CN103995288B - 一种高斯束叠前深度偏移方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高斯束叠前深度偏移方法及装置，方法包括：(1)对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；(2)建立深度域速度结构模型和速度网格模型；(3)根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；(4)根据所述炮点高斯束和检波点高斯束确定总的复值旅行时；(5)对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；(6)根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果。本发明所提到的偏移方法中的射线追踪同时借助于速度网格模型和速度结构模型，提高射线追踪的准确性，提高成像质量。

Description

一种高斯束叠前深度偏移方法及装置

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，特别是关于石油勘探成像技术，具体的讲是一种高斯束叠前深度偏移成像方法及装置。

背景技术

地震偏移技术是地震资料处理的核心技术。基于波动方程的深度偏移技术主要有两大类：Kirchhoff积分法和波动方程直接解法。Kirchhoff积分法将地下成像点视为可能的绕射点，在高频近似的条件下利用射线方法计算震源点到成像点再到接收点的旅行时和振幅，然后根据计算出的旅行时和振幅对孔径内的地震数据进行叠加。但是传统的Kirchhoff积分法偏移采用的射线追踪技术无法处理多波至、焦散、阴影区等复杂波场现象，利用高频射线来近似格林函数对菲涅尔带的影响导致成像分辨率随着深度增加而逐渐变差，从而影响深部结构的成像质量。波动方程直接解法是处理复杂地质构造的有效工具。这类方法从根本上解决了多波至问题以及由速度变化引起的聚焦或焦散效应。全程波逆时偏移方法通过时间域外推来求解全程波方程，允许波场在各个方向传播。逆时偏移方法完全遵循波动方程，不存在倾角限制，可以处理速度场的任意变化，并能正确处理倏逝波，适合处理反转构造问题。但逆时偏移存在稳定性、数值频散等问题，而且基于全程波的逆时偏移方法计算效率很低、成本很高。单程波方法将全程波方程沿深度方向分解为两个上下行独立传播的方程，它能够很好地描述来自于地下界面的一次反射波。单程波方法的缺点是对高陡构造适应能力较差，也不便于处理强对比、陡倾角构造中的回转波，在计算效率方面与Kirchhoff积分法相比还有很大差距。

射线束类偏移方法是介于Kirchhoff与波动类方法之间的第三类偏移处理方法，而高斯射线束偏移方法是射线束偏移方法的代表。高斯射线束偏移将波场分解到具有一定频率范围的射线束上来实现波场延拓和成像，高斯射线束是一条以射线为中心的能量管，它不仅具有射线的运动学特征，还具有一定的动力学特征。高斯射线束可以在一定程度上克服射线的盲区效应，并且能够自然地实现多波至的格林函数，因此可以提高成像质量。与此同时高斯射线束偏移还具有Kirchhoff积分法的优点，计算效率高、能够适应多变的观测系统和高陡构造等。

但是，传统的高斯束偏移方法中的射线追踪仅仅是依赖于规则离散的速度网格模型，使用4阶龙格-库塔方法来求解偏微分方程的方法来实现地震波旅行时以及动力学参数的计算，从而形成高斯束能量区域。这种仅仅考虑规则速度网格模型的缺点是在地层分界面上，也即速度反差非常大的地方，射线追踪有时会出错。因为速度是间断的，根据有限差分得到的速度对空间的导数是错误的，所以射线的出射方向计算以及动力学参数的求解出错，进而影响到旅行时的计算以及高斯束的形成。而旅行时的计算是射线类偏移方法的基础，如果旅行时计算的精度不够，那么这些射线就不能正确地模拟地震波前在地下的传播。进而使用这些不可靠的射线进行偏移成像，就会影响成像结果的稳定性和可靠性。

如附图1所示，速度分界面的倾角为15°，射线入射方向为45°，传统的射线追踪，射线出射方向的计算方法为其中a为射线出射角度，为速度对空间x方向的一阶偏导数，为速度对空间z方向的一阶偏导数。如图入射方向为45°，代入计算得到da/dt＝0，也即在分界面上射线不会发生偏折，也即出射方向为箭头101所示方向，而事实上这是错误的，因为此时射线和地层法线的夹角是30°，根据施奈尔定律，射线出射方向应该发生如箭头102所示方向那样的偏折。

