(第七讲)正演模拟技术全解

地震模型正演与反演简介一、地震模型正演（seismic forward modeling）的概念如果我们已知地下的地质模型，它的地震响应如何？地震模型正演就是通过室内模拟得到地质模型对于地震波的响应。

地震模型正演包括物理模拟和数值模拟，数值模拟就是应用相应的地球物理方程和数值计算求解已知的地质模型在假定激发源的作用下的地震相应。

通常，我们针对特定的勘探区块，应用期望或实际的采集参数通过地震正演模拟野外地震采集，得到单炮记录，再通过速度分析、动校正、叠加、偏移等处理得到成像数据。

图1为Marmousi速度模型，图2为正演得到的炮集记录，图3为正演得到的叠加剖面。

图1 Marmousi模型图2正演炮集图3 正演叠加剖面二、数值模型正演方法通常，我们提到的模型正演为数值模拟的模型正演，目前常用的数值模拟地震模型正演方法包括基于射线原理的射线追踪法，以及基于波动方程的有限差分法、有限元法、积分方程法、快速傅里叶变换法和拟谱法等。

射线追踪法主要反映地震波的运动学特征，有限差分、有限元法则适合复杂地质构造的正演模拟，积分方程法涉及复杂的数学推导，快速傅里叶变换法在频率域计算得到正演数据。

三、数值模型正演的步骤数值模拟求解地震模型正演问题的步骤主要包括以下三个方面：1) 地质建模，根据研究对象和问题建立地球物理或地质模型；2) 数学建模，根据应用的物理手段和地球物理模型建立相应的数学模型；3) 模拟计算，选择正演计算方法，编写计算程序进行数值模拟计算。

四、什么是地震反演地震反演技术就是充分利用测井、钻井、地质资料提供的丰富的构造、层位、岩性等信息，从常规的地震剖面推导出地下地层的波阻抗、密度、速度、孔隙度、渗透率、沙泥岩百分比、压力等地球物理信息。

反演就是由地震数据得到地质模型，进行储层、油藏研究。

地震资料反演可分为两部分：1）通过有井(绝对)、无井（相对）波阻抗反演得到波阻抗、速度数据体。

2）利用测井、测试资料结合波阻抗、速度数据进行岩性反演，得到孔隙度、渗透率、砂泥百分比、压力等物理数据。

VSP 的正演模型地球物理勘探中有两类问题，一类是正问题，一类是反问题。

一般来说，正问题即已知场源和介质的地球物理参数分布（包括地质形态和岩石物性）求地球物理场的空间分布和时间变化（地球物理相应），反问题即已知地球物理场的空间分布和时间变化求场源和介质的地球物理参数分布。

VSP 作为一种地球物理勘探方法也有两类问题。

正问题，即已知震源的激发特征，井和震源及接受点之间的几何布置，井旁地层和岩性的分布，求垂直排列上地震波的运动学和动力学响应；反问题，即已知垂直排列上的波场响应，求井旁构造形态和地层岩性特征。

VSP 的直接目的也是解反问题。

VSP 的正演模型总的说来，有以下几方面的用处：（1）对VSP 的波场特征进行理论研究；（2）指导VSP 野外数据采集的工作设计，作为野外数据采集现场质量控制的依据；（3）作为VSP 资料处理中必不可少的环节；（4）帮助VSP 资料解释。

VSP 正演模型的算法，和其它地球物理正演模型一样，有解析算法和数值算法两种。

解析算法精确，严格，但只适用于比较简单的模型，数值算法不够精确，只是前者不同程度的近似，但适用于较为复杂的模型。

VSP 模型算法的种类按照不同原则有多种分类方法。

例如，以射线理论为基础的模型和以波动方程为基础的模型，声学介质模型和弹性介质模型，平面介质模型和曲面介质模型，一维模型、二维模型和三维模型等。

第一节 一维VSP 合成记录一维VSP 合成记录和地面常规一维合成地面记录的区别在于：前者计算多个不同深度点上的合成地震记录，后者只计算地面Z=0点上的合成地震记录，前者既包括上行波也包括下行波，后者只包括上行波。

