一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法与流程

本发明涉及油气地震勘探领域，特别是涉及一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法。

背景技术：

随着我国油气田勘探开发的不断深入，所面临的地质目标体结构越来越复杂，这对现有地震勘探观测系统提出了更高的要求。而现有常规的地震勘探观测系统受限于地震正演模拟方法等因素，致使其观测覆盖次数、均匀性、方位角分布等无法满足实际工作的需求。以地震正演数值模拟方法为例，现有地震正演数值模拟方法主要可分为以下三类：第一类是波动方程正演模拟方法。波动方程模拟方法是目前生产中计算精度最高、模拟效果最理想的方法。但是这类方法计算效率较低，在大规模的三维高密度观测系统设计中往往因为时效问题被放弃。第二类是射线类方法。这类方法在一般模型下计算效率较高，但是当模型构造很复杂的时候，存在射线追踪不收敛的问题；并且由于这类方法无法获得地震波场动力学特征，因此在黏弹性介质下的传播波动方程与模拟结果差异十分明显。第三类是射线束类方法。射线束是波动方程的高频近似解，可认为地震波频率足够高时所获得的一种近似解。这类方法在地震波频率足够高时和波动方程结果类似，但是在地震波频率较低时，存在较大的误差。并且此类方法方程中无法考虑介质的吸收衰减作用，因此射线束类方法在黏弹性介质下模拟也和波动方程有较大的差异。

鉴于此，现有地震勘探观测系统的建立利用的数值模拟存在效率低或与地下岩层现实情况并不贴合，提出一种基于可靠性和效率更高的数值模拟的地震勘探观测系统建立方法势在必行。

技术实现要素：

本发明提供了一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，利用该方法可以完成高效高精度地震波数值模拟工作，并通过地震波数值模拟对观测系统做出合理评价，其所得的地震勘探观测系统对地下岩层的成像结果更为可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，所述方法包括有如下步骤：

步骤1：提取工区以往勘探成果中各目的层层位信息，建立三维层状地层模型；

步骤2：根据地质任务以及勘探部署情况，设计多个备选的地震勘探观测系统，对步骤1建立的三维地层模型中层位曲面进行网格划分，并为每个备选的地震勘探观测系统设置相同的正演模拟参数；

步骤3：利用有限频率snell定律追踪每个炮检对地震波主能量的传播路径；

步骤4:利用射线束计算地震波传播到地表的能量以及范围分布情况；

步骤5：结合步骤1建立的三维地层模型中的品质因子，通过计算地层对地震子波的吸收衰减，得到射线束核心振幅分布；

步骤6：计算不同地表各个检波器处叠加的地震波场，作为该检波器的模拟接收信号，提取相同炮点的检波器模拟信号形成共炮点道集；

步骤7：对于每个目的层曲面网格，按照不同的偏移距和方位角分段，根据步骤3中传播路径的计算方式，累加所有经过该网格传播到地表并被检波器接收到的能量；

步骤8：得到每个备选的地震勘探观测系统所对应的共炮点道集和各目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段的累加能量；

步骤9:对共炮点道集进行抽取共中心点道集、交互速度分析、叠前深度偏移处理，得到叠前深度偏移剖面；

步骤10：绘制步骤7得到的目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段下的累加能量图。

步骤11：根据步骤9的叠前深度偏移效果和步骤10中的目的层曲面网格累加能量分布对备选的观测系统进行评价，确定出最佳的观测系统。

较为优选的，所述步骤1中三维层状地层模型包含有纵波速度和品质因子两组数据。

优选的，所述步骤3中利用有限频率snell定律每个炮检对地震波主能量的传播路径满足公式(1)：

tanαi-1-tanαi＝εγ(δisinαi-δi-1sinαi-1)(1)；

ε为地层的平均厚度，γ为惩罚权，αi-1为射线在i-1地层中与法向方向的夹角，αi为射线在i地层中与法向方向的夹角。δi-1为i-1地层的地层速度的倒数，δi为i地层的地层速度的倒数。惩罚权γ是一个与地震波频率相关的变量，频率越高γ越小。

