CN106873031B - 一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于包括以下步骤：1)给定复杂速度模型、待评价地震观测系统和地下目标点位置信息，在复杂地质条件下对地震观测系统进行波场延拓，得到地下目标点传播到地面各检波点的频率域波场信息；2)分别对地面各检波点的频率域波场信息进行垂向共聚焦，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果；3)计算得到整个地震观测系统的共聚焦结果；4)根据沿垂向的共聚焦结果计算主瓣宽度；5)根据得到的主瓣宽度计算主瓣占幅比；6)根据得到的主瓣宽度以及主瓣占幅比，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析。本发明可以广泛应用于地震观测系统的设计分析中。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震勘探的三维地震观测系统的设计与评价方法，尤其涉及一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法。
背景技术
随着地震勘探技术的发展，地震勘探逐步从高密度向高精度勘探转变，而地震观测系统是影响地震成像的关键性因素之一，对于地震观测系统的设计要求也越来越高。地震成像的质量一般用地震分辨率来描述。地震分辨率指分辨两个相邻同相轴的能力，其在时间域和空间域上又分为时间分辨率和空间分辨率。其中，空间域的分辨率又根据方向的不同分为水平分辨率与垂向分辨率。常规的垂向分辨率分析是基于几何地震学和无限频带宽度的假设，其计算方法一般是分析地震子波形态，以雷克子波为例，通过求取雷克子波相邻两拐点之间的距离，来定义时间域上该子波所能分辨的最小地层厚度。而实际地震勘探是有限频带宽度并且受空间离散采样的影响，所以导致基于几何地震学原理的常规观测系统设计，无法适用于实际的复杂地质情况，也无法直观反映最终地震偏移成像效果的优劣。
共聚焦(Common Focus Point，简称CFP)方法是一种直接将地震偏移方法应用于地震观测系统设计评价的新方法。该方法首先通过对检波点与震源点分别进行波场延拓以及聚焦运算，得到检波点聚焦矩阵与震源点聚焦矩阵。然后在频率空间域将检波点聚焦矩阵与震源点聚焦矩阵进行乘积运算，得到三维观测系统的分辨率矩阵。基于常规垂向分辨率分析的地震观测系统设计方法既没有考虑地下介质的影响，也没有考虑观测系统对地震成像的影响，所以并不能直接反映实际的地震成像情况。通过基于地震波场延拓的共聚焦分析技术，可以综合考虑地下介质、观测系统、频带宽度和主频等因素对地震成像分辨率的影响。
但是，目前共聚焦分析计算地震分辨率主要是运用于水平分辨率的计算，而水平分辨率和垂向分辨率的计算所依据的物理原理并不一致。水平分辨率主要是依据菲涅尔带对地震成像分辨率的控制，而垂向分辨率主要是依据能区分相邻地震子波的最小间隔的物理原理。所以使用共聚焦分析来计算水平分辨率的方法并不能直接用于对垂向分辨率的计算。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，在给定观测系统参数的情况下，可以计算出地下任意目标点处的地震垂向分辨率，从而实现了对观测系统成像特性的高精度定量分析。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于包括以下步骤：1)给定复杂速度模型、待评价地震观测系统和地下目标点位置信息，在复杂地质条件下对地震观测系统进行波场延拓，得到地下目标点传播到地面各检波点的频率域波场信息；2)采用共聚焦快速计算方法分别对地面各检波点的频率域波场信息进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果；3)将步骤2)中得到的各检波点的共聚焦结果进行综合，也即相乘再相加，得到整个地震观测系统的共聚焦结果；4)对整个观测系统的共聚焦结果进行定量化，即根据沿垂向的共聚焦结果计算主瓣宽度，用于表征地震偏移成像的垂向分辨率，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向分辨率；5)根据得到的主瓣宽度计算主瓣占幅比，用于表征地震偏移成像的垂向清晰度，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向清晰度；6)根据得到的该地震观测系统在地下目标点处的垂向共聚焦结果，也即主瓣宽度以及主瓣占幅比，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析。
所述步骤2)中，对各检波点进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果为：
b(r0,ω)＝∫f(r,ω)a(r0,ω)dr,
其中，f(r,ω)是聚集算子，a(r0,ω)是检波点位置处记录到的频率域波场，r是地下目标点的位置信息，r0是地面检波点的位置信息，ω是频率信息。
