专利名称：一种叠前深度偏移方法
技术领域：
本发明涉及地震勘探领域，具体的是指一种叠前深度偏移方法。
背景技术：
偏移是地震数据处理的最后一个步骤，也是最重要、关键的一个过程，对于复杂的 地下介质而言更是如此。由于地下介质层位的非水平性，造成了地震叠加剖面并不能反映真实的层位形 态，因此需要对地震数据在叠加的基础上进一步进行偏移处理，校正由于地层倾角存在所 产生的层位反射的假象时移，使地下层位的反射归位，反映地层的真实起伏形态和产状。偏移处理方法分为两类，一类在叠加的基础上进行，称为叠后偏移；一类在叠加前 进行偏移处理，称为叠前偏移。叠前偏移精度要高于叠后偏移，对复杂绕射波的归位能力较 好；但叠前偏移处理需要的计算工作量很大，随着近十多年来计算机技术的提高而得到了 广泛的发展和应用。其中叠前偏移处理按照偏移方法的不同，主要是方法所在的时空域的 差异，分为叠前时间偏移和叠前深度偏移。叠前深度偏移由于输出剖面直接反映真实空间 深度域的地下介质形态而在应用领域得到更大的关注。目前业界关于多分量地震数据的叠前深度偏移研究非常少，相对成熟应用的还是 叠后时间偏移。多分量地震数据的叠前偏移处理是目前地震勘探领域的攻关热点和难点， 而且当前研究与尝试应用还大多局限于叠前时间偏移，也远没有走入生产实践应用中。而 且大部分研究还局限于在纵波偏移的基础上，沿用与纯纵波偏移相同的思路进行C波或等 效转换波的偏移处理，将多分量地震信号间的空间矢量关系完全割裂开来，进行单纯波的 偏移处理，既损失了波场中蕴含的丰富地下介质信息，成像效果也较差。英国爱丁堡大学的李向阳教授所领导的研究小组(Hengchang Dai，and Xiang-Yang Li. Effect of errors in the migration velocity model of PS-converted waves on traveltime accuracy in prestack Kirchhoff time migration in weak anisotropic media.Geophysics,2008,73 (5) :S195_S205) (Xiang-Yang Li，Jianxin Yuan.Converted—wave moveout and conversion-point equations in layered VTI media :Theory and applications. Journal of Applied Geophysics，2003，34 :297_318) 初步试验成功了多分量转换波的叠前时间偏移技术，在一些地区的多分量地震勘探中初步 试验和应用，但尚需进一步攻关完善。此外，戴和李针对弱各向异性介质转换横波叠前时 间偏移中速度对偏移结果的影响进行数值模拟和误差的讨论。他们分别讨论了转换横波 速度、垂向速度比、有效速度比、各向异性参数的精度对旅行时计算误差的贡献，对于时间 域转换波的成像提高具有较好的参考价值；且一些思路可以为转换波的叠前深度偏移所借 鉴。上世纪80 年代王妙月在 Kuo (Kuo，J. T.，and Dai，T.，1984，Kirchhoff elastic wave migration for the case of non-coincident source and receiver :Geophysics, 49 (8)，1223-1238)的基础上最早提出了矢量偏移的思想，并推出了弹性波Kirchhoff积分公式(秦福浩、郭亚曦、王妙月，弹性波克希霍夫积分偏移法，地球物理学报，1988，31(5) 577-587)。这是一种均勻各向同性介质假设下的弹性波的多分量同时偏移方法，通过PP、 PS波的走时将二分量的数据逆时延拓到地下成像点，得到每个成像点刚刚被激发时的三个 分量上的振动形式。通过数值模拟的合成地震记录，他们对该方法进行了测试，获得相对较 好的结果，在这一方向进行了初步的探索，但截至目前没有进一步的发展。该方法有以下两个不足1)得到的是总的二个分量振动能量，没有实现波场分 离；2)该方法得到的偏移结果是某一炮点的能量传播到对于地下反射界面时激发的震动。 