1、SVSP 方法（合成垂直地震剖面）1）、反射系数和透射系数当波入射到一个分界面上时，波的能量一部分反射，一部分透射。

定义反射波振幅和入射波振幅的比值为反射系数，透射波振幅和入射波的振幅的比值为透射系数。

入射到界面上的波可看成是位移波，也可看成是压力波；入射到界面上时，可以从界面上方入射，也可从界面下方入射，因而计算反射系数和透射系数有四种不同的情况。

二维地震正演模拟方法技术研究一、本文概述随着地球物理学的深入发展和油气勘探的不断推进，二维地震正演模拟方法技术在地震勘探领域的应用越来越广泛。

该技术通过模拟地震波在地下介质中的传播过程，为地震资料解释、储层预测和油气勘探提供重要的理论支撑和实践指导。

本文旨在深入研究二维地震正演模拟方法技术，探讨其基本原理、发展历程以及当前的研究热点和难点，为进一步提高地震勘探的精度和效率提供理论支持和技术保障。

本文将对二维地震正演模拟方法技术的基本概念进行阐述，包括其定义、特点以及应用领域等。

接着，回顾二维地震正演模拟方法技术的发展历程，分析其在不同阶段的主要特点和优缺点。

在此基础上，重点探讨当前二维地震正演模拟方法技术面临的主要挑战和难点，如复杂地质条件下的模拟精度问题、大规模计算的效率问题等。

针对这些挑战和难点，本文将进一步分析现有的解决方案和发展趋势，如基于高性能计算的并行化技术、基于人工智能的反演方法等。

同时，结合具体的应用案例，分析二维地震正演模拟方法技术在油气勘探、矿产资源调查等领域的实际应用效果，以验证其有效性和可靠性。

本文将对二维地震正演模拟方法技术的未来发展进行展望，提出可能的研究方向和应用前景。

通过本文的研究，旨在为推动二维地震正演模拟方法技术的发展和应用提供有益的参考和借鉴。

二、二维地震正演模拟理论基础二维地震正演模拟是地球物理学中一种重要的方法，其理论基础主要基于波动方程和地震波的传播原理。

在二维空间中，地震波的传播受到介质速度、密度、弹性等因素的影响，这些因素决定了波场的空间分布和时间变化。

理解和应用波动方程是二维地震正演模拟的关键。

波动方程是描述波在介质中传播的基本方程，对于地震波而言，常用的波动方程有弹性波方程和声波方程。

在二维正演模拟中，我们通常采用声波方程，因为它相对简单且能够较好地模拟地震波的主要特征。

声波方程描述了声波在弹性介质中的传播规律，包括波速、振幅、相位等参数的变化。

集成电路运算放大器的内部组成单元1 差分式放大电路的一般结构1）. 用三端器件组成的差分式放大电路i2i1id =v v v − 差模信号—两个输入端信号中不同的部分)(21=i2i1ic v v v + 共模信号—两个输入端信号中相同的部分2）电路的输入信号特性)i2共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。

3）. 电路的性能指标ido d=v v v ′A 差模电压增益icoc =v v v ′′A 共模电压增益icc id d oo o =v v v v v v v A A +=′′+′ 总输出电压其中o v ′——差模信号产生的输出ov ′′——共模信号产生的输出 共模抑制比——反映抑制零漂能力的指标cdCMR=v v A A K2 射极耦合差分式放大电路1）. 电路组成及工作原理——仅输入差模信号大小相等，相位相反和i2i1v v 输出信号被放大0O2O1o ≠−=v v v 大小相等，相位相反和o2o1v v2）. 抑制零点漂移原理漂移信号的来源：温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生趋势相同的变化；漂移信号的电路效果：相当于在两个输入端加入了共模信号。

i C1↓ i C2↓温度↑i C1↑ → i E1↑ i C2↑ → i E2↑抑制原理：类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。

抑制效果：即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。

v E ↑ （v B1、v B2不变）→ v BE1和v BE2↓→ i B1和i B1↓ 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用3）. 电路的静态分析OC C2C121=I I I I ==CE2CE1=V V −=CC V )V 7.0(c2C CC −−−=R I V −c2C R I EV βI I I C B2B1==4）. 动态分析（主要指标计算）（1）差模情况=ido d =v v v A i2i1o2o1v v v v −− 接入负载时i1o122v v =be c r R β−=beL c d )21//(=r R R βA −v 以双倍的元器件换取抑制零漂的能力<A> 双入、双出—集成运放的输入级 无负载时—be Lc 2) //rRR<C>差模的单端输入e o r r >> 等效于双端输入 指标计算与双端输入相同。

