一种垂直接收阵列地震记录的速度分析方法

摘要

本发明提供了一种垂直接收阵列地震记录的速度分析方法，属于地震勘探领域。本方法包括：(1)输入VSP记录，进行预处理；(2)对经过预处理后的VSP记录进行波场分离，得到单一的上行P波VSP记录；(3)获得地层的初始速度；(4)用初始速度抽取所述上行P波VSP记录的CSP道集；(5)对所述CSP道集进行速度扫描，得到第一次扫描速度；(6)用第一次扫描速度作为初始速度，然后重复步骤(4)至步骤(6)进行迭代，直到迭代前后的速度不再有明显变化，即达到速度分析目的；(7)输出该扫描速度，即为最终的速度结果。

说明书

技术领域

本发明属于地震勘探领域，具体涉及一种垂直接收阵列地震记录的速度分 析方法，通过垂直接收阵列的地震记录形成一种能用于速度扫描的地震道集， 用于解决地震勘探中井中垂直接收阵列速度分析的问题。

背景技术

VSP等垂直接收阵列的地震勘探方式借助其特殊的接收方式，广泛应用于 油气田等的勘探开发中，为油气田的增储增产发挥着重要作用。

但垂直接收阵列的速度建模技术主要依赖于测井资料，初至速度反演，或 者地面阵列等，这些手段一般得到的是一维速度模型，或者只能得到最深接收 点以上的速度。由于其接收方式的不对称性，很难形成和地面接收阵列一样的 有效的速度分析道集，因此也就不能很好的利用其本身携带的丰富的速度信息。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种垂直接收阵 列地震记录的速度分析方法，为成像提供了更准确合理的速度模型。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种垂直接收阵列地震记录的速度分析方法，所述方法包括：

(1)输入VSP记录，进行预处理；

(2)对经过预处理后的VSP记录进行波场分离，得到单一的上行P波VSP 记录；

(3)获得地层的初始速度；

(4)用初始速度抽取所述上行P波VSP记录的CSP道集；也就是将VSP 记录映射形成一种共散射点(CSP)道集；

(5)对所述CSP道集进行速度扫描，得到第一次扫描速度；

(6)用第一次扫描速度作为初始速度，然后重复步骤(4)至步骤(6)进 行迭代，直到迭代前后的速度不再有明显变化，即达到速度分析目的；

(7)输出该扫描速度，即为最终的速度结果。

所述步骤(4)包括：

(41)确定一个输入道的最大扫描长度；最大扫描长度大于等于输入道的 最大记录长度；

(42)利用公式(4)和公式(5)计算每个t₀对应的均方根速度v_s，v_r；

$v_s={\left(\frac{t_0{v_e}^2+t_{s0}{v_{s0}}^2}{t_0+t_{s0}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$v_r={\left(\frac{t_0{v_e}^2+t_{\mathrm{rv}}{v_{\mathrm{rv}}}^2}{t_0+t_{\mathrm{rv}}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

其中，t₀是基准面到散射点的单程垂直旅行时，t_s0是地表震源到基准面的 单程垂直旅行时，v_s0为地表震源处的近地表速度，t_rv为从井中接收点到基准面 的虚拟垂直单程旅行时，v_rv为井中接收点到基准面的均方根速度，v_e是所述初 始速度；

(43)利用公式(1)计算每个t₀对应的旅行时t；

$t={[{(t_0+t_{s0})}^2+{\left(\frac{h_s}{v_s}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+{[{(t_0-t_{\mathrm{rv}})}^2+{\left(\frac{h_r}{v_r}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+t_{\mathrm{rv}}---\left(1\right)$

其中，h_s和h_r分别是地面震源和井中接收点到散射点的水平距离，v_s和v_r分别是地面震源和井中接收点到散射点的均方根速度；

(44)利用公式(3)计算每个t₀对应的等效偏移距h_e；

$h_e=v_e{(\frac{t^2}{4}-{t_0}^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

(45)将每个t₀对应的有效t时刻的采样点映射到t₀对应的h_e上：统计映 射到每个等效偏移距上的时间t的范围，然后将每个范围内的样点连续地映射到 对应的等效偏移距上。

所述步骤(45)中将每个范围内的样点连续地映射到对应的等效偏移距上 是这样实现的：

将步骤(43)中由t₀确定的输入道中一个样点(t₀,t)，通过步骤(44)确定 (t_o,t)这个样点在输出道上对应的偏移距h_e，然后将这个输入道上的样点叠加 到等效偏移距为h_e的输出道上的t时刻。

