专利名称：一种优化垂直地震剖面观测系统设计的方法
技术领域：
本发明涉及地震勘探技术，具体是一种优化垂直地震剖面观测系统设计 的方法。
背景技术：
垂直地震剖面法(Vertical Seismic Profile,简称VSP)是通过地面震源激 发、井中检波器接收进行地震信号观测的。与地面地震勘探技术相比，采集 的地震信号受地表浅层低速层吸收衰减的影响是单程的，故具有更高的分辨 率和保真度。因此在油气勘探和开发领域，有良好的应用潜力。
VSP的技术经历了从零井源距—非零井源距和Walkaway VSP—三维VSP 的必然发展过程。在实现了零井源距、非零井源距VSP技术的生产工业化之 后，勘探界在较多领域进行Walkaway VSP测量实验的同时，进入了三维VSP 测量的应用实验阶段。特别是随着近些年多级多分量井下检波器的研制成功， 进一步推动了 VSP采集技术的改革。
但是，目前的VSP勘探中，仍然套用常规的VSP观测系统设计方法进行 数据采集。实际的观测系统设计主要还是通过简单计算无假频的空间采样和 时间采样作为分析参数确定接收点距等参数，基于这种方法设计的VSP观测 系统采集的地震数据难以满足地质目标勘探的需要，导致VSP技术的应用和 研究发展缓慢。
美国的GeoTomo和挪威的N0RSAR等公司开发的采集设计软件，借用了地 面地震采集中的一些思路和方法。由于VSP观测系统的特殊性以及三分量数据特性，如何更专业的利用多种特征参数分析优化观测系统设计，是需要研 究和解决的问题。
在目前的VSP生产中，主要套用常规的零井源距和非零井源距VSP的观 测系统设计方法，这些常规方法的主要缺点表现在
(1) 、采集设计参数单一。常规的VSP数据采集设计参数主要包括观测 点间距、时间采样间隔等参数。从目前实际应用效果看，仅通过这些种参数 进行VSP观测系统设计表现出手段单一、方法简单和效果不佳等特点，难以 达到预期的目标。
(2) 、采集设计参数欠合理。由于VSP的观测是地面震源激发，井中检
波器接收，这样即使是在水平层状均匀介质的假定条件下，对于均匀分布的 炮点和检波点，在地下某一水平界面的成像点分布不是均匀的，而且随深度 变化。目前常用的利用研究区域的最小速度和最高频率计算空间采样率的方
法是基于单点非零井源距VSP观测提出来的，但远没有解决其观测系统设计 的问题，导致目前这种观测方法的应用面临很大问题。并且，随着VSP技术 的发展，多种观测方式应运而生，这种简单的、欠合理的分析方式远远满足 不了实际的需求。
由于观测系统设计方法的问题， 一方面导致数据采集质量难以满足地质 目标勘探的需求；另一方面阻碍了 VSP数据采集技术的发展。
发明内容
本发明提出了一种优化VSP观测系统设计和提高数据采集质量的优化垂
直地震剖面观测系统设计的方法。
本发明通过以下技术方案实现，步骤为1) 根据观测项目要求和地质目标，确定初始观测系统；
步骤l)所述的确定初始观测系统是在均匀空间模型假定的条件下，利用 公知的光学反射原理计算给定源点和接收点的反射成像点，得到均匀空间模 型中目标区有效反射成像以及相对应的源点和接收点分布及范围。
2) 利用实测或已知的资料建立地震地质模型；
步骤2)所述的实测或已知的资料包括钻井分层、声波、密度测井资料。 步骤2)所述的实测或已知的资料包括地面地震资料和地质构造资料图。
3) 根据步骤l)初始观测系统，在步骤2)地震地质模型上布设两套以上 不同的观测系统；
步骤3)所述的不同的观测系统是指观测系统中的炮点数及分布或/和接收 点数及分布不同。
步骤3)所述的不同的观测系统要求炮点和接收的点数或/和分布渐变。
4) 利用公知的波动方程正演得到地震波场的响应，利用射线追踪算法进 行正演得到反射点位置、入射和反射角度、单位长度或面积内的地震射线撞 击次数，在此基础上，重新统计或计算的一组反映VSP观测系统与目标区成象 点关系的特征参数；
射线追踪算法采用斯奈尔(Snell)定理或费马(Fermat)原理算法。 步骤4)所述的特征参数是用公知的佐普利兹(Zo印pritz)方程计算目的层
的反射射系数(R)，统计给定单位内的反射波强度和入射波撞击的次数，得
到目的层照明强度。
以上所述的统计是统计每个单位内的最小、最大和平均入射角并计算相应
的反射系数。以上所述的反射波强度计算公式如下
-总
i=l
1 N
