地震資料構(gòu)造解釋綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探索

張佳佳，張廣智，張繁昌，宗兆云，梁 鍇

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線提出，更新改造傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)，服務(wù)地礦、鋼鐵、石化、機(jī)械、輕工和紡織等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-3]。目前我國(guó)資源亟需科學(xué)規(guī)劃開采，需要高校培養(yǎng)具有多元知識(shí)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才[4-7]。勘查技術(shù)與工程專業(yè)是石油類高校以及地質(zhì)類高校的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)工科專業(yè)，為國(guó)家培養(yǎng)了大量的油氣礦藏地球物理勘探技術(shù)人才[8]。中國(guó)石油大學(xué)（華東）勘查技術(shù)與工程專業(yè)是國(guó)家級(jí)特色專業(yè)和山東省品牌專業(yè)，也是教育部專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)和“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”首批試點(diǎn)專業(yè)[9-10]。在“新工科”建設(shè)背景下，如何“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系”是我?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)亟需解決的問題。

“地震勘探原理”是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，本文面對(duì)“新工科”建設(shè)的新要求，更新傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，將地球物理勘探行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)了“地震資料構(gòu)造解釋綜合實(shí)驗(yàn)”，提高課程興趣度和學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)引入地球物理學(xué)科前沿技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和數(shù)字化思維，致力打通“最后一公里”。

1 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

“地震勘探原理”課程理論比較抽象，知識(shí)點(diǎn)較為零散，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)內(nèi)容較多，很多授課教師都容易把教學(xué)重心放在理論教學(xué)上，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)不太重視，教學(xué)方法也都是以講授法為主。學(xué)生往往把主要精力放在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)上，容易陷入單純數(shù)學(xué)或者物理知識(shí)學(xué)習(xí)中難以自拔，這樣就無法將課本理論知識(shí)和工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐相脫節(jié)。因此，綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的就是讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)工程實(shí)踐技能，鍛煉學(xué)生運(yùn)用課本理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力。

設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)以地震資料構(gòu)造解釋為主，即利用地震資料確定地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和空間位置，推測(cè)地下地層的巖性、厚度及層間接觸關(guān)系[11-12]。地震資料構(gòu)造解釋綜合實(shí)驗(yàn)是油氣礦藏勘探領(lǐng)域典型的工程實(shí)踐問題，需要用到“地震勘探原理”課程中的很多理論知識(shí)，能夠考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的理解程度以及運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)地震資料構(gòu)造解釋簡(jiǎn)單的理解就是需要把地震時(shí)間剖面變?yōu)榈刭|(zhì)深度剖面，如圖1所示。學(xué)生根據(jù)地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用地震資料提供的地震反射波旅行時(shí)、同相性以及速度等信息，查明地下地層的構(gòu)造形態(tài)、埋藏深度和接觸關(guān)系等[13]。最終目標(biāo)是繪制地質(zhì)構(gòu)造圖，搞清地下地層之間的界面信息以及斷層和褶皺的位置和空間展布等，尋找構(gòu)造圈閉油氣藏，確定地層含油氣的可能性和儲(chǔ)量大小，并為鉆探提供井位。

圖1 地震構(gòu)造解釋原理

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

綜合實(shí)驗(yàn)包括合成地震記錄制作、垂直剖面解釋、水平切片解釋和地質(zhì)構(gòu)造圖繪制等4個(gè)模塊，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）合成地震記錄制作。根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（速度、密度和層位等）計(jì)算獲得每口井的時(shí)深曲線，進(jìn)行深時(shí)轉(zhuǎn)換，獲得地質(zhì)層位的反射時(shí)間，編寫程序制作#16井的合成地震記錄，并與井旁地震道進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）垂直剖面解釋。首先選擇基干剖面網(wǎng)，明確整個(gè)工區(qū)均勻分布且能控制全區(qū)的主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線；然后利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，完成垂直剖面上地震反射層與地質(zhì)層位的對(duì)比，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)層對(duì)比追蹤，選擇垂直剖面上反射特征明顯的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行連續(xù)追蹤以及斷層劃分。

（3）水平切片解釋。利用步驟（2）已追蹤解釋過的垂直剖面，根據(jù)交點(diǎn)閉合的方法對(duì)水平切片進(jìn)行解釋，其中包括標(biāo)準(zhǔn)層的追蹤對(duì)比和斷層的劃分。

（4）地質(zhì)構(gòu)造圖繪制。分別利用步驟（2）中解釋的垂直剖面以及步驟（3）中解釋的水平切片繪制標(biāo)準(zhǔn)層的等t0構(gòu)造圖，再按照測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層的平均速度，根據(jù)平均速度進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，繪制標(biāo)準(zhǔn)層的深度構(gòu)造圖。

綜合實(shí)驗(yàn)具體流程如圖2所示。

圖2 綜合實(shí)驗(yàn)流程圖

2 綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

綜合實(shí)驗(yàn)采用的地震資料是美國(guó)休斯敦大學(xué)的聯(lián)合地球物理實(shí)驗(yàn)室（applied geophysical laboratory,AGL）的 SALNOR地震物理模型數(shù)據(jù)[14]。物理模型如圖 3(a)所示，將物理模型放入水槽中，震源和檢波器在物理模型上方由計(jì)算機(jī)控制并按照一定規(guī)律移動(dòng)，模擬實(shí)際地震觀測(cè)系統(tǒng)，地震測(cè)線布設(shè)示意圖如圖3(b)所示。

