一种数据域驱动的时间域成像方法_房丽姣.pdf

第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Sinopec Geophysical Research Institute, China Petroleum and Chemical Corporation, Nanjing 211103, China Abstract Multi-parameter stacking developed rapidly in recent years is a data-driven seismic imaging in- dependent of velocity model. One of the most typical techniques is Common Reflection SurfaceCRS Stacking. Using the primary kinematic response of a diffractor, we have deducted a new Multi-parameter stacking ula- tion in a 2D inhomogeneous medium. Combined with a parameter searching optimization strategy which is similar to CRS in data domain, we could obtain zero offset time section which represents complex geological conation. Model tests have shown that the new operator is efficient and reliable. Keywords multi-parameter stacking; data-driven; diffraction; CRS 零偏移距叠加在地震处理中具有重要的作用。 一 般情况下， 获取零偏移距剖面的常规方法包括共中心 点Common Middle Surface, 简称 CMP叠加、 动校正 Normal Moveout, 简称 NMO、倾角时差校正Dip Moveout, 简称 DMO叠加和叠前偏移等[1-4]。偏移方 法可以解决绕射波收敛、 倾角归位问题， 但速度模型 的精确程度对这些方法成像效果有一定的影响， 它们 属于模型驱动的一类方法。 数据域驱动方法是不需要初始速度模型、在数 据域范围内进行处理的一类方法，例如近年来提出 的延迟双曲线法[5]、 同胚成像方法[6]、 多聚焦方法[7-8] 和共反射面叠加方法等[9-15]。它们的叠加算子中除 了近地表速度和地震波运动学波场参数以外，不包 含其他速度参数，在数据域中对这些波场参数进行 优化处理，得到旅行时算子与同相轴达到最佳拟合 时的参数值，然后利用叠加算子得到零偏移距剖面 或者时间偏移剖面。 共反射面元Common Reflect Surface, 简称 CRS叠加方法作为数据驱动的多参数叠加方法中 比较成熟的一种方法，它利用的是目标反射点邻域 内共反射面元上所有反射点信息。 以 CRS 理论为基 础，当只考虑目标反射点处的信息时，就可以得到 一个模拟绕射波旅行时的叠加算子[16-17]。 与 CRS 叠 加一样，它也属于数据驱动方法。 1 方法原理 图 1a 中， 设点 NIP P为近地表速度为 v0的实际介 质中的任一绕射点，点 * NIP P为点 NIP P的镜像点，S ChaoXing 第 6 期 房丽姣等 一种数据域驱动的时间域成像方法 165 和 x 分别为炮点和检波点的位置，x0为炮检点中点 位置，xD为点 NIP P成像射线黑色实线的出射点位 置。图 1a 中的两个实线弧段分别为点 NIP P在 t1和 t2 时刻的地震波前面，虚线弧段分别为像点 * NIP P在 t1 和 t2时刻的地震波前面，从图 1a 中可以看出，在地 表 x0和 x 及其附近，绕射点 NIP P的波前面与其镜像 像点 * NIP P的地震波前面是可以重合的，则绕射点 NIP P的波前面之间的距离差虚线双箭头线段与其 镜像像点 * NIP P的是相等的。由于地震波前面与旅行 时是一一对应的，所以绕射点 NIP P的地震波前面对 应的旅行时差与其镜像像点 * NIP P的地震波前面对应 的旅行时差也是相等的，则通过镜像像点 * NIP P的旅 行时差可以得到实际介质中点 NIP P的旅行时差，进 而得到点 NIP P的旅行时。 图 1 点 NIP P的地震响应示意图 Fig.1 The schematic seismic response at point PNIP 首先计算点 * NIP P的旅行时差Δ A t，点 * NIP P在 t1 和 t2时刻的旅行时可以根据简单的几何关系得到。 用实际介质的近地表速度 v0建立一个常速度介质作 为辅助介质，如图 1b 所示，R 为地震波前面对应的 圆弧半径， 令 0A tx为辅助介质中点 * NIP P在 1 t时刻的 旅行时，则 00A txR v。令  A tx为辅助介质中点 * NIP P到达地表面 x 处的单程上行波旅行时， 根据勾 股定理得 22 2 ** NIPNIP DD PxPxx x 1 因此，  A tx [13-14]可表示如下    *-1 NIP0 2 22-1 0000 cossin A txPxv RxxRv    2 式中 α0为自激自收射线的出射角。则点 * NIP P在t1 和t2时刻的旅行时差  0AAA ttxtx。 然后计算点 * NIP P的旅行时差t，令 0 t x为实 际中点 NIP P在t1时刻的旅行时，则 0 0 2 t t x，其中 t0为点 NIP P的自激自收时间。令 t x为实际介质中 点 NIP P到达地表面x处的旅行时，则点 NIP P在t1和 t2时刻的旅行时差为   A tt xtx  。 