CN102944894B - 一种地震叠前偏移成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震叠前偏移成像方法，包括以下步骤：1）通过扫描地震记录得到观测系统信息和数据特征，计算得到偏移初始参数：2）从炮点位置发射高斯束中心射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：3）从检波点波场的各个高斯束中心位置发射射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：4)利用炮点处的高斯束和检波点位置的高斯束到地下某点处的走时和振幅加权因子，将地震记录按走时信息和振幅加权因子信息归位到该位置处：5）对每一个炮地震记录均重复步骤1）至步骤4），得到所有炮的偏移结果，并按照相应的位置叠加，即得到该炮集的偏移叠加结果，再滤除波场路经上的假象，得到最终偏移结果。本发明能够快速得到重点目标区域的偏移成像，可以广泛用于各种油气勘探过程中。

Description

一种地震叠前偏移成像方法

技术领域

本发明涉及一种地下结构成像方法，特别是关于一种用于油气勘探领域的地震叠前偏移成像方法。

背景技术

地震勘探是油气勘探领域中最重要的方法之一，地震勘探获得的地震波资料需要经过一系列的处理最终才能得到反映地下结构信息的地震剖面，而地震偏移成像技术是地震数据处理过程中最终获得地震成像剖面的重要环节。随着油气勘探形势的需要和计算机软硬件的发展，地震偏移成像技术随之更新换代，地震偏移成像技术经历了从手工偏移到计算机数字偏移，叠后偏移到叠前偏移，时间域偏移到深度域偏移的阶段。叠前深度域偏移可以对复杂的地质构造进行更为精确的成像，在过去的几十年时间内，产生了许多具有各自优势的偏移算法，如射线类方法，单程波偏移方法，逆时偏移方法等，其中射线类方法对速度模型要求不高，而且具有明显的计算效率优势。但是传统的射线类方法也有着明显的缺陷，如多路径问题和焦散区的影响等。因此，针对其缺陷，在传统射线基础上发展出了高斯束偏移方法。

高斯束是波动方程在特定射线附近的高频近似解，利用高斯束作为偏移的基本工具可以克服标准射线方法在不规则区域（如焦散点，临界点等）失效的缺陷。高斯束偏移具有射线方法的高效灵活的特点，又保留了波场的动力学特征。相比代表常规射线方法的Kirchhoff(柯西霍夫)偏移方法，高斯束偏移方法能处理多路径的问题和克服焦散区的影响；相比单程波偏移方法，高斯束偏移方法没有角度限制，能处理大倾角构造，并能对回转波成像；相比逆时偏移方法，高斯束偏移方法的计算效率高，对速度模型的精确性要求不高，能处理高频数据，容易实现针对目标区域的成像处理。尽管高斯束偏移方法同其他偏移方法相比有诸多优点，但是由于其本身算法复杂，初始参数难选，计算策略的多样性等问题，影响了高斯束作为偏移方法的发展和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够全自动优选参数，即使在不熟悉高斯束理论的情况下，也能快速地得到高质量成像剖面的地震叠前偏移成像方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种地震叠前偏移成像方法，包括以下步骤：1）通过扫描地震记录得到观测系统信息和数据特征，计算得到偏移初始参数：①扫描所需偏移的全部地震记录，提取出观测系统信息、采样信息和有效频带范围；②由观测系统信息中的炮间距，检波器间距，结合计算效率和成像精度的综合考虑，计算出偏移孔径；③针对单炮数据偏移计算，扫描该炮数据偏移孔径内的速度模型，得到速度模型的最大速度、最小速度和平均速度，并结合地震记录的有效频带，计算出每个高斯束的初始宽度和高斯束中心位置；④依据偏移孔径、最大偏移距和速度模型的规模，估算出最大旅行时和射线的出射角范围；⑤由检波器和炮点位置处的地层速度、地震记录的有效频带范围、高斯束的初始宽度和出射角范围，计算出高斯束中心射线的个数，以及每条射线的出射角度，并依据估算出的最大旅行时和地震记录的采样间隔，计算出高斯束中心射线的采样间隔；⑥依据高斯束的初始宽度，计算出高斯窗大小，并以每个高斯束中心位置为中心点，对高斯窗中的地震记录做高斯窗函数衰减并做倾斜叠加，将地震记录由(offset,t)域转换到（p,tau）域；其中offset是偏移距，t是时间，p是射线参数，每一个p对应每一条射线的出射角度，tau的实部对应的是中心射线沿射线中心坐标系经过的走时，tau的虚部是沿射线中心坐标系垂向方向的距离；2）从炮点位置发射高斯束中心射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：①以炮点位置为高斯束中心点，按照步骤1）中的步骤⑤计算出的射线角度射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格；②对所有射线进行计算，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域内的各个点的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子；3）从检波点波场的各个高斯束中心位置发射射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：①以步骤1）中的步骤③计算出来的各个高斯束中心位置为中心，按照步骤1）中的步骤⑤计算出的射线角度分别射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格，按照步骤2）中的步骤②，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域内的各个点的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子；②将偏移孔径内的各个点，以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的走时，与以炮点位置为出射点的各个射线的走时相加；以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的振幅加权因子，与以炮点位置为出射点的各个射线的振幅加权因子相乘，即得到该点对应的不同高斯束中心，不同角度的高斯束的走时和振幅加权因子；4)利用炮点处的高斯束和检波点位置的高斯束到地下某点处的走时和振幅加权因子，将地震记录按走时信息和振幅加权因子信息归位到该位置处：①将步骤3）的步骤②计算得到的走时和振幅加权因子，取相应的高斯束中心处的（p,tau）域的地震记录，按照射线出射角度、走时和振幅加权因子，归位至该点处；②将所有的高斯束中心、所有角度的高斯束对偏移孔径内地下各点的贡献叠加，即得到单炮偏移结果；5）对每一个炮地震记录均重复步骤1）至步骤4），得到所有炮的偏移结果，并按照相应的位置叠加，即得到该炮集的偏移叠加结果，再滤除波场路经上的假象，得到最终偏移结果。

