CN112099082B - 一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法 - Google Patents

一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于共面元共方位角道集地震回折波走时反演的三维起伏地表速度建模方法，属于地震勘探走时反演技术领域。本发明包括如下步骤：获取回折波走时数据；计算地表速度；获取共面元共方位角道集并编号；抽取当前共面元共方位角道集；将当前道集内的地震道按照偏移距从小到大排序；逐道计算回折波射线参数和速度梯度；逐道计算回折点速度和深度；判断是否还有未处理的共面元共方位角道集，如果有，则将下一个道集设置为当前共面元共方位角道集并进行处理，如果没有，则利用所有已计算的回折点速度和深度，计算离散模型所有网格点的速度；输出速度模型。本发明解决了现有的回折波走时反演方法不适用于近地表条件复杂地区的问题。

Description

一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法
技术领域
本发明涉及一种基于共面元共方位角道集地震回折波走时反演的三维起伏地表速度建模方法，属于地震勘探走时反演技术领域。
背景技术
地震勘探走时反演技术利用地震波走时建立地下介质的速度模型。通常分为利用地震初至波走时的初至走时反演方法和利用地震反射波走时的反射波走时反演方法。较反射波而言，初至波的初至走时往往易于识别和拾取，这使得初至走时反演的应用范围更加广泛。
常规的初至走时反演通过最小化给定模型的观测初至走时与实际走时的残差得到最终反演结果，这需要反复迭代，而且每次迭代都要进行大量的正演计算，因而其计算效率较低。在此基础上，通过线性求解射线方程和走时方程重建地下速度结构的初至走时反演方法受到众多学者的青睐，如折射波走时反演和回折波走时反演等。但折射波走时反演需要地下介质存在良好的折射界面，而基于连续介质假设的回折波走时反演更加符合实际情况，故而其具有广阔的应用前景。基于此，更有学者提出了利用回折波走时快速建立速度模型的剥层法，该方法极大地提高了速度建模的效率，但该方法仍利用基于水平地表假设的回折波走时方程，在近地表条件复杂的地区仍难以取得较好的效果。
目前现有的回折波走时速度建模方法均基于地表高程变化平缓和速度横向变化均匀的假设条件，该类方法在近地表条件简单的地区通常可以取得较好的应用效果。然而，该类方法没有考虑到剧烈起伏的地形对反演结果的影响，这使得现有的回折波走时速度建模方法在地形起伏剧烈的地区的应用效果较差。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，其解决了现有的回折波走时速度建模方法不适用于地表起伏剧烈的近地表条件复杂地区的问题。
本发明是采用以下的技术方案实现的，本发明所述一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，包括如下步骤：
步骤一：获取回折波走时数据；
步骤二：计算地表速度；
步骤三：获取共面元共方位角道集并编号；
步骤四：抽取当前共面元共方位角道集；
步骤五：将当前共面元共方位角道集内的地震道按照偏移距从小到大进行排序；
步骤六：逐道计算回折波射线参数和速度梯度；利用二分法求解如下方程计算回折波射线参数：
Figure 751762DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，x为偏移距，t为回折波走时，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，pn为回折波射线参数。特别地，当i=1时，vs,i-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,i-1即vr,0表示检波点处地表速度；
速度梯度计算公式如下：
Figure 574224DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，x为偏移距，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，vs,n-1为当前层炮点端速度，vr,n-1为当前层检波点端速度，pn为回折波射线参数，bi为第i层速度梯度，bn为当前层速度梯度。特别地，当i=1时，vs,i-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,i-1即vr,0表示检波点处地表速度；当n=1时，vs,n-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,n-1即vr,0表示检波点处地表速度；
步骤七：逐道计算回折点速度和深度。回折点速度计算公式如下：
Figure 841258DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，n为当前层编号，pn为回折波射线参数，vn为当前层回折点处速度；
回折点深度计算公式如下：
Figure 40158DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，vn为当前层回折点速度，vn-1为当前层回折点所对应的顶界面速度，bn为当前层速度梯度，zn-1为当前层回折点所对应的顶界面的深度,zn为当前层回折点所对应的深度。特别地，当n=1时，vn-1即v0表示面元中点处对应的地表速度，zn-1即z0表示面元中点处对应的深度；
步骤八：判断是否有未经处理的共面元共方位角道集，若有，则将该未经处理的共面元共方位角道集设置为当前共面元共方位角道集，返回步骤六；若无，执行下一步骤；
