井間地震彈性波傳播規(guī)律研究

井間地震彈性波傳播規(guī)律研究

與地面地震相比，井間地震勘探具有以下特點：區(qū)域內(nèi)不受低速帶的影響，地震波傳播距離短，源激發(fā)頻率高（通常100.100m），接收點和源點可以接近研究目標(biāo)，接收到的地震記錄頻率高（地震波的10倍或10倍），能量強，信噪比高。波場的類型很多，復(fù)雜的波散射波能量很強?？梢愿邊^(qū)分波、射波、散射波、導(dǎo)波、破斷波、轉(zhuǎn)換波和反射波等波型。因此,井間地震是一種有效的地球物理技術(shù),它不但在地震學(xué)研究,煤、金屬與非金屬等固體礦產(chǎn)資源,工程地質(zhì),環(huán)境地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害勘探中得到卓有成效的應(yīng)用,而且在石油天然氣勘探與開發(fā)中獲得成功應(yīng)用由于井間地震波場類型多,而且各種類型波之間互相疊加或干涉,形成了非常復(fù)雜的彈性波場,這對于井間地震波場識別與分離以及成像帶來了很大困難。研究井間地震彈性波場特征和傳播規(guī)律將具有非常重要的理論和實際意義。井間地震與地面地震的激發(fā)、接收方式不同,因此,在地下介質(zhì)中它們的波場特征和波場成分均存在差異。張碧星等井間地震波場正演模擬是研究復(fù)雜地層中井間地震波傳播特征的有效手段。目前,地震波場數(shù)值模擬方法可以歸納為3大類,即地震波動方程數(shù)值解法,積分方程法和射線追蹤法。對于一些復(fù)雜的本構(gòu)方程,由于積分方程法和射線追蹤法不滿足假設(shè)條件,因而限制了其應(yīng)用。地震波動方程數(shù)值解法自20世紀(jì)60年代以來得到了飛速發(fā)展,已形成了目前具有有限差分法、有限元法、虛譜法等各種數(shù)值模擬方法的現(xiàn)代地震波動方程數(shù)值模擬技術(shù)。這些解法各有優(yōu)缺點。對于復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜地質(zhì)體和復(fù)雜巖性地震波場數(shù)值模擬而言,交錯網(wǎng)格高階有限差分法的綜合性能(占內(nèi)存大小、模擬精度、計算效率和并行算法實現(xiàn))最好,并且最具實用性筆者將采用彈性波方程交錯網(wǎng)格高階有限差分數(shù)值模擬方法,重點研究基礎(chǔ)性模型的井間地震彈性波場特征及傳播規(guī)律,為井間地震資料處理、成像及解釋提供理論依據(jù)。1反射p波入射角的差異為了分析固-固界面上的地震波場,設(shè)計如圖1所示的2層水平層狀模型。模型大小為100m×200m。網(wǎng)格大小為1m。數(shù)值模擬中,模型四周為完全匹配層(PML)吸收邊界圖2所示為2層水平層狀模型井間地震不同炮點彈性波場記錄。從圖中可以看出:①當(dāng)震源為P波源時,在固-固界面上的井間地震彈性波場主要包括直達P波,反射P波,反射PS波(轉(zhuǎn)換波),透射P波,透射PS波(轉(zhuǎn)換波),首波(P波和S波)和面波等;②隨著炮號的增大,即P波入射角的增大(其變化范圍為十幾度至90°),井間地震彈性波場發(fā)生了明顯變化,其中,反射P波的振幅變化最大。反射P波、反射PS波、透射P波、透射PS波的振幅變化與根據(jù)Zoeppritz方程所計算的在彈性界面(速度界面為3800m/5600m)上,當(dāng)P波入射時,P波、PSV波的反射和透射系數(shù)相吻合(對比圖3)。為了便于進一步分析P波入射角小于臨界角和大于臨界角時彈性界面上反射波場特征,從圖2的12炮記錄中抽出了反射點在界面中心處的共反射點記錄(圖4),共12道。