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《南海深水区地震采集技术研究与实践》对于海上地震采集观测系统设计具有较高的参考价值。《南海深水区地震采集技术研究与实践》结构清晰、内容新颖、资料翔实、文字简洁、图文并茂,可读性强,可供从事海洋石油地震勘探科技人员和高等院校有关师生参考。

内容简介

《南海深水区地震采集技术研究与实践》针对南海深水区复杂地质目标地震勘探面临的科学问题,较全面地开展了地震采集基础理论研究。相对于浅水区而言,深水区的地质环境
更为复杂,具有水体较深、海底地形突变及其下伏构造复杂等特点,地震勘探采集效果受诸多因素影响。《南海深水区地震采集技术研究与实践》从地震震源子波模拟、靶区三维地质建模、物理模拟、数值模拟、照明分析等入手,经过大量的理论和实际模型试算,创新深水环境震源组合、激发技术,优选深水区地震采集参数,优化采集观测系统设计,提出了深水区新的观测系统设计方案,并在典型靶区进行了野外地震采集试验,取得了明显的地震勘探效果。

作者简介

目　　录

丛书序
序
前言
第1章深水区气枪震源子波模拟 1
1.1气枪震源子波模拟基本理论 1
1. 1. 1 气枪工作原理 2
1.1.2单枪子波模拟 3
1.1.3相干枪子波模拟 5
1.1.4调谐枪子波模拟 6
1.1.5两种典型理论模型 7
1.1.5气枪震源子波参数及其含义 8
1.1.5气枪阵列优选标准 10
1.2相干枪间距及沉放深度参数优选 12
1.2.1相干枪子波模拟分析 14

丛书序 序 前言 第1章深水区气枪震源子波模拟 1 1.1气枪震源子波模拟基本理论 1 1. 1. 1 气枪工作原理 2 1.1.2单枪子波模拟 3 1.1.3相干枪子波模拟 5 1.1.4调谐枪子波模拟 6 1.1.5两种典型理论模型 7 1.1.5气枪震源子波参数及其含义 8 1.1.5气枪阵列优选标准 10 1.2相干枪间距及沉放深度参数优选 12 1.2.1相干枪子波模拟分析 14 1.2.2不同容量相干枪最佳间距试验 15 1.2.3不同沉放深度时相干枪子波模拟试验 17 1.3平面阵列震源子波模拟及参数优选 19 1. 3. 1 单一子阵阵列 19 1. 3. 2 双子阵阵列 24 1.3.3平面组合三子阵列 30 1.3.3平面组合四子阵列 36 1.4立体阵列设计及其子波模拟分析 40 1.4.1典型立体阵列设计及其子波模拟 40 1.4.2延时激发立体三子阵列设计及其子波模拟 47 1.4.3延时激发立体四子阵列设计及其子波模拟 50 1.4.4立体阵列的方向性分析 55 1.5立体六子阵列设计及其子波模拟分析 58 1.5.1立体六子阵列设计 58 1.5.1立体六子阵初步优选 60 1.5.3平面排列与立体排列的六子阵列子波模拟对比 64 1.5.4不同沉放深度子波模拟分析 65 1.5.5不同子阵间距阵列子波模拟分析 66 1.5.6上?下层排列不同延迟激发时间子波模拟分析 68 1.5.7大容量单枪替换成相干枪子波模拟分析 70 1.5.8大容量气枪置于阵列不同位置时子波模拟分析 71 1.5.9传统整齐排列与交错排列时子波模拟分析 73 1.5.10立体六子阵列最优的排列方式 74 1.1.5小结 77 第2章三维建模和数值模拟方法 79 1.1.5 1 三维数值建模 79 1.3.3 二维剖面间插值建模 79 1.3.4 三维层位数据插值建模 82 1.4.4 .2 二维波动方程有限差分数值模拟 87 2. 2. 1 全弹性波方程 88 1.5.1 全声波方程 89 1.5.2 全波方程的伪谱解法 89 1.5.3 单程波波动方程 89 2 .3边界积分方程数值模拟 91 2 .3.1多层介质的边界积分方程 91 2.3.2 积分方程的数值离散 93 2.3.3 改进的分块高斯消去法 93 2.3.4 奇异积分的处理 95 2.3.5 人工截断边界的处理 95 2 . 3 . 6 复杂海底靶区模拟 96 2 .4边界元-体积元波动方程数值模拟 102 2. 4. 1 广义 Lipmann-Schwinger 积分方程 102 2 .4.2广义积分方程的数值离散 102 2 . 4 . 3 广义积分方程的求解 103 2 . 4 . 4 复杂海底靶区模拟 103 2 . 5三维高斯射线束数值模拟 105 2 . 5 . 1 二维高斯射线束表达式 105 2 . 5 . 2 三维高斯射线束表达式 106 2 . 5 . 3 运动学射线追踪 107 2 . 5 . 4 动力学射线追踪 107 2 . 5 . 5高斯射线束模拟地震记录合成 108 2 . 6 三维克希霍夫积分模拟 108 2 . 6 . 1 克希霍夫积分与衍射公式 108 . 6 . 2 反射波场的克希霍夫正演计算 110 第3章南海深水靶区数值模拟及照明分析 112 1.1.6 复杂海底的统计特征分析 112 1.3.5 复杂海底的定量描述 112 1.3.6 理论模型的统计特征分析 114 1.3.7 靶区模型的统计特征分析 115 3.1.4复杂海底对地震波的散射特征分析 118 3.2采集观测系统分析方法 134 1.4.5 观测系统共聚焦(CFP)分析 134 1.4.6 观测系统均衡性分析 137 1.4.7 观测系统采集脚印分析 141 1.5.4 .3复杂海底区采集观测系统分析 145 3 .3.1复杂海底对采集观测系统面元覆盖率的影响 145 3 .3.2复杂海底对采集观测系统均衡性的影响 148 2.3.6 .3.3复杂海底对观测系统采集脚印的影响 152 3 .3.4复杂海底对采集观测系统聚焦度的影响 153 3 .3.5白云凹陷崎岖海底模型的观测系统分析 157 3 .3.6琼东南盆地坡折带模型的观测系统分析 163 3 . 3 . 7 采集观测系统设计建议 166 3. 4 基于模型的照明分析 167 3 .4.1复杂海底模型地震波场传播规律分析 167 3 .4.2基于波动方程的地震波照明模拟分析 172 3 . 4 . 3基于三维高斯射线束的地震波照明模拟分析 177 3 . 4 . 4基于三维克希霍夫积分的地震波照明模拟分析 195 3 . 5南海深水靶区照明模拟分析 207 3 .5.1白云凹陷崎岖海底模型的照明模拟与观测系统分析 207 3 . 5 . 2琼东南盆地坡折带模型的照明模拟与观测系统分析 223 3 . 5 . 3 小结 235 第4章南海深水靶区地震采集观测系统设计及野外试验 236 4.1 崎岖海底靶区野外采集试验 236 4.2 陵水凹陷靶区野外采集试验 242 4.3长昌凹陷陡坡海底靶区野外采集试验 246 结束语 251 参考文献 252

