CN105425284A - 一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法。包括以下步骤：抽取垂直地震剖面的VCSP道集并获取均方根速度场，利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道，将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积得到当前VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果，遍历垂直地震剖面中的全部VCSP道集，将每一VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果组合为整个地震剖面的成像结果。本发明可在较大范围内的垂直地震剖面成像，对于低信噪比和复杂地形地区能够得到精确的成像效果。

Description

一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，尤其涉及一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法。

背景技术

垂直地震剖面(VerticalSeismicProfile，VSP)勘探技术是一种井中地震观测技术。通过在地表设置震源激发地震波，在井内安置检波器接收地震波，即在垂直方向观测一维波场，然后对观测资料经过校正、叠加和滤波等处理，最终得到垂直地震剖面的技术。

基于VSP垂直地震剖面的成像方法较多，例如，VSP-CDP成像、克希霍夫偏移成像、波动方程偏移成像以及逆时偏移成像等。这些成像方法的成像速度都是通过于测井资料进行初至速度反演，或者地面阵列等得到。当检波器接收到的信号受噪音影响严重，并且地下地质构造情况复杂时，现有技术中VSP成像方法中对低信噪比和复杂构造的成像效果都不理想。

其中，现有技术中基于克希霍夫偏移成像的VSP成像方法是针对CMP道集或者单炮记录进行等效偏移距偏移，由于道集覆盖次数较低，偏移结果成像范围较小，对复杂地质构造的成像结果存在较大的失真。

因此，亟需一种能够在较大范围内进行成像的垂直地震剖面成像方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法，包括以下步骤：

抽取垂直地震剖面的VCSP道集并获取均方根速度场；

利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道；

将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积得到当前VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果；

遍历垂直地震剖面中的全部VCSP道集，将每一VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果组合为整个地震剖面的成像结果。

根据本发明的一个实施例，所述利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道包括：

针对VCSP道集中零偏移距对应的道设定零偏移距旅行时间t₀；

根据均方根速度场计算VCSP道集中每个非零等效偏移距h_ei对应的走时t_i，其中，i＝1,2……,N，N为VCSP道集的覆盖次数；

将非零等效偏移距h_ei对应的道上走时t_i的采样点值叠加到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点；

遍历该道中全部零偏移距旅行时间t₀，得到由全部零偏移距旅行时间t₀对应输出点的叠加值构成的VCSP道集叠加道。

根据本发明的一个实施例，所述将非零等效偏移距h_ei对应道上走时t_i的采样点值叠加到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点包括：

计算每个走时t_i处的输入点波场采样值与倾斜因子和球面扩散因子的积，得到VCSP道集中非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值；

对所有非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值进行叠加，将叠加结果输出到选定的零偏移距旅行时间t₀对应的输出点。

根据本发明的一个实施例，所述根据均方根速度场计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时t_i包括：

获取零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度v_rms；

计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时：

$t_i=\sqrt{t_0^2+\frac{h_{\mathrm{ei}}^2}{v_{\mathrm{rms}}^2}}.$

根据本发明的一个实施例，所述对所有非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值进行叠加，将叠加结果输出到选定的零偏移距旅行时间t₀对应的输出点表示为：

$P_{\mathrm{out}}\left(t_0\right)=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right),$

其中，cosθR(v_rms,r)P_in(t_i)为非零偏移距对应道的波场采样点值的等效偏移数值，

P_out(t₀)为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点的波场数值，P_in(t_i)为每个走时t_i处的输入点的波场数值，t₀为零偏移距旅行时间，cosθ为倾斜因子，R(v_rms,r)为球面扩散因子，r为输入点和输出点之间的距离，v_rms为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度，△x为VCSP道集的道间距。

根据本发明的一个实施例，将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积确定当前VCSP道集的等效偏移距偏移成像结果表示为：

$P_{\mathrm{out}}*\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\underset{t_0}{\mathrm{\Σ}}\left[\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right)\right]*\mathrm{\ρ}\left(t\right),$

