CN107656308B - 一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，包括：步骤S1，读入地震输入道数据；步骤S2，确定需要映射的共散射点道集的中心点坐标，从共散射点道集的中心点开始，以步长Δh往两侧递增选取h_e，循环执行S3、S4步骤，直至共散射点道集的最大偏移距；步骤S3，对于任一h_e，从0时刻开始，以步长Δt递增选取时间深度t₀，直至最大记录时间步骤S4，把输入道t时刻的采样点的值叠加到共散射点道集中等效偏移距为h_e的记录道相同时刻记录点上；步骤S5，重复步骤S1～步骤S4，直至所有输入道均被映射至不同的共散射点道集上；步骤S6，用反射波地震处理软件完成叠前时间偏移成像。本发明无需初始速度模型、可处理低信噪比数据和实现可靠偏移成像。

Description

一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法

技术领域

本发明涉及地震数据偏移成像方法，尤其涉及一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法。

背景技术

偏移成像又称为再定位处理、偏移归位处理、成像处理或延迟处理，是常规地震资料处理中最后也是最重要的一环。地震偏移成像剖面是地下地层、构造的成像结果，是地震勘探最重要的成果之一，偏移成像的可靠性和精度直接关系到油气资源、矿产和工程等相关勘探的成效。

根据输入地震资料的性质以及偏移和叠加的先后次序，偏移成像技术可分为叠后偏移和叠前偏移。叠后偏移方法受到水平层状介质共中点道集叠加等假设条件的限制，在实际复杂构造情况下常常难以准确、可靠地成像。叠前偏移是对叠加前的地震记录先偏移，再叠加，是共反射点的叠加，成像结果更加准确，适用于非水平层状介质和较复杂的构造。叠前偏移从理论上取消了输入数据为零炮检距的假设，避免了动校正叠加产生的畸变，能比叠后偏移保持更多的叠前地震信息，解决了倾角不一致问题。因此，叠前偏移出现后很快得到了业界的欢迎和认可，一直是地震偏移成像领域研究的热点。然而，现有的叠前偏移成像方法大都高度依赖于速度，可靠的速度模型是获得好的成像结果的关键。

但是，对于一些复杂的勘探区，存在勘探地质目标构造复杂、断层发育、地层倾角较陡或岩性横向突变、不同尺度的非均匀地质体共生等复杂情况,地表记录到的地震波场信噪比低，散射波发育，而反射波信号较弱，甚至在剖面上不易追踪反射波同相轴。对于这种地震资料，常规反射波成像处理技术常常难以获得可靠的速度分析结果，导致一些先进的叠前偏移成像技术(如逆时偏移等)无法有效地开展，也就无法获得好的成像效果。

Calgary大学CREWES小组的Bancroft等人自20世纪90年代以来，深入研究了基于等效偏移距的叠前散射波偏移成像方法(Equivalent offset migration,EOM)(Bancroft等,1994，1998)。该方法本质上具有与叠前克希霍夫积分偏移一致的原理，即将地下介质看成一系列的散射点，所不同的是它并不是直接沿着散射波的双平方根走时积分，而是通过引入等效偏移距，把数据先映射形成共散射点道集(CSP)这个中间道集，对这个道集进行速度分析、动校正、叠加即可得到叠前偏移剖面。相较于克希霍夫叠前偏移方法，该方法是一种高效率的叠前成像方法。基于等效偏移距的散射波成像方法(又称为共散射点偏移成像)因其能够全面利用散射波和反射波信息进行速度分析，能够获得更准确的速度分析结果，其非常高的叠加次数也能获得更高信噪比的叠加剖面。根据该方法，从地表至地下深部任一铅垂线各深度点上的介质均看成散射点，同一铅锤线上的点组成一组共散射点，这些散射点在水平基准面或水平地表上有唯一投影点，以该点为中心在两旁沿测线等间距设置一系列的共散射点自激自收记录道，这些记录道由原始观测地震记录映射形成，它们组成的道集称为共散射点(CSP)道集，每一记录道距离中心点的距离称为等效偏移距。

近几十年来，地震偏移成像技术经历了射线偏移、叠后偏移、叠前偏移、逆时偏移等发展阶段。尽管各种方法从理论到应用都已越来越成熟，然而各种方法都有其优点和缺点，没有一种方法可适合于所有问题。低信噪比数据的成像一直是资料处理中的难点。对于复杂地质构造勘探目标，断层发育、地层倾角较陡或岩性横向突变、不同尺度的非均匀地质体共生，有时还要加上严重的环境干扰，会形成极为复杂的波场资料，使得接收到的反射信号弱、信噪比低甚至不能很好识别反射波同相轴。当前已有的偏移成像方法大都对速度精度的要求较高，对信噪比较好的地震资料的成像能取得较为满意的效果，但难以处理低信噪比数据。

