CN102012524A - 一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，包括如下步骤：1)导入海上地震观测系统数据；2)对观测系统数据中各个面元位置的炮点与检波点信息进行分类；3)根据地震波的传播-反射-传播特性，计算每一组炮检对的权系数；4)分别累加求和各个面元位置的权系数，得到目的层位各个面元位置处地震波振幅值，绘出面元振幅分布图；5)对面元振幅分布图进行统计分析，计算其均方差，实现羽状漂移的定量评价，均方差值越小，羽状漂移程度越小。本发明无需进行复杂的三维地震波模拟，以解析的方式可直接算出各种不同羽状漂移对炮检点分布的影响，分析其对地震波振幅能量的影响程度，进而实现对整个海上地震观测系统的羽状漂移程度的定量评价。

Description

一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法

技术领域

本发明涉及石油地震勘探三维观测系统分析评价技术，具体地说是一种海上三维地震观测系统羽状漂移的定量评估方法。

背景技术

海洋是地球上最大的油气资源宝库，随着科学技术的发展和国民生活水平的不断提高，人们对能源的需求量越来越大，同时在陆地资源日益减少的形势下，人类对海洋的依赖就更强，所以开发利用海洋油气资源是解决能源接替的根本途径之一。中国海岸线总长度约18000多公里，200海里专属经济区的管辖海域面积约300万平方公里。我国近海蕴藏着丰富的油气资源，据全国二次普查油气资源量测算，仅我国近海域的油气资源量达到石油为245.6亿吨，天然气为43万亿立方米，具有极大的油气勘探潜力。

对于海底几百米至几千米深处的目标而言，地震勘探方法是目前国内外寻找石油、天然气的主要方法。如今海上三维地震数据采集方法正在飞速发展，一方面，现代地震勘探船所拖的电缆数量在迅速增加；另一方面，由于海上勘探工作条件以及海底的复杂性和特殊性，海洋地震勘探方法还存在许多理论方法和技术上的问题。在海上地震勘探船的航行过程中，由于受到不同方向水流速度的影响，拖揽会沿着各个方向发生一定程度的偏移，即羽状偏移现象，如图1b、c、d所示(图1a为发生羽状漂移前的拖揽情况)。羽状偏移往往会导致海上地震观测系统采样的不均匀，进而造成目标层地震波能量的不规则采样，其通常的表现方式为地震剖面或切片上不同面元位置处不规则的振幅变化假象。羽状漂移是目前影响海上地震勘探效果的最主要因素之一，严重的羽状漂移会带来严重地震波振幅假象，掩盖或削弱真正的反射信号，影响地震解释工作的准确性。但一直以来缺乏适当的方法对其严重程度进行有效的评估。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有海上地震观测系统分析技术中无法定量评估拖揽羽状漂移的缺陷，提出了一种海上三维地震观测系统羽状漂移的定量评估方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：这种评估方法包括如下步骤：

1)导入海上地震观测系统数据；

2)对观测系统数据中各个面元位置的炮点与检波点信息进行分类；

3)考虑地震波的传播-反射-传播过程，计算每一组炮检对的权系数C；

4)分别累加求和各个面元位置的权系数值C，得到目的层位各个面元位置处地震波振幅值，采用与覆盖次数类似的绘图方式，绘出面元振幅分布图；

5)对面元振幅分布图进行统计分析，计算其均方差，实现羽状漂移的定量评价，均方差值越小，羽状漂移程度越小。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明无需进行复杂的三维地震波模拟，以解析的方式可直接计算出各种不同羽状漂移对炮检点分布的影响，分析其对地震波振幅能量的影响程度，进而实现对整个海上地震观测系统的羽状漂移程度的定量评价。2、本发明从海上地震勘探采集的源头实现了对拖揽羽状漂移所引起的地震波振幅假象的定量评估，为进一步削弱羽状漂移的影响提供了保障。该方法也对提高海上地震采集资料保真度提供了保障，进而为储层预测、油藏描述和AVO分析的可靠性奠定了基础，具有重要应用价值。

