CN107340537A - 一种p-sv转换波叠前逆时深度偏移的方法 - Google Patents

一种p-sv转换波叠前逆时深度偏移的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种P‑SV转换波叠前逆时深度偏移的方法，包括以下步骤：分别进行炮点波场的正向延拓和检波点波场的逆时延拓；将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波；将炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波互相关成像；以及完成转换波逆时偏移成像。本发明的方法利用纵波速度实现炮点纵波波场的正向延拓，用横波速度实现检波点转换波波场的逆时延拓，并用一个基于波场分解的成像条件实现转换波的深度域偏移成像，实现了地下构造的准确成像，能够解决复杂构造条件下转换波的深度域成像问题。

Description

一种P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探领域，涉及地震勘探数据处理方法。具体地，涉及一种P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法。
背景技术
牟永光等人(地震数据处理方法[M].北京：石油工业出版社.2006.)介绍了P-SV转换波(本文简称转换波)现有的偏移成像方法。其中各向异性克希霍夫叠前时间偏移(Li X Y，Yuan J X.Converted-Wave Imaging in Inhomogeneous，Anisotropic Media-Part I-Parameter Estimation，Extended abstract of 63rd EAGEConference，2001，p-109；Li X Y，Yuan J X.Converted-Wave Imaging inInhomogeneous，Anisotropic Media-Part II-Prestack Migration.Extended abstractof 63rd EAGE Conference，2001，p-114)是目前主流的转换波成像方法。该技术利用转换波速度和各向异性参数计算地下散射点的时距曲面，将时距曲面上的所有样点相加就得到了该绕射点的偏移结果。然而该方法的不足之处在于不适合构造复杂和介质横向速度变化剧烈的区域成像，并且得到的只是时间域的地震剖面，不能直接反映地下构造深度。
与转换波偏移相比，对于纵波的偏移手段则较为众多。其中叠前逆时深度偏移因不受地下构造倾角和介质横向速度变化的限制，成为目前成像精度最高的偏移方法之一。通常的纵波叠前逆时深度偏移(何兵寿等，双程声波方程叠前逆时深度偏移的成像条件，石油地球物理勘探，2015，45(2)：237-243)大致分为两步：一是基于双程声波方程，以初始的震源函数为初始条件，利用纵波速度，实现炮点纵波波场的正向延拓，利用检波点接收的纵波波场作为边值条件，利用纵波速度，实现检波点纵波波场的逆时延拓；二是采用互相关的成像条件，实现逆时偏移成像，流程图如图1所示。但该技术目前只是应用于处理纵波资料，还没有在转换波偏移成像中发挥作用。
发明内容
本发明借鉴处理纵波的叠前逆时深度偏移方法，提出一种转换波叠前逆时深度偏移方法，旨在能够摆脱地下构造倾角和介质横向速度变化的限制，提高成像精度，并且能够实现深度域成像，直接反映地下构造的位置。
根据本发明的一个方面，提供一种P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法，该方法包括以下步骤：分别进行炮点波场的正向延拓和检波点波场的逆时延拓；将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波；将炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波互相关成像；以及完成转换波逆时偏移成像。
进一步地，利用纵波速度实现炮点纵波波场的正向延拓；利用横波速度实现检波点转换波波场的逆时延拓。
进一步地，在交错网格空间中用纵波速度对声波方程(1)进行高阶有限差分法离散，进行炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓：
其中K＝ρv2，ρ为密度，v为地震波传播速度，t为时间，x、z为直角坐标系的两个方向，p为位移，vx、vz分别为质点在x和z方向的振动速度。
炮点纵波波场正向延拓的差分格式为：
其中：vp为纵波层速度，Δx、Δz分别为x和z方向的空间离散步长，Δt为时间离散步长，N为差分阶数的一半，i、j为空间离散点序号，n为时间离散点序号，为差分系数；
检波点转换波波场的逆时延拓差分格式：
其中：vs为横波层速度。
进一步地，式(2)和式(3)的稳定性条件为：
实际偏移时，在满足式(4)的前提下，以给定的震源函数作为初始条件，利用式(2)实现炮点纵波波场的正向延拓，以给定的转换波记录作为边值条件，利用式(3)实现转换波波场的逆时延拓。