不同炮点对于地下同一反射点激发时的振动矢量不相同，因此不能用于多炮记录的叠加。 而且他们的研究是一种近似的叠前深度偏移，即在偏移过程中仍然在时间域进行，只是后 来进行时-深转换把输出的偏移剖面转换成深度剖面。而且对于走时的计算他们只停留在 单界面直射线追踪这一层面，对于不同的深度成像也没有考虑到偏移孔径的差异，偏移速 度的获得相对简单，只是简单借用叠加速度然后进行层速度的换算，因而效果并不理想。公开号为US 2009/0257308A1的发明专利保护偏移速度分析领域的一种技术，该 技术基于动校正误差来不断的更新速度模型，从而使得最终的速度模型逼近于地下介质的 真实速度。该专利是基于剩余曲率分析方法的速度分析技术，而且该技术基于小炮检距假 设和水平层位介质假设，即要求剩余旅行时可以近似为双曲线或抛物线。而当速度横向变 化剧烈或大炮检距情况下，该技术所基于的算法近似不合适的；而且该专利技术只针对常 规纵波数据和纵波速度进行处理分析。亓雪冬等(亓雪冬、贾光华、仝兆歧，Kirchhoff叠前时间偏移处理技术及应用，物 探化探计算技术，2009，31 (2) 126-130)研究的是针对常规纵波资料处理的叠前时间偏移 技术及其应用，这一技术在油气地震勘探领域已是成熟应用的、商业化的生产技术。 张猛等(张猛、孟祥宾、匡斌等，积分法叠前深度偏移技术在BS6地区的应用，勘探 地球物理进展，2009，32(1) 48-55)介绍的是成熟的、商业化应用的常规纵波地震数据的 叠前深度偏移技术及其软件对胜利油田某区块的地震数据进行处理试验和应用，并与常规 纵波的叠后偏移(时间)进行成像效果的对比，从而说明叠前深度偏移的优势和应用效果。叶月明等(叶月明、李振春、仝兆歧，基于稳定成像条件的保幅叠前深度偏移，石 油地球物理勘探，2009，44(1) 28-32)主要针对常规纵波叠前深度偏移处理中阻尼型反褶 积处理存在的问题，将分母趋于零时所引起的计算不稳定现象通过高斯平滑处理，提高偏 移处理的计算稳定性，并同时达到部分压噪的目的。上述有关技术所针对的地震数据都是单分量、常规纵波数据，无一涉及多分量地 震数据的处理，所涉及的技术与理论方法也不适用于三分量地震数据的处理。公开号为CN 101598805A的发明专利只是针对纵波与转换横波传播时间的差异， 通过速度比扫描和层位追踪的方法，将同一层位在纵波与转换横波剖面的不同反射相位进 行标定、拾取，从而将各对应相位的纵横波速度比确定下来，进而实现将转换横波剖面按照 纵波传播时间压缩，使得在相同的纵波传播时间标度上，方便纵波与转换横波的层位对比。 其保护的内容并不涉及三分量地震数据的成像技术。公开号为CN 1797031A的发明专利针对常规纵波数据的叠前深度偏移处理中由 于海量数据处理耗时、计算效率低的问题，通过相同相位炮的匹配和组合，实现多炮合并一 炮，从而减少偏移处理的炮集数，在不损伤偏移效果的基础上实现偏移处理效率的提高。其保护的内容不涉及三分量地震数据的成像技术。公开号为CN 101419292A的发明专利保护的内容是针对三分量采集的地震数据， 通过叠前预处理、静校正、速度分析、动校正、叠加这样一个常规的处理流程对转换横波进 行处理成像。该专利保护的内容在三分量地震数据处理领域一般又称为常规叠后处理方 法，仅涉及时间偏移技术。公开号为US 2004/0117123A1的发明专利保护的内容是针对常规纯纵波数据的 叠前时间偏移处理技术，而且该技术是在频率_波数域实现的。该专利是将地震数据变换 到频率-波数域，然后根据旅行走时图对给定空间任一点的射线参数进行相移的线性拟合 使得叠前时间偏移算法适应速度的横向变化剧烈的复杂介质成像问题。公开号为US 2010/0054082A1的发明专利保护的内容不涉及具体的偏移算法，更 与多分量叠前深度偏移无关。在任何偏移过程中均涉及波场的模拟，其并不是通过射线追 踪走时计算完成的，而是通过声波方程的有限差分模拟实现。该专利主要针对叠前逆时偏 移处理中需要存储空间任一点的波场而造成偏移处理中内存与硬盘空间的大量消耗问题， 且使得偏移效率低下，为此提出一种节省计算机内存与硬盘空间的技术改进措施，即在正 演波场的模拟中只保存阻抗界面点上的波场值，其他空间点不参与计算，从而大大改进了 偏移处理的速度，降低了计算资源的消耗。