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超聲地震物理模擬技術:實驗室中的“沙盤演兵”（時間:2006-10-9 共有 人次瀏覽） 信息來源:石油經濟網 隨著我國石油勘探領域向西部和南方復雜地區(qū)的推進，復雜地質條件下的特殊波場特征不斷出現，對勘探技術提出了更高要求。因而，處于技術前沿的超聲地震物理模擬技術，越來越為地球物理學家所重視。 近日，記者就此采訪了中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京所應用地球物理實驗中心主任趙群。 記者：什么是超聲地震物理模擬技術？ 趙群：采用“人工地震法”獲得地層構造信息的方法是，在地面用炸藥作為震源放炮，激發(fā)產生的地震波，傳到幾千米以下的地層構造上，再反射回到地面，最終以數據形式被接收儀器捕捉，并形成地震波圖像，通過對該圖像上的數據分布形態(tài)（這里稱作“震相”）進行處理分析，推知地下的地層構造。這種由震相反求地層構造形態(tài)的過程，在石油物探上稱之為“反演”。 “反演”就是反向演繹，是對事物表現出的外在形態(tài)特征，借助某些方法技術，演繹推斷出其內部結構機理。這之間的關系用謎底與謎面來比喻就是，在地面接收到的震相是地球給出的“謎面”，對震相的處理解釋過程則是對“謎面”的分析推敲，最終得到“謎底”對地層結構的認識。 但問題是，我們通過反演所揭示的“謎底”，與真實復雜的地層結構之間究竟有多大距離？ 由于人們只能通過有限的鉆井資料，了解到零星的地層結構的實際情況，不能看到整個地層構造，地球物理學家也只能是“望地興嘆”，必須找到一個基礎作為依托，于是人們想到了“物理模型”。 我們可以用一個縮小的簡化物理模型，來模擬相關的地層構造，并等比匹配采用波長相對尺度較小、與地震波具有相同波動傳播機理的超聲波作為激發(fā)源，在實驗室內進行野外勘探模擬演示，詳細觀察研究“謎面”現象與“謎底”本質間的因果關系，從而達到驗證理論、檢驗方法、錘煉技術的目的。這樣一種類似“沙盤演兵”式的模擬方法，被稱為超聲地震物理模擬技術。 與反演方法相對應，在已知地質物理模型的條件下，獲取該模型的地震觀測數據，進而檢驗勘探方法技術的過程，在石油物探上稱之為“正演”。相應的物理模型稱之為“正演模型”。 記者：超聲地震物理模擬技術在地震勘探上有哪些應用？ 趙群：超聲地震物理模擬技術在地震勘探上應用領域非常廣泛，大致歸納有三個方面。首先，物理模型是基礎理論研究的重要手段。早期人們用大量的簡單模型，對反射波、繞射波、折射波等各種波動現象進行研究，充分揭示了各種波動現象在不同地層條件下的變化響應特征。 隨著研究的深入，模型所面對的對象也越來越復雜。如孔縫洞模型、井間地震模型、復雜地表模型等，每當人們面臨一些基本的重大疑難波場問題的時候，超聲地震物理模擬技術總是充當排頭兵。 第二，超聲地震物理模擬技術可以被用來驗證一些理論、假設或者假說，以及被廣泛用來驗證地震學中的各種計算方法、數學模擬方法及數據處理解釋程序。另外，物理模型可以在地震勘探施工設計中，用于研究探索施工方法的合理性，以及對地震勘探解釋結果的正反演驗證。 近年來，隨著我國石油勘探領域向西部和南方復雜山區(qū)推進，對勘探施工設計的要求也越來越高。南京所承擔了大量的用物理模擬技術研究施工設計方式的科研生產項目，在實際生產中產生了良好的效果。 第三，為技術創(chuàng)新提供支撐。當野外生產中復雜波場現象出現時，人們有能力在簡化的條件下，在實驗室再現這些波場現象，為分析破譯這些大自然的密碼提供途徑。 記者：超聲地震物理模擬技術在國內外的研究發(fā)展情況怎樣？ 趙群：超聲地震物理模擬技術的起源，可以追溯到上世紀20年代，我國的地球物理模型實驗研究，是在新中國成立之后才起步的。 自上世紀70年代后期以來，隨著計算機技術以及現代實驗裝置的飛速發(fā)展，超聲地震模型實驗已能夠模擬非常復雜的地質構造問題。