TTI地球模型的多各向异性参数反演

摘要

一种用于确定倾斜横向各向同性(TTI)地球模型的各向异性模型参数的值的方法，所述各向异性参数包括沿着倾斜对称轴的P-波速度(Vp

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定倾斜横向各向同性(Tilted Transversely  Isotropic，TTI)地球模型的各向异性模型参数的值的方法。

背景技术

为了分析地下地层的地质结构，勘探地球物理学家做了许多假设。 其中之一是地下地层是各向同性的，而实际上，它基本上是各向异性 的。这种错误假设可能导致地质结构的错误成像和解释。为了将地震 处理技术扩展到各向异性介质，期望获得地质结构的各向异性的度量。

地震各向异性可以定义成地震速度与波传播方向的相关性。众所 周知，倾斜轴横向各向同性地球模型或TTI地球模型可以用于在各向 异性介质中模拟波的传播和获取地下地层的图像。描述TTI地球模型 的物理参数包括(1)对称轴；(2)沿着对称轴的P-波(压缩)速度 -Vp₀；(3)为偏离对称轴的小角度-δ规定速度如何变化的参数；以及 (4)在偏离对称轴的大角度-η上确定速度的参数(参见：Thomsen， ″Weak Elastic Anisotropy″，Geophysics，vol.51，no.10，1986年10月， 以及Alkhalifah和Tsvankin，″Velocity analysis for transversely  isotropic Media″，Geophysics，vol.60，1550-1566，1995)。

一些TTI地球模型还使用各向异性参数ε来描述各向异性介质中 波的传播。参数ε满足如下关系η＝(ε-δ)/(1+2δ)。需要S(剪切)波速度 来完整描述TTI地球模型，但在P-波处理中，S-波速度通常是使用与 P-波速度的经验关系获得的。

通常，TTI地球模型是三向模型。模型中的每个点通过它的坐标 和各向异性参数的值来描述。在某些情况下，如果各向异性介质的性 质不是逐点变化的，则完全定义一个模型可能只需少量各向异性参数。 但是，在大多数情况下，TTI地球模型需要各向异性参数的大量空间 变化值来精确定义该模型。

TTI地球模型的各向异性参数可以从岩芯数据中直接测量。但是， 钻井和取芯是非常昂贵的过程，直接测量只在很少的井位置上才有可 能。对于3D成像，期望也使用横向扩展数据来确定TTI地球模型的 各向异性参数。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种用于确定倾斜横向各向同性 (TTI)地球模型的各向异性模型参数的值的计算机实现方法，所述 各向异性参数包括沿着倾斜对称轴的P-波速度(Vp₀)、和作为偏离 对称轴的波传播角度的函数的代表波速度变化的汤姆森(Thomsen) 各向异性参数δ和ε(或η＝(ε-δ)/(1+2δ))，所述方法包括：为感兴趣地 质体获取输入数据；确定输入数据与各向异性参数之间的理论关系； 以及使用牵涉到下述过程的迭代或顺序组合的工作流，根据所述理论 关系和所述输入数据，计算所述感兴趣地质体中的多个地下位置的每 一个上的各向异性模型参数的值，所述过程包括输入数据预处理、传 统层析反演、基于倾斜横向各向同性模型的三维层析反演、和使用倾 斜横向各向同性模型的三维叠前深度偏移(pre-stack depth  migration)。

在本发明的另一个方面中，提供了一种具有机器可执行指令的计 算机产品，所述指令可被机器执行以执行确定TTI地球模型的各向异 性参数的值的层析反演方法，所述各向异性参数包括沿着倾斜对称轴 的P-波速度(Vp₀)、和作为偏离对称轴的波传播角度的函数的代表 波速度变化的汤姆森各向异性参数δ和ε(或η＝(ε-δ)/(1+2δ))，所述方 法包括：确定输入数据与各向异性参数之间的关系，所述输入数据是 为感兴趣地质体获取的；以及使用牵涉到下述过程的迭代或顺序组合 的工作流，根据所述关系和所述输入数据，计算所述感兴趣地质体中 的多个地下位置的每一个上的各向异性模型参数的值，所述过程包括 输入数据预处理、三维层析反演、和三维TTI叠前深度偏移。

