一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法

摘要

本发明涉及一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法，包括以下步骤：对海底电缆地震资料的纵波地震道集和转换波地震道集进行前期处理；进行纵波叠前时间偏移速度扫描，建立纵波速度模型；进行横波叠前时间偏移速度扫描，建立横波速度模型；建立纵横波速度比模型并进行优化；对选定速度建模控制线进行转换波叠前时间偏移成像，得到控制线成像道集；对优化纵横波速度比场进行百分比扫描偏移；根据三个准则从控制线成像道集中优选最佳百分比系数，形成最终优化系数体；将优化纵横波速度比场乘以最终优化系数体，得到最终纵横波速度比模型；使用纵波速度模型、横波速度模型和最终纵横波速度比模型对整个勘探工区的转换波进行叠前时间偏移成像。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于叠前时间偏移的三维三分量地震资料速度建模方法，尤其涉及一种基于双平方根走时方程的三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法。

背景技术

地震勘探是人类获取地下结构等信息的最重要手段，在油气勘探领域起着举足轻重的作用。在过去的一百多年油气勘探历程中，纵波勘探发挥了不可替代的作用，但随着勘探的深入，传统纵波勘探的不足之处开始显现，例如纵波对裂缝发育带的敏感性不够、在含气带构造成像困难等。在此背景下，多波多分量勘探逐渐兴起，其中海上多波多分量地震勘探通常采用海底电缆(OBC，Ocean Bottom Cable)进行采集。纵波与转换波联合勘探对于认识地质目标、提高勘探成功率有重大意义，而OBC地震资料正是纵波与转换波数据的结合体。OBC地震资料的数据量大、影响参数多，所以处理难度较大，其中OBC地震资料的偏移成像是OBC地震资料处理中的关键环节，而偏移成像的核心环节又在于速度模型的建立，所以对于OBC地震资料，建立一套高精度速度建模方法尤为重要。

OBC地震资料速度建模的重心都集中在转换波的处理上，目前国内外已经存在一些对转换波数据进行速度建模的方法，大体都类似于传统纵波叠加速度分析过程，即基于水平层状介质假设，使用初始模型计算出转换点的位置，抽取共转换点道集；根据转换波的时距曲线方程对共转换点道集做双曲校正，然后进行转换波速度分析，利用纵波速度和速度分析所得的转换波速度计算得到新的纵横波速度比场；将所得模型作为新的初始模型重复上述过程，便能完成整个速度建模过程。这些方法使用单平方根走时方程近似双平方根走时方程，只适用于横向弱变速、构造较为简单的地质情况，而实际地质情况往往较为复杂，导致这些方法的使用效果欠佳。

此外，业界还有一种基于叠前时间偏移的迭代转换波速度建模方法，通过输入初始模型进行叠前时间偏移，对偏移道集进行反动校，然后做非双曲时距校正，对校正后的道集做转换波速度分析得到转换波速度场；经过若干次迭代可得最终转换波速度场，并由此可求纵横波速度比场。该方法需要较多的人机交互，并且通过反动校得到的道集误差较大，最终影响速度模型的精度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法，采用双平方根走时方程对每一个成像点进行三参数叠前时间偏移速度扫描，形成共成像点道集，根据共成像点道集形成速度谱，通过一次性拾取速度谱来建立速度模型，无需偏移道集反动校，省去迭代过程，适用于复杂构造下的偏移速度建模。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法，包括以下步骤：

1)对海底电缆地震资料的纵波地震道集和转换波地震道集进行前期处理，包括地震道集的去噪、振幅调整以及径向、切向分量旋转处理；

2)向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入经过前期处理的纵波地震道集数据，进行纵波叠前时间偏移速度扫描，建立纵波速度模型；

3)向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入步骤2)得到的纵波速度模型和经过前期处理的转换波地震道集数据，进行横波叠前时间偏移速度扫描，建立横波速度模型；

4)建立纵横波速度比模型，并进行优化，得到优化纵横波速度比模型；

5)使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型和步骤4)得到的优化纵横波速度比模型对选定的速度建模控制线进行转换波叠前时间偏移成像，得到控制线成像道集；对优化纵横波速度比场乘以不同的百分比系数，进行控制线的百分比扫描偏移；根据三个准则从控制线成像道集中优选出最终最佳百分比系数，形成最终优化系数体；将优化纵横波速度比场乘以该最终优化系数体，得到最终纵横波速度比模型；

6)使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到横波速度模型和步骤5)得到的最终纵横波速度比模型对整个勘探工区的转换波进行叠前时间偏移成像。

