CN104570124B - 一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法 - Google Patents
一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，在去除直达波的情况下，震源波场向检波器方向横向延拓，检波器接收波场向震源方向横向延拓，当两者波场延拓到同一位置时利用相关成像条件进行成像，从而实现横向延拓成像；对所有炮点成像并叠加即可获取井间地震深度域偏移成像剖面。本发明将大角度传播信息在横向延拓方向上转化为小角度，从而改善垂向大角度区域的成像效果。无需分离上下行反射波，避免了上下行反射波分离效果不佳的对成像结果的影响；既考虑了井间地震反射波资料的运动学特征（时间信息等），又考虑了井间地震反射波资料的动力学特征（振幅信息等）及井间地震观测方式的特殊性，成像准确、精度高。
Description
技术领域
本发明属于地震资料处理技术领域，尤其涉及一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法。
背景技术
井间地震由于其观测方式特殊，其反射波成像方法一般分为VSP–CDP成像、利用走时场延拓成像和波动方程延拓偏移成像等技术。VSP-CDP成像方法是通常采用的方法。VSP-CDP成像的优点是算法稳定、容易实现，但其缺点也很明显，主要原因是该方法基于水平层状常速介质假设，因而成像精度较低。井间地震的POSTMAP成像是在VSP-CDP成像结果基础上再进一步使绕射波收敛归位，效果好于VSP-CDP，与Kirchhoff积分法相当，但是难以适应速度场的强横向变化。同时，由于井间地震反射波以大角度反射为主，存在大量超过临界角的广角反射，而目前的井间地震波动方程偏移方法采用垂向延拓的思路进行波场延拓成像，并不适合接近广角的井间地震反射条件，即使采用高精度的垂向波场延拓算子，对大角度的陡倾构造成像效果仍受影响，尤其是两口井附近，垂向延拓单程波成像有很大难度。
发明内容
为了消除井间地震大角度反射和广角反射对反射波成像的波形拉伸和畸变效应，本发明提出了一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，将大角度传播信息在横向延拓方向上转化为小角度，从而改善垂向大角度区域的成像效果。
本发明采用的技术方案是：根据波动方程成像原理，在去除直达波的情况下，对井间地震波场进行横向延拓，具体为：震源波场向检波器方向横向外推延拓，反射波场向震源方向外推延拓，两种波场外推到同一位置时，按照相关成像条件进行成像，从而实现横向延拓成像；对所有炮点都进行上述的延拓成像后对多个延拓成像剖面进行叠加即可获取井间地震深度域偏移成像剖面。
其波动方程建立方法如下：
从单程波波动方程出发：
其中：U(x,z,t)为地震波场，v(x,z)为介质速度，±符号分别对应反射波场和震源波场；x为两井平面内的水平方向坐标，z为垂直方向坐标，t为波传播时间。
建立地震波场频率域的一般延拓公式，如下：
其中，z'＝z+Δz，kx为横向波数，ω为圆频率，Δz为延拓步长，U(x,z,ω)为(x,z)处的波场，U'(x,z',ω)为延拓到(x,z')处的波场。
在井间地震资料应用中，须分别对震源波场和反射波场进行延拓；
其中，震源波场延拓公式为：
US'(x,z',ω)＝W1W2[US(x,z,ω)]， (3)
反射波场延拓公式为：
UP'(x,z',ω)＝W1'W2'[UP(x,z,ω)]， (4)
其中，W1,W1'为边界条件算子，W2,W2'为延拓算子，井间地震波场延拓的算子使用了优化改进的高精度频率空间域有限差分算子。
当反射面位于下行波初至与上行(反射)波出发时间相同的空间点上时，根据Claerbout基于这种成像概念提出用相关成像条件U/D来估算地下界面的反射系数，其中U＝U(ω,x,y,z)表示上行波延拓波场，D＝D(ω,x,y,z)表示下行波延拓波场；通过上、下行波延拓波场零延迟(t＝0时的波场成像)的互相关来求取成像值；在频率域，乘积U(ω,x,y,z)D*(ω,x,y,z)即可表示零延迟的互相关；因此成像条件的数学形式可以写成
其中D*表示D的共轭；x为两井平面内的水平方向坐标，z为垂直方向坐标，t为波传播时间。
在(5)式中，波场的比值计算存在数值计算不稳定问题；为了提高稳定性，在分母加上一个小正数σ，即
单炮入射波场较弱,按(6)式成像容易产生较强的噪音，在传统的构造成像中，通常采用如下形式：
I(x,y,z)＝∫U(ω,x,y,z)D*(ω,x,y,z)dω (7)
对多炮数据而言，成像公式的离散求和形式可以写成
其中Nω为总频率个数，Ns为总炮数。
其成像条件如下：
具体成像方法是：在一定的频率范围内，对成像空间涉及的所有炮记录的震源延拓波场与反射延拓波场的复共轭进行相关求和；