一种用于确定三维TTI地球模型的各向异性参数的值的计算机实 现方法，所述各向异性参数包括沿着倾斜对称轴的P-波速度(Vp₀)、 和作为偏离对称轴的波传播角度的函数的代表波速度变化的汤姆森各 向异性参数δ，ε(或η＝(ε-δ)/(1+2δ))，所述方法包括：(a)获取使 共成像点道集(common-imaging-point gather)基本上平坦和使地震 数据基本上与井数据相联系的初始偏移速度模型，所述初始偏移速度 模型包括感兴趣地质体中的多个地下位置的每一个上的初始值Vp₀， δ，ε(或η)；(b)将井位置上的检验炮数据，或VSP数据，或检验 炮数据和VSP数据这两者输入三维层析反演中以确定井位置附近的 Vp₀的更新值，所述Vp₀的值通过校正量ΔVp₀来更新，其中 Vp₀＝Vp₀+ΔVp₀；(c)使用相对变化量Δδ＝(VP₀)/Vp₀确定δ(initial)的 改进增量Δδ；(d)在考虑到地质一致性和正则化的情况下将相对变 化量Δδ从近井位置外推到多个地下位置的每一个上的整个三维TTI 地球模型，以确定δ的更新值，其中δ＝δ+Δδ；(e)使用多个地下位置 的每一个上的外推三维Δδ来确定Vp₀的更新值＝Vp₀(1-Δδ)并获取三维 扩展更新增量ΔVp₀＝-ΔδVp₀；(f)将利用通过Vp₀和δ的更新值定义 的改进偏移速度模型获取的共成像点道集中的从近到中偏距/角度剩 余时差信息(near-to-mid-offset/angle residual moveout information) 输入TTI层析反演过程中，以进一步提供多个地下位置的每一个上的 δ的更新值；以及(g)将利用改进模型获取的共成像点道集中的从近 到远偏距/角度剩余时差信息输入TTI层析反演过程中，以提供多个地 下位置的每一个上的η的更新值。

当通过参照形成本说明书的一部分、相同标号在各个图形中表示 相应部件的附图考虑如下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其 它目的、特征、和特性，以及操作方法、结构的相关元件的功能、部 件的组合、和制造经济性将变得更加显而易见。但是，不言而喻，这 些附图只用于例示和描述的目的，而无意作为限制本发明的定义。正 如用在说明书和权利要求书中的那样，除非上下文另有明确指明，单 数形式“一个”、“一种”、和“该”也包括复数指示物。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例确定倾斜横向各向同性 (TTI)地球模型的各向异性模型参数的值的方法；

图2示出了根据本发明的一个实施例确定各向异性参数的值的工 作流；以及

图3示出了可以根据本发明的一个实施例用在图2的工作流中的 各种情形。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种用于精确确定感兴趣地质体中的多个 位置的每一个上的倾斜横向各向同性(TTI)地球模型的各向异性参 数的值的方法。在一个实施例中，使用井位置上的直接测量值校准估 计的各向异性参数。本发明的实施例还涉及具有机器可执行指令的计 算机产品，该指令可被机器执行以执行用于确定TTI地球模型的各向 异性参数的值的方法。

在一个实施例中，用于精确确定TTI地球模型的各向异性参数的 值的方法包括三个主要方面：(1)使用输入数据确定各向异性参数； (2)输入数据与各向异性参数之间的关系；以及(3)用于将输入数 据转换成各向异性参数的值的过程。被用于将输入数据转换成各向异 性参数的值的过程被称为反演过程(inversion process)。

