CN105467448A - 高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法。包括：输入原始地震单炮记录，选取合适的阈值ε，估算出高速层底界面出射角度θ₁，建立初始的“信噪比S/N-阈值ε-高速层底界面出射角度θ₁”量版；基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取；根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁；利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂；在一定范围内变化v₁，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合。本发明方法能够准确拾取初至直达波，并判断“高速帽子”的断点；能够为近地表高速层覆盖区的实际资料处理提供可靠的近地表信息。

Description

高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法

技术领域

本发明涉及到勘探地球物理处理方法领域，特别是涉及到近地表具有高速层覆盖时基于初至拾取的近地表参数反演方法。

现有技术

在地震勘探的发展过程中，针对多种地表、地下介质结构类型，基于体波、面波等传播机理，发展出了多种或常规或特殊的行之有效的反演方法,但这些方法的适用条件是低速层覆盖于高速层之上的近地表结构类型，不适用于高速层覆盖于低速层之上的近地表结构类型。

目前常用的反演方法中,层析反演方法是一种精度较高的反演方法，但反演效果的好坏依赖于初至拾取的准确度。基于地震道时窗属性特征的初至拾取方法是常用的提高复杂地区初至拾取精度和效率的方法，典型的有能量比法、振幅比法、瞬时强度比法和曲线长度比法，且能量比法和瞬时强度比法的拾取精度较高，拾取精度明显高于振幅比法和曲线长度比法。由于近地表高速层覆盖区的地震资料信噪比很低且波场复杂，能量比法和瞬时强度比法还是存在较大的误差，从而导致层析反演的失败。

在高速层覆盖区，地震单炮记录表现为近道处有一顶“高速帽子”的特点。而现有的近地表反演方法都是基于低速层覆盖于高速层之上的近地表结构假设条件。

发明内容

本发明的目的为解决现有反演方法的局限性，提出了高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法。本发明通过对能量比初至拾取方法加阈值ε约束，以及对折线射线路径做直线化近似处理，能够反演出较为准确的高速层覆盖区上覆高速层的速度、厚度以及下伏低速带的速度等近地表参数，为后续的资料处理提供可靠的近地表信息。

本发明的技术方案是：

高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是包括：

步骤101：输入原始地震单炮记录，并对地震记录信噪比进行定性估计，根据信噪比的高、中、低选取合适的阈值ε，根据近地表参数的先验值及透射定律，估算出高速层底界面出射角度θ₁，从而建立初始的“信噪比S/N-阈值ε-高速层底界面出射角度θ₁”量版；

步骤102：基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取；

步骤103：根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁；

步骤104：利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂；

步骤105：在一定范围内变化v₁，以满足射线时-距关系为准则，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合，即为反演出的近地表参数。

上述方案还包括：

所述步骤102基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取方法：对输入的单炮地震记录数据，在每一道的道头加一个时窗长度为T的零数据，之后根据如下公式在地震记录上滑动时间窗口计算对应每一时刻τ的时窗能量

$M_{\mathrm{\τ}}=\underset{t=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\mathrm{YtY}$

计算相邻两个时刻τ+Δτ和τ的时窗能量比值A_τ,从而得出每道地震记录随时间变化的能量比曲线，基本公式如下：

$A_{\mathrm{\τ}}=\frac{M_{\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ}}}{M_{\mathrm{\τ}}}=\left|\frac{\underset{t=\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ}}{\overset{t+\mathrm{\Δ\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right)}{\underset{t=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right)}\right|$

其中，A_τ为对应时间点τ的前后时窗内振幅平方和的比值，x(t)为地震记录值，Δτ为滑动时间长度，T为道头增加的零值时间窗口长度。

定义变量ξ为地震记录值A和炮点附近道初至直达波振幅平均值A₀的比值，沿A_τ变化曲线依次寻找极值，舍弃奇异点，直至找到第一个满足ξ≥ε的极值点，在该极值对应时间点的基础上向前推移半个波长取为“有效初至”，即便在该极值点以前存在其他的极值点也都认为是“无效初至”，最终实现用含有阈值ε约束的能量比法完成“高速帽子”的初至拾取。