步骤九：利用所有已计算的回折点速度和深度，通过反距离加权插值算法计算离散速度模型所有网格点速度；
步骤十：输出速度模型。
进一步地，在步骤一所述回折波走时数据中，应包括炮点坐标、炮点井深、检波点坐标、回折波初至走时。
本发明的有益效果是：采用本发明所述的一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，本发明基于炮检点分解原理，利用每一个炮检对的绝对偏移距和绝对走时计算回折波射线参数和速度梯度，其不受相邻道的影响，从而避免了地表起伏对回折波射线参数计算的影响，以及炮检点高程差异大使得回折点深度计算不准等问题，其克服了现有回折波走时速度建模方法难以适用于近地表条件复杂地区的问题；本发明计算简单、易于实现、耗时少，具有很强的适应性，且反演结果可靠性高。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明测试所用理论速度模型图。
图3为基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果图。
图4为本发明反演结果图。
图5为理论速度模型在Y=625m处X-Z速度切片图。
图6为基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果在Y=625m处X-Z速度切片图。
图7为本发明反演结果在Y=625m处X-Z速度切片图。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法的流程图，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：获取回折波走时数据；
步骤二：计算地表速度；
步骤三：获取共面元共方位角道集并编号；
步骤四：抽取当前共面元共方位角道集；
步骤五：将当前共面元共方位角道集内的地震道按照偏移距从小到大进行排序；
步骤六：逐道计算回折波射线参数和速度梯度；利用二分法求解如下方程计算回折波射线参数：
Figure 646720DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，x为偏移距，t为回折波走时，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，pn为回折波射线参数。特别地，当i=1时，vs,i-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,i-1即vr,0表示检波点处地表速度；
速度梯度计算公式如下：
Figure 640083DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，x为偏移距，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，vs,n-1为当前层炮点端速度，vr,n-1为当前层检波点端速度，pn为回折波射线参数，bi为第i层速度梯度，bn为当前层速度梯度。特别地，当i=1时，vs,i-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,i-1即vr,0表示检波点处地表速度；当n=1时，vs,n-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,n-1即vr,0表示检波点处地表速度；
步骤七：逐道计算回折点速度和深度。回折点速度计算公式如下：
Figure 394413DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，n为当前层编号，pn为回折波射线参数，vn为当前层回折点处速度；
回折点深度计算公式如下：
Figure 131425DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，vn为当前层回折点速度，vn-1为当前层回折点所对应的顶界面速度，bn为当前层速度梯度，zn-1为当前层回折点所对应的顶界面的深度,zn为当前层回折点所对应的深度。特别地，当n=1时，vn-1即v0表示面元中点处对应的地表速度，zn-1即z0表示面元中点处对应的深度；
步骤八：判断是否有未经处理的共面元共方位角道集，若有，则将该未经处理的共面元共方位角道集设置为当前共面元共方位角道集，返回步骤六；若无，执行下一步骤；
步骤九：利用所有已计算的回折点速度和深度，通过反距离加权插值算法计算离散速度模型所有网格点速度；
步骤十：输出速度模型。
进一步地，在步骤一所述回折波走时数据中，应包括炮点坐标、炮点井深、检波点坐标、回折波初至走时。
实施例1：
下面结合具体实施方式，对于本发明进行解释和说明。
为了进一步说明本方法的实现思路及实现过程并证明方法的有效性，用地表起伏且速度横向变化的3D理论模型进行测试，并和基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果进行比较：
S1：本发明的理论速度模型大小为3000m×1250m×600m，理论模型地表起伏且速度横向变化，最大高程差为244m；
S2：在地表布设了390个炮点和2023个检波点；炮间距75m，道间距25m，炮线距125m，接收点线距75m；
S3：采用空间2阶时间10阶精度的规则网格有限差分方法求解二阶常密度声波方程得到模拟的观测地震记录；
S4：从模拟的观测地震记录中拾取回折波走时数据，回折波走时数据包括炮点坐标、炮点井深、检波点坐标、回折波初至走时；
S5：用近道直达波计算检波点速度，通过反距离加权插值算法利用已知检波点速度计算地表速度；
S6：获取共面元共方位角道集并编号，面元大小为50m×75m，方位角为45°，将每个面元按照方位角划分为8个方位；
