CN104991268B - 一种真振幅偏移成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真振幅偏移成像方法，提出了陆上双/或多检波器全声波方程真振幅叠前深度偏移方法。在地表及地表以下布置若干检波层；采集地震信号数据；计算地表处波场关于深度的偏导数；对检波点波场和炮点波场进行波场延拓；利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像。本发明克服目前地震数据采集系统只记录地表波场值而无法在深度域精确求解声波方程的缺陷，达到了利用声波方程精确求解地震波场信息的目的，并为后续的地质解释人员提供可靠的地下构造和岩性信息，增加了地质解释和地震反演分析的可信度。本发明可以对各种波场进行偏移成像，而且能实现反映地下构造岩性变化的真振幅偏移。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下构造成像方法，特别是地震勘探中的偏移成像方法，主要用于油气资源勘探中的偏移成像方法。
背景技术
地震勘探方法是目前石油、天然气及其他能源勘探的重要方法，而地震偏移作为现代地震勘探数据处理的关键环节，为地震解释和岩性反演提供必要的技术支撑。因此，发展一种不仅能准确反映地下构造形态还能反映地层岩性变化的真振幅地震偏移技术一直是人们关注的问题。
目前，常规地震偏移处理技术，即现代常规地震数据采集技术，在地震数据采集方面只接收地表或海面的波场值然后，利用该地表波场值成像地下构造。与采集方案配套的偏移成像处理技术有(1)克希霍夫积分偏移法；(2)有限差分偏移法；(3)频率波数域偏移法；(4)逆时偏移法。这些方法的共同特点是依据波动方程利用地表的波场值成像地下构造。由于波动方程含有深度方向的二阶偏导数，数学上要使该波动方程能够求解，必须已知地表的波场值和地表波场在深度方向的偏导数。而现有技术没有接收地表波场在深度方向的偏导数。因此，在数学上严格意义的解是不存在的。为此，现有技术对波动方程进行各种近似处理，以便只利用地表波场值对地下构造进行成像。正是这种对波动方程的近似处理导致成像振幅失真。成像振幅不能真实的反映目的层的岩性变化。从而不利于岩性勘探。
在海洋上，还可采用上下异位组合双检波器地震数据采集系统。该地震数据采集系统突破了传统海洋地震勘探只采集单层波场的方式。地震数据采集时，如附图1所示，在距离海平面不同的深度各放置一条拖缆构成上下异位的组合检波器地震数据采集系统。其工作原理：海洋勘探船205在海洋200中进行地震勘探作业时，在船205后的不同深度上放置两条拖缆210(1-2)，该拖缆210(1-2)上有至少检波器220(1-2)接收放置在距海平面一定深度的震源215激发的上行波场和下行波场230(1-2)、225(1-2)。这样被检波器220(1-2)就接收了来自海底地下结构反射的地震信号225(1-2)和一个或多个海面反射的鬼波信号230(1-2)，目的是去除海洋地震勘探中的多次波，所以其本质上仍然与常规地震偏移处理技术相同。虽然其能提供双层波场值，但其采集第二层波场的目的是去除海洋地震勘探中的多次波并拓宽地震勘探的频带。根据已知单层波场的情况利用常规的偏移处理方法进行波场延拓的，根据在现有技术，目前常规偏移处理技术虽然能对地下构造形态进行较好的成像，但是计算的振幅难以反映地下构造的岩性变化。
目前偏移方法都是在一定程度上对全声波方程的近似求解，该问题的根源在于目前地震勘探只记录了地表处的波场，缺少地表波场对深度的导数，而声波方程含有对深度的二阶偏导数，必须有两个边界条件才能完全、准确的求解声波方程。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种真振幅偏移成像方法，提出了陆上双检波器观测系统，旨在基于该观测系统形成了与之配套的全声波方程真振幅叠前深度偏移方法，克服目前地震数据采集系统只记录地表波场值而无法在深度域精确求解声波方程的缺陷，利用声波方程精确求解地震波场信息，并为后续的地质解释人员提供可靠的地下构造和岩性信息，增加了地质解释和地震反演分析的可信度。
本发明采用如下的技术方案：
真振幅偏移成像方法，主要包含以下步骤：
(1)在地表及地表以下，布置若干深度不同的检波层，每一检波层设若干检波点并放置检波器；
(2)对各检波点的地震信号进行数据采集；
(3)若不同检波层的检波点上下非垂直正对，则对采集的地震信号数据进行波场插值计算处理；
(4)计算地表处或最上层检波层的波场关于深度的偏导数；
(5)对检波点波场和炮点波场进行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像；
(7)重复步骤(5)和(6)，直到达到目标深度，输出偏移剖面成像。
在上述方案基础上，进一步地优选：