发明内容

为解决现有技术中使用不可靠的射线进行偏移成像，就会影响成像结果的稳定性和可靠性的问题，提高成像质量。

本发明实施例提供了一种高斯束叠前深度偏移方法，方法包括：

(1)对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

(2)建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

(3)根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

(4)根据所述炮点高斯束和检波点高斯束确定总的复值旅行时；

(5)对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

(6)根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果。

此外，本发明还提供了一种高斯束叠前深度偏移装置，装置包括：

数据采集处理模块，用于对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

模型建立模块，用于建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

高斯束生成模块，用于根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

旅行时计算模块，用于根据所述炮点高斯束和检波点高斯束确定总的复值旅行时；

最大能量高斯束确定模块，用于对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

偏移模块，用于根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果。

本发明所提到的偏移方法中的射线追踪同时借助于速度网格模型和速度结构模型，在速度分界上考虑施奈尔定律以及动力学参数的传播矩阵，提高射线追踪的准确性。从而利用更加准确的走时和动力学量进行高斯束叠前深度偏移，提高成像质量。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的射线追踪示意图；

图2为本发明公开的高斯束叠前深度偏移方法的流程图；

图3为本发明公开的高斯束叠前深度偏移装置的框图；

图4为本发明实施例中的射线中心坐标系示意图；

图5为现有的marmuious模型；

图6为本发明高斯束叠前深度偏移结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种高斯束叠前深度偏移方法，如图2所示，包括：

步骤S101，对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

步骤S102，建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

步骤S103，根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据中的各炮点进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

根据深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪包括：利用所述深度域速度结构模型和速度网格模型对所述的时间域炮集记录数据中的各炮点分别进行运动学射线追踪和动力学射线追踪。

运动学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向；

根据确定的分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向确定各炮点的中心射线旅行时；

动力学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定动力学参数，用以确定的动力学参数以决定高斯束的宽度和形状。

步骤S104，根据所述炮点高斯束和检波点高斯束确定总的复值旅行时；

步骤S105，对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

步骤S106，根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果。

此外，如图3所示，本发明还提供了一种高斯束叠前深度偏移装置，装置包括：

数据采集处理模块201，用于对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

模型建立模块202，用于建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

高斯束生成模块203，用于根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据的各炮点进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

旅行时计算模块204，用于根据所述炮点高斯束和检波点高斯束相交确定总的复值旅行时；

最大能量高斯束确定模块205，用于对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

偏移模块206，用于根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果。

下面结合具体的实施方式对本发明实施例做进一步详细描述：

(1)激发地震波并记录地震波，按常规处理地震资料流程对野外采集的地震资料进行处理，得到经过常规处理的时间域炮集地震记录，并确定速度分界面；

(2)建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

(3)根据建立的深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对时间域炮集记录数据中的各炮点和检波点进行射线追踪，包括进行运动学射线追踪和动力学射线追踪，其中，

运动学射线追踪具体为：

在炮点(x_s,y_s,z_s)，使用步骤(2)得到的两种速度模型，进行带结构的射线追踪。带结构的射线追踪同时考虑结构模型和网格模型，其中，运动学射线追踪在网格模型内用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=v\sin \left(a\right)\\ \frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=v\cos \left(a\right)\\ \frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\∂v}{\∂x}\cos \left(a\right)+\frac{\∂v}{\∂z}\sin \left(a\right)\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中x和z为空间位置，t为旅行时，v为速度，a表示射线与z轴的夹角，分别表示速度在x和z方向上的偏导数。

当遇到速度分界面时，根据结构模型记录的层位、断层等信息求解分界面的地层倾角a_dip，进而得到分界面的法线方向a_cen，射线穿过分界面后的出射方向要考虑施奈尔定律：

sinθ₁/v₁＝sinθ₂/v₂ (2)

其中θ₁为入射射线和法线的夹角，θ₂为出射射线和法线的夹角，v₁为入射射线一侧的速度，v₂为出射射线一侧的速度。

动力学射线追踪具体为：

动力学射线追踪在网格模型内用式(3)的4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=v^{2}Q\\ \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=-v^{-1}\frac{{\∂}^{2}v}{\∂n^2}Q\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中t为旅行时，v为速度，表示速度对空间的二阶偏导数，P和Q为复值动力学参数，决定形成的高斯束的宽度和形状。

动力学参数的初值选择为：

$\begin{array}{c}{P}_0=\frac{i}{v_0}\\ Q_0=\frac{{\mathrm{\ω}}_l{w}_0^2}{v_0}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，v₀为地表出射点的速度，ω_l为偏移参数中的最小频率，w₀为高斯束初始宽度，i为虚数单位。

当遇到速度分界面时，同样根据结构模型记录的层位、断层等信息求解分界面的近似表达式，记为g(u₁,u₂)，u₁,u₂为界面的坐标。假设界面对空间具有一阶和二阶导数，射线穿过分界面后的动力学参数和的求解是使用穿过界面前的动力学参数P、Q及界面传播矩阵Π进行计算：

