CN114722590B - 基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，首先提取目标区层位的地球物理参数信息；再利用建模软件建立三维的典型综合地质模型；然后设计观测系统2种方案：规则高密度和随机采集方案，最后采用上述观测系统参数利用模型进行正演模拟获取单炮，再处理获取偏移剖面，最后对比效果，若达不到要求，重新设计观测系统再来一遍，直至满足要求。本发明克服了以往随机采集中仅利用感知矩阵最大互相关值作为约束的局限，综合考虑地质任务和地质模型，用正演模型的成效效果评价随机采集观测系统方案，优选出最终的成像效果最接近理论模型的采集方案，确定最佳的基于地质模型的随机采集的观测系统方案。

Description

基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法

技术领域

本发明涉及一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，属于地球物理勘探技术领域。

背景技术

近年来压缩感知理论因其特有的优点得到广泛关注。它利用数据可稀疏表达的性质，采用远低于传统尼奎斯特采样率的稀疏随机采样，通过稀疏约束的优化算法重建完整的数据信号。该方法一方面突破了尼奎斯特采样定理的限制，打散了采样假频的分布，为拓宽信号的频率建立了理论基础；另一方面，采用了较少的采样，减少了信号数据在采集、传输、存储等方面人力和物力的投入。

由于地震波信号在不同的变换域具有稀疏性，具备了压缩感知的应用条件，因此地震勘探与压缩感知的结合，能够实现基于压缩感知稀疏采样的高密度数据信号重建，从而降低数据采集成本和提高勘探目标的分辨能力。

目前，压缩感知理论在地球物理勘探领域得到广泛应用。基于压缩感知理论，其采集方案设计也有一定的发展。Herrmann等提出了一种多震源的采集框架；Moldoveanu探索了海上数据采集的随机观测方法；Mosher等提出并完善了一种在观测系统设计中基于约束条件的更优选择激发点和接收点位置的非均匀采样方法；陈生昌等提出了一种针对地球物理数据的高效采集方法，并通过归一化各列数据的感知矩阵的互相关系数最小作为约束条件来设计最优的采集方案。周松提出利用贪心序贯策略来优化采样点位置，进而构建采样矩阵。以上方法均基于约束感知矩阵的列向量互相关系数最小作为约束条件进行观测系统设计，但尚未从地质模型角度评价随机采集非规则观测系统的优劣，仍缺少基于地球物理模型的方法对随机采集观测系统设计进行评价手段。

综上,常规的基于压缩感知的地震数据采集随机炮检点设计的方法，主要是通过降低感知矩阵的最大互相关值的方法设计随机采集观测系统的采集方案。但随着勘探精度的提高，地震勘探目标转向“薄、碎、隐、深、小”的复杂构造，常规的压缩感知的随机观测系统采集方案的评价手段过于简单，未考虑复杂地下地质目标的勘探需求，因此本发明开展基于地球物理模型的随机采集观测系统设计评价优选方法，从正演模拟的角度，优选出最佳成像效果的随机采集观测系统设计方案，满足地震勘探目标的需求，有利于提高地震采集资料的品质和精度。

发明内容

基于现有随机采集观测系统的评估技术过于简单，不适用于复杂地表和复杂地下情况，本发明提出一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，从正演模拟的角度，优选出最佳成像效果的随机采集观测系统设计方案，满足地震勘探目标的需求，有利于提高地震采集资料的品质和精度。

本发明采取的技术方案是：一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，包括以下步骤：

步骤1、根据研究工区的老资料，分析研究工区地质任务和主要地质目标层位、深度等地球物理特征参数，提取目标区层位的层速度、埋深、双程时、倾角、频率、主频等地球物理参数信息；

步骤2、优选具有代表性的老资料剖面，利用步骤1中提取的地球物理参数，利用tessral建模软件建立三维的典型综合地质模型；

步骤3、依据工区地质任务，设计能完成地震勘探目标的一套规则高密度观测系统采集方案G1；

步骤4、利用步骤2中的地质模型，采用规则高密度观测系统采集方案G1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮；

