一种基于表层横波速度反演的纵横波联合静校正方法

摘要

本发明涉及一种基于表层横波速度反演的纵横波联合静校正方法，该方法通过高精度的波场插值，联合应用纵波和转换波资料面波信息，并通过加权叠加，有效提高了直接反演横波速度的精度，有效的解决了常规方法通过间接求取横波静校正量，存在静校正不准的问题，从而有效提高多波资料的成像水平。经过对胜利油田罗家地区三分量地震数据处理中的应用试验，取得了较好的处理效果，证明基于表层横波速度反演的纵横波联合静校正方法是一可行的方法技术。

说明书

技术领域

本发明涉及地震勘探或勘测领域，具体涉及一种基于表层横波速度反演 的纵横波联合静校正方法。

背景技术

由于地形的起伏变化或浅层存在横向的速度不均匀体，造成到达地表的 反射地震信号在不同的检波器上除存在正常的偏移距和深度变化引起的正常 时差外，还会出现由于地表与浅层低、降速带异常所引起的走时变化。这一 走时变化必须在反射波信号的处理中予以消除，才能获得地下介质的正常的 成像。这一时差的校正在人工地震信号处理领域被称为静校正。

静校正一般分为二大类方法：一类方法是通过获得地表的速度结构，将 横向速度不均匀体产生的异常时差予以校正，这种方法一般又统称为一次静 校正或长波长静校正；另一类方法是利用相邻地震道上信号的相关性，通过 相关分析求取各道间的时差以达到消除这种时差的方法。这种方法在地震信 号处理领域一般又称为剩余静校正，即这一静校正方法的应用一般在一次静 校正之后使用，目的是消除各道间变化不大的短波长校正量。

纵波的静校正方法目前相对来说比较成熟，有层析静校正、折射波静校 正等，但是由于转换波特有的反射特征使得这些纵波静校正方法无法应用于 转换波，而由于转换波静校正需要炮点和检波点分开处理，使得其静校正方 法更加复杂和困难，尤其是检波点的静校正问题更为突出。目前也出现了一 些像共检波点叠加相关法静校正，基于构造时间控制的转换波静校正等常规 转换波静校正方法，这些方法能解决部分静校正问题，但是由于间接应用纵 波速度或者速度比，以及由于存在的纵横波匹配的等难题，使得这些方法无 法准确求取横波静校正量，影响静校正效果。

公开号为CN101907727A的专利公开了“一种面波多分量转换波静校正 方法”，该方法基于炮记录中的瑞雷面波，通过面波的提取、频散曲线反演 求取浅层的地层分层及横波速度，进而精确计算转换波检波点静校正量。该 方法和本发明相比，本发明建立了基于小波变换方法的高精度的道间插值， 进一步提高了资料的信噪比，综合应用纵横波资料的面波信息，并进行能谱 加权叠加，充分利用了纵波和横波的高频和低频优势，提高能谱拾取精度， 应用了阻尼最小二乘法进行反演，进一步增加了计算的稳定性和效率。

芦俊等的“面波法转换波静校正研究”（《中国地球物理 2006》.2006.25），简单的介绍了利用面波进行浅层横波速度反演的一些思 路，而且提出只是利用垂直分量的面波信息，整个技术方法还没有实现。本 发明提出了综合利用纵横波资料的优势面波信息，进一步提高了反演的精 度，降低了多解性。而且在反演方法等方面采用了更加先进的方法，并进行 了可视化实现。

另外，像姚姚等提出的利用转换折射波和反射波进行转换波静校正的方 法也取得了一定的效果，但因为转换折射波是续至波不是初至波不易拾取以 及拾取反射波时存在不确定性，给计算静校正量造成了一定的困难。

