基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法

摘要

本发明属于油气勘探地震资料处理领域，是基于地面、井间、井中多种地震资料的联合成像方法，是实现地震高分辨率高保真度成像的重要内容，具体涉及一种基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法，基于VSP/RVSP观测系统采集的地震数据，把优化后的最佳有限差分系数应用于变网格的有限差分算法，进行波场延拓，利用延拓后的震源波场得到模拟的所有边界接收的震源炮记录，然后利用这些震源炮记录重建震源波场，并与反向延拓后的检波波场做相关成像。全波波动方程无须做预先的波场分离，因此波场计算更为合理和精确。

说明书

技术领域

本发明属于油气勘探地震资料处理领域，是基于地面、井间、井中多种地震资料的联合成像方法，是实现地震高分辨率高保真度成像的重要内容，具体涉及一种基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法。

背景技术

VSP(Vertical Seismic Profiling)技术是以研究井为中心按设计的观测系统在地表激发地震波，在目的层段沿井孔不同深度进行地震信号采集的一种物探方法。与地面地震相比，避免了表层衰减和地表性干扰。可以获得较高精度的井旁三维成像资料，为精细刻划井周复杂的构造、储层和流体的空间展布特征等研究提供有价值的信息。国外在3DVSP技术研究方面一直领先于国内。

1、在仪器设备方面：井中接收系统已高达400级，级间距从3-15m不等，国内最高采集级数为80级。

2、在3DVSP处理软件开发方面：美国的VSFusion和GeoTomo合作开发了VS33DVSP处理系统，挪威的Read公司和俄罗斯的Univers公司、CGG等也相继开发了3DVSP处理系统。

3、在应用方面：国外石油公司在研究地层的各向异性，裂隙型油藏特性的描述、高速屏蔽层下地层成像、与三维地面地震联合采集以及时延VSP技术监测气驱前缘等方面进行了更深入的研究和尝试，取得了一些应用成果。

常规VSP成像方法直接借鉴地面地震成像方法。首先对VSP数据进行上下行波场分离，然后对上行反射波进行成像；王珺(2006)等利用高斯束柯西霍夫偏移算法，实现对P波和S波多波资料成像，提高了VSP资料成像精度。孙文博和孙赞东(2010)开展了VSP资料伪谱法逆时偏移研究，对比了全波场偏移和分离后偏移成像效果；近年来，地震干涉成像方法得到地球物理学界的广泛关注，能够较好地对VSP自由表面多次波进行成像，大大扩大了VSP资料的成像范围，改善了VSP成像效果，得到高陡倾角构造的准确成像。但是，地震干涉仍旧难以处理VSP层间多次波，而且对VSP波场分离精度要求较高。另外，吴世萍(2011)等通过估计VSP虚源子波，提高了地震干涉成像对薄层的分辨能力；刘守伟、王华忠(2012)等提出了VSP上下行反射波联合成像方法，不需要进行VSP上下行反射波场分离，能够同时对VSP资料中的一次反射波、自由表面多次波、层间多次波进行成像，比常规成像剖面具有更宽的成像范围和更好的成像效果。

RVSP技术是将震源置于井中、检波器固定在地面进行接收。地面布设检波器，采集道数可以达到上万道。因此，与常规VSP相比，RVSP可以具有以下技术优势：(1)由于地面可以大量布设检波器，使全三维记录数据成为可能，RVSP可以获取井周精细构造信息；(2)改变了激发环境，使地震波直接靠近目的层进行激发，大大降低了能量的衰减，提高了地震波的高频成分。

目前，R-VSP技术正由2D向3D的方向发展。利用R-VSP地震技术，通过实时采集到的数据对钻井过程进行分析对比，可以完善和优化钻井工艺技术。由于RVSP资料与VSP资料有很大相似之处，可以借鉴VSP资料处理方法来进行RVSP资料成像，但也需要根据观测系统差别而有所区别。朱龙生(2003)实现了多方位角逆VSP层析成像，求取了更准确的表层速度；近几年来，对于VSP逆时偏移成像方法的研究越来越引起广泛关注，何兵寿(2010)实现了非零井源距VSP多分量地震资料逆时偏移，李渊(2013)利用高阶交错网格有限差分法精确模拟VSP地震波场,同时加上完全匹配层边界(即PML)吸收边界反射。然后分别对VSP全波波场以及上行波场进行逆时外推。最后根据成像条件进行成像。提高了成像精度。