~均=Jr的)
i=l
4
均方根
6
其中小为反射波强度，N为撞击次数，R ( ej为反射系数，e,入射角。 步骤4)所述的特征参数是统计目的层的反射点不同属性，得到目的层照
明范围和照明子区的特性分布。
以上所述的照明范围是目的层地震波反射点集合的边界。 以上所述的照明范围是在每个给定单位内统计入射角度的变化范围并确
定反射临界角大小，根据反射临界角分布、反射点的分布等确定照明范围，
所有有效反射点构成的数据集构成照明的范围。
以上所述的给定单位内有多个反射点时，要统计出最小反射角、最大反射
角、平均反射角和优势反射角，计算公式如下(9
200810116287.9 说明书第5/ll页
%+=Min(《)(i = l,...,N) %*=Max(《)(i = l,..,N)
1 N
均iZ《 i
%势=(~/max —
N
司)
i=l
M:入射角角度分区的个数； 〖腿二MaxWJ》 CH1,…,M)
对应的序号； ^:单位长度/面积内有效反射点的个数。
步骤4)所述的特征参数是在观测系统下，用射线追踪方法计算目的层的 成像点，并将其投影到激发-接收平面，形成目的层成像点数据集，计算相邻 成像点之间的距离；
所述的计算相邻点之间的距离方法是
Z)I, = - (/ = 1，..., AO
所有炮、检点在目的层的成像点总点数为N，按离井口的距离大小排序， 组成新的数据集(...，offseti, ...) (i=l， ...， N)， offset为成像点至井口的 距离。
所述的计算相邻点之间的距离(DXi)数据集中的最大值大于给定单位的 大小，修改观测系统，反之数据成像不满足地质目标的需求。
步骤4)所述的特征参数是对目的层成像点数据集按共炮点道集进行分选 后计算相邻成像点之间的距离，
计算方法是对应每一个炮点，以最浅的接收点为参考点，计算确定接收排列在目的层的成像点与参考点的距离
DX)= - . ("l,…，m), (/ = 1广.，")
其中，m为一个排列的接收点数，n为炮点数。
5) 利用特征参数组建分析图件；
步骤5)所述的分析图件包括不同反射角度随深度变化的分布图；反射强 度在目的层位的平面分布图，利用波动方程正演结果组织分析图件，炮点距 与成像点的关系图、接收点距与成像点的关系图。
6) 根据项目要求和地质目标，根据不同观测系统的特征参数计算结果， 在两套以上观测系统设计中确定最佳方案用于实际勘探。
步骤6)的选择确定是
(1) 目的层反射波成像范围满足项目要求，不否存在盲区，不存在空间
假频；
(2) 目的层反射波覆盖次数的垂向和横向分布的均匀；
(3 )目的层照明强度和分布要满足地质目标勘探的需求；
(4) 目的层地震波入射角度分布小于反射临界角的80°/。；
(5) 时间采样间隔和记录时间长度根据正演结果确定，满足目的层反射 波成象要求；
(6) 对于多分量垂直地震剖面勘探，有利于同时最佳观测到上行压縮波 (PP)和剪切波(PSv)，易于对不同波场的分离。
(7) 经济性最优。
本发明采用基于空间模型的多参数分析，结果合理性强，适应于细节，可 以是均匀空间、 一维、二维或三维模型，用于非零源距、Walkaway和3D-3C VSP的勘探设计，还可以用于纵波、横波和转换波的VSP勘探设计分析。
图1均匀空间模型初始观测系统设计示意图2二维地震速度模型；
图3是三维VSP地面炮点初始设计图4是二维VSP观测系统设计的部分特征参数结果及分析图； 图5是三维VSP观测系统设计的部分特征参数计算结果及分析图； 图6是目的层不同入射角的反射系数与经特征参数分析后最终确定的炮 点分布图7是据本发明设计的观测系统采集数据并通过处理得到的三维VSP纵 波、转换波成像数据体。
具体实施例方式
以下结合实施例和附图详细说明本发明。
1、 初始观测系统设计
根据项目要求以及地质目标给定的勘探范围，通过公知的均匀空间直射 线计算方法确定目标区实现反射波有效成像所需的炮点和接收点分布及范 围。图1显示了在均匀空间模型中两个炮点、 一个接收点与成像区的关系。 利用这种简洁关系设计初始观测系统。
2、 建立地震地质模型
通过收集井区附近钻测井、地质和地震资料，在分析解释的基础上利用 公知的方法和商业化软件建立地震地质模型。图2为通过有关资料建立的二 维地震速度模型，用于后期的地震正演计算。3、多套观测排列设计及布设
