CN107179551A - 一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法,首先假设微震位置与子波是已知的,之后直接使用逆时偏移,采用互相关成像条件,将微震事件作为入射场重构的边界条件,将时间轴倒转的微震记录作为散射场重构的边界条件,对地下构造进行成像。本方法将微震事件作为入射场重构的边界条件,有效地提高了深层介质的入射场精度,有效地改善了直接成像法对于深层介质成像效果。对微震的数量、密度及分布等属性均无要求,零散的微震事件也可成像;使用微震事件来重构入射场,使得震源下方的入射场更加精确;使用了上下行波分离及左右行波分离的方法来压制高频与低频噪声,避免了对子波波形求解,节省了大量的计算时间。

Description

一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法
技术领域:
本发明涉及一种地质体地下深层构造的成像问题,尤其是利用微震记录对地下构造进行直接成像的方法。
背景技术:
利用被动源记录对地下构造进行成像是被动源领域的重要研究点之一。无论是微震事件还是环境噪声,目前常规的对构造进行成像的方法都是:先进行主动源记录的重构,再利用重构出的记录进行成像。利用被动源记录重构主动源记录起源于Claerbout(1985.Imaging the earth's interior.Geophysical Journal of the RoyalAstronomical Society 86(1).217-217)提出的“声波日光成像”,该方法证明了:对由地下传到地表的透射波记录进行自相关,其结果等价于地表自激自收的模拟记录。该方法被Schuster(2001.Seismic interferometric/daylight imaging:Tutorial)命名为地震干涉。互相关方法是地震干涉中最常用的方法,它可以用于处理单个微震记录,也可以用于处理噪声记录以获得有效信息。随后发展起来的反褶积方法(Ivan VasconcelosandRoelSnieder.2008.Interferometry by deconvolution:Part 1-Theory for acoustic wavesand numerical examples.GEOPHYSICS 73(3).S115-S128;Ivan VasconcelosandRoelSnieder.2008.Interferometry by deconvolution:Part 2-Theory for elastic wavesand application to drill-bit seismic imaging.GEOPHYSICS 73(3).S129-S141)以及多维反褶积方法(Kees Wapenaar,Joost van der Neut and ElmerRuigrok.2008.Passive seismic interferometry by multidimensionaldeconvolution.GEOPHYSICS 73(6).A51-A56;Kees Wapenaar,Joost van der Neut,ElmerRuigrok,Deyan Draganov,Juerg Hunziker,Evert Slob,Jan Thorbecke and RoelSnieder.2011.Seismic interferometry by crosscorrelation and bymultidimensional deconvolution:a systematic comparison.GEOPHYSICAL JOURNALINTERNATIONAL 185(3).1335-1364)分别解决了互相关方法的某些缺陷。
目前所有基于波动方程的偏移方法都是以逆散射为理论基础发展而来的,这其中包括了单程波偏移、逆时偏移等。地震数据的散射波传播包括入射波传播、散射、散射波传播三个过程。这一类偏移成像方法需要先重构出入射波与散射波的传播过程,再根据“时间一致性”成像原理,来得到散射位置处的构造成像。广义上讲,反射波也属于散射波。入射场与散射场的重构过程是一个数值求解微分方程(即波动方程)的过程,其初始值一般取波场值为零,边界条件就是在某些位置的入射波和散射波的记录。在常规的主动源勘探当中,这两者都容易得到:入射波的记录可用估计出的震源子波,位置在震源激发处;散射波的记录可用去除直达波的共炮点道集,位置在检波点处。但在被动源勘探中,寻找满足散射关系的入射波与散射波记录并不容易,因此这是利用被动源记录对构造进行成像的最关键的问题。
另外,这里还需要注意区分:在“重构主动源记录”和“重构入射场与散射场”中,两个重构所指的是完全不同的过程。
在先重构主动源记录再成像的方法中,被动源成像被转化成为了常规的主动源成像问题,由此解决了重构入射场和散射场的边界条件问题。然而在此情况下:一方面,入射场与散射场重构的边界条件的位置都是地表;另一方面,地震干涉重构实际上是提取了被动源记录中的一部分自由表面多次波,而忽略了透射波所携带的来自震源下方的反射波信息。因此,深部构造的成像效果不如浅部好。
