CN106772581A - 一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法 - Google Patents

Abstract

一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，将三维起伏地表物理模型放在水槽中，按照针对水平地表模型的常规三维采集观测系统，在水面采集三维地震数据，已知水面采集的三维地震数据，用数据重构方法重构出拟三维固体观测地震数据。该方法目前将不可能实现的三维起伏地表物理模拟变为可能，并且该方法将数值模拟和物理模拟结合，既保留了物理模拟的真实性，又利用了数值模拟的易操作性，能够克服起伏地表物理模拟采集难度大、采集速度慢的问题，大大提高了起伏地表物理模拟采集的精度和效率。

Description

一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法

技术领域

本发明属于地震模拟采集技术领域，具体涉及一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法。

背景技术

如今中国各重点油气区几乎都涉及起伏地表地形，例如柴达木盆地的东柴山、四川盆地的川东北地区和塔里木盆地的库车山地等。在起伏地表区域，地形起伏剧烈，基岩直接裸露地表，且表层结构和岩性复杂，这给油气勘探带来了诸多困难，如起伏地表地形产生的散射和地滚波会直接影响直达波与反射波的能量、波形、振幅、频谱等参数，从而对地震记录造成污染，并且无法通过常规的处理流程消除，最终影响地下构造的成像精度。因此如何消除起伏地表地形对地震采集的影响具有重要意义。

前人针对起伏地表地形开展了静校正、数值模拟中网格剖分产生的阶梯状自由界面的处理以及观测系统设计等研究，而进行上述研究首先需要一套完整的模型数据，用以检验并验证方法的正确性。一般说来，获得模型数据主要有数值模拟和物理模拟两种途径。与数值模拟相比，物理模拟能获得更加真实的复杂波场特征。然而，在起伏地表物理模拟中，呈起伏状的物理模型表面各点高程不尽相同，难以统一消除上覆水层的影响。在实验室开展起伏地表物理模拟时，换能器通常直接安装在起伏地表曲面上，这对换能器和测距仪器提出了更高的要求。为此，赵群设计了一种小型换能器，该换能器体积小、性能高。魏建新等设计了点接触换能器，并通过在单层平板上进行测试，了解了不同的换能器在能量、波形的振动周期(带宽)等方面的优劣。从上述研究中能够看出，换能器在设计上存在难以调和的矛盾：小接触面的换能器与起伏表面耦合度好，但是相应的发射能量弱，地震记录的信噪比低；为了提高信噪比，需要扩大模型尺寸，而此时震源波场的穿透力又无法保证。此外，在起伏地表的物理模拟过程中需要进行测距，也增大了物理模拟的实现难度。

综上所述，如今针对起伏地表物理模拟的数据采集仍然存在两个难题：①耦合误差大，如在采集过程中采用固体模型和换能器的硬接触模式，不可避免地产生耦合误差，从而降低了地震记录的信噪比；②采集难度大、采集速度慢，如高程测量、换能器移动等过程需要人工参与，降低了采集速度。据统计，固体采集需要的时间是水面采集的120倍，三维的起伏地表物理模拟一直没被实现和研究。而波场重构能够有效缓解地震数据缺失和不均匀性，并被成功用于降低空间采样限制、清除观测痕迹、减少虚假成像等领域。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，基于三维波场重构原理，通过直接在水面上进行观测、采集，然后由水面观测的三维地震数据经过重构，重构出固体表面观测的三维地震数据。该方法将数值模拟和物理模拟相结合，既保留了物理模拟的真实性，又利用了数值模拟的易操作性，能够克服起伏地表物理模拟采集难度大、采集速度慢的问题，大大提高了起伏地表物理模拟采集的精度和效率。水面采集方法直接在模型的上覆水层表面进行采集，避免了换能器与模型表面直接的硬接触模式，有效地解决了耦合误差问题。另外，水面采集免去了高程测量和换能器上、下移动的时间，采集一条二维测线数据的时间从(固体采集的)两周缩减为半天，三维观测的时间大约是两个月。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，包括以下步骤：