所述步骤(5)中是按照最大扫描长度进行速度扫描的。

所述步骤(6)中迭代前后的速度不再有明显变化是这样判断的：

迭代前后的速度的变化差引起的走时差小于采样率即为速度不再有明显变 化，如下式：

|1／v2-1/v1|<dt/d，

其中v1，v2是迭代前后的速度值，d是深度，dt是采样率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.形成了垂直接收阵列地震记录的共散射点道集，共散射点道集集聚了所 有可能来自同一散射点的地震波能量，它的偏移距范围大，覆盖次数高， 且能提高信噪比，有利于速度分析；

2.垂直接收阵列地震记录的共散射点道集速度与界面倾角无关，只与散射 点位置有关，而且共散射点道集的速度是偏移速度，因此可以直接用来 偏移成像。

3.垂直接收阵列地震记录的共散射点道集速度分析除了得到速度纵向变 化，还可以得到速度的横向变化，为成像提供了更准确合理的速度模型；

4.通过速度扫描的办法对共散射点道集进行速度分析，提供了一种方便可 交互的垂直接收阵列的地震记录的速度分析手段。

附图说明

图1是VSP的等效偏移距定义示意图。

图2是VSP记录的CSP道集映射流程图。

图3是VSP记录的CSP道集和速度谱。

图4是VSP记录的CSP道集映速度分析步骤框图。

图5是VSP水平界面模型示意图。

图6是VSP水平界面模型的部分单炮记录。

图7是VSP水平界面模型的部分CSP道集。

图8-1是VSP水平界面模型的CSP31的道集速度谱。

图8-2是VSP水平界面模型的CSP41的道集速度谱。

图8-3是VSP水平界面模型的CSP51的道集速度谱。

图9是VSP水平界面模型CSP道集速度场。

图10是某油田某井VSP波场分离后的上行波场记录。

图11是某油田某井VSP记录的部分CSP道集。

图12-1是某油田某井VSP资料的CSP60的道集速度谱。

图12-2是某油田某井VSP资料的CSP80的道集速度谱。

图12-3是某油田某井VSP资料的CSP100的道集速度谱。

图13是某油田某井VSP记录的CSP道集速度场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明通过形成一种垂直接收阵列地震记录的速度分析道集，这种道集有 偏移距范围大，覆盖次数高，信噪比高的特点。因此通过速度扫描的办法对这 种道集进行速度分析，能有效的解决垂直接收阵列地震勘探的速度建模问题。

垂直接收阵列的观测方式变化较多，这里以垂直地震剖面(VSP)为例来对 本发明的方法原理进行说明，对于其他垂直接收阵列的观测方式，利用本发明 针对VSP的这种方法原理可以在做简单的修改之后很容易推广到其他方式的垂 直接收阵列。本发明以散射点为中心，以等效偏移距为单元，将垂直接收阵列 地震记录映射形成一种共散射点(CSP)道集，然后利用共散射点(CSP)道集 进行速度扫描。

(1)VSP记录的共散射点道集

根据散射波理论，假设地下是由无数的散射点构成，任意散射点的时距公 式可以表示为从震源到散射点的旅行时与散射点到接收点的旅行时之和。考虑 到VSP的特殊性，如图1所示，引入一个从井中接收点到基准面的虚拟垂直单 程旅行时t_rv，将地表震源处到散射点再到井中接收点，以及井中接收点到基准 面的旅行时之和作为VSP的总射线旅行时，这个关系表示为：

$t={[{(t_0+t_{s0})}^2+{\left(\frac{h_s}{v_s}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+{[{(t_0-t_{\mathrm{rv}})}^2+{\left(\frac{h_r}{v_r}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+t_{\mathrm{rv}}---\left(1\right)$

公式中的h_s和h_r分别是地面震源和井中接收点到散射点的水平距离，v_s和 v_r分别是地面震源和井中接收点到散射点的均方根速度。t₀是基准面到散射点的 单程垂直旅行时，t_s0是地表震源到基准面的单程垂直旅行时。其中t_s0是带有符 号的，高于基准面取正，低于基准面取负，t_rv始终为正，且对井中每一个接收 道来说t_rv是常量，如果基准面选在零偏移距震源高程面上时，则t_rv就是零偏移 距记录的直达波走时。

引入等效偏移距的概念，即在基准面上如果存在一点E，E点到散射点的双 程时如果等于从炮点到散射点再到接收点，再到基准面的时间之和，则E点就 是等效点。这个关系可以写成公式(2)：

$t={[{(t_0+t_{s0})}^2+{\left(\frac{h_s}{v_s}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+{[{(t_0-t_{\mathrm{rv}})}^2+{\left(\frac{h_r}{v_r}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}+t_{\mathrm{rv}}=2{[{t_0}^2+{\left(\frac{h_e}{v_e}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