$\left(\begin{array}{c}\tilde{Q}\\ \tilde{P}\end{array}\right)=\mathrm{\Π}(\widetilde{\mathrm{\τ}},\mathrm{\τ})\left(\begin{array}{c}Q\\ P\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，为界面传播矩阵：

$\mathrm{\Π}(\widetilde{\mathrm{\τ}},\mathrm{\τ})=\left(\begin{array}{cc}\tilde{X}{X}^{-1}& 0\\ {\tilde{X}}^{-T}{\mathrm{RX}}^{-1}& {\tilde{X}}^{-T}{X}^T\end{array}\right)---\left(6\right)$

$X=(g_1,g_2,x_{\mathrm{\τ}}),\tilde{X}=(g_1,g_2,{\tilde{x}}_{\mathrm{\τ}}),R=\left(\begin{array}{cc}-g_{\mathrm{\μv}}^T\mathrm{\Δp}& g_{\mathrm{\μ}}^T\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{\τ}}\\ g_v^T\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{\τ}}& {\tilde{p}}_{\mathrm{\τ}}^T{\tilde{x}}_{\mathrm{\τ}}-p_{\mathrm{\τ}}^T{x}_{\mathrm{\τ}}\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，g₁，g₂为界面法向量的分量， $g_{\mathrm{\μ}}=\∂g/\∂u_{\mathrm{\μ}},g_v=\∂g/{\∂u}_v,g_{\mathrm{\μv}}={\∂}^{2}g/\∂u_{\mathrm{\μ}}\∂u_v,$ (μ,ν＝1,2)，x_τ为空间位置x对时间τ的导数，p_τ为慢度p对时间τ的导数。x_τ和p_τ为未穿过界面一侧的值，和为穿过界面一侧的值。

带结构的运动学射线追踪和动力学射线追踪完成之后就可以利用每一根射线，通过式(8)的高斯束公式，求解射线具有显著影响范围的每一个成像单元内的复值振幅和复值旅行时，形成炮点高斯束；

$u(s,n,\mathrm{\ω})=\sqrt{\frac{v\left(s\right)}{Q\left(s\right)}}{e}^{\{\mathrm{i\ω\τ}\left(s\right)+\frac{\mathrm{i\ωP}\left(s\right)}{2Q\left(s\right)}{n}^2\}}---\left(8\right)$

式中，u(s，n，ω)表示了频率为ω的波场位移，(s，n)为当前计算点在中心射线坐标系下的射线坐标，如图4所示，s为到射线原点的距离，n为到射线的距离，ω为圆频率，v(s)表示中心射线的速度，为中心射线旅行时，通过前述的运动学射线追踪确定，P(S)和Q(S)为复值动力学参数，通过前述的动力学射线追踪确定。i为虚数单位。

对炮点和检波点进行上述的射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束。

传统的射线追踪之所以在速度反差大的地方会出错，是因为没有考虑到速度分界面。本发明所提到射线追踪同时借助于速度网格模型和速度结构模型，在速度分界上考虑施奈尔定律以及动力学参数的传播矩阵，提高射线追踪的准确性。从而利用更加准确的走时和动力学量进行高斯束叠前深度偏移，提高成像质量。

(4)得到炮点高斯束和检波点高斯束，根据两者相交得到总的复值振幅和复值旅行时，用鞍点扫描法扫描确定复值旅行时，保留最大能量贡献的高斯束。

(5)利用得到的最大能量贡献的高斯束进行累加成像，具体为：

1、根据处理要求预设偏移参数，根据预设的偏移参数中的最小ω_l和最大频率ω_h以及高斯束初始宽度w₀计算高斯束地表分布间隔Δa、射线追踪射线参数间隔Δp，以决定射线数目：

$\mathrm{\Δa}=w_0*\sqrt{{2\mathrm{\ω}}_l/{\mathrm{\ω}}_h}---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δp}=\mathrm{\π}/(3*w_0*\sqrt{{\mathrm{\ω}}_l{\mathrm{\ω}}_h})---\left(10\right)$

2、分析当前炮的所有地震道，根据确定的地表分布间隔Δa，计算检波点出射点数Na；

3、对确定的每一个检波点出射点进行局部叠加，得到每一个检波点出射点的偏移结果：

在检波点(x_d,y_d,z_d)，对地震资料进行局部斜叠加，将地震信号分解为不同方向的平面波，斜叠加公式如下：

$B(\mathrm{\ω},p)=C\frac{\left|\mathrm{\ω}\right|}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{x_0-L}^{x_0+L}{F}_x\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\frac{1}{2}\left|\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_l}\right|\frac{x^2}{L^2}}{e}^{-\mathrm{i\ωopx}}\mathrm{dx}---\left(11\right)$