此外，正如前面所述，Bancroft等(1994，1998)提出的基于等效偏移距的共散射点成像方法能够在一定程度上提高低信噪比数据的成像效果，且该方法对初始速度模型不太敏感，适合于速度分析精度不高的情况。然而，速度仍然是形成共散射点道集过程中的必要条件。如果速度准确性差，成像效果也会受到影响。故为了提高成像效果，常常需要进行多次速度分析和CSP道集映射的迭代处理，增加了计算量和工作量，如果能够绕开速度问题，直接通过数据驱动获得成像结果，那将具有很重要的实际应用价值。

综上所述，现有的偏移成像方法大都高度依赖于速度，可靠的速度模型是获得好的成像结果的关键，基于等效偏移距的常规散射波叠前偏移成像方法虽然对初始速度模型的依赖性大大降低，但一个合适的初始速度模型是映射CSP道集过程中的必要条件，不可靠的速度会损害成像效果，故常常要求多次的速度分析和CSP道集映射迭代处理，增加了计算量和工作量，然而，对于低信噪比地震数据，常常难以获得相对精确的速度，现有偏移成像方法也就难以应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种无需初始速度模型、可有效处理低信噪比数据、可提高成像效果，进而实现可靠偏移成像的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，其包括有如下步骤：步骤S1，读入地震输入道数据，并确定共散射点道集道间距Δx、等效偏移距步长Δh、采样率Δt、最小等效偏移距h_e ^min、最大等效偏移距h_e ^max和最大采样时间步骤S2，确定需要映射的共散射点道集的中心点坐标，从共散射点道集的中心点开始，以步长Δh往两侧递增选取h_e，循环执行S3、S4步骤，直至共散射点道集的最大偏移距；步骤S3，对于任一h_e，从0时刻开始，以步长Δt递增选取t₀，直至最大记录时间其中，t₀为共散射点道集中心点处的自激自收时间；步骤S4，对于任一t₀，利用下式计算地震波的旅行时t，把输入道t时刻的采样点的值叠加到共散射点道集中等效偏移距为h_e的记录道相同时刻记录点上：

其中，x为共中心点到共散射点道集的中心点的距离，h是半炮检距；

步骤S5，重复步骤S1～步骤S4，直至所有输入道均被映射至不同的共散射点道集上，完成共散射点道集的映射；步骤S6，共散射点道集形成之后，利用反射波地震处理软件对各个共散射点道集进行速度分析、动校正和叠加，完成叠前时间偏移成像。

优选地，所述步骤S2中，等效偏移距h_e的构建过程包括：将地震波从震源点S到散射点SP的走时t_s与散射点到接收点R的走时t_r之和作为地震波的总走时t：

其中，x为共中心点到散射点在地面投影点的距离，h是半炮检距，v_mig是偏移速度，t₀是共散射点道集中心点处的自激自收旅行时，若设z为散射点的深度坐标，则有：

从地面确定一个点E，使得该点E至散射点之间的地震波双程旅行时间等于实际地震波的旅行时，将此条件下点E到地面投影点的距离作为等效偏移距h_e，则有：

进而得到：

由此推导出等效偏移距h_e的表达式为：

优选地，所述步骤S4中用于计算时间t的公式的形成过程包括：根据等效偏移距h_e表达式：

由此推导出：

对于共散射点道集中的任意效偏移距h_e处自激自收的散射波，得出旅行时方程为：

由此推导出：

代入上述后得出：

优选地，所述步骤S2中，h_e具有取值范围，按照直达波的走时规则，h_e的最小值满足：

其中，h_s是震源点到散射点在地面投影点的距离，h_r是接收点到散射点在地面投影点的距离。

优选地，h_e的最大值小于当t→∞时，式的极限值，即：并且不超过共散射点道集的最大偏移距。

优选地，所述步骤S5的映射过程中，h_e的取值间隔Δh不大于共散射点道集的道间距Δx，并且对于区间内映射的记录点应全部叠加到nΔx处的共散射点记录道上；当h＝0或x＝0时，表明为输入道共中心点与共散射点重合或输入道为自激自收道的情况，此时，需将输入道记录直接叠加至等效偏移距为的共散射点记录道上，无需变动h_e进行t₀时间深度扫描。