1)将起伏地表物理模型放在水槽中，进行全自动的机器制动水面采集，得到水面观测地震记录；

2)通过水面观测地震记录，将水面上的检波点延拓到起伏地表上，这个过程中的二次震源是线震源，即水面激发水面接收的地震记录，目的是重构出水面激发固体接收的地震数据；

3)将步骤2)得到的水面激发固体接收的地震记录进行炮点和检波点互换，目的是将水面激发固体接收的地震数据转换成固体激发水面接收的地震数据；

4)将水面上的炮点延拓到起伏地表上，这个过程中的二次震源亦为线震源，即固体激发水面接收的地震记录，目的是重构出固体激发固体接收的地震记录，由于步骤3)中炮检互换了，因此步骤4)和步骤2)的实现完全相同，即根据水面观测得到的地震数据，通过步骤1)至步骤4)可重构出起伏地表物理模拟中最难得到的固体激发固体接收的地震数据。

所述的三维起伏地表物理模拟方法基于波场延拓的数据重构，其物理模拟采集以纵波为主，基于三维声波方程来做数据重构，如下式：

其中x,y和z分别为三维空间位置，t表示时间，p(x,y,z)为空间各点的波场，f代表震源，(i,j,k)代表震源的空间位置坐标。

基于叠前逆时偏移有限差分波场延拓理论进行波场重构，波动方程波场延拓可以分为正向延拓和反向延拓，正向延拓是地震波数值正演，反向延拓是波场逆向传播，正向延拓的有限差分计算表达式为：

上式的显示表达式为：

式中，τ为时间采样间隔，h＝min(dx,dy,dz)为空间采样间隔。在该表达式中，时间是2阶精度，空间是任意偶阶精度^[128]。其中精度系数a_m可由下式求出：

逆时偏移中的波场反向延拓过程实际上就是已知后一时刻的波场值求前一时刻的波场值的过程，具体计算方法与正向延拓类似，其有限差分计算表达式为：

具体延拓过程是：假设T为接收点记录的最大记录时间，以t＝T时刻波场情况为初始值，向时间减小的方向外推，以一个时间步长τ为间隔，逐时间层计算t-τ上的各点(x,y,z)处的波场值，直至计算出t＝0时刻各点的波场值。逆时传播取的是t≤T时地下各点的波场值U(x,y,z)。

假设已知地表各接收点记录的地震记录p(x,y,z＝0,t)，当t>T时，p(x,y,z,t)＝0。在反向延拓过程中p(x,y,z＝0,t)作为二次波场存在，因而波场的逆时传播可以表示为下式所示的边值问题：

在满足上式边值条件下，耦合时刻对应时，正传和反传的波场值具有相关性。鉴于这种假设条件，可以用反向延拓得到的波场近似代替正向传播的波场。基于上述波场延拓理论，对水面激发水面接收的地震数据经过两次数值上的延拓处理后，可重构出固体激发固体接收的波场。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，抛开针对起伏地表物理模拟的固体观测方法，通过对水面观测数据进行基于波场延拓的数据重构，能够简单快速得到更加精确的起伏地表物理模拟数据，使针对起伏地表的三维物理模拟得以实现，相较于固体直接采集，能够得到更加精确的地震数据。

附图说明

图1为本发明的重构流程示意图。其中a为水面采集得到水面激发水面接收的地震记录，b为共炮点道集的延拓过程，c为所得到的水面激发固体接收的地震记录，d为表示炮检互换过程，e为共检波点道集的延拓，f为所得到的固体激发固体接收的地震记录。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，包括以下步骤：

1)将起伏地表物理模型放在水槽中，进行全自动的机器制动水面采集，得到水面观测地震记录，图1(a)表示水面采集得到水面激发水面接收的地震记录。

2)将水面上的检波点延拓到起伏地表上，图1(b)表示共炮点道集的延拓过程。这个过程中的二次震源是线震源，即水面激发水面接收的地震记录，目的是重构出水面激发固体接收的地震数据，图1(c)表示所得到的水面激发固体接收的地震记录。