优选的，所述步骤5结合三维层状地层模型中的品质因子，通过计算地层对地震子波的吸收衰减，得到射线束核心振幅分布，具体可描述为：

将时间域的地震子波傅里叶变换至频率域的地震子波；

根据地层模型中的品质因子与振幅之间的关联，对频率域的地震子波中每一频率对应的振幅值进行衰减计算；

将衰减计算后所得的频率域的地震子波反向变换至时间域的地震子波；反向变换所得的时间域的地震子波即可用于展现射线束核心振幅分布。

优选的，所述步骤6中计算不同地表各个检波器处叠加的地震波场，具体可描述为：

将步骤5计算所得反向变换时间域的地震子波向周围各方向进行分布计算；并将计算结果在步骤4所得地震波场的范围分布情况内进行叠加。

优选的，所述步骤10累加能量图的绘制方式为：

以大小不同的偏移距作为半径，绘制同心圆；以正上方作为0度方位角的方向，顺时针为方位角角度增加方向，等方位角间隔绘制射线；向被射线分隔的各个子扇形区域填充不同颜色，颜色值代表该子扇形所表示的偏移距以及方位角范围内的累加能量值。

本发明提供了一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，该建立方法包括有建立三维层状地层模型、设计多个备选的地震勘探观测系统、利用有限频率snell定律每个炮检对地震波主能量的传播路径、计算地震波传播到地表的能量以及范围分布情况、获取射线束核心振幅分布、形成共炮点道集、计算目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段内的累加能量、对模拟共炮点道集进行叠前深度偏移、绘制目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段下的累加能量图、确定出最佳的观测系统等步骤。具有上述步骤的高可靠性地震勘探观测系统的建立方法在模拟过程中结合考虑了地层的吸收衰减情况，保证计算效率的同时提高了模拟数值的精度，成像效果更好，观测结果更为可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法的流程示意图；

图2为实施例一的三维层状地质模型示意图；

图3为针对图2三维层状地质模型设计的地震勘探观测系统的示意图；

图4为利用常规高斯束方法与本发明中的数值模拟方法对图2三维层状地质模型进行模拟后所得单炮记录对比图；

图5a为针对图2三维层状地质模型选取道距25m计算所得叠前深度偏移剖面；

图5b为针对图2三维层状地质模型选取道距12.5m计算所得叠前深度偏移剖面；

图5c为针对图2三维层状地质模型选取道距10m计算所得叠前深度偏移剖面；

图6为实施例二的三维层状地质模型的垂向切片示意图；

图7为针对图6三维层状地质模型设计的地震勘探观测系统的示意图；

图8为利用本发明中的数值模拟方法对图6三维层状地质模型进行模拟后所得单炮记录图；

图9为针对图6三维层状地质模型计算所得叠前深度偏移剖面；

图10为利用专业的地震资料处理软件所得的最终叠前深度偏移剖面示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，利用该方法可以完成高效高精度数值模拟工作，其所得的地震勘探观测系统与地下岩层的实际情况也更为接近。

下面结合下述附图对本发明实施例做详细描述。

本发明提供了一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，如图1所示，该提取方法具体包括有：

步骤1：提取工区以往勘探成果中各目的层层位信息，建立三维层状地层模型；

较为优选的，该三维层状地层模型是根据以往勘探成果中各目的层层位信息所建立的。其中，优选包含有纵波速度和品质因子两组数据。在建立完成后按照立方体网格将该三维层状地层模型离散化后输出为二进制文件。

步骤2：根据地质任务以及勘探部署情况，设计多个备选的地震勘探观测系统，对步骤1建立的三维地层模型中层位曲面进行网格划分，并为每个备选的地震勘探观测系统设置相同的正演模拟参数；

