CN101738636B - 一种三维vsp高斯束法多波联合偏移成像方法 - Google Patents

Abstract

一种三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法，属于石油工业中的地球物理勘探开发的算法工具研究。该方法主要是针对三维三分量VSP数据处理的难题，研究出获取地下三维速度分布以及三维构造高分辨率成像等一系列成果的三维VSP处理技术，有效地指导油田生产实践，反过来可以推动三维VSP技术的发展。发明的效果已通过模型试算和实际三维VSP资料处理来进行验证，虽然高斯束偏移方法已经成功应用于地面地震成像，但是在三维VSP成像中采用高斯束偏移的应用研究尚属首次。

Description

一种三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法

技术领域

本发明涉及一种三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法，属于石油工业中的地球物理勘探开发的算法工具研究。该方法主要是针对三维三分量VSP数据处理的难题，研究出获取地下三维速度分布以及三维构造高分辨率成像等一系列成果的三维VSP处理技术，有效地指导油田生产实践，反过来可以推动三维VSP技术的发展。

背景技术

垂直地震剖面(VSP)作为一种井中地震观测技术，与地面地震相比，具有信噪比高，分辨率高，波的运动学和动力学特征明显等优势。VSP能同时接收到上行波和下行波，多分量VSP还可以同时记录纵波及横波，使地震勘探进入多波勘探阶段。为了克服覆盖区域上有一定角度限制的缺陷，发展了井周区域全方位激发的三维VSP技术。三维VSP资料分辨率高，可以对井眼附近区域地面地震无法成像的小构造进行成像，且各向异性信息丰富，有利于岩性特征研究和井位评价。因此，尽管成本比较高，三维VSP技术还是成为不可缺少的勘探开发工具。

可以预见，三维VSP将成为今后一段时期内油气地球物理的热点技术。但是三维VSP的观测系统比较特殊，其数据处理方法既不同于常规的非零偏移距多分量VSP数据处理方法，也有别于地面多分量地震方法，三维VSP对处理技术的要求更高，因此三维VSP数据处理成了当前发展三维VSP技术的瓶颈。利用三维VSP数据进行地下构造成像是三维VSP应用的一个目标也是目前三维VSP数据处理的最大的一个难点。国内外多家研究机构和地球物理公司都投入了不少精力从事这方面的研究，但总体效果不是太好，迄今为止，三维VSP数据的高品质成像较少，胜利物探研究院使用的一套俄罗斯三维VSP处理软件所给出的成像效果与实际的地下构造存在很大误差。于是尽快开发出有效的三维VSP数据处理技术是一件迫在眉睫的事。

针对三维VSP成像方法，鉴于其重要性，国内外研究机构都开展了一系列的研究工作，主要体现在以下三个方面：

1.三维VSP正演模拟方面：

目前常见的正演模拟方法通常有如下两种：第一种是以弹性动力学方程的直接数值解为基础的解法，如有限差分法、有限元法以及伪谱法。第二种是波动方程的高频渐近解法(approximate high-frequency asymptotic methods)，典型代表就是射线追踪方法。其中有限差分、有限元和伪谱法等三种方法波场齐全，信息丰富，但也导致了需要进行波场分离工作，对于VSP资料，波场分离是一项复杂的工作；而且有限差分频散现象很严重，计算效率也不高，有限元方法能更好解决复杂构造问题，但计算量太大，而伪谱法在处理速度横向变化很大时并不满足运动学和动力学规律；射线追踪方法计算速度快，简单直观，适应性强，而且也很容易实现针对目标层和波场类型进行模拟，在地震层析成像、叠前深度偏移、观测系统设计等应用领域，常需要计算大量射线路径和旅行时信息，采用射线追踪方法能够发挥其快速方便的优势。但射线方法是建立在弹性动力学方程的高频渐近解的基础之上。射线解只有在频率为无限高时才严格成立，而实际的地震波总是有限频率的，所以当介质比较复杂时，会出现临界区、阴影区以及焦散现象，此时射线方法失效或者解的误差很大。目前还没见到将高斯束方法应用于三维VSP正演模拟的报道。

2.在三维VSP速度建模层析成像方面：

地震波在地下传播过程中，地下岩石的波速物性参数是所有物性参数中对地震波的影响最大，因而是地震数据处理和解释的关键参数。三维VSP数据的速度分析和研究一直是薄弱环节，国外普遍采用的是一维速度模型或在一维模型的基础上修改的各向异性速度模型，国内则是利用零偏移距、非零偏移距以及速度测井资料建立速度模型，没有充分利用三维VSP数据本身的信息进行速度分析。且常规的层析成像是把速度作为位置的函数，v(r)。以这样的速度模型进行射线追踪进而反演介质速度时常常存在这样的问题：沿着射线路径经常会出现一些人为的边界模糊假象，速度体的边界被模糊掉了。美国休斯顿大学的周华伟教授提出了一种可变形地层层析成像方法，可解决边界模糊问题，但该技术迄今为止只应用于大尺度地球物理，尚未用于油气勘探生产实践。