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前　　言

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第1章深水区气枪震源子波模拟
1.1气枪震源子波模拟基本理论
早期的海上地震勘探所用的震源几乎全部是炸药震源,但是其在使用过程中出现了明显的弊端,炸药爆炸所产生的废气在水中形成震荡,影响地震勘探的分辨率;此外,考虑到炸药的危险性,不能把所有的炸药都安装上雷管,雷管只能即用即安,故导致放炮的时间间隔较长,共中心点方法不能有效实现;再者,炸药爆炸对水体的污染亦不可避免?因此,海上地震勘探中的非炸药震源应运而生,气枪震源以其性能稳定可靠?子波一致性好? 频带宽?高频和低频成分丰富等特点,占据了非炸药震源的主导地位?
震源的远场子波对于地震数据处理解释来说是不可或缺的?随着气枪震源越来越广泛地应用于海洋地震勘探中,远场子波的确定成为热点研究对象?通常情况下用以下三种方法来确定气枪震源远场子波:一是采用特定的装置,通过实际测量的方法得到;二是通过提取海上实际资料中的信息,运用地球物理反演方法得到震源子波或其主要参数;三是通过震源近场子波(实际测量结果或数值模拟计算结果)采用一定的算法从而得到震源远场子波(王立明,2010)?
将数值模拟方法应用于震源子波的确定始于1917年,Rayleigh(1917)对在非压缩流体介质中的球形气泡的振荡问题进行了研究,得出了水中气泡的振荡是气泡初始半径?流体密度和静水压力的函数,即后来所形成的气泡自由振荡理论?
1923年,Lamb在可压缩流体中第一次推导出了较为精确的球形气泡运动方程,但遗憾的是这种方程并没有解析解?
1942年,Kirkwood和Bethe等在基于流体的可压缩性的前提条件下,对水下爆破突然释放高压气体产生的振荡波做了深人的研究,得到了丰富的成果,获得的运动方程也更加复杂?
1 956年,Keller和Kolodner以及Flynn在基于流体可压缩性的基础之上,分别通过不同的近似推导得到了形式不同的气泡运动方程,其中Keller和Kolodner提出的“水中自由气泡振荡”理论为以后人们对气枪震源的研究提供了理论基础(朱书阶,2008 )?“水中自由气泡振荡”理论的关键是气枪所释放的高压气体进人水介质中,从而使气泡成为流体中的震源,气泡震荡就像“一个逐渐衰减的阻尼性震荡的弹賛”?初始时刻,由于气枪高压气体的释放,周围静水压力要远低于气泡内的压力,巨大的内外压力差使得气泡膨胀得非常迅速,随着气泡体积的膨胀增大,气泡内部的压力逐渐减小,当周围静水压力与气泡内部压力相等时,由于惯性作用,气泡还能够继续地膨胀增大,接着,周围静水压力将高于气泡内部压力,气泡由于负向的压力差开始收缩减小,直到静水压力再一次低于气泡内部压力,第二个循环便开始了?如此反复,逐步形成了压力波并在水介质中传播(陈浩林等, 2003)?
1 970年,Ziolkowski结合Gilmore(1 952)方程,提出了后来成为单枪压力波场计算中著名的近场声波压力场的计算方法?
1972年,Schulze-Gattermann基于“自由气泡振荡”理论,考虑到震源子波中气枪枪体的影响,将枪体视为一个刚性球体,从而获得了气枪气泡压力波场?