所述步骤2)中基于双平方根走时的偏移成像方程为：

Image＝∫D(x_s,y_s,x_r,y_r,t＝t(t₀,x,y,ρ_s,ρr))dx_sdy_sdx_rdy_r

其中，

$t=\frac{\sqrt{{z_0}^2+{{\rho }_s}^2}}{v_p}+\frac{\sqrt{{z_0}^2+{{\rho }_r}^2}}{v_s}$

$t_0=\frac{z_0}{v_p}+\frac{z_0}{v_s}$

式中，Image表示生成的每个成像点的成像幅值；t表示基于绕射原理的双平方根走时；t₀表示转换波的双程时间；I表示成像点，其坐标为(x,y,t₀)；v_p和v_s分别表示成像点的纵波速度和横波速度；ρ_s和ρ_r分别表示炮点和接收点到成像点投影点的距离；z₀表示成像点对应的深度；x_s,y_s表示炮点的坐标；x_r,y_r表示接收点的坐标；D表示叠前地震数据。

所述步骤2)中建立纵波速度模型，具体包括以下步骤：

①将基于双平方根走时的偏移成像方程中的横波速度换成纵波速度；使用间隔相等的一系列纵波速度对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的纵波速度形成不同的纵波成像道集；

②基于纵波成像道集，根据互相关运算准则形成纵波速度谱；

③根据纵波速度谱拾取纵波速度，形成纵波速度—时间对文本；

④由纵波速度—时间对插值形成纵波速度模型；

⑤使用建立的纵波速度模型对纵波数据进行叠前时间偏移成像，得到纵波偏移成像剖面。

所述步骤3)中建立横波速度模型，具体包括以下步骤：

I、使用等间隔的一系列横波速度对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的横波速度形成不同的转换波成像道集；

II、基于转换波成像道集，根据互相关运算准则形成横波速度谱；

III、基于横波速度谱，参照步骤2)的步骤⑤得到的纵波偏移成像剖面，拾取横波速度，形成横波速度—时间对文本；

IV、由横波速度—时间对插值形成横波速度模型。

所述步骤4)中建立纵横波速度比模型并进行优化，具体包括以下步骤：

a、使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型和等间隔的若干个常数纵横波速度比场对转换波进行叠前时间偏移成像，由成像道集最为平直的纵横波速度比值确定勘探工区各个成像点纵横波速度比值的分布范围；

b、建立初始纵横波速度比场；

c、对建立的初始纵横波速度比场乘以不同的百分比系数，进行百分比扫描偏移；根据三个准则从偏移成像道集中优选出最佳百分比系数，形成优化系数体；将初始纵横波速度比场乘以该优化系数体，得到优化的纵横波速度比模型。

所述步骤b中当工区具有井资料时，根据井资料找出纵横波均方根速度间的关系，依据纵横波均方根速度间的关系计算初始纵横波速度比场。

所述步骤b中当井资料不足或没有井资料时，向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型以及经过前期道集处理的转换波数据，以等间隔的一系列纵横波速度比对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的纵横波速度比形成不同的转换波成像道集；基于成像道集形成纵横波速度比谱，参照步骤a得到的勘探工区各个成像点纵横波速度比值的分布范围，以及步骤2)的步骤⑤得到的纵波偏移成像剖面，通过纵横波速度比拾取建立初始纵横波速度比场。

所述步骤c中的三个准则分别是：一是转换波成像道集同相轴拉平程度最大，二是转换波成像道集同相轴的纵波t₀时间与纵波成像道集的纵波t₀时间匹配最好，三是成像道集能量聚焦度最高。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于双平方根走时方程叠前时间偏移技术，无需单平方根方程的近似处理，不再受水平层状介质假设限制，适用于较复杂构造的纵波、转换波偏移速度建模。2、本发明基于偏移速度扫描，无需进行多次的迭代和人机交互操作，节约了人力成本，降低了处理人员对结果的影响。3、本发明避免了成像道集的反动校处理，所有操作只基于叠前时间偏移处理，具有更高的速度建模精度。4、本发明充分利用了井资料等信息，具有更高的可靠性和提高处理效率的可能性。5、本发明不仅适用于海上OBC数据，可以解决OBC地震资料处理中的关键问题—复杂构造下的偏移速度建模，也适用于海上拖缆数据以及陆上地震数据。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是基于绕射理论的三维多波多分量叠前时间偏移的基本原理图；

