一种海上井间TTI介质三种初至波走时层析成像方法

摘要

本发明涉及一种海上井间TTI介质三种初至波走时层析成像方法，包括以下步骤：1)建立含有断层的TTI介质直井模型，并获取直井模型的弹性参数；2)将直井模型分成若干个独立的计算区域；3)将分区后的直井模型逐区进行模型参数化；4)将分区后的直井模型的界面逐一进行离散化；5)获得初至qP、qSV、qSH波的实际观测走时；6)设定反演所用初始模型，采用分区多步改进型最短路径算法计算初至qP、qSV、qSH波的理论走时和相应的射线路径；7)计算相应的雅克比偏导矩阵元素；8)采用共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘问题进行非线性反演，对结果进行判断：满足走时残差最小，反演结束；不满足，则更新反演所用模型，进入步骤6)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地震走时层析成像方法，特别是关于一种海上井间TTI介质三种 初至波走时层析成像方法。

背景技术

随着科学的发展、技术的进步以及勘探精度的提高，对地震各向异性研究的不断 深入，地震各向异性研究已成为理论地震学、勘探地震学、地球动力学以及地震灾害 监测等研究中的热点。随着地震观测技术的进步、数据的积累以及计算技术的发展使 得利用地震波走时数据反演各向异性弹性参数成为可能。其中，地震层析成像是研究 地球内部结构的主要地球物理方法之一。利用地震走时层析成像方法同时研究地球内 部介质的非均匀性和各向异性,对于认识地球的结构及动力学过程都具有非常重要的 意义；另外，利用地震走时层析成像方法对于复杂各向异性介质的速度建模具有重要 的应用价值，进而对复杂区域的石油勘探具有实际应用价值。

传统的各向异性介质中的走时成像大多基于弱各向异性的假设，例如：Cerveny (1982),Cerveny和Jech(1982)及Hanyga(1982)推导了各向异性介质中走时关于弹 性参数的一阶偏导数。Hirahara和Yuzo(1984)提出了一种仅仅采用qP波走时数据反 演3D各向异性结构的走时反演方法。Jech(1988)实现了弱各向异性假设条件下的三维 TTI介质中的走时反演。Chapman和Pratt(1992)提出了一种适用于各向异性介质中的 线性化走时层析成像方法，并将其用于井间各向异性层析成像(Pratt and Chapman, 1992)。国内对各向异性的研究起步相对较晚，且大多是基于上述弱各向异性假设下进 行的，例如：何樵登和陶春辉(1995)采用遗传算法反演裂隙各向异性介质弹性参数， 张文生等(1998)也同样利用遗传算法进行各向异性介质中弹性参数的反演；杨顶辉等 (1997)提出了一种各向异性动力学方程反演新算法，随后张秉铭和张中杰(2000)提出 了一种新的地层弹性参数直接反演方法，即利用地震勘探中的多波多分量记录(PP反 射波记录和PSV转换波记录)联合进行地层弹性参数C₁₁和C₃₃的反演，用以判断地层的 属性。陈竟一和张中杰(2003)采用模拟退火方法讨论了利用VSP观测的(水平界面)反 射波走时反演求椭圆各向异性速度；傅旦丹和何樵登(2002)则采用遗传算法进行一维 正交各向异性介质模型参数的反演。阮爱国和王椿镛(2002)推导了弱各向异性介质的 地震波速的基础上了介绍了反演上地幔各向异性的具体算法。郭飚(2010)则从弱各向 异性条件出发构建地震各向异性P波走时层析成像算法。