其中，P_out表示VCSP道集的叠加道，ρ(t)为滤波因子。

根据本发明的一个实施例，所述滤波因子在二维偏移中为相位谱保持在45°，振幅谱正比于频率平方根的子波整形因子，在三维偏移中为相位谱为90°，振幅谱成正比于频率的子波整形因子。

根据本发明的一个实施例，所述球面扩散因子在二维偏移中表示为 $R(v_{\mathrm{rms}},r)=\frac{1}{v_{\mathrm{rms}}{r}^{1/2}},$ 在三维偏移中表示为： $R(v_{\mathrm{rms}},r)=\frac{1}{v_{\mathrm{rms}}r}.$

根据本发明的一个实施例，所述抽取垂直地震剖面中的VCSP道集并获取均方根速度场包括：

从预处理之后的VSP记录数据中分离出上行P波数据记录；

从上行P波数据记录中抽取VCSP道集；

对VCSP道集做速度分析得到均方根速度场。

本发明针对VSP的等效偏移距道集进行叠前偏移实现成像。由于VSP的等效偏移距道集较常规成像具有更大的覆盖范围，可以实现在较大范围内的垂直地震剖面成像。特别对于低信噪比和复杂地形地区，本发明中较高的覆盖次数能够得到精确的成像效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是现有技术中VSP地震剖面图的成像结果的示例；

图2是本发明实施例一的基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例二的VCSP道集的叠前偏移成像的步骤流程图；

图4是本发明实施例二中VCSP道集的偏移原理示意图；

图5a是本发明实施例二中单个散射点VCSP道集的一个示例；

图5b是图5a中单个散射点的VCSP道集叠前偏移成像的结果；

图6是模拟实验一中具有地堑构造的层状模型；

图7是对图6所示的模型合成的一炮上行P波的记录；

图8a是模拟实验一中形成的一部分速度谱；

图8b是模拟实验一中抽取的一部分道集；

图8c是模拟实验一中形成的另一部分速度谱；

图8d是模拟实验一中抽取的另一部分道集；

图9是利用实施例一的方法对图6所示模型做叠前偏移的成像结果；

图10是模拟实验二中某WalkAwayVSP的其中一炮上行P波记录；

图11a是模拟实验二中形成的一部分速度谱；

图11b是模拟实验二中抽取的一部分道集；

图11c是模拟实验二中形成的另一部分速度谱；

图11d是模拟实验二中抽取的另一部分道集；

图12是对实际资料的VCSP道集叠前偏移的结果。

具体实施方式

垂直地震剖面VSP地震勘探技术中将震源固定在离所测井一定距离的位置，检波器设置在井内探测地震波。通常，VSP地震勘探技术固有的弊端在于可勘探范围较小，只能勘探从观测井到震源一半距离的地质范围。图1所示为现有技术中VSP地震剖面图的成像结果，在成像结果上出现大范围的空白区域。

事实上，在图1的空白区域中也存在散射波场，现有的VSP成像技术并未提取这部分的散射波能量，导致成像范围较小。因为现有的VSP成像方法是基于反射波成像理论的，只有输入的数据的炮点和接收点符合反射定律的时候，该数据才参与成像。按照斯奈尔定律，在图1中的空白区域并没有反射点。即地震波在空白区域中没有响应，因而不能成像。VSP本身观测系统不对称，覆盖次数低，能参与成像的数据就很少，因此，对于低信噪比和复杂地形地区的成像效果并不理想。

本发明的实施例从VSP记录中抽取基于等效偏移距的VCSP(VerticalCommonSeismicProfile，VCSP)垂直共散射点道集，其时距关系是双曲线。可应用克希霍夫原理进行偏移成像，其思路是对每个VCSP道集沿双曲线轨迹应用克希霍夫积分公式做保幅叠加，这个过程类似于做动校正和叠加。VCSP道集具有偏移距范围大，覆盖次数高和信噪比高的特点，因此本发明实施例提供的成像方法比常规成像扩大了成像范围，对低性噪比和复杂地形的成像更有优势。

