本发明隶属于勘探地球物理领域，尤其涉及一种改进的适用于地层压力预测的地震层速度场计算方法。
背景技术：
(一)涉及的专业术语
(1)地层压力：地层压力是指地层孔隙流体产生的压力，在地层孔隙连通的情况下其值等于静水压力(即由地表至目的层的垂直水柱所产生的压力)。
(2)地下地层压力的分布特征：在同一套岩性地层中，由于地层具有渗透性，地层压力高的地层会向压力相对低的地层传递压力，因此地下地质体内地层压力分布往往具有区域性，连片性以及渐变的特征。
(3)叠加速度：地震资料处理过程中依据共反射点时距曲线求得的速度称为叠加速度(或均方根速度)，该速度可用于计算地震层速度。
(4)地震层速度：地震勘探中，地下每一层地质体本身所具有的速度称地震层速度，地震层速度直接与地下地层的岩性相关。
(5)DIX公式：由叠加速度(或均方根速度)Vr计算地震层速度Vn的公式：
其中，t0,n表示地震波在第n层介质垂直反射时间，叠加速度在水平层状介质中就是均方根速度，如果界面倾斜，需要对叠加速度做倾角校正。
(6)波阻抗反演：波阻抗是地震层速度与密度的乘积，波阻抗反演通过输入叠后地震资料，利用反演算法(递推反演算法、稀疏脉冲反演算法、基于模型的反演算法、非线性反演算法、随机反演算法等)从地震剖面上消除子波影响,留下反射系数,再由反射系数计算出能反映地层物性变化的参数“波阻抗”的计算过程。
(7)速度的强非均质性：由反演算法获得的地下地层的地震层速度场在空间分布上具有不均匀场的特征，其在纵向和横向均有较高的变化率；往往在同一个封闭或孤立的地质体内部会出现速度纵横向上的剧烈变化。
(8)目的层段：需要进行地层压力预测的地下地层段。
(9)背景地层段：地下地层段(深度范围：从地表到目的层段的底界面)除去目的层段外的部分，其深度范围是从地表到目的层段的顶界面。
(二)现有技术
利用地球物理手段预测地层孔隙压力，通常可以分为基于测井资料(主要是声波时差)的地层孔隙压力预测和基于三维地震资料的地层孔隙压力预测。由于地震资料覆盖面积广，充分利用地震资料可以在横向和纵向上求取地层孔隙压力，有效地指导勘探开发。目前常规的地层孔隙压力预测方法主要是利用了超压地层的“低”层速度特征：在正常情况下，速度随深度的增加而增加；而当出现超压层段时，地层的层速度将会降低。常规的地层压力计算方法有压实平衡方程法、等效深度法、Eaton法、Stone法、Fillippone法及改进的Fillippone法等方法。上述方法都是采用地震层速度进行计算，因此获取高精度的地震层速度非常关键。
常规的用于地层压力预测的地震层速度的计算方法主要有以下三种方法：(1)张传进(1998年)基于倾角校正后的叠加速度，采用DIX公式计算地震层速度；(2)王英民、夏广胜等(2011年)采用瞬时速度谱预测地层压力，瞬时层速度是将均方根速度场在时间域上以相同的时间间隔划分成若干薄速度层，然后针对每一个薄层的速度场使用DIX公式求取地震层速度；(3)周东红、熊晓军(2014年)首先采用三维约束迪克斯(DIX)反演方法计算从地表到目的层的背景层速度，然后采用波阻抗反演方法计算目的层段的层速度，再采用Fillippone公式结合上述两种层速度进行地层压力预测。
现有技术的缺点：
(1)单一采用DIX公式计算地震层速度的方法(张传进，1998年)计算得到的地下地层的地震层速度场精度不足，难以胜任地层孔隙压力预测的要求；
(2)采用瞬时速度谱计算地震层速度的方法(王英民、夏广胜等，2011年)在时间域划分薄层分别求取，一定程度上提高了常规DIX公式计算的精度，但本质上仍然单一地利用了DIX公式求取地震层速度，当地层存在较大倾角或地下地层的层速度出现倒转现象时，用该方法计算得到的地震层速度精度很低；
(3)采用“背景层段+目的层段”的地震层速度计算方法(周东红、熊晓军，2014年)有效地提高了地震层速度计算精度，但是其目的层段的地震层速度具有强非均质性特征，与地下地层的区域性连续分布的压力分布特征不符合；且由DIX公式计算得到的背景段层速度场与波阻抗反演所得目的层段地震层速度在层位界面上不存在过渡，速度值突变现象十分明显，容易在后续地层压力预测过程中产生假象。
综上所述，地下地层的地震层速度全部采用DIX公式计算，其精度太低，不适用于地层压力预测(张传进，1998年；王英民、夏广胜等，2011年)；采用“背景层段+目的层段”的地震层速度计算方法能有效地提高地震层速度的计算精度，但是其目的层段的地震层速度具有强非均质性特征，与地下地层压力的分布特征不符合，且在背景层段与目的层段的过渡区域存在速度的非真实性突变，从而影响后续的地层压力预测的正确性。
技术实现要素：
本发明目的在于为勘探地球物理领域的地层压力预测提供一种改进的适用于地层压力预测的地震层速度场计算方法，旨在解决地层压力预测过程中由于地震层速度信息不准确导致所求目的层段的压力系数不准确的难题，可以用于指导石油天然气的勘探开发，特别是页岩气的勘探开发。
本发明是这样实现的，先将地下地层分为背景地层段和目的层段两部分，其中背景地层段的地震层速度采用三维约束DIX公式反演方法求取，目的层段的地震层速度采用叠后波阻抗反演方法求取；然后对目的层段的地震层速度进行三维保边去噪处理，再采用高斯加权滤波方法对背景地层段和目的层段的地震层速度进行数据融合处理，从而获得用于地层压力预测的地震层速度场。本发明获得的地震层速度场具有局部或区域稳定场的特征，与地下地层的压力场特征一致。
