CN106597545A - 一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置 - Google Patents

一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置，包括：根据目标工区的测井资料，获取目标工区的地下介质物性参数；地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条裂缝的裂缝参数；根据获取的地下介质物性参数，提取目标工区中井旁地震道集的地震子波；根据获取的地下介质物性参数，建立目标工区的地层初始模型；根据地层初始模型、井旁地震道的地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型；其能够根据地层初始模型和井旁地震道的地震子波对反演水平裂缝的发育情况，得到包括水平裂缝的地下真实介质物性参数的地层模型，以便后续根据上述地层模型进一步预测油气富集的甜点区域。

Description

一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，具体而言，涉及一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置。
背景技术
随着页岩油气、煤层气等非常规油气资源勘探开发的需求增加，裂缝预测逐渐受到地质学家和地球物理学家的重视。常规地震叠后裂缝预测技术仅能预测大尺度裂缝的分布和延展方向。研究表明，非常规油气开采效率往往与中小尺度裂缝的发育程度成正比。因此，利用地震叠前反演进行中小尺度裂缝预测成为研究热点。
地震叠前反演主要利用振幅随偏移距(AVO)、方位角(AVAz/AVOz)或频率(AVF)变化的规律研究地下介质的性质。裂缝的存在会导致地震波的振幅发生变化，利用叠前数据进行裂缝预测在理论上是可行的。目前广泛应用的叠前裂缝反演技术(AVAz)的理论基础是Ruger于1997年推导的纵波反射系数与方位角、入射角的关系式。该方法假设地下含裂缝地层可等效为HTI型介质，即要求裂缝为垂直、均匀分布，利用Thomsen参数或Hudson参数描述裂缝的分布和性质。而实际情况下，水平裂缝是广泛存在的，而AVAz技术无法预测这类裂缝的分布和性质。
发明人在研究中发现，现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，得垂直裂缝的地层模型，其无法对水平裂缝进行反演计算。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置，能够对水平裂缝进行反演，得到包括高精度地下真实介质物性参数的地层模型。
第一方面，本发明实施例提供了一种水平裂缝地震叠前反演方法，包括：
根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数；
根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波；
根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型；
根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波，包括：
根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；
对计算得到的各个所述入射角对应的所述子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个所述入射角对应的时间域子波。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数，包括：
根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱，包括：
根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型，包括：
根据所述地层初始模型、所述地震子波和所述实际地震道集，建立正演道集与观测数据道集的反演目标函数其中，E为目标函数G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数SN、ST；所述物性参数包括：地层纵波速度、地层横波速度和地层密度；SN和ST分别为水平裂缝法向屈服度和水平裂缝切向屈服度；D为实际地震道集；
根据共轭梯度法模型更新公式mk+1＝mk+αkdk，对所述反演目标函数中的模型参数向量m进行反演计算，得到包括与正演道集中的标准地下介质物性参数相似度最高的地下真实介质物性参数的地层模型；其中，αk为步长，dk为共轭梯度，其计算公式如下：
其中，为梯度；β表示迭代因子，其计算公式如下：
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：
将反演得到的所述目标工区中各个地震道集对应的一维地层模型数据体进行综合显示，得到所述目标工区对应的多维地层模型数据体。
第二方面，本发明实施例还提供了一种水平裂缝地震叠前反演装置，包括：
获取模块，用于根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数；
提取模块，用于根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波；
建立模块，用于根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型；
反演计算模块，用于根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述提取模块，包括：