式中B(ω,p)为局部斜叠加信号，p为射线参数，ω为平面波频率，ω_l为记录有效频宽的低端。L为局部叠加范围半径，即对应ω_l的高斯射线束有效半宽度w₀的3倍。x₀为射线出射中心位置(也即(x_d,y_d)的相对坐标)，也是局部叠加的中心。F_x(ω)表示位置在x处的地表记录的频谱。上式将局部范围[-L,L]内的地震记录按照距离中心点的距离进行指数衰减，并根据射线倾角参数p叠加起来，实现了不同斜率平面波的分解。式中C为局部叠加系数，它是为了确保高斯射线束平面波分解与地表记录的一致性而使用的。

通过快速傅里叶变换，即可将局部斜叠加信号B(ω,p)变换成时间域的局部斜叠加信号b(t,p)。

对于每一个检波点出射点影响的成像范围内的每一个成像网格点，根据得到的复值旅行时t₀，以及步骤(3)带结构的射线追踪过程中记录的射线参数p₀，到步骤3中根据公式(11)局部斜叠加信号找到对应的b(t₀,p₀)，累加该值。即可得到该检波点出射点的偏移结果。

4、对每一炮的所有检波点出射点进行上述步骤1-3，累加所有检波点出射点的偏移结果，即可得到每一炮的偏移结果。同样，执行上述步骤1-4累加所有炮的偏移结果，即为最终的偏移结果。

本发明通过对野外地震资料进行常规处理，得到经过常规处理的时间域炮集地震记录，对时间域炮集地震记录深度域速度分析，建立深度域速度结构模型和速度网格模型，对每一炮，进行带结构的射线追踪，得到高斯束，并根据公式(11)进行平面波分解，累加成像，输出共成像点道集和剖面。

从图1可以看出，传统的射线追踪在速度分界面处，射线出射方向有可能是错误的，而带结构的射线追踪使用了施奈尔定律，可以很好地避免这一错误。

图5所示为现有的marmuious模型进行偏移成像的结果，可以看到，该模型地层复杂，速度反差大的层位有很多，图6为采用本发明的技术方案高斯束叠前深度偏移结果，可见采用本发明的方法与现有技术相比得到的偏移剖面与模型匹配更好。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种高斯束叠前深度偏移方法，其特征在于，所述的方法包括：

(1)对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

(2)建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

(3)根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

(4)根据所述炮点高斯束和检波点高斯束相交确定总的复值旅行时；

(5)对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

(6)根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果；

其中，所述的步骤(3)中根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪包括：利用所述深度域速度结构模型和速度网格模型对所述的时间域炮集记录数据中的各炮点分别进行运动学射线追踪和动力学射线追踪；

所述的运动学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向；

根据确定的分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向确定中心射线旅行时；

所述的动力学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定动力学参数；

根据确定的中心射线旅行时和动力学参数生成炮点高斯束和检波点高斯束。

2.一种高斯束叠前深度偏移装置，其特征在于，所述的装置包括：

数据采集处理模块，用于对采集的地震波数据进行处理生成时间域炮集地震记录数据并确定速度分界面；

模型建立模块，用于建立深度域速度结构模型和速度网格模型；

高斯束生成模块，用于根据所述深度域速度结构模型、速度网格模型以及速度分界面对所述时间域炮集记录数据进行射线追踪，生成炮点高斯束和检波点高斯束；

旅行时计算模块，用于根据所述炮点高斯束和检波点高斯束相交确定总的复值旅行时；

最大能量高斯束确定模块，用于对所述的总的复值旅行时进行鞍点扫描，确定最大能量高斯束；

偏移模块，用于根据确定的最大能量贡献的高斯束进行累加成像生成偏移结果；

其中，所述的高斯束生成模块利用所述深度域速度结构模型和速度网格模型对所述的时间域炮集记录数据中的各炮点分别进行运动学射线追踪和动力学射线追踪；

所述的高斯束生成模块包括：

所述的运动学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向；

根据确定的分界面的地层倾角、法线方向及射线出射方向确定中心射线旅行时；

所述的动力学射线追踪包括：在速度网格模型内采用4阶龙格-库塔方法求解偏微分方程的方法步进，遇到速度分界面时，根据所述深度域速度结构模型记录的层位、段位信息确定动力学参数；

根据确定的中心射线旅行时和动力学参数生成炮点高斯束和检波点高斯束。