现有的2D地震各向异性走时层析成像方法，常常假设研究的介质是弱各向异性的， 即所有的正、反演理论均是基于各向同性介质背景下的扰动(一阶扰动)出发而建立的。 上述处理可以简化数学计算的难度，而且反演迭代中不用重复进行地震射线追踪计算、 且雅克比矩阵元素固定不变，从而可以进行线性反演重建介质弹性参数。然而，这样 的假设忽略了介质横向变化，即不适用于强各向异性介质中的正、反演问题。其中， 强各向异性介质(可由Thomsen参数定义)，即地震波(qP，qSV和qSH波)的波速强 依赖于射线的传播方向，此时基于弱各向异性假设下的正、反演理论不再适用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够适用于一般各向异性(含强各向异 性)介质的海上井间TTI介质三种初至波走时层析成像方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海上井间TTI介质三种初至波 走时层析成像方法，包括以下步骤：1)建立含有断层的TTI介质直井模型，并获取直 井模型的弹性参数；2)按照直井模型层状介质界面的起伏形态将直井模型分成若干个 独立的计算区域；3)将分区后的直井模型逐区进行模型参数化；4)将分区后的直井 模型的界面逐一进行界面离散化；5)获得初至qP、qSV、qSH波的实际观测走时用于 反演；6)设定反演所用初始模型，采用分区多步改进型最短路径算法计算初至qP、 qSV、qSH波的理论走时和相应的射线路径；7)根据得到的初至qP、qSV、qSH波射线 路径计算相应的用于反演的雅克比偏导矩阵元素；8)采用共轭梯度法求解带约束的阻 尼最小二乘问题进行非线性反演，反演迭代过程中根据走时残差最小原则对反演迭代 是否终止进行判断：如果初至qP波、qSV波或qSH波模拟观测走时与理论走时的差的 满足走时残差最小，反演结束，得到使用初至qP、qSV或qSH波走时数据对各弹性参 数反演的分布结果；如果不满足，则更新反演所用模型，进入步骤6)。

所述步骤3)中模型参数化采用网格逐区进行网格单元划分，网格节点为主节点， 在相邻主节点间等间距的插入次级节点。

所述步骤4)中离散界面的采样点间距应小于或等于次级节点间距。

所述步骤5)中实际观测走时采用分区多步改进型最短路径算法分区逐段进行射 线追踪计算。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用分区多步改 进型最短路径算法(正演)和共轭梯度求解带约束的阻尼最小二乘解(反演)相结合， 因此不仅能够适用于弱各向异性介质的速度成像，而且还适用于强各向异性介质的速 度成像。2、本发明的正演算法(射线追踪)可以计算强各向异性介质模型中的qP， qSV和qSH波的射线路径和相应走时，且正演时采用分区多步改进型最短路径算法， 因此能够进行TTI介质中多震相走时的射线追踪，计算精度高，速度快。3、本发明由 于采用了非线性反演方法，因此可以对强各向异性TTI介质的五个弹性参数进行反演 成像。因此本发明可以广泛应用于地震走时层析成像中。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明含有断层的TTI介质直井模型示意图；

图3是本发明初至qP、qSV、qSH波射线分布示意图，其中，图(a)表示直井模 型下初至qP波射线路径分布图，图(b)表示直井模型下初至qSV波射线路径分布图， 图(c)表示直井模型下初至qSH波射线路径分布图；

图4是本发明反演算法中利用三种不同波走时数据反演时的走时残差随反演迭代 次数的收敛情况示意图；

图5是本发明初至qP波走时数据反演的结果示意图，其中，图(a)表示初至qP 波走时反演得到的弹性参数a11的分布图，图(b)表示初至qP波走时反演得到的弹 性参数a13的分布图，图(c)表示初至qP波走时反演得到的弹性参数a33的分布图， 图(d)表示初至qP波走时反演得到的弹性参数a44的分布图；

图6是本发明初至qSV波走时数据反演的结果示意图，其中，图(a)表示初至 qSV波走时反演得到的弹性参数a11的分布图，图(b)表示初至qSV波走时反演得到 的弹性参数a13的分布图，图(c)表示初至qSV波走时反演得到的弹性参数a33的分 布图，图(d)表示初至qSV波走时反演得到的弹性参数a44的分布图；

图7是本发明初至qSH波走时数据反演的结果示意图，其中，图(a)表示初至 qSH波走时反演得到的弹性参数a44的分布图，图(b)表示初至qSH波走时反演得到 的弹性参数a66的分布图。

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。

地震各向同性介质中仅有P波和S波，P波表示质点沿着波的传播方向运动，S 波表示质点垂直于波的传播方向运动。地震各向异性介质中存在qP波，qSV波和qSH 波三种波，qP波为准纵波，qSV波和qSH波为准横波。二维TTI介质(倾斜横向各向 同性介质)可由五个弹性参数和一个倾斜对称轴角度来表示。