以下结合附图来详细说明本发明的实施方式。

实施例一

图2为本实施例中基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法的步骤流程图。

首先，在步骤S201中抽取垂直地震剖面的VCSP道集并获取均方根速度场。具体而言，先对VSP记录做诸如检波器定向处理和去噪的预处理运算，然后从预处理之后的VSP记录数据中分离出上行P波数据记录。再从上行P波数据记录中抽取基于等效偏移距的VSP记录的共散射点道集，并对VCSP道集做速度分析得到均方根速度场。

其中，基于等效偏移距的VSP记录的成像道集(VCSP道集)具有较大的偏移距范围，覆盖次数高。根据等效偏移距的概念，VCSP道集的时距关系是双曲线形式，是一种自激自收的道集。

接下来执行步骤S202，选定一个VCSP道集，利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道。

在本步骤中，先针对VCSP道集中零偏移距对应的道设定零偏移距旅行时间t₀。然后，根据均方根速度场计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时t_i，其中，i＝1,2……,N，N为VCSP道集的覆盖次数。

再将非零等效偏移距h_ei对应的道上走时为t_i的采样点值叠加到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点。然后遍历该道中全部零偏移距旅行时间t₀，得到该VCSP道集的叠加道，即得到由全部零偏移距旅行时间t₀对应输出点的叠加值构成的VCSP道集叠加道。

随后，在步骤S203中将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积得到当前VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果。

在步骤S202和S203中，对VCSP道集根据克西霍夫积分原理进行叠前偏移成像，实质上是对每个VCSP道集沿双曲线轨迹应用克希霍夫积分公式做保幅叠加，类似于做动校正和叠加。

接下来执行步骤S204，判断是否已经遍历全部VCSP道集。若是，则执行步骤S205，将每一VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果组合，得到整个垂直地震剖面的叠前偏移成像结果，完成垂直地震剖面成像；若否，则执行步骤S202，输入下一个VCSP道集。

这样以来，可以遍历垂直地震剖面中的全部VCSP道集，将每一VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果组合为整个地震剖面的成像结果。由于地下构造中的每一散射点均能成像，本实施例的方法较常规VSP成像扩大了成像范围。

实施例二

本实施例对实施例一的步骤S202至步骤S205中针对VCSP道集根据克西霍夫积分原理执行的叠前偏移的方法进行详细说明。

图3所示为本实施例的叠前偏移方法的步骤流程图。

首先在步骤S301中选定一个VCSP道集。随后，执行步骤S302，针对VCSP道集中零偏移距对应的道设定零偏移距旅行时间t₀。其中，零偏移距旅行时间t₀与散射点的深度z₀和散射点位置处的均方根速度有关。

在步骤S303中，根据均方根速度场计算VCSP道集中每个非零等效偏移距h_ei对应的走时t_i。先获取零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度v_rms，再计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时：

$t_i=\sqrt{t_0^2+\frac{h_{\mathrm{ei}}^2}{v_{\mathrm{rms}}^2}}---\left(1\right)$

其中，i＝1,2……,N，N为VCSP道集的覆盖次数。

请参考图4，P点为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点，表示散射点。A、B、C点为VCSP道集中非零偏移距对应的输入点。

接下来在步骤S304中，计算每个走时t_i处的输入点波场采样值与倾斜因子和球面扩散因子的积，得到VCSP道集中非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值。

上述非零偏移距对应道的波场采样点值的等效偏移数值为cosθR(v_rms,r)P_in(t_i)，其中，P_in(t_i)为每个走时t_i处的输入点的波场数值，cosθ为倾斜因子，R(v_rms,r)为球面扩散因子，r为输入点和输出点之间的距离，v_rms为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度。如图4所示，θ是输入点与输出点连线与垂直方向的夹角。

随后执行步骤S305，对所有非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值进行叠加，将叠加结果输出到选定的零偏移距旅行时间t₀对应的输出点，可得到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点的波场数值：