现在参照图1，该图示出了根据本发明的一个实施例确定TTI地 球模型的各向异性参数的值的方法10。借助于图1的方法，为TTI 地球模型涵盖的感兴趣地质体中的每个坐标(x，y，z)确定各向异性 参数(Vp₀，δ，η和/或ε)的值。该方法从为感兴趣地质体获取输入数 据的过程15开始。输入数据可以包括，例如，表面地震数据、垂直地 震剖面数据、VSP(垂直地震剖面)数据、检验炮数据、测井数据、 解释数据、区域趋势、先验数据、或前面数据的任何组合。解释数据 包括层位位置(horizon position)和形状的挑选。

记录来自地球的反射的表面地震数据具有很大的覆盖范围，并且 可容易地在大多数区域中获得。在不同角度上反射的波对各向异性参 数敏感。因此，表面地震数据可以用作用于各向异性参数估计的输入 数据。可测量数据包括不同偏距(offset)上的行进时间和不同偏距/ 角度上偏移道集的深度误差。记录来自不同方向的波的直接到达的 VSP和检验炮数据也对各向异性参数敏感。测量值是不同钻孔位置上 的行进时间。在现有技术中众所周知，VSP数据是通过将波接收器放 在钻孔下面而将波发射器放在表面附近而获取的。检验炮数据是通过 将波发射器和接收器两者都放在钻孔下面获取的。

在获得输入数据之后，该方法10转到过程20，其中确定输入数 据与各向异性参数之间的理论关系。射线理论可以用于推导记录的行 进时间(输入数据)与TTI地球模型的各向异性参数之间的理论关系。 具体地说，首先，通过实现描述在如下文献中的TTI指定技术可以获 取输入数据与各向异性参数之间的理论关系，以指定各向异性地球模 型速度：Thomsen，″Weak elastic anisotropy，″Geophysics，vol.51，pgs. 1954-66(1986)；和/或Alkahalifah等人，″Velocity analysis for  transversely isotropic media，″Geophysics，vol.60，pgs.1550-1566 (1995)。然后，通过描述在如下文献中的一种或多种技术进行各向异 性射线追踪：Cerveny，″Seismic rays and ray intensities in inhomo- geneous anisotropic media，″Geophysical Journal，vol.29，pgs.1-13 (1972)和/或Gajewski等人，″Vertical seismic profile synthetics by  dynamic ray tracing in laterally varying layered anisotropic  structures，″Journal of Geophysics Res.，vol.95，pgs.11301-11315， (1990)。有关使用射线理论推导输入数据与各向异性参数之间的理论 关系的其它信息可以从2008年3月24日提交的发明名称为“偏移地 震数据的系统和方法”的美国专利申请第12/079,170号中找到。

在确定了输入数据与各向异性参数之间的理论关系之后，该方法 转到过程25，其中根据理论关系和输入数据计算感兴趣地质体中的多 个地下位置的每一个上的各向异性模型参数的值。在一个实施例中， 各向异性参数的计算使用牵涉到下述过程的迭代或顺序组合的工作 流，所述过程包括输入数据预处理、传统层析反演或基于倾斜横向各 向同性模型的三维层析反演、和使用倾斜横向各向同性模型的三维叠 前深度偏移。并且，所述过程的迭代或顺序组合可以包括解释性挑选 (interpretive picking)。

过程25的各向异性参数的估计是使用所记录数据和理论关系求 解模型参数的计算过程。这种过程叫做层析反演。该反演可以使用各 种工作流不同地执行。例如，可以顺序地(即，每次一个地)估计各 向异性参数，或优选地，可以同时估计各种参数。也可以使用一种类 型的数据估计一个或多个参数。在另一个实施例中，所有可用输入数 据被用于同时估计所有各向异性参数。并且，各向异性模型参数的值 可以使用具有输入数据的全集或子集和输出数据的全集或子集的反演 的各种组合来确定。

过程25的层析反演是递归的和迭代的，可以使用三维倾斜横向各 向同性射线追踪来模拟三维波传播。输入数据预处理可以包括在执行 三维TTI层析反演之前对输入进行归一化。输入数据预处理还可以包 括在执行三维TTI层析反演之前，使用3D TTI叠前深度偏移算法来 偏移地震数据，将偏移地震数据按照它们的地下位置和它们的偏移偏 距/角度(migration offset/angle)分类成共成像点(CIP)道集，并在 共成像点道集域中选择和量化剩余时差。TTI叠前深度偏移算法在现 有技术中是众所周知的。