图3是Marmousi-II纵波速度模型图；

图4是图3中叠前时间偏移速度扫描形成的速度谱图；

图5是基于图4形成的Marmousi-II纵波速度模型图；

图6(a)、(b)是分别使用真实速度模型和图5中纵波速度模型进行偏移成像的结果对比图；

图7是人为构造的简单层状模型图；

图8(a)、(b)、(c)分别是使用本发明方法扫描图7中模型正演数据所得的纵波速度谱、横波速度谱和纵横波速度比谱；

图9(a)、(b)是分别使用真实速度模型和基于图8中速度谱建立的速度模型进行偏移成像的结果对比图；

图10(a)、(b)、(c)是使用本发明方法对某海上OBC数据建立的纵波速度、横波速度、纵横波速度比模型图；

图11(a)、(b)是分别使用某商业软件和本发明方法对某海上OBC数据成像的结果对比图；

图12(a)、(b)是分别使用某商业软件和本发明方法对另一海上数据成像的结果对比图。

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。

如图1所示，本发明的一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法，采用双平方根走时方程对每一个成像点进行三参数叠前时间偏移速度扫描，形成共成像点道集，根据共成像点道集形成速度谱。包括以下步骤：

1)对海底电缆地震资料的纵波地震道集和转换波地震道集进行前期处理，主要进行地震道集的去噪、振幅调整以及R(径向)、T(切向)分量旋转等处理。

2)向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入经过前期处理的纵波地震道集数据，进行纵波叠前时间偏移速度扫描，建立纵波速度模型。

如图2所示，给出了基于绕射理论的三维多波多分量叠前时间偏移的基本原理，其中，S表示炮点；R表示接收点；I表示成像点，其坐标为(x,y,t₀)；I′表示成像点在地面的投影位置；v_p和v_s分别表示成像点的纵波速度和横波速度；ρ_s和ρ_r分别表示炮点和接收点到成像点投影点的距离；z₀表示成像点对应的深度。从而可以得出转换波的双程时间为：

$t_0=\frac{z_0}{v_p}+\frac{z_0}{v_s}---\left(1\right)$

任意绕射点的转换波走时可以表达为：

$t=\frac{\sqrt{{z_0}^2+{{\rho }_s}^2}}{v_p}+\frac{\sqrt{{z_0}^2+{{\rho }_r}^2}}{v_s}---\left(2\right)$

公式(2)就是基于绕射原理的双平方根走时方程，无水平反射层假设，无单平方根近似处理，适合于较复杂的构造情况。

则每个成像点的成像幅值可以表示为：

Image＝∫D(x_s,y_s,x_r,y_r,t＝t(t₀,x,y,ρ_s,ρ_r))dx_sdy_sdx_rdy_r(3)

式中，D表示叠前地震数据。

进行基于双平方根走时方程的叠前时间偏移速度扫描，就是使用一系列的速度去做叠前时间偏移，生成成像道集，然后基于成像道集形成速度谱。

建立纵波速度模型，具体包括以下步骤：

①将公式(1)和(2)中的横波速度换成纵波速度；使用间隔相等的一系列纵波速度对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的纵波速度形成不同的纵波成像道集。所谓速度分析点是指根据生产需求等间隔选取的若干个地面成像点位置。

②基于纵波成像道集，根据互相关运算准则形成纵波速度谱。

③根据纵波速度谱拾取纵波速度，形成纵波速度—时间对文本。

④由纵波速度—时间对插值形成纵波速度模型。

⑤使用建立的纵波速度模型对纵波数据进行叠前时间偏移成像，得到纵波偏移成像剖面。

3)向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入步骤2)得到的纵波速度模型和经过前期处理的转换波地震道集数据，进行横波叠前时间偏移速度扫描，建立横波速度模型。具体包括以下步骤：

I、使用等间隔的一系列横波速度对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的横波速度形成不同的转换波成像道集。

II、基于转换波成像道集，根据互相关运算准则形成横波速度谱。

III、基于横波速度谱，参照步骤2)的步骤⑤得到的纵波偏移成像剖面，拾取横波速度，形成横波速度—时间对文本。

IV、由横波速度—时间对插值形成横波速度模型。

4)建立纵横波速度比模型，简称Gamma场模型。在本发明中，将转换波双平方根叠前时间偏移公式中的纵波速度与横波速度之比独立出来，形成一个独立参数：纵横波速度比(Gamma)，它与纵波速度、横波速度一起构成“三速度参数”。

建立Gamma场模型，具体包括以下步骤：

a、常Gamma场偏移：使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型和间隔较大的若干个常Gamma场对转换波进行叠前时间偏移成像，由成像道集最为平直的Gamm值确定勘探工区各个成像点Gamma值的大致分布范围，为后续Gamma谱的拾取提供参考；

b、建立初始Gamma场。本发明提供了两种建立初始纵横波速度比场(Gamma场)的方法：

第一种：当工区具有一定的井资料时，根据井资料找出纵横波均方根速度间的关系，依据此关系计算初始Gamma场；

第二种：当井资料很少或没有井资料时，向基于双平方根走时的偏移成像方程中输入步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型以及经过前期道集处理的转换波数据，以等间隔的一系列Gamma对每一个速度分析点进行叠前时间偏移，不同的Gamma形成不同的转换波成像道集，基于成像道集形成Gamma谱，参照步骤a得到的各成像点Gamma值的大致分布范围，以及步骤2)的步骤⑤得到的纵波偏移成像剖面，通过Gamma拾取建立初始Gamma场；