$P_{\mathrm{out}}\left(t_0\right)=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right)---\left(2\right)$

其中，△x为VCSP道集的道间距，球面扩散因子在二维偏移中表示为 $R(v_{\mathrm{rms}},r)=\frac{1}{v_{\mathrm{rms}}{r}^{1/2}},$ 在三维偏移中表示为： $R(v_{\mathrm{rms}},r)=\frac{1}{v_{\mathrm{rms}}r}.$

在步骤S306中判断VCSP道集中零偏移距对应的道中是否已经遍历全部零偏移距旅行时间t₀。若是，则执行步骤S307输出一道叠加道；若否，则执行步骤S302，设定下一个偏移距旅行时间t₀。

这样当一个VCSP道集中零偏移距对应的道的每一个t₀时间的输出点的波场数值全部计算完毕之后，可以得到一道叠加道。

接下来执行步骤S308，将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积确定当前VCSP道集的等效偏移距偏移成像结果：

$P_{\mathrm{out}}*\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\underset{t_0}{\mathrm{\Σ}}\left[\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right)\right]*\mathrm{\ρ}\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，P_out表示VCSP道集的叠加道，ρ(t)为滤波因子。*表示滤波因子ρ(t)与输入波场P_in之间的褶积。

滤波因子ρ(t)在二维偏移中为相位谱保持在45°，振幅谱正比于频率平方根的子波整形因子；在三维偏移中为相位谱为90°，振幅谱成正比于频率的子波整形因子。

到此为止，能够得到当前VCSP道集的等效偏移距偏移成像结果。

图5a示出了单个散射点VCSP道集的一个示例，图5b示出了单个散射点的VCSP道集叠前偏移成像的结果，可看出经过叠前偏移能够实现散射点的清晰成像。

随后在步骤S309中，判断是否已经遍历全部VCSP道集。若是，则执行步骤S310，输出垂直地震剖面的叠前偏移成像结果；若否，则执行步骤S301，输入下一个VCSP道集。

本实施例中的方法基于散射波理论，地下地质构造中的每一个点都是散射点。所以在步骤S308的当前VCSP道集的等效偏移距偏移成像过程中，对每一个点都能成像，因此成像范围是整个勘探区域的。因而可以实现在较大范围内的垂直地震剖面成像。特别对于低信噪比和复杂地形地区，本实施例中较高的覆盖次数能够得到精确的成像效果。

模拟实验一

图6是一个带有地堑构造的层状模型，各层速度逐层递增。炮点范围0～4000米，炮间距100米。接收点深度200～1100米，道间距10米。图7是合成的其中一炮上行P波的记录。CSP道集抽取参数为：CSP范围1000～3000米，间距10米，最大等效偏移距2000米，等效偏移距间隔10米。

图8a、图8b、图8c和图8d是抽取的部分CSP道集和对应的速度谱(CSP点位置为1900m，2100米)。从CSP道集上看，道集形式和CMP道集类似都是双曲线形式。三个双曲同相轴分别对应着三组地层，而且道集覆盖次数很高(最大能达到200次，对于一般的VSP道集来说，是无法达到这么多的覆盖次数)。在速度谱上三个同相轴的速度能量聚焦比较集中，可以容易拾取各层的均方根速度。图9是通过VSP等效偏移距方法对模型数据成像的结果。成像的结果和模型构造是吻合的，较清晰的呈现出了上下两层水平界面和中间的一个地堑构造。

模拟实验二

图10显示的是某WalkAwayVSP的其中一炮上行P波记录。该VSP记录总共25炮，炮点偏移距范围0～1000米，40米炮间距。64道接收，接收点深度300～930米，10米道间距。CSP抽取参数：CSP范围0～500米，间距5米，最大等效偏移距1000米，等效偏移距间隔20米。图11a、图11b、图11c和图11d是形成的部分CSP道集和对应速度谱(CSP位置100米，200米)，可以看到，CSP道集覆盖次数较高，浅层的同相轴很清晰；同时，能量谱上能看到清楚的能量团，对应着CSP道集上的相应同相轴。