各向异性参数的值通过迭代地选择Vp₀，δ和η的值来计算。具体 地说，计算各向异性参数的值直到(a)感兴趣地质体中的地下结构的 地震图像位置与它们在钻井中识别的空间位置相联系，和(b)共成 像点道集中的剩余时差在模型中的每个点上最小。地下结构包括岩石 边界。

现在参照图2，这个图形示出了根据本发明的一个实施例确定倾 斜横向各向同性(TTI)地球模型的各向异性参数的值的工作流100。 该迭代工作流可以从测量三维地震反射数据的过程105开始。然后， 该工作流转到将地震反射数据用于为感兴趣地质体确定初始TTI地球 模型的过程110。初始TTI地球模型可以使用各种手段来确定。例如， 初始TTI地球模型可以从速度信息和对测量的数据进行的各种处理， 以及有关感兴趣地质体所在的区域的局部或全局知识中确定。而且， 初始TTI地球模型构建还包括估计地下反射体结构倾角和获取感兴趣 地质体中的TTI对称轴。在初始TTI地球模型中，在感兴趣地质体中 的多个位置(x，y，z)的每一个上提供每个参数Vp₀，δ和η的值。

在确定了初始TTI地球模型之后，该工作流转到框115和过程 120，其中根据射线追踪，将井数据(框115)用于执行三维(3D) TTI层析(过程120)，以更新井附近的TTI地球模型的Vp₀的值。 井数据可以包括代表有关井中波速的信息的VSP数据或检验炮数据。 井附近感兴趣地质体中的Vp₀的更新值对应于Vp₀(initial)+ΔVp₀。借 助于这种运算，在初始TTI地球模型中更新井附近Vp₀的值。具体地 说，在图2的实施例中使用VSP数据和检验炮数据将地震数据与井数 据联系在一起。

在更新了井附近Vp₀的值之后，该工作流100转到过程125，其 中按照如下变换Δδ＝ΔVp₀/Vp₀以及δ(updated)＝δ(initial)+Δδ，使用 Vp₀的更新值更新井附近δ的初始值。过程110-125的变换使得能够 通过提供井附近更精确的TTI模型来细化初始3D TTI地球模型。

一旦利用Vp₀和δ的更新值在井附近更新了初始TTI地球模型， 工作流100就转到过程130，其中填充模型中的其余点，即，井附近 的位置以外的点。在图2的实施例中，使用三维外推过程和井附近的 Vp₀和δ的更新值填充模型中的其余点。三维外推过程通过首先外推模 型的其余位置中的δ或Δδ，然后使用变换ΔVp₀＝-Δδ＊Vp₀获取Vp₀的三 维更新值来执行。应该理解，可以使用各种类型的算法来外推井位置 以外的δ或Δδ的值，并获取Vp₀和δ的扩展更新值。外推过程的结果(参 见框135)提供了具有井联系(在模型的每个点上具有Vp0和δ的更新 值)的三维TTI地球模型。框135的三维TTI地球模型包括模型的每 个点(x，y，z)上的如下参数：Vp₀(initial)+ΔVp₀、δ(initial)+Δδ和 η(initial)。

在过程140，将在框135上确定的模型用于执行地震反射数据的 三维(3D)叠前TTI深度成像。借助于这个过程，通过模型处理/偏 移已经为感兴趣地质体记录的地震反射数据，以提供感兴趣地质体地 下新图像。应该理解，地震数据的偏移通常使得能够从偏移地震数据 形成感兴趣地质体的图像，该图像比利用各向同性算法从偏移数据形 成的图像更精确地描绘存在于感兴趣地震体中的地质特征。过程140 的地震反射数据的三维叠前TTI深度成像提供了共成像点道集(框 145)。在本领域中众所周知，共成像点道集对应于终止在感兴趣地质 体中的相同图像位置上的偏移地震数据。