进一步地，在炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓过程中求取炮点波场、检波点波场的坡印廷矢量，利用坡印廷矢量将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波。
进一步地，一阶声波方程的坡印廷矢量py为:
式中V为质点速度矢量，V＝(υx,υz)，V的方向代表质点的振动方向，是坡印廷矢量的水平分量，是坡印廷矢量的垂直分量。
进一步地，坡印廷矢量的两个分量和分别表示该矢量在水平方向和垂直方向的值，大于等于零时，表示地震波场在向上传播，此时的地震波场为上行波；小于零时，表示地震波场在向下传播，此时的地震波场为下行波；大于等于零时，表示地震波场在向左传播，此时的地震波场为左行波；小于零时，表示地震波场在向右传播，此时的地震波场为右行波。
进一步地，在求得炮点波场和检波点波场中的上、下、左、右行波后，令炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波进行互相关运算，实现转换波的成像。
进一步地，利用公式(7)进行转换波的成像：
式中，Image_s为P-SV转换横波单炮记录的成像结果，Su(x,z,t)和Ru(x,z,t)分别为炮点、检波点上行波场，Sd(x,z,t)和Rd(x,z,t)分别为炮点、检波点下行波场，Sl(x,z,t)和Rl(x,z,t)分别为炮点、检波点左行波场，Sr(x,z,t)和Rr(x,z,t)分别为炮点、检波点右行波场。
进一步地，对所有单炮记录都进行运算，求得各P-SV转换横波单炮记录的成像结果，通过抽取共成像点道集并叠加，得到最终的偏移结果。
本发明提出了一种新的P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法，该方法是基于双程声波方程的叠前逆时深度偏移技术，能够准确实现复杂构造的深度域成像。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示了现有技术中的纵波叠前逆时偏移方法的流程图。
图2显示了纵波反射示意图。
图3显示了转换波反射示意图。
图4显示了转换波叠前逆时深度偏移。
图5显示了Marmousi-II弹性波模型、正演记录及逆时偏移结果，其中5(a)显示了Marmousi-II纵波速度模型，5(b)显示了Marmousi-II横波速度模型，5(c)显示了合成纵波记录，5(d)显示了合成转换波记录，5(e)显示了5(c)的逆时偏移结果，5(f)显示了5(d)的逆时偏移结果，5(g)显示了纵波逆时偏移叠加剖面，5(h)显示了转换波逆时偏移叠加剖面。
图6显示了工区的纵横波层速度模型及逆时偏移剖面，其中6(a)显示了转换波单炮记录，6(b)显示了工区的纵波层速度模型，6(c)显示了工区的横波层速度模型，6(d)显示了转换波逆时偏移剖面，6(e)显示了纵波逆时偏移剖面。
图7显示了转换波数据的叠前时间偏移剖面。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
纵波反射的产生机理是纵波震源激发，产生纵波(P)入射到M点，发生的纵波反射(P’)被检波器接收，如图2所示。若要使用叠前逆时深度偏移对M点进行纵波成像，就要纵波的反射机理相对应，即进行炮点纵波波场的正向延拓和检波点纵波波场的逆时延拓。
而转换波反射的产生机理是纵波震源激发，产生纵波(P)入射到转换点C，转变为转换波(PS)反射并被检波器接收，如图3所示。若要使用叠前逆时深度偏移，利用转换波对C点成像，也需要与此机理对应起来。这就需要进行炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓。
按此思想，本发明提出了一种P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法，方法流如图4所示。根据本发明的一个方面，P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法包括以下步骤：分别进行炮点波场的正向延拓和检波点波场的逆时延拓；将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波；将炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波互相关成像；以及完成转换波逆时偏移成像。
下面以二维情况为例，阐述本发明的具体方法和步骤。
步骤一：炮点波场的正向延拓和检波点波场的逆时延拓：
在本发明的方法中，主要利用纵波速度实现炮点纵波波场的正向延拓；而利用横波速度实现检波点转换波波场的逆时延拓。
声波方程的表达式为：
其中K＝ρv2，ρ为密度，v为地震波传播速度，t为时间，x、z为直角坐标系的两个方向，p为位移，vx、vz分别为质点在x和z方向的振动速度。
在交错网格空间中用纵波速度对式(1)进行高阶有限差分法离散，可得到炮点纵波场正向延拓的差分格式：