VSP的等效偏移距的显式表达式为：

$h_e=v_e{(\frac{t^2}{4}-{t_0}^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

公式(2)和(3)中v_e是散射点到基准面的均方根速度，(2)式中的v_s和 v_r分别是炮点和接收点到散射点的均方根速度。其中v_e可以直接得到。这里给 出v_s和v_r的表达式：

$v_s={\left(\frac{t_0{v_e}^2+t_{s0}{v_{s0}}^2}{t_0+t_{s0}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$v_r={\left(\frac{t_0{v_e}^2+t_{\mathrm{rv}}{v_{\mathrm{rv}}}^2}{t_0+t_{\mathrm{rv}}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

(4)式中v_s0为地表震源处的近地表速度，(5)式中的v_rv为井中接收点到 基准面的均方根速度。

根据垂直接收阵列等效偏移距的定义，就可以将垂直接受阵列的地震记录 以散射点为中心，以等效偏移距为单元，映射到一个新的道集上，这个道集就 是共散射点(CSP)道集。共散射点道集它集聚了所有地震道中可能来自同一散 射点的地震波能量，它的偏移距范围大，覆盖次数高，形成过程中通过将来自 同一散射点的能量叠加，信噪比得到提高。

(2)VSP记录的共散射点道集的形成

在公式(3)中h_e是t₀的函数，对于给定的输入道和CSP道集，在t₀值确 定后，v_e是确定的，可以通过(1)式计算得到t。在计算t的(1)式中的速度 v_s和v_r可以用基准面上的均方根速度v_e借助(4)和(5)式分别计算得到。因 此可以用t₀时扫描的办法将一个输入道映射到一个CSP道集上，

具体流程如图2所示。但在实际应用时步骤4计算出来的等效偏移距h_e是 取等效偏移距间隔的整数倍，图2的步骤5算出来的t₀对应的时刻t的采样点并 不是直接映射到对应等效偏移距上，而是先统计了映射到每个等效偏移距上的 时间t的范围，然后将每个范围内的样点连续的映射到对应的等效偏移距上。

实验证明，CSP道集的抽取过程中，对输入速度不敏感，因此，初始速度 v_e可以通过常规的VSP速度获取方法粗略给出。

(3)垂直地震剖面的共散射点道集速度分析方法

根据等效偏移距的定义，共散射点道集的时距公式为：

$t^2={t_0}^2+\frac{{4\mathrm{he}}^2}{v^2}---\left(6\right)$

从形式上看，共散射点道集时距关系是双曲线，而且共散射点道集与界面 倾角无关，只与散射点位置有关，从本质上说，共散射点道集的速度是偏移速 度。

因此本发明将地面地震共中心点道集的速度扫描的方法应用到共散射点道 集速度分析中，为成像处理提供准确的速度参数(图3是VSP记录的共散射点 道集进行速度扫描的速度谱)。

(4)VSP记录的共散射点道集速度分析流程

如图4所示，本发明所涉及的共散射点道集速度分析流程如下：

(1)输入的VSP记录，进行常规预处理；

常规预处理主要指的是检波器方位校正，去噪，能量增益环节。通过这些 环节处理之后，得到的是一个信噪比比较高，适合后续处理的VSP记录。

(2)对记录进行波场分离，得到单一的上行P波波场；

VSP的波场分离技术属于已有技术，该类技术方法众多，常用方法有中值 滤波法，偏振滤波法，FK滤波法，τ-p域滤波等，本发明所用的分离方法 不限，只要能达到波场分离的目的即可。

(3)用常规的VSP速度分析手段(初至波反演，测井速度得到)得到初始 的速度；

常规的VSP速度分析手段也方法众多，常用方法有初至波反演，利用声波 测井数据进行速度计算等方法。同样，这里所用的速度分析方法不限，只 要能得到地层速度即可。

(4)用初始速度抽取VSP记录的CSP道集；

本步骤的具体实现过程为“具体实施方式”第(2)步的“VSP记录的共散射点 道集的形成”中所述的过程，只不过是该过程中用到的公式(4)(5)中的 速度v_e是步骤③中得到的初始速度，图2中的5个步骤即为本步骤的具体 实现流程。

(5)CSP道集进行速度扫描，得到第一次扫描速度；

(6)用第一次扫描速度作为输入速度，然后返回步骤④重新抽取CSP道 集；如果满足，则进入步骤⑦输出该扫描速度；这样迭代进行2～3次 后，若迭代前后的速度不再有明显变化，即达到速度分析目的。

