CN103777229A - 一种面向目的层的vsp观测系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向目的层的VSP观测系统设计方法，属于地震数据采集领域。本发明方法包括：(1)根据勘探任务和目的层深度确定检波器的下放深度和间距；(2)收集工区的现有资料，建立数学模型；(3)根据勘探任务对CRP面元的属性的要求，进行反向射线追踪计算获得理想炮点位置密度分布图；所述CRP面元的属性包括叠加次数、方位角均匀性和偏移距；(4)根据所述理想炮点位置密度分布图确定炮点排列方式和炮点密度；(5)根据步骤(4)确定的炮点排列方式和炮点密度和步骤(1)确定的检波器的下放深度和间距进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计。

Description

一种面向目的层的VSP观测系统设计方法

技术领域

本发明属于地震数据采集领域，具体涉及一种面向目的层的VSP观测系统设计方法。

背景技术

观测系统设计是VSP野外地震数据采集的施工依据。但长期以来，由于技术的局限，常规的观测系统设计都是假设水平地表和水平介质。随着勘探程度的不断深入，地表平坦和目的层为水平的勘探工区越来越少，大幅度的起伏地表和目的层复杂构造越来越多。在观测系统设计领域一直沿用的手段仍然是水平地表和水平介质的设计方法。近年来，有的软件增加了对起伏地表和复杂构造观测系统设计的评价，但仍然没有提出解决的办法。所以到目前还没有人提出解决起伏地表和复杂构造引起的目的层面元属性不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种面向目的层的VSP观测系统设计方法，针对常规VSP观测系统设计中，由于地表起伏和目的层的复杂性引起的实际目的层叠加次数的不均匀性，通过有目的的补炮实现目的层叠加次数的均匀。而这种补炮的位置和密度依据的是通过速度模型的射线反向模拟来获得的，具有更好的针对性和准确性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种面向目的层的VSP观测系统设计方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据勘探任务和目的层深度确定检波器的下放深度和间距；

(2)收集工区的现有资料，建立数学模型；

(3)根据勘探任务对CRP面元的属性的要求，进行反向射线追踪计算获得理想炮点位置密度分布图；所述CRP面元的属性包括叠加次数、方位角均匀性和偏移距；

(4)根据所述理想炮点位置密度分布图确定炮点排列方式和炮点密度；

(5)根据步骤(4)确定的炮点排列方式和炮点密度和步骤(1)确定的检波器的下放深度和间距进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计；

(6).判断不达标的面元数量是否小于总面元数量的5％，如果是，则转入步骤(8)，如果否，则转入步骤(7)；不达标的面元是指叠加次数小于设计次数的面元或方位角分布范围小于设计限值的面元；

(7).对不达标的面元，重新进行反向射线追踪计算获得新的理想炮点位置密度分布图，并以此进行加密补炮设计，然后进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计，再返回步骤(6)；

(8).结束。

所述步骤(3)中的所述理想炮点位置密度分布图是这样生成的：

对于所有的接收点和所有目的层面元都进行反向射线追踪计算求出理想炮点位置，然后把所有的理想炮点位置投射到平面上得到理想炮点位置密度分布图。

所述步骤(4)是这样实现的：

在所述理想炮点位置密度分布图中，在密度较大的区域布设更多的炮点，在密度较小的区域布设相对较少的炮点。

所述步骤(5)中的求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计是这样实现的：统计落入CRP面元的反射点数得到叠加次数统计，根据目的层反射点射线的投影方向确定方位角得到方位角统计。

所述步骤(7)中进行加密补炮设计是这样实现的：对炮点密度大的区域设计加密炮点，密度越大的区域，设计越多的炮点；加密炮点总数应小于等于N，N＝满叠加次数-叠加次数最少的不达标面元的叠加次数；所述满叠加次数是指为完成勘探任务，根据工区具体情况和VSP施工经验确定的有效覆盖目标区的叠加次数，所述叠加次数最少的不达标面元的叠加次数是从步骤(5)中的叠加次数统计中得到的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所设计的VSP观测系统，由于是针对目的层的CRP面元属性做了针对性的优化，使得采集得到的VSP单炮记录更真实的反应了目的层的特性。这为后续提高VSP资料处理(包括波场分离、道集叠加和数据成像)质量创造了条件。