附图说明

图1a为发生羽状漂移前的拖揽示意图；

图1b～d为发生羽状漂移后的几种拖揽示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为地震波上行-反射-下行传播过程示意图；

图4a为应用本发明对羽状漂移前观测系统进行定量分析得到的面元振幅分布图；

图4b为应用本发明对羽状漂移后观测系统进行定量分析得到的面元振幅分布图；

图5为应用本发明对观测系统羽状漂移前、后评估值对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明的目的是克服现有海上地震观测系统分析技术中无法定量评估拖揽羽状漂移的缺陷，提出了一种海上三维地震观测系统羽状漂移的定量评估方法。

如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：

1)导入各种标准格式的地震观测系统数据。

2)对观测系统数据中各个面元位置的炮点与检波点信息进行分类：

利用导入的地震观测系统数据计算三维观测系统各个面元的炮点、检波点属性分布，包括覆盖次数、炮检距和方位角等。

3)根据地震波的上行传播-反射-下行传播特性，计算每一组炮、检对所对应的权系数C。

羽状漂移的本质为炮、检点分布的差异带来的不同面元位置处地震波能量的差异。由于介质的复杂性，通常只有利用地震波模拟的方法才能准确地计算出能量的具体数值。为了剥离地下介质因素的影响，独立地分析观测系统因素对羽状漂移的影响，必须对介质情况进行简化。为了计算上述权系数值C，我们给出如下假设条件：

①震源为点源，且波场以球面波方式进行扩散传播；

②均匀介质条件，即假定地下介质速度为一恒定值；

③目标层位为水平层，且仅考虑该层位的反射。

基于上述假设条件，我们可以利用频率域Kirchholf积分公式来描述频率为f的地震波下行传播过程(如图3所示)：

$W_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{1+\mathrm{jk}{r}_s}{r_s}\cos {\mathrm{\θ}}_s\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_s}}{r_s}---\left(1\right)$

其中，

$r_s=\sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}---\left(2\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_s=\frac{z-z_s}{r_s}---\left(3\right)$

在频率空间域，(1)式为地震波震源传播公式，Ws为地震波震源传播系数，j为虚数单位，k为波数(k＝ω/v)，r_s为目标点G(x，y，z)到震源点S(x_s，y_s，z_s)的距离。

在有效的地震波频带范围内，有kr＞＞1成立，因此(1)式可以简化为：

$W_s=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\π}}\cos {\mathrm{\θ}}_s\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_s}}{r_s}---\left(4\right)$

(4)式表示了波场从震源到目标点的传播过程，同理从目标点到接收点的波场传播过程可用下式表示：

$W_r=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\π}}\cos {\mathrm{\θ}}_r\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_r}}{r_r}---\left(5\right)$

其中，

$r_r=\sqrt{{(x-x_r)}^2+{(y-y_r)}^2+{(z-z_r)}^2}---\left(6\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_r=\frac{z-z_r}{r_r}---\left(7\right)$

对于均匀水平层状介质，在分界面处地震波能量的重新分配遵循Zoeppritz近似公式。纵波反射的Zoeppritz近似公式为：

$R\left(p\right)\≈R_f\left(p\right)-\frac{2\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\ρ}}{p}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right)}^2{q}_{\mathrm{\α}1}{q}_{\mathrm{\α}2}{p}^2---\left(8\right)$

其中，

$p=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\α}}_2}=\frac{\sin {\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\β}}_1}=\frac{\sin {\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\β}}_2}---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ\μ}={\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\β}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\β}}_1^2---\left(10\right)$

$q_{\mathrm{\α}1}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1^2}-p^2}---\left(11\right)$

$q_{\mathrm{\α}2}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\α}}_2}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2^2}-p^2}---\left(12\right)$