一旦通过3D叠前TTI深度成像分析识别了共成像点道集，工作 流100接着转到执行剩余时差分析的过程150和/或155。在本领域中 众所周知，剩余时差分析是速度模型细化中的基本步骤。该分析一般 通过对内联线和参照线位置的网格使用相似性来执行。作为深度和偏 距的函数，为每个共成像点道集计算一个相似性板。在过程150中为 从近到中偏距执行对共成像点道集的剩余时差分析，而在过程155中 为从近到远偏距执行对共成像点道集的剩余时差分析。近和远偏距分 别对应于源与接收器之间的小距离和大距离。

应该理解，图2的过程150，155旨在涵盖多个时差分析。也就是 说，在本发明的实施例中可以只为从近到中偏距(过程150)或只为 从近到远偏距(过程155)执行图2的剩余时差分析。可替代地，在 本发明的一个实施例中，如图2所示，可以同时为从近到中偏距和从 近到远偏距执行剩余时差分析。

剩余时差分析为在过程135中定义的3D TTI模型的每个点提供 了更新波速Vp₀。在为模型的每个点确定了更新波速Vp₀之后，在框 165a和/或165b中确定是否达到收敛，即，过程150和/或过程155的 剩余时差分析的结果是否在预定容限之内。如果达到收敛，则在框166 中结束工作流100。

如果未达到收敛，则工作流100转到框170和/或框180，其中确 定是否应该为模型的每个点更新δ和/或η的值。如果在框170询问的结 果是肯定的，工作流就转到过程185，其中使用对从近到中偏距的剩 余时差分析的结果执行三维(3D)TTI层析，以便为模型的每个点更 新δ的值。只更新δ的值是非常有益的，因为这样的更新不会修改模型 中波速Vp₀的值。其结果是，在小倾角设置中不会在性质上破坏事先 利用在框135中构建的模型获得的井数据与地震数据之间的联系。那 样，可以为TTI模型的值实现更快速和更健壮的转换。

可替代地或附加地，确定是否应该为模型的每个点更新η的值。 如果在框180上询问的结果是肯定的，工作流就转到过程195，其中 使用对从远到中偏距的剩余时差分析的结果执行三维(3D)TTI层析， 以便为模型的每个点更新η的值。

如果不更新δ和/或η的值，则确定是否应该更新波速Vp₀的值(框 175)。如果询问的结果是否定的，则在框166中结束工作流。如果询 问的结果是肯定的，则工作流转到过程190，其中执行3D TTI层析以 更新感兴趣地质体中速度Vp₀的值。

在框197上，过程185，190和195的3D TTI层析分析的结果提 供了在模型的每个点(x，y，z)上具有δ，Vp₀和η的更新值的新三维 (3D)TTI模型。然后，对框197的新模型中δ，Vp₀和η的更新值确 定是否达到收敛(框198)。可以使用各种判据来确定是否达到收敛。 例如，确定获得的值是否在预定阈值之下。如果询问的结果是肯定的， 则在过程199中结束图2的工作流。如果询问的结果是否定的，则工 作流100返回到框115，其中根据射线追踪，将井数据用于执行三维 (3D)TTI层析(过程120)，以更新井附近的在框197中获得的TTI 地球模型的Vp₀的值。因此，将在框197中获得的TTI地球模型用作 新初始模型用于随后迭代。在一个实施例中，这个新初始TTI地球模 型比用在第一次迭代中的初始模型更精细，因为它使共成像点道集基 本上平坦和使地震数据基本上与井数据相联系。在确定了在井附近具 有Vp₀的更新值的修正模型之后，工作流100转到确定δ，和/或Vp₀和/或η的更新值的过程125-198。然后迭代该工作流直到δ，和/或Vp₀和/或η的值都达到收敛(即，δ，和/或Vp₀和/或η的值在两次随后迭代 之间基本上没有变化)。

