引用本文
杨飞龙, 孙渊, 路婧, 马迪, 井涌泉, 裴都. VSP高斯射线束法叠加成像[J]. 物探与化探, 2015,39(3): 627-632.
YANG Fei-Long, SUN Yuan, LU Jing, MA Di, JING Yong-Quan, PEI Dou. The Gaussian beam stack imaging method of VSP[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(3): 627-632.
Doi:10.11720/wtyht.2015.3.33  
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《物探与化探》编辑部
VSP高斯射线束法叠加成像
杨飞龙1, 孙渊1, 路婧1, 马迪1, 井涌泉2, 裴都3
1.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054
2.中海油研究总院,北京 100027
3.陕西省地质矿产勘查开发局 第二综合物探大队,陕西 西安 710016

作者简介: 杨飞龙(1988-),男,长安大学地球探测与信息技术专业在读博士研究生,主要从事地震波波场正演数值模拟方法及其应用技术研究。

收稿日期: 2014-09-14
基金: “十二五”国家科技重大专项(2011ZX05024-001-03)
摘要

叠加是地震数据处理的核心环节,可以有效地压制噪声提高信噪比。在VSP地震勘探中,常规的叠加方法在复杂构造中成像精度受到极大的限制。文中采用高斯射线束方法对复杂构造进行正演模拟,将得到的波场特征与实际资料波场特征进行对比,调整参数获得合适的速度场;在叠加过程中采用逆高斯的思想,对实际地震资料共炮集数据进行反射波场归位,得到共反射点道集数据,选择合适的面元尺寸进行叠加获得复杂构造的叠加波场特征。通过大量模型测试,VSP高斯束叠加方法可以有效地反演地下结构特征。应用该方法对M地区进行成像研究,结果表明该方法能够准确反演地下结构特征,为数据处理与解释提供依据。

关键词: VSP; 叠加; 高斯射线束; 正演; 逆高斯
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)03-0627-06
The Gaussian beam stack imaging method of VSP
YANG Fei-Long1, SUN Yuan1, LU Jing1, MA Di1, JING Yong-Quan2, PEI Dou3
1.College of Geological Engineering and Geomatics,Chang'an University,Xi'an 710054,China
2.CNOOC Research Center,Beijing 100027,China
3.No.2 Geophysical Exploration Party,Shaanxi Bureau of Geology and Mineral Resources,Xi'an 710016,China
Abstract

As one of the key steps in seismic data processing,stacking can effectively suppress the noise and improve signal-to-noise ratio.In VSP seismic exploration, the imaging precision of the conventional superposition method is greatly limited in the complex structure.In this paper,the authors used the Gaussian beam method as forward modeling method for complex structure,compared the wave field characteristics of model with features of real data,and obtained the appropriate velocity field through adjusting the parameters.The idea of inverse Gaussian beam was adopted in the process of stacking,the common reflection point gathers were obtained by migrating the reflection wave field of real seismic data to the correct position,and then the stacking field characteristics could be acquired by stacking the data in an appropriate bin size.A large number of model tests show that VSP Gaussian beam stacking method can effectively invert the underground structure characteristics.The method was used in the imaging study of M area,and the results show that this method can accurately invert the underground structure characteristics and provide an accurate basis for seismic data processing and interpretation.

Keyword: VSP; stacking; Gaussian beam; forward; inverse Gaussian beam

野外采集的地震数据经过预处理[1]之后得到反射波场特征, 如何使反射波归位成像是地震方法中十分关键的一步[2, 3, 4, 5]。目前地震反射波成像方法主要包括基于波动方程的成像方法和基于射线追踪叠加的成像方法。VSP-CDP转换算法是射线追踪叠加成像的经典方法, 它依据测井或者层析成像获得的速度场, 使用射线追踪方法进行反射波归位成像。当地下介质结构复杂, 速度横向变化剧烈时, 传统的VSP-CDP叠加成像方法不能很好地反应地下结构特征[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。文中基于VSP-CDP的共反射点叠加原理, 利用高斯射线束正演方法代替常规射线追踪方法, 并使用逆高斯的思想进行反射波归位成像, 不仅提高了运算效率, 使得VSP地震数据的成像范围与成像精度都有大幅度提高。

1 方法原理

VSP高斯束叠加成像的主要任务是使反射波准确归位, 因此合适的速度场是叠加成像中十分关键的一步[13, 14, 15]。为了得到准确的速度场特征, 首先使用研究区地质、测井以及地震勘探采集参数建立该区正演模型, 使用高斯射线束正演方法进行正演模拟, 通过对比模拟反射波波场特征与预处理之后的反射波波场特征, 调整参数获取准确的速度场; 然后采用逆高斯的思想对共炮集数据进行抽道选排得到共反射点道集数据; 最后以一定的面元尺寸进行叠加获得该研究区的叠加波场特征。