$q_{\mathrm{\β}1}=\frac{\cos {\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\β}}_1}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1^2}-p^2}---\left(13\right)$

$q_{\mathrm{\β}2}=\frac{\cos {\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\β}}_2}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2^2}-p^2}---\left(14\right)$

$R_f\left(p\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}+{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}---\left(15\right)$

式中，α₁与β₁分别为上层介质纵波与横波速度，α₂与β₂分别为下层介质纵波与横波速度。θ₁为入射P波或反射P波与法线夹角，θ₂为透射P波与法线夹角，η₁为反射横波与法线夹角，η₂为透视横波与法线夹角。p为q分别为水平慢度与垂直慢度。

如果Δμ值较小，我们可以略去式(8)的后两项，得到：

R(p)≈R_f(p)                    (16)

利用(4)式、(5)式、(15)式与(16)式，可分别得到地震波传播系数与反射系数，综合考虑地震波的WRW过程(传播-反射-传播过程)，得到每一组炮、检对所对应的振幅权系数C：

$C=\left|\mathrm{WRW}\right|=\frac{k^2}{4{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{1-p^2{{\mathrm{\α}}_1}^2}{r^2}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}+{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}---\left(17\right).$

4)分别累加求和各个面元位置所对应的权系数值C，得到目的层位各个面元位置处地震波振幅值A_n(n代表面元编号)，采用与覆盖次数类似的绘图方式，绘出面元振幅分布图。

例如：采用的地震观测系统参数如表1所示，目的层深度为1500m，上层速度为2000m/s、下层速度为3000m/s。应用本发明对羽状漂移前、后的观测系统分别进行定量分析，得到的面元振幅分布如图4a、4b所示。利用图4a与图4b的差异，首次实现了从观测系统的角度直观评价海上地震羽状漂移程度。

5)对面元振幅分布图(如图4a、4b)进行统计分析，计算其均值与均方差值，实现羽状漂移的定量评价。一般来说，均方差值越小，羽状漂移程度越小，因此选择均方差值来代表羽状偏移。

均值：Δ＝(A₁+A₂++A_n)/n                        (18)

均方差值：

其中，A_n为指定满覆盖区内第n个面元的振幅值，Δ为指定满覆盖区内所有面元振幅值的均值，n为指定满覆盖区内面元个数。

计算图4a、4b的面元振幅分布图的均方差，可得到两个观测系统羽状漂移的定量评估值，其对比如图5所示。利用该技术可实现对面元振幅分布的不均匀性的分析，进而实现对羽状漂移严重程度的定量评估。

表1

接收线数	3
		排列片炮数	2
单线道数	240
		接收点距	12.5(m)
接收线距	50(m)
		炮点距	25(m)
炮线距	50(m)
		面元	6.25×25(m)
滚动线数	1
		覆盖次数	30纵×3横＝90次

Claims (6)

1.一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，其包括如下步骤：

1)导入各种标准格式的地震观测系统数据；

2)对观测系统数据中各个面元位置的炮点与检波点信息进行分类，包括各个炮点、检波点的覆盖次数、炮检距和方位角；

3)根据地震波的上行传播-反射-下行传播特性，计算每一组炮点、检波点所对应的权系数C；

4)分别累加求和各个面元位置所对应的权系数C，得到目的层位各个面元位置处地震波振幅值，绘出面元振幅分布图；

5)对面元振幅分布图进行统计分析，计算其均值与均方差值，实现羽状漂移的定量评估。

2.根据权利要求1所述的一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，在步骤3)中，给出如下假设条件计算权系数值C：

①震源为点源，且波场以球面波方式进行扩散传播；

②均匀介质条件，即假定地下介质速度为一恒定值；

③目标层位为水平层，且仅考虑该层位的反射。

3.根据权利要求2所述的一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，

基于所述假设条件，利用频率域Kirchholf积分公式来描述地震波震源传播过程为：

$W_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{1+\mathrm{jk}{r}_s}{r_s}\cos {\mathrm{\θ}}_s\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_s}}{r_s}---\left(1\right)$