应该理解，图2的工作流旨在包含优化三维(3D)TTI模型的若 干情形。现在参照图3，这个图形示出了每次迭代时可以应用的各种 情形。在第一种情形下，δ是在模型中的每个位置上更新的唯一参数。 第一种情形是优选的，因为在小倾角设置中δ的更新不改变Vp₀的值， 其结果是，在优化δ期间不会破坏井数据与地震数据之间的定量联系。 在第二种情形下，更新参数δ和Vp₀。在第三种情形下，更新参数δ和η。 在第四种情形下，更新速度Vp₀。在第五种情形下，更新Vp₀和η。在 第六种情形下，更新η，以及在第七种情形下，更新δ，η和Vp₀。

应该理解，在给定迭代中更新的一个或多个参数可能与在随后迭 代中更新的一个或多个参数不同。换句话说，在每次迭代时优化的各 向异性参数(δ，η和Vp₀)可能不同。因此，在一个实施例中，设想 可以使用各种情形来优化三维TTI模型。并且，设想在按照第一种情 形优化了第一参数，例如δ之后，可以沿着图2的工作流优化第二参数， 例如η，然后第三参数，例如Vp₀。因此，可以同时或顺序优化参数δ， η和Vp₀。并且，应该理解，每次迭代时更新的参数的选择在很大程度 上取决于包括深度成像和层析的整个模型构建过程的成熟度和用于构 成3D TTI模型的井数据和地震数据的类型和质量。

尽管为了例示的目的，根据当前认为是最实用优选实施例的实施 例对本发明作了详细描述，但应该明白，这样的细节仅仅为了该目的， 本发明不局限于所公开的实施例，而是相反，打算涵盖在所附权利要 求书的精神和范围之内的所有修改和等同安排。

应该理解，确定倾斜横向各向同性(TTI)地球模型的各向异性 模型参数的值所涉及的不同动作可以按照机器可执行指令或代码来执 行。这些机器可执行指令可以嵌入数据存储媒体中。可以将处理器配 置成执行这些指令。

包括可执行代码的牵涉到编程的计算机系统的软件功能可以用于 实现上述模型。软件代码可由通用计算机执行。在运行时，可以将代 码和可能相关数据记录存储在通用计算机平台内。但是，在其它时候， 可以将软件存储在其它地方和/或进行传输以便装入适当通用计算机 系统中。因此，上面讨论的实施例牵涉到具有至少一种机器可读媒体 携带的代码的一个或多个模块形式的一种或多种软件或计算机产品。 计算机系统的处理器对这样代码的执行使计算机平台能够基本上以在 本文所讨论和例示的实施例中执行的方式实现各种功能。

正如本文所使用的那样，像计算机或机器“可读媒体”那样的术 语指的是参与将指令提供给处理器加以执行的任何媒体。计算机或机 器“可读媒体”可以广义地称为“计算机产品”。这样的媒体可以呈 现许多形式，包括但不限于这些非易失性媒体、易失性媒体、和传输 媒体。非易失性媒体包括，例如，像如上所讨论运行的任何计算机中 的任何存储设备那样的光盘或磁盘。易失性媒体包括像计算机系统的 主存储器那样的动态存储器。物理传输媒体包括同轴电缆、铜线和光 纤，包括包含计算机系统内的总线的电线。载波传输媒体可以呈现像 在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的那样的电或电磁信号， 或声或光波的形式。因此，计算机可读媒体的常见形式包括，例如， 软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁性媒体、CD-ROM、DVD、 任何其它光学媒体、像打孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其它物体 媒体那样的不常使用媒体、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、 任何其它存储芯片或盒、传输数据或指令的载波、传输这样载波的电 缆或链路、或计算机可以从中读取或发送编程代码和/或数据的任何其 它媒体。在将一条或多条指令的一个或多个序列传送到处理器加以执 行时可能牵涉到这些计算机可读媒体形式的许多形式。

应理解，本发明构想可以尽可能地将任何实施例的一个或多个特 征与任何其它实施例的一个或多个特征组合。