記錄的入射角見表1。從圖4可以清楚地看出:①當(dāng)入射角增大但小于臨界角(42.7°)時(見圖4中1～4道),反射P波振幅增幅不大,而反射PS波(轉(zhuǎn)換波)增幅比較大;②當(dāng)入射角大于臨界角后,反射P波增幅快速增大接近直達波振幅(見圖4中6～10道),而反射PS波振幅在第6道達到最大,之后其振幅逐漸減小(圖4中7～10道);③對比1～4道和5～10可以看出,當(dāng)小于臨界角和大于臨界角的反射P波相位發(fā)生了明顯變化(直達波為最小相位),即從最小相位到0相位再到最大相位。圖4中的第4道反射P波的相位接近0相位,而反射PS波(轉(zhuǎn)換波)無此現(xiàn)象(由于上層縱波速度大于下層橫波速度而不會出現(xiàn)臨界反射之故)。圖4b的第9～11道上的低頻波成分中,第10道上面波最強,離開界面能量迅速減小。該面波是當(dāng)震源位于界面上或附近時,沿界面?zhèn)鞑サ娜鹄娌▊鞑サ浇邮掌饕粋?cè)后,在界面處重輻射(二次源)所形成的一類面波(或管波)。綜上可得:①井間地震入射角變化范圍廣(二十幾度至90°),反射波多為大角反射;②當(dāng)P波入射角大于臨界角后,反射P波的相位發(fā)生了明顯變化(與入射波相比,或與小于臨界角反射波相比)。這正好解釋了復(fù)數(shù)反射系數(shù)的物理含義。2高速夾層水平夾層模型導(dǎo)波在井間地震勘探中占有重要地位。下面通過數(shù)值模型模擬結(jié)果來分析高速層和低速層中導(dǎo)波的不同特性。低速夾層水平層狀模型取泊松比為0.25,模型大小為200m×200m,夾層厚度為30m,網(wǎng)格大小為1m(圖5)。數(shù)值模擬中,模型四周為PML吸收邊界,時間間隔0.1ms,井間距200m,震源主頻200Hz,炮間距10m,共4炮。炮號5的炮點位于(0,60m),炮號5～7炮位于上層低速介質(zhì)中,炮號8炮位于夾層介質(zhì)中,道間距為2m,每炮共101道記錄。從圖6可以看出:①當(dāng)震源接近低速夾層時,低速層內(nèi)出現(xiàn)了導(dǎo)波,而當(dāng)震源位于低速層內(nèi)時,導(dǎo)波能量最強,同時低速夾層內(nèi)的多次反射P波和PS波透射到兩側(cè)的高速層形成能量強的多次波干擾波;②低速夾層內(nèi)的多次反射P波和PS波的相互干涉和疊加形成了低頻波,其性質(zhì)類似于面波。這就是在低速夾層中傳播的低頻強能量導(dǎo)波的形成機制。高速夾層水平層狀模型是將低速夾層模型中的夾層速度和背景速度互換形成的,其余相同。圖7所示為高速夾層水平層狀模型井間地震不同炮點彈性波場模擬記錄。從圖7可以看出:當(dāng)炮點位于高速層內(nèi)時,由于高速夾層界面上的透射系數(shù)很大,因此,向高速層內(nèi)的反射能量小,同時隨著反射次數(shù)增加,能量大量透射,層內(nèi)反射波能量迅速衰減直至消失,因此,在井間地震記錄上,高速層內(nèi)外多次波很小。高速夾層和低速夾層模型數(shù)值模擬結(jié)果表明,高速夾層內(nèi)彈性波場簡單,而低速夾層內(nèi)波場非常復(fù)雜,且存在低頻高能量導(dǎo)波,因此,可利用低頻高能量導(dǎo)波識別和探測地下裂隙帶、破碎帶等低速層。3震反射波場分布井間地震彈性波場非常復(fù)雜且具有特殊的波場特征,其中,廣角反射波占優(yōu)勢,而且常出現(xiàn)反射波極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。井間地震反射波中超臨界反射波也占有相當(dāng)比例。井間低速夾層中傳播的彈