优选地，所述步骤S5中，还包括可供选用的快速映射步骤：对于一个勘探区域，根据先验信息确定地下介质速度的一个分布范围[v_min，v_max]，并通过式和式计算出等效偏移距h_e的最小t₀和最大t₀：

将上述二式代入得到h_e时的最小走时t_min和最大走时t_max，将输入道[t_min,t_max]区间内的波场值整体无时移叠加至h_e对应的共散射点记录道上，完成该等效偏移距处记录道的映射。

本发明公开的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，将等效偏移距公式与共散射点道集(CSP)中共散射点的散射波自激自收走时公式联立，通过变换，得到旅行时t与时间深度t₀的函数关系式，这样就可通过时间深度t₀扫描得到CSP道集，从而避开了速度难题，同时，本发明无需初始速度模型，通过t₀深度扫描获得CSP道集，进而通过常规速度分析、动校正和叠加，在获得成像剖面的同时也得到了速度分析结果。本发明适用于任意地震资料的偏移成像，有效解决了低信噪比数据无法获取速度模型、无法实现可靠偏移成像的难题。基于上述特性，使得本发明可有效处理低信噪比数据，大大提高了成像效果，进而实现了可靠偏移成像。

附图说明

图1为等效偏移距几何关系示意图。

图2为基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像的一般流程图。

图3为快速算法的共散射点叠前时间偏移成像流程图。

图4为地质模型图。

图5为正演模拟得到的无噪声地表记录波场图。

图6为无噪声记录映射形成的某共散射点道集。

图7为无噪声波场的共散射点偏移成像剖面图。

图8为添加了50％随机噪声的地表记录波场图。

图9为有噪声记录映射形成的某共散射点道集。

图10为有噪声波场的共散射点偏移成像剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，该方法根据Bancroft等(1994，1998)提出的基于等效偏移距的共散射点叠前偏移成像方法，构建等效偏移距h_e：

请参照图1，x为共中心点(CMP)到散射点在地面投影点(CSP)的距离，h是半炮检距，t₀是散射点在地面投影点(x＝0，h＝0)处的自激自收旅行时。此图展示了地震波的真实传播路径，即从震源点S到散射点SP再到接收点R，以及等效偏移距对应的自激自收路径E点至SP点，地震波的总旅行时t、S至散射点的走时t_s、散射点到接收点R的走时t_r、等效偏移距处的半自激自收时间t_e之间存在关系式：t＝t_s+t_r＝2t_e。

在此基础上，将地震波从震源点S到散射点SP的走时t_s与散射点到接收点R的走时t_r之和作为地震波的总走时t：

其中，x为共中心点(CMP)到散射点在地面投影点(CSP)的距离，h是半炮检距，v_mig是偏移速度(可以用该散射点处的均方根速度近似)，t₀是散射点在地面投影点(x＝0，h＝0)处的自激自收旅行时，若设z为散射点的深度坐标，则有：

从地面确定一个点E，使得该点E至散射点之间的地震波双程旅行时间等于实际地震波的旅行时，将此条件下点E到地面投影点的距离作为等效偏移距h_e，则有：

进而得到：

由此推导出等效偏移距h_e的表达式为：

对于偏移孔径内任一输入道，通过上述就可以计算出任一采样点对应的等效偏移距，把该采样点记录叠加到CSP道集相应等效偏移距的记录道的同时间点上。重复这个过程，即可完成所有输入道的映射，从而得到共散射点(CSP)道集。共散射点道集实际上相当于共散射点自激自收剖面，来自地下共散射点的反射波和散射波都遵循相同的双曲线方程。对CSP道集进行速度分析、动校正和叠加，即可获得叠前时间偏移剖面。

在Bancroft等人给出的共散射点偏移成像方法基础上，请参照图2，本发明基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法包括有如下步骤：

步骤S1，读入地震输入道数据，并确定共散射点道集道间距Δx、等效偏移距步长Δh、采样率Δt、最小等效偏移距h_e ^min、最大等效偏移距h_e ^max和最大采样时间等相关参数；

步骤S2，确定需要映射的共散射点道集的中心点坐标，从共散射点道集的中心点开始，以步长Δh往两侧递增选取h_e，循环执行S3、S4步骤，直至共散射点道集的最大偏移距；

