碳酸盐岩喀斯特溶洞和裂缝系统的地震模拟与预测

Gazdag[7,8]的相移 加 插 值 (PSPI)方 法,该 方 法 是 针 对地震资料偏移问 题 提 出 的,它 能 适 应 剧 烈 的 横 向
变 化 ,稳 定 性 好 。 但 因 引 入 了 插 值 运 算 ,波 的 振 幅 有
一定的近似。综合 比 较 各 种 方 法 的 优 缺 点,我 们 最
Xm
Xm+1
Xm+2
Xm+3
Zn
R(Zn,Xm ) R(Zn,Xm+1) R(Zn,Xm+2) R(Zn,Xm+3) Zn+1
图 2 !ZcZnd1eZn区 间 内 等 效 体 与等效参数 R(Z, )示意图
Figa2 Thedistributionofeffectiveparametersinan interval!ZcZnd1 eZn ofthegeologicalmodel
P-(Kx,Zn,ω)= P-(Kx,Zn+1,ω)eiKzΔz
(6)
式中 P-(Kx,Z,ω)是 P(x,z,t)相对 x 和t 的二 维 傅
氏 变 换 ,即
oo
∫∫ P-(Kx,Z,ω)=
P(x,z,t)e-i(ωt+Kxx)dxdt (7)
-o -o
ヘ Kz
=
2ω V
1-V4ω2k2x2
(8)
合缝、洞系统。这是 一 类 最 复 杂 但 又 最 常 见 的 缝 洞 系统。
为 保 证 地 震 正 演 的 代 表 性 ,典 型 性 与 实 用 性 ,我 们将以第四类缝洞 模 型 为 基 础,计 算 其 相 应 的 零 炮
* 收稿日期:2004-04-05;修回日期:2004-04-20. *基金项目:国家自然科学基金项目“裂缝油气藏特征与地震波属性参数相关关系的实验研究”(编号:40174039);国家重点基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 “中 国 叠 合 盆 地 油 气 田 形 成 富 集 分 布 规 律 预 测 ”(编 号 :G1999043311)资 助. 作者简介:贺振华(1938-),男,湖北大悟县人,教授,主要从事地层温压条件下油气储层岩石物理测试分析 ,复 杂 油 气 藏 波 场 正 反 演 研 究.E-mail:hzh@cdut.edu.cn
第 二 步 ,对 图 2 所 示 的 每 一 个 等 效 体 单 元 ,计 算 其相应的 等 效 参 数 R(Z,X),等 效 参 数 的 计 算 以 Hudson含 裂 缝 介 质 中 弹 性 波 的 传 播 理 论 为 [1] 基 础。其原理公式 为 [2,3] :
VP,S = FP,S(VP0 ,VS0 ,ρ0,ε,VPr ,VSf ,ρf,φ,θ) (1)
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地球科学进展
第 19 卷
检距地震记录。 图1为此类缝洞系统的二维地质剖面。图中起
伏不平的界面为古 岩 溶 风 化 面,又 称 为 碳 酸 盐 岩 古 潜山顶界面,中部 为 岩 溶 高 地,两 侧 为 岩 溶 斜 坡,并 有高角度断层穿 过。 潜 山 内 部 (或 潜 山 内 幕),紧 靠 顶界面从左至右设 计 了 宽 窄 不 同 的 垂 直 裂 缝 带,并 在图1的中部和右 边 的 裂 缝 带 中 加 入 了 形 状、大 小 不一的溶洞。除缝 洞 带 外,假 设 碳 酸 盐 岩 本 身 是 均 匀的。其上覆新地 层 也 是 均 匀 的,但 地 震 波 传 播 速 度 较 低 (见 图 1 中 的 速 度 灰 度 标 尺 )。
第 19 卷 第 3 期 2004 年 6 月
地球科学进展 ADVANCEIN EARTH SCIENCES
文 章 编 号 :1001-8166(2004)03-0399-04
碳酸盐岩喀斯特溶洞和裂缝 系统的地震模拟与预测*
Vol.19 No.3 Jun.,2004
贺振华,杜正聪,文晓涛
(成都理工大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室,四川 成都 610059)
是利用上述方法对图1的地质模型做正演获得的零
炮检距地震记录。它较好地反映缝洞地质模型的基