第1章深水区气枪震源子波模拟 1.1气枪震源子波模拟基本理论 早期的海上地震勘探所用的震源几乎全部是炸药震源,但是其在使用过程中出现了 明显的弊端,炸药爆炸所产生的废气在水中形成震荡,影响地震勘探的分辨率;此外,考虑 到炸药的危险性,不能把所有的炸药都安装上雷管,雷管只能即用即安,故导致放炮的时 间间隔较长,共中心点方法不能有效实现;再者,炸药爆炸对水体的污染亦不可避免?因 此,海上地震勘探中的非炸药震源应运而生,气枪震源以其性能稳定可靠?子波一致性好? 频带宽?高频和低频成分丰富等特点,占据了非炸药震源的主导地位? 震源的远场子波对于地震数据处理解释来说是不可或缺的?随着气枪震源越来越广 泛地应用于海洋地震勘探中,远场子波的确定成为热点研究对象?通常情况下用以下三 种方法来确定气枪震源远场子波:一是采用特定的装置,通过实际测量的方法得到;二是 通过提取海上实际资料中的信息,运用地球物理反演方法得到震源子波或其主要参数;三 是通过震源近场子波(实际测量结果或数值模拟计算结果)采用一定的算法从而得到震源 远场子波(王立明,2010)? 将数值模拟方法应用于震源子波的确定始于1917年,Rayleigh(1917)对在非压缩流 体介质中的球形气泡的振荡问题进行了研究,得出了水中气泡的振荡是气泡初始半径?流 体密度和静水压力的函数,即后来所形成的气泡自由振荡理论? 1923年,Lamb在可压缩流体中第一次推导出了较为精确的球形气泡运动方程,但遗 憾的是这种方程并没有解析解? 1942年,Kirkwood和Bethe等在基于流体的可压缩性的前提条件下,对水下爆破突 然释放高压气体产生的振荡波做了深人的研究,得到了丰富的成果,获得的运动方程也更 加复杂? 1 956年,Keller和Kolodner以及Flynn在基于流体可压缩性的基础之上,分别通过 不同的近似推导得到了形式不同的气泡运动方程,其中Keller和Kolodner提出的“水中 自由气泡振荡”理论为以后人们对气枪震源的研究提供了理论基础(朱书阶,2008 )?“水 中自由气泡振荡”理论的关键是气枪所释放的高压气体进人水介质中,从而使气泡成为流 体中的震源,气泡震荡就像“一个逐渐衰减的阻尼性震荡的弹賛”?初始时刻,由于气枪高 压气体的释放,周围静水压力要远低于气泡内的压力,巨大的内外压力差使得气泡膨胀得 非常迅速,随着气泡体积的膨胀增大,气泡内部的压力逐渐减小,当周围静水压力与气泡 内部压力相等时,由于惯性作用,气泡还能够继续地膨胀增大,接着,周围静水压力将高于 气泡内部压力,气泡由于负向的压力差开始收缩减小,直到静水压力再一次低于气泡内部 压力,第二个循环便开始了?如此反复,逐步形成了压力波并在水介质中传播(陈浩林等, 2003)? 1 970年,Ziolkowski结合Gilmore(1 952)方程,提出了后来成为单枪压力波场计算中 著名的近场声波压力场的计算方法? 1972年,Schulze-Gattermann基于“自由气泡振荡”理论,考虑到震源子波中气枪枪 体的影响,将枪体视为一个刚性球体,从而获得了气枪气泡压力波场? 1 976年,Safar等人提出了更为简单的理论模型:将气泡的自由振荡类比于一个包含 电阻?电容的电路系统,用来预测震源爆炸所产生子波的各个参数? 1998年,Ziolkowski在研究了气枪排气口压力变化后,提出了新的气枪远场子波数 值模拟算法,模拟结果与测试结果十分吻合?气泡半径与初始气泡壁速度不再取决于理 想条件下计算的结果,而是通过近场测试子波得到? 此外,Giles 和 Johnston (1973)?Nooteboom (1978)?Johnson (1 982 ,1994)?Vaage 等 (983 ,1984)根据实际资料,通过深人研究气枪震源的工作参数?子波参数的经验公式,推 导出一些有效的经验公式? 如何增强震源能量,提高子波品质,压制气泡脉冲一直是气枪震源设计研究中的重 点?