3)将步骤二得到的水面激发固体接收的地震记录进行炮点和检波点互换，图1(d)表示炮检互换过程，目的是将水面激发固体接收的地震数据转换成固体激发水面接收的地震数据。

4)将水面上的炮点延拓到起伏地表上，图1(e)表示共检波点道集的延拓，将炮点也延拓到起伏地表上，这个过程中的二次震源亦为线震源，即固体激发水面接收的地震记录，目的是重构出固体激发固体接收的地震记录，图1(f)表示所得到的固体激发固体接收的地震记录。由于步骤三中炮检互换了，因此步骤四和步骤二的实现完全相同。

也即是说，根据水面观测得到的地震数据，采用上述方法能够重构出起伏地表物理模拟中最难得到的固体激发固体接收的地震数据。

所述的三维起伏地表物理模拟方法基于波场延拓的数据重构，其物理模拟采集以纵波为主，基于三维声波方程来做数据重构，如下式：

其中x,y和z分别为三维空间位置，t表示时间，p(x,y,z)为空间各点的波场，f代表震源，(i,j,k)代表震源的空间位置坐标。

基于叠前逆时偏移有限差分波场延拓理论进行波场重构，波动方程波场延拓可以分为正向延拓和反向延拓，正向延拓是地震波数值正演，反向延拓是波场逆向传播。正向延拓的有限差分计算表达式为：

上式的显示表达式为：

其中τ为时间采样间隔，h＝min(dx,dy,dz)为空间采样间隔。在该表达式中，时间是2阶精度，空间是任意偶阶精度，其中精度系数a_m可由下式求出：

逆时偏移中的波场反向延拓过程实际上就是已知后一时刻的波场值求前一时刻的波场值的过程，具体计算方法与正向延拓类似，其有限差分计算表达式为：

具体延拓过程是：假设T为接收点记录的最大记录时间，以t＝T时刻波场情况为初始值，向时间减小的方向外推，以一个时间步长τ为间隔，逐时间层计算t-τ上的各点(x,y,z)处的波场值，直至计算出t＝0时刻各点的波场值。逆时传播取的是t≤T时地下各点的波场值U(x,y,z)。

假设已知地表各接收点记录的地震记录p(x,y,z＝0,t)，当t>T时，p(x,y,z,t)＝0。在反向延拓过程中p(x,y,z＝0,t)作为二次波场存在，因而波场的逆时传播可以表示为下式所示的边值问题：

在满足上式边值条件下，耦合时刻对应时，正传和反传的波场值具有相关性。鉴于这种假设条件，可以用反向延拓得到的波场近似代替正向传播的波场。基于上述波场延拓理论，对水面激发水面接收的地震数据经过两次数值上的延拓处理后，可重构出固体激发固体接收的波场。

Claims (2)

1.一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将起伏地表物理模型放在水槽中，进行全自动的机器制动水面采集，得到水面观测地震记录；

2)通过水面观测地震记录，将水面上的检波点延拓到起伏地表上，这个过程中的二次震源是线震源，即水面激发水面接收的地震记录，目的是重构出水面激发固体接收的地震数据；

3)将步骤2)得到的水面激发固体接收的地震记录进行炮点和检波点互换，目的是将水面激发固体接收的地震数据转换成固体激发水面接收的地震数据；

4)将水面上的炮点延拓到起伏地表上，这个过程中的二次震源亦为线震源，即固体激发水面接收的地震记录，目的是重构出固体激发固体接收的地震记录，由于步骤3)中炮检互换了，因此步骤4)和步骤2)的实现完全相同，即根据水面观测得到的地震数据，通过步骤1)至步骤4)可重构出起伏地表物理模拟中最难得到的固体激发固体接收的地震数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于重构技术的三维起伏地表物理模拟采集方法，其特征在于，所述的三维起伏地表物理模拟方法基于波场延拓的数据重构，其物理模拟采集以纵波为主，基于三维声波方程来做数据重构，如下式：