叠前深度偏移是对大地层倾角和速度横向变化剧烈的复杂构造成像的有效工具。 但是叠前深度偏移依赖更精确的速度模型。常规的速度建模方法无法达到足够的精度。同 时，因为叠前深度偏移对速度模型十分敏感，所以它作为一种有力的速度分析工具，发展出 了两种偏移速度分析方法深度聚焦分析(DFA，depth-focusing analysis)和剩余曲率分 析(RCA，residual-curvature analysis)。要进行偏移速度分析就必须解决两个问题1) 建立一个评价速度是否准确的标准；2)如何进行速度更新。深度聚焦分析的原理是根据叠加能量测量速度误差。当偏移深度和聚焦深度相同 时，速度达到要求。剩余曲率分析是根据剩余旅行时差测量速度误差。当不同炮检距的成 像深度相同时，速度达到要求。因为速度分析通常是基于一个粗糙的初始迭代速度，因此一个健壮的速度分析方 法在减少迭代次数的同时还要保证速度的收敛性。传统的速度分析方法，通常是基于以下 三个假设①层状均勻介质；②小炮检距；③水平地层。MacKay禾口Abma(MacKay S. and Abma R. Imaging and velocity estimation with depth-focusing analysis. Geophysics. 1992,57 :1608_1622)的 DFA 方法用到了全部以上 三个近似。在RCA中，速度分析时所采用的偏移方法不同，基于的假设也不同1.共炮点或 ^Wlk^M^ Al-Yahay (Al-Yahya K. 1989. Velocity analysis by iterative profile migration, Geophysics, 1989，54 :718_729)提出的方法基于以上三个假设；Lee和 Zhang (Lee W. and Zhang L. Residual shot profile migration, Geophysics,1992,57 815-822)的方法将第三个假设拓展到小倾角。2.共炮检距偏移=Deregowski (Deregowsiki S.M. Common-offset migration and velocity analysis.First Break,1990,8 (6) 225-234)的方法使用了前两个假设。以上的方法都基于小炮检距假设，在小炮检距情况下，剩余旅行时可以近似为双曲线或抛物线。当速度横向变化剧烈时，使用这个近似是不合适的。因此，Liu (Liu Z. and Bleistein N. Migration velocity analysisi Theory and an iterative algorithm， Geophysics，1995，60 :142-153)在 Lafond 禾口 Levander(Lafond C.F. and Levander A. R. Migration moveout analysis and depth focusing，Geophysics，1993，58 :91_100) 的基础上提出了一种新的RCA方法——基于深度聚焦的共成像点速度分析方法，这种方法 适用于任何炮检距、倾角和速度变化。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对多分量地震数据，提供一种基于矢量波场的三 分量叠前深度偏移方法，不需要进行波场分离，并实现多分量偏移，实现转换波的准确归 位。本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种叠前深度偏移方法，包括以下步 骤步骤1、对地震数据进行偏移速度分析；步骤2、通过射线追踪计算走时、弧长、出射角、入射角；步骤3、进行偏移孔径计算；步骤4、利用KirchhofT积分法矢量偏移公式进行叠前深度偏移。本发明的有益效果是本方法将偏移速度分析、偏移孔径选取、射线追踪、 Kirchhoff积分公式结合于一体，不需要进行波场分离，并实现多分量偏移，实现转换波的 准确归位。