所述步骤2）的步骤②中，在计算走时和垂向距离时，对计算偏移区域的笛卡尔坐标系中各网格点对应射线路经中垂向距离最近的点的搜索，采用圆球分段递归方式搜索，先将射线路经划分成多个不同半径的区段，再找到垂向距离最近的点存在的区段，在该区段中搜索出垂向距离最近的点，并得到笛卡尔坐标系中该网格点对应这条射线的走时和垂向距离。

其中步骤2）的步骤②和步骤3）的步骤①中，所述有效振幅区域是指大于中心射线处能量的1%的区域。

其中步骤5）中，滤除波场路经上的假象是指对偏移叠加结果进行拉普拉斯滤波，去除波场路径上的低频假象。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于是依据观测系统信息和资料本身的数据特征，自动优选偏移初始参数，使用全波至的高斯束叠加策略，并采用高效的递归算法计算射线附近区域波场和搜索点与射线的关系，因此容易实现针对目标区域和特定路径角度的偏移，即使是在不熟悉高斯束理论的情况下，也能较快速的得到高质量的偏移成像剖面。2、本发明由于采用以射线方法为基础，又具有波场的动力学特征的高斯束为偏移工具，因此对速度模型不敏感，降低了对速度建模的要求，更适合处理常规实际资料。3、本发明由于采用粗网格递归方法计算射线附近有效范围内的区域，使得计算量大为减少，因此提高了计算效率。4、本发明由于在计算点与射线的关系、搜索笛卡尔坐标系下网格点对特定射线路径的最短距离时，采用的是圆球分段递归的方式，因此大幅减少了搜索量，提高了计算效率。5、本发明由于采用全波至的高斯束叠加方法，虽然比用最陡降速法求得最小走时的方法效率低，但能保证多波至的正确归位和成像精度，并且能够容易地处理特定目标和特定角度的偏移，因此更为灵活。本发明提出的全自动优选参数的高效高精度高斯束叠前偏移方法，可以很方便地实现针对特定目标区域的偏移，能快速得到重点目标区域的偏移成像，为下一步的处理提供指导，它可以广泛用于各种油气勘探过程中。

附图说明

图1是本发明高斯波束图

图2是本发明利用高斯束作为偏移工具的原理图

图3是验证本发明成像效果的marmousi（马莫斯）速度模型

图4是本发明对marmousi模型偏移结果

图5是某海域实际资料的速度模型

图6是图5中的速度模型采用本发明得到的偏移结果

图7是图5中的速度模型采用常规Kirchhoff（柯西霍夫）偏移结果

图8是图5中的速度模型采用常规逆时偏移结果

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明方法主要包括五个步骤：

1）通过扫描地震记录得到观测系统信息和数据特征，计算得到即能保证高质量的成像，又能保证计算高效性的偏移初始参数，其具体包括以下步骤：

①扫描所需偏移的全部地震记录，提取出观测系统信息、采样信息和有效频带范围；

②由观测系统信息中的炮间距，检波器间距，结合计算效率和成像精度的综合考虑，计算出偏移孔径；

③针对单炮数据偏移计算，扫描该炮数据偏移孔径内的速度模型，得到速度模型的最大速度、最小速度和平均速度，并结合地震记录的有效频带，计算出每个高斯束的初始宽度和高斯束中心位置；