在初始观测系统布设的基础上，设计至少两套不同的观测系统，用于后 期的计算和评估。设计的重点是要建立好炮点和接收点排列的关系，譬如确 定每个炮点对应观测排列中的观测点数及位置。不同观测排列的变化要有连 续性，便于比较不同观测系统对应的特征参数和地震响应的差异，进而有目
标的取舍。图3显示了 3D VSP地面炮点设计图。
不同的观测系统的井下接收系统为32级、级间距为20m，初始观测系统中 确定接收点的排列在井中深度2500-3120m，设两个观测井段，分别为 2000-2620m和3000-3620m，其中相邻接收井段的接收点有120米的重复。 4、特征参数及地震波场响应计算
在2和3的基础上利用上述的公式和方法，计算特征参数和地震响应， 组织相关的分析图件。特征参数是在利用射线追踪算法进行正演得到反射点 位置、入射和反射角度、单位长度或面积内的地震射线撞击次数等的基础上， 重新统计或计算的一组反映VSP观测系统与目标区成象点关系特征的参数。 特征参数包括目的层照明强度、目的层照明范围、基于不同炮点距激发的相 邻成像点距离和基于不同观测井段接收的相邻成像点距离。图4显示了二维 VSP观测系统设计中计算的纵波入射角、纵波覆盖次数(撞击次数)和范围、 转换波入射角和转换波覆盖次数和范围的剖面图。
图5显示了三维VSP观测系统设计中计算的炮点与成像点关系图、接收 井段与成像点关系图、纵波覆盖次数水平切片图以及纵波反射强度水平切片 图。
5、观测系统评估及选择针对目标区的VSP勘探的要求，利用上述步骤6中的基本原则对不同观 测系统计算的特征参数和地震响应进行分析和评估，确定最终设计方案。评 估和选择的基本原则是
(1)目的层反射波成像范围满足项目要求，不否存在盲区，不存在空间
假频；
(2) 目的层反射波覆盖次数的垂向和横向分布的均匀；
(3) 目的层照明强度和分布要满足地质目标勘探的需求；
(4) 目的层地震波入射角度分布小于反射临界角的80%;
(5) 时间采样间隔和记录时间长度根据正演结果确定，满足目的层反射 波成像要求；
(6) 对于多分量垂直地震剖面勘探，有利于同时最佳观测到上行压縮波 (PP)和剪切波(PSv)，易于对不同波场的分离。
(7) 经济性最优。
如上述三套三维VSP观测系统设计中，通过图5所示有关特征参数分析 图件等选定了接收井段在3000-3610m，炮点、炮线距为100m (炮点分布如图 6所示)的观测系统设计。
6、最终观测系统设计提交
整理最终观测系统设计的有关数据资料，按VSP技术规范向用户提供观 测系统设计报告。
以下是本发明效果的实例。
(1)用于分析以往二维VSP观测系统设计的问题 有一勘探目标在深度5800米附近，常规设计方法给出的观测系统为激发点离井口 3500m;接收井段为500-6800m;接收点距为20米。根据以上发 明内容计算了特征参数。图4为用本发明计算得到的部分参数图件，其中包 括纵波、转换波入射角度和纵波、转换波覆盖次数。图中色标指示了值域变 化。图中可见，在目的层段，无论纵波和转换波，高覆盖次数区域离井口较 远，且对应较小的入射角；低覆盖次数区域离井口较近，对应较大的入射角。 显然这种观测系统在目的层的入射角度和覆盖次数横向变化太大，导致照明 度分布不均匀，不利于VSP数据成像。通过此分析，否定了常规方法确定的 方案，并重新设计观测系统，避免了由于观测系统设计导致数据采集质量的 问题。
(2)三维VSP观测系统设计 某井区的地质目标在深度5600-5800米，用本方法对该井区3D-3C VSP(三 维三分量VSP)数据采集进行了观测系统的优化设计。在设计中，对于现有的 32级(级间距离20m)井下接收系统，采用了三套方案进行特征参数计算， 即将井下观测排列置于三个不同的深度段2000-2610m、 2500-3110m和 3000-3610m。地面炮点设计采用了两套方案，即炮点距100m、炮线距100m和 炮点距200m、炮线距200m。图3显示了一地面炮点的初始设计方案，炮点距 和炮线距为100m。图5显示了四方面的内容，其一，炮点距与成像点距的关 系，据此用于分析炮点距对数据处理中成像的影响；其二，以不同井源距的 炮点激发，观测井段与成像范围的关系，反映了观测井段对应的成像范围、 总体成像范围以及反射波覆盖次数的横向变化；其三，目的层水平切片上覆 盖次数的变化；其四，目的层水平切片反射系数(平均反射角)的变化，与 前者结合反映了目的层的照明度。通过不同方案的比较和综合分析，最终在两套炮点分布和三套观测井段