$\frac{{\∂}^{2}p(x,y,z,t)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}p(x,y,z,t)}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}p(x,y,z,t)}{\∂z^2}-\frac{1}{v^2(x,y,z)}\frac{{\∂}^{2}p(x,y,z,t)}{\∂t^2}=f_{i,j,k}$

其中x,y和z分别为三维空间位置，t表示时间，p(x,y,z)为空间各点的波场，f代表震源，(i,j,k)代表震源的空间位置坐标，

基于叠前逆时偏移有限差分波场延拓理论进行波场重构，波动方程波场延拓可以分为正向延拓和反向延拓，正向延拓是地震波数值正演，反向延拓是波场逆向传播，正向延拓的有限差分计算表达式为：

$\begin{array}{c}3a_0{p}_{0,0,0,0}^0+\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_m(p_{-m,0,0}^0+p_{m,0,0}^0+p_{0,-m,0}^0+p_{0,m,0}^0+p_{0,0,-m}^0+p_{0,0,m}^0)\\ \≈\frac{h^2}{v^2{\mathrm{\τ}}^2}(-2p_{0,0,0}^0+p_{0,0,0}^{-1}+p_{0,0,0}^1)+f_{i,j,k}\end{array}$

上式的显示表达式为：

$\begin{array}{c}{p}_{0,0,0}^1=2p_{0,0,0}^0-p_{0,0,0}^{-1}+\\ \frac{v^2{\mathrm{\τ}}^2}{h^2}\[3a_0{p}_{0,0}^0+\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_m(p_{-m,0,0}^0+p_{m,0,0}^0+p_{0,-m,0}^0+p_{0,m,0}^0+p_{0,0,-m}^0+p_{0,0,m}^0)\]+f_{i,j}\end{array}$

式中，τ为时间采样间隔，h＝min(dx,dy,dz)为空间采样间隔，在该表达式中，时间是2阶精度，空间是任意偶阶精度，其中精度系数a_m可由下式求出：

$a_m=\frac{{(-1)}^{m+1}}{2m}\frac{\underset{i=1,i\≠m}{\overset{N}{\Π}}{i}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Π}}(m^2-i^2)\underset{i=m+1}{\overset{N}{\Π}}(i^2-m^2)},m=1,2,\mathrm{......}N$

逆时偏移中的波场反向延拓过程实际上就是已知后一时刻的波场值求前一时刻的波场值的过程，具体计算方法与正向延拓类似，其有限差分计算表达式为：

$\begin{array}{c}{p}_{0,0,0}^{-1}=2p_{0,0,0}^0-p_{0,0,0}^1+\\ \frac{v^2{\mathrm{\τ}}^2}{h^2}\[3a_0{p}_{0,0}^0+\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_m(p_{-m,0,0}^0+p_{m,0,0}^0+p_{0,-m,0}^0+p_{0,m,0}^0+p_{0,0,-m}^0+p_{0,0,m}^0)\]\end{array}$

具体延拓过程是：假设T为接收点记录的最大记录时间，以t＝T时刻波场情况为初始值，向时间减小的方向外推，以一个时间步长τ为间隔，逐时间层计算t-τ上的各点(x,y,z)处的波场值，直至计算出t＝0时刻各点的波场值，逆时传播取的是t≤T时地下各点的波场值U(x,y,z)；

假设已知地表各接收点记录的地震记录p(x,y,z＝0,t)，当t>T时，p(x,y,z,t)＝0，在反向延拓过程中p(x,y,z＝0,t)作为二次波场存在，因而波场的逆时传播可以下式所示的边值问题：

$\left\{\begin{array}{cc}p(x,y,z)=0& t>T\\ p(x,y,z){|}_{z=0}=p(x,y,z=0,t)& t\≤T\end{array}\right.$

在满足上式边值条件下，耦合时刻对应时，正传和反传的波场值具有相关性，鉴于这种假设条件，可以用反向延拓得到的波场近似代替正向传播的波场，基于上述波场延拓理论，对水面激发水面接收的地震数据经过两次数值上的延拓处理后，可重构出固体激发固体接收的波场。