3.在三维VSP多波应用方面：

目前，国际上能够提供三维VSP服务的公司有：美国BP、WesternGeco、Paulsson、Anadarko、READ Well Services、Conoco、VSfusion等。上述公司及美国Utah大学、加拿大Calgary大学等研究机构在进行三维VSP成像时，都只利用了反射波信息，有的甚至仅利用了反射P波信息，而把转换波(反射S波、透射S波)以及透射P波当作了影响成像质量的噪音，这无疑造成了VSP信息量的浪费。包括现有的二维VSP成像方法也是如此。至今未见到三维VSP多波数据体综合应用的报道。

4.三维VSP偏移成像方面：

在三维VSP成像方法方面，Genmeng Chen以及Zhang，Q.等人采用常规VSP-CDP转换方法，VSFusion公司的Dapeng Wang，Anadarko公司的John 0’Brien，Western公司的Paul Bicpuart以及美国Utah大学的Jianhua Yu等采用的是Kirchhoff偏移成像方法。而VSP-CDP转换方法主要基于一维速度模型，不能用于二维甚至三维速度模型。该方法只适用于水平层状介质或横向变速缓慢的介质分布情况，当地层倾角较大时，构造成像会发生畸变，波形也易受到拉伸和压缩。Kirchhoff偏移是建立在高频近似及远场近似条件上，波场动力学信息损失过多，导致其只相当于加权的运动学绕射扫描叠加，且只能用于缓变介质。在复杂介质条件下，由于多值走时和焦散点的大量存在，已有的Kirchhoff偏移经常不能获得满意的成像效果。至今三维VSP数据的高品质成像较少，还没有一种三维VSP成像软件占据明显的技术优势与市场优势。胜利物探研究院使用的一套国外三维VSP处理软件所给出的成像效果与实际的地下构造存在很大误差。目前还未见到将适合于复杂介质构造成像的高斯束偏移方法应用于VSP成像的报道。

发明内容

本发明的就在于避免上述现有技术的不足之处而提供了一种三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法。该方法攻克了三维三分量VSP数据处理的难题，研究出获取地下三维速度分布以及三维构造高分辨率成像等一系列成果的三维VSP处理技术，有效地指导油田生产实践，反过来可以推动三维VSP技术的发展。该方法的主要技术特点是采用多波联合的高斯束偏移算法来提高三维VSP成像质量，作为一个发明整体，其发明内容包括以下三个方面：

1.三维VSP理论多波波场高斯束正演模拟方法

该方法的实现是：采用三次B样条函数描述的多种速度模型进行共炮点高斯束射线追踪，从而建立起三维VSP理论多波波场正演模型，为三维VSP高斯束法多波偏移成像提供精度较高的走时、路径和振幅等数据

2.三维VSP速度建模层析成像方法

该方法的实现是：首先将地层模型界面设为速度的函数，通过建立一种比较合理的局部优化目标函数，将速度反演这一非线性问题线性化。最终用共轭梯度法求解一个n维线性方程组来求取地下目标区的三维速度结构，为三维VSP偏移成像奠定基础

3.三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法

该方法的实现是：首先分别对三维VSP接收到的四种波(反射纵波，反射横波，透射纵波，透射横波)进行高斯束偏移，具体方法是先把检波器记录到的波场分解为不同方向不同位置的高斯束，每个高斯束分别向地下延拓，再应用成像条件得到偏移结果。然后将四种波的能量进行叠加，在叠加过程中注意考虑极性反转的因素，叠加后能量最大的一点即地层界面，从而利用高斯束偏移的优势，进行三维三分量VSP高斯束法多波联合成像。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术内容，本发明的发明人提供了以下的技术原理：

本发明虽然是采用多波联合的高斯束偏移算法来提高三维VSP成像质量，但作为一个发明整体，其发明内容包括以下三个方面：

1.三维VSP理论多波波场高斯束正演模拟方法

与求解其他地球物理反演问题一样，叠前三维VSP地震数据的反演也需要正演算法合成叠前地震记录来验证该方法的合理性和有效性。建立三维VSP理论多波波场正演模型，可以为三维VSP高斯束法多波偏移成像提供精度较高的走时、路径和振幅数据。此外，对于复杂的地质构造，三维VSP观测系统设计存在一定风险和盲目性。基于地质模型的正演模拟已经成为野外地震观测系统设计的有力手段。可见，研究复杂介质条件下准确、实用、快速、方便的三维VSP正演模拟方法具有重要的现实意义。

发明的原理：高斯束是波动方程集中在中心射线邻域的高频渐近解，不仅可以计算在射线上的高频地震体波的走时和振幅，而且利用沿着射线所计算的动力学信息，还能求得射线邻域的走时和振幅值。高斯束射线追踪兼顾了波动方程和普通射线法的优点，克服了二者的缺点和限制，具体地说就是，既保留了波场的运动学和动力学特征，又具有射线方法灵活方便的特点，此外还克服了普通射线方法在不规则区域(如焦散点、临界点等)失效的缺陷，而且避免了繁琐的两点射线追踪，因此，高斯束可以作为地震勘探中非常有效的数值模拟方法。

