地震频率谐振技术原理及优势

2022-12-07 17:57:59 psg 63

基于谐振原理的地震勘探方法在资源勘查中的应用


李红光,侯铮


(黑龙江省有色金属地质勘查七〇六队,黑龙江 齐齐哈尔 161000)
第一作者简介:李红光,男,本科,物探工程师,研究方向:物探方法技术。


导读:一种基于谐振(共振)原理的地震勘探方法,这种方法不同于以往的反射、折射地震;它应用范围更广成果显示更加突出,在金属矿产资源勘查、油气资源勘察等方面都有很不错的效果多参数、高精度,是一种新兴的物探方法。


关键词:谐振法;地震勘探金属矿产资源勘查油气资源勘察



内容提纲


0  引言
1  地质发展背景
2  中国地震勘探技术发展
3  国外的地质测量点技术
4  地震技术探测算法
5  实验分析
6  结论



0  引言


传统的地震勘探方法在勘测石油、天然气资源、煤田、区域地质研究和地壳研究等方面,都得到广泛应用。地震勘探是通过人工方法激发地震波,研究地震波在地层中传播的规律与特点,以查明地下的地质构造、沉积、储层等地质特征,为寻找油气田(藏)或其它勘探目标服务的一种物探方法。地震理论经过几个世纪的论证演变,已经非常全面细致了,但是在生产使用上我们还有很多路要走。


1  地质发展背景


地震研究始于19世纪中期。1845年,r.马利特使用人工激发地震波来测量弹性波在地壳中的速度,这是地震研究的开始。第一次世界大战,交战的各方都使用重炮后坐力造成的地震波来确定彼此的武器(重炮)位置。1913年前后,r.费森登在其著作中对利用反射波进行地震勘探的方法进行论述,但受限于当时的技术原因,该项技术无法达到实际应用水平。1921年,j.c.卡彻将地震反射研究应用于实际,首次在美国俄克拉荷马州记录了人造地震反射波。1930年,通过反射法地震勘探,在该地区发现了三个油田;从那时起,反射法进入了工业应用阶段。关于折射的地震研究始于20世纪初的德国,在20世纪20年代的l.明特罗普,通过折射地震勘探在墨西哥湾沿岸发现了许多盐丘。30年代,苏联,Г.А.甘布尔采夫等吸收反射法的相关技术,相应的改进了折射法;初始折射法只能记录先到达的折射波,而改进的折射法可以记录后期到达的折射波,可以更仔细地观察研究波形特性。在20世纪50年代和60年代,光点照相记录方式被模拟磁带记录方法所取代,这种方法通过为多次回放选择不同的记录,来提高记录质量。20世纪70年代,模拟磁带记录被数字磁带记录取代,建立了以高速数字计算机记录、多覆盖技术、地震计算技术为基础的完整技术体系,大大提高了记录精度和解决地质问题的能力。自20世纪70年代初以来,地震勘探已被用于研究岩石岩性及其孔隙中的流体组成。基于地震时间剖面分析的气藏“亮点”分析和基于地震反射波振幅与偏移量关系的油气储层预测(见圈闭),成功例子很多。拟测井技术可以计算地层波阻抗和层速度,在条件允许的情况下,可以达到地质分析要求的实际效果。现代地震勘探正由构造勘探演化为岩性勘探。


2  中国地震勘探技术发展


中国从1951年开始进行地震勘探,并将其应用于石油和天然气储量、煤田、工程地质和一些金属矿山的勘探。20世纪60年代,中国进入了大规模地球物理研究的阶段,在这一时期,地震研究小组不仅迅速发展,而且地震仪器也不断更新和发展。模拟带式存储的地震仪是1966年开发的,数字的地震仪是1968年开发的。在此期间,胜利、大港、江汉和其他油田被发现。20世纪80年代,中国地球物理数据处理技术和解释进步明显。中国已经建立了几个计算机处理中心,将反褶积、迁移等更复杂处理方式作为常规方法;相应波长的形状、亮点、即时的在线分析、碳和氮以及其他特殊处理也得到了广泛应用。解译技术的发展得益于计算机处理能力和水平高速进步,使解译结果更加准确可靠。20世纪80年代初,人机交互解释系统问世;解释工作站不仅提高地震解译的效率,而且将地震数据的解释和自动化提高到了一个新的水平。20世纪90年代,我国各大油田分别进行了新一轮的计算机系统的更新换代,多节点、并行算法的巨型计算机和相应的地震资料处理系统的引进,极大的推动了我国油气勘探开发技术的深入发展。地震资料解释目前主要采用从国外引进的Landmark和GeoFram工作站交互解释系统。目前国内使用的处理和解释系统主要由物探局推出的GRISYS和GRISTATION。在这十年中的核心技术有:高分辨率三维地震勘探、时间推移(4D)地震技术、三维深度偏移成像、地震资料的三维可视化解释等。在陆地和海洋反射法、折射法这两种方法均可应用。折射法在研究很浅或很深的界面、寻找特殊的高速地层时比反射法更有效。但折射法的应用有条件限制,其要求界面下层波速必须大于上层波速,所以折射法的应用范围较窄;而反射法只对岩层波阻抗的要求有所变化,易于得到满足,因而地震勘探中广泛采用的是反射法。现在反射法作为主流的地震勘探方式,其主要采用的是时间域反射勘探方案,反射地震基于的基本原理:(回声测距原理)S=1/2×vt,即假设弹性地震波在时间和空间上的传播符合波动方程及其极限;在地表采集地震反射波序列,得到反射波的时间剖面,时间剖面经过偏移校正和时深转换后,得到的铅垂深度剖面,即以波动形式表述的波阻抗差。这种勘探方式,日趋成熟,解译越加完善,但同时受到原理因素的限制,其先天就有很多不足之处,限制了地震技术在更多领域的应用