优先利用井的纵横波资料和岩石物理规律，使得建模更为快捷，更为可靠；当这些信息难以获得时，可以使用备选的纵横波速度比扫描法。

c、优化Gamma场：对建立的初始Gamma场乘以不同的百分比系数，进行百分比扫描偏移；根据三个准则从偏移成像道集中优选出最佳百分比系数，形成优化系数体；将初始Gamma场乘以该优化系数体，即得到优化Gamma场，也就是优化的纵横波速度比模型。

三个准则分别是：一是转换波成像道集同相轴拉平程度最大，二是转换波成像道集同相轴的纵波t₀时间与纵波成像道集的纵波t₀时间匹配最好，三是成像道集能量聚焦度最高。据此可以建立具有较高精度的模型。

5)使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到的横波速度模型和步骤4)得到的优化纵横波速度比模型对选定的速度建模控制线进行转换波叠前时间偏移成像，得到控制线成像道集；对优化Gamma场乘以不同的百分比系数，进行控制线的百分比扫描偏移；根据三个准则从控制线成像道集中优选出最终最佳百分比系数，形成最终优化系数体；将优化Gamma场乘以该最终优化系数体，得到最终Gamma场，也就是最终纵横波速度比模型。

6)使用步骤2)得到的纵波速度模型、步骤3)得到横波速度模型和步骤5)得到的最终纵横波速度比模型对整个勘探工区的转换波进行叠前时间偏移成像。

下面给出若干个具体实施例，以验证本发明一种三维三分量海底电缆地震资料的速度建模方法的可行性和有效性。

实施例一：

如图3所示，是Marmousi-II(马莫斯II)纵波速度模型，该速度模型具有复杂构造，复杂岩性，充填有各种流体，是验证速度建模和偏移成像算法的国际经典模型。使用本发明方法对Marmousi-II纵波模拟数据进行偏移速度扫描，形成纵波速度谱，其中模型中黑线处对应的速度谱如图4所示。基于此纵波速度谱拾取速度—时间对，插值形成Marmousi-II纵波速度模型，如图5所示。如图6(a)、(b)所示，分别使用真实速度模型和Marmousi-II纵波速度模型进行偏移成像，其中图6(a)为真实速度模型的偏移成像结果，图6(b)为使用Marmousi-II纵波速度模型的偏移成像结果，可以看出，两个成像结果相一致，证明了本发明对于纵波数据速度建模和成像的可行性和良好精度。

实施例二：

如图7所示，是人为构造的简单层状模型，该模型浅部为四个水平反射系数面，深层为一个凹陷的反射系数面，整个模型范围纵波速度都为5000m/s，横波速度都为2500m/s。基于此通过特定方法分别正演模拟了一套纵波数据和一套转换波数据。

如图8(a)、(b)、(c)所示，从左至右依次为使用本发明叠前时间偏移速度扫描形成的纵波速度谱、横波速度谱和纵横波速度比谱。通过拾取速度，形成了纵、横波速度模型以及纵横波速度比模型。如图9(a)、(b)所示，分别使用真实速度模型和使用本发明方法建立的模型进行偏移成像，可以看出，二者结果几乎一样，证明了本发明对转换波数据的可行性。

实施例三：

如图10(a)、(b)、(c)所示，分别使用本发明方法对某海上三维三分量OBC数据建立的纵波速度、横波速度和纵横波速度比模型。利用建立的模型对OBC数据进行叠前时间偏移成像，结果如图11(b)所示；同时采用某国际知名商业软件对同一数据进行速度建模和偏移成像，所得结果如图11(a)所示。可以看出，使用本发明方法成像的同相轴清晰，断层清楚，说明了本发明对实际OBC转换波数据的有效性和实用性；通过对比可以发现，本发明结果略优于商业软件结果，主要体现在中深层成像更为连续清晰。

实施例四：

分别使用某商业软件和本发明方法对另一海上三维三分量OBC数据进行速度建模和叠前时间偏移成像，结果如图12(a)、(b)所示。对比可以发现，本发明处理后的成像效果整体上优于该商业软件的效果，尤其是在中深层复杂构造处优势更明显。商业软件在图中标示的三个部位不能很好成像，表现为没有同相轴或同相轴不连续，而本发明则有明显更优的效果。可见，本发明在处理复杂构造下的OBC转换波数据速度建模方面具有较好的有效性和实用性。本发明能够对复杂构造OBC数据进行高精度速度建模。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式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。