第一计算单元，用于根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
第二计算单元，用于根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；
第三计算单元，用于对计算得到的各个所述入射角对应的所述子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个所述入射角对应的时间域子波。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一计算单元具体用于，根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二计算单元具体用于，根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置，包括：根据目标工区的测井资料，获取目标工区的地下介质物性参数；根据获取的地下介质物性参数，提取目标工区中井旁地震道集的地震子波；根据获取的地下介质物性参数，建立目标工区的地层初始模型；根据地层初始模型、提取的井旁地震道的地震子波和实际地震道集，反演得到目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其能够提供任意尺度、单条或多组水平裂缝的叠前反演方法，从而获得高精度的地下真实水平裂缝分布模型和裂缝性质，且能用于煤层气、非常规油气等资源的勘探开发中，为煤层气和非常规油气的准确勘探和高效开发提供地质保障。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，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的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法的流程图；
图2示出了裂缝反演试算理论模型与地层初始模型。地层初始模型中含一个波阻抗界面在0.01s处，另含一个水平裂缝在0.02s处；其中，虚线为反演初始模型，其是对理论模型的平滑近似；
图3示出了观测地震记录(即观测地震数据)、初始模型合成记录(即初始地震数据)及其残差的示意图图。其中，观测地震数据由广义褶积模型方法对理论模型进行计算求得；由图3可以得知，在反演开始时，数据残差较大；
图4示出了本发明实施例所提供的另一种水平裂缝地震叠前反演方法的流程图；
图5为不加噪音的反演结果的示意图，由图5可见反演结果的反演精度较高，地层的纵横波速度、密度和裂缝参数均接近真实值；
图6为不加噪音反演后的地震道集及其与理论数据的残差的示意图。
图7为加入噪音后反演结果的示意图；由图7可知，在加入噪声后，反演结果受到一定的影响，但误差仍然很小，说明本发明实施例的反演方法具有一定的抗噪性。
图8为加入噪音反演后的地震道集及其与理论数据的残差的示意图。
图9示出了本发明实施例所提供的另一种水平裂缝地震叠前反演方法的流程图；
图10示出了本发明实施例所提供的一种水平裂缝地震叠前反演装置的结构示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的一种水平裂缝地震叠前反演装置中提取模块的结构示意图。
主要标号说明：
11、获取模块；12、提取模块；13、建立模块；14、反演计算模块；121、第一计算单元；122、第二计算单元；123、第三计算单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
裂缝预测在非常规油气勘探中至关重要，传统的裂缝预测方法主要针对垂直发育的裂缝，而实际情况中很多裂缝时水平发育的，传统的预测方法对水平发育的裂缝则无法进行预测。
考虑到现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，得垂直裂缝的地层模型，其无法对水平裂缝进行反演计算。基于此，本发明实施例提供了一种水平裂缝地震叠前反演方法和装置，其主要作用是可以利用地震叠前资料反演水平裂缝的发育情况，并进一步预测油气富集的甜点区域。下面通过实施例进行描述。
本发明实施例提供了一种水平裂缝地震叠前反演方法，所述方法包括如下步骤：
S101、根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数。
在进行水平裂缝地震叠前反演之前，首先选取工区，在目标工区布置观测系统，即在选取的工区上预先布置炮点和检波器，由炮点激发入射地震波，入射地震波经过地下介质的反射及透射传回地表，并由检波器接收到的地震记录，然后对接收的地震记录进行处理，得到多个CMP道集和地震偏移剖面，后续中对各个CMP道集均进行反演处理，得到目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
其中，每一个地层的物性参数包括：地层的纵波速度、地层的横波速度和地层密度；上述每条水平裂缝的裂缝参数为两个：SN和ST；其中，SN为水平裂缝法向屈服度，ST为水平裂缝切向屈服度。
S102、根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波。
本发明实施例中，利用确定性子波提取方法根据井旁地震道提取地震子波，用于后续反演地下真实介质物性参数的地层模型。其中，地震道是由炮点激发地震波，经过地下介质的反射及透射，传回地表并由检波器接收到的地震记录。井旁地震道是地震记录对应的炮点和检波点连线的中心点水平位置位于井口附近的地震道。
本发明实施例中，首先根据测井资料获取的每条水平裂缝的裂缝参数SN和ST，以及地层纵横波速度和密度，计算裂缝反射系数，然后根据裂缝反射系数，采用分入射角的方法从目标工区的地震记录中进行井旁地震道的地震子波的提取，不同入射角提取不同的子波，即子波仅与入射角有关，相同入射角的地震道对应的子波是相同的。其中，入射角指炮点激发的地震波入射到地层的反射界面处时，入射的射线与反射界面法线的夹角。