发明内容

静校正的效果会严重影响成像的质量，但是一般情况下，由于很难得到 近地表的横波速度信息，使得转换波静校正处理中检波点静校正量难以准确 计算，影响了多波资料的成像质量。本法的目的在于提供一种基于表层横波 速度反演的纵横波联合静校正方法，通过多波资料中信息丰富的面部信息来 直接反演横波速度信息，进而直接得到横波静校正量，减少中间过程的累积 误差，提高静校正的精度。

一种基于表层横波速度反演的纵横波联合静校正方法，包括如下步骤：

第一步：波场高精度插值

所述波场高精度插值的具体方法是：

（a）对面波数据进行一定程度的线性动校（LNMO）；

（b）进行小波变换插值；

（c）反线性动校（RLNMO）恢复信号。

第二步：面波频散曲线提取

提取频散曲线可以通过两个线性变换实现，具体方法是：

（a）对原始数据做倾斜叠加，将数据变换到了慢度-截距域(p-τ)；所述 对原始数据做倾斜叠加采用线性Radon变换来完成；

（b）沿截距τ方向做一维傅里叶变换得到慢度-频率域(p-f)；

（c）将慢度转换成速度即可获得速度-频率域。

第三步：横波速度反演

横波速度的反演需要经过面波正演和面波反演两个方面；

1）面波正演

面波正演主要是根据弹性波动理论建立描述面波相速度C与波动频率f 以及其它弹性参数之间关系的面波频散方程F(C,f)，并解方程F(C,f)=0的 根，即计算不同频率时的面波传播速度，由此了解特定介质模型中的面波频 散特征。

2）面波反演

建立的面波频散方程：

${[{\Delta }_n,{\Delta }_n,W_n,W_n]}^T={\left[J\right][\frac{{\mathrm{jwu}}_0}{C},\frac{\mathrm{jw}{w}_0}{C},0,0]}^T---\left(1\right)$

其中：其中：[J]是由传播矩阵表示的连乘形式，△_n为纵波体积膨胀系 数，W_n为横波角位移，C为相速度，μ₀为介质的拉梅常数，w₀为法向位 移。

因为[J]中的元素是相速度C和常数R的函数，所以式(1)表示了C与R 的关系，从而导出了相速度C的频散函数

F(C,f)=0；

通过二分法求解得到不同频率下的速度值，最终得到面波速度随频率的 变化——频散曲线；

面波反演的主要包括频散曲线C-f的求取和对频散曲线的解释，

反演过程中的目标函数为

Φ(X)=∑[d_i-C_i(x_j)]²     (2)

其中：Ci为相速度的理论值，di(i=1,2,...,M)为面波相速度的实测值， xj(j=1,2,...,N)为近地表模型参数；

目标函数待到最小的充要条件是

$\partial \Phi /{\partial x}_j=0---\left(3\right)$

根据式(3)可以求出

A^TAΔX=A^T·ΔC     (4)

式(4)中的A为Jacobi矩阵，C为相速度，其具体形式为：

$A_{M\times N}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_N}\\ \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_N}\\ M& M& M& M\\ \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_N}\end{array}\right)---\left(5\right)$

面波反演是对介质各层厚度和横波速度同时反演的过程，具体方法是：

（a）给定初值：根据实测频散曲线的变化规律，做出定性解释，即确 定出可能的层数及各层的横波速度和厚度的变化范围，选择反演开始时各层 横波速度和厚度的初值，也就是建立一个初始地层模型；

(b)将这个初始地层模型的理论频散曲线与实测瑞波频散曲线相比较，求 得理论频散曲线与实测频散曲线之间的偏差ΔC(f)；

（c）采用阻尼最小二乘法进行误差修正，调整初始地层模型的参数，重 新计算调整后的地层模型的理论频散曲线，再与实测频散曲线比较，得到新 的偏差ΔC(f)；

(d)重复上述过程，反复调整地层模型参数，是理论频散曲线不断逼近 实测频散曲线，直至偏差ΔC(f)小于给定的量值标准；

第四步：静校正量的计算

近地表静校正，使用替换速度静校正方法，利用直接反演的横波速度， 对炮点和检波点分开求取静校正量。

进一步，在反演过程中，还包括将实验室测出的横波速度V_S、纵波速度 V_P、密度ρ数据，根据公式

V_P=F(V_S)