2.三维VSP速度建模层析成像方法

叠前深度偏移目前是解决复杂构造地区的地震成像问题的唯一手段，但由于它对地震速度模型的极强的依赖，使得它的成像质量对速度模型的变化非常敏感，因而速度模型的建立方法的有效性是叠前深度偏移的关键。三维VSP数据的速度分析和研究仍是薄弱环节，国外普遍采用的是一维速度模型或在一维模型的基础上修改的各向异性速度模型，国内则是利用零偏移距、非零偏移距以及速度测井资料建立速度模型，没有充分利用三维VSP数据本身的信息进行速度分析。本项内容利用VSP可以接收下行波的特点，研究一种三维VSP可变形地层层析成像方法(DLT)，也就是已知层速度和观测走时反演地层界面位置的方法。

发明的原理：VSP可以接收下行波，前期工作表明已知地层界面位置，利用下行波理论走时和观测走时之差可以反演出地层层速度。但是我们假定的地层界面往往是不准确的，而层速度却可以由声波测井资料获得，于是，由层速度，利用下行波理论走时和观测走时之差来反演地层界面的准确位置也是可行的。

3.三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法

三维VSP多波正演模拟和速度层析成像的目的是地下构造的高分辨率成像，这是三维VSP应用的最终目标，也是目前三维VSP数据处理的一个最大的难点。

发明的原理：因为VSP可以同时记录纵波及横波，上行波及下行波。因为VSP转换波的产生和接收均在地面以下的井中，避开了地面各种干扰波的干扰，又避免了地面浅层的强烈吸收，故VSP转换波跟VSP纵波或常规地面转换波相比，具有较高的分辨率和信噪比。充分利用VSP接收到的多波信息进行VSP叠前深度偏移成像可以给出分辨率和信噪比更高的复杂构造油气藏成像。在复杂介质中，由于多值走时和焦散点的大量存在，Kirchhoff偏移时常不能获得满意的成像效果。而高斯束偏移方法不仅波场的动力学信息得到保留，而且焦散和多值走时问题都能很好地解决。此外，由于高斯束的局部特性，偏移只在高斯束的有效宽度范围内有效，可大大降低偏移噪音，因此高斯束偏移可以得到比普通的Kirchhoff偏移更好的成像效果。本发明利用VSP能记录多波信息的优势，根据转换点处四种波同时起跳，叠加能量最大的原理，利用高斯束偏移的优势，进行三维三分量VSP高斯束法多波联合成像。

在实际运用中，发明人首先通过求解高斯束射线追踪常微分方程组，建立起三维VSP理论多波波场正演模型。然后利用正演模型提供的下行P波走时信息，进行可变形地层速度层析成像方法研究，在模型试算具有较高准确度之后，将该方法用于三维VSP实际下行P波走时数据，反演地下三维真实速度场。最后利用正演模型得到的三维VSP理论多波波场走时和振幅信息进行高斯束偏移成像，通过不断将偏移结果与理论模型进行对比而修正偏移算法，在偏移算法获得较高的准确度后，将该方法用于胜利垦-71井的三维VSP实测多波资料偏移成像。取得的成像效果明显优于常规方法。

本发明的效果已通过模型试算和实际三维VSP资料处理来进行验证。虽然高斯束偏移方法已经成功应用于地面地震成像，但是我们已经完成的在三维VSP成像中采用高斯束偏移的应用研究，还是第一次，这项研究成果对于提高三维VSP成像质量和促进三维VSP的发展具有开创性的意义。

Claims (1)

1.一种三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法，该方法是首先用可变形速度层析成像方法反演出各种波的速度分布，然后通过对高斯束偏移算法进行改进，以使其适用于三维VSP观测系统，最后联合应用四种波的信息进行综合成像，其特征在于该方法是一个组合式的方法，其内容包括以下三个方面：

(1)三维VSP理论多波波场高斯束正演模拟方法

该方法的实现是：采用三次B样条函数描述的多种速度模型进行共炮点高斯束射线追踪，从而建立起三维VSP理论多波波场正演模型，为三维VSP高斯束法多波偏移成像提供精度较高的走时、路径和振幅数据；

(2)三维VSP速度建模层析成像方法

该方法的实现是：首先将地层模型界面设为速度的函数，通过建立一种比较合理的局部优化目标函数，将速度反演这一非线性问题线性化，最终用共轭梯度法求解一个n维线性方程组来求取地下目标区的三维速度结构，为三维VSP偏移成像奠定基础；

(3)三维VSP高斯束法多波联合偏移成像方法

该方法的实现是：首先分别对三维VSP接收到的四种波，即反射纵波、反射横波、透射纵波和透射横波，进行高斯束偏移，具体方法是先把检波器记录到的波场分解为不同方向不同位置的高斯束，每个高斯束分别向地下延拓，再应用成像条件得到偏移结果，然后将四种波的能量进行叠加，在叠加过程中注意考虑极性反转的因素，叠加后能量最大的一点即地层界面，从而利用高斯束偏移的优势，进行三维三分量VSP高斯束法多波联合成像。