地震正演模拟在压缩空气储能盐腔调查中的应用收稿日期:20230424;修订日期:20230609;编辑:陶卫卫作者简介:高军(1968 ),女,山东泰安人,工程师,主要从事能源管理工作;E m a i l :g a o ju n 202@s i n a .c o m *通讯作者:张心彬(1968 ),男,山东济南人,研究员,主要从事能源资源地球物理探测工作;E m a i l :z x b 1812@163.c o m高军1,张心彬2*,田思清2(1.山东省泰安市岱岳区发展和改革局,山东泰安 271000;2.山东省煤田地质规划勘察研究院,山东济南 250104)摘要:目前,利用盐腔进行压缩空气储能是一种安全㊁环保㊁高效的物理储能方式,查明盐腔空间形态及分布至关重要㊂本文依托三维地震工程,在运用正演模拟的基础上对盐腔地震响应研究进行了分析研究,优选了甜点属性㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率等属性进行融合,对盐腔的顶部以及盐腔侧边界进行了刻画,确定了盐腔顶部高点位置和深度,控制了盐腔的空间展布形态,取得了良好的地质效果㊂关键词:地震正演模拟;盐腔空间形态;属性融合中图分类号:P 631.3 文献标识码:A d o i :10.12128/j.i s s n .16726979.2023.09.010引文格式:高军,张心彬,田思清.地震正演模拟在压缩空气储能盐腔调查中的应用[J ].山东国土资源,2023,39(9):6065.G A O J u n ,Z HA N G X i n b i n ,T I A N S i q i n g .A p p l i c a t i o n o f S e i s m i c F o r w a r d M o d e l i n g i n t h e I n v e s t i ga t i o n o f C o m p r e s s e d A i r E n e r g y S t o r a g e S a l t C a v i t y [J ].S h a n d o n g La n d a n d R e s o u r c e s ,2023,39(9):6065.0 引言自1949年德国工程师S t a l L a v a l 提出传统压缩空气储能技术以来,国内外开展了大量研究和实践㊂目前,国外有2座大型压缩空气储能电站在德国H u n t o r f 电站和美国M c i n t o s h 电站投入商业运行[1]㊂我国自2014年建成了0.5MW 的芜湖非补燃示范项目之后,在中科院工程热物理研究所技术支持下,先后在毕节㊁肥城㊁张北㊁西宁㊁金坛等地建设的压缩空气储能项目相继投入商业运行[2]㊂压缩空气储能具备大规模㊁长时效物理储能能力,可以显著提高能源利用率,具有十分广阔的应用前景[35]㊂地下盐矿水溶法开采后形成的大型地下溶腔可以用作高压空气储气库[6]㊂在项目选址阶段,地下盐腔自身的条件是否满足压气储能项目建设的相关要求,是关系项目成败的最关键条件[9]㊂国内王志荣等[89]先后采用C S AMT 与C Y T 联合探测法和三维地震方法在数据处理和资料解释方面进行了研究,取得一定的成果㊂但是,盐腔的空间展布形态探测仍然是压气储能盐腔调查的关键问题㊂本文依托山东泰安2ˑ300MW 级压缩空气储能创新示范工程,在山东东岳盐业公司采矿区块实施了三维地震工程㊂在正演模拟的基础上开展盐腔地震响应研究,对优选的相关属性进行融合,控制了盐腔的空间展布形态,取得了良好的地质效果,为后续压缩空气储能安全高效开发奠定了基础,同时也为类似地质条件下压缩空气储能盐腔调查提供了参考㊂1 勘查区地质1.1 地质背景勘查区大地构造位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)蒙山蒙阴断隆(Ⅳ)汶口凹陷(Ⅴ)西部,是在燕山构造旋回造就的古湖盆基础上发展起来的㊂汶口凹陷东南与汶东凹陷相通,东㊁北东㊁西三面以南留弧形断裂为界与新甫山凸起相接,㊃06㊃第39卷第9期 山东国土资源 2023年9月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.