井間地震層析成像在柳北換流站場地工程勘查中的應(yīng)用

宗育泉，彭代誠，劉江平

(1.中國電力工程顧問集團 中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

巖溶是在我國南方地區(qū)工程勘察中無法避開的不良地質(zhì)體問題，南方地區(qū)巖溶分布廣泛,是世界上巖溶面積最大的區(qū)域之一。全國碳酸鹽巖面積達(dá)到了國土面積1/7以上，而南方地區(qū)的巖溶面積占比將遠(yuǎn)大于這一比例，未來更多的大型工程場地將無法避免地選址在巖溶發(fā)育區(qū)。巖溶發(fā)育具有不確定性、隨機性及隱蔽性，如何查明形成巖溶的地質(zhì)環(huán)境、巖溶的空間分布形態(tài)及其發(fā)展變化規(guī)律，為工程設(shè)計提供準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料，是一個重要而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在場地工程巖溶勘查中，目前使用的物探技術(shù)手段有許多種，比如有常規(guī)地面地震勘探、電法勘探[1]、電磁波CT[2]以及井間地震CT法等。這些方法有各自優(yōu)劣勢，地面地震勘探和電法勘探方法最大的優(yōu)勢是成本低，但是地面物探方法通常都有水平屏蔽層的問題，例如電法勘探的水平低阻夾層，地震勘探的水平高速夾層，而井間地球物理勘探則可以減少不必要的衰減以及高頻吸收。井間地震CT相比較于井間電磁波CT，其分辨率更高、攜帶信息更加豐富，因此本次研究選擇井間地震CT來進(jìn)行巖溶探測。

井間地震是井中地震學(xué)的重要組成部分[3]，是在20世紀(jì)80年代興起的一項新型的地震勘探方法技術(shù)。它是在一個井內(nèi)激發(fā)地震信號，然后在另一個井接收地震信號的地球物理方法，這種特殊的觀測方式有其獨特的優(yōu)勢，由于接收系統(tǒng)和激發(fā)系統(tǒng)都置于井下，可以十分接近目的層，直接得到目標(biāo)層位的豐富信息，減少不必要的衰減以及高頻吸收，具有高精度、高分辨率等特點[4]。井間地震反射成像和井間地震層析成像是井間地震的兩個主要方法，在世界多個油氣田中進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，給油氣田的開發(fā)和利用帶來了新的活力[5]。除了在油氣開發(fā)的應(yīng)用，井間地震層析成像方法因其成像速度快、穩(wěn)定性好、發(fā)展成熟等特點也被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，比如工程地質(zhì)勘查[6，7]、工程質(zhì)量檢測[8]、巖溶探測[9，10]、含水層探測[11]、CO2的檢查[12]、城市地下空間探測[13，14]等方面，并取得了良好的應(yīng)用效果。但在應(yīng)用過程中仍然存在一些問題，比如對成像精度和分辨率、井位的利用率不高等問題。影響井間地震層析成像分辨率的因素有很多，如觀測方式、反演算法、震源頻率、目標(biāo)體的形態(tài)及性質(zhì)等，隨著井間地震技術(shù)的發(fā)展，許多研究者對井間地震走時層析成像分辨率問題進(jìn)行了討論和研究[15]。在層析反演算法中首先要確定射線路徑矩陣，確定射線路徑矩陣的關(guān)鍵是如何快速計算每條射線通過每個單元的距離，追蹤初至波傳播路徑以及走時。最簡單的方法是把波傳播路徑近似為直線，其特點是計算簡單，當(dāng)觀測系統(tǒng)確定后，射線路徑矩陣也就隨之固定不變了。然而，由于成像剖面上各點的波速并不相等，特別是當(dāng)各點之間波速(即異常體界面波阻抗)變化差異較大時，初至波傳播路徑會發(fā)生明顯的彎曲。因此，彎曲射線快速追蹤是提高層析成像精度關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文首先對層析成像原理進(jìn)行闡述，然后采用優(yōu)化的觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)，完成井間數(shù)據(jù)采集，通過對比兩種射線追蹤方法的反演成像結(jié)果而選擇出最優(yōu)方法，從而獲得各井對的速度分布，并充分利用多個井位進(jìn)行連井剖面成像驗證，將井間地震層析成像技術(shù)與工程鉆探分析相結(jié)合。結(jié)果表明在工程勘查中，通過井間地震層析成像拾取基巖面和探測巖溶是行之有效的地球物理方法，可獲得異常體空間分布，且具有較高的分辨率。

2 基本理論

層析成像(CT)技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是Radon變換及其逆變換。層析成像(CT)過程，就是根據(jù)實測投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部某種物理量的分布圖像，是Radon逆變換公式的具體實現(xiàn)過程，即從觀察到的一組曲線或曲面數(shù)據(jù)反演物理模型。地震初至層析成像可以描述為已知初至波時間求解速度分布的問題，用關(guān)系式表示為：

(1)

式(1)中，T為地震波傳波時間;L表示射線路徑，S為慢度(即為地震波速度的倒數(shù))。將式(1)用矩陣可以表示為：

T=AS

(2)