步骤5、对步骤4中的模拟单炮进行偏移处理获取对应的偏移剖面；

步骤6、根据规则高密度采集的观测系统方案，设计一套随机采集的观测系统采集方案C1；

步骤7、利用步骤2中的模型，采用随机采集方案C1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮；

步骤8、对随机采集方案C1获取的正演模拟单炮数据进行数据重构处理，重构的目标是规则高密度的观测系统方案，经重构处理后获得其对应的单炮记录；

步骤9、对步骤8中重构后的单炮记录进行偏移处理，获得重构后的偏移剖面；

步骤10、将步骤4、步骤5中规则采集方案G1的单炮记录和偏移剖面分别和步骤8、步骤9中随机采集方案C1重构后的单炮记录和偏移剖面做对比分析；

步骤11、对同一位置的随机采集方案C1重构后记录与规则采集方案G1的记录做残差处理，获取残差后的记录，分析残差记录中有残差值的不正常道数是否不超过总接收道数的二十四分之一，如不符合要求，即超过二十四分之一，则重复步骤6至步骤9，直至符合定量评价要求，优选性能最佳、成像效果最贴近实际模型的观测系统，确定最佳的基于地质模型的随机采集的观测系统方案，应用于野外试验。

作为本方案的进一步优选，所述步骤3中，设计规则高密度观测系统采集方案G1的步骤如下：

步骤31、优选研究工区1-2个论证点进行观测系统参数论证，利用步骤1中提取的地球物理参数采用公式①-公式③进行计算对应的面元、最大炮检距、接收线距等参数的取值；

(1)满足最高无混叠频率，防止偏移假频，面元边长b满足：

b_x≤V_rms/(4F_max×sinΨx)

b_y≤V_rms/(4F_max×sinΨy) ①

式中：b_x、b_y—纵、横向面元边长，m；Ψx、Ψy—纵、横方向地层倾角，°；

V_rms—均方根速度，m/s；F_max—反射波的最高无混叠频率，Hz；

(2)对最大炮检距提出要求，引起的频率变化可由下式求出：

X炮检距，V均方根速度，t₀双程反射时间，A动校拉伸率；设计时应考虑这种不利影响，使动校正拉伸对信号频率影响较小，把动校正拉伸率控制在12.5％范围内；

(3)接收线距不大于垂直入射时的菲涅尔带半径，即：

其中：fp地震反射波主频，Hz；V_R均方根速度，m/s；T₀双程反射时间，s；θ横向地层倾角，°；

步骤32、利用步骤31中观测系统参数的取值范围，设计多套观测系统采集方案，优选出观测系统属性分布均匀，且能满足地质任务要求的最佳性价比的观测系统方案，确定为最终的观测系统规则高密度采集方案G1。

作为本方案的进一步优选，所述步骤6中，设计随机采集的观测系统采集方案C1的步骤如下：

步骤61、首先确定数据重建后要达到的空间采样密度；

步骤62、根据探区地震资料的信噪比分析确定稀疏采样点数目；

步骤63、为保证采样的适当均匀，避免出现较大的空白区，对采样点进行适当的约束，并考虑有线仪器的排列，受大线长度的影响，最终确定检波点和接收点位置的约束条件(此处的约束条件主要是受仪器、采集设备的限制，需要提前声明炮检点距离或线距的取值范围作为约束)；

步骤64、计算采样点位置；根据确定的稀疏采样点数和确定的约束条件进行，按照下面的公式1分别计算炮点、检波点位置的最大互相关值μ，根据公式不断优化炮点、检波点位置，通过迭代算法以及全局微调，通过改变非规则采样点的分布来降低最大互相关值μ，获得互相关最小的采样方案，当最大相关值μ为最小时，即为最终的炮点、检波点位置；

列向量间的最大互相关值为μ，其中Ψ＝ΦF^H记为感知矩阵，其中Φ是采样矩阵，F^H是傅里叶变换的转置，其列向量为ψ_i。

本发明的有益效果是：本发明中的基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，从地球物理模型出发，利用正演模拟对应的叠加剖面评价随机采集观测系统方案的优劣，克服了以往随机采集中仅利用感知矩阵最大互相关值作为约束的局限，综合考虑地质任务和地质模型，用正演模型的成效效果评价随机采集观测系统方案，优选出最终的成像效果最接近理论模型的采集方案，确定最佳的基于地质模型的随机采集的观测系统方案。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是三维正演模型速度剖面图。

