CN101561512A - 一种井间多尺度sirt层析成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地震勘测中，一种井间多尺度SIRT层析成像的方法。利用一组多尺度的网格剖分探测区域。先直接采用单尺度的SIRT层析成像方法，对每一种尺度的模型分别进行层析成像，后综合各种尺度的层析成像结果，来得到下一次迭代的模型，直至满足精度将速度模型输出。本发明通过利用拾取的走时，并假设震源与检波器间的射线为直线，从而实现了基于数据驱动的初始速度模型自动生成，为下一步的层析成像打下良好的基础，同时还能提高后续层析成像的收敛性以及减少迭代次数。通过利用多种网格剖分方案，从而实现了井间多尺度SIRT层析成像，极大地提高了层析成像地精度和反演的分辨率。

Description

一种井间多尺度SIRT层析成像的方法

技术领域

本发明专利申请属于地震勘探和开发领域，尤其涉及一种在地震勘测中的井间多尺度SIRT层析成像的方法。

背景技术

井间地震技术于上个世纪七十年代初引入油气勘探开发领域。八十年代末、九十年代初，一度出现研究热潮，到了九十年代中、后期，包括数据采集、层析成像、反射成像等在内的一套井间地震方法技术已经比较成熟。井间地震技术在国外已经应用于油气开发与生产的各个阶段，如蒸汽驱油监测、火烧前沿监测、储层连通性与非均匀性研究、流体各向异性研究、裂隙发育带检测等等。

由于在井中激发、井中接收，井间地震具有能量传播距离短、接近探测目标、避开低速带等特点，采集到的数据分辨率极高，可达到地面地震的10倍左右，接近测井的分辨率。因此，应用井间地震技术能探测到更薄的油层和更细小的地质特征。在油气勘探、开发与生产的各个阶段中，大多数的目的层都可被井间地震所分辨，这是应用常规地面地震甚至VSP技术难以实现的，也是油气地球物理工作者一直追求的主要目标之一。实际例子表明：井间地震技术已经将接近测井记录分辨率的地震图像拓展到了井间。

现有技术中，在井间地震初至走时层析成像中，随着相邻地质体速度差的增大，使得射线分布不均匀，以及网格剖分不合适，导致层析成像结果不理想。物理和数值模型的井间走时层析成像表明：当速度差超过30.0％时，层析结果畸变较大；在30.0％至15.0％之间时，层析结果较好；低于15.0％时，层析结果好。

同时，传统的走时层析成像需要人工给定一个初始速度模型，通常依据测井资料或以往的地球物理资料，但是，在缺乏先验地球物理信息的情况下，通常是以均匀速度背景作为初始速度模型的。因此，这样给定的初始模型比较依赖于人的因素，对走时层析成像的收敛性有较大的影响。

因此，针对上述问题，我们提出了提出井间多尺度SIRT层析成像方法及其技术。且同时在初始速度模型的自动生成方法及其技术方面也进行了新的技术创新。

发明内容

本发明一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，发明目的在于：通过多尺度网格的利用，兼顾分辨率和精度，从而使得井间多尺度SIRT层析成像方法及其技术具有实用性，从而应用于井间实际地震资料的处理。同时，针对走时层析成像中的问题和不足，通过拾取的走时来自动生成用于层析成像的初始模型。

为了实现上述发明目的，本发明采用在地震资料及初始模型生成后，利用一组多尺度的网格剖分探测区域。之后，先直接采用单尺度的SIRT层析成像方法，对每一种尺度的模型分别进行层析成像，后综合各种尺度的层析成像结果，来得到下一次迭代的模型，直至满足精度将速度模型输出。

包括以下步骤，

(1)地震资料预处理步骤，用于对地震资料进行预处理；

(2)拾取信号步骤，用于拾取走时地震波信号参数；

(3)初始速度模型生成步骤，用于生成初始速度模型；

(4)建立多尺度网格步骤，用于将一组不同尺度的网格剖分探测区域；

(5)井间多尺度SIRT层析成像步骤，包括，

(5-1)单尺度SIRT层析成像过程，即对每一种尺度分别进行单尺度的SIRT层析成像，

其中，射线追踪采用基于最短路径的弯曲射线追踪方法；

SIRT层析成像公式如下：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\frac{1}{M_j}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{S_j}^{\left(k\right)}]a_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ij}}}^2\}---\left(2\right)$

式中，M_j表示穿过第j个网格的射线数，n表示射线总数，m表示模型离散化后的网格数；为了加快计算速度，并突出短射线的作用，可变为下式的平均化算法，即：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}}{N_i^4{L}_i}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i^{-4}---\left(3\right)$