1977年，在數十家公司的贊助下，美國休斯敦大學超聲地震模型實驗室正式建立，很快就在石油地球物理勘探問題的模擬方面進行了大量工作，取得了一系列成果。俄羅斯科學院、荷蘭Delft科技大學、加拿大的Calgary大學等，都相繼建立了地震物理模型實驗測試系統(tǒng)，地震物理模型實驗技術進入穩(wěn)定發(fā)展階段。 與此同時，我國的超聲地震模型實驗也迅速進入了一個全面發(fā)展而又富有成果的階段。繼北京大學于1978年率先恢復超聲地震模型實驗室之后，全國各地先后建立了70余個實驗室，6個大中型水槽超聲地震模型實驗系統(tǒng)，在裝備上達到或部分超過國外同類實驗室的水平。這些實驗室為推動我國地震勘探理論的發(fā)展作出了重要貢獻。 中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所應用地球物理實驗室是國內一流的地震物理模型實驗室。自1982年建立以來，實驗室承擔了多項國家重點攻關課題、部控項目及自然科學基金項目的研究，還先后承擔了多項系統(tǒng)內外生產部門、科研單位和高等院校技術服務實驗項目，并為科研單位、大專院校的畢業(yè)設計提供實驗場所。 目前，該實驗室擁有大型高精度三維定位及地震快速數據采集系統(tǒng)、數據分析處理解釋系統(tǒng)、正演數值模擬系統(tǒng)、高溫高壓巖石物理參數測試系統(tǒng)、192道淺層地震儀等設備，并形成了從巖性測試、模型制作、模型實驗、數據分析、野外大比例尺模型實測一直到井下VSP測量這樣一個完整、綜合的研究體系，能夠承擔從復雜波場基礎理論、勘探地震技術到開發(fā)地震技術的全方位研究。目前，該所正在為將該實驗室辦成一個開放型實驗室而努力。 記者：超聲地震物理模擬技術前景如何？目前還面臨哪些問題？ 趙群：超聲地震物理模型實驗是一門學科交叉、知識密集的應用技術。隨著油氣勘探難度的日益增加，對物理模擬技術提出了更高要求。非均勻介質、雙相乃至多相介質、復雜地表等新的研究領域，將引領物理模擬技術獲得新的發(fā)展。 從模型材料的模擬程度上來看，過去以模擬地質構造為主，它著重考慮材料的縱、橫波速度及幾何形態(tài)。而現在隨著地質構造勘探向巖性勘探發(fā)展，模擬材料的選取，不但要考慮材料的運動學特征，而且要考慮材料的動力學特征，如密度等。要適應新的要求，就必須加強模型材料的研究，加快制模工藝的發(fā)展。 從超聲換能器的適應性來看，其大小、頻率、靈敏度等，都需要有大幅度的提升和改進。如進行多波地震勘探模擬，需要三分量換能器具有高性能、高靈敏度，對薄層的測試研究，需要換能器窄脈沖、寬帶、高分辨率，模擬井中地震，需要換能器的體積較小而功率又能滿足要求，開展油藏條件下的物理模擬工作，則需要換能器能承受一定的溫度和壓力等。 從進一步提升實驗數據的分析能力來看，目前對地震模型實驗數據的分析處理，一般都是借助于生產用處理分析系統(tǒng)，缺少針對性，不能滿足對實驗數據分析的一些特殊要求。因此需要為模型實驗數據研發(fā)專用的處理分析工具。 將模型和超聲換能器的超聲發(fā)射端，都浸在一個大的水槽中進行超聲地震物理模擬實驗，是目前實驗室中的常規(guī)方法。這是由于超聲波在空氣中的傳播衰減非?？?，而在液體中超聲換能器與介質間，卻能夠獲得很好的耦合性能（這就好比我們在醫(yī)院里做B超時，總要在超聲探頭與人體的接觸部位間涂抹一種液體，其目的也是為了獲得很好的耦合性能，以達到最佳觀測效果）。 我國南方油氣剩余資源埋藏地區(qū)，是中國石化近年來的油氣勘探重點，但該地區(qū)幾乎都是山地，在開展起伏地表物理模型研究時，不能采用傳統(tǒng)的水槽超聲觀測，而應直接對固體模型進行超聲觀測，這樣才能更加適應野外生產中的實際需要。所以，研究固體模型超聲觀測，將是我們下一階段模型研究的攻關重點之一。 人造的模型畢竟無法完全等同于野外的真實情況，因此，選擇已