气枪阵列组合在压制气泡二次脉冲方面效果很好?调谐阵列组合和相干阵列组合是 气枪阵列组合的两种方式?调谐阵列组合是不同容量气枪的组合,由于气枪容量不同,故 气泡周期(period)亦不相同,进而利用其进行叠加以达到压制气泡脉冲的目的;相干阵列 组合则是相同容量气枪的组合,通过其产生的压力波场抑制气泡振荡从而达到压制气泡 脉冲的目的?通常情况下,人们将调谐阵列组合与相干阵列组合联合使用以组成气枪震 源(吴志强,2009)? 1982年,“阵列”的概念首次被Ziolkowski等(1982)提出,相干阵列中每只枪的压力 脉冲通过实际测量来确定,并作为该枪的单枪子波,由于相干作用的影响巳经包含在了单 枪子波中,因此阵列在水中任何位置所产生的压力波场便可计算得出(狄帮让等,2003 )? Nooteboom(1978),Vaage等(1 983 , 1 984)都深人地研究了气泡间的相干距离,为后人的 研究工作提供了丰富的资料? 国外学者经过多年长时间对气枪震源理论的研究,其理论巳逐渐趋于完善,而国内的 该领域研究起步较晚,大都只是停留在气枪及相关软件的应用阶段,无论是气枪阵列的基 础理论研究还是气枪阵列的优化组合等诸多方面几乎都是空白(陈浩林等,2003)? 存在问题:尽管众多的气枪子波数值模拟方法和模型巳经被科学家和学者提出,但是 模拟结果相对于实测结果而言总是存在着或大或小的差异?造成这种差异的原因有很 多,其中最主要的应该是数值算法的缺陷?假设条件不符合实际情况?计算中的近似误差 等?此外,无论是国内还是国外对气枪震源子波数值模拟的研究及应用大多停留在同步 激发的平面阵列阶段,对于立体阵列及其延迟激发并没有进行系统的研究? 1.1.1 气枪工作原理 目前国内海上地震勘探中所用气枪大多为sleeve枪,sleeve枪?G枪和套筒枪工作原 理基本相同,sleeve枪构造示意图如图1-1所示?从图中可以看出,sleeve枪的左右两侧 各有一个气室(chamber),分别为启爆气室(firing chamber)和主气室(main chamber),连 通两气室的是点火活塞(chamber fill orifice),船上高压气体存放于储气瓶中,由储气瓶 所释放出来的气体经过主控制面板的分流进人sleeve枪的左右两个气室,启爆气室的高 压气体会压住启爆活塞,使其封闭主气室的高压气体?此时两个气室基本处于平衡状态, 当螺旋线电磁阀(solenoid valve)点火后,启爆气室的高压气体被释放掉,由于启爆气室和 主气室失去平衡,启爆活塞迅速向左滑动,使得封闭的主气室被打开,这样,主气室的高压 气体迅速释放到水中,由此便产生了主脉冲(primary),螺旋电磁阀点火到主气室的启爆 需要一定的延迟时间,这取决与启爆活塞向左滑动的速度,由于各种不同类型枪体的制作 工艺差别,故延迟时间也不一样,这需要由船上的主面板和传感器共同控制? 图1-1 sleeve气枪构造示意图 1.1.2单枪子波模拟 气枪震源的理论基础为自由气泡振荡理论,而震源设计的基础为单枪模拟,单枪子波 模拟包含近场子波模拟和远场子波模拟,近场子波模拟是对单枪进行子波信号测量,它的 具体做法是使水听器与空气枪的距离约为1m,当海面虚反射未到达之前完成对气枪阵 列子波的完全接收,由此海面虚反射的影响便可以避免,接收到的气枪信号也较为准确? 根据前人研究,震源子波模拟理论公式是基于如下假设得到的(林松等,2008)? (1)假设空气枪突然释放后产生的气泡是球形对称的,并且气泡振荡符合自由气泡 理论,即认为气泡震荡类似于“一个逐渐衰减的阻尼性震荡的弹簧”Lamb在球坐标中精 确的波动方程形式(Lam b,1 9 2 3)为 , v2 □ 2 3少,丄 r d2口1 2 H 口1 H 2 ^ ^ = 0 (1 -1) 3r2 □ c2 r 9r □ c2 3/:9r c2 9/:2 式中,中为气泡速度的势;t为时间c为水中声波速度;r为离开气泡中心的距离v为气 泡壁速度?