所述步骤4)中，主瓣宽度的计算方法包括以下步骤：
①从整个地震观测系统的共聚焦结果中提取过目标点的沿垂向的数值切片；
②对该数值切片进行二阶求导，找到目标点两侧的两拐点，即二阶导数为零的两个坐标点；
③根据两个拐点坐标计算得到主瓣宽度，也就是垂向分辨率，计算公式为：
d＝|xa-xb|，
式中，xa、xb为两拐点的横坐标，也即b″(xa)＝0、b″(xb)＝0。
所述步骤5)中，主瓣占幅比是指主瓣宽度内所有点的振幅值的平方和比上整个数值切片内所有点的振幅值的平方和。
所述主瓣占幅比的计算公式为：
式中，A(xi)为数值切片内各点的振幅值，xi是数值切片的横坐标，i＝1,2,...,n，n为该数值切片内的点的总数。
所述步骤6)中，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析的方法为：主瓣宽度数值越小，说明该地震观测系统的地震成像能分辨的最小间距越小，其地震偏移成像效果越好；否则，效果越不好；主瓣占幅比反映的是成像清晰度，主瓣占幅比数值越大，说明该地震观测系统的地震成像清晰度越高，效果越好；否则，效果越不好。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于通过定义主瓣宽度和主瓣占幅比，将共聚焦结果直接用于对地震垂向分辨率的描述，这样得到的结果不仅更加接近于实际的地震成像精度，而且还能够定量分析地震观测系统对地震成像的影响，从而能够指导地震采集设计的优化，对于油气勘探开发具有很重要的意义。2、本发明实现了基于波场延拓的共聚焦快速计算方法，对常规共聚焦算法进行改进，常规算法是对地震观测系统中的检波点波场和目标点波场分别进行延拓和聚焦分析，而本发明共聚焦快速计算方法只对检波点波场进行延拓和聚焦分析，计算速度快，有利的促进了共聚焦技术在实际地震勘探中的应用，对指导地震观测系统设计，提高油气勘探效率有极大的帮助。本发明可以广泛应用于地震观测系统的垂向分辨率定量分析领域。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为均匀介质下某观测系统的共聚焦结果垂向切片，其中实线为共聚焦结果，虚线为它的二次导数值，其两个相邻零点之间的宽度为主瓣宽度，即图中的虚线轴上的黑色实线；
图3为某复杂模型下，本发明得到的共聚焦结果(a)和它的垂向切片及二次导数值(b)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，包括以下步骤：
1)给定复杂速度模型、待评价地震观测系统和地下目标点位置信息，在复杂地质条件下对待评价地震观测系统进行波场延拓，得到地下目标点传播到地面各检波点的频率域波场信息。
其中，复杂速度模型和待评价地震观测系统均为已有技术，本发明不再赘述。
2)采用共聚焦快速计算方法分别对地面各检波点的频率域波场信息进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果。
与水平共聚焦分析不同，垂向共聚焦结果能够直接反映偏移后目标点处垂直切片上的真实地震子波。在理想情况下，垂向共聚焦结果仅含1个非零值，但实际情况下，由于垂向共聚焦结果受空间采样，地震子波及地下介质的影响，可能会得到非常复杂的结果。所以，通过基于波动方程的延拓方法，模拟得到复杂介质下的频率域波场，由于聚焦为波场逆传播的过程，所以通过求取传播算子的共轭得到聚集算子，将聚集算子运用于记录到的波场即可以得到复杂介质下垂向共聚焦分析的结果。
根据上述分析，得到对各检波点的频率域波场进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果为：
b(r0,ω)＝∫f(r,ω)a(r0,ω)dr (1)
其中，f(r,ω)是聚集算子，a(r0,ω)是检波点位置处记录到的频率域波场，r是地下目标点的位置信息，r0是地面检波点的位置信息，ω是频率信息。
3)将步骤2)中得到的各检波点的共聚焦结果进行综合，也即相乘再相加，得到整个地震观测系统的共聚焦结果。
4)对整个观测系统的共聚焦结果进行定量化，即根据沿垂向的共聚焦结果计算主瓣宽度，用于表征地震偏移成像的垂向分辨率，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向分辨率。
如图2所示，主瓣宽度的计算方法包括以下步骤：
①从整个地震观测系统的共聚焦结果中提取过目标点的沿垂向的数值切片。
②对该数值切片进行二阶求导，找到目标点两侧的两拐点，即二阶导数为零的两个坐标点。
③根据两个拐点坐标计算得到主瓣宽度，也就是垂向分辨率，计算公式为：
d＝|xa-xb| (3)
式中，xa、xb为两拐点的横坐标，也即b″(xa)＝0、b″(xb)＝0。
5)根据得到的主瓣宽度计算主瓣占幅比，用于表征地震偏移成像的垂向清晰度，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向清晰度。
主瓣宽度内所有点的振幅值的平方和比上整个数值切片内所有点的振幅值的平方和就是主瓣占幅比，它能够反映地震成像的垂向清晰度，计算公式为：
