三维地震勘探虚拟仿真实验设计

实 验 技 术 与 管 理 第37卷 第2期 2020年2月
Experimental Technology and Management Vol.37 No.2 Feb. 2020
ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
DOI: 10.16791/ki.sjg.2020.02.030
三维地震勘探虚拟仿真实验设计
张佳佳，梁 锴，张广智，张繁昌，宗兆云
（中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）
摘 要：为使学生更好地理解三维地震勘探的基本概念和理论方法，制作了W. S. French 三维地质模型，基于该模型设计了三维地震勘探虚拟仿真实验，模拟三维地震勘探中采集、处理和解释过程。

该虚拟仿真实验可以帮助学生直观地认识三维地震勘探施工流程，加深对三维地震勘探理论方法的理解，提高工程实践能力。

关键词：三维地震勘探；三维地质模型；虚拟仿真
中图分类号：P315.8 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2020)02-0128-04
Design of virtual simulation experiment for 3D seismic exploration
ZHANG Jiajia, LIANG Kai, ZHANG Guangzhi, ZHANG Fanchang, ZONG Zhaoyun
(School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)
Abstract: In order to help students to better understand the basic concepts and theoretical methods of 3D seismic exploration, a W. S. French 3D geological model is constructed. Based on the model, a virtual simulation experiment of 3D seismic exploration is designed to simulate the process of acquisition, processing and interpretation in 3D seismic exploration. This virtual simulation experiment can help students to understand the construction process of 3D seismic exploration intuitively, deepen their understanding of 3D seismic exploration theory and method, and improve their engineering practice ability.
Key words: 3D seismic exploration; 3D geological model; virtual simulation
三维地震勘探具有高密度地震数据采集、三维空间成像归位以及显示方式灵活多样等特点，已广泛应用于复杂地质构造以及隐蔽油气藏[1-3]探查。

三维地震勘探是勘查技术与工程专业以及地球物理学专业“地震勘探原理”“地震资料数字处理”和“地震资料综合解释”等主干课程的重要内容[4-6]。

与二维地震勘探相比，三维地震勘探的基本概念和理论方法更加抽象和复杂，学生理解起来比较困难。

针对这一问题，制作了W. S. French 三维地质模型，利用超声波模拟实际三维地震勘探的地震波进而模拟实际三维地震勘探的数据采集过程，指导学生利用Seismic Unix 软件处理三维地震勘探数据，并进行三维地震数据解释，编制
收稿日期: 2019-07-15
基金项目: 国家自然科学基金项目（41404088）；中国石油科技创
新基金项目（2016D-5007-0301）；山东省本科高校教学改革研究项目（2015M015）；中央高校基础研究业务费专项基金项目（18CX02061A ）；中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目（QN201703）
作者简介: 张佳佳（1986—），男，湖北随州，博士，讲师，主要研究方向为地球物理。

E-mail: zhangjj@
地质构造图，使学生能够直观地学习三维地震勘探采集、处理和解释过程。

1 虚拟仿真实验平台设计
地震勘探是在地表用炸药或者可控震源等向地下激发地震波，地震波遇到地下地质构造会发生反射，在地表用检波器接收反射回来的地震波，形成地震波的反射记录[4-6]。

常规的二维地震勘探是指炮点和检波点布设在一条直线上，而三维地震勘探是指炮点和检波点位于一个平面内[7-8]，如图1所示。

地震勘探虚拟仿真实验平台是根据物理相似性和几何相似性原则，将实际地下地质构造等比例缩小，制作成地质模型，并用超声波模拟实际地震勘探的地震波。

该虚拟仿真实验平台由地质模型、超声波发生器、超声波激发探头和接收探头、数模转换器、控制系统、三维定位装置以及计算机组成，如图2所示。

其中：地质模型是三维地震勘探的地质目标；超声波激发探头用于向地质模型激发超声波；超声波接收探头用于接收由地震模型反射回来的超声波；超声波发生器用来控制超声波探头发射和接收超声波；数模转
张佳佳，等：三维地震勘探虚拟仿真实验设计 129
换器用于将超声波模拟信号转换为数字信号传输给计算机；三维定位系统是根据三维地震勘探观测系统对超声波激发和接收探头进行空间位置坐标定位；计算
机用来进行超声波信号采集记录，以及移动变换超声波探头的位置；控制系统用来根据计算机指令对三维定位系统进行控制。

图1 地震勘探原理示意图
图2 虚拟仿真实验平台
2 三维地震勘探虚拟仿真实验
2.1 三维地质模型制作
W. S. French 三维地质模型是20世纪70年代W. S. French 提出的经典地质模型[9-11]，该模型可以说明三维地震勘探解决复杂地质问题的优势和二维地震勘探的缺陷和局限性。

手工W. S. French 三维地质模型的制作过程为： （1）将硅橡胶与固化剂按照合适比例混合，倒入搅拌器搅拌均匀。

（2）将搅拌均匀的混合材料倒入真空容器并进行抽真空处理，再将已抽真空的材料倒入事先准备好的模具，直至完全固化为止。

（3）从模具中脱模。

手工制作的W. S. French 三维地质模型如图3所示。

该地质模型为一个平坦地层被一条断层分割为两部分，断层下降盘有两个紧靠在一起的穹隆构造，断面是一个斜坡。

图3 手工制作的W. S. French 三维地质模型
2.2 三维地震勘探采集实验
将制作好的W. S. French 三维地质模型放置在虚拟仿真实验平台中，即可进行三维地震勘探采集实验，如图4所示。