S103、根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型。
本发明实施例中，地层初始模型除包括常规介质参数，如地层纵波速度、地层横波速度和地层密度外，还包括每条水平裂缝的裂缝参数SN和ST。上述裂缝参数SN和ST的初始模型可由阵列声波测井或岩石物理建模获取。
具体的，利用测井资料获得井口的处地下介质参数后，利用内插方法对空间所有点的介质参数进行内插计算，得到目标工区内地下所有点的介质参数初始值，作为反演的初始模型。
如图2所示，图2示出了裂缝反演试算理论模型与地层初始模型。地层初始模型中含一个波阻抗界面在0.01s处，另含一个水平裂缝在0.02s处。图2中虚线为反演初始模型，其是对理论模型的平滑近似。
S104、根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
具体的，首先根据地层初始模型和提取的井旁地震道的地震子波建立反演目标函数，然后利用共轭梯度法对反演目标函数进行反演计算，获取一组与实际地下介质物性参数最接近的地下介质物性参数，此时，获取的该地下介质物性参数对应的地层模型即为地下真实介质物性参数的地层模型。
如图3所示，图3示出了观测地震记录(即观测地震数据)、即初始模型合成记录(初始地震数据)及其残差图，其中，a表示观测地震记录、b表示初始模型合成记录、c表示初始模型合成记录的残差。观测地震记录(即观测地震数据)由广义褶积模型方法对理论模型进行计算求得。可见在反演开始时，数据残差较大。
本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其能够提供任意尺度、单条或多组水平裂缝的叠前反演方法，从而获得高精度的地下真实水平裂缝分布模型和裂缝性质，且能用于煤层气、非常规油气等资源的勘探开发中，为煤层气和非常规油气的准确勘探和高效开发提供地质保障。
进一步的，参考图4，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演方法，上述步骤102中，根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波，包括：
S201、根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
本发明实施例中，根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算所述目标工区中地下每条裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
具体的，在利用测井资料获取井口处的裂缝参数SN和ST，以及地层纵波速度、地层横波速度和地层密度后，根据Cui的水平裂缝反射系数公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算每条水平裂缝的裂缝反射系数。
通过研究水平裂缝反射波振幅性质，基于线性滑动理论反演裂缝参数SN和ST，利用Cui推导的水平裂缝AVO近似公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算每条水平裂缝的裂缝反射系数，并利用计算得到的裂缝反射系数或反射波振幅对裂缝分布进行预测，并进一步对裂缝填充物性质进行分析，更准确的评估地层含油气性。上述水平裂缝AVO近似公式中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率的变化而变化。
S202、根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱。
本发明实施例中，根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条裂缝的裂缝反射系数。
S203、对计算得到的各个所述入射角对应的所述子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个所述入射角对应的时间域子波。
本发明实施例中，在利用测井资料获取井口处的裂缝参数SN和ST，以及地层纵波速度、地层横波速度和地层密度以后，并结合Cui的水平裂缝反射系数公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)计算裂缝反射系数以后，根据计算的裂缝反射系数与井旁道地震记录的频谱利用公式即可求得不同入射角子波频谱在计算得到不同入射角子波频谱以后，对进行反傅里叶变换即可得到各个入射角的时间域子波w(θ,t)。
其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
进一步的，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演方法，步骤104，根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型，包括：
1、根据所述地层初始模型、所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，建立正演道集与观测数据道集的反演目标函数其中，E为目标函数G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括每一个地层的物性参数和每条裂缝的裂缝参数SN、ST；所述物性参数包括：地层纵波速度、地层横波速度和地层密度；SN和ST分别为裂缝法向屈服度和切向屈服度；D为实际地震道集；