ρ=G(V_P)

反求出的函数关系引入到反演过程中的步骤，可减少未知数的个数，提 高反演的精度。

本发明通过高精度的波场插值，联合应用纵波和转换波资料面波信息， 并通过加权叠加，有效提高了直接反演横波速度的精度，有效的解决了常规 方法通过间接求取横波静校正量而存在静校正不准的问题，从而有效提高多 波资料的成像水平。

附图说明

图1是反演与理论频散曲线示意图。

图2a是罗家地区某区块三分量资料中的X分量资料图。

图2b罗家地区某区块三分量资料中的Y分量资料图。

图2c是罗家地区某区块三分量资料中的Z分量资料图。

图3a是罗家地区某区块X分量数据瑞雷面波频散曲线的提取图。

图3b是罗家地区某区块Y分量数据瑞雷面波频散曲线的提取图。

图3c是罗家地区某区块Z分量数据瑞雷面波频散曲线的提取图。

图4a是罗家地区某区块XZ分量叠加瑞雷面波频散曲线的提取图。

图4b是罗家地区某区块XZ分量加权叠加瑞雷面波频散曲线的提取图。

图5是罗家地区某区块反演的横波速度剖面图。

图6a是罗家地区某区块静校正前剖面图。

图6b是罗家地区某区块静校正后叠加剖面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

作为体纵波与横波的复合波，瑞雷面波的速度与纵波、横波速度有关， 因此可以通过瑞雷面波反演近地表的横波速度结构。而瑞雷面波作为陆地地 震勘探中的常见噪音，一直是被作为强线性干扰来压制的。如果能利用提取 的面波实现转换波的静校正，就相当于“变废为宝”了。

一种基于表层横波速度反演的纵横波联合静校正方法，包括如下步骤：

第一步：波场高精度插值

在地震勘探中，因受野外施工条件、成本、效益等种因素的限制，野外 采集道间距过大，容易产生空间假频。而利用地震道插值能加密空间采样 率，防止偏移频散出现，提高信噪比。且由于面波具有速度低的特点，其数 据往往会出现超周期现象，直接对这样的数据进行插值效果很差。而面波又 有线性特征，首先对面波数据进行一定程度的线性动校（LNMO），然后进 行小波变换插值，最后再反线性动校（RLNMO）恢复信号。

“小波”就是小区域、长度有限、均值为0的波形。所谓“小”是指它具有 衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。与 Fourier变换相比，小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩 平移运算对信号（函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低 频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意 细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法 上的重大突破。小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅 立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够 提供一个随频率改变的时间一频率窗口，是进行信号时频分析和处理的理想 工具。

第二步：面波频散曲线提取

提取频散曲线可以通过两个线性变换实现：首先对原始数据做倾斜叠加 （即线性Radon变换），将数据变换到了慢度-截距域(p-τ)；其次，沿截距 τ方向做一维傅里叶变换得到慢度-频率域(p-f)；最后将慢度转换成速度即 可获得速度-频率域(v-f)。

第三步：横波速度反演

横波速度的反演需要经过面波正演和反演两个方面，面波正演主要是根 据弹性波动理论建立描述面波相速度C与波动频率f以及其它弹性参数之间 关系的面波频散方程F(C,f)，并解方程F(C,f)=0的根，即计算不同频率时的 面波传播速度，由此了解特定介质模型中的面波频散特征。

建立的面波频散方程为：

${[{\Delta }_n,{\Delta }_n,W_n,W_n]}^T={\left[J\right][\frac{{\mathrm{jwu}}_0}{C},\frac{\mathrm{jw}{w}_0}{C},0,0]}^T---\left(1\right)$