图3是不同的观测系统方案数据采集设计图；(a)目标数据，每条测线486检波器，30米均匀间距；(b)压缩感知不规则稀采数据，25％检波器，15-500米间距。

图4是正演建模、重建及其误差图；(a)高密度采集(486道，30米间距)；(b)CS优化保留75％道集(365道,15-75米)；(c)b的CS优化重建道集(486道，30米间距)；(d)a和c之间的结果残差。

图5是不同偏移剖面对比图；(a)高密度采集偏移剖面；(b)CS优化重建后的偏移剖面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1-5，本发明提供的一种实施例：一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，实施步骤如下：

步骤1、根据研究TH工区的老资料，分析研究工区的主要地质目标层位、深度、地质目标体大小等特征参数。

步骤2、优选具有代表性的老资料剖面，建立探区的速度模型，图2为速度模型其内部由不同尺度的溶洞，分别表示沿排列方向和垂直排列方向的速度模型。

步骤3、依据工区地质任务，设计能完成地震勘探目标的规则高密度观测系统采集方案G1。布设44条检波线，检波线距为180m，每条线456道，检波点距30m。布设116条炮线，炮线距90m，每条线68个炮点，炮点距30m，共7888炮。如图3(a)所示。

步骤4、利用步骤2中的速度模型，采用规则高密度方案G1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮，见图4(a)所示。

步骤5、对步骤4中的模拟单炮进行偏移处理获取对应的偏移剖面，见图5(a)所示。

步骤6、根据规则高密度采集的观测系统方案，设计一套随机采集的观测系统采集方案C1，即基于施工要求，非规则设计保持检波线结构，采用33条检波线，每条线365道。优化后的检波点最小点距为15米，最大点距为50米。同时，线距在非规则优化后，最小线距为60米，最大线距540米。1760炮在炮点限定区域分散开，不再维持炮排结构。优化后的炮点横距限定在30到360米区间，纵距限定在15到90米区间。

其中，采集方案C1的设计如下：

步骤61、首先确定数据重建后要达到的空间采样密度，以步骤3中的规则高密度采集的观测系统方案为重构目标，检波点重建目标44×486道，炮点重建目标7888炮。

步骤62、根据探区地震资料的信噪比分析确定稀疏采样点数目，确定采用接近重建目标一半的接收点接收和接近四分之一的激发点激发。

步骤63、为了保证采样的适当均匀，避免出现较大的空白区，对采样点要进行适当的约束，也要考虑有线仪器的排列，受大线长度的影响，最终确定检波点和接收点位置的约束条件，接收点道距在15-50m之间、接收线距在60-540m之间；炮排距在30-360m之间，炮点距在15-90m之间。

步骤64、计算采样点位置。根据确定的稀疏采样点数和确定的约束条件进行，按照公式分别计算炮点、检波点位置的最大互相关值，根据公式不断优化炮点、检波点位置，当最大相关值为最小时，即为最终的炮点、检波点位置。

步骤7、利用步骤2中的速度模型，采用随机采集方案C1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮。

步骤8、随机采集方案C1获取的正演模拟单炮数据进行数据重构处理，重构的目标是规则高密度的观测系统方案，经重构处理后获得其对应的单炮记录，见图4(b)所示。

步骤9、对步骤8中重构后的单炮记录进行偏移处理，获得重构后的偏移剖面，见图5(b)所示。

步骤10、将步骤4、步骤5中规则采集方案G1的单炮记录和偏移剖面分别和步骤8、步骤9中随机采集方案C1重构后的单炮记录和偏移剖面做对比分析其效果。

步骤11、评价随机采集方案C1重构后的单炮和偏移剖面效果是否满足数据残差的要求，如图4和图5所示可知从单炮和偏移成像效果对比可知，该优选出的随机采集观测系统设计方案可以较好地完成对溶洞的成像，验证了该方案设计的合理性，展示了基于地球物理模型的随机采集方案设计优选方法的优势。

基于地球物理模型的随机采集观测系统优选方法，借助地球物理模型，通过随机采集非规则数据的重建，得到的偏移剖面达到了高密度采集数据偏移剖面的品质。设计的随机采集观测系统方案满足地质模型评估需求，可用于野外数据采集试验。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、提取目标区层位的地球物理参数信息；