在第(1)步中，优选是布置两层检波层，即双检波器；进一步优选是地表和地下各设一层检波层，即地表检波层和地下检波层，两层检波器层的间距优选为20cm～50cm；两层检波层中，优选是在下的检波层的检波点位于在上的检波层检波点的垂直正下方；
在第(1)步中，各检波层的检波器是单分量检波器，也可以是多分量检波器；
在第(2)步中，包括多种方式传输采集方式，一是水平传输方式：同一检波层的检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集对地震信号进行数据采集，也可多层由一条大线负责传输；二是垂直传输方式：不同检波层且上下对应的检波器以垂直连接方式由多条垂直线缆负责传输采集对地震信号进行数据采集；垂直传输方式，可采用一体化检波器，即将两个/或多个传感器整合到一个检波器装置中，亦或包含压力传感器和能测量压力梯度的传感器。三是无线传输方式，各检波层的检波器以无线传输方式对地震信号进行数据采集，无线传输则是现有无线传输技术的任意一种或几种。
在第(3)步中的波场插值计算：当下层检波器R11未处于上层检波器R01正下方时，首先根据上检波层记录的波场值，采用一定的插值技术计算出下检波层上检波点R11正上方的虚拟检波点R0 01的波场值，如图3所示；用同样的插值算法对下检波层记录的波场值进行插值，计算上检波层上检波点R01正下方的虚拟检波器的波场值；这种插值计算也同样适用于三维情况；
在第(4)步中，波场对关于深度的偏导数计算：通过插值计算或实际记录的上下层检波器波场值之后，在已知双层波场值情况下，利用利用差商公式计算地表或最上层检波层波场关于深度的偏导数；这种求导算法也同样适用于三维情况；
在第(5)步中，波场延拓可采用两种方式：
(a)偏移处理方式一：即已知地表或最上层波场值及其偏导数值进行波场延拓成像；
空间-频率域的声波方程及边界条件写为：
基于此，将公式(1)修改为
根据公式(2)和边值条件(1.b)、(1.c)即可实现波场延拓；
(b)偏移处理方式二：即已知地表或最上层波场及地下一定深度的另一检波层波场进行偏移成像；
频率波数域的声波方程及其边界条件可以写为：
根据公式(4)和边值条件(3.b)、(3.c)即可实现波场延拓。
本发明中部分参数术语及其含义：
1.网格剖分间距：Δz、Δx、Δy；Δz为z方向网格剖分间距，也是延拓步长；Δx为x方向网格剖分间距，Δy为y方向网格剖分间距；
2.角频率：ω；
x方向的波数为y方向的波数为
3.地震波场值：u(x,y,z,t)，将其在时间域上做傅里叶变换后为
为在z＝0深度处的波场值u(x,y,z＝0,t)关于时间做傅里叶变换后的结果；
为在z＝0深度处的波场值u(x,y,z＝0,t)关于x,y,t做傅里叶变换后的结果；
为在z＝Δz深度处的波场值u(x,y,z＝Δz,t)关于时间做傅里叶变换后的结果；
为在z＝Δz深度处的波场值u(x,y,z＝Δz,t)关于x,y,t做傅里叶变换后的结果；
为在z＝2Δz深度处的波场值u(x,y,z＝2Δz,t)关于x,y,t做傅里叶变换后的结果；
4.模型速度：v(x,y,z)
5.频率域地震波场值对z方向的一阶偏导数：
6.频率域地震波场值对z方向的二阶偏导数：
频率波数域地震波场值对z方向的二阶偏导数：
7.对x的二阶偏导数：
对y的二阶偏导数：
8.伴随算子：
9.谱投影算子：P＝(I-sign(L))/2；I为单位矩阵；sign(L)表示伴随算子的符号函数。
10.z方向的波数：
11.地表检波层是指距离实际地表面最近的检波层，地下检波层处于地表检波层之下。
本发明不仅能成像各种复杂的地下构造形态，也能提供反映地下构造岩性变化的真振幅反射信息，这将为地震后期的AVO(AVA)反演、属性分析、全波形反演及岩性物理提供理论基础。本发明的作用并不局限于此，还在于双检波器地震数据采集系统的应用为地震数据处理方法带来的新思路。由于本发明能提供地表波场值及地表波场值对深度的偏导数或距离地表一定深度的波场值，因此本发明可以在深度域上准确的求解声波方程而无任何假设条件。根据波场传播在数学上的可逆性，由于本发明是完全基于声波方程的，因此在理论上本发明可以对各种波场进行偏移成像，而且能实现反映地下构造岩性变化的真振幅偏移。这是一点是本发明相较于现有技术的显著优点。
本发明技术方案带来的有益效果：
1.本发明所对应的偏移处理技术是基于声波方程的，在推导偏移计算公式过程中没有使用任何假设条件，因此本发明所对应的偏移处理技术理论上能够对各种波进行偏移成像，而且计算的振幅能反映地下构造岩性变化。这是利用地震资料分析岩石物理参数的基础，所以真振幅偏移对AVO(AVA)分析、全波形反演和偏移后的属性分析都具有重要意义，进而说明了本发明方法对真振幅偏移的重要性；
2.陆上双检波器设计中上下检波器的间距是可以保持稳定的，这为消除或利用多次波偏移成像提供了稳定的数据支撑；