式中，

$\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}=t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_i}{N_i}\·{S_j}^{\left(k\right)}$

$L_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|a_{\mathrm{ij}}\right|$

分别表示走时残差δt_i ^(k)和第i条射线的总长度L_i，N_i表示第i条射线穿经模型的网格数；

为了让解更加平稳，对上述每次求取的慢度修正量δS_j ^(k)进行光滑，其平滑公式如下：

$\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}=(\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j+1}^{\left(k\right)})/9$ 式中，i和j分别表示模型网格划分的第i行和第j列；SIRT迭代算法的主要优点是不会出现解的奇异现象，同时，能平稳收敛，计算简便快捷，占用计算机内存少等。

(5-2)结合各种尺度的层析成像结果，采用求和平均或加权求和的方法将各个尺度的SIRT层析成像结果结合，获得综合速度模型；

(5-3)迭代修正速度模型步骤，重复(5-1)～(5-2)，直到满足精度要求；

(6)输出步骤，用于将满足精度要求的速度模型输出。

现有技术中，给定初始速度模型的方法一般有三种，即(1)人工地给出一个均匀的背景速度，作为层析成像的初始速度模型；(2)依据工区已有的地球物理资料及声波测井速度资料，经过内插获得一个初始的速度模型；(3)采用其它的地震方法获得的速度资料，参照地质资料，通过分析综合，人工地给出一个初始速度模型。第一种方法虽然简单易行，但这样给出的初始速度模型随意性很大，有可能造成算法收敛较为缓慢甚至不收敛，进而影响层析成像结果。第二种方法虽然合理可靠，人们也常常采用这一方法，但在没有声波测井速度资料的情况下，无法得到初始速度模型。第三种方法太过复杂，也费力费时，而且给出的初始速度模型也不一定合适。因此，针对上述技术问题，本申请提出一种方法，即假定从激发点到接收点间的射线是直射线，并利用在地震剖面上拾取的直达波初至观测走时作为输入，来求取初始速度模型。而且，在程序实现中，完全能够自动生成初始速度模型，避免了人工给定初始速度模型的局限性。

即本发明针对走时层析成像中的问题和不足，通过拾取的走时来自动生成用于层析成像的初始模型。即在所述步骤(3)设定初始速度模型步骤中，假定地球模型是各向同性，具有一定的均匀性和成层性；即假定从激发点到接收点间的射线是直射线，并利用在地震剖面上拾取的直达波初至观测走时作为输入，来求取初始速度模型；

包括以下过程，

(3-1)在地震剖面上拾取直达波初至观测走时T，并将它作为输入；

(3-2)计算从激发点到接收点间的直射线的长度D；

(3-3)根据公式

V＝D/T            (1)

计算某一条射线所通过的网格的速度，即同一条射线所经过的不同网格其速度值是一样的，且每个网格内部速度是常速；

(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，直至所有射线计算完毕；

(3-5)统计通过每个网格的射线数；

(3-6)将同一网格不同射线通过的所有速度值求和平均；由此获得的速度，就作为层析反演的初始速度模型。

本发明在具体的应用中，所述一组不同尺度的网格数量大于等于3，且尺度范围从大到小设定；优选的网格数量为10～20。

本发明通过上述的方法和技术处理，得到的层析成像结果，在分辨率和精度两方面，都将得到极大的改善，数学和物理模型的多尺度反演结果表明，该方法能较大地提高走时层析成像的分辨率和精度，即使速度差超过30％，层析结果仍然较好，但缺点是比较费时。因此，具有广泛的推广和应用前景。

附图说明

图1本发明的方法流程示意图；

图2本发明数学模型及其多尺度层析成像结果示意图，其中，图2(a)为数学模型及其观测系统示意图，图2(b)为多尺度SIRT层析成像结果示意图；

图3采用本发明后实际井间资料的多尺度层析成像结果示意图，其中图3(a)为多尺度层析成像结果示意图，图3(b)为单尺度层析成像结果示意图。

具体各附图的说明将在具体实施方式中加以说明

具体实施方式

图1本发明的方法流程示意图；

一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，用于井间实际地震资料的处理，包括以下步骤，

(1)地震资料预处理步骤，用于对地震资料进行预处理；

(2)拾取信号步骤，用于拾取走时地震波信号参数；

(3)初始速度模型生成步骤，用于生成初始速度模型；

先假定地球模型是各向同性，具有一定的均匀性和成层性；即假定从激发点到接收点间的射线是直射线，并利用在地震剖面上拾取的直达波初至观测走时作为输入，来求取初始速度模型；

