CN111551991A - 一种基于目的层确定震源组合参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于目的层确定震源组合参数的方法，包括以下步骤：S1、收集目标工区地震勘探单炮记录和原始地震剖面，确定地震剖面上成像较差的目的层区域；S2、将震源布置于成像较差的目的层区域进行数值模拟，得到震源位于该目的层区域处激发传播至地表时能量的分布情况，确定有利激发区域；S3、利用主波束方向方程，计算震源位于成像较差的目的层区域激发时，能量波出射地表的角度；S4、在有利激发区域，利用步骤S3中求出的地表的角度，通过目标函数确定震源组合参数；S5、重复S2‑S4，计算目标工区中其他成像较差的目的层区域，获得地震剖面，本发明提高地震剖面的成像效果，更加真实反映地下构造。

Description

一种基于目的层确定震源组合参数的方法
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，具体涉及一种基于目的层确定震源组合参数的方法。
背景技术
人工激发炸药震源所引起的地震波利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，通过对单炮记录进行处理，得到地震剖面，用以推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法称之为地震勘探。地震勘探是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法，它是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段。
通过对某一工区进行地震勘探，可以得到该工区的单炮记录，对单炮记录进行一系列处理可以得到该工区的地震剖面，通过地震剖面可以了解该工区的地下构造。高质量的地震剖面可以更加准确刻画地下构造信息，进而精确指导找油找气。
但是由于一个多世纪的不间断勘探，国内绝大多数油气田勘探程度较高，需要把勘探方向转到处于深层、薄层的隐蔽性油气藏以及复杂构造油气藏等。因此需要提高勘探精度，得到高分辨率和高信噪比的地震资料。
刘福烈等人根据相控震源理论，对震源组合激发参数进行理论分析，通过对震源个数、震源组合间距参数组合，可以得到不同的地震震源能量传播方向。该方法忽略了实际生产中地表高低起伏较大，只把震源布置在一水平排列上，没有把震源的高差考虑在内；其次，没有考虑各个震源激发时存在延迟时间的情况；最后，该方法中能量下传区分布范围只是一个大致的范围，没有以勘探目的层区域为目标进行定向激发地震波，存在较大的误差，地震剖面效果成效较差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于目的层确定震源组合参数的方法,以勘探区域深部目的层区域为目标导向，确定能量传播至目的层区域时地震波在地表入射时的角度，提高地震剖面的成像效果，更加真实的反应地下构造。
本发明采用下述的技术方案：
一种基于目的层确定震源组合参数的方法，包括以下步骤：
S1、收集目标工区地震勘探单炮记录和原始地震剖面，确定地震剖面上成像较差的目的层区域；
S2、将震源布置于成像较差的目的层区域进行数值模拟，得到震源位于该目的层区域处激发传播至地表时能量的分布情况，确定有利激发区域；
S3、利用主波束方向方程，计算震源位于成像较差的目的层区域激发时，能量波出射地表的角度；
S4、在有利激发区域，利用步骤S3中求出的地表的角度，通过目标函数确定震源组合参数；
所述目标函数为:
Figure BDA0002482191310000021
式中，θ为主波束方向(能量波出射地表的角度)，°；n为震源组合个数，个；d为震源组合间距，m；f为子波频率，Hz；t为延迟激发时间,ms；Δh为震源埋深高差，m；v为介质速度，m/s；α1为θ+20°、α2为360°－(θ+20°)；
S5、重复步骤S2-S4，计算目标工区中其他成像较差的目的层区域，绘制地震剖面，有利于准确推断地下地层构造，进而达到精准寻找油气的目标。
优选的，所述数值模拟的参数设置如下：网格间距均为10m，时间采样间隔1ms，震源主频30Hz，炮间距50m，震源深度为10m，位于地表的检波器记录时长5s。
优选的，所述主波束方向方程为：
Figure BDA0002482191310000031
式中，tF为初至波到达地表的时间，ms；τ为分析时间段，ms；x、z分别为横坐标和纵坐标，无量纲；m为标准矢量,m(1，0)；P为坡印廷矢量，无量纲。
优选的，所述震源组合参数包括震源组合个数，延迟激发时间，震源组合间距，震源埋深高差。
本发明的有益效果是：
1、本发明以勘探目的层区域为目标导向，确定能量传播至目的层区域时地震波在地表入射时的角度，进而得到地表震源组合参数，以增强对勘探目的层区域能量的投射，提高地震剖面的成像效果，更加真实地反映地下构造；
2、本发明将实际生产的地表情况考虑在内，增加震源高差参数项，增加各个震源激发时的时间延迟项，更符合震源组合的实际情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为本发明高陡复杂构造模型示意图；