所述步骤103根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁的方法是：将折线射线路径等效成直线射线路径，将射线速度等效成高速层的速度v₁，其基本关系式如下：

$t^2=\frac{x^2}{v_1^2}+\frac{h^2}{v_1^2}$

其中，v₁为高速层的速度，x和t分别是为初至直达波的偏移距及其走时，h为震源深度，则x²-t²曲线的斜率即为从而求出v1。

所述步骤104利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂的方法是：利用“高速帽子”断点处的初至直达波信息及阈值ε对应的出射角度θ₁信息建立如下方程组求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{v_1}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{v_2}\\ x_{N_1}=(h-h_1)\tan {\mathrm{\θ}}_1+h_1\tan {\mathrm{\θ}}_2\\ t_{N_1}=\frac{(h-h_1)}{v_2\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{h_1}{v_1\cos {\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right.$

其中，θ₂为低速层中的入射角，θ₁为步骤101中所确定的高速层底界面出射角，v₂为低速带速度，v₁为步骤103得到的高速层速度，h₁为高速层厚度，h为震源深度，N₁为“高速帽子”的断点，为“高速帽子”断点对应的偏移距，为“高速帽子”断点处初至直达波的走时，通过上述求解方程组，得出初始的v₁,h₁,v₂组合。

所述步骤105在一定范围内变化v₁，以满足射线时-距关系为准则，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合的方法是：用以下关系式表示：

min(Σ||t-t_obs||)；

其中，t为对应特定v₁,h₁,v₂组合的各地震道初至直达波的理论射线走时，t_obs为从地震记录上拾取到的各地震道初至直达波走时，在一定的范围内改变v₁的取值，重复步骤104和步骤105，找出使得上式达到最小值时对应的v₁,h₁,v₂组合即为反演出来的近地表参数。

利用本发明方法：

(1)能够准确拾取初至直达波，并判断“高速帽子”的断点；

(2)能够准确的反演出近地表参数，为近地表高速层覆盖区的实际资料处理提供可靠的近地表信息。

附图说明

图1为高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法流程图；

图2为高速层覆盖近地表结构及初至直达波射线路径示意图；

图3为根据近地表高速层覆盖区先验信息建立的典型速度模型图；

图4是对图3所示的速度模型进行正演模拟得到的地震记录图；

图5是第550道“有效初至”和“无效初至”的分布图；

图6是第700道“有效初至”和“无效初至”的分布图；

图7是采用不同阈值ε约束时拾取出来的初至分布图；

图8是近地表参数反演结果图。

具体实施方式

下面通过优化实施例对本发明的方案做进一步说明。

步骤101：输入原始地震单炮记录，并对地震记录信噪比进行定性估计，根据信噪比的高、中、低选取合适的阈值ε。根据经验，阈值ε的取值根据信噪比由高到低一般可取做0.03-0.10。设地震波沿高速层底界面出射角为θ₁时地面检波器所接收到的振幅值为A₁，零炮检距处地面检波器所接收到的振幅值为A₀。令根据近地表参数的先验值及透射定律，可以近似估算出角度θ₁。从而建立初始的“信噪比S/N-阈值ε-高速层底界面出射角度θ₁”量版，表1为给定模型的估算结果。

步骤102：基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取。对输入的单炮地震记录数据，在每一道的道头加一个时窗长度为T(根据经验，一般可设定为50毫秒)的零数据，之后根据如下公式在地震记录上滑动时间窗口计算对应每一时刻τ的时窗能量。

$M_{\mathrm{\τ}}=\underset{t=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\mathrm{YtY}$

计算相邻两个时刻τ+Δτ和τ的时窗能量比值A_τ,从而得出每道地震记录随时间变化的能量比曲线，基本公式如下：

$A_{\mathrm{\τ}}=\frac{M_{\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ}}}{M_{\mathrm{\τ}}}=\left|\frac{\underset{t=\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ}}{\overset{t+\mathrm{\Δ\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right)}{\underset{t=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+T}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right)}\right|$