2、根据共轭梯度法模型更新公式mk+1＝mk+αkdk，对所述反演目标函数中的模型参数向量m进行反演计算，得到包括与正演道集中的标准地下介质物性参数相似度最高的地下真实介质物性参数的地层模型；其中，αk为步长，dk为共轭梯度，其计算公式如下：
其中，为梯度；β表示迭代因子，其计算公式如下：
具体的，根据地层初始模型和提取的地震子波，建立反演目标函数。反演的目标是获取一组与实际地下介质参数最接近的介质参数。其思想是当以某组介质参数作为模型正演得到地震道集与实际观测的地震道集最为接近时，这组参数就是对地下介质参数最精确的估计。根据这个思想，在没有已知条件约束情况下，反演目标函数可表示为正演道集与观测数据道集的二范数的平方，即：
上式中，E为目标函数或目标泛函；G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括地层纵波速度、地层横波速度、地层密度和裂缝参数SN、ST；D为实际地震道集。
然后利用共轭梯度法对建立的反演目标函数进行反演计算。其中，共轭梯度法模型更新公式为：
mk+1＝mk+αkdk，式中，dk为共轭梯度，计算公式如下：
式中，为梯度，可有有限差分近似求取。β表示迭代因子，其计算方法如下：
本发明实施例中，在对反演目标函数进行反演计算中，如果反演参数的数量级相差较大，会导致反演的不稳定。在裂缝反演中，裂缝参数SN和ST的数量级一般在10-11～10-12左右，而纵波横波速度数量级一般为103左右，二者相差达到1015左右。为了统一变量数量级，使反演结果稳定，提出了自然对数变量替换法。对于纵横波速度与密度，其替换公式如下：
式中为替换后的纵波速度，横波速度和密度替换公式与其类似。
裂缝参数SN和ST的替换公式如下：式中，和为替换后的裂缝参数，SNr和STr为参考裂缝参数。
图5为不加噪音的反演结果的示意图，由图5可见反演结果的反演精度较高，地层的纵横波速度、密度和裂缝参数均接近真实值。图6为不加噪音反演后的地震道集，及其与理论数据的残差的示意图；图6中，a表示不含噪声观测地震记录，b表示反演结果，c表示反演结果的残差。图7为加入噪音后反演结果的示意图；由图7可知，在加入噪声后，反演结果受到一定的影响，但误差仍然很小，说明本算法具有一定的抗噪性。图8为加入噪音反演后的地震道集，及其与理论数据的残差的示意图；其中，a表示加入噪声后观测地震记录，b表示反演结果，c表示反演结果及其残差。本发明实施例中，图2、图5和图7中，Vp(m/s)表示地层纵波速度，Vs(m/s)表示地层横波速度，Density(kg/m3)表示地层密度；Sn(m/Pa)表示水平裂缝垂向屈服度，St(m/Pa)表示水平裂缝切向屈服度
本发明实施例中采用共轭梯度法对上述反演目标函数进行反演计算，其中，共轭梯度法为经典的拟线性算法，即没有线性算法对初始模型的过度依赖，也比非线性算法具有更高的计算效率。利用共轭梯度法，可以反演出水平裂缝的分布及裂缝参数，进而进行水平裂缝预测。
进一步的，参考图9，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演方法，所述方法还包括：
S105、将反演得到的所述目标工区中各个地震道集对应的一维地层模型数据体进行综合显示，得到所述目标工区对应的多维地层模型数据体。
具体的，本发明实施例中首先通过步骤101～步骤104完成了对原始地震资料(及检波器接收到的地震记录)进行处理得到的一个地震道集(即一个CMP道集)的反演计算，对应的，获取了地表处1个CMP(Common Middle Point，CMP道集)点对应的地下介质参数的一维数据体；然后，通过步骤101～步骤104的方法对检波器接收到的地震记录中所有的CMP道集均进行反演计算，得到各个CMP道集点对应的地下介质参数的一维数据体，然后将得到的所有CMP道集对应的一维地层模型数据体进行组合处理，即得到目标工区的多维(如二维或三维)地下介质参数数据体，最终，可以根据得到的多维地下介质参数数据体进行裂缝分布分析及含油气性预测。
本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其提供任意尺度、单条或多组水平裂缝的叠前反演方法，从而获得高精度的地下真实水平裂缝分布模型和裂缝性质，且能用于煤层气、非常规油气等资源的勘探开发中，为煤层气和非常规油气的准确勘探和高效开发提供地质保障。
下面整体对本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演方法进行说明，本发明的详细步骤如下：
第一步：根据目标工区的测井资料获取该目标工区的地下介质物性参数；上述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数(具体为地层纵横波速度和密度)和每条水平裂缝的裂缝参数SN、ST。其中，SN和ST分别为水平裂缝法向和切向屈服度。
第二步：根据获取的地下介质物性参数，提取目标工区中井旁地震道集的地震子波。
具体的，利用确定性子波提取方法根据井旁地震道提取子波。地震道是由炮点激发地震波，经过地下介质的反射及透射，传回地表并由检波器接收到的地震记录。井旁地震道是地震记录对应的炮点和检波点连线的中心点水平位置位于井口附近的地震道。子波提取时采用分入射角提取，不同入射角提取不同的子波，即子波仅有入射角有关，相同入射角的地震道对应的子波是相同的。入射角指地震波入射到反射界面处时，入射的射线与反射界面法线的夹角。利用测井资料获取裂缝参数SN和ST，以及地层纵横波速度和密度，根据Cui的水平裂缝反射系数公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)计算裂缝反射系数。
根据反射系数与井旁道地震记录的频谱利用公式即可求得不同入射角子波频谱然后对进行反傅里叶变换即可得到时间域子波w(θ,t)；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