图2为本发明震源位于a点激发时炮点照明图及地表能量统计示意图；
图3为本发明地表方向统计示意图；
图4为本发明震源位于a点时地表方向的统计情况示意图；
图5为本发明相控震源组合示意图；
图6为本发明倾斜线性组合激发示意图；
图7为本发明震源区域划分简易示意图；
图8为本发明震源位于a点处激发时地表接收能量统计以及主波束方向统计示意图；
图9为常规震源激发的波场照明示意图；
图10为采用本发明方法得到相同数值模拟参数下的波场照明图和某一单炮记录示意图；
图11为常规震源激发的某一单炮记录示意图；
图12为采用本发明方法得到相同数值模拟参数下的单炮记录示意图；
图13为采用传统震源激发的单炮记录处理后得到叠后偏移剖面示意图；
图14为采用本发明方法进行定向组合震源激发，然后处理单炮记录得到的叠后偏移剖面示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无须创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图14所示，一种基于目的层确定震源组合参数的方法，包括以下步骤：
S1、收集目标工区地震勘探单炮记录和原始地震剖面资料，确定地震剖面上成像较差的目的层区域；
S2、将震源布置于成像较差的目的层区域进行数值模拟，得到震源位于该目的层区域处激发传播至地表时能量的分布情况，确定有利激发区域；
如图1所示，图中a处为成像较差的目的层区域之一，a点坐标为(5230m，1680m)，把震源布置于a处，进行数值模拟，数值模拟参数设置如下：网格间距均为10m，时间采样间隔1ms，震源主频30Hz，炮间距50m，震源深度为10m，在地表布置检波器，接受每个时刻下地表检波器接收的能量情况，记录时长5s。
如图2所示，图中黑色曲线即为震源位于(5230m，1680m)激发时在地表接收能量的情况。从曲线上可以看出，在1330m-1760m、3555m-4754m、7774m-8294m范围内接收到能量较大，根据地震波可逆性原理，在这三个区域布置震源激发时，对a点贡献的能量相对于其他位置布置震源激发要强一些，所以这些区域即为有利激发区域。
S3、利用主波束方向方程，计算震源位于成像较差的目的层区域激发时，能量波出射地表的角度；
地表方向指的是炮点位于深层激发时，能量传播至地表的角度的互补值。对地表方向进行统计即可得炮点位于深层激发时能量入射地表的方向情况。根据地震波的互易性原理，在地表以地表方向的反方向进行定向激发，能量将会传播至深层的炮点激发位置。因此，地表方向即是我们需要的主波束方向的反方向。
根据坡印廷矢量和胡克定律，声波的能流密度矢量(坡印廷矢量)可表示为：
P＝v·p (1)
式中，v为速度场值，m/s；p为应力场值，N；
如图3所示，在目的层S处激发震源，当初至波(最早传播至地表的地震波)传播至地表R点时计算出R点的坡印廷矢量。根据地震波互易性原理，在R点激发震源，以π-Φ为主波束方向进行震源组合，则对S点的贡献的能量最大。
为提高地表方向性统计的精确度，选取一个时间段计算初至波的传播方向，则我们需要的主波束方向的计算公式可以表示为：
Figure BDA0002482191310000061
式中，tF为初至波到达地表的时间，ms；τ为分析时间段，ms；x、z分别为横坐标和纵坐标，无量纲；m为标准矢量,m(1，0)；P为坡印廷矢量，无量纲。把震源放置在a点进行数值模拟的结果(主要是速度场值v和应力场值p)代入公式2中，得到震源位于a点时地表方向的统计情况，如图4所示，图中曲线即为震源位于(5230m，1680m)激发时，地表统计的地表方向情况。
S4、在有利激发区域，利用步骤S3中求出的地表的角度，通过目标函数确定震源组合参数，震源组合个数n，延迟激发时间t，震源组合间距d，震源埋深高差Δh。
如图5所示，设地震波是平面波，在均匀介质中传播。在近地表沿直线布置n个震源，各个震源之间的距离为d，震源激发产生地震波的波长为λ，在震源排列下方有一个目标体，埋藏较深，所以各个震源与目标体的方向夹角均可视为θ。
假设，一个震源在目标体处产生的波场强度为Si(θ)，则整个震源排列在目标体处产生的总的波场强度S(θ)为：
Figure BDA0002482191310000071
式中，ψ为相邻震源在目标位置产生场强的相位差，rad；ai为各个震源激励振幅，不失一般性，令排列中各个震源的激励振幅都相等，即ai＝a，则在目标体处总的波场场强为：
Figure BDA0002482191310000072
式中，i、j分别为复数的实部和虚部；
公式4整理后取模：
Figure BDA0002482191310000073
通过公式5可知，当时ψ＝0，各个震源产生的地震波在目标处同向叠加，不存在相位差，此时取得最大值：
Figure BDA0002482191310000081
一个由n个震源组成的震源排列相对于一个震源在目标体处的总的波场场强最大能提升n倍。此时θ＝θmax，θmax则为场强最大的方向，另有
β＝-kdcosθmax (7)
Figure BDA0002482191310000082
即当相邻震源激发相位差为-kdsinθmax时，相控震源产生的地震波在方向θmax上场强最大。
将公式5除以公式6得归一化的能量空间响应函数：
Figure BDA0002482191310000083