(7)输出最终的速度结果。

图1中S和R分别是炮点和接收点，SP点是散射点，E点是基准面上等效 点，t_e，t_s，t_r分别是散射点到等效点，炮点和接收点的走时，t_s0和t_rv分别是炮 点和接收点到基准面的垂直旅行时，h_e，h_s，h_r分别是等效点，炮点，接收点 到散射点的水平距离。

图3的右侧是一个有两层水平界面模型VSP记录的CSP道集，左侧是该道 集速度扫面的速度谱。

图5中纵坐标为深度Z(m)，横坐标为地面坐标X(m)。X面上的黑点位 置为炮点，右侧边界附近垂直排列的一组灰色三角符号为井中接收点位置。图 形右侧五条竖直的虚线表示部分CSP点的位置，CSP号在图上已标注。

图8-1至图8-3中速度扫描范围：1500～4000m／s；扫描间隔50m／s；时间扫 描范围0～512ms；时间间隔：20ms。

实施例1

以两层水平层模型为例(如图5所示)。该模型共有三层两个水平界面，第 一层速度2500m／s，第二层速度3000m／s，第三层速度3500m／s。第一个水平界 面位于300m深度，第二个水平界面位于450m深度。观测系统和CSP道集形成 参数与VSP单点模型一致。

观测系统：采用变偏移距的61道全排列垂直接收，接收点X方向坐标为 400m，深度范围100～400m，垂直道距5m，垂直排列长度300m。炮距20m， 共21炮，炮点在水平地表上的X范围为0～400m。

CSP道集形成参数：等效偏移距间隔2.5m，CSP点间隔2.5m，CSP范围 200～400m。CSP道集理论覆盖次数241次。

表1

表2

图6和图7分别是VSP单点模型的部分原始单炮道集和CSP道集，其中 VSP模型炮点号和X坐标的对应关系如表1所示，VSP模型CSP号和X坐标的 对应关系如表2所示。

图8-1至图8-3是VSP的水平界面模型的部分CSP道集速度扫描得到的速 度谱。图9是部分CSP道集的速度场。VSP的水平界面模型的每个CSP道集速 度谱上有两个强能量团和分别和两个水平界面形成的散射波双曲线对应，其速 度场值也反映出了两个明显的速度界面，这和模型的速度是一致的。

实施例2

图10是某油田某井波场分离后的VSP上行波记录；该记录共136道，接收 道深度2500～5200m(图10中横坐标为检波点相对高程)，垂直道距20m，炮点 偏移距2000m。采样率2ms，记录长度4s。CSP点范围在0到1000m之间，CSP 间隔10m，等效偏移距间隔10m，孔径1500m，理论覆盖次数301次。

图11是截取的部分CSP道集记录，由于观测系统限制，在CSP道集的正 等效偏移距方向(远离井口方向)和小偏移距方向没有形成有效的数据道，所 附图11中CSP道集只显示了负等效偏移距在1000到1500m之间的记录。从 CSP道集上看，受检波器深度和炮点偏移距等因素影响，散射波双曲线曲率很 小，且图11中只显示了较大等效偏移距的记录道，所以图中看到的CSP道集的 散射双曲线特征不明显，近乎“水平”状，但是同相轴层位很明显，信噪比较高； 从覆盖次数上看，虽然远没有达到理论的301次覆盖，但实际覆盖次数都在40 次左右，对于VSP记录来说，常规的成像方法是很难达到这样的覆盖次数。

图12-1至图12-3是部分CSP道集的速度谱，虽然速度谱背景噪音较大， 但能量团的速度趋势比较清楚。图13是所有VSP道集的散射波速度场，通过速 度场看到CSP点成像范围内的速度参数在横向变化很小。所以初至接收阵列地 震的CSP道集速度分析不仅为垂直接收阵列记录成像提供了一种新的交互式可 视化获取速度的方法，而且能够得到横向速度变化，不同于常规的垂直接收阵 列记录的速度分析只能通过测井数据或反演方法得到纵向的一维速度模型。

本发明提供了一种垂直接收阵列地震记录的速度分析道集，这种道集偏移 距范围大，覆盖次数高，信噪比也高，能通过速度扫描的方式得到与界面倾角 无关的偏移速度，为垂直接收和地面接收阵列的处理提供可靠的偏移速度。主 要发明内容包括：垂直接收阵列共散射点道集的定义；垂直接收阵列共散射点 道集的形成过程；垂直接收阵列共散射点道集的速度分析方法；垂直接收阵列 的共散射点道集的速度分析流程。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是 优选的，而并不具有限制性的意义。