其中，为震源延拓波场的复共轭，UP'(x,z,ω)为反射延拓波场，[ω0,ωn]为成像的角频率范围，n为总的偏移炮数。
适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，具体包括如下步骤：
1)输入速度场模型和去直达波后的共炮点道集数据，建立炮点和检波器的深度点信息，并输入必要的偏移参数；
2)计算背景速度和速度扰动量作为偏移时需要的速度参数；
3)对单炮数据，将震源波场向检波器方向逐步延拓外推，使用波场延拓算子由震源波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；
4)完成步骤3)后，将检波器接收到的反射波场向震源方向外推，反射波场初始值为所有检波器记录的波场，使用波场延拓算子由反射波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；然后读取同一位置的震源波场按照相关成像条件进行成像；直到外推到震源位置停止；
5)对井间地震资料的所有炮点都进行上述的延拓成像过程，然后将所有共炮记录的成像结果进行叠加，实现叠前深度偏移成像。
进一步，由于空间位置x和z是等价的，即可以在z方向对波场延拓成像，亦可以在x方向对波场延拓成像；沿着z方向延拓成像称之为垂向延拓成像，沿着x方向成像称之为横向延拓成像。
进一步，在所述横向延拓成像过程中，还包括区分出震源之上区域和震源之下区域，并将其中一个区域的波进行反相后再成像叠加的步骤。
本方法既考虑了井间资料的运动学特征(时间等信息)，又考虑了其动力学特征(振幅等信息)，因而适合于复杂构造和横向变速介质，相对于常规方法来说在其成像精度提高的同时有一定的振幅保真性。同时将大角度传播信息在横向延拓方向上转化为小角度，从而能够较好地适应速度场的横向变化，改善垂向大角度区域的成像效果，提高了反射波成像质量。另外，横向延拓方法无需分离上下行反射波，避免了上下行反射波分离效果不佳的对成像结果的影响。
附图说明
图1是井间大角度反射示意图。
图2是横向延拓原理图。
图3是井间地震横向外推延拓成像流程图。
图4a是速度模型图。
图4b为横向延拓波动方程成像剖面。
图5a胜利油田某块区实际资料成像剖面中的过井地面地震剖面。
图5b是胜利油田某区块实际资料井间地震横向延拓成像剖面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图对本发明进行详细说明。
实施例1。一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，根据波动方程成像原理，在去除直达波的情况下，震源波场向检波器方向横向延拓，检波器接收波场向震源方向横向延拓，当两者波场延拓到同一位置时利用相关成像条件进行成像，从而实现横向延拓成像；对所有炮点都进行上述的延拓成像后对多个延拓成像剖面进行叠加即可获取井间地震深度域偏移成像剖面。
①波场延拓原理
借鉴地面波动方程叠前深度偏移成像技术的成熟经验，在井间地震反射波成像中改进引入了当前成像精度较高的炮域单程波波动方程(有单程波和双程波之分)叠前深度偏移成像技术。该方法从单程波波动方程出发：
其中：U(x,z,t)为地震波场，v(x,z)为介质速度，±符号分别对应反射波场和震源波场。
地震波场频率域的一般延拓公式，如下：
其中，z'＝z+Δz，kx为横向波数，ω为圆频率，Δz为延拓步长，U(x,z,ω)为(x,z)处的波场，U'(x,z',ω)为延拓到(x,z')处的波场；
在井间地震资料应用中，须分别对震源波场和反射波场进行延拓。
其中，震源波场延拓公式为：
US'(x,z',ω)＝W1W2[US(x,z,ω)]， (3)
反射波场延拓公式为：
UP'(x,z',ω)＝W1'W2'[UP(x,z,ω)]， (4)
其中，W1,W1'为边界条件算子，W2,W2'为延拓算子，井间地震波场延拓的算子使用了优化改进的高精度频率空间域有限差分算子。
它的处理包含了三步：频率-空间域的有限差分处理，频率-空间域的时移处理，频率-波数域的误差补偿处理，所以相对于常规的频率-空间域有限差分算子效率要稍低一些，但由于误差补偿在延拓若干步长上进行一次也可以得到较好的效果，所以相对于傅立叶有限差分算子来说，它省去了在频率-波数域的很多步处理，效率要更高一些。
②相关成像条件
波场延拓后，利用相关成像条件进行成像。波动方程叠前深度偏移的成像条件是：反射面位于下行波(入射)初至与上行(反射)波出发时间相同的空间点上(意思就是成像条件的理论出发点是时间一致性准则,即上行波的产生时间等于下行波的到达时间)。Claerbout基于这种成像概念提出用相关成像条件U/D来估算地下界面的反射系数，其中U＝U(ω,x,y,z)表示上行波延拓波场，D＝D(ω,x,y,z)表示下行波延拓波场。通过上、下行波延拓波场零延迟的互相关来求取成像值。在频率域，乘积U(ω,x,y,z)D*(ω,x,y,z)即可表示零延迟的互相关。因此成像条件的数学形式可以写成