图12是对实际资料的CSP道集等效偏移距偏移的结果。与一般的VSP成像结果比较，该成像剖面成像范围很大。但是在远离井口的方向(CSP大号方向)，浅层的同相轴明显的失真，出现上翘的现象，这个原因是由VSP记录炮点和接收点严重的不对称性造成的。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于等效偏移距的垂直地震剖面成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

抽取垂直地震剖面的VCSP道集并获取均方根速度场；

利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道；

将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积得到当前VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果；

遍历垂直地震剖面中的全部VCSP道集，将每一VCSP道集所在位置处的等效偏移距偏移成像结果组合为整个地震剖面的成像结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用均方根速度场对VCSP道集计算叠加道包括：

针对VCSP道集中零偏移距对应的道设定零偏移距旅行时间t₀；

根据均方根速度场计算VCSP道集中每个非零等效偏移距h_ei对应的走时t_i，其中，i＝1,2……,N，N为VCSP道集的覆盖次数；

将非零等效偏移距h_ei对应的道上走时t_i的采样点值叠加到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点；

遍历该道中全部零偏移距旅行时间t₀，得到由全部零偏移距旅行时间t₀对应输出点的叠加值构成的VCSP道集叠加道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将非零等效偏移距h_ei对应道上走时t_i的采样点值叠加到零偏移距旅行时间t₀对应的输出点包括：

计算每个走时t_i处的输入点波场采样值与倾斜因子和球面扩散因子的积，得到VCSP道集中非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值；

对所有非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值进行叠加，将叠加结果输出到选定的零偏移距旅行时间t₀对应的输出点。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述根据均方根速度场计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时t_i包括：

获取零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度v_rms；

计算VCSP道集中每个等效偏移距h_ei对应的走时：

$t_i=\sqrt{t_0^2+\frac{h_{\mathrm{ei}}^2}{v_{\mathrm{rms}}^2}}.$

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所有非零偏移距对应道的采样点值的等效偏移数值进行叠加，将叠加结果输出到选定的零偏移距旅行时间t₀对应的输出点表示为：

$P_{\mathrm{out}}\left(t_0\right)=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right)$

其中，cosθR(v_rms,r)P_in(t_i)为非零偏移距对应道的波场采样点值的等效偏移数值，P_out(t₀)为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点的波场数值，P_in(t_i)为每个走时t_i处的输入点的波场数值，t₀为零偏移距旅行时间，cosθ为倾斜因子，R(v_rms,r)为球面扩散因子，r为输入点和输出点之间的距离，v_rms为零偏移距旅行时间t₀对应的输出点位置处的均方根速度，△x为VCSP道集的道间距。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将VCSP道集的叠加道与滤波因子进行褶积确定当前VCSP道集的等效偏移距偏移成像结果表示为：

$P_{\mathrm{out}}*\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\underset{t_0}{\mathrm{\Σ}}\left[\frac{\mathrm{\Δx}}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θR}(v_{\mathrm{rms}},r)P_{\mathrm{in}}\left(t_i\right)\right]*\mathrm{\ρ}\left(t\right),$

其中，P_out表示VCSP道集的叠加道，ρ(t)为滤波因子。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述滤波因子在二维偏移中为相位谱保持在45°，振幅谱正比于频率平方根的子波整形因子，在三维偏移中为相位谱为90°，振幅谱成正比于频率的子波整形因子。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述球面扩散因子在二维偏移中表示为在三维偏移中表示为： $R(v_{\mathrm{rms}},r)=\frac{1}{v_{\mathrm{rms}}r}.$

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述抽取垂直地震剖面中的VCSP道集并获取均方根速度场包括：

从预处理之后的VSP记录数据中分离出上行P波数据记录；

从上行P波数据记录中抽取VCSP道集；

对VCSP道集做速度分析得到均方根速度场。