1.1 VSP高斯束正演

VSP高斯束正演方法是一种特殊的射线追踪方法[16, 17, 18], 它不仅考虑地震波在地下介质中传播的运动学特征, 同时具有地震波传播的动力学特点。高斯束是波动方程集中于射线附近的高频近似解, 它是一条以射线为中心的高频能量管。我们近似的把由震源发出地震波看做是一条条射线, 在地下介质中传播时满足地震波传播规律[19](斯奈尔定理, 费马原理, 惠更斯原理等)。通过运动学追踪求取射线的走时及运动轨迹, 根据动力学追踪获取每条射线到达接收井上的动力学特征, 然后将检波器附近有效射线进行高斯加权叠加合成地震记录。

高斯束运动学追踪是基于求解程函方程

∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2=1v21

来计算地震波的走时与运动轨迹。式中:T为地震波走时, v为地震波的传播速度。引入L为沿地震波传播方向的射线弧长, 由于射线与波前正交可由程函方程求得式(2):

dTdL=1v或dT=dLv。(2)

其中:dT/dL为T沿射线的方向导数。对T沿弧长L积分可得

T(L)=T(L0)+∫L0LdLv。(3)

如果给定L点的初值 T(L0), 则由式(3)可求出L点的传播时间T(L), 式(3)即为计算地震波的旅行时公式。

如图1所示, 由震源发出的一条条射线传播至接收井上时, 其能量对检波器的贡献呈高斯形态。图中R为检波器, L为检波器处高斯束的有效半宽度, D为相邻射线与中心射线之间的距离。

图1 高斯束示意

当D< L时, 将这些射线对检波器的能量高斯加权叠加起来获得检波器处的能量特征。根据V Cerveny在1983年提出的波包近似解析表达式来进行合成地震记录, 检波点R处的高斯波包

g(R)=(2πfm)12ΦA|e{-[2πfm(t-θ)/γ]2+(2πfmG/γ)2-2πfmG}×cos[2πf* (t-θ)+v+π/4-arg(ΦA)], f* =fm(1-4πfmG/γ2)。(4)

式中:A为地震波的振幅, 受地层反射系数影响; Φ 为叠加权系数, 与传播时间成正相关关系; θ 和G分别为波场位移相位因子的虚部和实部; t为地震波传播至检波点有效半宽度范围内的旅行时; fm、v、γ 为模拟地震波的子波参数, fm为子波主频, 在VSP地震勘探中子波主频可达到150 Hz, 大大提高分辨率; v和γ 分别决定子波的相位和宽度, 当v=0时子波为零相位, 当v=10时子波为混合相位。

1.2 逆高斯共反射点叠加

共反射点叠加基于VSP-CDP叠加的思想, 将不同的共炮点(CSP)道集进行抽道转换成共反射点(CRP)道集, 以一定的面元尺寸将共反射点道集数据叠加形成叠加数据[20]。准确的计算反射点的坐标以及旅行时是VSP-CDP叠加的核心, 文中, 使用高斯射线束方法计算每一条有效射线在地层界面上的反射点坐标。在横向上, 以一定的宽度形成共反射点(CRP)道集。由于合成地震记录时每一个检波器的能量是其周围有效射线的高斯加权叠加, 因此在反射点归位时利用逆高斯的思想计算每一个有效反射点所对应地震道的旅行时及能量特征[21, 22, 23]。在纵向上, 根据正演得到的速度场模型求取相邻地层在该CRP道集上的旅行时, 将这一时间段的地震记录安置在这一套地层上, 按照同样的思想在纵向上形成该CRP道集的一道记录。最后以一定的面元尺寸, 将CRP道集叠加起来形成最终的叠加剖面。叠加面元的选择根据模型的范围、最大偏移距以及反射点的覆盖范围来决定, 当模型较小时, 以模型的端点作为叠加起始道, 叠加面元的大小满足反射点较均匀的分布在叠加面元中。当叠加面元选择较大时, 容易造成叠加剖面上成像范围太小, 甚至不能反映真实地质构造; 当模型较大时, 可以选择最大偏移距处作为叠加起始道, 叠加面元的选取依然满足反射点均匀分布的原则。