④依据计算出的偏移孔径，最大偏移距和速度模型的规模，估算出最大旅行时和射线的出射角范围；

⑤由检波器和炮点位置处的地层速度，地震记录的有效频带范围，高斯束的初始宽度和出射角范围，计算出高斯束中心射线的个数（N）以及每条射线的出射角度，并依据估算出的最大旅行时和地震记录的采样间隔，计算出高斯束中心射线的采样间隔；

⑥依据高斯束的初始宽度，计算出高斯窗大小，并以每个高斯束中心位置为中心点，对高斯窗中的地震记录做高斯窗函数衰减并做倾斜叠加，将地震记录由(offset,t)域转换到（p,tau）域；其中offset是偏移距，t是时间，p是射线参数，每一个p对应每一条射线的出射角度，tau的实部对应的是中心射线沿射线中心坐标系经过的走时，tau的虚部是沿射线中心坐标系垂向方向的距离。

2）从炮点位置发射高斯束中心射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子，其具体包括以下步骤：

①以炮点位置为高斯束中心点，按照步骤1）中的步骤⑤计算出的射线角度射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格；

②对所有射线进行计算，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域（大于中心射线处能量的1%的区域）内的各个点的走时和垂向距离（如图1所示，其中s是射线的法线方向，n是射线的垂直方向）；在计算走时和垂向距离时，由于计算偏移区域的网格坐标系是笛卡尔坐标系，描述射线路径的是射线中心坐标系，对笛卡尔坐标系中各网格点对应射线路经中垂向距离最近的点的搜索，采用圆球分段递归方式搜索，先将射线路经划分成多个不同半径的区段，再找到垂向距离最近的点存在的区段，在该区段中搜索出垂向距离最近的点，并得到笛卡尔坐标系中该网格点对应这条射线的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子。

3）从检波点波场的各个高斯束中心位置发射射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子,其具体包括以下步骤：

①以步骤1）中的步骤③计算出来的各个高斯束中心位置为中心，分别按照步骤1）中的步骤⑤计算出的射线角度射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格；按照步骤2）中的步骤②，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域（大于中心射线处能量的1%的区域）内的各个点的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子。

②将偏移孔径内的各个点，以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的走时，与以炮点位置为出射点的各个射线的走时相加；以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的振幅加权因子，与以炮点位置为出射点的各个射线的振幅加权因子相乘，即得到该点对应的不同高斯束中心，不同角度的高斯束的走时和振幅加权因子。

4)利用炮点处的高斯束和检波点位置的高斯束到地下某点处的走时和振幅加权因子，将地震记录按走时信息和振幅加权因子信息归位到该位置处，其具体包括以下步骤：

①将步骤3）的步骤②计算得到的走时和和振幅加权因子，取相应的高斯束中心处的（p,tau）域的地震记录，按照射线出射角度，走时和振幅加权因子，归位至该点处；如图2所示，图中ts表示从炮点到地下某点处的走时，tr表示从检波点到该点处的走时，ts+tr表示从炮点出发经过该点的射线到达检波点的总的走时，tau_i表示该点据射线垂向距离最近的点的距离，对应着振幅加权因子；

②将所有的高斯束中心，所有角度的高斯束对偏移孔径内地下各点的贡献叠加，即得到单炮偏移结果。

5）对所有炮集记录均重复步骤1）至步骤4）的计算，得到偏移叠加结果，再滤除波场路经上的假象，即得到最终的偏移结果,其具体包括以下步骤：

①对每一个炮地震记录均重复步骤1）至步骤4），得到所有炮的偏移结果，并按照相应的位置叠加，即得到该炮集的偏移叠加结果。

②对偏移叠加结果进行Laplace(拉普拉斯)滤波，去除波场路径上的低频假象，得到最终偏移结果。

为验证本发明方法的可行性和有效性，以下举两个实例。

实施例1：

如图3所示，是法国石油天然气研究中心发布的marmousi（马莫斯）纵波速度模型，该速度模型结构复杂，是验证偏移算法的经典模型。如图4所示，是本发明对marmousi（马莫斯）炮集记录偏移的结果，与速度模型结构相一致，证明了本发明的可行性。

实施例2：

如图5所示，是某海域地区深度域速度模型，其存在明显的速度凹陷区和高陡边界。

如图6、图7所示，从采用本发明对该实际资料做偏移成像处理得到的偏移结果和采用常规的时间域kirchhoff叠前偏移方法得到的结果可以看出，采用本发明方法与常规的时间域kirchhoff方法相比，得到的地层归位更为准确，且本发明得到的是深度域的结果，能更为准确的反映该地区的地质结构信息。