的初始设计的方案中，确定了炮点、炮线距为100m、接收井段为3000-3610m 的观测系统。
在这套方案的基础上，结合上述资料进行了进一步的完善。根据目的层 的波阻抗与上覆地层的接触关系，计算了其反射系数，如图6 (左)所示。从 反射系数随入射角度的变化不难看出，当反射系数大于0.25时，对应的入射 角度接近于临界角(约为50°)。结合分析图5中的纵波反射强度图，对应反 射系数大于0.25的区域为图中的红色区域，说明在该区域的炮点在目的层的 入射角接近于临界角，其反射系数变化不稳定，用这些炮点实施数据采集是 没有意义的。因此，在进一步分析中，根据图5中的纵波反射强度非常强的 四个角区(大于临界角的区域)，删除了图3中该区域对应的炮点，最终形成 了图6中所示的炮点分布图，据此共减少了 1272炮，降低了近12. 5%的数据 采集投资。图6 (右)显示了最终确定的炮点图。图7为按本设计进行数据采 集并通过处理后得到的三维VSP纵波和转换波成像数据体，充分证实了本发 明方法的正确性和效果。
权利要求
1、一种优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特征在于通过实现步骤为1)根据观测项目要求和地质目标，确定初始观测系统；2)利用实测或已知的资料建立地震地质模型；3)根据步骤1)初始观测系统，在步骤2)地震地质模型上布设两套以上不同的观测系统；4)利用公知的波动方程正演得到地震波场的响应，利用射线追踪算法进行正演得到反射点位置、入射和反射角度、单位长度或面积内的地震射线撞击次数，在此基础上，重新统计或计算的一组反映VSP观测系统与目标区成象点关系的特征参数；5)利用特征参数组建分析图件；6)根据项目要求和地质目标，根据不同观测系统的特征参数计算结果，在两套以上观测系统设计中确定最佳方案用于实际勘探。
2、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特征 在于步骤l)所述的确定初始观测系统是在均匀空间模型的条件下，利用公知 的光学反射原理计算给定源点和接收点的反射成像点，得到均匀空间模型中 目标区有效反射成像以及相对应的源点和接收点分布及范围。
3、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特征 在于步骤2)所述的实测或已知的资料包括钻井分层、声波、密度测井资料， 还包括地面地震资料和地质构造资料图。
4、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特征在于步骤3)所述的不同的观测系统是指观测系统中的炮点数及分布或/和接 收点数及分布不同，要求炮点和接收的点数或/和分布渐变。
5、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤4)所述的射线追踪算法采用斯奈尔(Sndl)定理或费马(Fermat) 原理算法。
6、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤4)所述的特征参数是用公知的佐普利兹(Zoeppritz)方程计算目的 层的反射射系数(R)，统计给定单位内的反射波强度和入射波撞击的次数， 得到目的层照明强度，统计是统计每个单位内的最小、最大和平均入射角并 计算相应的反射系数。
7、 根据权利要求1或6所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其 特征在于以上所述的反射波强度计算公式如下i=l'均方根其中(()为反射波强度，N为撞击次数，R ( 9i)为反射系数，6i入射角。
8、根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤4)所述的特征参数是统计目的层的反射点不同属性，得到目的层照明范围和照明子区的特性分布。