主动源记录的重构要求震源包围观测系统,这通常是个不易达到的条件。对被动源记录进行直接偏移成像则无此限制,但这方面的相关研究目前还很少。Artman(2006.Imaging passive seismic data.GEOPHYSICS 71S(4).SI177-SI187)提出了将微震记录既当作入射场重构的边界条件,也当做散射场重构的边界条件,从而实现了直接偏移成像。该方法可以不用分离出单个的微震事件,但其利用的有效信息实际上仍然是自由表面多次波,因而深部成像效果也不太好。
发明内容:
本发明的目的是针对上述现有技术的不足,提供了一种新的利用微震记录对地下构造直接成像的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
首先假设微震的位置与子波是已知的,依据是这两种信息可以通过微震定位的方法求得;之后,可以直接使用逆时偏移,采用互相关成像条件,将近真实的微震事件作为入射场重构的边界条件,将时间轴倒转的微震记录作为散射场重构的边界条件,以对地下目标区域的构造进行成像,这里的目标区域为震源下方。在此情况下,本方法会给成像结果带来一种尾波高频干扰,对此,在成像过程中,对入射场和散射场都进行左右行波分离,以压制该噪声。同时,在成像过程中使用了上下行波分离,并对成像结果使用了拉普拉斯滤波,以压制逆时偏移中固有的低频噪声。
本发明所述的利用微震记录对地下构造直接成像的方法是通过MATLAB和VisualStudio–C/C++双平台实现的。
本发明的目的是人通过以下技术方案实现的:
本发明所述的利用微震记录对地下构造直接成像的方法,在成像条件不同时,成像流程有所不同。
一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法,有已知微震子波和未知微震子波两种情况,当微震子波已知时,包括以下步骤:
A、输入微震记录以及地下速度模型;
B、输入震源位置和微震子波;
C、重构入射场与散射场,并存储所有时刻的波场快照;
D、对入射场和散射场进行上下行波分离;
E、对上下行波分别进行左右行波分离;
F、应用互相关成像条件:对于上下行波,同向波场之间应用成像条件,对于左右行波,反向波场之间应用成像条件;
G、对F步骤中不同成分的成像结果进行归一化叠加;
H、对所有微震事件都进行C到G的处理,保存每一份成像结果;
I、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
J、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
当微震子波未知时,包括以下步骤:
a、输入微震记录以及地下速度模型;
b、输入震源位置;
c、计算微震事件的初至走时;
d、求取微震震源关于自由表面的镜像点;
e、以该镜像点为震源,计算其在地下模型中的初至走时;
f、重构散射场,并存储所有时刻的波场快照;
g、应用激发时间成像条件,提取散射场中的有效成像值;
h、对所有微震事件都进行c到g的处理,保存每一份成像结果;
i、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
j、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
有益效果:本发明的方法将的微震事件作为入射场重构的边界条件,在利用微震数据直接成像方法中,将入射场重构的边界条件的位置移动到地下,有效地提高了深层介质的入射场精度,从而有效改善了直接成像法对于深层介质的成像效果。有以下优点:①微震数据直接成像法对微震的数量、密度以及分布等属性均无要求,零散的微震事件也可以用来成像;②在采用互相关成像条件时,使用近似真实的微震事件来重构入射场,使得震源下方的入射场更加精确;③除了拉普拉斯滤波这种图像处理技术外,在波场的传播过程中使用了上下行波分离以及左右行波分离的方法来压制高频与低频噪声,即从物理的层面对成像结果中的噪声进行了压制;④在采用激发时间成像条件时,避免了对于子波波形求解,节省了大量的计算时间。
附图说明:
图1一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法流程图。
图2左右行波分离对高频噪声压制的效果展示:
(a)正演速度模型以及偏移速度模型,一个微震震源(由白色点指示)位于(3500m,1100m)处,模型只显示了一部分;
(b)原始偏移结果;
(c)利用左右行波分离压制尾波干扰之后的成像结果。
图3数值算例中的速度模型:
(a)正演速度模型以及偏移速度模型;
(b)结果展示区域的速度模型。
图4震源稀疏,单个微震记录可分离的成像测试:
(a)正演速度模型以及微震分布;
(b)传统方法的成像结果;
(c)本方法的成像结果;
(d)未对尾波干扰进行压制的成像结果。
图5激发时间成像条件的走时计算示意:
(a)走时计算示例模型,白色圆点代表微震位置;
(b)原始震源初至走时;
(c)直达波经一次自由表面反射后的走时,即镜像点初至走时。
