CN108919351A - 基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，包括以下步骤：1)根据前期数据，建立复杂构造探区的速度模型，并根据勘探要求确定地质目标；2)在包含有地质目标的选定区域中布设人工震源，采用双程声波波动方程模拟目标点的绕射波场，分别按照震源排列和检波器排列在地表记录绕射波场，形成共聚焦点道集；3)将检波点排列对应的共聚焦点道集作为边界条件，按照逆时聚焦的原理外推，根据零时刻成像条件获得目标点处的成像，即检波点聚焦束P_k；4)将震源对应的共聚焦点道集进行外推，得到震源聚焦束S_k；5)将检波点聚焦束和震源聚焦束的乘积作为总聚焦束，即是当前观测系统在该目标区域的双向聚焦性评价函数。

Description

基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法

技术领域

本发明涉及一种应用于地震采集观测系统中的评价方法，具体涉及一种基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法。

背景技术

随着地震勘探开发的不断深入，勘探区域条件也日趋复杂，主要表现为地下构造复杂，地表起伏变化，勘探目标埋深较大，使得地震反射波场杂乱，地质目标成像困难。

三维观测系统设计的目的，除了获得更高质量和信噪比的地震数据之外，获得更高的成像精度对面向地质目标的勘探具有重要意义。然而，常规的观测系统分辨率的评价基于层状介质假设，采用以点论证的方式，获得关于覆盖次数，面元等理论参数。在复杂构造勘探区内，这一方法仅具有理论指导意义，参考价值有限。为了满足复杂地质目标的高分辨率勘探的要求，地球物理学家提出了基于双聚焦原理的观测系统聚焦性评价方法：利用震源聚焦束和检波点聚焦束的概念，将观测系统对特定地质目标成像的影响进行分离，并分别进行双向聚焦性的评价；然后利用总聚焦束进行观测系统的目标点分辨率评价，这对于复杂地区观测系统设计方案的评价具有实际应用价值。

基于双聚焦原理进行观测系统评价的研究主要分为两个方面：一是基于射线和积分类的评价方法，二是基于波动方程单程波延拓的评价方法。双聚焦原理最早由Berkhout(1997)提出并应用于地震叠前深度偏移成像，Berkhout与Volker等(2000)将双聚焦引入观测系统设计的评价，并定义震源/检波点聚焦束的两个基本概念，用于评价观测系统的聚焦性；国内方面，最早由狄帮让(2006)等利用积分法实现了对层状介质的观测系统聚焦性评价，并针对不同介质的聚焦计算提出相关的建议。魏伟(2009)等利用单程波波场延拓实现了三维观测系统的共聚焦分辨率分析，该方法结合FFD和Born-Kirchhoff近似，在提高计算精度的同时，也降低了波场延拓对计算效率的影响。

实际上，观测系统聚焦性的评价计算方法应与实际应用的偏移算法相一致，基于全声波方程的逆时偏移具有对介质横向速度变化和高陡构造适应性强，可以利用多次波，回转波等异常波用于成像的特点，是目前理论最先进，成像精度最高的地震偏移方法。而目前，针对逆时偏移叠前成像的观测系统双向聚焦性评价的研究尚属空白。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够满足复杂探区地质目标高分辨率勘探要求的基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，包括以下步骤：1)根据前期数据，建立复杂构造探区的速度模型，并根据勘探要求确定地质目标，即勘探目标在速度模型中的位置；2)在包含有地质目标的选定区域中布设人工震源，采用双程声波波动方程模拟目标点的绕射波场，分别按照震源排列和检波器排列在地表记录绕射波场，形成共聚焦点道集；3)将检波点排列对应的共聚焦点道集作为边界条件，按照逆时聚焦的原理外推，最终根据零时刻成像条件获得目标点处的成像，即检波点聚焦束P_k；4)将震源对应的共聚焦点道集进行外推，得到震源聚焦束S_k；5)将检波点聚焦束和震源聚焦束的乘积作为总聚焦束，即是当前观测系统在该目标区域的双向聚焦性评价函数：

B_kk＝P_kS_k。 (4)

所述步骤2)中，检波点共聚焦点道集I_k根据由下述公式获得：

I_k(z_m)＝D(z₀)W(z₀,z_m) (1)

式中，D表示检波点采样算子；W表示波场上行波算子；z₀表示深度为零的地表位置；z_m表示目标点的z向坐标。

所述步骤3)中，检波点聚焦束P_k由下述公式获得：

P_k＝F_kI_k(z_m)＝F_kD(z₀)W(z₀,z_m) (2)