本 特 征 ,但 要 用 它 进 行 缝 洞 系 统 的 直 接 识 别 与 解 释 ,
还需要做进一步的处理和分析。
图4 地震正演记录(图3)的偏移剖面 Figa4 Theseismicmigrationsectionresponding
终选 择 了 PSPI方 法,并 对 算 法 加 以 改 造 以 适 合 正
演 计 算 ,称 其 为 等 效 体 近 似 地 震 正 演 方 法 。
对于零炮-检距二维波动方程地震正演而言,
取声学波动方程:
∂2P∂(xx,2z,t)+∂2P∂(xz2,z,t)=
4 V2
∂2P(x,z,t) ∂t2
(4)
地 震 波 场 特 征 (各 种 属 性 参 数 )的 识 别 代 替 常 规 的 地 震同相轴的对比追 踪,可 解 决 难 以 形 成 同 相 轴 的 缝 洞系统的预测问题。
2 裂缝和孔洞系统的地震正演模拟
2.1 缝洞地质模型 碳酸盐岩地层中的裂缝和孔洞系统比较复杂,
一般可分为4种类型: 类 型 + --- 由 新 的 沉 积 层 覆 盖 的 古 岩 溶 风 化 剥
在 频 率 (ω)和 波 数 (Kx )域 中 ,对 (4)求 解 ,得 :
P-(Kx,Zn+1,ω)= P-(Kx,Zn,ω)eiKzΔz
(5)
这 是 Gazdag 为 偏 移 问 题 求 出 的 波 场 延 拓 公
式,对地震正演而 言,它 是 偏 移 问 题 的 逆 过 程,波 场
延 拓 应 当 自 下 而 上 ,于 是 得 :
与等效体元总体积Vt 之比:
ε = Vf/Vt
(3)
θ和φ 可按问题的要求和实际条件确定。
第三 步,将 地 质 模 型 化 为 等 效 模 型 并 计 算 出 等
效参数之后,我 们 便 可 计 算 地 震 正 演 记 录。 正 演 计
算采用声学波动 方 程。 针 对 缝 洞 系 统 的 复 杂 性,可
地下碳酸盐岩中的裂缝系统和喀斯特溶洞是流 体的主要赋存空间和运移通道。查明其空间分布对 地 质 工 程 勘 察 、环 境 保 护 、油 气 水 资 源 的 勘 探 开 发 等 均有重要的意义。但由于碳酸盐岩中裂缝和孔洞系 统 在 空 间 分 布 上 的 非 规 律 性 ,在 形 态 、大 小 上 的 不 规 则性与多尺度性,使 得 探 查 它 们 的 空 间 分 布 变 得 十 分困难,特别对于埋 藏 深 度 较 大 (数 百 至 数 千 米)的 古岩溶问题,现 有 各 类 地 质 方 法---地 面 物 探 方 法 以及钻井方法等或 受 经 济 成 本 的 约 束,或 因 资 料 采 集方面的 困 难 或 者 勘 探 方 法 本 身 的 分 辨 率 不 足 等 等,给问题的解 决 增 添 了 更 大 的 难 度。 本 文 拟 采 用 地震正演和地震正反演相结合预测方法查明地下缝 洞系统的分布。其优点在于①相对其它物探方法而 言,地震方法的勘 探 能 力 比 较 强,分 辨 率 比 较 高,相 对钻探而言其成本 比 较 低;② 利 用 地 震 正 演 和 实 测 地震资料的对比,有 可 能 识 别 出 缝 洞 系 统 的 地 震 波 场 特 征 ,消 除 缝 洞 解 释 的 非 唯 一 性 ;③ 利 用 缝 洞 系 统
数值模拟和实际地震数据的例子说明,将地震正演 剖面 与 地 震 偏 移 剖 面 相 结 合 进 行 对 比 分 析
有可能识别和预测碳酸盐岩地层中的缝洞发育带。
关 键 词:碳酸盐岩缝洞发育带;地震正演模拟;预测;等效地质模型;有效参数
中 图 分 类 号 :P315;P642
文 献 标 识 码 :A
1概 述
ΔZ = Zn+1 -Zn
(9)
利用 公 式(6),从 地 质 剖 面 中 的 最 大 深 度 Zmax=
第3期
贺 振 华 等 :碳 酸 盐 岩 喀 斯 特 溶 洞 和 裂 缝 系 统 的 地 震 模 拟 与 预 测
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NΔZ 起,逐步 将 波 场 延 拓 到 地 面 Z=0,得 P-(Kx,0,
图1 复杂缝洞系统的地质模型 Figa1 Acomplexgeologicalmodelwith
fracture-setsandkarstcavesinit
2.2 地震正演方法 复杂缝、洞系 统 (图 1)的 地 震 正 演 是 一 个 难 度