图6使用激发时间成像条件得到的成像结果。
具体实施方式:
下面结合附图和实例对本发明进一步的详细说明。
本发明所述的利用微震记录对地下构造直接成像的方法,包括以下步骤:
A、输入微震记录以及地下速度模型,微震记录需要是耽搁时间可分离的,否则成像结果中会出现串扰噪声。
B、输入震源位置和微震子波;
C、重构入射场与散射场,并存储所有时刻的波场快照;
波场重构的过程实际上是数值求解微分方程(波动方程)的过程,求解的前提条件包括初值条件以及边界条件。初值条件一般选择全体空间内的波场值均为零,而边界条件即为某些位置处的地震记录。此处用于重构入射场的边界条件为近似真实的微震事件(已知的震源位置以及子波),用于重构散射场的边界条件为位于地表的、时间轴倒转的微震记录。
由于这样重构出的入射场包含了接近实际的自由表面多次波,故在其成像结果中也就包含了近似的传统方法的成像结果。
D、对入射场和散射场进行上下行波分离;
以x(水平轴)-z(深度轴)-t(时间轴)数据体为例,左右行波的分离可以在对t轴和z轴进行二维傅里叶变换后的ω(频率)-kz(垂直波数)域实现。
E、对上下行波分别进行左右行波分离;
以x(水平轴)-z(深度轴)-t(时间轴)数据体为例,左右行波的分离可以在对t轴和x轴进行二维傅里叶变换后的ω(频率)-kx(水平波数)域实现。分离的方程可表示为:
式中,U表示波场值,其下角标中的第一个字母,s表示入射波场,r表示散射波场;第二个字母,L表示左行波,R表示右行波。简单来讲,这四个方程说明:在ω-kx域,一三象限对应的是左行波,而二四象限对应的是右行波。再将其反变换回时空(t-x)域,即可完成左右行波的分离。
F、应用互相关成像条件:对于上下行波,同向波场之间应用成像条件,对于左右行波,反向波场之间应用成像条件;
以左右行波为例,在进行左右行波分离之后,震源下方某点xi的成像值I(xi)可表示为:
式中,xs表示震源位置,xr表示检波点位置;t为波场传播时间,T表示微震记录总时间。
在去除了由同向波场所得的成像值之后,最终得到的震源下方某点xi的成像值I(xi)可表示为
G、对F步骤中不同成分的成像结果进行归一化叠加;
此处归一化所采用的方法是对每一份成像结果都除以该结果中的最大绝对值,这是为了均衡各份成像结果的振幅大小。
H、对所有微震事件都进行C到G的处理,保存每一份成像结果;
I、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
J、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
当微震子波未知时,包括以下步骤:
a、输入微震记录以及地下速度模型;
b、输入震源位置;
c、计算微震事件的初至走时;此处使用的是数值法求解程函方程。
d、求取微震震源关于自由表面(即地表)的镜像点;
e、以该镜像点为震源,计算其在地下模型中的初至走时;这实际上求取的是直达波经过一次自由表面反射之后在地下介质中的走时。自由表面到镜像点之间的速度模型应为地下速度模型的镜像。
f、重构散射场,并存储所有时刻的波场快照;重构思想与C步骤相同。
g、应用激发时间成像条件,提取散射场中的有效成像值;由镜像点初至走时提取出的有效成像值即为近似的传统方法的成像结果。
h、对所有微震事件都进行c到g的处理,保存每一份成像结果;
i、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
j、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
实施例1:
A、输入微震记录以及地下速度模型;
使用数值实验对本方法进行了验证。所用的模型、观测系统等各类参数如下:正演速度模型以及偏移速度模型如图3(a)所示,为Marmousi模型中界面较为平缓的一部分;模型大小为230*500,网格间距为10m,250个检波点以20m为间距均匀分布在地表,时间采样间隔为1ms,地下微震事件的子波均采用30Hz的雷克子波。将微震的位置、激发时间与子波均设置为已知量,即本算例测试的是互相关成像条件;
B、输入震源位置;
由于本方法仅将震源下方的成像结果视为有效信息,故算例的震源位置设定在地下浅部,具体为深度不超过700m,以增加成像目标区域的范围;相应地,在对比成像结果时,只展示深度在800m以上的部分,这也是为了避开震源附近的强干扰,其对应的速度模型如图3(b)所示;
为了保证在最终叠加时,水平方向不同位置的覆盖次数是基本一致的,在本算例中,假设在地下500m深度的位置等间隔分布有9个微震震源(图4(a))。
C、重构入射场与散射场,并存储所有时刻的波场快照;
D、对入射场和散射场进行上下行波分离;
E、对上下行波分别进行左右行波分离;
F、应用互相关成像条件:对于上下行波,同向波场之间应用成像条件,对于左右行波,反向波场之间应用成像条件;
G、对f1中的不同成分的成像结果进行归一化叠加;
H、对所有微震事件都进行C到G的处理,保存每一份成像结果;
I、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