偏移能够使地下主要构造正确成像，但由于近地表影响使得地面地震资料的主频较低，有效频带较窄，分辨率受到了一定的限制。在目前的精细勘探开发阶段如何解决构造更加复杂、储层更薄、油藏更为隐蔽等问题具有重要的意义。将井中激发或接收的高信噪比地震资料用于偏移成像，不仅可以提高偏移剖面的分辨率，还能发挥VSP/VSP观测系统在照明度方面的优势。因此，在精细勘探开发阶段，有必要进行VSP/RVSP地震资料的逆时偏移。

发明内容

在VSP/RVSP地震资料处理中，考虑其全波波场的延拓和成像是本发明的主要目的。根据这个目的，本发明设计了一种基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法。本发明所述的

本发明所述的一种基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法，通过以下过程来实现：

(1)VSP/RVSP地震资料的观测系统变换；

(2)有限差分算法求解波动方程；

(3)依据速度场分布情况对VSP/RVSP逆时偏移的计算区域进行变网格剖分；

(4)利用高阶有限差分算法对网格化的计算区域进行波动方程求解，实现对震源波场的正向延拓和检波波场的反向延拓；

(5)对延拓后的波场应用成像条件；

(6)在所有数据处理完后，进行最终的偏移叠加，并利用拉普拉斯滤波或带通滤波方法做叠后去噪，得出最终的VSP/RVSP成像剖面。

其中，优选方案如下：

所述的过程(1)具体为：在逆时偏移前需要对数据进行道头编辑；基于射线路径可逆原理，进行炮检置换和道集重排，得到适用于逆时偏移的共炮点道集。

所述的过程(2)具体为：

1)时间-空间域的波动方程，经过差分后，利用有限差分法进行数值求解，其中，任意阶差分精度的全波波动方程如下：

2)对上式进行傅里叶变换，得到频空域的形式：

3)确定波场外推计算的时间步长，即需要满足的稳定性条件：

Dt<h/(2.0*Vmax)

其中，h表示网格剖分后最大的网格间距；Vmax表示速度模型中最大速度值；Dt表示波场外推计算的最大时间步长。

所述的过程(3)中根据地下地质构造的形态，偏移速度场的分布情况，合理进行计算区域的网格化，在保证计算精度的前提下，尽可能减少网格数量，降低计算成本。在频域中，一个子波长度内取两个样点就足以描述该子波。然而由于数值频散的原因，二阶差分情况下，每个子波范围内要取8到10个样点才能覆盖最大频率范围。因此，本专利所依据的标准就是保证网格尺寸满足以下公式，从而波场计算不会产生频散：

h<Vmin/(10.0*Fmax)

其中，h表示网格剖分后最大的网格间距；Vmin表示速度模型中最小速度值；Fmax表示地震子波的最大频率。

本专利所使用的成像条件是考虑照明度的影响，根据下式

对震源波场求取其能量分布，以此对成像的相干值进行规则化。具体计算过程是：首先利用波动方程正向外推计算出震源波场；其次利用波动方程反向外推计算出检波波场；最后将两波场值带入以上的公式计算出照明补偿后的成像值。经试验，该成像条件能够有效地补偿能量随照明度变化引起的差异，最终实现偏移剖面的振幅均衡，达到高分辨率高保真度成像的目的。

本发明的优点在于：基于VSP/RVSP观测系统采集的地震数据，把优化后的最佳有限差分系数应用于变网格的有限差分算法，进行波场延拓，利用延拓后的震源波场得到模拟的所有边界接收的震源炮记录，然后利用这些震源炮记录重建震源波场，并与反向延拓后的检波波场做相关成像。全波波动方程无须做预先的波场分离，因此波场计算更为合理和精确。

附图说明

图1为本发明的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移技术流程图；

图2(a)为地面地震数据的逆时偏移结果；图2(b)为VSP/RVSP数据的逆时偏移结果；

图3(a)某探区的地面地震逆时偏移剖面；图3(b)为应用基于全波波场的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移的剖面。

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。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