其中，A_τ为对应时间点τ的前后时窗内振幅平方和的比值，x(t)为地震记录值，Δτ为滑动时间长度，T为道头增加的零值时间窗口长度。

定义变量ξ为地震记录值A和炮点附近道初至直达波振幅平均值A₀的比值。沿A_τ变化曲线依次寻找极值，舍弃奇异点，直至找到第一个满足ξ≥ε的极值点，在该极值对应时间点的基础上向前推移半个波长取为“有效初至”，即便在该极值点以前存在其他的极值点也都认为是“无效初至”。最终实现用含有阈值ε约束的能量比法完成“高速帽子”的初至拾取。

步骤103：根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁。由于地震波在低速带中的传播距离相对于它在高速层中的传播距离可以忽略(尤其是在远道处)，可将折线射线路径等效成直线射线路径，将射线速度等效成高速层的速度v₁，其基本关系式如下：

$t^2=\frac{x^2}{v_1^2}+\frac{h^2}{v_1^2}$

其中，v₁为高速层的速度，x和t分别是为初至直达波的偏移距及其走时，h为震源深度，则x²-t²曲线的斜率即为从而求出v₁。

步骤104：利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂。利用“高速帽子”断点处的初至直达波信息及阈值ε对应的出射角度θ₁信息建立如下方程组求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{v_1}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{v_2}\\ x_{N_1}=(h-h_1)\tan {\mathrm{\θ}}_1+h_1\tan {\mathrm{\θ}}_2\\ t_{N_1}=\frac{(h-h_1)}{v_2\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{h_1}{v_1\cos {\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right.$

其中，θ₂为低速层中的入射角，θ₁为步骤101中所确定的高速层底界面出射角。v₂为低速带速度，v₁为步骤103得到的高速层速度，h₁为高速层厚度，h为震源深度，N₁为“高速帽子”的断点，为“高速帽子”断点对应的偏移距，为“高速帽子”断点处初至直达波的走时。通过上述求解方程组，得出初始的v₁,h₁,v₂组合。

步骤105：在一定范围内变化v₁，以满足射线时-距关系为准则，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合，即为反演出的近地表参数。具体算法可以用以下关系式表示：

min(Σ||t-t_obs||)；

其中，t为对应特定v₁,h₁,v₂组合的各地震道初至直达波的理论射线走时，t_obs为从地震记录上拾取到的各地震道初至直达波走时。在一定的范围内改变v₁的取值，重复步骤104和步骤105，找出使得上式达到最小值时对应的v₁,h₁,v₂组合即为反演出来的近地表参数。

下文特举出较佳实例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1为本发明“一种高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法”的流程图，图2为高速层覆盖近地表结构及初至直达波射线路径示意图。

模型正演数据说明：根据近地表高速层覆盖区表层机构调查数据建立的典型速度模型(图3)，上覆高速层速度V1＝3000m/s,厚度H1＝6m，其下低速层速度V2＝9m，厚度H2＝9m,下部高速层速度V3＝2000m/s,厚度H3＝35m；图4是对该速度模型进行正演模拟得到的地震记录，观测系统：5000-10-0-10-5000，震源深度11m,时间采样1ms，记录长度500ms。

根据以上模型正演单炮记录，利用本发明可以反演获得上覆高速层速度V1、厚度H1、其下低速层速度V2。

在步骤101，输入单炮地震记录数据，估算信噪比，并给定振幅阈值ε，根据近地表先验信息结合透射定律构建“信噪比S/N—阈值ε—高速层底界面出射角度θ₁”量版，见表1。由于正演模拟记录的信噪比很高，阈值ε可以选取较小的值。流程进入到步骤102。

在步骤102，在特定的阈值ε约束下，利用基于地震时窗属性的能量比法进行初至的判断和拾取。流程进入到步骤103。

在步骤103，根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁；流程进入到步骤104。

在步骤104，利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的出射角度信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂。流程进入到步骤105。

在步骤105，在一定范围内变化v₁，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合，即为反演出的地层参数。最后的反演结果为：