在完成步骤1的基础上，进一步设计多个备选的地震勘探观测系统。具体的，备选的地震勘探观测系统是在理论设计的基础上，结合工区卫星图片和针对地质任务进行的实际踏勘所设定完成的。设计形成的备选地震勘探观测系统用于收集每条炮对应的检波线数、检波点数、检波点编号以及检波点x、y坐标。而为每个备选的地震勘探观测系统设置正演模拟参数进一步包括有地震子波主频(hz)、每道记录时间长度(s)、采样间隔(ms)等信息。

步骤3：利用有限频率snell定律追踪每个炮检对地震波主能量的传播路径；

在完成步骤2的基础上，进一步追踪每个炮检对地震波主能量的传播路径。其中，利用有限频率snell定律追踪每个炮检对地震波主能量的传播路径的过程满足下述公式(1)：

tanαi-1-tanαi＝εγ(δisinαi-δi-1sinαi-1)(1)

其中，ε为地层的平均厚度，γ为惩罚权，αi-1为射线在i-1地层中与法向方向的夹角，αi为射线在i地层中与法向方向的夹角。δi-1为i-1地层的地层速度的倒数，δi为i地层的地层速度的倒数。惩罚权γ是一个与地震波频率相关的变量，频率越高γ越小。

步骤4:利用射线束计算地震波传播到地表的能量以及范围分布情况；

在完成步骤3的基础上进一步计算地震波传播到地表的能量以及范围分布情况。值得注意的是，地震波沿主能量路径传播时，其能量按照偏离主能量路径的距离呈高斯分布，因此地震波传播能量和震动影响范围均可按照该种特征进行计算。

步骤5：结合步骤1建立的三维地层模型中的品质因子，通过计算地层对地震子波的吸收衰减，得到射线束核心振幅分布；

在完成步骤4的基础上进一步计算射线束核心振幅分布情况。具体的，计算射线束核心振幅分布的步骤可具体描述为：首先，将时间域的地震子波傅里叶变换至频率域的地震子波；然后，根据地层模型中的品质因子与振幅之间的关联，对频率域的地震子波中每一频率对应的振幅值进行衰减计算；最后，将衰减计算后所得的频率域的地震子波反向变换至时间域的地震子波；反向变换所得的时间域的地震子波即可用于展现射线束核心振幅分布。

步骤6：计算不同地表各个检波器处叠加的地震波场，作为该检波器的模拟接收信号，提取相同炮点的检波器模拟信号形成共炮点道集；

在完成步骤5的基础上进一步计算地表各个检波器处叠加的地震波场能量。其中，计算地表各个检波器处叠加的地震波场能量的步骤可具体描述为：首先，先将步骤5计算所得反向变换时间域的地震子波向周围各方向进行分布计算；而后，并将计算结果在步骤4所得地震波场的范围分布情况内进行叠加。

步骤7：对于每个目的层曲面网格，按照不同的偏移距和方位角分段，根据步骤3中传播路径的计算方式，累加所有经过该网格传播到地表并被检波器接收到的能量；

步骤8：得到每个备选的地震勘探观测系统所对应的共炮点道集和各目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段的累加能量；

在完成步骤6的基础上进一步计算各备选的地震勘探观测系统所对应的共炮点道集。具体的，对每个备选的地震勘探观测系统进行正演模拟处理，而输出的共炮点道集优选是按照工业标准seg-y格式编辑输出的，从而保证该输出的共炮点道集能用于后续的处理软件使用。

步骤9:对共炮点道集进行抽取共中心点道集、交互速度分析、叠前深度偏移处理，得到叠前深度偏移剖面；

在完成步骤7、8的基础上进一步对共炮点道集进行抽取共中心点道集。本领域技术人员在对共炮点道集进行抽取共中心点道集的过程中可利用专业的地震资料处理软件。具体对共炮点道集的处理包括有抽取共中心点道集、交互速度分析、叠前深度偏移处理等步骤。