如图1所示，本发明的海上井间TTI介质三种初至波走时层析成像方法，包括以 下步骤：

1)建立含有断层的TTI介质直井模型，并获取直井模型的弹性参数；

如图2所示，本发明实施例中建立的直井模型的具体参数：井间距为400m，井深 为600m，背景弹性参数为：a11＝15.1，a13＝1.6，a33＝10.8，a44＝3.1，a66＝4.3，背 景介质的倾斜对称轴角度为：θ＝45°。断层弹性参数为：a11＝25.7，a13＝15.2，a33＝15.4， a44＝4.2，a66＝9.0，断层介质的倾斜对称轴角度为：θ＝90°。炮检排列如下：21个震 源和21个检波器等间距分布在位于x＝0m和x＝400m的两个井中，炮间距(即相邻震源 的垂直距离)和道间距(即相邻检波器的垂直距离)均为30m；

2)按照直井模型层状介质界面的起伏形态将直井模型分成若干个独立的计算区域；

3)将分区后的直井模型逐区进行模型参数化，本发明实施例采用节点法对分区后 的直井模型进行参数化，即采用一定尺度的网格逐区进行网格单元划分，网格节点为 主节点，为了保证射线追踪计算的精度，在相邻主节点间等间距的插入次级节点；

4)将分区后的直井模型的界面逐一进行界面离散化，即对每一界面分别进行离散 采样，为了保证计算精度，离散界面的采样点间距应小于或等于次级节点间距；

5)获得初至qP、qSV、qSH波的实际观测走时用于反演；

实际观测走时可以直接采用真实观测走时，也可以通过模拟的直井模型进行获取， 本发明实施例基于如图2所示的直井模型，采用分区多步改进型最短路径算法分区逐 段进行射线追踪计算，得到初至qP、qSV、qSH波走时，将得到的初至qP、qSV、qSH 波走时视为模拟的观测走时，反演时作为实际观测走时；

6)设定反演所用初始模型，采用分区多步改进型最短路径算法计算初至qP、qSV、 qSH波的理论走时和相应的射线路径(如图3所示)；

7)根据得到的初至qP、qSV、qSH波射线路径计算相应的用于反演的雅克比偏导 矩阵元素；

8)采用共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘问题进行非线性反演(如图4所示)， 反演迭代过程中根据走时残差最小原则(即模拟观测走时与理论走时的残差为最小) 对反演迭代是否终止进行判断：

如果初至qP波、qSV波或qSH波模拟观测走时与理论走时的差的满足走时残差最 小，反演结束，得到使用初至qP、qSV或qSH波走时数据对各弹性参数反演的分布结 果(如图5～7所示)，用于对石油和煤田的勘探中；

如果不满足，则更新反演所用模型，进入步骤6)。

本发明实施例中设定直井模型(如图2所示)中的背景弹性参数作为初始模型中 的弹性参数；

如图4所示，无论是采用初至qP波、初至qSV波或初至qSH波走时进行反演迭代 过程中，RMS(t)(走时差残)随着迭代次数的增加基本成指数会下降，RMS(t)下降的 越快，证明算法的收敛性越好。如图5所示，利用初至qP波走时数据反演的结果表明 对四个弹性参数(a11,a13,a33,a44)均有较好的反演成像，其中，如图(a)所示的 弹性参数a11和如图(b)所示的弹性参数a13反演结果最好；如图6所示，利用初至 qSV波走时数据反演的结果表明对四个弹性参数(a11,a13,a33,a44)也有较好的反演 成像，其中，如图(b)所示的弹性参数a13和如图(d)所示的弹性参数a44的成像 结果最好；如图7所示，利用初至qSH波走时数据反演的结果表明对仅有的两个弹性 参数(a44,a66)均有较好的反演成像，其中，如图(b)所示的弹性参数a66的反演 结果最好。初至qP波走时数据反演的结果和qSH波走时数据反演的结果对断层异常的 位置和幅度均有很好的反演，反演精度均优于初至qSV波走时数据反演的结果，这主 要是由于qSV波在断层处射线覆盖率不足所致。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各个步骤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。