CN102877828A - 一种三维多井联合井地ct成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维CT成像方法，具体涉及一种三维多井联合井地CT成像方法，属工程地震勘探技术领域。该方法基于野外记录单炮的初至，通过初至拾取得到野外地震旅行时，建立速度模型，正演求解出射线路径和理论旅行时，然后建立反演方程，根据旅行时残差修改速度模型，逐次迭代反演计算，最终获得高精度的介质速度场。工程勘察中，通常要解决的是规模很小的异常体，要求较高的分辨率。三维多井联合井地CT成像方法探测精度高，并且勘测成本低。操作简单，探测成果可视化，直观清晰，便于识别，可辅助或部分代替钻探工作。

Description

一种三维多井联合井地CT成像方法

技术领域

本发明涉及一种三维CT成像方法，具体涉及一种三维多井联合井地CT成像方法，属工程地震勘探技术领域。

背景技术

层析成像（tomography）的本意是断面或切片，最早被应用于诊断医学领域，然后逐步推广到诸如地球物理学、射电天文学等技术领域。该技术是在不损坏物体的条件下，利用在探测目标表面观测到的人工或天然的物理场信号，反演求取其物体内部结构的几何形态和物理参数的分布。在工程建设中隐伏的不良地质体问题，如岩溶、陷落柱、裂隙、裂缝、断裂破碎带、软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等，会造成工程质量隐患或施工困难、浪费，故必须进行精细的工程勘察。由于工程检测要求探测规模很小的异常体，并要求较高的分辨率，因此需要高精度的勘察手段。钻孔勘探的精度较高，但成本高、耗工期，不可能在工区内大量采用，层析成像方法可以弥补这一勘察手段的缺陷。

层析成像从重构地质图像的物理参数考虑，可以分为地震层析成像、雷达层析成像、电阻率层析成像三类。三种方法分别根据地震波速度、电磁波速度、电阻率重构地下介质剖面。对于雷达层析成像，电磁波传播深度较深时，能量大大衰减，不能精确的读出首波初至，因此雷达层析成像的探测深度有限。电阻率法对低阻异常反应较明显，但对高阻异常反应较差，故电阻率层析成像在工程勘探领域中具有较大的局限性。当异常体的尺寸大于地震波的波长时，对地震波的传播产生影响，鉴于地震勘探的精度较高，能够通过地震波的传播规律推断出异常体的位置及大小。地震CT从观测方式上来分可以分为地面CT、井间CT、井地CT，井间CT地震记录上的初至波主要包括透射波、绕射波，由于波传播路径短，具有较高的能量及较宽的频带。但波的传播方向基本上是水平的，横向分辨率不如垂向分辨率，存在横向模糊性。在地面CT中，射线方向主要是垂直的，故垂向分辨率不如横向分辨率，存在垂向模糊性。而在井地CT中，偏移距变化范围广，可以同时接收到垂直和水平射线，减弱横向模糊性和垂向模糊性。依据地震波的传播理论，地震层析成像又可以分为基于射线追踪的走时层析成像和基于波动方程的衍射层析成像两大类。衍射层析成像利用波动(如绕射波、反射波等)信息，虽然分辨率更高，但对振幅敏感，对初始模型的依赖也很强，如果初始模型选择不当，会使反演结果严重偏离真实的速度模型，所以应用并不广泛。

