一种三维TTI介质射线追踪方法及系统

摘要

本发明公开了一种三维TTI介质射线追踪方法及系统，该方法包括基于声波近似方程推导出三维TTI介质下的程函方程；将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式；基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程；基于射线追踪方程获取射线路径与射线参数，并在获取射线路径的同时记录射线追踪到目标位置的射线旅行时。该方法能够获得精确的旅行时，利用射线追踪的结果对地震资料进行处理，能够有效解决目前地震资料处理方法精度低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及地震资料处理领域，尤其涉及一种三维TTI介质射线追踪方法及系统。

背景技术

在地震资料处理领域，对于横向各向同性(Transverse Isotropic，TI)介质，理想情况下，若介质对称轴是垂直的，则该横向各向同性介质为VTI(Transversely IsotropyWith A Vertical Axis of Symmetry)介质，若介质对称轴是水平的，则该横向各向同性介质为HTI(Transversely Isotropy With A Horizontal Axis of Symmetry)介质。但是在实际情况中，TI介质的对称轴往往是倾斜的，此时称该横向各向同性介质称为TTI(Transversely Isotropy With A Tilt Axis of Symmetry)介质。

目前的地震资料处理中，采用基于各向同性介质和VTI介质的理论假设前提条件对地下介质中地震波的传播进行简化表达，从而导致地震偏移成像数据处理中目的层的构造成像位置错误，甚至造成无论在深度上还是纵向上皆与测井数据不吻合的现象，给后期的圈闭规模计算、井位预测埋下隐患。

因此，亟需一种算法稳健、精度较高的地震资料处理方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种算法稳健、精度较高的地震资料处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三维TTI介质射线追踪方法，该方法包括了以下步骤：步骤一、基于声波近似方程推导出三维TTI介质下的程函方程；步骤二、将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式；步骤三、基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程；步骤四、基于射线追踪方程获取射线路径与射线参数，并在获取射线路径的同时记录射线追踪到目标位置的射线旅行时。

优选地，所述三维TTI介质下的程函方程为：

其中，τ表示射线旅行时，表示表示射线在z轴上的位移量，表示z轴方向上的射线参数的分量，v_t表示沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度，a₀,a₁,a₂,a₃,a₄均为方程的系数。

优选地，将所述三维TTI介质下的程函方程中的系数a₀,a₁,a₂,a₃,a₄分别解析为以下参数方程：

其中，v表示动校正速度，η为非椭圆率，ε、δ表示Thomsen各向异性参数，θ表示TTI介质对称轴倾角，φ表示TTI介质对称轴方位角。

优选地，根据如下表达式建立所述三维TTI介质下的射线追踪方程：

其中，dx表示单位时间步长射线追踪的路径长度在x轴方向的投影，ds表示单位时间步长射线所追踪的路径长度，分别表示射线追踪过程中x,y,z轴方向射线的角度信息，表示程函方程，p_x,p_y,p_z分别表示射线参数p在x,y,z轴上的分量，分别表示射线追踪单位时间步长对应的射线参数在x,y,z三个方向的改变量，分别表示射线在x,y,z轴上的位移量。

优选地，在步骤四之前还包括对所述射线追踪方程进行初始化：设置初始射线追踪的相角以及所述沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度；根据所述初始射线追踪的相角以及所述沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度获取相速度。

优选地，根据下式获取所述相速度V(θ′,θ,φ,φ′)：

其中，θ为TTI介质对称轴倾角，θ′为TTI介质初始出射角，φ为TTI介质对称轴方位角，φ′为射线方位角，v_t表示沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度，相角γ表示为

系数E＝sinθ′sinθcos(φ′-φ)+cosθ′cosθ，

F＝(sinθ′cosθcos(φ′-φ)-cosθ′sinθ)²+sin²θ′sin²(φ′-φ)，

D＝[(1+2ε)F-E²]²+4(1+2δ)E²F；

ε表示Thomsen各向异性参数。

优选地，所述记录射线追踪到目标位置的射线旅行时，包括：设置追踪步长；对于地下任一目标位置，记录射线追踪的起始位置到所述目标位置射线追踪使用的总的步长数目作为射线旅行时。

本发明还提供了一种三维TTI介质射线追踪系统，所述系统包括：程函方程建模模块，其基于声波近似方程推导出三维TTI介质下的程函方程；程函方程解析模块，其将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式；射线追踪方程建模模块，其基于所述程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程；射线追踪模块，其基于上述解析后的三维TTI介质下的程函方程以及射线追踪方程获取射线路径与射线参数，并在获取射线路径的同时记录射线追踪到目标位置的旅行时。

优选地，所述程函方程建模模块基于所述程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程为：

其中，τ表示射线旅行时，表示表示射线在z轴上的位移量，表示z轴方向上的射线参数的分量，v_t表示沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度，a₀,a₁,a₂,a₃,a₄均为方程的系数,如以下参数方程所示：