步骤2、利用步骤1中提取的地球物理参数，利用建模软件建立三维的典型综合地质模型；

步骤3、依据工区地质任务，设计能完成地震勘探目标的一套规则高密度观测系统采集方案G1；

步骤4、利用步骤2中的地质模型，采用规则高密度观测系统采集方案G1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮；

步骤5、对步骤4中的模拟单炮进行偏移处理获取对应的偏移剖面；

步骤6、根据规则高密度采集的观测系统方案，设计一套随机采集的观测系统采集方案C1；

步骤7、利用步骤2中的模型，采用随机采集方案C1进行正演模拟，获取对应的正演模拟单炮；

步骤8、对随机采集方案C1获取的正演模拟单炮数据进行数据重构处理，重构的目标是规则高密度的观测系统方案，经重构处理后获得其对应的单炮记录；

步骤9、对步骤8中重构后的单炮记录进行偏移处理，获得重构后的偏移剖面；

步骤10、将步骤4、步骤5中规则采集方案G1的单炮记录和偏移剖面分别和步骤8、步骤9中随机采集方案C1重构后的单炮记录和偏移剖面做对比分析；

步骤11、对同一位置的随机采集方案C1重构后记录与规则采集方案G1的记录做残差处理，获取残差后的记录，分析残差记录中有残差值的不正常道数是否不超过总接收道数的二十四分之一，如不符合要求，即超过二十四分之一，则重复步骤6至步骤9，直至符合定量评价要求，优选性能最佳、成像效果最贴近实际模型的观测系统，确定最佳的基于地质模型的随机采集的观测系统方案，应用于野外试验。

2.根据权利要求1所述的一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，其特征在于，所述步骤1中，提取目标区层位的地球物理参数包括层速度、埋深、双程时、倾角、频率、主频。

3.根据权利要求1所述的一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，其特征在于，所述步骤3中，设计规则高密度观测系统采集方案G1的步骤如下：

步骤31、利用步骤1中提取的地球物理参数采用公式①-公式③进行计算对应的面元、最大炮检距、接收线距等参数的取值；

(1)满足最高无混叠频率，防止偏移假频，面元边长b满足：

b_x≤V_rms/(4F_max×sinΨx)

b_y≤V_rms/(4F_max×sinΨy) ①

式中：b_x、b_y—纵、横向面元边长，m；Ψx、Ψy—纵、横方向地层倾角，°；V_rms—均方根速度，m/s；F_max—反射波的最高无混叠频率，Hz；

(2)对最大炮检距提出要求，引起的频率变化可由下式求出：

X炮检距，V均方根速度，t₀双程反射时间，A动校拉伸率；设计时应考虑这种不利影响，使动校正拉伸对信号频率影响较小，把动校正拉伸率控制在12.5％范围内；

(3)接收线距不大于垂直入射时的菲涅尔带半径，即：

其中：fp地震反射波主频，Hz；V_R均方根速度，m/s；T₀双程反射时间，s；θ横向地层倾角，°；

步骤32、利用步骤31中观测系统参数的取值范围，设计多套观测系统采集方案，优选出观测系统属性分布均匀，且能满足地质任务要求的最佳性价比的观测系统方案，确定为最终的观测系统规则高密度采集方案G1。

4.根据权利要求1所述的一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，其特征在于，所述步骤6中，设计随机采集的观测系统采集方案C1的步骤如下：

步骤61、首先确定数据重建后要达到的空间采样密度；

步骤62、根据探区地震资料的信噪比分析确定稀疏采样点数目；

步骤63、为保证采样的适当均匀，避免出现较大的空白区，对采样点进行适当的约束，并考虑有线仪器的排列，受大线长度的影响，最终确定检波点和接收点位置的约束条件；

步骤64、计算采样点位置；根据确定的稀疏采样点数和确定的约束条件进行，按照下面的公式1分别计算炮点、检波点位置的最大互相关值μ，根据公式不断优化炮点、检波点位置，通过迭代算法以及全局微调，通过改变非规则采样点的分布来降低最大互相关值μ，获得互相关最小的采样方案，当最大相关值μ为最小时，即为最终的炮点、检波点位置；

列向量间的最大互相关值为μ，其中Ψ＝ΦF^H记为感知矩阵，其中Φ是采样矩阵，F^H是傅里叶变换的转置，其列向量为ψ_i。