由于气泡壁速度相对于水中声波速度c是非常小的,由此可以将它忽略不计, 并省略式(1 -1 )的高阶导数项,得到 32少,2 9H 9 1 = 0 d^2) 3r2 r 9r c2 9t2 Ziolkowski(1970)在假设水在不可压缩的流体的情况下得到气泡相邻水体速度 和压力的表达式为( , 1 r r □ . 1 r/ r □ H f ^ r □ c rc □ c p (t— ph 1 , r □ v2 (,) 't 9^ p r □ c 2 (1-3) (1-4) 式(-3)和式(-4)中,ph为气泡外静水压力值;p为水体密度p(rt)为气泡内部压力; ■v((r)为气泡壁速度.若气泡运动形式巳知,则波动方程/(,r)以及它的一阶导数 /'((r )就可以得到了,且气泡壁速度和压力在水中的任意位置都可求得? 1.1.5 假设m (r ()为离开气泡中心r处测得的压力值,则测量值m (r ()等于气泡压 力p(r ()减去静水压力值ph (Ziolkowski,1 970),即 m(r () = p (r () — ph (-5) 假设在(=r时巳知速度v (r,r ),则由式(-3)和式(-4)可得 vz (r ,) r! r □ f T = r 1.3.3 c p Kr,r) v2(r,r) , c □ 2 f /T ——一=r 1.3.4 r pc 2c 也可求得/〃()和/〃(),以及v⑴和t/⑴在(=,的表达式为 (1-6) (1-7) v(r,T) □ 3 , v(r,r)/ f,— r rm fr ) ] □ c 卞 ? p r V r i 1 rff r □ , )H / f, c rc □ c 巧 r □ f = □ c (1-8) (1-9) r □ E ,)/^fz ■ □ c n r2 日 r rmff (r,) + v'2 (r,)+ rW r □ f fz = □ c (1-10) v(r,r) □ — f(r t) = — /(z — — ) H / ff r2 c rc □ c ■v(r,r +At)可用省略高阶项的泰勒表达式表示为 v (r H At ) =v(r ,) + t/(r,r) At H v”(r,r ) ~ H V" ( r,r ) —,,~ (1-12) 要求波动方程/((r)以及它的一阶导数/'((r),就必须知道气泡壁速度初始值和 压力测量值m(r (),然后进行迭代并求取波动方程/ (,r)和它的一阶导数f (t OZ- olkowski ,1 998)?再利用求得的波动方程/(( r )和它的一阶导数f ( ( r ),就可以得到 水中任意位置的压力和速度,包括气泡壁上和气泡内部的压力和速度? 因此,需要知道速度的初始值,然后进行迭代,便可以得到单枪子波数值模拟结果,初 始速度可表示为 m ? P(0,r) — Ph ] n 10x v (0 ) = (1-13) pc 1.1.3相干枪子波模拟 1.1.6 相干枪原理 相干枪的概念起源于70年代初,而兴起于80年代,传统的大容量单枪逐渐被两支或 多支小容量的相干枪所代替,即采用枪组合法对气泡二次脉冲进行压制?早期人们多采 用调谐枪,调谐枪由不同容量的两支枪组成,两枪之间的距离保持较大,由于容量以及枪 体距离的关系,调谐枪产生的气泡周期不一致?同时激发后,第一个压力(气泡)脉冲实现 同相叠加而使得主脉冲值加强,气泡二次脉冲由于相位上的差异而实现相消,因此气泡脉 冲得到了抑制,初泡比(p/b ratio)得到了提高,对地震资料采集更加有利?但原理上存在 弊端限制了这种简单气枪组合的发展(陈浩林等,003)?一方面,由于气枪间距要求较 大,一般要大于5?6倍的气泡半径,这样使得所设计的阵列体积过大,违背自由震荡理论 中点震源的初衷;另一方面,大容量的单

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