其中，v表示动校正速度，η为非椭圆率，ε、δ表示Thomsen各向异性参数，θ表示TTI介质对称轴的倾角，φ表示TTI介质对称轴方位角。

优选地，所述射线追踪方程建模模块建立三维TTI介质下的射线追踪方程为：

其中，dx表示单位时间步长射线追踪的路径长度在x轴方向的投影，ds表示单位时间步长射线所追踪的路径长度，分别表示射线追踪过程中x,y,z轴方向射线的角度信息，表示程函方程，p_x,p_y,p_z分别表示射线参数p在x,y,z轴上的分量，分别表示射线追踪单位时间步长对应的射线参数在x,y,z三个方向的改变量，分别表示射线在x,y,z轴上的位移量。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例从声波近似方程出发，推导出三维TTI介质下的程函方程，并将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式，进而基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程并根据射线追踪方程进行射线追踪，该方法能够获得精确的旅行时，利用射线追踪的结果对地震资料进行处理，能够有效解决目前地震资料处理方法精度低的问题。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为根据本发明一实施例的三维TTI介质射线追踪方法的流程示意图；

图2a-图2h为根据本发明一实施例的SEG管道模型示意图；

图3a-图3f为根据本发明一实施例的盐丘模型示意图；

图4为根据本发明另一实施例的三维TTI介质射线追踪系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为根据本发明一实施例的三维TTI介质射线追踪方法的流程示意图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S110、基于声波近似方程推导出三维TTI介质下的程函方程。

步骤S120、将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式。

步骤S130、基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程。

步骤S140、基于射线追踪方程获取射线路径与射线参数，并在获取射线路径的同时记录射线追踪到目标位置的旅行时。

具体的，在步骤S110中，基于声波近似方程推导出的TTI介质下的程函方程，如表达式(1)所示：

其中，表示程函方程，τ表示射线旅行时，表示表示射线在z轴上的位移量，表示z轴方向上的射线参数的分量，v_t表示沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度，a₀,a₁,a₂,a₃,a₄均为方程的系数。

接下来，在步骤S120中，将上述程函方程中的a₀,a₁,a₂,a₃,a₄五个参数分别解析为下列参数方程：

其中，v表示动校正速度，η为非椭圆率，ε、δ表示Thomsen各向异性参数，θ表示TTI介质对称轴倾角，φ表示TTI介质对称轴方位角。

进一步的，在上述程函方程和参数方程中，令其中p_z，p_y，p_x分别表示射线参数p在x,y,z轴方向的分量，分别表示射线在x,y,z轴上的位移量。

对表达式(1)所示的程函方程进行化简，过程如下：

在中，将相应的a₀，a₁，a₂，a₃，a₄五个参数方程中的用进行替换。

接下来，将a₀，a₁，a₂，a₃，a₄五个参数的表达式的各项用b系列参数进行化简，其具体方法如下：

对参数a₀表达式中各项用b系列参数表示为：

b02＝v²(1+2η)cos²θ(cosφp_x-sinφp_y)²

b04＝v²(1+2η)(sinφp_x+cosφp_y)²

则将a₀化简为：a0＝b01-b02+b03-b04-b05+1，

同理，对参数a₁表达式中各项用b系列参数表示为：

b12＝sin²θcosφp_x(2v_tsinφp_y-1)

b13＝v_t(p_x)²(cos²θcos²φ+sin²φ)

b14＝p_y(v_tp_y(cos²θsin²φ+cos²φ)+sin²θsinφ)

b15＝v_t(2v²η(b12+b13+b14)-v_t)+v²(1+2η)

则将a₁化简为：a1＝b11*b15。

同理，对参数a₂表达式中各项用b系列参数表示为：

b21＝-4sin²θ(3cos(2θ)+2)cos(2φ)((p_x)²-(p_y)²)

b22＝8sin²θ(3cos(2θ)+2)sin(2φ)p_xp_y

b23＝(2cos(2θ)+3cos(4θ)+3)((p_x)²+(p_y)²)

则将a₂化简为：

a₃，a₄暂可不用化简，即：

在步骤S130中，基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程的，如表达式(2)所示：

其中，dx表示单位时间步长射线追踪的路径长度在x轴方向的投影，ds表示单位时间步长射线所追踪的路径长度，分别表示射线追踪过程中x,y,z轴方向射线的角度信息，表示程函方程，p_x,p_y,p_z分别表示射线参数p在x,y,z轴上的分量，分别表示射线追踪单位时间步长对应的射线参数在x,y,z轴三个方向的改变量，分别表示射线在x,y,z轴上的位移量。

在求解上述方程中的时，的求解步骤如下：

因为在常规射线追踪系统中

而依次求解方程中即可得到值，同理可求得

的具体计算过程如下：

进一步的，依次求解方程中即：

同理，具体计算过程如下：

具体计算过程如下：

在求解上述方程中的时，求解步骤如下：

因为在常规射线追踪系统

而

依次求解方程中即可得到值，同理可求得

的具体计算过程如下：

的具体计算过程如下：

的具体计算过程如下：

接下来，在得到三维TTI介质下的射线追踪方程之后，在步骤S140中，基于射线追踪方程进行射线追踪，具体包括基于射线追踪方程获取射线路径与射线参数，并在获取射线路径的同时记录射线追踪到目标位置的射线旅行时。