式(2)中，T為傳播時間；A為射線路徑矩陣或射線距離矩陣;S為慢度矩陣。對于解線性方程組式(2)，若已知慢度矩陣S，對射線進(jìn)行追蹤，計算傳播時間T，稱為正演過程(即 Radon 正變換過程)。若已知傳播時間T，求解慢度矩陣S，稱為反演過程(即 Radon逆變換過程)。反演成像過程涉及到求解大型稀疏線性方程組式(2)，通常采用迭代法求解。聯(lián)合迭代重建法SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques)是利用一個網(wǎng)格內(nèi)通過的所有射線的修正值來確定這一網(wǎng)格的平均修正值。圖1為射線路徑示意圖，SIRT算法的具體實現(xiàn)方法是先將兩個井之間的剖面網(wǎng)格化，每個網(wǎng)格單元函數(shù)S的值為一常數(shù)，那么對于第i條射線Li(由源點So到接收點Re的投影路徑)的走時可以表示為：

(3)

(4)

則在網(wǎng)格內(nèi)的平均修正值為

(5)

式中,Mj表示矩陣A的第j列中的非零元素的個數(shù)，從物理上講是穿過第j個單元格的射線數(shù)。N表示總的射線數(shù)，m表示模型離散后的網(wǎng)格數(shù)。用式(5)對第j個像素的慢度值Sj進(jìn)行修正，得到：

(6)

當(dāng)估算值與觀測值之間的差小于給定誤差時停止迭代，否則進(jìn)行下一輪迭代。此外在求解模型的過程中，為了加快收斂速度，先采用BPT(Back Projection Technique)算法進(jìn)行重建，重建的結(jié)果再作為SIRT算法的迭代初值[15]。最終各單元慢度值即為成像結(jié)果。鑒于工程中的應(yīng)用，最終結(jié)果常常提供出單元的速度值vi=l/Sj。

3 實際資料采集

3.1 地球物理條件

本次井地聯(lián)合地震勘探的場地試驗是在廣西柳北換流站場，屬桂中斷褶侵蝕溶蝕丘陵地貌，由多個高低不等的丘包山體連綿構(gòu)成，壟崗地形起伏較大。測區(qū)內(nèi)覆蓋層多為第四系土層，基巖多為灰?guī)r。覆蓋層與基巖風(fēng)化層、基巖風(fēng)化層與新鮮基巖、溶蝕漏斗與圍巖、巖溶與圍巖等之間均存在較大的物性差異，為井間地震提供了地球物理勘探的地質(zhì)條件。

3.2 工作方法和技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場井口的分布和地形條件，圖2為井間激發(fā)與接收井布置圖，采用了一井激發(fā)五井接收的工作模式，井中檢波距為1.0 m，采樣間隔和記錄長度分別為0.062 5 ms和100 ms，激發(fā)方式為電火花震源，激發(fā)間距為1.0 m。圖3、圖4分別為觀測系統(tǒng)圖和原始地震記錄，從觀測系統(tǒng)上來看，采用1.0 m檢波距和激發(fā)間距獲得的射線密度高，有利于射線追蹤結(jié)果的準(zhǔn)確性，從地震記錄上可以清晰地看到初至波到達(dá)時間，能夠準(zhǔn)確地拾取初至進(jìn)而進(jìn)行層析反演。

圖2 測線布置Fig.2 Line layout diagram

圖3 觀測系統(tǒng)Fig.3 Observation system diagram

圖4 原始地震記錄Fig.4 Original seismogram

4 成像結(jié)果分析

4.1 成像反演方法對比

在射線追蹤反演成像時，可選擇直射線追蹤和彎曲射線追蹤兩種方法，圖5(a)、圖5(b)分別是直射線法與彎曲射線法的成像結(jié)果。由圖5可見彎曲射線法明顯比直射線法的精度要高，反演結(jié)果更加合理準(zhǔn)確，故最終選擇彎曲法來進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的成像反演。

圖5 直射線和彎曲射線反演結(jié)果對比Fig.5 Comparison of straight and curved ray inversion results

4.2 兩井剖面分析和對比

根據(jù)初至波反演成像對層位的判定，結(jié)合實際鉆孔資料，對所有井對進(jìn)行了基巖面的界定，然后對其進(jìn)行基巖面追蹤，以及對巖溶和溶蝕漏斗的界定和解釋。本文僅以ZK06-ZK05、ZK07、ZK14之間的速度剖面圖為例來進(jìn)行分析。

