層面3 以及斷層上升盤5，未經(jīng)過(guò)穹隆1 和穹隆2。

圖6(a)為測(cè)線6 未經(jīng)偏移校正的常規(guī)水平疊加剖面，可以明顯看到繞射波和側(cè)面波，其中穹隆1 被放大并掩蓋平坦地層，并且斷面反射右移，同時(shí)還出現(xiàn)了來(lái)自穹隆2 的側(cè)面反射波。圖6(b)為測(cè)線13 未經(jīng)偏移校正的常規(guī)水平疊加剖面，除了上升盤5 和下降盤4 之外，同樣可以看到出現(xiàn)了來(lái)自穹隆2 的側(cè)面反射波。學(xué)生通過(guò)地震剖面的對(duì)比分析可知：在地下地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜的情況下，二維地震勘探得到的地震剖面往往不能真實(shí)反映地下構(gòu)造形態(tài)，因此必須進(jìn)行三維地震勘探，這也是三維地震勘探的優(yōu)勢(shì)所在。

圖6 W. S. French 地質(zhì)模型不同測(cè)線地震剖面

2.4 三維地震勘探解釋實(shí)驗(yàn)

結(jié)合“地震資料綜合解釋”課程中關(guān)于地震構(gòu)造解釋的知識(shí)點(diǎn)，訓(xùn)練學(xué)生利用三維地震勘探結(jié)果進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解釋，如圖7 所示。圖7 說(shuō)明利用三維勘探結(jié)果編制的地質(zhì)構(gòu)造解釋圖能夠真實(shí)反映 W. S.French 地質(zhì)模型頂面的構(gòu)造形態(tài)。

圖7 W. S. French 地質(zhì)模型地質(zhì)構(gòu)造解釋

3 結(jié)語(yǔ)

三維地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)在地質(zhì)模型上布設(shè)三維地震測(cè)線，模擬實(shí)際三維地震勘探施工過(guò)程，并進(jìn)行三維地震數(shù)據(jù)的采集、處理和解釋，有助于加深學(xué)生對(duì)三維地震勘探理論方法的理解，提高學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也可以為其他地球物理勘探類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。