附图说明

图1是复杂构造对VSP传统观测系统的影响示意图。

图2是本发明观测系统的示意图。

图3是本发明实施例中的炮点分布密度平面图。

图4是本发明实施例中的炮线布设示意图。

图5(a)是使用传统观测系统接收的VSP资料的成像结果。

图5(b)是使用本发明设计的观测系统接收的VSP资料的成像结果。

图6是本发明面向目的层的VSP观测系统设计方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明针对VSP采集中接收排列相对固定的特点，用反向射线追踪算法，求取通过目的层CRP面元中心的理想炮点位置，在炮点分布密度平面图的基础上设计炮点排列，从而优化了目的层CRP面元的属性，增强了CRP面元属性的均匀性。该方法可在普通微机上安装使用，占用计算机资源少、计算量小，方法简单实用。

复杂构造对VSP观测带来的影响如图1所示，R1、R2为井中检波器接收点，把目的层视为水平层时，经过CRP点的2个叠加道集的射线路径为S1’-CRP-R1和S2’-CRP-R2，然而由于目的层的构造起伏，实际的射线轨迹变为S1’-P1-R1和S2’-P2-R2，显然P1和P2的位置已经远离CRP点的位置，它们已经不是反映同一个面元的信息。如果把这2道数据进行叠加，就得不到好的结果。图1中S1和S2发出的射线(S1-CRP-R1和S2-CRP-R2)，经过CRP点反射后正好到达R1和R2点，这2条射线的数据叠加才能增强CRP点的有效信息。

目的层的构造越复杂，P1、P2点位置偏离CRP点就越远，投射到地面S1’-S1和S2’-S2的距离也越远。VSP观测由于检波器放在井中接近目的层的位置，这种偏离越加敏感。而VSP的目的就是查清井旁目的层的精细构造和岩性，对这种偏离是不能容忍的。

本发明面向目的层的VSP观测系统设计方法的步骤如图6所示，包括：

(1).用常规方法确定检波器的下放深度和间距：使用常规观测系统设计软件，根据勘探任务和目的层深度确定下放深度和间距；

(2).收集工区的现有资料(包括钻进、声波、密度测井资料，已有的地震、地质资料)，建立数学模型；

(3).根据勘探任务对CRP面元(又称为反射面元)的属性(叠加次数、方位角均匀性和偏移距)的要求，进行反向射线追踪计算获得理想炮点位置密度分布图；

(4).根据理想炮点位置密度分布图确定炮点排列方式和炮点密度；

(5).根据步骤(4)确定的炮点排列方式和炮点密度和步骤(1)确定的检波器的下放深度和间距进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计(即统计落入CRP面元的反射点数)和方位角统计(根据目的层反射点射线的投影方向确定)；

(6).判断不达标的面元数量是否小于总面元数量的5％，如果是，则转入步骤(8)，如果否，则转入步骤(7)；不达标的面元是指叠加次数小于设计次数的面元和方位角分布范围小于设计限值的面元；

(7).对叠加次数和方位角不达标的面元，重新进行反向射线追踪计算获得新的理想炮点位置密度分布图，并以此进行加密补炮设计，然后进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计，再返回步骤(6)；

(8).结束。

所述步骤(7)中进行加密补炮实际是这样实现的：对炮点密度大的区域设计加密炮点，密度越大的区域，设计越多的炮点；炮点排列形式可以采用矩阵、圆形、扇型等规则排列，也可以用不规则排列；加密炮点总数应小于等于N，N＝满叠加次数-叠加次数最少的不达标面元的叠加次数。具体实施时，补炮设计的循环次数一般在3～5次，在第5次以后的补炮时，不再考虑方位角和偏移距，而是仅仅考虑叠加次数的均匀性，这样满覆盖面元的比例很快就会达标。最后，当满覆盖面元达到目标范围内面元总量的95％时，设计过程完成。