图2 逆高斯反射归位

如图2所示, 高斯束正演时接收井上的每一个检波器的能量都是由其有效半宽度范围内的射线加权叠加得到的。图中a为正演时由炮点传播至接收井上某检波器有效射线合成的地震记录。在高斯束叠加时, 将a的能量采用逆高斯的思想分配给所有对该道检波器有贡献的射线上。如图中b所示, 对所有有效射线进行反射波归位形成共反射点(CRP)道集。反射波归位的过程其实就是通过正演计算出有效射线的旅行时t1及反射点坐标, 使用正演得到的速度场进行深时转换计算每条有效射线反射点的自激自收时间t2, 最后将炮集记录上t1时刻起的地震数据搬家到以t2时刻开始的共反射点道集上。按照该原理可以将有效射线构成一个共反射点(CRP)道集, 这样有效地增大了反射波的覆盖范围, 提高了成像的精度。最后按照一定的面元大小进行叠加, 形成叠加剖面如c所示。根据上述思想建立逆高斯叠加成像流程如图3所示。

图3 逆高斯束叠加成像流程

2 模型试算

为了测试VSP高斯束叠加成像方法的适应性及准确性, 建立如图4a所示的地质模型, 其中包含正断层、逆断层和倾斜地层, 模拟结果如图4。炮点置于地面处, 检波点位于接收井中, 检波器起始深度为30 m, 检波器之间垂深为20 m, 共30道接收。图4a中地层速度分别为v1=1 800 m/s, v2=2 000 m/s, v3=2 300 m/s, v4=2 600 m/s。图4 b为6炮不同偏移距的VSP高斯束正演射线路径, 偏移距分别为550、850、1 150、1 450、1 650、1 850 m; 图4c为其所对应的共炮点道集记录; 图4d为经过逆高斯叠加得到的叠加剖面, 叠加面元为2 m。由测试结果可知, VSP高斯束叠加方法适应复杂构造, 能够准确反演地下地质构造, 具有较高的成像精度, 并且对于复杂构造盲区能够准确反演。

图4 断层模型VSP高斯束叠加

3 与传统VSP-CDP叠加成像对比

为了说明VSP高斯束叠加成像方法在成像精度及成像范围优于传统VSP-CDP叠加成像方法, 建立相同的地质模型和观测系统, 使用VSP高斯束叠加成像方法与传统的VSP-CDP叠加成像方法进行对比(图5)。从图5a、5b中可以清楚地看到, 高斯束法正演的覆盖次数及覆盖范围均优于常规叠加方法, 在成像时有利于复杂构造的成像。图5c、5d分别为传统VSP-CDP叠加成像与VSP高斯束叠加成像的结果, 从图中可以看出, VSP高斯束叠加成像方法能够准确反演地下构造真实情况, 分辨率高。

图5 不同叠加成像方法对比示意

4 实际资料应用

为了验证VSP共反射点叠加成像的应用效果, 将该方法应用在M地区变偏VSP[24]反射波成像研究之中。根据M地区测井及地质数据建立如图6a所示的地质模型及观测系统, 炮点置于地面处, 检波点位于接收井中, 检波器起始深度为700 m, 检波器之间垂深为5 m, 共40道接收, 检波点的接收范围为700~900 m。炮点偏移距分别为1 300、1 150、990、830、680、630 m。

使用高斯束正演方法以声波测井速度为基础进行正演模拟, 得到如图6a所示的地震波射线路径, 对比正演结果与实际记录反射波场特征[25], 调整速度参数使得正演记录与实际数据吻合, 如图6b、6c所示的对比调整前后波场特征, 调整后的地层速度分别为v1=1 800、v2=2 170、v3=2 330、v4=2 470、v5=2 550、v6=2 500、v7=2 600、v8=2 690、v9=2 810 m/s。速度调整是一个手动调整的过程, 以声波测井速度为基础, 满足正演模拟的反射波场与实际资料反射波场吻合为原则。反射界面以原始地质和测井资料为依据建立, 在对比波场时也需要微调地质模型的参数, 使得正演波场与实际波场吻合。

最后使用VSP高斯束叠加方法进行叠加成像, 叠加面元为10 m, 得到如图6d所示的叠加剖面。从叠加效果来看, VSP高斯束叠加方法能够有效地反演地下地层结构信息, 由于使用高斯束叠加使得成像范围增加, 成像的结果更能反映真实地层结构特征。

图6 M地区VSP地震资料高斯束叠加

5 结论

利用VSP高斯束叠加方法对理论模型及实际地震资料进行研究, 结果表明该方法能够有效反映地下地层结构信息。由于高斯束正演可以避免复杂构造产生的盲区现象, 并且高斯束正演获得的有效射线增大了反射点覆盖范围, 为高斯束叠加成像提供更大范围的反射信息, 因此在叠加时可以对地下复杂构造进行准确成像。VSP高斯束叠加方法对于VSP成像研究具有深刻意义, 在VSP地震勘探开发领域中有广阔的应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

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