其中D*表示D的共轭。这是人们常常称作的Claerbout成像条件。
在(5)式中，波场的比值计算存在数值计算不稳定问题。为了提高稳定性，在分母加上一个小正数σ，即
单炮入射波场较弱,按(6)式成像容易产生较强的噪音，在传统的构造成像中，通常采用如下形式：
I(x,y,z)＝∫U(ω,x,y,z)D*(ω,x,y,z)dω (7)
对多炮数据而言，成像公式的离散求和形式可以写成
其中Nω为总频率个数，Ns为总炮数。本文采用该相关成像条件，既简单又很稳健。
其成像条件如下：
即在一定的频率范围内，对成像空间涉及的所有炮记录的震源延拓波场与反射延拓波场的复共轭进行相关求和。其中，为震源延拓波场的复共轭，UP'(x,z,ω)为反射延拓波场，[ω0,ωn]为成像的角频率范围，n为总的偏移炮数。
上面公式推导过程中，空间位置x和z是等价的，即可以在z方向对波场延拓成像，亦可以在x方向对波场延拓成像。不同方向延拓产生不同的成像技术。沿着z方向延拓成像称之为垂向延拓成像，沿着x方向成像称之为横向延拓成像。
井间大角度传播信息丰富，尤其是两口井附近，采用单程波波动方程垂向延拓成像有一定难度。而垂向的大传播角度对于横向延拓成像来说为小传播角度，这样，横向延拓成像可以改善垂向大角度区域的成像效果。如图1所示,若沿z方向延拓，对于图中的波传播，成像角度是个大角度A。而若沿x方向横向延拓成像，则成像角度是个小角度B，这更有利于提高成像精度。对于井间地震数据，由于激发和接收分别位于一定距离的两口井中，大角度反射信息比较丰富，相应的要求垂向延拓的算子比较精确，这样才能够准确实现大角度成像。如果采用横向延拓成像，大角度传播信息在这个方向上转化为小角度，从而比较容易成像。
③左右行波成像
在去除直达波的情况下，震源波场向检波器方向横向外推延拓，检波器接收波场向震源方向横向外推延拓，在两者波场外推到同一位置时进行激励成像，从而实现左右行波成像(图2所示)。在不进行上下行反射波分离的情况下，对于同一地质界面由于上行和下行反射波反射系数相反，在偏移成像过程中需要区分出震源之上区域和震源之下区域，并将其中一个区域的波进行反相后再成像叠加，从而可以纠正同一个界面反射系数相反而相互抵消的问题。
井间地震横向延拓成像流程如图2、图3所示。具体操作步骤包括：
1)输入速度场模型和去直达波后的共炮点道集数据，建立炮点和检波器的深度点信息，并输入必要的偏移参数；
2)计算背景速度和速度扰动量作为偏移时需要的速度参数；
3)对单炮数据，将震源波场向检波器方向逐步延拓外推，使用波场延拓算子由震源波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；
4)完成步骤3)后，将检波器接收到的反射波场向震源方向外推，反射波场初始值为所有检波器记录的波场，使用波场延拓算子由反射波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；然后读取同一位置的震源波场按照相关成像条件进行成像；直到外推到震源位置停止；
5)对井间地震资料的所有炮点都进行上述的延拓成像过程，然后将所有共炮记录的成像结果进行叠加，实现叠前深度偏移成像。
井间地震横向延拓方法能够在不分离上下行波的情况下实现井间资料成像；对于井附近区域，由于反射角较大，垂向延拓成像误差较大，对于横向延拓，其传播角度较小，成像效果较好。但横向延拓需处理好上、下行波在同一界面反射系数相反的问题。
试验例1。为验证本发明，在胜利油田某一地区进行井间成像试验。使用本发明实施例提供的成像方法对正演模型资料进行了成像效果验证。图4a是速度模型图(正演模型)，图4b为横向延拓波动方程成像剖面。从图4a中可以看出两井之间存在两个较大断距的断层、多个透镜体、砂体尖灭、砂泥岩薄互层和倾斜产状的地层等。而图4b中可以看到对图4a中所示的和砂泥岩薄互层以及倾斜产状的地层成像效果与模型对应非常好。
试验例2。为验证本发明，在胜利油田某一地区进行井间成像试验。如图5a、图5b所示，可以看出横向延拓成像剖面对过井断层断面刻画更清楚，倾斜地层产状与地面地震基本一致，充分说明了横向延拓成像方法对陡倾角构造的成像优势和适应地层速度强横向变化的特点。应用本方法这些程序对胜利油田地区典型模型进行了成功的横向延拓成像，检验了方法的正确性、有效性和稳定性。对具有较复杂构造的胜利油田地区实际资料进行了横向延拓成像处理，获得了较好的地质效果。
Claims (3)
1.一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，其特征在于：根据波动方程成像原理，在去除直达波的情况下，对井间地震波场进行横向延拓，具体为：震源波场向检波器方向横向外推延拓，反射波场向震源方向外推延拓，两种波场外推到同一位置时，按照相关成像条件进行成像，从而实现横向延拓成像；对所有炮点都进行上述的延拓成像后对多个延拓成像剖面进行叠加即可获取井间地震深度域偏移成像剖面；