圖3 SALNOR地震物理模型以及地震測(cè)線布設(shè)示意圖[14]

學(xué)生首先需要使用 Matlab語言編程制作合成地震記錄，如圖4所示。學(xué)生需要結(jié)合“地震勘探原理”課程中的地震記錄生成的理論知識(shí)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算地震反射系數(shù)，再選擇合適的地震子波與地震反射系數(shù)進(jìn)行褶積，得到合成地震記錄，最后將合成地震記錄與實(shí)際地震記錄進(jìn)行標(biāo)定和對(duì)比。

在合成地震記錄制作完成之后，學(xué)生就可以將地震反射信息與地質(zhì)層位建立起聯(lián)系，也就是說把地震反射層位賦予地質(zhì)意義。接下來學(xué)生要結(jié)合“地震勘探原理”課程理論知識(shí)，根據(jù)“強(qiáng)振幅、波形相似性、同相性和時(shí)差變化規(guī)律的漸變性”等特征在不同的地震垂直剖面上來識(shí)別和追蹤來自同一地質(zhì)層位的地震反射波。圖5為SALNOR模型CDP90測(cè)線和CDP120測(cè)線的垂直剖面解釋結(jié)果，圖中除了橫向展布的標(biāo)準(zhǔn)層外，還要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層厚度的變化及接觸關(guān)系等來劃分?jǐn)鄬樱▓D5中紅色線表示斷層），解釋地質(zhì)構(gòu)造以及斷裂系統(tǒng)。

地震水平切片是不同地質(zhì)層位在同一時(shí)刻的顯示，相當(dāng)于某一等時(shí)面的地質(zhì)圖，即同一張水平切片里顯示了不同地質(zhì)層位信息。水平切片上的地震反射信息和垂直剖面上的地震反射信息是一一對(duì)應(yīng)的。因此學(xué)生可以根據(jù)這一特征，利用解釋好的垂直地震剖面采用交點(diǎn)閉合的方法來解釋水平切片。圖6分別展示了SALNOR模型在1 120和1 220 ms水平切片的解釋結(jié)果，水平切片同相軸分布輪廓表示地質(zhì)層位的局部走向。

圖4 合成地震記錄制作結(jié)果

圖5 垂直剖面解釋結(jié)果

圖6 水平切片解釋結(jié)果

地震構(gòu)造圖是以等值線直觀表示地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，是地震勘探的最終成果圖件，為鉆井提供井位的主要參考資料。學(xué)生首先根據(jù)工區(qū)位置坐標(biāo)信息按照一定的比例尺繪制測(cè)網(wǎng)底圖，再利用解釋好的地震垂直剖面和地震水平切片，讀取地震反射標(biāo)準(zhǔn)層的層位數(shù)據(jù)以及斷層的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)，標(biāo)注在測(cè)網(wǎng)底圖的相應(yīng)位置上，以及進(jìn)行斷裂系統(tǒng)組合。然后按構(gòu)造圖的比例尺確定數(shù)據(jù)點(diǎn)的間距，勾繪等值線（等時(shí)線），就可以得到等t0構(gòu)造圖。最后按照給定所有測(cè)井的層速度計(jì)算目標(biāo)層位的平均速度，根據(jù)平均速度進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，繪制等深度構(gòu)造圖。圖7分別展示了SALNOR模型BRENT組頂部的等t0構(gòu)造圖和等深度構(gòu)造圖。

圖7 地質(zhì)構(gòu)造圖繪制結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)拓展

在完成綜合實(shí)驗(yàn)4個(gè)模塊后，在實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)向?qū)W生介紹目前地球物理勘探行業(yè)熱點(diǎn)前沿技術(shù)——機(jī)器學(xué)習(xí)，將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)引入到地震資料構(gòu)造解釋中，進(jìn)一步深化和擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（1）指導(dǎo)學(xué)生利用 Python語言編寫卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks，CNN）方法程序，該方法在圖像分類、視覺識(shí)別和目標(biāo)檢測(cè)等許多機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域都取得了良好效果[14-16]。地震垂直剖面或者水平切片其實(shí)就是地下地質(zhì)構(gòu)造的圖像顯示，因此引導(dǎo)學(xué)生利用基于圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來進(jìn)行地震資料構(gòu)造解釋。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)拓展是將 CNN方法應(yīng)用到地震資料構(gòu)造解釋中，不再需要進(jìn)行人工解釋斷層，通過大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)就可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別斷層。如圖8所示。

圖8 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的斷層自動(dòng)識(shí)別

5 結(jié)束語

針對(duì)“新工科”建設(shè)要求，以解決實(shí)際地質(zhì)工程問題為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了地震資料構(gòu)造解釋綜合實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置4個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，引導(dǎo)學(xué)生將課本理論知識(shí)與實(shí)際地質(zhì)工程問題建立起聯(lián)系，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考問題和靈活運(yùn)用知識(shí)的能力。通過實(shí)驗(yàn)拓展，向?qū)W生講授地球物理勘探行業(yè)最新前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新意識(shí)。在該綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和支撐下，勘查技術(shù)與工程專業(yè)的4名學(xué)生榮獲2018年全國(guó)地球物理知識(shí)競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。