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超聲地震物理模擬技術(shù):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(jīng)濟(jì)網(wǎng) 隨著我國石油勘探領(lǐng)域向西部和南方復(fù)雜地區(qū)的推進(jìn)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的特殊波場特征不斷出現(xiàn)，對勘探技術(shù)提出了更高要求。因而，處于技術(shù)前沿的超聲地震物理模擬技術(shù)，越來越為地球物理學(xué)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(yīng)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(shù)？ 趙群：采用“人工地震法”獲得地層構(gòu)造信息的方法是，在地面用炸藥作為震源放炮，激發(fā)產(chǎn)生的地震波，傳到幾千米以下的地層構(gòu)造上，再反射回到地面，最終以數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分布形態(tài)（這里稱作“震相”）進(jìn)行處理分析，推知地下的地層構(gòu)造。這種由震相反求地層構(gòu)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(xiàn)出的外在形態(tài)特征，借助某些方法技術(shù)，演繹推斷出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理。這之間的關(guān)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(jié)構(gòu)的認(rèn)識。 但問題是，我們通過反演所揭示的“謎底”，與真實復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的實際情況，不能看到整個地層構(gòu)造，地球物理學(xué)家也只能是“望地興嘆”，必須找到一個基礎(chǔ)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(guān)的地層構(gòu)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(jī)理的超聲波作為激發(fā)源，在實驗室內(nèi)進(jìn)行野外勘探模擬演示，詳細(xì)觀察研究“謎面”現(xiàn)象與“謎底”本質(zhì)間的因果關(guān)系，從而達(dá)到驗證理論、檢驗方法、錘煉技術(shù)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(shù)。 與反演方法相對應(yīng)，在已知地質(zhì)物理模型的條件下，獲取該模型的地震觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)而檢驗勘探方法技術(shù)的過程，在石油物探上稱之為“正演”。相應(yīng)的物理模型稱之為“正演模型”。 記者：超聲地震物理模擬技術(shù)在地震勘探上有哪些應(yīng)用？ 趙群：超聲地震物理模擬技術(shù)在地震勘探上應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大致歸納有三個方面。首先，物理模型是基礎(chǔ)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(xiàn)象進(jìn)行研究，充分揭示了各種波動現(xiàn)象在不同地層條件下的變化響應(yīng)特征。 隨著研究的深入，模型所面對的對象也越來越復(fù)雜。如孔縫洞模型、井間地震模型、復(fù)雜地表模型等，每當(dāng)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(shù)總是充當(dāng)排頭兵。 第二，超聲地震物理模擬技術(shù)可以被用來驗證一些理論、假設(shè)或者假說，以及被廣泛用來驗證地震學(xué)中的各種計算方法、數(shù)學(xué)模擬方法及數(shù)據(jù)處理解釋程序。另外，物理模型可以在地震勘探施工設(shè)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(jié)果的正反演驗證。 近年來，隨著我國石油勘探領(lǐng)域向西部和南方復(fù)雜山區(qū)推進(jìn)，對勘探施工設(shè)計的要求也越來越高。南京所承擔(dān)了大量的用物理模擬技術(shù)研究施工設(shè)計方式的科研生產(chǎn)項目，在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生了良好的效果。 第三，為技術(shù)創(chuàng)新提供支撐。當(dāng)野外生產(chǎn)中復(fù)雜波場現(xiàn)象出現(xiàn)時，人們有能力在簡化的條件下，在實驗室再現(xiàn)這些波場現(xiàn)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(shù)在國內(nèi)外的研究發(fā)展情況怎樣？ 趙群：超聲地震物理模擬技術(shù)的起源，可以追溯到上世紀(jì)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(jì)70年代后期以來，隨著計算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)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(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造問題。1977年，在數(shù)十家公司的贊助下，美國休斯敦大學(xué)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(jìn)行了大量工作，取得了一系列成果。俄羅斯科學(xué)院、荷蘭Delft科技大學(xué)、加拿大的Calgary大學(xué)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(shù)進(jìn)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(jìn)入了一個全面發(fā)展而又富有成果的階段。繼北京大學(xué)于1978年率先恢復(fù)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(dá)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(xiàn)。 中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所應(yīng)用地球物理實驗室是國內(nèi)一流的地震物理模型實驗室。自1982年建立以來，實驗室承擔(dān)了多項國家重點攻關(guān)課題、部控項目及自然科學(xué)基金項目的研究，還先后承擔(dān)了多項系統(tǒng)內(nèi)外生產(chǎn)部門、科研單位和高等院校技術(shù)服務(wù)實驗項目，并為科研單位、大專院校的畢業(yè)設(shè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理解釋系統(tǒng)、正演數(shù)值模擬系統(tǒng)、高溫高壓巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)、192道淺層地震儀等設(shè)備，并形成了從巖性測試、模型制作、模型實驗、數(shù)據(jù)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(dān)從復(fù)雜波場基礎(chǔ)理論、勘探地震技術(shù)到開發(fā)地震技術(shù)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(shù)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(xué)科交叉、知識密集的應(yīng)用技術(shù)。隨著油氣勘探難度的日益增加，對物理模擬技術(shù)提出了更高要求。非均勻介質(zhì)、雙相乃至多相介質(zhì)、復(fù)雜地表等新的研究領(lǐng)域，將引領(lǐng)物理模擬技術(shù)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(zhì)構(gòu)造為主，它著重考慮材料的縱、橫波速度及幾何形態(tài)。而現(xiàn)在隨著地質(zhì)構(gòu)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(xué)特征，而且要考慮材料的動力學(xué)特征，如密度等。要適應(yīng)新的要求，就必須加強(qiáng)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(yīng)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(jìn)。如進(jìn)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(jìn)一步提升實驗數(shù)據(jù)的分析能力來看，目前對地震模型實驗數(shù)據(jù)的分析處理，一般都是借助于生產(chǎn)用處理分析系統(tǒng)，缺少針對性，不能滿足對實驗數(shù)據(jù)分析的一些特殊要求。因此需要為模型實驗數(shù)據(jù)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(jìn)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常快，而在液體中超聲換能器與介質(zhì)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(dá)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(yīng)直接對固體模型進(jìn)行超聲觀測，這樣才能更加適應(yīng)野外生產(chǎn)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(guān)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