S7：抽取当前共面元共方位角道集；
S8：将当前共面元共方位角道集内的地震道按照偏移距从小到大进行排序；
S9：利用公式（1）和公式（2）分别逐道计算回折波射线参数和速度梯度；
S10：利用公式（3）和公式（4）分别逐道计算回折点速度和深度；
S11：判断是否有未经处理的共面元共方位角道集，若有，则将该未经处理的共面元共方位角道集设置为当前共面元共方位角道集，返回S8；若无，执行下一步骤；
S12：利用上述所有已计算的回折点速度和深度，通过反距离加权插值算法计算离散速度模型所有点速度；
S13：输出速度模型。
为更好说明本方法的有效性、适用性，截取照明度好、覆盖次数高的部分模型进行解释和说明，所截取的部分理论模型如图2所示，其大小为1000m×1000m×300m，X方向截取1000m-2000m，Y方向截取125m-1125m，Z方向截取0-300m。图3为基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果，图4为本发明反演结果。对比图3和图4，可以看出，基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果则存在明显的速度横向变化，且在纵向上存在速度突变；而本发明的反演结果速度横向变化平缓，纵向随深度线性递增，与理论模型比较相符。为更进一步说明本发明的有益效果，分别抽取X方向速度切片进行比较分析，图5为理论模型在Y=625m处X-Z速度切片，图6为基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果在Y=625m处X-Z速度切片，图7为本发明反演结果在Y=625m处X-Z速度切片，可以看出，基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果在横向上存在明显的条带状分布，且在纵向上一定深度处存在速度突变；而本发明的反演结果速度横向变化平缓，纵向无速度突变，更接近图5所示的理论速度切片。综上所述，本发明反演结果较基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法的反演结果更接近理论模型，从而表明本发明在近地表起伏较大、速度横向变化的地区，可以取得比基于水平地表假设回折波走时方程的速度建模方法更好的实际应用效果。
以上所述仅为本发明的较佳实例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (4)

1.一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：获取回折波走时数据；
步骤二：计算地表速度；
步骤三：获取共面元共方位角道集并编号；
步骤四：抽取当前共面元共方位角道集；
步骤五：将当前共面元共方位角道集内的地震道按照偏移距从小到大进行排序；
步骤六：逐道计算回折波射线参数和速度梯度，回折波射线参数的计算公式如下：
Figure FDA0003143611800000011
其中，x为偏移距，t为回折波走时，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，pn为回折波射线参数；该公式中只有回折波射线参数pn未知，通过二分法求解该公式，从而得到回折波射线参数pn的值；当i＝1时，vs,i-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,i-1即vr,0表示检波点处地表速度；
速度梯度的计算公式如下：
Figure FDA0003143611800000012
其中，x为偏移距，i为每一层编号，n为当前层编号，vs,i-1为第i层炮点端速度，vr,i-1为第i层检波点端速度，vs,n-1为当前层炮点端速度，vr,n-1为当前层检波点端速度，pn为回折波射线参数，bi为第i层速度梯度，bn为当前层速度梯度；当n＝1时，vs,n-1即vs,0表示炮点处地表速度，vr,n-1即vr,0表示检波点处地表速度；
步骤七：逐道计算回折点速度和深度；
步骤八：判断是否有未经处理的共面元共方位角道集，如果有，则将该未经处理的共面元共方位角道集设置为当前共面元共方位角道集，返回步骤五；如果没有，执行下一步骤；
步骤九：利用所有已计算的回折点速度和深度，通过反距离加权插值算法计算离散速度模型所有网格点速度；
步骤十：输出速度模型。
2.根据权利要求1所述的一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，其特征在于，所述步骤二中，地表速度由直达波走时数据计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，其特征在于，所述步骤三中，共面元共方位角道集是指道集内任意两个炮检对连线夹角小于45°且这两个炮检对的中点之间的距离小于检波点线间距的地震道集。
4.根据权利要求1所述的一种共面元共方位角道集的地震回折波走时反演方法，其特征在于，在步骤七中，所述回折点速度计算公式如下：
Figure FDA0003143611800000021
其中，n为当前层编号，pn为回折波射线参数，vn为当前层回折点处速度；
所述回折点深度计算公式如下:
Figure FDA0003143611800000022
其中，vn为当前层回折点速度，vn-1为当前层回折点所对应的顶界面速度，bn为当前层速度梯度，zn-1为当前层回折点所对应的顶界面的深度,zn为当前层回折点所对应的深度；当n＝1时，vn-1即v0表示面元中点处对应的地表速度，zn-1即z0表示面元中点处对应的深度。
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