包括以下过程，

(3-1)在地震剖面上拾取直达波初至观测走时T，并将它作为输入；

(3-2)计算从激发点到接收点间的直射线的长度D；

(3-3)根据公式

V＝D/T                (1)

计算某一条射线所通过的网格的速度，即同一条射线所经过的不同网格其速度值是一样的，且每个网格内部速度是常速；

(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，直至所有射线计算完毕；

(3-5)统计通过每个网格的射线数；

(3-6)将同一网格不同射线通过的所有速度值求和平均；由此获得的速度，就作为层析反演的初始速度模型。

(4)建立多尺度网格步骤，用于将一组不同尺度的网格剖分探测区域；所述一组不同尺度的网格数量大于等于3，且尺度范围从大到小设定；优选的网格数量为10～20。

(5)井间多尺度SIRT层析成像步骤，包括，

(5-1)单尺度SIRT层析成像过程，即对每一种尺度分别进行单尺度的SIRT层析成像，

其中，射线追踪采用基于最短路径的弯曲射线追踪方法；

SIRT层析成像公式如下：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\frac{1}{M_j}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{S_j}^{\left(k\right)}]a_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ij}}}^2\}---\left(2\right)$

式中，M_j表示穿过第j个网格的射线数，n表示射线总数，m表示模型离散化后的网格数；为了加快计算速度，并突出短射线的作用，可变为下式的平均化算法，即：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}}{N_i^4{L}_i}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i^{-4}---\left(3\right)$

式中，

$\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}=t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_i}{N_i}\·{S_j}^{\left(k\right)}$

$L_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|a_{\mathrm{ij}}\right|$

分别表示走时残差δt_i ^(k)和第i条射线的总长度L_i，N_i表示第i条射线穿经模型的网格数；

为了让解更加平稳，对上述每次求取的慢度修正量δS_j ^(k)进行光滑，其平滑公式如下：

$\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}=(\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j+1}^{\left(k\right)})/9$ 式中，i和j分别表示模型网格划分的第i行和第j列；SIRT迭代算法的主要优点是不会出现解的奇异现象，同时，能平稳收敛，计算简便快捷，占用计算机内存少等。

(5-2)结合各种尺度的层析成像结果，采用求和平均或加权求和的方法将各个尺度的SIRT层析成像结果结合，获得综合速度模型；

(5-3)迭代修正速度模型步骤，重复(5-1)～(5-2)，直到满足精度要求；

(6)输出步骤，用于将满足精度要求的速度模型输出。

当异常体与背景间的速度差太大(＞30％)时，引起射线分布不均匀，从而造成层析成像质量的降低。此外，在走时层析成像时，要对模型进行剖分，且一般采用单一矩形或长方形网格。依据Backus-Gilbert反演理论，分辨率和精度之间存在折中关系。但无论网格怎样剖分，均有如下问题：网格越粗，反演精度越高，但分辨率越低；网格越细，反演分辨率提高，而精度则降低。

图2本发明数学模型及其多尺度层析成像结果示意图，其中，图2(a)为数学模型及其观测系统示意图，图2(b)为多尺度SIRT层析成像结果示意图；

数学模型及其井间观测系统见图2(a)所示。图2(b)是根据最短路径射线追踪算法计算的初至走时，经井间多尺度SIRT层析反演后的速度图像。从图中可以看出①清晰地勾画出尖灭和隆起，且与数学模型上的几何形态一致，两个水平界面(65m和180m)也基本上能分辨出来；②从量的角度来观察，其相对误差最大不超过±2％；③在物性界面附近，速度梯度变化很大。这是因为算法本身的光滑作用，以及模型离散化导致的。

图3采用本发明后实际井间资料的多尺度层析成像结果示意图，其中图3(a)为多尺度层析成像结果示意图，图3(b)为单尺度层析成像结果示意图。

实际井间资料的层析成像结果

如对一对井间地震资料：罗151-1(激发井)-罗151-11(接收井)进行了井间多尺度SIRT层析反演试验，并将所获结果与单尺度的SIRT层析成像结果进行了对比分析。

地区目的层段为埋深2600-3200m的下第三系沙河街组，主要为湖相沉积的砂泥岩互层。沙三段下部有喷发火成岩。储层为沙二段的砂岩与沙三段的火成岩蚀变带。砂岩层速度约为2500-4000m/s，泥岩约为2000-3000m/s，而火成岩或砾岩达4000-5000m/s。