如图6、图8所示，从采用本发明对该实际资料做偏移成像处理得到的偏移结果和采用常规的逆时偏移方法得到的结果可以看出，采用本发明方法与采用常规的逆时偏移方法相比，得到的频率更高，细节更清楚，更真实的体现了地质结构信息。而在相同的偏移孔径和网格数的计算量下，本发明的计算效率是采用优化存储后的逆时偏移的10～20倍。

通过以上对比说明本发明具有较好的成像优势和计算效率。

上述描述和各实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种地震叠前偏移成像方法，包括以下步骤：

1)通过扫描地震记录得到观测系统信息和数据特征，计算得到偏移初始参数：

①扫描所需偏移的全部地震记录，提取出观测系统信息、采样信息和有效频带范围；

②由观测系统信息中的炮间距，检波器间距，结合计算效率和成像精度的综合考虑，计算出偏移孔径；

③针对单炮数据偏移计算，扫描该炮数据偏移孔径内的速度模型，得到速度模型的最大速度、最小速度和平均速度，并结合地震记录的有效频带，计算出每个高斯束的初始宽度和高斯束中心位置；

④依据偏移孔径、最大偏移距和速度模型的规模，估算出最大旅行时和射线的出射角范围；

⑤由检波器和炮点位置处的地层速度、地震记录的有效频带范围、高斯束的初始宽度和出射角范围，计算出高斯束中心射线的个数，以及每条射线的出射角度，并依据估算出的最大旅行时和地震记录的采样间隔，计算出高斯束中心射线的采样间隔；

⑥依据高斯束的初始宽度，计算出高斯窗大小，并以每个高斯束中心位置为中心点，对高斯窗中的地震记录做高斯窗函数衰减并做倾斜叠加，将地震记录由(offset,t)域转换到(p,tau)域；

其中offset是偏移距，t是时间，p是射线参数，每一个p对应每一条射线的出射角度，tau的实部对应的是中心射线沿射线中心坐标系经过的走时，tau的虚部是沿射线中心坐标系垂向方向的距离；

2)从炮点位置发射高斯束中心射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：

①以炮点位置为高斯束中心点，按照步骤1)中的步骤⑤计算出的射线角度射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格；

②对所有射线进行计算，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域内的各个点的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子；在计算走时和垂向距离时，对计算偏移区域的笛卡尔坐标系中各网格点对应射线路经中垂向距离最近的点的搜索，采用圆球分段递归方式搜索，先将射线路经划分成多个不同半径的区段，再找到垂向距离最近的点存在的区段，在该区段中搜索出垂向距离最近的点，并得到笛卡尔坐标系中该网格点对应这条射线的走时和垂向距离；

3)从检波点波场的各个高斯束中心位置发射射线，并计算其射线附近区域内的走时和振幅加权因子：

①以步骤1)中的步骤③计算出来的各个高斯束中心位置为中心，按照步骤1)中的步骤⑤计算出的射线角度分别射出N条射线，将偏移孔径内的计算区域划分成各个粗网格，按照步骤2)中的步骤②，从每条射线的出射点开始按时间步进的方式递归地计算出射线的有效振幅区域内的各个点的走时和垂向距离，并由垂向距离计算得到振幅加权因子；

②将偏移孔径内的各个点，以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的走时，与以炮点位置为出射点的各个射线的走时相加；以各个高斯束中心位置为出射点的各个射线的振幅加权因子，与以炮点位置为出射点的各个射线的振幅加权因子相乘，即得到该点对应的不同高斯束中心，不同角度的高斯束的走时和振幅加权因子；

4)利用炮点处的高斯束和检波点位置的高斯束到地下某点处的走时和振幅加权因子，将地震记录按走时信息和振幅加权因子信息归位到该位置处：

①将步骤3)的步骤②计算得到的走时和振幅加权因子，取相应的高斯束中心处的(p,tau)域的地震记录，按照射线出射角度、走时和振幅加权因子，归位至该点处；

②将所有的高斯束中心、所有角度的高斯束对偏移孔径内地下各点的贡献叠加，即得到单炮偏移结果；

5)对每一个炮地震记录均重复步骤1)至步骤4)，得到所有炮的偏移结果，并按照相应的位置叠加，即得到该炮集的偏移叠加结果，再滤除波场路经上的假象，得到最终偏移结果；滤除波场路经上的假象是指对偏移叠加结果进行拉普拉斯滤波，去除波场路径上的低频假象。

2.如权利要求1所述的一种地震叠前偏移成像方法，其特征在于：其中步骤2)的步骤②和步骤3)的步骤①中，所述有效振幅区域是指大于中心射线处能量的1％的区域。