式中，F_k表示检波点聚焦算子；

检波点聚焦算子F_k采用逆时聚焦算子，将地表检波点所得共聚焦点道集，作为波场外推的边界，其计算过程完全模拟波传播的逆过程：从模型空间的最大时刻开始，以共聚焦点道集作为边界条件，逐时间层重建模型空间内的地震波场，一直计算到零时刻位置；即求解如下的波动方程定解问题：

式中，u表示位移场；x、y、z分别三维空间系中三个坐标方向上的坐标值；t表示波场传播的任一时刻；T表示波场传播的最大时刻；g_u表示地表记录的地震波场；公式(3)中的第二式为初始条件，第三式为边界条件。

所述步骤4)中，根据互换原理，将震源置于目标点，将观测系统中震源视为检波点，进行接收地表波场作为震源共聚焦道集；之后根据步骤3)计算检波点聚焦束P_k的方法来计算震源聚焦束S_k。

所述步骤1)中，前期数据包括工区的地质、地震及测录井、钻井资料。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于是基于全声波波动方程，无论是共聚焦点道集的模拟，还是在波场外推方面，针对对于复杂构造带，尤其是在具有剧烈横向速度变化及高陡构造的地区，该方法都具有很高的精度和适用性。2、为了达到对特定地质目标勘探的精度要求，根据本发明中的评价结果可以对观测系统参数设计过程进行优化，从而最大程度上提高采集效率，获得更高分辨率的成像结果。

本发明为复杂探区面向目标的勘探提供了一种有效经济的观测系统聚焦性评价方法。

附图说明

图1是共聚焦点道集的逆时聚焦原理示意图；其中，图(a)表示t₁时刻，图(b)表示t₂时刻，图(c)表示t₃时刻，此刻为聚焦计算最终结果；

图2是震源聚焦和检波点聚焦示意图，图中的★表示震源，▼表示检波点；

图3是总聚焦束中纵横向分辨率示意图。

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。

本发明提出了一种基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，包括以下步骤：

1)根据前期数据，建立复杂构造探区的速度模型，并根据勘探要求确定地质目标，即勘探目标在速度模型中的位置(x_j,z_m)。

在该步骤中，前期数据包括工区的地质、地震及测录井、钻井资料，依据上述前期数据，并结合地震解释成果和地质认识，可建立工区的速度模型。鉴于此步骤的实现可基于现有方法实现，因此不展开进行描述。

2)在包含有地质目标的选定区域中布设人工震源，采用双程声波波动方程模拟目标点(即勘探目标的位置)的绕射波场，分别按照震源排列和检波器排列在地表记录绕射波场，形成共聚焦点道集。

根据聚焦束计算公式(1)，计算检波器聚焦束的出发点是根据波场上行波算子W和检波点采样算子D模拟得到单个目标点(x_j,z_m)的绕射记录，即检波点共聚焦点道集I_k。

I_k(z_m)＝D(z₀)W(z₀,z_m) (1)

式中，z₀表示深度为零的地表位置。

3)将检波点排列对应的共聚焦点道集作为边界条件，按照逆时聚焦的原理外推，最终根据零时刻成像条件获得目标点处的成像，即检波点聚焦束P_k。

根据公式(2)，利用检波点聚焦算子F_k对检波点共聚焦点道集I_k进行聚焦计算，得到检波点聚焦束P_k：

P_k＝F_kI_k(z_m)＝F_kD(z₀)W(z₀,z_m) (2)

检波点聚焦算子F_k采用逆时聚焦算子，将地表检波点所得共聚焦点道集，作为波场外推的边界，其计算过程完全模拟波传播的逆过程：从模型空间的最大时刻开始，以共聚焦点道集作为边界条件，逐时间层重建模型空间内的地震波场，一直计算到零时刻位置。即求解如下的波动方程定解问题：

式中，u表示位移场；x、y、z分别三维空间系中三个坐标方向上的坐标值；t表示波场传播的任一时刻；T表示波场传播的最大时刻；g_u表示地表记录的地震波场。公式(3)中的第二式为初始条件，第三式为边界条件。

如图1所示，以XOZ平面为例说明共聚焦点道集的逆时聚焦过程，通过逆时聚焦算子进行聚焦，在聚焦时刻t＝0是成像，即得到检波点聚焦束。本例采用匀速介质，且检波点排列均匀,因而聚焦性较好，对于复杂构造模型或非均匀观测排列，其聚焦束较差，由此可反映观测排列对复杂构造模型的成像分辨率的影响。