步骤S3，对于任一h_e，从0时刻开始，以步长Δt递增选取t₀，直至最大记录时间其中，t₀为共散射点道集中心点处的自激自收时间；

步骤S4，对于任一t₀，利用下式计算地震波的旅行时t，把输入道t时刻的采样点的值叠加到共散射点道集中等效偏移距为h_e的记录道相同时刻记录点上：

其中，x为共中心点到共散射点道集的中心点的距离，h是半炮检距；

步骤S5，重复步骤S1～步骤S4，直至所有输入道均被映射至不同的共散射点道集上，完成共散射点道集的映射；

步骤S6，共散射点道集形成之后，利用反射波地震处理软件对各个共散射点道集进行速度分析、动校正和叠加，完成叠前时间偏移成像。

上述方法将等效偏移距公式与共散射点(CSP)道集中共散射点的散射波自激自收走时公式联立，通过变换，得到旅行时t与时间深度t₀的函数关系式，这样就可通过时间深度t₀扫描得到CSP道集，从而避开了速度难题。因此，本发明无需初始速度模型，通过t₀深度扫描获得CSP道集，进而通过常规速度分析、动校正和叠加，在获得成像剖面的同时也能获得速度分析结果。本发明适用于任意地震资料的偏移成像，有效解决了低信噪比数据无法获取速度模型、无法实现可靠偏移成像的难题。基于上述特性，使得本发明可有效处理低信噪比数据，大大提高了成像效果，进而实现了可靠偏移成像。

作为一种优选方式，所述步骤S4中用于计算时间t的公式的形成过程包括：根据等效偏移距h_e表达式：

由此推导出：

对于共散射点道集中任意效偏移距h_e处的自激自收散射波，得出旅行时方程为：

由此推导出：

代入上述后得出：

由上式可以看出，该式中已不包含速度参数，其中最重要的一个参数是时间深度t₀，故可通过t₀时间深度扫描来获得共散射点(CSP)道集。

本实施例中，对于任一输入的观测记录道，x和h是已知的。实际上，所述步骤S2中，h_e具有取值范围，按照直达波的走时规则，h_e的最小值满足：

其中，h_s是震源点到散射点在地面投影点的距离，h_r是接收点到散射点在地面投影点的距离。

进一步地，h_e的最大值小于当t→∞时，式的极限值，即：并且不超过共散射点道集的最大偏移距。

所述步骤S5的映射过程中，h_e的取值间隔Δh不大于共散射点道集的道间距Δx，并且对于区间内映射的记录点应全部叠加到nΔx处的共散射点记录道上；

当h＝0或x＝0时，表明为输入道共中心点与共散射点重合或输入道为自激自收道的情况，此时，需将输入道记录直接叠加至等效偏移距为的共散射点(CSP)记录道上，无需变动h_e进行t₀时间深度扫描。

本实施例在CSP道集形成之后，可参考常规共散射点偏移成像，借助现有的常规反射波地震处理软件进行速度分析、动校正、叠加完成叠前时间偏移成像，在获得偏移成像剖面的同时也得到了速度分析结果。

实际应用中，除了h＝0或x＝0的特殊输入道，对于一般输入道，上述实现方案都需要针对不同h_e分别进行一个个t₀采样点扫描计算，计算量较大，为提高计算效率，针对一般输入道，本实施例还提供了快速映射办法。

请参照图3，所述步骤S5中，还包括可供选用的快速映射步骤：对于一个勘探区域，根据先验信息确定地下介质速度的一个分布范围[v_min，v_max]，并通过式和式计算出等效偏移距h_e的最小t₀和最大t₀：

将上述二式代入得到h_e时的最小走时t_min和最大走时t_max，将输入道[t_min,t_max]区间内的波场值整体无时移叠加至h_e对应的共散射点记录道上，完成该等效偏移距处记录道的映射。

本发明通过模拟数据处理测试，证明方法是可行的，该方法具有好的抗噪能力，并能够获得与地质模型相吻合的偏移成像处理结果。具体的测试结果请参照图4至图10，其中：

附图4是测试用的地质模型，模型大小为1500m×1300m。炮点坐标从0到1500m，炮间距20m，共76炮。检波点坐标0到1500m，道间距10m，共151道接收，模拟记录采样率1ms，采样长度0.9s，共901个采样点；