南连蒙山东平凸起,为箕状单断掀斜断块,表现为盆地地貌,习惯上称为大汶口盆地(图1)[10]㊂大汶口盆地经喜山运动逐渐形成的半封闭的湖盆,湖盆的不断下降,接受卤水,蒸发成矿[11]㊂1 第四系;2 古近系;3 寒武系+奥陶系;4 新太古代泰山岩群;5 断裂代号;6 地质界线;7 推测不整合界线;8 推测性质不明断层;9 推测正断层;10 勘查区位置图1 大汶口盆地地质构造示意图(据朱猛)大汶口盆地内地层自外到内(由老到新)依次为新太古代泰山岩群㊁寒武奥陶纪长清群㊁九龙群㊁马家沟群㊁石炭二叠纪月门沟群㊁古近纪官庄群㊁新近纪黄骅群㊁第四系等,盆地内全被第四系所覆盖[12]㊂图2 大汶口组中段主要赋存地层1.2 主要矿层及开采情况古近纪官庄群大汶口组中段下部为主要含盐段,盐层与石膏互层产出,呈薄互层间隔分布,具有较强的规律性㊂盐矿地层上部覆盖有巨厚石膏层(图2)㊂勘查区盐矿地层向NW 倾伏产出,往东南盐矿地层逐渐抬升,上部盐层依次沉缺,盐矿地层上部膏层逐渐增厚㊂矿山基本采用水平对接井连通采卤工艺,由一口直井㊁一口或多口水平井构成对接井组,大多采用直井注水,水平井出卤的水溶法开采方式[13]㊂水溶采矿是通过溶解各种盐类,清水或欠饱和盐水通过专门设计的井注入到盐岩中,以溶蚀出空隙或洞穴,然后提取 几乎饱和 的盐水进行处理㊂山东东岳盐业有限公司均于1998年成立,建厂初期精制盐生产能力仅50k t /a,矿山生产规模也仅5k t /a (卤折盐)㊂2006年,实施精制盐异地技改后㊃16㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.满足年产30万t精制盐用卤的需求㊂近年制盐产量基本稳定在600k t/a㊂截至2022年3月30日,累计生产精制盐约900万t㊂2地震正演模拟技术地震正演模拟是在地下介质结构和参数已知的情况下,利用数值计算的方法来研究地震波在地下介质中的传播规律,从而获得理论地震记录的一种方法[14-15]㊂正演模拟是基于弹性介质波场传播理论的计算机环境下模拟实际地质模型的方法,对解释实际地震资料,表征地下介质结构与岩性有重要的实际意义[16]㊂基于正演模拟的三维地震资料解释流程图见图3㊂图3基于正演模拟的三维地震资料解释流程图为了解盐腔在地震上的响应特征,本次设计了盐腔的正演模型并利用T e s s e r a l正演软件基于射线追踪法对盐腔的地震响应进行模拟从而为盐腔解释提供基础㊂2.1地质模型设计2.1.1物性参数分析通过测井曲线分析,获取勘查区盐岩㊁泥岩和石膏盐的地震波速度和密度等信息,确定了地质模型的主要物性参数见表1㊂表1地质模型主要物性参数地层岩性速度/(m/s)密度/(g/c m3)膏岩45002.8盐岩40002.16卤水14001.242.1.2地质模型类型根据本区盐岩地层分布特征以及盐岩水溶采矿特点,建立了3种地质模型(图4)㊂模型的最顶层为泥岩,中间层为石膏盐和盐岩互层,亮紫色为盐岩,暗紫色为石膏盐,浅黄色为溶蚀的盐岩㊂图4理论盐腔模型(1)规则水平盐腔模型㊂假设盐岩规则水溶的纯理论模型,盐岩只发生层间溶蚀,上下不贯通㊂(2)不规则盐腔模型㊂层间溶蚀并发生贯通,自下而上逐层相对规则水溶,腔体基本对称㊂(3)极不规则盐腔模型㊂层间溶蚀并发生贯通,各层盐岩水溶情况不一致,腔体不对称,溶蚀程度要高于第二种模型㊂2.2正演模拟采用射线追踪法对图4地质模型进行正演模拟,生成的地震响应如图5所示㊂从图5中可以看出,盐腔的地震响应特征表现为顶部为强反射且有向上弯曲的趋势,内部为弱反射和杂乱反射,底部的同相轴有下拉的趋势㊂图6为本区地震资料中的盐腔地震响应时间剖面㊂水溶采盐后形成的盐腔地震响应特征与盐腔理论模型正演模拟结果非常相似㊂为了进一步确定盐腔与地震响应的对应关系,对盐腔模型的地震响应进行时深转换后与盐腔模型进行叠合显示,如图7所示㊂图5盐腔模型正演地震记录根据理论分析,盐岩(卤水)属于低阻抗,石膏属㊃26㊃Copyright©博看网. All Rights Reserved.于高阻抗(图6)㊂在盐岩的顶部反射界面,地震波从高阻抗进入低阻抗,在地震响应上则表现为盐岩的顶界面反射对应地震波形的波谷㊂从图7可以看出,盐腔的顶部对应的是地震波形波谷位置,与分析的结果相吻合㊂图6本区实际地震资料中的盐腔地震响应图7 地震响应与盐腔模型叠合显示2.3 