4)将震源对应的共聚焦点道集进行外推，得到震源聚焦束S_k。

震源聚焦束的计算方法与检波点聚焦束方法一致，值得注意的是，如图2所示，由于检波点接收的是上行波场，通过将震源置于目标点即可模拟检波点共聚焦点道集。对于震源波场，由于是下行波场，如图在地表震源激发，在目标点接收获得共聚焦点道集，无疑增加了计算量。因此，可根据互换原理，将震源置于目标点，将观测系统中震源视为检波点，进行接收地表波场作为炮点共聚焦道集。两者在聚焦算法上完全一致。

5)将检波点聚焦束P_k和震源聚焦束S_k的乘积作为总聚焦束，即是当前观测系统在该目标区域的双向聚焦性评价函数。

通过步骤4)、5)分别求出检波点聚焦束P_k和震源聚焦束S_k，将两者的乘积定义为当前观测系统的总聚焦束(或分辨率函数)B_kk：

B_kk＝P_kS_k (4)

对于排列片滚动的采集方案，每个排列片的聚焦束由该排列片的震源聚焦束与检波点聚焦束相乘获得，而整个滚动观测系统的总聚焦束可由所有单排列片的聚焦束求和得到。

根据双向聚焦性评价函数可对复杂构造条件下观测系统聚焦性进行评价，具体地：通过对总聚焦束结果的观测可定性分析当前观测系统对目标点的聚焦性，也可通过抽取总聚焦束的纵/横的波形曲线，根据本发明提出的纵/横分辨率的定义(下文)来评价聚焦性的分辨率。如图3所示，将原始提取波形位于其二阶导数主瓣零点两侧的零值点(即提取波形的拐点)之间的波形宽度定义为主瓣宽度，用于描述当前观测系统对该目标点的纵横向分辨率；定义该宽度内波形振幅能量与总波形振幅能量比值用于描述当前观测系统对该目标点的成像清晰度，它受到地震偏移噪声的影响。由此即可实现对复杂构造条件下观测系统聚焦性的定量评价，并进而对观测系统参数进行相关的优化。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的实施步骤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 (5)

1.一种基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，包括以下步骤：

1)根据前期数据，建立复杂构造探区的速度模型，并根据勘探要求确定地质目标，即勘探目标在速度模型中的位置；

2)在包含有地质目标的选定区域中布设人工震源，采用双程声波波动方程模拟目标点的绕射波场，分别按照震源排列和检波器排列在地表记录绕射波场，形成共聚焦点道集；

3)将检波点排列对应的共聚焦点道集作为边界条件，按照逆时聚焦的原理外推，最终根据零时刻成像条件获得目标点处的成像，即检波点聚焦束P_k；

4)将震源对应的共聚焦点道集进行外推，得到震源聚焦束S_k；

5)将检波点聚焦束和震源聚焦束的乘积作为总聚焦束，即是当前观测系统在该目标区域的双向聚焦性评价函数：

B_kk＝P_kS_k。 (4)

2.如权利要求1所述的基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，其特征在于：所述步骤2)中，检波点共聚焦点道集I_k根据由下述公式获得：

I_k(z_m)＝D(z₀)W(z₀,z_m) (1)

式中，D表示检波点采样算子；W表示波场上行波算子；z₀表示深度为零的地表位置；z_m表示目标点的z向坐标。

3.如权利要求2所述的基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，其特征在于：所述步骤3)中，检波点聚焦束P_k由下述公式获得：

P_k＝F_kI_k(z_m)＝F_kD(z₀)W(z₀,z_m) (2)

式中，F_k表示检波点聚焦算子；

检波点聚焦算子F_k采用逆时聚焦算子，将地表检波点所得共聚焦点道集，作为波场外推的边界，其计算过程完全模拟波传播的逆过程：从模型空间的最大时刻开始，以共聚焦点道集作为边界条件，逐时间层重建模型空间内的地震波场，一直计算到零时刻位置；即求解如下的波动方程定解问题：

式中，u表示位移场；x、y、z分别三维空间系中三个坐标方向上的坐标值；t表示波场传播的任一时刻；T表示波场传播的最大时刻；g_u表示地表记录的地震波场；公式(3)中的第二式为初始条件，第三式为边界条件。

4.如权利要求3所述的基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，其特征在于：所述步骤4)中，根据互换原理，将震源置于目标点，将观测系统中震源视为检波点，进行接收地表波场作为震源共聚焦道集；之后根据步骤3)计算检波点聚焦束P_k的方法来计算震源聚焦束S_k。

5.如权利要求1所述的基于逆时聚焦原理进行观测系统双向聚焦性的评价方法，其特征在于：所述步骤1)中，前期数据包括工区的地质、地震及测录井、钻井资料。