3.双检波器设计革新了目前地震勘探中的单一检波器数据采集的思想，为地震勘探数据处理提供了新的思路，变革地震数据处理各个模块处理的方法，使地震数据处理保真性更好；例如双检波器设计为常规地震数据处理中的速度分析提供了多一层数据支撑，使速度分析更加可靠；
4.基于双检波器的深度偏移成像解决了逆时偏移大数据存储问题和计算效率低的问题，更具实用价值；因为逆时偏移需要存储沿时间方向上的所有波场值，从深度角度看即需要存储所有深度上的波场值，而本发明只需要存储深度方向上的两个波场值即可。
附图说明
图1，是现有技术中的海洋下上组合检波器勘探示意图。
图2，是本发明的陆地双检波器地震数据采集系统示意图。
图3，是本发明的图3插值计算示意图。
图4中，(a)45度倾斜不整合面速度模型；(b)常规克希霍夫叠前深度偏移剖面；(c)双检波器叠前深度偏移剖面；(d)叠前深度逆时偏移剖面；(e)常规克希霍夫叠前深度偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图；(f)双检波器叠前深度偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图；(g)叠前深度逆时偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图。
图5中，(a)倾斜界面-水平不整合面速度模型；(b)常规克希霍夫叠前深度偏移剖面；(c)双检波器叠前深度偏移剖面；(d)叠前深度逆时偏移剖面；(e)常规克希霍夫叠前深度偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图；(f)双检波器叠前深度偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图；(g)叠前深度逆时偏移法计算反射系数与理论反射系数对比图。
图6中，(a)速度模型；(b)克希霍夫叠前深度偏移剖面；(c)双检波器叠前深度偏移剖面；(d)叠前深度逆时偏移剖面。
图7中，(a)克希霍夫叠前深度偏移计算H1反射系数与理论反射系数对比图；(b)克希霍夫叠前深度偏移计算H1反射系数与理论反射系数的相对误差；(c)克希霍夫叠前深度偏移计算H2反射系数与理论反射系数对比图；(d)克希霍夫叠前深度偏移计算H2反射系数与理论反射系数的相对误差；(e)克希霍夫叠前深度偏移计算H3反射系数与理论反射系数对比图；(f)克希霍夫叠前深度偏移计算H3反射系数与理论反射系数的相对误差。
图8中，(a)双检波器叠前深度偏移计算H1反射系数与理论反射系数对比图；(b)双检波器叠前深度偏移计算H1反射系数与理论反射系数的相对误差；(c)双检波器叠前深度偏移计算H2反射系数与理论反射系数对比图；(d)双检波器叠前深度偏移计算H2反射系数与理论反射系数的相对误差；(e)双检波器叠前深度偏移计算H3反射系数与理论反射系数对比图；(f)双检波器叠前深度偏移计算H3反射系数与理论反射系数的相对误差。
图9中，(a)叠前深度逆时偏移计算H1反射系数与理论反射系数对比图；(b)叠前深度逆时偏移计算H1反射系数与理论反射系数的相对误差；(c)叠前深度逆时偏移计算H2反射系数与理论反射系数对比图；(d)叠前深度逆时偏移计算H2反射系数与理论反射系数的相对误差；(e)叠前深度逆时偏移计算H3反射系数与理论反射系数对比图；(f)叠前深度逆时偏移计算H3反射系数与理论反射系数的相对误差。
图10中，(a)克希霍夫叠前深度偏移剖面；(b)双检波器叠前深度偏移剖面。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例，对发明作进一步的说明。
以下实施例采用双层检波器观测系统的优选方案，主要包含以下步骤：
(1)在地表和地下一定深度布置两个检波层，地表检波层和地下检波层各设若干个检波点并放置检波器，所述地表检波层是指距离实际地表面最近的检波层，一般处于地表面0～50cm范围内，地下检波层和地表检波层两个检波层的间距约为20cm～50cm；
(2)对各检波点的地震信号数据进行采集；检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集的地震信号数据；
(3)对采集的地震数据进行必要的插值计算处理；
(4)利用差商公式计算地表处的波场关于深度的偏导数；
(5)对检点波波场和炮点波场利用公式(2)或者(4)进行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像；
(7)重复步骤(5)和(6)的计算直到达到目标深度，输出最终偏移剖面；
最后，提取目标反射层的反射系数，并与理论反射系数进行对比分析。