3  国外的地质测量点技术


1989年,日本科学家中村(Nakamura)提出了一种特殊的评估方法,该方法是在同一地面测量点上,根据水平分量与竖向分量傅里叶振幅谱比值来估计场地特征,即“中村法”。这种方法常用于研究场地的特征,并取得了许多成果。目前,国内外的研究人员也在使用这种方法研究相关的结构特征。该技术的实质测量地下物体弹性波谐振频率。谐振也叫共振,即当一个物体受到一定弹性频率的波的激励时,其反应的振幅被放大。我们的日常生活正有很多共振现象的实例,其中1940年,美国的全长860m的塔柯姆大桥,就是因为大风引起的共振而被催毁。而地下地质体对地震波的反应,也是有共振现象存在的,当一定频率振动作用于地质体时,地质体发生共振,导致地震波振幅显著增加。所以,谐振应用于地质勘探是有一定的理论基础的;但是长期以来,人们对这一现象的认识,并没有形成理论研究体系。其主要原因是,该技术主要利用的震源是无源地震信号,需要通过多次叠加从大量弱信号数据中获取有用信息。其次,自然界的震源信号是复杂的,地质上有用的信号主要来自于地下的微弱信号。因此,在高噪声条件下,很难获得长期观测和分析的数据。因此,这些因素影响着谐振这种地震勘探方法的发展。多年来,人们普遍认识到,这种方法一般适用于灾害分析和特定类型地震研究。近年来,由于微动技术的发展,人们开始尝试在结构研究领域中使用这一技术。2016年,英国国家地质调查局基于该技术原理开发了一种被动微震技术,并尝试将其应用于碳酸盐岩溶发育和岩相变化地区研究。实验使人们惊奇地获得了诸如基岩与第四系的边界、灰岩与白云岩之间的界面以及裂缝发育区域等信息。由于技术本质上是被动微动技术的一个分支(即一种非人工源),它省略了主动源,但是检测时间大大的增加了。


4  地震技术探测算法


我国对“中村法”以及谐振法的研究一直都在进行,但是由于受到早期的技术限制,很多想法无法实现。但是,这不影响我们对谐振法的应用推广。2005年一种基于谐振原理的勘探方法进入到油气开发,其利用油气储层的固有频率区段发生谐振现象,来确定地下的地层位置,并以该地层位置作为油气聚集的部位。吴会良完善了该方法,利用该方法可以很好的解决油气检测成功率低的问题,从而有效地降低石油勘探的风险,提高投资回报率。油气上谐振方法的成功应用,充分说明谐振理论科学性。谐振原理的特性代表了其有很广阔的发展空间,所以基于谐振原理的开发应用任重而道远。2017年,北京派特森科技股份有限公司董事长薛爱民博士,依托于大型计算机技术,开发并成功实践应用地震波频率谐振勘探技术(Seismic FRP),该技术具有极高勘探灵敏度(特别是对于中浅层),对地质属性具有超常的鉴别能力,适应复杂地表环境和地下介质环境采集作业方便、灵活、经济、快速,数据处理快速、地质解释明确简单

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5  实验分析

频率谐振技术近三年才刚刚兴起,处于起步阶段,但是由于薛爱民教授的大力推广,基于这项技术的优势,在全国各地已经开展了很多实际工作,通过市场的验证,全国新的城市地质招标项目中频率谐振技术都已经被认可。仅仅三年,已经证明该技术本身的价值和优势,在精细探测方面:1mm~2mm的浅部裂缝可以成像,在深部勘探方面:40Km的深部地质完全可以成像,在属性勘探方面:对孔隙度、速度、密度、刚度、泊松比都敏感,同时这项新的技术还有许多技术尚待开发,如速度分析、偏移等。

6  结语


地震频率谐振勘探技术是一种新的地震勘探技术,该技术的勘探精度对常规物探方法形成了挑战,该技术安全环保经济性好,对于现阶段困扰油气开发、金属矿产勘查等方面的问题,都能以另一种全新的方式提供较好的解决方案,其具备强大的开发潜力。


原文来源:世界有色金属.2020年5月上.P159~P160

文章编号:1002-5065(2020)09-0159-2