植根于模型试验的超声地震物理模拟技术，一直在地震勘探尤其是复杂地质勘探领域发挥着重要作用

 超声地震物理模拟技术：实验室中的“沙盘演兵”

    随着我国石油勘探领域向西部和南方复杂地区推进，复杂地质条件下的特殊波场特征不断出现，对勘探技术提出了更高的要求。因而，处于技术前沿的超声地震物理模拟技术，越来越为地球物理学家所重视。

    近日，记者就此采访了中国石化石油勘探开发研究院南京所应用地球物理实验中心主任赵群。

    记者：什么是“超声地震物理模拟技术”？

    赵群：采用“人工地震法”获得地层构造信息的方法是，在地面用炸药作为震源放炮，激发产生的地震波，传到几千米以下的地层构造上，再反射回到地面，最终以数据形式被接收仪器捕捉，并形成地震波图像，通过对该图像上的数据分布形态（这里称作“震相”）进行处理分析，推知地下的地层构造。这种由震相反求地层构造形态的过程，在石油物探上称之为“反演”。

    “反演”就是反向演绎。是对事物表现出的外在形态特征，借助某些方法技术，去演绎推断出其内部结构机理。这之间的关系用谜底与谜面来比喻就是，在地面接收到的震相是地球给出的“谜面”，对震相的处理解释过程则是对“谜面”的分析推敲，最终得到“谜底”--对地层结构的认识。

    但问题是，我们通过反演所揭示的“谜底”与真实复杂的地层结构之间究竟有多大距离？

    由于人们只能管中窥豹般通过有限的钻井资料了解到零星的地层结构的实际情况，不能真正看到整个地层构造的“谜底”，所以，勘探地球物理学必须找到一个基础的依托。于是，人们想到了“物理模型”。

    我们可以用一个缩小的简化物理模型，来模拟相关的地层构造，并等比匹配采用波长相对尺度较小、与地震波具有相同的波动传播机理的超声波作为激发源，在实验室内进行野外勘探模拟演示，详细观察研究“谜面”现象与“谜底”本质间的因果关系，从而达到验证理论、检验方法、锤炼技术的目的。这样一种类似“沙盘演兵”式的模拟方法被称为“超声地震物理模拟技术”。

    与反演方法相对应，在已知地质物理模型的条件下，获取该模型的地震观测数据，进而检验勘探方法技术的过程在石油物探上称之为“正演”。相应的物理模型称之为“正演模型”。

    记者：超声地震物理模拟技术在地震勘探上有哪些应用？

    赵群：超声地震物理模拟技术在地震勘探上应用领域非常广泛，大致归纳有三方面。首先，物理模型是基础理论研究的重要手段。早期人们用大量的简单模型，对反射波、绕射波、折射波等各种波动现象进行研究，充分揭示了各种波动现象在不同地层条件下的变化响应特征。

    随着研究的深入，模型所面对的对象也越来越复杂。如孔缝洞模型、井间地震模型、复杂地表模型等，每当人们面临一些基本的重大疑难波场问题的时候，超声地震物理模拟技术总是充当排头兵。

    第二，超声地震物理模拟技术可以被用来验证一些理论、假设或者假说，以及被广泛用来验证地震学中的各种计算方法、数学模拟方法及数据处理解释程序。另外，物理模型可以在地震勘探施工设计中，用于研究探索施工方法的合理性，以及对地震勘探解释结果的正反演验证。

    近年来，随着我国石油勘探领域向西部和南方复杂山区推进，对勘探施工设计的要求也越来越高。我们南京所承担了大量的用物理模拟技术研究施工设计方式的科研生产项目，在实际生产中产生了良好的效果。

    第三，为技术创新提供支撑。当野外生产中复杂波场现象出现时，人们有能力在简化的条件下，在实验室再现这些波场现象，从而为人们分析破译这些大自然的密码提供了经济实用的途径。

    记者：超声地震物理模拟技术在国内外的研究发展情况怎样？

    赵群：超声地震物理模拟技术的起源，可以追溯到上世纪20年代。我国的地球物理模型实验研究是在新中国成立之后才起步的。

    自上世纪70年代后期以来，随着计算机技术以及现代实验装置的飞速发展，超声地震模型实验已能够模拟非常复杂的地质构造问题。1977年，在数十家公司的赞助下，美国休斯顿大学超声地震模型实验室正式建立，很快就在石油地球物理勘探问题的模拟方面进行了大量的工作，取得了一系列成果。俄罗斯科学院、荷兰Delft科技大学、加拿大的Calgary大学等，都相继建立了地震物理模型实验测试系统,地震物理模型实验技术进入稳定发展阶段。