如图3所示，采用两条线缆进行地震数据采集的。在野外作业中，为便于未来大规模陆上作业，因此，有必要开发一体化双检波器方案是双检波器地震数据采集的趋势，该一体化双检波器可能将两个传感器整合到一个检波器装置中，亦或包含一个压力传感器和一个能测量压力梯度的传感器。也即，将名检波层上下垂直对应检波点处的检波器，以垂直连接方式由多条垂直线缆负责传输采集的地震信号数据。检波器可是单分量检波器或多分量检波器。
实施例1 陡倾角倾斜界面模型
如图4，为了研究对比三种偏移算法：克希霍夫叠前深度偏移法、双检波器叠前深度偏移法和叠前深度逆时偏移法，对陡倾角倾斜界面岩性变化的识别能力。其中，速度模型见图4(a)。
具体操作如下：
(1)在地表和地下一定深度各布置一个检波层，每层设多个检波点，上下两层的检波器垂直对应，在地下的检波层的深度为一个延拓步长；
(2)同一检波层的检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集的地震信号数据；对各检波点的地震信号数据进行采集；
(3)上下两层的检波器垂直对正，可以不对采集的地震数据进行必要的插值计算处理；
(4)利用差商公式计算地表处的波场关于深度的偏导数；
(5)对检点波波场和炮点波场利用公式(2)行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像。
提取目标反射层的反射系数，并与理论反射系数进行对比分析。
从图4(b)～(f)可见克希霍夫叠前深度偏移法、双检波器叠前深度偏移法和叠前深度逆时偏移法都对陡倾角反射界面的位置都进行准确的构造成像。从图4(e)～(g)中可见三种偏移算法能都识别出倾向不整合界面岩性变化的位置，但对反映岩性变化的反射系数信息的计算能力出现了明显的差异：本发明提出的偏移算法计算的反射系数值与理论反射系数值吻合的最好；其次是叠前深度逆时偏移法；差异最大的是克希霍夫叠前深度偏移法。通过这个实例也验证了本发明方法的效果。
实施例2：双层界面模型
如图5，为研究三种偏移算法：克希霍夫叠前深度偏移法、双检波器叠前深度偏移法和叠前深度逆时偏移法，在有上浮地层影响的情况下对下浮地层的岩性识别能力。速度模型见图5(a)。
具体操作如下：
(1)在地表和地下一定深度各布置一个检波层，每层设多个检波点，上下两层的检波器垂直对应；在地下的检波层的深度为一个延拓步长；
(2)同一检波层的检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集的地震信号数据；对各检波点的地震信号数据进行采集；
(3)上下两层的检波器垂直对正，可以不对采集的地震数据进行必要的插值计算处理；
(4)利用差商公式计算地表处的波场关于深度的偏导数；
(5)对检点波波场和炮点波场利用公式(2)行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像。
提取目标反射层的反射系数，并与理论反射系数进行对比分析。
从图5(b)～(d)可见三种偏移算法对模型中的两个反射界面的位置都进行了准确的构造成像。在偏移剖面中提取两个反射界面的反射系数与理论反射系数进行了对比，见图5(e)～(g)，从图中可以明显发现本发明提出的偏移算法计算的两个反射界面的反射系数与理论反射吻合的最好。突显了本发明中的偏移算法对复杂构造的岩性识别能力，具有实际意义。
实施例3：多次界面模型
如图6，是研究三种偏移算法：克希霍夫叠前深度偏移法、双检波器叠前深度偏移法和叠前深度逆时偏移法，对复杂模型的成像能力和岩性识别能力。
具体操作如下：
(1)在地表和地下一定深度各布置一个检波层，每层设多个检波点，上下两层的检波器垂直对应；在地下的检波层的深度为一个延拓步长；
(2)同一检波层的检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集的地震信号数据；对各检波点的地震信号数据进行采集；
(3)上下两层的检波器垂直对正，可以不对采集的地震数据进行必要的插值计算处理；
(4)利用差商公式计算地表处的波场关于深度的偏导数；
(5)对检点波波场和炮点波场利用公式(2)行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像。
提取目标反射层的反射系数，并与理论反射系数进行对比分析；同时计算理论反射系数与偏移计算的反射系数的相对误差。
从图6中可见，三种偏移成像方法对复杂构造进行了准确的成像，反映了三种偏移成像方法对复杂构造成像的可靠性。为了研究三种偏移成像方法的岩性识别能力，我们提取了图6(a)速度模型中的三种层位的反射系数并与理论反射系数进行了对比，定义了如下的相对误差计算公式：