公开号为CN 102096099A的发明专利提出了折射波射线层析成像方法，该方法基于折射波的旅行时，运用层析成像原理，实现折射波的射线成像，主要用于折射波的静校正。由于折射波的产生需要一定的条件，在多层介质中，如果有一层的波速大于下伏所有各层的波速，下伏地层都不能形成折射波，故该方法局限于为静校正提供浅层速度场，不能直接用于地层的速度成像。现有的层析成像技术主要是井间CT成像技术，但存在前面所述的横向模糊性，无法对异常作出精确的成像。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种三维多井联合井地CT成像方法。该方法采用的是三维井地观测系统，井中激发，地面接收，或者是井中接收，地面激发，增加激发点和接收点的覆盖密度，提高射线的覆盖密度，增加横向和纵向分辨率，根据野外地质资料和钻孔资料，建立与实际地质情况速度场符合的初始速度模型。对原始速度模型进行离散化，将地层离散成大小相等且网格内视速度均匀的网格模型，离散网格划分时，选取合适的参数，同时保证高分辨率和高精度。工程勘察中，通常要解决的是规模很小的异常体，要求较高的分辨率。钻探的成本较高，不适宜大面积采用；雷达探测深度较浅且电阻率层析成像具有局限性。三维多井联合井地CT成像方法探测精度高，并且勘测成本低。操作简单,探测成果可视化,直观清晰,便于识别，可辅助或部分代替钻探工作。

本发明是以如下技术方案实现的：一种三维多井联合井地CT成像方法，其特征在于：该方法基于野外记录单炮的初至，通过初至拾取得到野外地震旅行时，建立速度模型，正演求解出射线路径和理论旅行时，然后建立反演方程，根据旅行时残差修改速度模型，逐次迭代反演计算，最终获得高精度的介质速度场，具体成像方法包括以下步骤：

（1）建立三维多井联合井地观测系统；

（2）拾取野外实际初至波旅行时；

（3）根据野外地质资料及钻孔资料建立初始速度模型，计算理论地震波旅行时和射线路径；

（4）根据步骤2得到的时间减去步骤3得到的时间获取剩余时差；

（5）建立反演的线性方程，根据步骤4得到的剩余时差和步骤3得到的射线路径，应用SIRT算法反演速度扰动；

（6）将步骤5得到的速度扰动加到步骤3中的速度模型中，修正速度模型，重复步骤3、4、5，直至剩余时差满足反演精度要求；

（7）输出反演结果；

所述步骤1中，采用的是三维井地观测系统，井中激发，地面接收，或者是井中接收，地面激发，增加激发点和接收点的覆盖密度，提高射线的覆盖密度，增加横向和纵向分辨率；

所述步骤2中，拾取时间为初至波旅行时；所述的初至波为直达波；

所述步骤3中，根据野外地质资料和钻孔资料，建立与实际地质情况速度场符合的初始速度模型；在进行射线追踪之前，需对模型进行离散化，模型离散网格划分，选取参数，同时保证高分辨率和高精度；

所述步骤3中，射线追踪方法采用最短路径射线追踪方法；

所述步骤5中，反演算法采用SIRT（同步迭代重建技术）来求解旅行时线性方程。

旅行时反演的线性方程为：

ΔT=AΔS

其中，A=(a_ij)_MN为射线路径长度矩阵，ΔS＝(Δs_j)_N是慢度修正量列向量，ΔT=(Δt_i)_M为旅行时差矩阵。

本发明的优点为：

1、三维多井联合井地观测系统，能够扩大数据的观测角度范围，增加反演区域内射线覆盖密度和同时增加穿过异常体垂向和横向方向的射线，提高反演精度和改善层析成像的分辨率。

2、工程勘察中，通常要解决的是规模很小的异常体，要求较高的分辨率。钻探的成本较高，不适宜大面积采用；雷达探测深度较浅且电阻率层析成像具有局限性。三维多井联合井地CT成像方法探测精度高，并且勘测成本低。操作简单,探测成果可视化,直观清晰,便于识别，可辅助或部分代替钻探工作。

3、三维多井联合井地CT成像方法中，激发点位于井中或接收点位于井中，与地面CT成像方法相比，地震波能量传播距离短，与探测目标体接近，同时降低了低速带对波能量的吸收，地震波具有较高的频率，初至较清晰。

附图说明

图1为本发明三维多井联合井地CT成像方法的流程图；

图2为本发明应用于广西某区域进行实验，反演得到该地区某测线的速度剖面图；

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明：

（1）建立三维多井联合井地观测系统；

数据采集时，采用三维多井联合井地观测系统，在井的周围布置激发点，在井孔内布置接收点或者在井的周围布置接收点，在井孔内布置激发点，为了提高勘探精度，增大地面激发点或接收点的布置密度，以增加反演区域内射线覆盖密度。数据处理时，根据野外观测系统，建立对应的三维多井联合井地观测系统。