所述步骤(3)中的理想炮点位置密度分布图的生成是这样实现的：

如图2所示，在目的层不为水平界面的情况下，经过面元中心CRP1、CRP2、CRP3到达接收点R1、R2的射线路径分别为：S1-CRP1-R1、S2-CRP1-R2、S3-CRP2-R1、S4-CRP2-R2、S5-CRP3-R1、S6-CRP3-R2。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6是在已知R1、R2和CRP1、CRP2、CRP3的情况下由反向射线追踪计算获得的理想炮点位置。

对于所有的接收点R1……R2和所有目的层面元都可以求出其理想炮点位置，把它们投射到平面上就可以获得炮点分布密度平面图，如图3所示。

所述步骤(4)中的炮点布设排列的确定如下：

根据上述炮点密度平面分布图，在密度较大的区域布设更多的炮点，在密度较小的区域布设相对较少的炮点。炮点布设的密度与“炮点密度平面分布图”的密度成线性关系。炮点布设的总数根据勘探任务、检波器节数、出射角范围、目的层深度等，用常规的观测系统设计软件(如绿山观测系统设计软件)计算确定。炮点排列形式可以采用矩阵、圆形、扇型等规则排列，也可以用不规则排列。最后可以确定出相应的炮线布设如图4所示：

这样的炮点布设使得基于目的层的CRP面元属性(叠加次数、方位角和偏移距)均匀性大幅度提高.

步骤(5)使用的是正向(常规)的射线追踪计算方法，技术是公开的。步骤(3)和步骤(7)中使用的是反向射线追踪计算方法，两种方法的公式形式都一样，但反向法在过程进行顺序和参数运用设置上是不一样的。

具体来说，所述步骤(3)和步骤(7)中所用的反向射线追踪计算是这样实现的：

射线追踪的理论基础是在高频近似的条件下，地震波场主能量沿射线轨迹附近传播。射线追踪方法主要采用费马原理(Fermat’s principle)、惠更斯原理(Huygens’principle)、斯涅尔定律(Snell’s law)和程函方程(Eikonalequation)。

从Fermat原理出发，利用一阶Taylor不完全展开，可得到如下形式的迭代射线追踪算法(关于所有中间路径点的矩阵方程)：

$\left[\begin{array}{ccccccc}{A}_1& -{\mathrm{\Δ}}_1{B}_1& & & & & \\ -{\mathrm{\Δ}}_3{B}_1^T& A_2& {-\mathrm{\Δ}}_2{B}_2& & & & \\ & & .& .& .& & \\ & & .& .& .& & \\ & & .& .& .& & \\ & & & & -{\mathrm{\Δ}}_n{B}_{n-2}^T& A_{n-1}& {-\mathrm{\Δ}}_{n-1}{B}_{n-1}\\ & & & & & -{\mathrm{\Δ}}_{n+1}{B}_{n-1}^T& A_n\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_1\\ {\mathrm{\Γ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ \\ {\mathrm{\Γ}}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ .\\ .\\ .\\ \\ D_n\end{array}\right]$

其中：

$A_i^{\mathrm{1,1}}=(1+{\mathrm{\θ}}_i^2)({\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\Δ}}_{i+1})$

$B_i^{\mathrm{1,1}}=1+{\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\θ}}_{i+1}$

$D_i^1={\mathrm{\Δ}}_i(a_{i+1}+{\mathrm{\θ}}_i{c}_{i+1})-{\mathrm{\Δ}}_{i+1}(a_i+{\mathrm{\θ}}_i{c}_i)$

${\mathrm{\Γ}}_i=\left|\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_i\\ {\mathrm{\Δy}}_i\end{array}\right|$ ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\∂z}_i}{{\∂x}_i}$

Δ_i＝v_il_i

a_i＝x_i-x_i-1，b_i＝y_i-y_i-1，c_i＝z_i(x_i，y_i)-z_i-1(x_i-1，y_i-1)