正演模拟地震属性提取和优选地震属性的优化分析就是利用人的经验或数学方法,优选出对所求解问题最敏感的㊁个数最少的地震属性或地震属性组合[17]㊂由于地震属性有上百种之多,在进行属性提取之前,需要对该区的储层地震响应特征有一定的了解,这样才能从众多的地震属性中有针对性的开展属性提取作业,得到一个初步的地震属性集[1819]㊂为了进一步刻画盐腔的空间形态特征,对正演模拟得到的地震响应开展了多种属性提取㊂选择了与盐腔特征对应关系较好的属性,分别为甜点属性(均方根振幅属性)㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率属性[20](图8),同时结合人工交互综合分析对盐腔进行立体刻画㊂通过图8中属性可以看出瞬时相位属性对盐腔顶部的变化非常敏感,瞬时相位与地震波形的波谷紧密对应,而波谷代表盐岩的顶,因此可以清晰的刻画出盐岩的顶界;由于卤水对高频信息的吸收衰减,在盐腔的中下部瞬时频率则可以清楚的反映出盐腔的边界特征,并且盐腔发育(采卤)程度越高其在瞬1 原始地震响应;2 瞬时相位属性;3 瞬时频率属性;4 能量属性(甜点);5 曲率属性;6 方差属性(相干)图8 盐腔正演地震响应的属性提取时频率上的响应越明显;振幅类属性对盐腔的整体刻画效果最好,甜点属性反映出盐腔的形态包络,图中整个红色区域表现为盐腔的顶部位置;方差属性也可以用来刻画盐腔的侧向边界㊂综合以上属性分析,采用以振幅类优势属性为主,其他属性(方差㊁瞬时频率等)为辅来综合确定盐腔的顶部以及侧向边界,同时结合人工交互综合分析对盐腔进行立体刻画㊂3 正演模拟地震属性在盐腔刻画中应用利用正演模拟属性特征与盐腔的空间形态的对应关系,在常规解释的基础上通过多种属性分析㊁融合实现了盐腔的立体刻画,包括确定盐腔的顶部位置以及各盐层的动用范围㊁盐腔的空间形态㊂3.1 盐腔顶界面的确定通过甜点(能量)属性来进行盐腔的顶部形态雕刻和位置确定,雕刻阈值的确定需要结合已知岩盐生产情况和人工辅助解释来完成(图9)㊂3.2 盐腔侧面边界的确定通过岩层提取的反射强度属性和均方根振幅以及方差属性可以对盐腔的侧边界进行确定,然后利用人机联作在数据体上对腔体进行交互刻画,通过逐条剖面的追踪分析获得腔体的空间形态(图10)㊂3.3 盐腔底界刻画根据物理模拟,盐腔发展基本往上和侧方位发展,盐腔往深部发展的空间很小㊂为确定盐腔边界,盐腔内地震层位直接内插拾取(图11)㊂3.4 盐腔空间形态及分布通过甜点属性确定盐腔的顶界位置,借助反射强度属性与方差属性确定盐腔侧边界,底界以7盐㊃36㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图9 甜点属性刻画的盐腔顶部形态(俯瞰图)图10多属性刻画盐腔边界图11 盐腔底界和内部地震反射波特征层底为基础,向下溶蚀程度很低,这样就可以刻画出盐腔的空间形态㊂根据盐井的产量㊁盐系地层结构㊁盐矿品位等并综合考虑其他造腔因素,可以确定采盐动用地层的体积,据此确定利用属性刻画盐腔的阀值,最终人机连作确定盐腔空间形态㊂图12为采用三维地质图12 综合解释的盐腔分布体雕刻技术利用多种属性雕刻的盐腔空间分布情况㊂4 结论(1)利用正演模拟设计的盐腔模型对盐腔地震响应与实际地震盐腔反应基本一致,为盐腔解释奠定了基础㊂(2)通过正演模拟结果与实际资料对比分析得出,甜点属性㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率属性能够反映盐腔特征㊂(3)结合人工交互综合分析,采用多种优选地震属性融合对盐腔的顶部以及盐腔侧边界进行了刻画,确定了盐腔顶部高点位置和深度,控制了盐腔的空间展布形态㊂参考文献:[1] 纪律,陈海生,张新敬,等.压缩空气储能技术研发现状及应用前景[J ].高科技与产业化,2018,263(4):5258.[2] 王富强,王汉斌,武明鑫,等.压缩空气储能技术与发展[J ].水力发电,2022,48(11):1015.[3] 张建军,周盛妮,李帅旗,等.压缩空气储能技术现状与发展趋势[J ].新能源进展,2018,6(2):141149.[4] 张玮灵,古含,章超,等.压缩空气储能技术经济特点及发展趋势研究[J /O L ].储能科学与技术,2023,h t t p s ://d o i .o r g/10.19799/j .c n k i .2095-4239.2022.0645.[5] 万明忠,王辉,纪文栋,等.压缩空气储能电站盐穴选址关键流程及控制因素[J ].电力勘测设计,2022,12:24.[6] 涂洋.天然气地下盐穴储气库技术研究[D ].成都:西南石油学院,2005:17.㊃46㊃Copyright ©博看网. 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