沙漠地区低降速带地震波传播特征与衰减补偿方法研究

摘要

新疆沙漠地区巨厚低降速层的存在，使地震资料的分辨率和信噪比大大降低，所以如何消除沙漠地区低降速带对地震勘探的影响，对当今该类地区的油气勘探是非常有意义的。因此，本文在沙漠地区低降速层的地震波传播规律的研究基础上，结合地表沙具有流动性、密度较小、孔隙度很大等一些独特的物理性质，主要研究了如何准确求取沙漠地区低降速层的品质因子以及地震波的能量补偿方法。在沙漠地区低降速层的品质因子调查资料野外采集中，设计了井中激发接收、井中激发地表和井中联合接收以及井中激发地表接收三种观测系统，使用频谱比法计算了地表品质因子；设计了沙样品质因子的实验室分析仪器和流程，达到了理想的效果。结果表明：采集中应根据地表条件，三种观测系统互相结合；其中，井中激发——地表和井中联合接收观测系统，灵活多变，采集精度高、工作量小，具有独创性和较高的推广价值；频谱比法理论推导严密，假设条件少，是目前地表品质因子计算的有效方法。无论是野外调查方法还是实验室的测定方法，所得到的品质因子精度虽然很高，但都限于研究区内的某一点，这对于实际地震勘探显然是不够的。在对地震资料处理中，人们最关心的是整个勘探区内低降速带品质因子的空间分布情况。初至旅行时层析成像是重建近地表速度分布，进而解决品质因子的空间分布问题的有效手段。本文通过对介质射线追踪方法，先验信息和正则化约束技术和共轭梯度优化方法， 实现了适用于沙漠近地表速度分布的初至旅行时和振幅层析成像的有关方法及计算软件。根据野外调查和实验数据，本文还从品质因子与深度、品质因子与速度和品质因子与含水量等三个方面总结沙漠地区低降速带品质因子的基本特征。结果表明了新疆沙漠地区地表低降速带品质因子随埋深、速度、含水饱和度以及沙层的颗粒大小、组分不同而有所定量关系。本文分析了四种吸收衰减机制：滑动摩擦机制、粘滞性的局部流衰减机制和喷射流衰减机制、热弹性效应和晶体的不完善性。在此基础上，根据沙层可流动这一基本特征，指出滑动摩擦机制是沙漠地区地震波衰减的主要原因。为了确定品质因子与频率有无关系，设计了井中激发、直线加圆弧型的观测系统。研究表明，在地震勘探的频带范围内，沙漠地区低降速带品质因子和频率基本无关，因此沙漠地区低降速带符合Kjartansson模型。在频率——空间域，介质对地震波能量的吸收与衰减只是通过一个物理量，即介质的品质因子来体现的。品质因子是地下介质各种不同吸收机制的综合效应的体现，其一般可以从实际地震资料信息中提取出来，因此，在频率域进行非弹性介质情况下的正演模拟更具有实际意义，这时计算的并行性和针对性都很强，计算效率能够大幅提高。地震波的吸收与衰减特性是空间位置的函数，因此，最好的办法是采用有限差分法进行带吸收与衰减的介质的成像。为补偿沙漠表层对地震波的吸收，本文分别对水平层状介质假设下的单道补偿和非水平层状介质假设下的低降速带吸收衰减补偿问题进行了讨论，探讨了有限差分法数值运算的吸收边界问题、计算稳定性问题。在实际资料处理中，非水平层状介质假设下的补偿只能用于叠前。具体补偿步骤为：首先综合利用野外和大炮反演资料，确定低降速带的底部；其次求取低降速带速度和品质因子的空间分布数据；最后从地表向下外推波场至低降速带的底部，从而完成低降速带对地震资料的补偿工作。通过实际剖面的计算，验证了补偿方法的有效性，并在塔里木、准噶尔盆地和胜利油田部分地区地震勘探中得到了应用。关键词：品质因子，低降速带，吸收衰减，能量补偿，沙漠

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1论文选题依据

1.2研究现状分析

1.3本文研究内容和章节安排

1.4本文主要研究进展

第2章粘弹性波动理论概述

2.1波尔茨蔓(Boltzmann)原理和品质因子

2.1.1波尔茨蔓(Boltzmann)原理

2.1.2品质因子定义

2.2基本粘弹性介质模型

2.2.1 Kjartansson(1979)常数Q模型

2.2.2 Lomnitz(1956)、Liu(1976)近于常数的Q模型

2.2.3 Q与频率有关的模型

2.3粘弹介质中地震波传播规律研究必须解决的关键问题和研究方法

第3章品质因子野外调查方法

3.1野外采集方法

3.1.1井中激发-井中接收观测系统

3.1.2井中激发、地表和井中联合接收观测系统

3.1.3井中激发—地表接收观测系统

3.2品质因子计算

3.2.1时间域方法

3.2.2频率域方法

3.2.3计算流程

3.3实例分析

3.4小结

第4章品质因子实验分析方法

4.1样品的选取和采集

4.2实验室Q测试方法

4.3实际数据分析

4.4问题和思考

第5章地震波初至反演低降速带品质因子方法研究

5.1地震初至旅行时层析成像

5.1.1地震初至旅行时速度层析成像方法现状

5.1.2地震旅行时速度层析成像的基本原理

5.1.3初至旅行时速度层析成像需要解决的关键技术问题

5.1.4初至旅行时速度层析成像的正反演模型

5.1.5共轭梯度(CG)反演方法

5.1.6数值模型

5.1.7实际资料验证和品质因子计算

5.1.8品质因子计算

5.2地震初至振幅层析成像

5.2.1基本原理

5.2.2模型和实例计算

5.3小结

第6章低降速带品质因子分布特征

6.1品质因子与埋深关系

6.2品质因子与纵波速度关系

6.2.1塔里木盆地品质因子与纵波速度关系

6.2.2准噶尔盆地品质因子与纵波速度关系

6.3地层含水后对品质因子及速度的影响

6.3.1塔里木盆地沙层含水后对品质因子及速度的影响

6.3.2准噶尔盆地沙层含水后对品质因子及速度的影响

6.4小结

第7章粘弹性介质数学物理模型与地震波正演模拟

7.1吸收机理

7.1.1接触区的滑动

7.1.2孔隙中的流体运动

7.1.3热弹性效应

7.1.4晶体的不完善性

7.2品质因子与频率关系

7.2.1 Q与频率有关假设条件下品质因子的计算

7.2.2野外采集具体方法

7.2.3品质因子与频率关系分析

7.3沙漠低降速带数学物理模型

7.4粘声介质中地震波传播的正演模拟

7.5小结

第8章沙漠地区低降速带地震波的吸收衰减补偿

8.1水平层状介质假设下的单道补偿

8.1.1方法原理

8.1.2计算稳定性问题

8.1.3数值算例

8.1.4应用实例分析

8.2非水平层状介质假设下的低降速带吸收衰减补偿

8.2.1方法原理

8.2.2吸收边界条件问题

8.2.3数值试验

8.2.4 实例及效果分析

8.3小结

第9章结论和建议

9.1结论

9.2建议

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果