式中，kdcosθ+β＝ψ，即总相位差是空间相位差与激发相位差的总和。
公式10可以看出，震源组合能量的空间响应是关于震源组合个数n、震源组合间距d、子波波长λ，激发相位差β和目标方向θ的函数，其中
Figure BDA0002482191310000084
v为介质速度，m/s；f为子波主频，HZ。所以，当参数n、d、v、f、β确定之后，E(θ)就是关于自变量θ的函数。代入各个参数，化简为：
Figure BDA0002482191310000085
如图6所示，考虑震源呈倾斜线性分布，与水平面夹角为，产生的主波束方向为θmax，则有
Figure BDA0002482191310000086
此时进行等时激发(延迟时间t＝0)仍然满足在θmax方向上组合能量最大，由于
Figure BDA0002482191310000087
把震源高度差换算成时间差则有：
Figure BDA0002482191310000088
根据公式12，只要选择合适震源高差和震源组合间距，就可以得到需要的主波束方向。此时激发相位差β包括两部分，一部分是由于激发时间存在延迟导致的激发相位差，另一部分是由于震源之间存在高程差导致的激发相位差。
Figure BDA0002482191310000091
式中，t为震源延迟激发时间，ms；Δh为震源之间的高程差，m；将公式11整理：
Figure BDA0002482191310000092
式中，f为子波频率，n为震源组合个数，t为延迟激发时间，d为震源组合间距，Δh为震源埋深高差。
根据震源区域划分简易图(如图7所示)建立理论信噪比公式：
Figure BDA0002482191310000093
即，目标函数为
Figure BDA0002482191310000094
式中，θ为主波束方向(能量波出射地表的角度)，°；n为震源组合个数，个；d为震源组合间距，m；f为子波频率，Hz；t为延迟激发时间,ms；Δh为震源埋深高差，m；v为介质速度，m/s；α1为θ+20°、α2为360°－(θ+20°)；
如图8所示，在有利激发区域选择一点A(4000m，0m)，该点对应的地表方向为63°，代入公式15，寻优可得一组震源组合参数，如表1所示。
Figure BDA0002482191310000095
Figure BDA0002482191310000101
表1震源组合参数表
通过得到的震源组合参数，进行数值模拟，可以得到新的单炮记录和地震剖面；
图9和图11分别是常规震源激发的波场照明图和某一单炮记录，图10和图12分别是采用本方法得到相同数值模拟参数下的波场照明图和某一单炮记录，对比可以发现，通过本方法，在波场照明图上可以看到目标层区域a处得到的能量明显增强；在单炮记录上可以明显看到噪声得到一定压制，并且有效反射同向轴的能量明显增强。
通过对比图13和图14可以明显看到，通过定向组合震源激发，加大对高陡构造以及深部地层的能量投射，剖面上成像效果明显改善。
S5、重复步骤S2-S4，计算目标工区中其他成像较差的目的层区域，获得整个目标工区的地震剖面，有利于准确推断地下地层构造，进而达到精准寻找油气的目标。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于目的层确定震源组合参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、收集目标工区地震勘探单炮记录和原始地震剖面，确定地震剖面上成像较差的目的层区域；
S2、将震源布置于成像较差的目的层区域进行数值模拟，得到震源位于该目的层区域处激发传播至地表时能量的分布情况，确定有利激发区域；
S3、利用主波束方向方程，计算震源位于成像较差的目的层区域激发时，能量波出射地表的角度；
S4、在有利激发区域，利用步骤S3中求出的地表的角度，通过目标函数确定震源组合参数；
所述目标函数为:
Figure FDA0002482191300000011
式中，θ为主波束方向(能量波出射地表的角度)，°；n为震源组合个数，个；d为震源组合间距，m；f为子波频率，Hz；t为延迟激发时间,ms；Δh为震源埋深高差，m；v为介质速度，m/s；α1为θ+20°，α2为360°－α1；
S5、重复步骤S2-S4，计算目标工区中其他成像较差的目的层区域，获得地震剖面。
2.根据权利要求1所述的一种基于目的层确定震源组合参数的方法，其特征在于，所述数值模拟的参数设置如下：网格间距均为10m，时间采样间隔1ms，震源主频30Hz，炮间距50m，震源深度为10m，位于地表的检波器记录时长5s。
3.根据权利要求1所述的一种基于目的层确定震源组合参数的方法，其特征在于，所述主波束方向方程为：
Figure FDA0002482191300000021
式中，tF为初至波到达地表的时间，ms；τ为分析时间段，ms；x、z分别为横坐标和纵坐标，无量纲；m为标准矢量,m(1，0)；P为坡印廷矢量，无量纲。
4.根据权利要求1所述的一种基于目的层确定震源组合参数的方法，其特征在于，所述震源组合参数包括震源组合个数，延迟激发时间，震源组合间距，震源埋深高差。
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