    与此同时，我国的超声地震模型实验也迅速进入了一个全面发展而又富有成果的阶段。继北京大学于1978年率先恢复超声地震模型实验室之后，全国各地先后建立了70余个实验室，6个大中型水槽超声地震模型实验系统，在装备上达到或部分超过国外同类实验室的水平。这些实验室为推动我国地震勘探理论的发展做出了重要贡献。

    中石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所应用地球物理实验室是一个国内一流的地震物理模型实验室。自1982年建立以来，实验室承担了多项国家重点攻关课题、部控项目及自然科学基金项目的研究，还先后承担系统内外生产部门、科研单位和大专院校技术服务实验项目，并为科研单位、大专院校的毕业设计提供实验场所。

    目前，该实验室拥有大型高精度三维定位及地震快速数据采集系统、数据分析处理解释系统、正演数值模拟系统、复杂模型制作系统、高温高压岩石物理参数测试系统、192道浅层地震仪等设备，并形成了一个从岩性测试、模型制作、模型实验、数据分析、野外大比例尺模型实测一直到井下VSP测量这样一个完整的、综合的研究体系，能够承担从复杂波场基础理论研究、勘探地震技术到开发地震技术的全方位的研究。目前，我们正逐步将实验室办成一个开放型实验室。

    记者：超声地震物理模拟技术前景如何？目前还面临哪些问题？

    赵群：超声地震物理模型实验是一门学科交叉和知识密集的应用技术。随着油气勘探难度的日益增加，对物理模拟技术提出了更高要求。非均匀介质、双相乃至多相介质、复杂地表等新的研究领域将引领物理模拟技术寻求新的发展。

    从模型材料的模拟程度上来看，过去以模拟地质构造为主，它着重考虑材料的纵、横波速度及其几何形态。而现在随着地质构造勘探向岩性勘探发展，模拟材料的选取，不但要考虑材料的运动学特征，而且需要考虑材料的动力学特征，如密度、泊松比、衰减和吸收等物理参数。因此，要想适应新的要求,就必须加强模型材料的研究,加快制模工艺的发展。

    从超声换能器的适应性来看，其大小、频率、灵敏度、耦合性能等诸多方面都需要有大幅度的提升和改进。如进行多波地震勘探模拟,需要三分量换能器具有高性能、高灵敏度;对薄层的测试研究需要换能器的窄脉冲、宽带、高分辨率;模拟井中地震,希望换能器的体积较小而功率又能满足要求;开展油藏条件下的物理模拟工作，则需要换能器能承受一定的温度和压力等。

    从进一步提升实验数据的分析能力来看，目前对地震模型实验数据分析处理一般都是借助于生产用处理分析系统，缺少针对性，不能满足对实验数据分析的一些特殊要求。因此需要为模型实验数据研发专用的处理分析工具。

    将模型和超声换能器的超声发射端都浸在一个大的水槽中进行超声地震物理模拟实验，是目前实验室中的常规方法。这是由于超声波在空气中的传播衰减非常快，而在液体中超声换能器与介质间，却能够获得很好的耦合性能（这就好比我们在医院里做B超时，总要在超声探头与人体的接触部位间涂抹一种液体，其目的也是为了获得很好的耦合性能，以达到最佳观测效果）。

    我国南方油气剩余资源埋藏地区，是中石化近年来的油气勘探重点，但该地区几乎都是山地，在开展起伏地表物理模型研究时不能采用传统的水槽超声观测，而应直接对固体模型进行超声观测，这样才能更加适应野外生产中的实际需要。所以，研究固体模型超声观测，将是我们下一阶段模型研究的攻关重点之一。

    人造的模型毕竟无法完全等同于野外的真实情况，因此，选择情况已知、条件良好的野外试验场，将会为我们搭起一座实验室和生产现场之间的桥梁。如果能够找到地质现象丰富、地下情况清楚的野外试验场地，那么，前边提到的很多问题都可迎刃而解。如欧洲某国花巨资在野外劈开一座山峰，建立起一个露天的大型试验场地，就取得了很好的效果。目前，我们正在努力构筑一个“实验室——试验场——野外生产现场”三位一体的研究体系。                          

[ 注: 该文2006年8月8日刊登于《中国石化报》（油气周刊）]