1)取阈值ε＝0.03，出射角度θ₁＝86.287°。

反演结果：v₁＝2994.95m/s，v₂＝1501.01m/s，h₁＝6.03m

2)取阈值ε＝0.06，出射角度θ₁＝84.123°。

反演结果：v₁＝2952.94m/s，v₂＝1499.03m/s，h₁＝6.07m

3)取阈值ε＝0.1，出射角度θ₁＝81.756°。

反演结果：v₁＝2906.00m/s，v₂＝1500.02m/s，h₁＝6.08m。

通过上述流程，能够准确的反演出近地表参数，与实际模型误差很小，为近地表高速层覆盖区的实际资料处理提供较为准确的近地表地层信息。

表1信噪比S/N—阈值ε—高速层底界面出射角度θ₁量版

信噪比S/N	阈值ε	高速层低界面出射角度θ1(°)
			高信噪比	0.03	86.287
中等信噪比	0.06	84.123
			低信噪比	0.10	81.756

Claims (5)

1.高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是包括：

步骤101：输入原始地震单炮记录，并对地震记录信噪比进行定性估计，根据信噪比的高、中、低选取合适的阈值ε，根据近地表参数的先验值及透射定律，估算出高速层底界面出射角度θ₁，从而建立初始的“信噪比S/N-阈值ε-高速层底界面出射角度θ₁”量版；

步骤102：基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取；

步骤103：根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁；

步骤104：利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂；

步骤105：在一定范围内变化v₁，以满足射线时-距关系为准则，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合，即为反演出的近地表参数。

2.根据权利要求1所述的高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是，所述步骤102基于能量比法引入阈值ε作为约束进行初至拾取方法：对输入的单炮地震记录数据，在每一道的道头加一个时窗长度为T的零数据，之后根据如下公式在地震记录上滑动时间窗口计算对应每一时刻τ的时窗能量

计算相邻两个时刻τ+Δτ和τ的时窗能量比值A_τ,从而得出每道地震记录随时间变化的能量比曲线，基本公式如下：

其中，A_τ为对应时间点τ的前后时窗内振幅平方和的比值，x(t)为地震记录值，Δτ为滑动时间长度，T为道头增加的零值时间窗口长度。

定义变量ξ为地震记录值A和炮点附近道初至直达波振幅平均值A₀的比值，沿A_τ变化曲线依次寻找极值，舍弃奇异点，直至找到第一个满足ξ≥ε的极值点，在该极值对应时间点的基础上向前推移半个波长取为“有效初至”，即便在该极值点以前存在其他的极值点也都认为是“无效初至”，最终实现用含有阈值ε约束的能量比法完成“高速帽子”的初至拾取。

3.根据权利要求1或2所述的高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是，所述步骤103根据拾取到的初至直达波信息做出x²-t²曲线，利用其斜率求取上覆高速层速度v₁的方法是：将折线射线路径等效成直线射线路径，将射线速度等效成高速层的速度v₁，其基本关系式如下：

其中，v₁为高速层的速度，x和t分别是为初至直达波的偏移距及其走时，h为震源深度，则x²-t²曲线的斜率即为从而求出v₁。

4.根据权利要求3所述的高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是，所述步骤104利用“高速帽子”的断点信息以及特定阈值ε对应的高速层出射角度θ₁信息求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂的方法是：利用“高速帽子”断点处的初至直达波信息及阈值ε对应的出射角度θ₁信息建立如下方程组求取上覆高速层厚度h₁、低速带速度v₂，

其中，θ₂为低速层中的入射角，θ₁为步骤101中所确定的高速层底界面出射角，v₂为低速带速度，v₁为步骤103得到的高速层速度，h₁为高速层厚度，h为震源深度，N₁为“高速帽子”的断点，为“高速帽子”断点对应的偏移距，为“高速帽子”断点处初至直达波的走时，通过上述求解方程组，得出初始的v₁,h₁,v₂组合。

5.根据权利要求4所述的高速层覆盖下基于初至拾取的近地表参数反演方法，其特征是，所述步骤105在一定范围内变化v₁，以满足射线时-距关系为准则，通过对初至信息的扫描求取到最合适的v₁,h₁,v₂组合的方法是：用以下关系式表示：

min(Σ||t-t_obs||)；

其中，t为对应特定v₁,h₁,v₂组合的各地震道初至直达波的理论射线走时，t_obs为从地震记录上拾取到的各地震道初至直达波走时，在一定的范围内改变v₁的取值，重复步骤104和步骤105，找出使得上式达到最小值时对应的v₁,h₁,v₂组合即为反演出来的近地表参数。