（2）拾取野外实际初至波旅行时t；

拾取各震源-检波器记录的旅行时，初至拾取不准确，会造成反演方程组的高度病态，从而引起反演方法的不稳定，鉴于自动拾取容易出现误差，因此采用人工拾取的方法。初步拾取初至后，再将共炮点初至变换到共检波点道集上进行修正。

（3）根据野外地质资料及钻孔资料建立初始速度模型，计算理论地震波旅行时t′和射线路径Z；

初始速度模型对走时层析成像的质量和收敛速度具有很大的影响，故在野外地质资料及钻孔资料的约束下，建立初始速度梯度模型v⁽⁰⁾，使初始速度模型与实际地层接近。

采用最短路径射线追踪方法正演计算地震波旅行时。该方法基于惠更斯原理，首先将地层离散成大小相等的网格，将每个网格单元的波速视作均匀的。模型离散网格划分时，选取合适的参数，同时保证高分辨率和高精度。然后在各单元边界上设置一些节点，把相邻节点连接，一条路径是由相互连接的节点序列组成，沿着该路径的旅行时为该路径上所有连接权之和。按照Fermat原理，从一个节点到另一个节点旅行时最小的路径为地震射线。

（4）步骤2得到的时间减去步骤3得到的时间获取旅行时差δt；

（5）建立反演的线性方程，根据步骤4得到的剩余时差δt和步骤3得到的射线路径，应用SIRT算法反演速度扰动；

根据前（2）、（3）、（4）步的结果建立旅行时反演的线性方程式，其方程表示为：

ΔT=AΔS

其中，A=(a_ij)_MN为射线路径长度矩阵，ΔS=(Δs_j)_N是慢度修正量列向量，ΔT=(Δt_i)_M为旅行时差矩阵。采用SIRT反演算法求解出慢度修正量，进而得到速度扰动。

（6）将步骤5得到的速度扰动加到步骤3中的速度模型中，修正速度模型，重复步骤3、4、5，直至，旅行时差满足反演精度要求；

（7）输出反演结果。

Claims (1)

1.一种三维多井联合井地CT成像方法，其特征在于：该方法基于野外记录单炮的初至，通过初至拾取得到野外地震旅行时，建立速度模型，正演求解出射线路径和理论旅行时，然后建立反演方程，根据旅行时残差修改速度模型，逐次迭代反演计算，最终获得高精度的介质速度场，具体成像方法包括以下步骤：

（1）建立三维多井联合井地观测系统；

（2）拾取野外实际初至波旅行时；

（3）根据野外地质资料及钻孔资料建立初始速度模型，计算理论地震波旅行时和射线路径；

（4）根据步骤2得到的时间减去步骤3得到的时间获取剩余时差；

（5）建立反演的线性方程，根据步骤4得到的剩余时差和步骤3得到的射线路径，应用SIRT算法反演速度扰动；

（6）将步骤5得到的速度扰动加到步骤3中的速度模型中，修正速度模型，重复步骤3、4、5，直至剩余时差满足反演精度要求；

（7）输出反演结果；

所述步骤1中，采用的是三维井地观测系统，井中激发，地面接收，或者是井中接收，地面激发，增加激发点和接收点的覆盖密度，提高射线的覆盖密度，增加横向和纵向分辨率；

所述步骤2中，拾取时间为初至波旅行时；所述的初至波为直达波；

所述步骤3中，根据野外地质资料和钻孔资料，建立与实际地质情况速度场符合的初始速度模型；在进行射线追踪之前，需对模型进行离散化，模型离散网格划分，选取参数，同时保证高分辨率和高精度；

所述步骤3中，射线追踪方法采用最短路径射线追踪方法；

所述步骤5中，反演算法采用SIRT（同步迭代重建技术）来求解旅行时线性方程。

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