第三步：根据获取的所述地下介质物性参数，建立目标工区的地层初始模型。
初始模型除常规介质参数如纵、横波速度和密度外，还包括裂缝参数SN和ST。裂缝参数SN和ST的初始模型可由阵列声波测井或岩石物理建模获取。利用测井资料获得井口处地下介质参数后，利用内插方法对空间所有点的介质参数进行内插计算，得到工区内地下所有点的介质参数初始值，作为反演的初始模型。
第四步：根据地层初始模型和提取的井旁地震道的地震子波建立反演目标函数，然后利用共轭梯度法对反演目标函数进行反演计算，获取一组与实际地下介质物性参数最接近的地下介质物性参数，得到地下真实介质物性参数对应的地层模型。
具体的，反演的目标是获取一组与实际地下介质参数最接近的介质参数。其思想是当以某组介质参数作为模型正演得到地震道集与实际观测的地震道集最为接近时，这组参数就是对地下介质参数最精确的估计。根据这个思想，在没有已知条件约束情况下，反演目标函数可表示为正演道集与观测数据道集的二范数的平方，即：
式中，E为目标函数或目标泛函；G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括地层速度、密度和裂缝参数SN、ST；D为实际地震道集。
共轭梯度法模型更新公式为：
mk+1＝mk+αkdk，式中，dk为共轭梯度，计算公式如下：
式中，为梯度，可有有限差分近似求取。
β表示迭代因子，其计算公式如下：
第五步：以上1-4步骤完成了对一个地震道集的反演计算，获取了地表处1个CMP点对应的地下介质参数的一维数据体。对每个CMP道集重复1-4步，即得到工区二位或三维地下介质参数数据体，可用于进行裂缝分布分析及含油气性预测。
本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其提供任意尺度、单条或多组水平裂缝的叠前反演方法，从而获得高精度的地下真实水平裂缝分布模型和裂缝性质，且能用于煤层气、非常规油气等资源的勘探开发中，为煤层气和非常规油气的准确勘探和高效开发提供地质保障。
本发明实施例提供了一种水平裂缝地震叠前反演装置，所述装置用于执行上述水平裂缝地震叠前反演方法，参考图10，所述装置包括：
获取模块11，用于根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数；
提取模块12，用于根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波；
建立模块13，用于根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型；
反演计算模块14，用于根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
进一步的，参考图11,本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演装置中，提取模块12，包括：
第一计算单元121，用于根据获取的地下介质物性参数，计算目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
第二计算单元122，用于根据裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；
第三计算单元123，用于对计算得到的各个入射角对应的子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个入射角对应的时间域子波。
进一步的，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演装置中，第一计算单元121具体用于，根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
进一步的，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演装置中，第二计算单元122具体用于，根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
进一步的，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演装置中，反演计算模块14，包括：
建立单元，用于根据所述地层初始模型、所述地震子波和所述实际地震道集，建立正演道集与观测数据道集的反演目标函数其中，E为目标函数G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数SN、ST；物性参数包括：地层纵波速度、地层横波速度和地层密度；SN和ST分别为水平裂缝法向屈服度和水平裂缝切向屈服度；D为实际地震道集；
反演计算单元，用于根据共轭梯度法模型更新公式mk+1＝mk+αkdk，对反演目标函数中的模型参数向量m进行反演计算，得到包括与正演道集中的标准地下介质物性参数相似度最高的地下真实介质物性参数的地层模型；其中，αk为步长，dk为共轭梯度，其计算公式如下：
其中，为梯度；β表示迭代因子，其计算公式如下：
进一步的，本发明实施例提供的水平裂缝地震叠前反演装置，还包括：
综合显示模块，用于将反演得到的所述目标工区中各个地震道集对应的一维地层模型数据体进行综合显示，得到所述目标工区对应的多维地层模型数据体。
本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演装置，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其能够本发明实施例提供的一种水平裂缝地震叠前反演方法，与现有技术中的地震叠前反演方法只能对垂直、均匀分布的裂缝进行反演，而无法对水平裂缝进行反演计算相比，其提供任意尺度、单条或多组水平裂缝的叠前反演方法，从而获得高精度的地下真实水平裂缝分布模型和裂缝性质，且能用于煤层气、非常规油气等资源的勘探开发中，为煤层气和非常规油气的准确勘探和高效开发提供地质保障。