三种偏移算法计算速度模型中H1、H2和H3层位的反射系数与理论反射系数的对比图及其相对误差见图7～9。对比图7～9中三种偏移成像方法计算的三个层位的反射系数与理论反射系数的相对误差关系，我们可以清晰的看到，本发明的偏移成像方法计算的反射系数产生的相对误差最小，最为可靠，其相对误差控制在20％以内；逆时偏移和克希霍夫积分偏移方法都产生了比较大的相对误差，较难提供可靠的反映真实岩石变化的真振幅信息。该实例充分说明了本发明对复杂模型具有较好的成像能力和岩性识别能力。
实施例4：实际数据应用
本试验的目的是验证本发明的偏移方法对野外实际数据的成像能力。
具体操作如下：
(1)在地表和地下一定深度各布置一个检波层，每层设多个检波点，上下两层的检波器垂直对应；在地下的检波层的深度为50cm；
(2)同一检波层的检波器以水平连接方式由一条大线负责传输采集的地震信号数据；对各检波点的地震信号数据进行采集；
(3)上下两层的检波器垂直对正，可以不对采集的地震数据进行必要的插值计算处理；
对采集的地震数据进行常规处理；包括去面波，能量补偿，反褶积等，并进行速度分析等到该地区的速度剖面体；
(4)利用差商公式计算地表处的波场关于深度的偏导数；
(5)对检点波波场和炮点波场利用公式(2)行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像。
很明显的发现，本发明的偏移成像方法(图10.b)相对于生产实践中使用的克希霍夫叠前深度偏(图10.a)移计算的反射同相轴更加清晰，特别是两种偏移剖面中红色方框内的区域，本发明的偏移成像方法能提供更加清晰的构造走向信息及层位之间的接触关系，这将为偏移之后的地质解释分析提供更加准确、可靠的数据支撑，也验证了本发明的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种真振幅偏移成像方法，包含以下步骤：
(1)在地表及地表以下，布置若干深度不同的检波层，每一检波层设若干检波点并放置检波器；
(2)对各检波点的地震信号进行数据采集；
(3)若不同检波层的检波点上下非垂直正对，则对采集的地震信号数据进行波场插值计算处理；
(4)计算地表处或最上层检波层的波场关于深度的偏导数；
(5)对检波点波场和炮点波场进行波场延拓；
(6)利用互相关成像原理或反射系数成像原理对延拓的检波点波场和炮点波场进行成像；
(7)重复步骤(5)和(6)直到达到目标深度，输出偏移剖面成像；
所述第(5)步中，波场延拓采用已知地表或最上层波场值及其偏导数值进行波场延拓成像；
空间-频率域的声波方程及边界条件写为：
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根据公式(2)和边值条件(1.b)、(1.c)即可实现波场延拓；
或者，所述第(5)步中，波场延拓采用已知地表或最上层波场及地下一定深度的另一检波层波场进行偏移成像；
频率波数域的声波方程及其边界条件写为：
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根据公式(4)和边值条件(3.b)、(3.c)即可实现波场延拓。
2.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：第(1)步中，布置两层检波层。
3.如权利要求2所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：第(1)步中，地表和地下各设一层检波层即地表检波层和地下检波层，两层检波层的间距为20cm～50cm。
4.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：第(1)步中，下检波层的检波点位于上检波层检波点的垂直正下方。
5.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：第(1)步中，所述检波器是单分量检波器或多分量检波器。
6.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：第(2)步中，各检波层的检波器以水平传输方式、垂直传输方式或无线传输方式对地震信号进行数据采集。
7.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：在第(3)步中，波场插值计算：首先根据上检波层记录的波场值，插值技术计算出下检波层检波点正上方的虚拟检波点的波场值，再用同样的插值算法对下检波层的波场值进行插值，计算上检波层检波点正下方的虚拟检波点的波场值。
8.如权利要求1所述真振幅偏移成像方法，其特征在于：在第(4)步中，波场对关于深度的偏导数计算：通过插值计算或实际记录的上下层检波器波场值之后，在已知双层波场值情况下，利用差商公式计算地表或最上层检波层波场关于深度的偏导数。
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