其中，

$r_s=\sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}---\left(2\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_s=\frac{z-z_s}{r_s}---\left(3\right)$

其中，Ws为地震波震源传播系数，j为虚数单位，k为波数，k＝ω/v，r_s为目标点到震源点的距离；

在有效的地震波频带范围内，有kr＞＞1成立，因此                (1)式简化为：

$W_s=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\π}}\cos {\mathrm{\θ}}_s\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_s}}{r_s}---\left(4\right);$

同理，利用频率域Kirchholf积分公式来描述目标点到接收点的波场传播过程为：

$W_r=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\π}}\cos {\mathrm{\θ}}_r\·\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_r}}{r_r}---\left(5\right)$

其中，

$r_r=\sqrt{{(x-x_r)}^2+{(y-y_r)}^2+{(z-z_r)}^2}---\left(6\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_r=\frac{z-z_r}{r_r}---\left(7\right)$

其中，Wr表示地震波检波点传播系数。

4.根据权利要求3所述的一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，基于所述假设条件，对于均匀水平层状介质，在分界面处地震波能量纵波反射的Zoeppritz近似公式为：

$R\left(p\right)\≈R_f\left(p\right)-\frac{2\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\ρ}}{p}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right)}^2{q}_{\mathrm{\α}1}{q}_{\mathrm{\α}2}{p}^2---\left(8\right)$

其中，

$p=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\α}}_2}=\frac{\sin {\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\β}}_1}=\frac{\sin {\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\β}}_2}---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ\μ}={\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\β}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\β}}_1^2---\left(10\right)$

$q_{\mathrm{\α}1}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1^2}-p^2}---\left(11\right)$

$q_{\mathrm{\α}2}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\α}}_2}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2^2}-p^2}---\left(12\right)$

$q_{\mathrm{\β}1}=\frac{\cos {\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\β}}_1}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1^2}-p^2}---\left(13\right)$

$q_{\mathrm{\β}2}=\frac{\cos {\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\β}}_2}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2^2}-p^2}---\left(14\right)$

$R_f\left(p\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}+{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}---\left(15\right)$

式中，α₁与β₁分别为上层介质纵波与横波速度，α₂与β₂分别为下层介质纵波与横波速度，θ₁为入射P波或反射P波与法线夹角，θ₂为透射P波与法线夹角，η₁为反射横波与法线夹角，η₂为透视横波与法线夹角，p为q分别为水平慢度与垂直慢度；

对于Δμ值较小的情况，(8)式表述为：

R(p)R_f(p)                                      (16)

利用(4)式、(5)式、(15)式与(16)式，可分别得到地震波传播系数与反射系数，综合考虑地震波的WRW过程(传播-反射-传播过程)，得到每一组炮、检对所对应的振幅权系数C：

$C=\left|\mathrm{WRW}\right|=\frac{k^2}{4{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{1-p^2{{\mathrm{\α}}_1}^2}{r^2}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_{\mathrm{\α}1}+{\mathrm{\ρ}}_1{q}_{\mathrm{\α}2}}---\left(17\right).$

5.根据权利要求1所述的一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，所述均值、均方差值分别表述为：

均值：Δ＝(A₁+A₂++A_n)/n                        (18)

均方差值：

其中，A_n为指定满覆盖区内第n个面元的振幅值，Δ为指定满覆盖区内所有面元振幅值的均值，n为指定满覆盖区内面元个数；均方差值越小，羽状漂移程度越小。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法，所述均值、均方差值分别表述为：

均值：Δ＝(A₁+A₂++A_n)/n                        (18)

均方差值：

其中，A_n为指定满覆盖区内第n个面元的振幅值，Δ为指定满覆盖区内所有面元振幅值的均值，n为指定满覆盖区内面元个数；均方差值越小，羽状漂移程度越小。

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