其中：vp为纵波层速度，Δx、Δz分别为x和z方向的空间离散步长，Δt为时间离散步长，N为差分阶数的一半，i、j为空间离散点序号，n为时间离散点序号，为差分系数。
同理可得到检波点转换波的逆时延拓差分格式：
其中：vs为横波层速度。
式(2)和式(3)的稳定性条件为：
实际偏移时，在满足式(4)的前提下，以给定的震源函数作为初始条件，利用式(2)可实现炮点纵波波场的正向延拓，以给定的转换波记录作为边值条件，利用式(3)可实现转换波波场的逆时延拓。
第二步：炮点波场和检波点波场上下左右行波的分解
本步骤主要在炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓过程中求取炮点波场、检波点波场的坡印廷矢量，并进而利用坡印廷矢量实现上、下、左、右行波的分解。具体原理如下：
一阶声波方程的坡印廷矢量py为:
式中V为质点速度矢量，V＝(υx,υz)，V的方向代表质点的振动方向，是坡印廷矢量的水平分量，是坡印廷矢量的垂直分量。p的符号与坡印廷矢量的方向相关，当p>0时，声波坡印廷矢量方向与质点的振动方向相反，当p<0时，声波的坡印廷矢量方向与质点的振动方向相同。
由于坡印廷矢量的方向指示地震波在介质中的传播方向，因此可以利用坡印廷矢量分离上、下、左、右行波。其原理可表述为：坡印廷矢量的两个分量和分别表示该矢量在水平方向(左右)和垂直方向(上下)的值，大于等于零时，表示地震波场在向上传播，此时的地震波场为上行波；小于零时，表示地震波场在向下传播，此时的地震波场为下行波；大于等于零时，表示地震波场在向左传播，此时的地震波场为左行波；小于零时，表示地震波场在向右传播，此时的地震波场为右行波。具体公式为：
式中，Su(x,z,t)和Ru(x,z,t)分别为炮点、检波点上行波场，Sd(x,z,t)和Rd(x,z,t)分别为炮点、检波点下行波场，Sl(x,z,t)和Rl(x,z,t)分别为炮点、检波点左行波场，Sr(x,z,t)和Rr(x,z,t)分别为炮点、检波点右行波场。
在炮点纵波波场正向延拓和检波点转换波波场逆时延拓过程中，首先利用式(5)求取当下时刻的坡印廷矢量，再利用式(6)即可分离出炮、检波场的上、下、左、右行波。
第三步：将炮点波场、检波点波场中传播方向相反的波互相关成像
在求得炮检波场中的上、下、左、右行波后，令炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波进行互相关运算，实现转换波的成像，避免了偏移噪声的产生，提高了成像精度。具体公式如式(7)所示。
式中，Image_s为P-SV转换横波单炮记录的成像结果，Su(x,z,t)和Ru(x,z,t)分别为炮、检上行波场，Sd(x,z,t)和Rd(x,z,t)分别为炮、检下行波场，Sl(x,z,t)和Rl(x,z,t)分别为炮、检左行波场，Sr(x,z,t)和Rr(x,z,t)分别为炮、检右行波场。
第四步：完成所处理的工区或测线的转换波逆时偏移成像
本步骤完成转换波的最终成像工作。对所有单炮记录都进行第一步到第三步的运算，求得各单炮的偏移结果。利用观测系统信息抽取共成像点道集并叠加，即可得到最终的偏移结果。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
为进一步说明本发明所涉及的各项技术的正确性。对Marmousi-II弹性波模型进行正演模拟，并利用本发明对模拟得到的转换波合成记录进行逆时偏移成像。
图5(a)、5(b)为Marmousi-II弹性波模型的纵波速度和横波速度模型，对该模型进行正演，得到纵波记录和转换波记录各500炮。图5(c)、5(d)为正演得到的单炮反射纵波记录和转换波炮记录。图5(e)为应用纵波叠前逆时深度偏移对图5(c)进行处理的结果，图5(f)为应用本发明对转换波记录图5(d)进行叠前逆时深度偏移的结果。依此方法，对所有炮的纵波记录和转换波记录进行偏移，再通过后续的抽道集叠加技术，生成最终的偏移叠加结果。图5(g)和图5(h)分别为同一条测线的纵波逆时偏移剖面和转换波逆时偏移剖面，通过与速度模型进行对照可以看出，本发明的转换波逆时偏移方法，同纵波逆时偏移方法一样，实现了地下构造的准确成像，这说明本发明能够解决复杂构造条件下转换波的深度域成像问题。
为考察本发明方法的实际处理能力，应用该方法对江汉地区的实测资料进行处理。
图6(a)为转换波的单炮记录。图6(b)、6(c)为采用适当技术建立的该工区的纵、横波深度域层速度场。利用纵波速度场，结合震源函数，实现炮点波场的正向延拓，另外，利用横波速度场，对转换波单炮记录进行逆时延拓，即实现检波点波场的逆时延拓。后续再经过波场分解和互相关成像实现一炮转换波记录的偏移成像。在处理完工区的所有炮记录后，可以得到工区最终的转换波逆时偏移叠加结果，如图6(d)所示。为检验该结果的正确性，与纵波逆时偏移叠加结果(图6(e))进行对照。虽然转换波的成像精度较纵波差，但二者反映的地下构造是一致的，这表明了本发明方法的正确性。