本发明实施例所提供的水平裂缝地震叠前反演装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，包括：
根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数；
根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波；
根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型；
根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
2.根据权利要求1所述的水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，所述根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波，包括：
根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；
对计算得到的各个所述入射角对应的所述子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个所述入射角对应的时间域子波。
3.根据权利要求2所述的水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，所述根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数，包括：
根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
4.根据权利要求3所述的水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，所述根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱，包括：
根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
5.根据权利要求3所述的水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，所述根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型，包括：
根据所述地层初始模型、所述地震子波和所述实际地震道集，建立正演道集与观测数据道集的反演目标函数其中，E为目标函数G为正演算子，即广义褶积模型算子；m为模型参数向量，包括每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数SN、ST；所述物性参数包括：地层纵波速度、地层横波速度和地层密度；SN和ST分别为水平裂缝法向屈服度和水平裂缝切向屈服度；D为实际地震道集；
根据共轭梯度法模型更新公式mk+1＝mk+αkdk，对所述反演目标函数中的模型参数向量m进行反演计算，得到包括与正演道集中的标准地下介质物性参数相似度最高的地下真实介质物性参数的地层模型；其中，αk为步长，dk为共轭梯度，其计算公式如下：
其中，为梯度；β表示迭代因子，其计算公式如下：
6.根据权利要求1所述的水平裂缝地震叠前反演方法，其特征在于，所述方法还包括：
将反演得到的所述目标工区中各个地震道集对应的一维地层模型数据体进行综合显示，得到所述目标工区对应的多维地层模型数据体。
7.一种水平裂缝地震叠前反演装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于根据目标工区的测井资料，获取所述目标工区的地下介质物性参数；所述地下介质物性参数包括：每一个地层的物性参数和每条水平裂缝的裂缝参数；
提取模块，用于根据获取的所述地下介质物性参数，提取所述目标工区中井旁地震道集的地震子波；
建立模块，用于根据获取的所述地下介质物性参数，建立所述目标工区的地层初始模型；
反演计算模块，用于根据所述地层初始模型、提取的所述井旁地震道的所述地震子波和实际地震道集，反演得到所述目标工区中地下真实介质物性参数的地层模型。
8.根据权利要求7所述的水平裂缝地震叠前反演装置，其特征在于，所述提取模块，包括：
第一计算单元，用于根据获取的所述地下介质物性参数，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；
第二计算单元，用于根据所述裂缝反射系数以及井旁道地震记录的频谱，计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；
第三计算单元，用于对计算得到的各个所述入射角对应的所述子波频谱进行反傅里叶变换，得到各个所述入射角对应的时间域子波。
9.根据权利要求8所述的水平裂缝地震叠前反演装置，其特征在于，所述第一计算单元具体用于，根据公式RP(θ,f)＝Rw(θ)+Rfrac(θ,f)，计算所述目标工区中地下每条水平裂缝的裂缝反射系数；其中，θ为入射角，f为频率，Rw(θ)为与裂缝无关的波阻抗界面产生的反射系数，Rfrac(θ,f)为水平裂缝产生的反射系数，其值随频率变化。
10.根据权利要求9所述的水平裂缝地震叠前反演装置，其特征在于，所述第二计算单元具体用于，根据公式计算地震波入射到反射界面的各个入射角对应的子波频谱；其中，表示井旁道地震记录的频谱，表示与入射角θ对应的子波频谱，表示每条水平裂缝的裂缝反射系数。
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