很 大 的 研 究 课 题 ,到 目 前 为 止 ,很 少 见 到 精 确 实 用 的 地震正演方法。这里我们研究了一种具有一定近似 性的等效地质体正演模拟方法。其计算步骤和计算 方法分述如 下:首 先,我 们 将 地 质 剖 面 沿 深 度 轴 (Z 轴),剖分为 N 个等间隔的水平小层,再对每个小层 按给定模型沿水平 轴 (X 轴)剖 分 为 M 个 不 等 间 隔 的 小 层 ,如 图 2 所 示 。
totherecordinFiga3
我们设计的地 质 剖 面 (图 1),实 际 上 是 建 立 在 此 地 震剖面上的一个猜 测 模 型,因 此 图 4 的 剖 面 特 征 与 图5在总体上 是 一 致 的。 这 意 味 着,我 们 可 以 通 过 建 立 初 始 地 质 模 型 (猜 测 模 型 )→ 地 震 正 演 → 地 震 偏 移→与实际地震剖面进行对比分析及多次调整这一 基本研究流程,有可 能 预 测 实 际 缝 洞 系 统 的 空 间 分 布。
选用 多 参 考 慢 度 的 傅 氏 (Fourier)域 Born 近 似 或 Rytov近似正 演 方 法[4～6],这 些 方 法 能 充 分 描 述 缝 洞 系 统 的 散 射 效 应 ,并 能 适 应 较 强 的 横 向 变 化 ,但 当
横向 变 化 剧 烈 时,方 法 的 稳 定 性 变 差。 也 可 选 用
的数值大小和分布,选择相 应 的 参 考 参 数 Rl进 行 波 场延拓,l=1,2,…,L,L 为 所 选 参 考 参 数 的 个 数。 延拓后,得到 P-1,P-1 为 与 参 考 参 数 对 应 的 波 场 值, 用拉格朗日插值方法对P- 进行插值,得Zn+1至Zn之 间的实际延 拓 波 场 值。 对 每 个 ΔZ 间 隔,均 需 重 复 以上运算过 程,才 能 完 成 整 个 地 震 正 演 计 算。 图 3
摘 要:提出了有助于确定碳酸盐岩裂缝带和喀斯特溶 洞系 统 空 间 分 布 的 地 震 正 演 模 拟 和 预 测 方
法 。 地 震 正 演 方 法 包 含 两 个 关 键 步 骤 ,一 是 利 用 弹 性 波 动 方 程 计 算 含 缝 洞 介 质 的 有 效 弹 性 参 数 ,另
一 步 骤 是 根 据 有 效 弹 性 参 数 构 成 的 等 效 地 质 模 型 ,用 单 程 声 学 波 动 方 程 进 行 波 场 延 拓 。
式中VP,S表示等效 体 元 的 等 效 纵 波 波 速 VP 或 等 效 横波波速 VS,FP,S 表 示 与 VP ,VS 对 应 的 函 数 关 系 FP 或FS,VP0 ,VS0 ,ρ0 和 Vpf ,Vsf ,ρf 分 别 表 示 含 缝 洞 介 质 中 围 体 和 包 体 充 填 物 的 纵 、横 波 速 度 和 密 度 ,
蚀 面 ,剥 蚀 面 起 伏 不 平 ,并 有 风 化 物 充 填 。 类 型 , --- 碳 酸 盐 岩 地 层 中 含 有 构 造 应 力 形 成
的 裂 缝 和 断 裂 网 络 ,且 以 垂 直 缝 为 主 。 类 型 - --- 地 层 中 主 要 包 含 溶 洞 、暗 河 、落 水 洞
等组成的孔洞系统。 类 型 . --- 地 层 中 含 有 类 型 + 、, 、- 组 成 的 复
ε为裂缝密 度,θ 为 地 震 波 的 入 射 角,φ 为 地 震 测 线 与裂缝主方位的夹角。等效参数 R(Z,X)主要包含
等效速度VP 和 VS,还 包 括 等 效 密 度ρ,ρ 的 计 算 公 式为:
ρ = (1-ε)ρ0 +ερf
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缝洞密度ε定义为等效体 元 之 内,缝 洞 所 占 体 积Vf
ω)或P-(Kx,ω),再对P-(Kx,ω)作二维傅氏反变换得:
∫∫ P(x,t)=
1 4π2
o -o
o
P-
-o
(Kx,Z =0,ω)e-i(ωt+Kxx)dkxdω (10)
P(x,t)即 为 待 求 的 地 震 正 演 记 录 。
在利用(6)式 将 波 场 从 Zn+1 延 拓 到 Zn 时,要 利 用图2所示的等效 体 和 等 效 参 数,并 根 据 等 效 参 数