实际的三维地震勘探实施过程非常复杂，
130 实验技术与管理
图4三维地震勘探采集实验
采用虚拟仿真实验可以最大限度地模拟实际三维地震勘探采集过程[12-15]。

结合“地震勘探原理”课程地震观测系统布设的知识点，指导学生沿着W. S. French 三维地质模型布设三维地震勘探测线。

整个W. S. French地质模型共布设13条地震测线，如图5所示。

这些地震测线分别经过了断层下降盘4、穹隆1和穹隆2、断层面3以及断层上升盘5等地质构造。

图5 三维地震测线布设图
2.3三维地震勘探处理实验
结合“地震资料数字处理”课程中有关地震资料处理的知识点，指导学生使用Seismic Unix软件处理三维地震勘探数据，并选择图6中测线6和测线13地震剖面结果进行分析。

第6条测线从断层下降盘4开始，经过穹隆2的顶部，再经过穹隆1右翼最低点的平坦部位，与断层陡坡呈45°夹角进入断层上升盘5。

第13条测线从断层下降盘仅经过断层下降盘4、断层面3以及断层上升盘5，未经过穹隆1和穹隆2。

图6(a)为测线6未经偏移校正的常规水平叠加剖面，可以明显看到绕射波和侧面波，其中穹隆1被放大并掩盖平坦地层，并且断面反射右移，同时还出现了来自穹隆2的侧面反射波。

图6(b)为测线13未经偏移校正的常规水平叠加剖面，除了上升盘5和下降盘4之外，同样可以看到出现了来自穹隆2的侧面反射波。

学生通过地震剖面的对比分析可知：在地下地质构造比较复杂的情况下，二维地震勘探得到的地震剖面往往不能真实反映地下构造形态，因此必须进行三维地震勘探，这也是三维地震勘探的优势所在。

图6W. S. French地质模型不同测线地震剖面
2.4三维地震勘探解释实验
结合“地震资料综合解释”课程中关于地震构造解释的知识点，训练学生利用三维地震勘探结果进行地质构造解释，如图7所示。

图7说明利用三维勘探结果编制的地质构造解释图能够真实反映W. S. French地质模型顶面的构造形态。

张佳佳，等：三维地震勘探虚拟仿真实验设计 131
图7 W. S. French 地质模型地质构造解释
3 结语
三维地震勘探虚拟仿真实验能够实现在地质模型上布设三维地震测线，模拟实际三维地震勘探施工过程，并进行三维地震数据的采集、处理和解释，有助于加深学生对三维地震勘探理论方法的理解，提高学生的工程实践意识和实际动手能力。

该虚拟仿真实验也可以为其他地球物理勘探类课程的实验教学提供参考。

参考文献 (References)
[1] 印兴耀，韩文功，李振春，等. 地震技术新进展[M]. 东营：中国石油大学出版社，2006.
[2] 陆基孟，王永刚. 地震勘探原理[M]. 东营：中国石油大学出版社，2009.
[3] 李勤.“地球物理勘探”课程在地质工程专业教学的探索[J]. 大学教育，2014(7): 111–112.
[4] 张平松，刘盛东. 地球物理勘探课程设计性和综合性实验实施与思考[J]. 中国地质教育，2005(4): 97–99.
[5]
易兵，薛建，王元新，等. 工程与环境地球物理课程改革与
实践[J]. 实验技术与管理，2013, 30(2): 18–19, 28.
[6]
张佳佳，印兴耀，李振春，等. 地球物理综合实验场地建设与教学实践[J]. 实验技术与管理，2017, 34(11): 232–235. [7]
薛建，黄航，梁文婧. 工程与环境地球物理创新型开放性实验设计[J]. 实验室研究与探索，2015, 34(8): 186–189, 201. [8] 潘保芝，刘财，杜晓娟，等. 应用地球物理实验教学中心建设的研究与实践[J]. 实验技术与管理，2013, 30(2): 20–21, 38. [9] 何樵登，杨宝俊，程东峰. 三维地震勘探技术[M]. 长春：吉林大学出版社，1988.
[10] 郝钧. 三维地震勘探技术[M]. 北京：石油工业出版社，1992. [11] 马在田. 三维地震勘探方法[M]. 北京：石油工业出版社，1989. [12] 李永涛，王传雷，曲赞，等. 地球物理学野外教学实习的改
革与创新[J]. 实验室研究与探索，2011, 30(3): 307–309. [13] 曹丹平，印兴耀，孙成禹，等. 地下地球物理探测教学实验
室建设与实践[J]. 中国地质教育，2015, 24(3): 73–77. [14] 孙鲁平. “应用地震学”课程改革与教学方法探讨[J]. 中国
地质教育，2014(1): 51–54.
[15] 冯磊，杨双安，李晓斌，等. 煤炭高校勘探地震学课程教学
方案探讨[J]. 大学教育，2016(7): 145–146.
（上接第120页）
[9]
ZHANG Y, PENG Y, YANG H, et al . Performance improvement of two-vectors-based model predictive control of PWM rectifier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(8): 6016–6030.
[10] 郑泽东，王奎，李永东，等. 采用模型预测控制的交流电机
电流控制器[J]. 电工技术学报，2013, 28(11): 118–123.
[11] 徐艳平，王极兵，周钦，等. 永磁同步电动机双优化三矢量
模型预测电流控制[J]. 中国电机工程学报，2018, 38(6): 1857– 1864, 1923.
[12] 王极兵. 永磁同步电动机三矢量模型预测电流控制策略[D].
西安：西安理工大学，2018.
[13] 张维. 永磁同步电机系统模型预测电流控制策略[D]. 天津：
天津大学，2017.。