井间地震观测井段2450-3030m，主要任务是研究2550-2570m的砂岩储集层与3000m以下的火成岩蚀变带的分布、形态与横向连通性。

在对地区实际井间地震资料的井间多尺度走时层析成像时，共采用7种网格剖分，从粗到细分别为：2×2、3×5、16×31、31×61、51×101、76×151、151×301。其反演结果如图3(a)所示，与单尺度的SIRT层析成像结果(如图3(b))比较：多尺度的反演结果明显优于单尺度的反演结果。尤其在2575m深度处有一个高速斜层，在2670m深度处有一层断开的高速层。另外，从多尺度的反演结果看，井旁效应大为减弱，高速层位更为清晰。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (4)

1一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，其特征在于，在地震资料及初始模型生成后，利用一组多尺度的网格剖分探测区域；之后，先直接采用单尺度的SIRT层析成像方法，对每一种尺度的模型分别进行层析成像，后综合各种尺度的层析成像结果，生成下一次迭代的模型，直至满足精度后，将速度模型输出。

2根据权利要求1所述的一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，其特征在于，所述方法用于井间实际地震资料的处理，包括以下步骤，

(1)地震资料预处理步骤，用于对地震资料进行预处理；

(2)拾取信号步骤，用于拾取走时地震波信号参数；

(3)初始速度模型生成步骤，用于生成初始速度模型；

(4)建立多尺度网格步骤，用于将一组不同尺度的网格剖分探测区域；

(5)井间多尺度SIRT层析成像步骤，包括，

(5-1)单尺度SIRT层析成像过程，即对每一种尺度分别进行单尺度的SIRT层析成像，

其中，射线追踪采用基于最短路径的弯曲射线追踪方法；

SIRT层析成像公式如下：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\frac{1}{M_j}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{S_j}^{\left(k\right)}]a_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ij}}}^2\}---\left(2\right)$

式中，M_j表示穿过第j个网格的射线数，n表示射线总数，m表示模型离散化后的网格数；为了加快计算速度，并突出短射线的作用，可变为下式的平均化算法，即：

$\mathrm{\δ}{S_j}^{\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}}{N_i^4{L}_i}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N_i}^{-4}---\left(3\right)$

式中，

$\mathrm{\δ}{t_i}^{\left(k\right)}=t_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L_i}{N_i}\·{S_j}^{\left(k\right)}$

$L_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|a_{\mathrm{ij}}\right|$

分别表示走时残差δt_i ^(k)和第i条射线的总长度L_i，N_i表示第i条射线穿经模型的网格数；

为了让解更加平稳，对上述每次求取的慢度修正量δS_j ^(k)进行光滑，其平滑公式如下：

$\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}=(\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i-1,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i,j+1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j-1}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j}^{\left(k\right)}+\mathrm{\δ}{S}_{i+1,j+1}^{\left(k\right)})/9$

式中，i和j分别表示模型网格划分的第i行和第j列；

(5-2)结合各种尺度的层析成像结果，采用求和平均或加权求和的方法将各个尺度的SIRT层析成像结果结合，获得综合速度模型；

(5-3)迭代修正速度模型步骤，重复(5-1)～(5-2)，直到满足精度要求；

(6)输出步骤，用于将满足精度要求的速度模型输出。

3根据权利要求1或2所述的一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，其特征在于，

所述步骤(3)设定初始速度模型步骤中，假定地球模型是各向同性，具有一定的均匀性和成层性；即假定从激发点到接收点间的射线是直射线，并利用在地震剖面上拾取的直达波初至观测走时作为输入，来求取初始速度模型；

包括以下过程，

(3-1)在地震剖面上拾取直达波初至观测走时T，并将它作为输入；

(3-2)计算从激发点到接收点间的直射线的长度D；

(3-3)根据公式

V＝D/T    (1)

计算某一条射线所通过的网格的速度，即同一条射线所经过的不同网格其速度值是一样的，且每个网格内部速度是常速；

(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，直至所有射线计算完毕；

(3-5)统计通过每个网格的射线数；

(3-6)将同一网格不同射线通过的所有速度值求和平均；由此获得的速度，就作为层析反演的初始速度模型。

4根据权利要求1-3之一所述的一种井间多尺度SIRT层析成像的方法，其特征在于，

所述一组不同尺度的网格数量大于等于3，且尺度范围从大到小设定；优选的网格数量为10～20。

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