附图5是正演模拟的无噪声地表记录波场，图5中显示了3炮记录，可以看出，由于弯曲界面的原因，反射波场比较复杂；

附图6是无噪声记录映射形成的某共散射点道集。图中可以清晰地看出对应于三个界面的散射波同相轴；

附图7是无噪声波场的共散射点偏移成像剖面，地下界面位置形态得到了较好地成像；

附图8是添加了很强随机噪声的地表记录波场，可以看出，反射波同相轴被噪声污染，不能很好地识别；

附图9是有噪声记录映射形成的某共散射点道集，可以看出，由于CSP道集形成过程中的多次叠加非常好地压制了随机噪声，对应于三个界面的散射波同相轴清晰地显示了出来，有利于准确可靠地开展速度分析；

附图10是有噪声波场的共散射点叠前偏移成像剖面，可以看出，在有强噪声的情况下，地下界面也得到了较好地成像。需要说明的是，在偏移成像过程中，原始数据没有经过任何去噪处理。

本发明公开的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，该方法无需初始速度模型，通过t₀时间深度扫描获得CSP道集，进而通过常规速度分析、动校正和叠加，在获得成像剖面的同时也得到了速度分析结果，因此，本发明特别适用于难以处理的低信噪比地震数据。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤S1，读入地震输入道数据，并确定共散射点道集道间距Δx、等效偏移距步长Δh、采样率Δt、最小等效偏移距h_e ^min、最大等效偏移距h_e ^max和最大采样时间

步骤S2，确定需要映射的共散射点道集的中心点坐标，从共散射点道集的中心点开始，以步长Δh往两侧递增选取h_e，循环执行S3、S4步骤，直至共散射点道集的最大偏移距；

步骤S3，对于任一h_e，从0时刻开始，以步长Δt递增选取时间深度t₀，直至最大记录时间其中，t₀为共散射点道集中心点处的自激自收时间；

步骤S4，对于任一t₀，利用下式计算地震波的旅行时t，把输入道t时刻的采样点的值叠加到共散射点道集中等效偏移距为h_e的记录道相同时刻记录点上：

其中，x为共中心点到共散射点道集的中心点的距离，h是半炮检距；

步骤S5，重复步骤S1～步骤S4，直至所有输入道均被映射至不同的共散射点道集上，完成共散射点道集的映射；

步骤S6，共散射点道集形成之后，利用反射波地震处理软件对各个共散射点道集进行速度分析、动校正和叠加，完成叠前时间偏移成像；

所述步骤S2中，等效偏移距h_e的构建过程包括：

将地震波从震源点S到散射点SP的走时t_s与散射点到接收点R的走时t_r之和作为地震波的总走时t：

其中，x为共中心点到散射点在地面投影点的距离，h是半炮检距，v_mig是偏移速度，t₀是共散射点道集中心点处的自激自收旅行时，若设z为散射点的深度坐标，则有：

从地面确定一个点E，使得该点E至散射点之间的地震波双程旅行时间等于实际地震波的旅行时，将此条件下点E到地面投影点的距离作为等效偏移距h_e，则有：

进而得到：

由此推导出等效偏移距h_e的表达式为：

所述步骤S4中用于计算时间t的公式的形成过程包括：

根据等效偏移距h_e表达式：

由此推导出：

对于共散射点道集中的任意效偏移距h_e处自激自收的散射波，得出旅行时方程为：

由此推导出：

代入上述后得出：

所述步骤S5中，还包括可供选用的快速映射步骤：对于一个勘探区域，根据先验信息确定地下介质速度的一个分布范围[v_min，v_max]，并通过式和式计算出等效偏移距h_e的最小t₀和最大t₀：

将上述二式代入得到h_e时的最小走时t_min和最大走时t_max，将输入道[t_min,t_max]区间内的波场值整体无时移叠加至h_e对应的共散射点记录道上，完成该等效偏移距处记录道的映射。

2.如权利要求1所述的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，其特征在于，所述步骤S2中，h_e具有取值范围，按照直达波的走时规则，h_e的最小值满足：

其中，h_s是震源点到散射点在地面投影点的距离，h_r是接收点到散射点在地面投影点的距离。

3.如权利要求2所述的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，其特征在于，h_e的最大值小于当t→∞时，式的极限值，即：并且不超过共散射点道集的最大偏移距。

4.如权利要求2所述的基于时间深度扫描的共散射点叠前时间偏移成像方法，其特征在于，所述步骤S5的映射过程中，h_e的取值间隔Δh不大于共散射点道集的道间距Δx，并且对于区间内映射的记录点应全部叠加到nΔx处的共散射点记录道上；

当h＝0或x＝0时，表明为输入道共中心点与共散射点重合或输入道为自激自收道的情况，此时，需将输入道记录直接叠加至等效偏移距为的共散射点记录道上，无需变动h_e进行t₀时间深度扫描。