其中：[J]是由传播矩阵表示的连乘形式，△_n为纵波体积膨胀系数，W_n为横波角位移，C为相速度，μ₀为介质的拉梅常数，w₀为法向位移。

因为[J]中的元素是相速度C和常数R的函数，所以式(1)表示了C与R 的关系，从而导出了相速度C的频散函数F(C,f)=0。

该方程是一个非线性方程，通过二分法求解得到不同频率下的速度值。 最终得到面波速度随频率的变化——频散曲线。

面波反演的主要包括频散曲线C-f的求取和对频散曲线的解释，

反演过程中的目标函数为

Φ(X)=∑[d_i-C_i(x_j)]²     (2)

其中Ci为相速度的理论值，di(i=1,2,...,M)为面波相速度的实测值， xj(j=1,2,...,N)为近地表模型参数。

目标函数待到最小的充要条件是

$\partial \Phi /{\partial x}_j=0---\left(3\right)$

根据式(3)可以求出

A^TAΔX=A^T·ΔC     (4)

式(4)中的A为Jacobi矩阵，C为相速度，其具体形式为：

$A_{M\times N}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_1}{{\partial x}_N}\\ \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_2}{{\partial x}_N}\\ M& M& M& M\\ \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_1}& \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_2}& L& \frac{{\partial C}_M}{{\partial x}_N}\end{array}\right)---\left(5\right)$

一般而言，横波速度V_S与纵波速度V_P的关系、纵波速度V_P与密度ρ的 关系可以从实验室中得出，即

V_P=F(V_S)、ρ=G(V_P)

在反演过程中如果知道F、G则可减少未知数的个数。另外，面波反演 是对介质各层厚度和横波速度同时反演的过程，具体方法是：

a）给定初值：根据实测频散曲线的变化规律，做出定性解释，即确定 出可能的层数及各层的横波速度和厚度的变化范围，选择反演开始时各层横 波速度和厚度的初值，也就是建立一个初始地层模型；

(b)将这个初始地层模型的理论频散曲线与实测瑞波频散曲线相比较，求 得理论频散曲线与实测频散曲线之间的偏差ΔC(f)；

(c)采用阻尼最小二乘法进行误差修正，调整初始地层模型的参数，重新 计算调整后的地层模型的理论频散曲线，再与实测频散曲线比较，得到新的 偏差ΔC(f)；

(d)重复上述过程，反复调整地层模型参数，是理论频散曲线不断逼近实 测频散曲线，直至偏差ΔC(f)小于给定的量值标准。

第四步：静校正量的计算

近地表静校正，使用替换速度静校正方法，利用直接反演的横波速度， 对炮点和检波点分开求取静校正量。 实验验证

为对本方法这些程序应用了理论模型进行试验，检验方法的正确性、有 效性和稳定性，对胜利油田罗家地区某区块的三维多分量资料进行了静校正 处理，获得了较好的静校正效果。

图1是对理论模型反演计算得到的理论频散曲线与正演频散曲线进行对 比，反演结果与模型参数吻合性较好，误差较小。

具体情况见下表

层数 反演厚度（m） 反演横波速度（m/s） 模型厚度（m） 模型横波速度（m/s） 1 10.14 99.67 10 90 2 100.87 148.75 100 160 3 ∞ 239.88 ∞ 240

对罗家三分量资料进行静校正处理，图2a、图2b、图2c为罗家多分量 资料。如图3a、图3b、图3c所示，对其单分量数据提取频散曲线，可以看 到谱能量不是很集中。如图4b所示，对其多分量数据纵波和转换波联合应 用经过加权叠加提取的频散曲线，可以看到加权叠加后谱能量集中性明显变 好，而如图4a所示，普通叠加的效果则没有加权叠加的效果好。如图5所 示，为反演的罗家一条线的横波速度剖面。如图6a、图6b所示，通过静校 正前后的叠加剖面对比，可以看到静校正后剖面同相轴的能量和连续性变 好，取得了不错的静校正效果。