本发明的具体步骤包括：
(1)将地下地层分为背景地层段和目的层段两部分；
(2)基于输入的叠加速度体，采用三维约束DIX公式反演方法求取背景地层段的地震层速度；
(3)对目的层段进行波阻抗反演求取目的层段的地震层速度场；
(4)对目的层段的地震层速度场进行三维保边去噪处理；
(5)采用高斯加权滤波方法对背景地层段和目的层段的地震层速度进行数据融合处理；
(6)输出步骤5融合得到的地下地层的地震层速度场。
本发明一种改进的适用于地层压力预测的地震层速度场计算方法，具有如下特点，主要表现为：
(1)本发明提供的地震层速度场计算方法，对目的层段的地震层速度场采用三维保边去噪算法进行平滑滤波，保证在目的段地震层速度场具有较高分辨率的同时，体现地震速度场区域性特点，有效地克服了目的层段的地震层速度的强非均质性的缺陷。
(2)本发明采用高斯加权滤波方法对背景地层段和目的层段的地震层速度进行数据融合处理，有效地压制了背景地层段与目的层段的过渡区域的地震层速度的非真实性突变，从而获得用于地层压力预测的地震层速度场。
(3)本发明获得的地震层速度场具有局部或区域稳定场的特征，与地下地层的压力场特征一致。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种改进的适用于地层压力预测的地震层速度场计算方法，具体实施步骤如下：
(1)基于地震层位数据，将地下地层分为背景地层段和目的层段两部分。
(2)基于输入的叠加速度体采用三维约束DIX公式反演方法求取背景地层段的地震层速度。本发明采用的三维约束DIX公式反演方法是叶勇2008年发表的方法(叶勇，三维约束Dix反演层速度方法及其应用研究，石油地球物理勘探，2008，43(4)：443-446)。
(3)对目的层段进行波阻抗反演求取目的层段地震层速度场。目前，对目的层段进行叠后波阻抗反演方法理论成熟，方法众多，本发明采用安鸿伟、李正文等2002年发表的方法(安鸿伟，李正文等，稀疏脉冲波阻抗反演在YX油田开发中的应用，石油物探，2002，41(1)：56-60)反演波阻抗。获得波阻抗数据后，考虑到地震层速度与地层密度之间存在著名的Gardner关系式：
ρ＝avb
式中ρ代表地层密度，v代表地震层速度，a和b是需要确定的常系数。基于测井数据中声波时差(可换算得到地震层速度)曲线及密度测井曲线，利用最小二乘法拟合得到目的层段的Gardner关系式系数a和b。在此基础上可利用拟合得到的Gardner关系式和波阻抗换算得到目的层段的地震层速度场。
(4)对步骤3得到的目的层段的地震层速度场采用三维保边去噪算法进行滤波处理。本发明采用的三维保边去噪算法是Nasher M.AlBinHassan等2006年发表的方法(Albinhassan N M,Luo Y等，3D edge-preserving smoothing and applications，Leading Edge,2006,21(2):136-158)，该方法在每个参与滤波的中心目标点周围建立大小为5×5×5的体时窗，在这个125个点的三维正方体数据内，进一步划分出32个更小的三维数据体，并分别计算32个数据体内数据的平均值及标准差。标准差计算公式如下式：
式中，σ'表示计算得到的标准差，N为统计数据样点个数，xi为第i个数据点，μ表示N个数据点的平均值。通过寻找32个数据体内标准差最小的一个数据体，再利用该数据体内的平均值作为预测中心目标点处的三维保边去噪结果，将其存放在5×5×5小立方体的中心目标点处。循环计算完目的层段地震层速度数据体，得到经过三维保边去噪处理后的目的层段的地震层速度场。
(5)采用高斯加权滤波方法对背景地层段的地震层速度(步骤2的计算结果)和目的层段的地震层速度(步骤4的计算结果)进行数据融合处理。融合方式是依靠层位数据(目的层段的顶界面层位)，将层位上方的地震层速度赋值为背景层段的地震速度(步骤2的计算结果)，将层位下方(含层位的位置)的地震层速度赋值为目的层段的地震速度(步骤4的计算结果)。融合完成后，进一步在层位边界处进行高斯加权滤波平滑处理，高斯加权滤波特征如下：
对于融合完成后的第i道，第j个采样点位置处的地震层速度值记为v(i,j)，平滑后的地震层速度值记为v'(i,j)。v'(i,j)由包含(i,j)领域内若干个地震层速度值在空间上的加权平均结果决定：
式中x、y表示邻域P内所有相关点的道数和采样点数，A表示以(i,j)为中心的领域点集合，G(x,y)是该速度在邻域内求平均时的权值。高斯平滑滤波器是根据高斯函数的形状选取权值，平滑滤波器可以选用二维零均值高斯函数，如下式：
式中σ表示高斯函数中的标准差。当σ值选择较大时，待处理的速度点邻域越大，参与平滑的速度点数较多，平滑效果强烈；当σ值选择较小时，待处理的速度点邻域较小，参与平滑的速度点数较少，平滑效果弱。可根据实际情况选择不同的σ值进行滤波计算。
在此基础上，依次将层位边界上每个地震层速度值当做中心点速度值，在中心点周围选择一个小的空间邻域内计算该点距离中心点的距离值x、y。并根据二维零均值高斯函数计算相应位置处的权值G(x,y)，最后将邻域内各地震层速度值与高斯权值加权平均得到的结果作为层位数据中心点处的地震层速度滤波结果。
(6)将步骤5的计算结果输出作为地下地层地震层速度场。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。