实施例1：

一种基于全波波场VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法，通过以下过程来实现：

(1)VSP/RVSP地震资料的观测系统变换；

在逆时偏移前需要对数据进行道头编辑；基于射线路径可逆原理，进行炮检置换和道集重排，得到适用于逆时偏移的共炮点道集。

(2)有限差分算法求解波动方程；

1)时间-空间域的波动方程，经过差分后，利用有限差分法进行数值求解，其中，任意阶差分精度的全波波动方程如下：

2)对上式进行傅里叶变换，得到频空域的形式：

3)

确定波场外推计算的时间步长，即需要满足的稳定性条件：

Dt<h/(2.0*Vmax)

其中，h表示网格剖分后最大的网格间距；Vmax表示速度模型中最大速度值；Dt表示波场外推计算的最大时间步长。

(3)依据速度场分布情况对VSP/RVSP逆时偏移的计算区域进行变网格剖分；

根据地下地质构造的形态，偏移速度场的分布情况，合理进行计算区域的网格化，在保证计算精度的前提下，尽可能减少网格数量，降低计算成本。在频域中，一个子波长度内取两个样点就足以描述该子波。然而由于数值频散的原因，二阶差分情况下，每个子波范围内要取8到10个样点才能覆盖最大频率范围。因此，本专利所依据的标准就是保证网格尺寸满足以下公式，从而波场计算不会产生频散：

h<Vmin/(10.0*Fmax)

其中，h表示网格剖分后最大的网格间距；Vmin表示速度模型中最小速度值；Fmax表示地震子波的最大频率。

(4)利用高阶有限差分算法对网格化的计算区域进行波动方程求解，实现对震源波场的正向延拓和检波波场的反向延拓；

(5)对延拓后的波场应用成像条件；

成像条件是考虑照明度的影响，根据下式

对震源波场求取其能量分布，以此对成像的相干值进行规则化。经试验，该成像条件能够有效地补偿能量随照明度变化引起的差异，最终实现偏移剖面的振幅均衡，达到高分辨率高保真度成像的目的。

(6)在所有数据处理完后，进行最终的偏移叠加，并利用拉普拉斯滤波或带通滤波方法做叠后去噪，得出最终的VSP/RVSP成像剖面。

实施例2：

为了验证实施例1所述方法的应用效果，本实施例以某探区的VSP/RVSP地震资料为基础，应用实施例1所述方法对该资料进行处理，以验证该方法的效果，采用图1中所述的流程图。

相对于地面地震逆时偏移方法，基于全波波场的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法具有更高的精度和偏移成像质量。为了证明该方法的应用效果，我们采用薄互层模型的模拟数据进行逆时偏移对比试验。在井中地震中，炮点埋置在近地表处。而检波器放置于井下，以一定深度间隔依次排列。记录的数据主要包括下行直达波、初至波、层间多次波、绕射波和透射波。这些主要由上下行波场及其转换波场组成。正演模拟中，采用了60HZ主频的子波，这一点与地面地震模拟不同。对换炮点检波点我们可以得到VSP/RVSP的正演模拟数据。数据主频是60HZ，可以看到其偏移成像质量是很高的。图2(a)显示了地面地震数据的逆时偏移结果；图2(b)显示了VSP/RVSP数据的逆时偏移结果。从两图的对比可以看出，地面地震成像分辨率有限，在薄互层的描述方面，不如VSP/RVSP偏移精度高。而且由于观测系统受限，地面地震的照明度与VSP/RVSP地震的照明度相比，在断层刻画方面能力不够。这些都体现出了基于全波波场的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法的优越性。

为了进一步验证本专利方法的实际应用效果，对某探区实际资料进行基于全波波场的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移处理。图3(a)该探区的地面地震逆时偏移剖面，图3(b)为应用基于全波波场的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移的剖面。要实现细微构造、隐蔽储层等地质目标的极为精细的成像，VSP/RVSP地震资料的逆时偏移其中及其重要的作用。对比图3(a)和图3(b)可以明显看到，在后者的成像剖面上能够分辨出更多的薄互储层、尖灭、不整合等地质构造，从而对分析油藏的封堵性、流通性有更好的指导作用。

从图中可以看出，采用本专利所提出的VSP/RVSP地震资料的逆时偏移方法可以有效地提高地震成像的分辨率和精度，从而更好地为后续油藏描述和开发服务。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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。