其波动方程建立方法如下：
从单程波波动方程出发：
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其中U(x，z，t)为地震波场，v(x，z)为介质速度，±符号分别对应反射波场和震源波场；x为两井平面内的水平方向坐标，z为垂直方向坐标，t为波传播时间；
建立地震波场频率域的一般延拓公式，如下：
<mrow>
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</mrow>
其中，z'＝z+Δz，kx为横向波数，ω为圆频率，Δz为延拓步长，U(x,z,ω)为(x,z)处的波场，U'(x,z',ω)为延拓到(x,z')处的波场；
在井间地震资料应用中，须分别对震源波场和反射波场进行延拓；
其中，震源波场延拓公式为：
US'(x,z',ω)＝W1W2[US(x,z,ω)]， (3)
反射波场延拓公式为：
UP'(x,z',ω)＝W1'W2'[UP(x,z,ω)]， (4)
其中，W1，W1′为边界条件算子，W2，W2′为延拓算子，井间地震波场延拓的算子使用了优化改进的高精度频率空间域有限差分算子；
当反射面位于下行波初至与上行反射波出发时间相同的空间点上时，根据Claerbout基于这种成像概念提出用相关成像条件U/D来估算地下界面的反射系数，其中U＝U(ω，x，y，z)表示上行波延拓波场，D＝D(ω，x，y，z)表示下行波延拓波场；通过上、下行波延拓波场零延迟t＝0时的波场成像的互相关来求取成像值；在频率域，乘积U(ω，x，y，z)D*(ω，x，y，z)即可表示零延迟的互相关；因此成像条件的数学形式可以写成
<mrow>
<mi>R</mi>
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</mrow>
其中D*表示D的共轭；x为两井平面内的水平方向坐标，z为垂直方向坐标，t为波传播时间；
在(5)式中，波场的比值计算存在数值计算不稳定问题；为了提高稳定性，在分母加上一个小正数δ，即
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</mrow>
单炮入射波场较弱,按(6)式成像容易产生较强的噪音，在传统的构造成像中，通常采用如下形式：
I(x,y,z)＝∫U(ω,x,y,z)D*(ω,x,y,z)dω (7)
对多炮数据而言，成像公式的离散求和形式可以写成
<mrow>
<mi>I</mi>
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其中Nω为总频率个数，Ns为总炮数；
其成像条件如下：
<mrow>
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</mrow>
具体成像方法是：在一定的频率范围内，对成像空间涉及的所有炮记录的震源延拓波场与反射延拓波场的复共轭进行相关求和；
其中，为震源延拓波场的复共轭，UP'(x,z,ω)为反射延拓波场，[ω0,ωn]为成像的角频率范围，n为总的偏移炮数；
所述成像方法包括如下步骤：
1)输入速度场模型和去直达波后的共炮点道集数据，建立炮点和检波器的深度点信息，并输入必要的偏移参数；
2)计算背景速度和速度扰动量作为偏移时需要的速度参数；
3)对单炮数据，将震源波场向检波器方向逐步延拓外推，使用波场延拓算子由震源波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；
4)完成步骤3)后，将检波器接收到的反射波场向震源方向外推，反射波场初始值为所有检波器记录的波场，使用波场延拓算子由反射波场延拓公式计算出每一延拓步长位置的波场值，并记录下来；然后读取同一位置的震源波场按照相关成像条件进行成像；直到外推到震源位置停止；
5)对井间地震资料的所有炮点都进行上述的延拓成像过程，然后将所有共炮记录的成像结果进行叠加，实现叠前深度偏移成像。
2.如权利要求1所述的一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，其特征在于：空间位置x和z是等价的，即可以在z方向对波场延拓成像，亦可以在x方向对波场延拓成像；沿着z方向延拓成像称之为垂向延拓成像，沿着x方向成像称之为横向延拓成像。
3.如权利要求2所述的一种适合井间地震大角度反射条件的延拓成像方法，其特征在于：在所述横向延拓成像过程中，还包括区分出震源之上区域和震源之下区域，并将其中一个区域的波进行反相后再成像叠加的步骤。
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