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，步骤1中所述偏移速度分析采用基于深度聚焦的共成像点速度分析方 法。采用上述进一步方案的有益效果是，基于深度聚焦的共成像点速度分析方法是在 剩余曲率分析方法上修改而成，其收敛速度快，适用于各种速度模型和炮检距。进一步，所述步骤1包括如下步骤步骤al、初始地质模型，并进入步骤a2 ；步骤a2、建立初始速度模型，并进入步骤a3 ；步骤a3、进行基于目标层位底界面的PSDM(pre_stack depth migration，叠前深 度偏移)，并进入步骤a4;步骤a4、进行偏移速度分析，并进入步骤a5 ；步骤a5、判断是否建立了完整的速度模型，如果为“是”则进入步骤2，如果为“否” 则进入步骤a6 ；步骤a6、进行基于目标层位底界面的PSDM，并进入步骤a7 ；步骤a7、拾取目标层底界面，并进入步骤a8 ；步骤a8、更新速度模型，将目标层移至下一层位，并进入步骤a3。其中，步骤a5中所述完整的速度模型为从浅到深各层位齐全的以速度、密度、层 位埋深作为参数的地震地质模型。进一步，步骤2中，采用直射线追踪法或者采用基于费马原理的最小走时射线追踪法。采用上述进一步方案的有益效果是，采用直射线追踪法计算速度快，采用基于费 马原理的最小走时射线追踪法可以避免射线盲区。进一步，步骤4中采用适用于非均勻各向异性介质的弹性波Kirchhoff积分法矢 量偏移公式进行叠前深度偏移。采用上述进一步方案的有益效果是，适用于非均勻各向异性介质的弹性波 Kirchhoff积分法矢量偏移公式，具有波场分离的特性，可以做到偏移的同时分离PP波 和PS波；偏移结果可分别输出PP波剖面和PS波剖面，利于分别分析PP波和PS波的 AVO(Amplitude Versus Offset，振幅随偏移距的变化)特征；使用了弹性波动方程的格林 函数，提高算法的保幅性；适用于非均勻各向异性介质。本发明在王妙月等人(秦福浩、郭亚曦、王妙月，弹性波克希霍夫积分偏移法，地 球物理学报，1988，31 (5) 577-587)研究的基础上推出新的偏移公式，并针对其所存在的 两个不足进行改进。在偏移过程中直接输出PP波和PS波，在进行多炮叠加的时候实现了 相干加强的效果，得到PP和PS波的剖面。


图1为本发明叠前深度偏移方法的原理图一；图2为本发明叠前深度偏移方法的原理图二 ；图3为本发明叠前深度偏移方法的原理图三；图4为本发明叠前深度偏移方法的流程图；图5为本发明中偏移速度分析的实现流程；图6A为采用基于共CCP (Common Converted Point，共转换点)道集的叠后时间偏 移方法对大庆一条2D3C地震数据进行偏移之后的PP波效果图；图6B为采用基于共CCP道集的叠后时间偏移方法对大庆一条2D3C地震数据进行 偏移之后的PS波效果图；图7A为采用本发明方法对大庆的一条2D3C地震数据进行的偏移处理之后的PP 波效果图；图7B为采用本发明方法对大庆的一条2D3C地震数据进行的偏移处理之后的PS 波效果图；图8为本发明叠前深度偏移方法的模拟数据模型；图9A为图8的数据模型的地震数据Z分量记录图；图9B为图8的数据模型的地震数据X分量记录图；图10为图8的数据模型中采用本发明的叠前深度偏移方法得到的纵波偏移深度 剖面结果；图11为图8的数据模型中采用本发明的叠前深度偏移方法得到的转换横波偏移 深度剖面结果；图12为图8的数据模型中采用声波方程偏移并随倾角开孔径得到的纵波偏移深 度剖面结果；图13为图8的数据模型中采用声波方程偏移并随倾角开孔径得到的转换横波偏移深度剖面结果；图14为图8的数据模型中采用声波方程偏移并固定孔径得到的纵波偏移深度剖 面结果；图15为图8的数据模型中采用声波方程偏移并固定孔径得到的转换横波偏移深 度剖面结果。
具体实施例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。方法原理如图1所示，均勻各向同性介质的三维矢量波场延拓方程为
'[(1 - ) Sm3Pn + Iv2PJnP, ] X iim (x', t + tP )/(r Vp ) +(^3 + s^L - 2rJnr3) χ um (x',t + ts )/(rVs ) Hv )Tim(x\t + tP)/(prVP2) +(《 -V,)T3m(^t + ts)/(prVs2)