從圖6的ZK06成像剖面中可以判斷基巖界面速度大概在2 250～2 750 m/s之間。在ZK05井下方處有巖溶C1；中心坐標(biāo)為(23,103)，頂?shù)赘卟顬? m，寬為1 m；另外ZK06-ZK05間還有一巖蝕漏斗F1，中心坐標(biāo)為(22,112.5)，頂?shù)赘卟顬? m，寬為2 m ；ZK07井中存在一巖溶C2，中心點坐標(biāo)為(11,114)，頂?shù)赘卟顬? m，寬為2 m；ZK14井中存在巖溶C3，中心點坐標(biāo)(24，109)，頂?shù)赘卟? m，寬1 m。為了說明井間地震勘探的精度，如圖7所示，其中紅色標(biāo)記表示地震層析成像推斷的基巖面位置，黃色區(qū)域表示層析成像推斷的巖溶區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域表示層析成像未能推測出的巖溶位置。由圖可知，基巖面位置準(zhǔn)確，巖溶C1、C2、C3均得到驗證，但受分辨率限制，ZK05井中另一小溶洞未能被識別。如表1所示，對井基巖頂板深度進(jìn)行了誤差分析，其計算方法：絕對誤差=鉆孔深度-成像深度；相對誤差=100*(鉆孔深度-成像深度)/鉆孔深度。對井最小、最大和平均絕對誤差分別為0.0 m、1.4 m、0.3 m，最小、最大和平均相對誤差分別為0.0 %、6.5 %和1.4 %。

圖6 ZK06成像剖面Fig.6 ZK06 imaging profile

表1 井間地震探測與鉆孔深度對照

Table 1 Cross-well seismic detection and borehole data depth contrast table

試驗孔號孔口高程/m基巖面高程/m基巖面厚度/m地震推斷基巖面高程/m地震推斷基巖面厚度/m絕對誤差/m相對誤差/%ZK01136.8113.323.5113.023.80.31.1ZK02141.9105.936.0106.035.90.10.2ZK03132.8116.816.0117.015.80.21.1ZK04139.2114.424.8114.025.20.41.6ZK05143.5122.321.2122.021.50.31.3ZK06137.3119.118.2119.018.30.10.6ZK07140.9119.621.3121.019.91.46.5ZK08135.2119.116.1119.016.20.10.5ZK09139.4125.713.7125.014.40.74.8ZK10143.7126.717.0127.016.70.31.6ZK11137.7120.717.0121.016.70.31.6ZK12140.4118.521.9118.521.90.00.0ZK13136.1102.933.2103.033.10.10.3ZK14139.7124.914.8125.014.70.10.5ZK15142.9113.029.9113.029.90.00.0ZK16145.8130.015.8130.015.80.00.0

圖7 鉆孔資料Fig.7 Borehole data map

4.3 連井剖面解釋

為了驗證井間地震勘探的正確性，分別選取了近東西走向ZK04-ZK07-ZK10(圖8a)和近南北走向的ZK02-ZK07-ZK14(如圖8b)兩個連井剖面對比ZK07實際鉆孔資料(圖7c)來進(jìn)行驗證。

從圖8可見，近東西走向和近南北走向的這兩連井剖面均有三個鉆井，且井距較遠(yuǎn)，但基巖面清晰準(zhǔn)確，與單個二維剖面解釋的基巖面基本一致。連井剖面中ZK07鉆井中的巖溶C2、ZK14鉆井中的C3以及ZK02-ZK07-ZK14三井之間的C4～C7均有異常顯示，與單個二維剖面巖溶解釋相同。

圖7(c)中顯示的紅色標(biāo)志表示地震層析成像推斷基巖面位置，黃色區(qū)域表示的推斷的巖溶位置，由層析成像推測的鉆孔ZK07的基巖面以及井中巖溶位置與鉆井資料基本一致，驗證了井間CT的準(zhǔn)確性和精度。

圖8 連井速度剖面Fig.8 Well-connecting velocity profile

5 結(jié) 語

本文以井間層析成像技術(shù)為基礎(chǔ)，在充分調(diào)研和分析場地地質(zhì)條件與干擾源的情況下，根據(jù)勘探區(qū)地質(zhì)特點，以及場地試驗和噪聲規(guī)律，確定了野外井間采集參數(shù)、井對組合關(guān)系、井間觀測系統(tǒng)，并完成了數(shù)據(jù)采集。通過對比分析兩種射線追蹤方法的反演成像結(jié)果而選擇效果最佳的方法，從而獲得了各井對二維井間層析成像速度剖面。并充分利用多個井位進(jìn)行連井剖面成像驗證，將井間地震層析成像技術(shù)與工程鉆探分析相結(jié)合。結(jié)果表明：

1)在射線追蹤反演時，彎曲法可以有效提高CT成像精度，獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)信息；

2)通過與實際鉆孔資料對比分析，井間地震CT可有效獲得地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖溶等的空間分布，且具有較高的精度；

3)通過利用多個井位進(jìn)行連井剖面與實際鉆孔資料的對比分析，驗證了井間地震CT在場地工程應(yīng)用中的可行性。

但該方法的不足之處在于，井間地震CT成像方法可有效探測1.0 m以上的巖溶和溶蝕漏斗，但小于1.0 m的巖溶就無法顯示。另外本文進(jìn)行的鄰井成像和連井成像，不能獲得剖面的側(cè)向結(jié)構(gòu)信息，使得成像結(jié)果的橫向連續(xù)性差，且對空間井位利用率不高，不利于三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和評價。針對不足之處，建議今后研究工作應(yīng)進(jìn)一步提高分辨率和采用三維成像技術(shù)。