地震勘探学习(一)

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1. 地震波速度

概念: 地震波在地下岩层中传播的距离与传播时间的比值. 其单位(km/s or m/s).

\(v = \frac{\lambda}{t}\)

or  \(v =  \lambda f\)

地震波在空气中的传播速度大约为340m/s; 在近地表区域, 其速度大约是数百米/秒 ( 通常与岩层结构以及其他地质因素有关). 在地下2885千米之深处, 纵波速度最大, 其速度可达到13.7km/s.

并且, 体波的速度大于面波的速度.

地震时纵波最先到达, 然后是横波, 最后是面波. 所以地震来临时, 人们先是感受到上下震动, 然后左右摇晃, 最后是翻天覆地的旋转.

下面以纵波速度为例, 讨论影响地震波速度的主要因素.

1.1 影响地震波速度的主要因素

岩性: 岩石的岩性不同, 其速度也会有相应差异.

密度: 随着密度增加, 纵波速度增加.

 孔隙度: 随着孔隙度增加, 纵波速度减小.

空隙压力: 随着空隙压力增加, 纵波速度增加.

围压、深度:  随着围压、深度的增加, 纵波速度增加.

1.2 地震勘探中的多种地震速度

• 层速度
• 平均速度
• 射线平均速度
• 群速度
• 相速度
• 视速度
• 均方根速度
• 叠加速度
• 动校正速度
• 等效速度
• 偏移速度

 由于测量方法不同, 岩石的波速会随着测量频率的增高而增高.

 声波测井和实验室超声波测量的岩石速度要大于地震波的速度.

2. 地震子波 (seismic wavelet)

下面以炸药震源为例, 来看看地震子波是如何形成的.

炸药产生延续时间极短的尖脉冲, 在爆炸点附近的介质中以冲击波的形式传播. 当爆炸脉冲向外传播一定距离以后, 地层产生的弹性形变再向外传播. 由于介质对高频成分的吸收, 波形发生明显变化, 直到传播了更远的距离以后, 波形逐渐稳定, 形成一个具有两到三个相位的、有一定的延续时间的地震波, 称其为地震子波.

地震子波是一段具有确定的起始时间、能量有限且有一定延续长度的信号, 它是地震记录中的基本单元.

通过傅里叶变换, 对地震子波进行频谱分析, 我们就可以了解地震子波的频率和相位特征.

不同延续时间长度的地震子波, 从对应的频谱中可以看出, 子波越尖锐, 频带越宽, 地震勘探的分辨率越高.

同时, 不同震源激发的地震子波, 它们的特征也不相同.

1. 炸药震源: 能量相对强, 频带宽度较宽

   

2. 重锤震源: 能量相对弱, 频带宽度较窄

   

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3. 可控震源

   

4. 海上空气枪 (组合前)

   

   ​
5.  海上空气枪 (组合后)

   

 3. 合成地震记录

合成地震记录是用声波测井或垂直地震剖面资料经过人工合成转换成的地震记录 (地震道). 合成地震记录的制作是一个简化的一维正演的过程,合成地震记录是地震子波与反射系数褶积的结果, 计算公式为:

\(\mathbf{S}(t) = \mathbf{R}(t) \times \mathbf{W}(t)\)

其中,  \(\mathbf{S}(t)\) 为合成地震记录, \( \mathbf{R}(t) \) 为反射系数序列, \(\mathbf{W}(t)\) 为地震子波.

合成地震记录制作的一般流程是: 由声波和密度测井曲线计算得到反射系数, 将反射系数与提取的地震子波进行褶积得到初始合成地震记录. 根据较精确的速度场对初始合成地震记录进行校正, 再与井旁地震道匹配调整, 得到最终合成地震记录.

 但实际的地震记录, 会受到各种因素的影响: 近地表, 噪音, 吸收衰减, 干扰波等.

4. 地震分辨率

分辨率: 是指区分两个靠近物体的能力. 在地震勘探中的分辨率指的是能够区分地下空间构造 (或地层) 的最小准确测量值.

度量分辨率强弱的两种表示:

1. 距离表示: 分辨的垂直距离或横向范围越小, 分辨率越强.
2. 时间表示: 在地震时间剖面上, 相邻地层时间间隔/\(\mathrm{d} t\)越小, 分辨率越强.

4.1 地震分辨率类型

• 地震纵向分辨率 (垂直分辨率): 分辨薄层顶底反射的能力

1. 假设地下有三套地层, A, B, C, 且B地层的波阻抗大于A和C地层. 由于B地层较厚, 子波2开始时, 子波1已经结束, 地震波基本没有干涉, 即厚层的时间厚度 > Dp (子波延续长度). B层的顶底是可以分辨的.

2.如果地层B的时间厚度为0.9*Dp, 子波1没有完全结束前, 子波2就已经开始振动了, 有一些波的干涉. B层的顶底还是可以分辨.

3.如果地层B的时间厚度为0.5*Dp, 子波1没有结束前子波2已经开始振动. 此时, 波的干涉严重, B的顶底就不能分辨.

从以上分析可以得出: 子波延续长度越小, 纵向分辨率越高.

那么提高地震资料分辨的方法有:

1. 利用地震反褶积来压缩地震子波

2. 地震野外采集中, 激发延续时间短的地震子波

由纵向分辨率的极限为 \( \frac{\lambda}{4}\), 且\(\lambda = VT=\frac Vf \), 可得: 提高主频可以提高纵向分辨率 

 在提高地震主频的同时, 地震子波的频带宽度越宽, 地震纵向分辨率越高

• 地震横向分辨率 (水平分辨率): 地震分辨小断块、小砂体何储层边界的能力.

物理地震学认为, 地震波是一个波动, 在地面上一点可以收到来自地下许多点来的绕射波. 地面上收到的可以“分辨”的反射来自某一范围内绕射子波叠加的结果, 则水平方向的分辨率就是该范围的大小, 再小就无法分辨。

第一菲涅尔带的概念: 如上图所示, 落在反射界面上o点两侧的c、d点产生的绕射子波, 与o点产生的绕射子波到达地面s/g点时差为\(\frac12 T\), 那么距离上相当于\(\frac14 \lambda\). 则认为c、d点以内的点产生的绕射子波在地面s/g点是加强的; c、d点以外产生的绕射波在地面s/g点不再相互加强. 我们把以o点为圆心,  oc为半径在反射界面上画出的圆的范围, 叫做s/g点产生的波在界面上的第一菲涅尔带, oc即为第一菲涅尔带半径.

\(R= \sqrt{0.5 * \lambda *z} = \sqrt{0.5 * \frac{v}{f} z}\)

从公式中可以看出, 频率越高, 菲涅尔带半径越小, 横向分辨率越高; 反射界面深度越大, 横向分辨率越低; 速度越大, 菲涅尔带半径越大, 横向分辨率越低.

提升横向分辨率的方法:

1.在野外采用高精度三维地震勘探

2.室内采用高精度地震偏移方法等