地震勘探方法与技术新进展

假设我们已经有了X射线的发射和接收装置。X射线经过物体后，它的强
度减弱，这是由两种过程产生的，一种是射线被物体吸收，另一种是被散
射，散射改变X射线的方向，于是原方向上强度降低，在X射线层析中，一
般忽略散射因素。假设被测物体是均匀的介质，X射线管发出单色X射线穿
过物体，已知初始强度为I0，经过x距离后探测管得到强度为I，µ是衰减系 数，有以下关系
层析技术首先在诊断医学中应用，逐步推广到非医学领域，诸如石
油地震勘探、油气开发、地球物理学、射电天文学、超声学、微波、雷 达、结晶学、电子显微技术等等。
在石油开发中，作适当改进后的医学CT扫描仪是做岩心测定、岩 石机理和油藏工程研究的新的高精度工具。利用CT扫描仪在提高采收率 （EOR）方面开展的研究，主要是岩石学和储层分析。
地震勘探方法与技术新进展
第五章 井间层析成像
第一节 井间层析成象概述
层析技术，通称CT(Computerized tomography的缩写)技术。它与 空间技术、遗传工程、新粒子发现等同列为70年代国际重大科技进展。
层析技术经过了漫长的研究过程。W.Rontgen与1985年发现X射线。 不久建立诊断医学中的X射线摄影术，开创了技术与医学相结合的新 纪元，为人类健康做出了巨大贡献。但是X射线摄影术有一些缺点：
井间地震受到X射线扫描装置的启发， 在一口井中激发地震波，在另一口井中接 收到地震波（示意见图5-4）地震波在不同 岩石中传播的速度不同，在接收井中的到 达时间不同。利用到达时间，用医学层析 法做反投影成象，可以相当精确地显示出 地下岩性变化，在油气开发区还可以判断 油气运移情况。
I= I0 e-µx
（5—1）
若物体由多层介质组成，设每层是均匀的，各层衰减系数分别为µ1,µ2…，
µN，相应的厚度分别为x1,x2,…xN, X射线穿过N层后，有类似式（5—1）的
关系
I= I0 e-∑jµjxj
（5—2）
对于非均匀介质的物体在某一平面上，我们引入坐标系（X,Y）,沿任意
一射束路径L的衰减系数I记= 为I0 µe=-µ∫(xLµ,(yx,)y，)ds则
英国EMI（电器公式司中心研究试验室的G.Hounsfield自1967年进行了X 射线断层图象重建过程中的一系列试验，1970年研制出世界上第一台X 射线颅脑CT扫描机。
1979年G.N.Hounsfield和A.M.Cormack共同获得1979年度生理、医 学诺贝尔奖金。
X射线CT在世界范围内得到普遍应用，并且不断改进，现在已从 第一代CT机发展到第五代CT机。 现在层析技术有X射线层析，核磁共振(NMR)层析，正电子发射断层成象， 微波层析、超声波层析、地震层析等等，而且还在继续发展中。
据权威专家推算，井间地震如果得到推广应用，将会提高1％～ 3％的采收率，对全球范围是一个极为壮观的数字。正是这个诱人的 前景鼓励着人们进行试验，改善井下装备，降低施工成本。
层析技术出用在井间地震之外，还用在三维叠前深度偏移中的速
度建模、地层内横向速度变化等方面。石油大学（北京）在地球物理 层析和用CT扫描仪在油藏工程研究方面获得了开创性的成果。
或
∫Lµ(x,y)ds=-㏑(I/I0) （5—3）
其中线积分沿射束路径L计算。对于一条射线，有以下关系（参见图5—1）
∫ Q(p,θ)= Lµ(x,y)ds
（5—4）
在式（5—4）中，若固定方向，即θ一定，改变p大小，平移X射线发射源
A和检测器B，得到一组积分值。然后改变方向，旋转一个θ角，在改变p
值，又得到一组积分值。这样没旋转一次增加10，从00～1800（参看图5-
2）。
方程（5—4）是一个线积分它可视为投影，也可看成是拉东变换。把所有
的投影值，借助计算机按照拉东反变换，求得方程（5—4）等式右边积分
号下的函数µ(x,y)，就可的到物（人）体密度分布的清晰图象，医学上称
X射线CT图象。
我们强调指出，在X射线层 析中，发射源（或射线源）与 检测器做同步线性平移，要旋 转1800，一般每一度做许多次 发射和检测。图5—3是X射线 装置示意图。根据拉东变换原 理，把探测器采集到的数据， 进行反投影成像，在计算机上 重建图象主要有四种方法，： 拉东反投影算法、滤波反投影 算法、代数重建算法、矩阵反 演算法。
第二节 层析原理
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概括地说，层析技术是在物体外部发射物理信号，穿过物体（经过物体内
部的反射）测量物体内部信息的信号，利用计算机按图象重建方法，重现
物体内部二维或三维清晰图象。该技术最大的特点是在不损坏物体的条件 下，探知物体内部结构的几何形态与物理参数（如密度等）的分布。
井间地震层析原理来自诊断医学中的X射线层析。这里简要介绍X射线层 析原理，可以帮助人们理解井间层析原理以及有关的问题。
首先，影象重叠。X射线装置是把三维物体显示在二维的胶片或 荧光屏上，使得深度方向的信息重叠。
其次，分辨率低，图象模糊等等。
在这个世纪之初，许多放射学家和医生开始了层析技术研究，取
得突破性进展是在60年代至70年代。 物理学家A.M.Cormack研究了根据物体外测量的射线数据确定物体的 吸收系数和正担电子散射物质在传播中的分布问题以及由已知平面区 域上的函数沿所有与该区相交直线上的积分确定此函数。他于1963年 和1964年发表了“用线性积分表时函数及其在放射学中的一些应用”。 奠定了诊断医学图象重建的理论基础。
核磁共振成象也被用于石油开发，中国石油天然气中总公司渗流力
学研究所安装了一台4.7T得47/40型超导核磁共振成象系统。研究均匀地 层与非均匀地层模型的油水渗透现象。研究在水驱替、聚合物驱替、复 合化学剂驱替过程中油的动态变化。
地球物理层析主要包括井间地震层析和地震层析。 井间地震是一种提高采收率的新技术。当今世界各国原油仅能从 地下采出20％～30％，大部分储量埋藏在地下。在稠油开发中，使用 了注蒸汽、注热水和火烧油层的热采访法。如何确定油层中的高温区 和它的前缘位置，这是一个非常重要的问题。斯坦福大学AmosNur等 人的室内实验表明，在常压下岩样温度升高100度，地震波纵波速度 降低20％左右，用现代数字化技术，测定地震波速度的精度可以达到 几个百分点，完全可以通过速度的下降判断蒸汽驱的运移空间位置。 1983年G.McMachan提出井间地震波层析，很快得到推广。