9、根据权利要求1或8所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特征在于所述的照明范围是目的层地震波反射点集合的边界，照明范围是在 每个给定单位内统计入射角度的变化范围并确定反射临界角大小，根据反射 临界角分布、反射点的分布等确定照明范围，所有有效反射点构成的数据集 构成照明的范围。
10、根据权利要求9所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于述的给定单位内有多个反射点时，要统计出最小反射角、最大反射角、 平均反射角和优势反射角，计算公式如下-<formula>formula see original document page 4</formula>M:入射角角度分区的个数； 《丽-Max(司))(j = l,...,M)对应的序号； ^:单位长度/面积内有效反射点的个数。
11、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤4)所述的特征参数是在观测系统下，用射线追踪方法计算目的 层的成像点，并将其投影到激发-接收平面，形成目的层成像点数据集，计 算相邻成像点之间的距离。
12、 根据权利要求l或ll所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法， 其特征在于所述的计算相邻点之间的距离方法是,…,TV)所有炮、检点在目的层的成像点总点数为N，按离井口的距离大小排序， 组成新的数据集(...，offseU...) (i二l， ...， N)， offset为成像点至井口的 距离。
13、 根据权利要求12所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于所述的计算相邻点之间的距离(DXi)数据集中的最大值大于给定单位 的大小，修改观测系统，反之数据成像不满足地质目标的需求。
14、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤4)所述的特征参数是对目的层成像点数据集按共炮点道集进行分 选后计算相邻成像点之间的距离，计算方法是对应每一个炮点，以最浅的接收点为参考点，计算确定接收 排列在目的层的成像点与参考点的距离其中，m为一个排列的接收点数，n为炮点数。
15、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤5)所述的分析图件包括不同反射角度随深度变化的分布图；反射 强度在目的层位的平面分布图，利用波动方程正演结果组织分析图件，炮点 距与成像点的关系图、接收点距与成像点的关系图。
16、 根据权利要求l所述的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，其特 征在于步骤6)的选择确定是(1)目的层反射波成像范围满足项目要求，不存在盲区，不存在空间假频；(2) 目的层反射波覆盖次数的垂向和横向分布的均匀；(3) 目的层照明强度和分布要满足地质目标勘探的需求；(4) 目的层地震波入射角度分布小于反射临界角的80%;(5) 时间采样间隔和记录时间长度根据正演结果确定，满足目的层反射 波成像要求；(6) 对于多分量垂直地震剖面勘探，有利于同时最佳观测到上行压縮波 (PP)和剪切波(PSv)，易于对不同波场的分离；(7) 经济性最优。
全文摘要
本发明是地震勘探的优化垂直地震剖面观测系统设计的方法，用已知资料建立地震地质模型，布设两套以上不同的观测系统，正演地震波场的响应，计算反射点位置、入射和反射角度、长度或射线撞击次数，重新统计特征参数组建分析图件，根据地质目标确定最佳方案用于实际勘探。本发明采用基于空间模型的多参数分析，结果合理性强，适应于细节，可提高数据采集质量，适用于均匀空间、一维、二维或三维模型，可用于非零源距、Walkaway和3D-3C VSP的勘探设计，还可以用于纵波、横波和转换波的VSP勘探设计分析。
文档编号G01V1/28GK101625417SQ20081011628
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者严又生, 宜明理, 许增魁, 新 魏 申请人:中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司