1 OO OO
>dx{dxf2 其中风
'fl^
(1)
》表示质点位移，单位为m/s ；,t)表示质点速度，单位m ;T(x'
表示应力，单位为N/m2 ；m, η = 1,2,3分别表示x，y，ζ坐标，单位m ；f = f/r为单位矢径， fm, fs分别表示射线出射角的单位向量在m、n坐标上的投影；t = t(x|x')表示震源到 地下绕射点的走时，单位为s ;tp、ts分别代表绕射点到接收点的PP波、PS波走时，单位为s r表示绕射点到接收点的距离，单位为m ；Vp、Vs分别表示纵、横波速度，单位为m/s ；ν = Vs/ Vp表示纵横波速度比。 由于自由表面边界条件，地表应力为零，方程(1)的后两项可以舍去，有
'[(1 ~ 2v2)Sm,rn + 2vXrnr, ] χ um (x',t + tP)/(rVPj
1 OO QQ
>dx\dx\
(2)将此方程展开，将三个分量上的能量分别投影到PP分量(3)式和PS分量(4)式 上，如图2所示Upp = U1Cos θ sin Φ +u2sin θ sin Φ +u3cos Φ (3)Ups = U1Cos θ cos Φ +u2sin θ cos Φ +u3sin Φ (4)将⑵式展开后带入⑶式、⑷式，得
1 CO OO
uPP(x,y,z,t) = — f f 4π
2v2frIv2Pr
—f^ ■ ux(x',y',0,t + tp) +. uy(x',y',0,t + tp)
rVprVp
\-Iv2+Iv2Kfz、
+--— · u2 (x', y, o,/+/P)
rVP
dx'dy
\J 5 /fv
8
权利要求
一种叠前深度偏移方法，包括以下步骤步骤1、对地震数据进行偏移速度分析；步骤2、通过射线追踪计算走时、弧长、出射角、入射角；步骤3、进行偏移孔径计算；步骤4、利用Kirchhoff积分法矢量偏移公式进行叠前深度偏移。
2.根据权利要求1所述的叠前深度偏移方法，其特征在于步骤1中所述偏移速度分 析采用基于深度聚焦的共成像点速度分析方法。
3.根据权利要求2所述的叠前深度偏移方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤 步骤al、初始地质模型，并进入步骤a2 ；步骤a2、建立初始速度模型，并进入步骤a3 ；步骤a3、进行基于目标层位底界面的叠前深度偏移，并进入步骤a4 ；步骤a4、进行偏移速度分析，并进入步骤a5 ；步骤a5、判断是否建立了完整的速度模型，如果为“是”则进入步骤2，如果为“否”则 进入步骤a6 ；步骤a6、进行基于目标层位底界面的叠前深度偏移，并进入步骤a7 ；步骤a7、拾取目标层底界面，并进入步骤a8 ；步骤a8、更新速度模型，将目标层移至下一层位，并进入步骤a3。
4.根据权利要求1所述的叠前深度偏移方法，其特征在于步骤2中，采用直射线追踪 法或者采用基于费马原理的最小走时射线追踪法。
5.根据权利要求1所述的叠前深度偏移方法，其特征在于步骤4中采用适用于非均 勻各向异性介质的弹性波KirchhofT积分法矢量偏移公式进行叠前深度偏移。
全文摘要
本发明涉及地震勘探领域，具体的是指一种叠前深度偏移方法。该方法包括对地震数据进行偏移速度分析；通过射线追踪计算走时、弧长、出射角、入射角；进行偏移孔径计算；利用Kirchhoff积分法矢量偏移公式进行叠前深度偏移。本方法将偏移速度分析、偏移孔径选取、射线追踪、Kirchhoff积分公式结合于一体，不需要进行波场分离，并实现多分量同时偏移，实现转换波的准确归位。从实际勘探数据来看，采用本发明的叠前深度偏移方法，不仅地表成像效果好，成像分辨率高，而且转换波成像剖面上的深层反射同相轴的连续性提高，构造更加清晰。
文档编号G01V1/30GK101937100SQ20101025532
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者王赟, 芦俊 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所