为了突出本发明的转换波偏移方法的优势，与现有主流的转换波偏移技术即各向异性克希霍夫叠前时间偏移技术进行对比。图7给出了该工区的转换波叠前时间偏移剖面，可见，本发明的成像结果图6(c)明显优于叠前时间偏移成像结果。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种P-SV转换波叠前逆时深度偏移的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
分别进行炮点波场的正向延拓和检波点波场的逆时延拓；
将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波；
将炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波互相关成像；以及
完成转换波逆时偏移成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用纵波速度实现炮点纵波波场的正向延拓；利用横波速度实现检波点转换波波场的逆时延拓。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在交错网格空间中用纵波速度对声波方程(1)进行高阶有限差分法离散，进行炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓：
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其中K＝ρv2，ρ为密度，v为地震波传播速度，t为时间，x、z为直角坐标系的两个方向，p为位移，vx、vz分别为质点在x和z方向的振动速度。
炮点纵波波场正向延拓的差分格式为：
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其中：vp为纵波层速度，Δx、Δz分别为x和z方向的空间离散步长，Δt为时间离散步长，N为差分阶数的一半，i、j为空间离散点序号，n为时间离散点序号，为差分系数；
检波点转换波波场的逆时延拓差分格式：
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其中：vs为横波层速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，式(2)和式(3)的稳定性条件为：
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实际偏移时，在满足式(4)的前提下，以给定的震源函数作为初始条件，利用式(2)实现炮点纵波波场的正向延拓，以给定的转换波记录作为边值条件，利用式(3)实现转换波波场的逆时延拓。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在炮点纵波波场的正向延拓和检波点转换波波场的逆时延拓过程中求取炮点波场、检波点波场的坡印廷矢量，利用坡印廷矢量将炮点波场和检波点波场分别进行分解，形成上、下、左、右行波。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，一阶声波方程的坡印廷矢量py为:
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式中V为质点速度矢量，V＝(υx,υz)，V的方向代表质点的振动方向，是坡印廷矢量的水平分量，是坡印廷矢量的垂直分量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，坡印廷矢量的两个分量和分别表示该矢量在水平方向和垂直方向的值，大于等于零时，表示地震波场在向上传播，此时的地震波场为上行波；小于零时，表示地震波场在向下传播，此时的地震波场为下行波；大于等于零时，表示地震波场在向左传播，此时的地震波场为左行波；小于零时，表示地震波场在向右传播，此时的地震波场为右行波。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在求得炮点波场和检波点波场中的上、下、左、右行波后，令炮点波场和检波点波场中传播方向相反的波进行互相关运算，实现转换波的成像。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用公式(7)进行转换波的成像：
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式中，Image_s为P-SV转换横波单炮记录的成像结果，Su(x,z,t)和Ru(x,z,t)分别为炮点、检波点上行波场，Sd(x,z,t)和Rd(x,z,t)分别为炮点、检波点下行波场，Sl(x,z,t)和Rl(x,z,t)分别为炮点、检波点左行波场，Sr(x,z,t)和Rr(x,z,t)分别为炮点、检波点右行波场。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对所有单炮记录都进行运算，求得各P-SV转换横波单炮记录的成像结果，通过抽取共成像点道集并叠加，得到最终的偏移结果。
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