J、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
由该模型得到9份单事件微震记录,对每份记录分别成像再进行叠加,传统方法的结果如图4(b)所示,本方法的结果如图4(c)所示。单从结果来看,两图对于构造界面的刻画都是比较连续而精细的,且没有出现明显的错误;但对比来看,尤其是图像左下方这一片区域,图4(c)明显比图4(b)要更加完整和清晰,这在一定程度上体现出了本方法对深层界面进行成像的能力;
图4(d)展示的是未对尾波干扰进行压制的成像结果。与该结果相比,在对该噪声进行压制之后的结果(图4(c))中,杂乱的高频噪声得到了衰减,同相轴的连续性与清晰度均得到了提高;
实施例2:
a、输入微震记录以及地下速度模型;
使用数值实验对本方法进行了验证。所用的模型、观测系统等各类参数如下:正演速度模型以及偏移速度模型如图3(a)所示,为Marmousi模型中界面较为平缓的一部分;模型大小为230*500,网格间距为10m,250个检波点以20m为间距均匀分布在地表,时间采样间隔为1ms,地下微震事件的子波均采用30Hz的雷克子波。将微震的位置、激发时间设置为已知量,而子波为未知量,即本算例测试的是激发时间成像条件;
b、输入震源位置;
由于本方法仅将震源下方的成像结果视为有效信息,故算例的震源位置设定在地下浅部,具体为深度不超过700m,以增加成像目标区域的范围;相应地,在对比成像结果时,只展示深度在800m以上的部分,这也是为了避开震源附近的强干扰,其对应的速度模型如图3(b)所示;
为了保证在最终叠加时,水平方向不同位置的覆盖次数是基本一致的,在本算例中,假设在地下500m深度的位置等间隔分布有9个微震震源(图4(a))。
c、计算微震事件的初至走时;
以图5(a)所示的模型为简单示例,地下浅层存在一个震源(白色圆点)。按照本方法,入射场重构的边界条件是近真实的微震事件,于是,此时目标区域(震源下方)的入射场走时就是以真实震源为震源点计算得到的初至走时(图5(b))。
d、求取微震震源关于自由表面的镜像点;
e、以该镜像点为震源,计算其在地下模型中的初至走时;
在使用互相关成像条件时,本方法实际上近似包含了传统方法的成像结果。这一点在激发时间成像条件中也可以实现。传统方法的入射场十分复杂,并非单一同相轴的波场,无法计算出其中所有同相轴的走时;然而,在这所有的同相轴中,由震源上行直达波经一次自由表面反射得到的反射波是其入射场中能量最强、也是对成像结果贡献最多的成分。这条同相轴的走时可以利用简单的镜像法来求得(图5(c))。
f、重构散射场,并存储所有时刻的波场快照;
g、应用激发时间成像条件,提取散射场中的有效成像值;
h、对所有微震事件都进行c到g的处理,保存每一份成像结果;
i、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
j、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
对每一份单事件微震记录,从重构的散射场中将图5(b)和(c)所代表的两类有效信息提取出来并叠加,再对9份成像结果进行叠加,所得结果如图6所示。图6与图4(c)的成像质量没有明显差别,在同相轴连续性和界面清晰度上基本一致。

Claims (2)

1.一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法,其特征在于,有已知微震子波和未知微震子波两种情况,当微震子波已知时,包括以下步骤:
A、输入微震记录以及地下速度模型;
B、输入震源位置和微震子波;
C、重构入射场与散射场,并存储所有时刻的波场快照;
D、对入射场和散射场进行上下行波分离;
E、对上下行波分别进行左右行波分离;
F、应用互相关成像条件:对于上下行波,同向波场之间应用成像条件,对于左右行波,反向波场之间应用成像条件;
G、对F步骤中不同成分的成像结果进行归一化叠加;
H、对所有微震事件都进行C到G的处理,保存每一份成像结果;
I、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
J、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
2.按照权利要求1所述的一种利用微震记录对地下构造直接成像的方法,其特征在于,当微震子波未知时,包括以下步骤:
a、输入微震记录以及地下速度模型;
b、输入震源位置;
c、计算微震事件的初至走时;
d、求取微震震源关于自由表面的镜像点;
e、以该镜像点为震源,计算其在地下模型中的初至走时;
f、重构散射场,并存储所有时刻的波场快照;
g、应用激发时间成像条件,提取散射场中的有效成像值;
h、对所有微震事件都进行c到g的处理,保存每一份成像结果;
i、对所有微震事件的成像结果进行叠加;
j、对该结果进行拉普拉斯滤波,得到最终成像结果。
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