因为绕射点 NIP P的与其镜像像点 * NIP P的旅行时 差相等，所以ttA，即   0AA txtx   A t xtx     00 2 22-10 0g000 0 cossin 2 AA t xt xtxtx tR RxxRv v      3 根据波的传播具有可逆性，同理可以得到式3 对应的炮点到绕射点 NIP P的旅行时  s xt   s00s 2 22-10 0s000 0 cossin 2 AA t xt xtxtx tR RxxRv v     4 在中点-半偏移距-时间, , m xh t坐标系下，震 源与检波点的坐标与炮检点中点xm、半偏移距h表 达式为 sm xxh 5 gm xxh 6 则根据式3式6， 可以得到总旅行时 wxt的 表达式为      sg w 2 2 2-1 00s000 0 2 2 2-1 0g000 2 2 2-1 00000 0 2 2 2-1 0000 2 cos sin cos sin 2 cos sin cos sin m m t xt xt x R tRαxxRv v RαxxRv R tRαxh xRv v Rαxh xRv           - - - - 7 ChaoXing 166 煤田地质与勘探 第45卷 根据成像射线的定义， 从图1a中可以看出NIPP 与xD的连线为点 NIP P的成像射线，由于沿着该路径 的旅行时最短，所以对式3求极小值，可以得到点 NIP P成像射线的出射点位置xD以及最短时间tD，即 点 NIP P在时间偏移剖面上的对应点位置, DD xt 00 20 0 0 sin 4 sin 2 D D xxR R tt ν          8 2 时间域成像 2.1 新叠加算子的优势 精确的速度模型通常是传统叠加方法处理地震 数据所必需的信息， 但是随着油气勘探的不断深入， 地震勘探目标区域的地表和地下构造也变得越来越 复杂，对其进行速度建模存在极大的困难。 从上节推导出来的新叠加算子表达式式7可 以看出，该算子只与近地表速度v0和波场属性参数 α0和R的取值有关，因此应用该算子进行叠加成像 时，其最大的优点在于不需要进行速度建模，只需 要知道近地表速度v0即可。本方法看起来好像在成 像过程中不再需要速度模型信息，但是，本质上速 度模型信息并不是没有用到，而是被波场属性参数 所代替。 波场属性参数α0和R的求取是通过参数扫描和 相干分析方法得到的，该过程完全是在数据域中实 现的，这比常规速度建模所涉及的人工交互的速度 谱分析方法的效率要高得多，而且该方法充分考虑到 了地震波的相干性，不仅适用于均匀介质，同样也适 用于非均匀介质。 2.2 成像结果的实现过程 a. 波场参数初始值的确定 由于该方法与 CRS叠加相类似，而且两者均与波场属性参数α、R 有关， 因此可以利用CRS的实用参数搜索策略[18-19] 确定波场属性参数初始值。 b. 波场参数的优化 将上一步骤中的初始值 代入式7，然后根据相似系数公式[20-24]     2 /2 , /21 /2 2 , /21 1 i i NM ik kNi NM ik kNi a S M a            9 对叠加算子进行参数优化，其中参数αi,j表示由x0 和t0确定的中点偏移距孔径中的第i道上的第j时间 采样点，通过不断地迭代，相似系数S接近于1时 的波长参数值，即与同相轴达到最佳拟合的波场参 数α、R。 c. 时间域成像 将各个采样点与最佳波场参数 确定的叠加算子对应的地震数据进行求和，将其结 果映射到 00 ,xt位置处， 则得到零偏移距叠加剖面； 若将求和结果映射到, DD xt处， 则可以得到叠前时 间偏移成像剖面。 3 模型试算 Sigsbee 2a 模型的地下构造中包含具有复杂几 何特征的高速岩体，可以用来研究常规地震成像方 法的缺陷高速岩体底部反射存在成像效果差，绕 射波不能收敛和正确归位和资料的信噪比低等特 点。利用复杂的Sigsbee 2a模型对新的叠加算子进 行模型试算，可以有效改善上述缺陷。图2a为 Sigsbee 2a模型的速度场，正演炮记录共有500炮， 炮间隔为45.72 m150 ft，每炮最大道数348道，道 间隔为22.86 m75 ft，时间采样率为8 ms，采样点 为1 500个，偏移距范围07 932.45 m26 025 ft。 因为本方法主要验证深层反射成像效果，因此 图2b图2f显示的是Sigsbee 2a模型时间剖面2 12 s范围内的测试结果，其中图2b和图2c分别为 叠加算子经过参数优化以后的出射角剖面α0和曲率 半径R剖面， 图2d为波场参数优化以后的叠加算子 根据相干分析式10所得到的相干剖面。通过该剖 面可以识别同相轴，同时也可以作为判断叠加剖面 质量的依据；图2e为所得到的零偏移距叠加剖面， 左侧构造的基本形态正确，岩体轮廓隐约可见，岩 体上部较陡倾构造存在大量的绕射波；图2f为成像 射线所对应的叠前时间偏移剖面。从偏移剖面中可 以看出，经过偏移以后绕射波收敛，岩体上部图2e 和图2f中的实线方框以及岩体下部图2e和图2f 中的虚线方框构造图像均清晰可见。 对于Sigsbee 2a而言，高速岩体对地震波下传 能量有屏蔽效应，但是本方法可以增强深层反射成 像的能力，使高速岩体底部反射在成像剖面上得到 显示，同时叠加处理可以有效地压制随机噪声，提 高地震资料的信噪比和分辨率，使得叠加剖面中的 深层反射轴依稀可见，偏移剖面中的绕射波得到了 收敛和正确归位。 4 结 语 数据域驱动方法是在数据域范围内进行处理的 一类方法。通过运用与CRS叠加方法相类似的原理， 从绕射观点出发，求取一个新的叠加算子，该算子不 依赖于速度模型，仅在数据域通过波场属性参数的相 干分析来获得最优的波场参数，最终得到零偏移距叠 加剖面或者叠前偏移。模型试算结果中，主要构造清 ChaoXing 第6期 房丽姣等 一种数据域驱动的时间域成像方法 167 晰可见，岩体轮廓较为明显，证明了该方法的正确性和有效性。 图 2 Sigsbee 2a 模型测试结果 Fig.2 Test results of Sigsbee 2a model 参考文献 [1] 渥.伊尔马兹. 地震数据处理[M]. 黄绪德，袁明德，译. 北京 石油工业出版社，1993. 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