式中，A(xi)为数值切片内各点的振幅值，xi是数值切片的横坐标，i＝1,2,...,n，n为该数值切片内的点的总数。
如图3所示，为某三维观测系统在复杂介质情况下的共聚焦分辨率计算结果，从图中可以看出，应用本发明可以实现复杂介质下的垂向分辨率的准确计算，进而描述地震观测系统的成像特性，对采集设计有着重要的指导意义。
6)根据得到的该地震观测系统在地下目标点处的垂向共聚焦结果，也即主瓣宽度以及主瓣占幅比，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析。
根据得到的主瓣宽度和主瓣占幅比对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析。其中，主瓣宽度反映的是地震观测系统在目标点处的垂向成像分辨率，分辨率数值越小，说明地震成像能分辨的最小间距越小，其效果越好；否则，效果越不好。主瓣占幅比反映的是成像清晰度，主瓣占幅比数值越大，说明地震成像清晰度越高，效果越好；否则，效果越不好。也就是说，通过本发明，可以定量的得到地震观测系统在复杂介质情况下，目标点处的成像特性，并以此来分析和指导采集系统的设计。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于包括以下步骤：
1)给定复杂速度模型、待评价地震观测系统和地下目标点位置信息，在复杂地质条件下对地震观测系统进行波场延拓，得到地下目标点传播到地面各检波点的频率域波场信息；
2)采用共聚焦快速计算方法分别对地面各检波点的频率域波场信息进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果；
3)将步骤2)中得到的各检波点的共聚焦结果进行综合，也即相乘再相加，得到整个地震观测系统的共聚焦结果；
4)对整个观测系统的共聚焦结果进行定量化，即根据沿垂向的共聚焦结果计算主瓣宽度，用于表征地震偏移成像的垂向分辨率，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向分辨率；
5)根据得到的主瓣宽度计算主瓣占幅比，用于表征地震偏移成像的垂向清晰度，得到复杂介质条件下待评价地震观测系统对目标点成像的垂向清晰度；
6)根据得到的该地震观测系统在地下目标点处的垂向共聚焦结果，也即主瓣宽度以及主瓣占幅比，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析。
2.如权利要求1所述的一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于：所述步骤2)中，对各检波点进行垂向共聚焦分析，得到各检波点在地下目标点处的共聚焦结果为：
b(r0,ω)＝∫f(r,ω)a(r0,ω)dr,
其中，f(r,ω)是聚集算子，a(r0,ω)是检波点位置处记录到的频率域波场，r是地下目标点的位置信息，r0是地面检波点的位置信息，ω是频率信息。
3.如权利要求1所述的一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于：所述步骤4)中，主瓣宽度的计算方法包括以下步骤：
①从整个地震观测系统的共聚焦结果中提取过目标点的沿垂向的数值切片；
②对该数值切片进行二阶求导，找到目标点两侧的两拐点，即二阶导数为零的两个坐标点；
③根据两个拐点坐标计算得到主瓣宽度，也就是垂向分辨率，计算公式为：
d＝|xa-xb|，
式中，xa、xb为两拐点的横坐标，也即b”(xa)＝0、b”(xb)＝0，其中，b”()是指对数值切片中两点xa、xb求二阶导数。
4.如权利要求1所述的一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于：所述步骤5)中，主瓣占幅比是指主瓣宽度内所有点的振幅值的平方和比上整个数值切片内所有点的振幅值的平方和。
5.如权利要求4所述的一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于：所述主瓣占幅比的计算公式为：
式中，A(xi)为数值切片内各点的振幅值，xi是数值切片的横坐标，i＝1,2,...,n，n为该数值切片内的点的总数。
6.如权利要求1所述的一种三维地震观测系统垂向分辨率定量分析评价方法，其特征在于：所述步骤6)中，对该地震观测系统的地震偏移成像进行分析的方法为：
主瓣宽度数值越小，说明该地震观测系统的地震成像能分辨的最小间距越小，其地震偏移成像效果越好；否则，效果越不好；
主瓣占幅比反映的是成像清晰度，主瓣占幅比数值越大，说明该地震观测系统的地震成像清晰度越高，效果越好；否则，效果越不好。
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| GR01 | Patent grant | ||
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