上式可简写为：

B·T＝D

其中B为2nX2n阶矩阵，T为2n×1阶矩阵，D为2n×1阶矩阵，n为介质模型的层数。通过求解上述方程，可以求得射线中间点的位移修正量，修正后的位移代入上式，可以求得新的修正量，这样不断迭代，最终求得精确射线路径。

现在已知接收点R和共反射点CRP的情况下，可以利用上述方程先求得R-CRP半支的射线路径。有了半支射线路径，就知道了射线在数学模型中每一层的出(入)射角，由此可以逐步推算出射线在每一层的出(入)射点位置，直至地面。这样就可以求得经过CRP面元中心的每条射线的入射点(即炮点)位置。

图5(a)和图5(b)是一组非零偏VSP资料的成像结果比较。其中：图5(a)为使用传统观测系统接收的VSP资料的成像结果；图5(b)为使用本发明设计的观测系统接收的VSP资料的成像结果。对比两图可以看出，图5(b)中目的层的分辨率和连续性都有明显增强。

本发明使用反向射线追踪方法，从接收点和共反射点CRP反向求取理想炮点位置，通过优化炮点位置，从而改善CRP面元属性的不均匀，缩小CMP和CRP面元属性的差异性，达到提高VSP地震数据质量的目的，为进一步的波场分离、数据叠加和成像提供保障。

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 (5)

1.一种面向目的层的VSP观测系统设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)根据勘探任务和目的层深度确定检波器的下放深度和间距；

(2)收集工区的现有资料，建立数学模型；

(3)根据勘探任务对CRP面元的属性的要求，进行反向射线追踪计算获得理想炮点位置密度分布图；所述CRP面元的属性包括叠加次数、方位角均匀性和偏移距；

(4)根据所述理想炮点位置密度分布图确定炮点排列方式和炮点密度；

(5)根据步骤(4)确定的炮点排列方式和炮点密度和步骤(1)确定的检波器的下放深度和间距进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计；

(6).判断不达标的面元数量是否小于总面元数量的5％，如果是，则转入步骤(8)，如果否，则转入步骤(7)；不达标的面元是指叠加次数小于设计次数的面元或方位角分布范围小于设计限值的面元；

(7).对不达标的面元，重新进行反向射线追踪计算获得新的理想炮点位置密度分布图，并以此进行加密补炮设计，然后进行射线追踪计算，求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计，再返回步骤(6)；

(8).结束。

2.根据权利要求1所述的面向目的层的VSP观测系统设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述理想炮点位置密度分布图是这样生成的：

对于所有的接收点和所有目的层面元都进行反向射线追踪计算求出理想炮点位置，然后把所有的理想炮点位置投射到平面上得到理想炮点位置密度分布图。

3.根据权利要求2所述的面向目的层的VSP观测系统设计方法，其特征在于：所述：所述步骤(4)是这样实现的：

在所述理想炮点位置密度分布图中，在密度较大的区域布设更多的炮点，在密度较小的区域布设相对较少的炮点。

4.根据权利要求3所述的面向目的层的VSP观测系统设计方法，其特征在于：所述：所述步骤(5)中的求取基于CRP的叠加次数统计和方位角统计是这样实现的：统计落入CRP面元的反射点数得到叠加次数统计，根据目的层反射点射线的投影方向确定方位角得到方位角统计。

5.根据权利要求4所述的面向目的层的VSP观测系统设计方法，其特征在于：所述：所述步骤(7)中进行加密补炮设计是这样实现的：对炮点密度大的区域设计加密炮点，密度越大的区域，设计越多的炮点；加密炮点总数应小于等于N，N＝满叠加次数-叠加次数最少的不达标面元的叠加次数；所述满叠加次数是指为完成勘探任务，根据工区具体情况和VSP施工经验确定的有效覆盖目标区的叠加次数，所述叠加次数最少的不达标面元的叠加次数是从步骤(5)中的叠加次数统计中得到的。

Images