在步骤S140之前，还包括对射线追踪方程进行初始化。

具体的，设置初始射线追踪的相角以及TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度v_t，根据初始射线追踪的相角以及TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度获取相速度，相速度如表达式(3)所示：

其中，θ为TTI介质对称轴倾角，θ′为TTI介质初始出射角，φ为TTI介质对称轴方位角，φ′为射线方位角，v_t表示沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度，相角γ表示为：

系数E＝sinθ′sinθcos(φ′-φ)+cosθ′cosθ，

F＝(sinθ′cosθcos(φ′-φ)-cosθ′sinθ)²+sin²θ′sin²(φ′-φ)，

D＝[(1+2ε)F-E²]²+4(1+2δ)E²F；

ε表示Thomsen各向异性参数。

进一步地，射线旅行时的记录方法如下：设置固定追踪步长，对于地下任一目标位置，记录射线追踪起始位置到目标位置射线追踪总共使用的步长数目来记录旅行时。

本发明实施例从声波近似方程出发，推导出三维TTI介质下的程函方程，并将所述三维TTI介质下的程函方程解析为表征沿TTI介质对称轴方向传播的纵波地震波速度、Thomsen各向异性参数、TTI介质对称轴倾角及TTI介质对称轴方位角的形式，进而基于解析后的程函方程建立三维TTI介质下的射线追踪方程并根据射线追踪方程进行射线追踪，该方法能够获得精确的旅行时，利用射线追踪的结果对地震资料进行处理，能够有效解决目前地震资料处理方法精度低的问题。

在一个实际的示例中，将本发明实施例提供的三维TTI介质射线追踪方法应用于TTI高斯束偏移成像，具体为通过加窗局部倾斜叠加并计算由震源和接收点出射的各向异性高斯束。基于三维TTI介质射线追踪方法获取射线参数、射线路径和射线旅行时，并根据射线旅行时获得高斯束的走时。根据射线参数、射线路径和高斯束旅行时计算动力学参量Q(s)、P(s)。根据动力学参量Q(s)、P(s)以及高斯束函数计算各条射线周围设定范围内不同频率的波场值。累加上述不同频率的波场值，并根据累加的结果进行成像。

图2a-图2h为根据本发明一实施例的SEG管道模型示意图，通过SEG管道模型可以看到利用本发明实施例的射线追踪方法进行高斯束偏移成像的效果。如图所示，一方面各向异性地层下面的地层分界面被拉平，与理论参数模型所呈现图像一致，而各向同性介质射线追踪应用于高斯束偏移成像，各向异性地层下面的地层分界面未拉平。另一方面，通过成像道集对比，各向同性成像道集道集不平，而TTI成像道集道集拉平。高斯束偏移成像与理论参数模型所呈现图像一致，成像精度高。

在另一个实际的示例中，利用本发明实施例提供的三维TTI介质射线追踪方法进行TTI参数建模，并将该TTI参数模型用于偏移成像。

具体为，利用初始参数模型进行TTI偏移，提供成像道集与偏移剖面，如果成像道集同相轴拉平，则输出初始模型参数及成像道集和偏移剖面数据，如果成像道集同相轴未被拉平，则在偏移剖面上进行属性参数拾取，在成像道集中进行剩余深度拾取，利用拾取得到的属性参数在初始参数场上进行TTI射线追踪，提供射线旅行时及路径信息，与剩余深度一起作为矩阵建立模块的输入数据构建矩阵，最终通过求解矩阵得到更新后的参数场数据。

进一步的，在进行深度拾取时，对于不同的反演参数需要的道集偏移距和角度范围是有区别的。具体的，如果单独反演v_t，仅仅需要角度小于30°的道集或者偏移距深度比值小于1范围内的数据。如果单独反演ε，则需要角度小于45°的道集或者偏移距深度比值大1范围内的数据。如果同时反演三个各向异性参数v_t,ε,δ，则需要对所有数据进行剩余深度拾取。对于不同的反演参数，矩阵求解过程中需要求解的对象不同。

将上述成像道集参数和偏移剖面参数用于各向异性深度偏移成像。

图3a-图3f为根据本发明一实施例的盐丘模型示意图，通过盐丘模型可以看到利用本发明实施例的射线追踪方法进行TTI参数建模偏移成像的效果。图3a-图3f依次为初始偏移剖面、参数建模之后的偏移剖面、理论值对应的偏移剖面、初始成像道集、参数建模之后的成像道集、理论值对应的成像道集，如图所示，得到的图像与理论模型精度相差不大，成像精度高。

图4为根据本发明另一实施例的三维TTI介质射线追踪系统的结构示意图，如图所示，该系统包括，

程函方程建模模块41，其执行步骤S110中的操作，程函方程解析模块42，其执行步骤S120中的操作，射线追踪方程建模模块43，其执行步骤S130中的操作，射线追踪模块44，其执行步骤S140中的操作，此处不再赘述。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。