步骤10：绘制步骤7得到的目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段下的累加能量图。

在完成步骤9的基础上进一步将绘制累加能量图，形成目标层的成像。具体的，其绘制累加能量图可具体描述为：以大小不同的偏移距作为半径，绘制同心圆；以正上方作为0度方位角的方向，顺时针为方位角角度增加方向，等方位角间隔绘制射线；向被射线分隔的各个子扇形区域填充不同颜色，颜色值代表该子扇形所表示的偏移距以及方位角范围内的累加能量值。

步骤11：根据步骤9的叠前深度偏移效果和步骤10中的目的层曲面网格累加能量分布对备选的观测系统进行评价，确定出最佳的观测系统。

在保证成像效果相差不大的情况下，可对设计的地震勘探观测系统的实现成本及施工难度等因素进行综合评价，从而可进一步确定并优化出本发明提供的方法中效果最佳的观测系统。

为证明本发明提供的方法确实有效，并对上述步骤中的特征进行说明，下面提供两个具体实施例。

实施例一：针对胜利油田某区块进行的三维陆上地震勘探观测系统的建立。

其中，图2为建立并使用的三维层状地质模型示意图；该模型中每层地层速度、品质因子均为常数，品质因子是根据速度与品质因子之间的经验公式自动计算得到。图3为设计的地震勘探观测系统的示意图。其中，保持其他观测系统参数不变，只改变道距大小，分别设计道距为25m、12.5m、10m的三个备选地震勘探观测系统。图4为利用常规高斯束方法(图4左边部分)和本发明中的数值模拟方法(图4右边部分)进行模拟所得单炮记录对比结果。从结果对比可以看出，高斯射线束由于没有考虑吸收衰减的影响，正演结果在浅中深层，频率变化不明显，能量差异不大。而本发明方法进行正演结果可以清楚的看到地震记录在浅层频率明显高于深层。能量分布特点也更加符合实际采集资料特点。

而后，利用专业的地震资料处理软件，经过共检波点道集抽取、交互速度分析、叠前深度偏移处理等处理，得到最终的叠前深度偏移剖面，为便于对比，将局部特征放大，如图5a、图5b、图5c所示。其中，图5a为道距25m计算所得叠前深度偏移剖面，尖灭点位置基本无法识别；图5b为道距12.5m、图5c为道距10m计算所得叠前深度偏移剖面，两者差别不大，尖灭点位置均能很好地识别。图6为道距12.5m的地震勘探观测系统计算的目的层曲面网格不同偏移距和方位角下的累加能量分布图，从图6可以看出目的层能量分布较为均匀，考虑到经济性因素，可进一步优选使用道距12.5m的地震勘探观测系统作为最佳的地震勘探观测系统建立使用方案。

实施例二：针对胜利油田某区块进行的三维陆上地震勘探观测系统的建立。

其中，图7为建立的三维层状地质模型的垂向切片示意图；该模型中每层地层速度、品质因子均为常数，品质因子是根据速度与品质因子之间的经验公式自动计算得到。在理论观测系统设计的基础上，结合工区地表情况对观测系统进行调整，得到如图8所示设计的地震勘探观测系统的示意图。

为了确定该设计的地震勘探观测系统的目的层成像效果，利用本发明中的数值模拟方法进行正演，得到如图9所示的单炮记录。具体的，从单炮记录来看，该设计的地震勘探观测系统能接收到来自高陡构造等复杂构造下目的层的地震波能量，具备复杂构造成像的条件，为进一步评价其成像效果，进行叠前深度偏移处理。

进一步利用专业的地震资料处理软件，对共检波点道集抽取、交互速度分析、叠前深度偏移处理等数据进行处理，得到最终的叠前深度偏移剖面，如图10所示。从结果来看，该设计的地震勘探观测系统能够很好地实现工区复杂构造地质体的成像，勘探观测系统设计方案可行。

本发明提供了一种高可靠性地震勘探观测系统的建立方法，该建立方法包括有建立三维层状地层模型、设计多个备选的地震勘探观测系统、利用有限频率snell定律每个炮检对地震波主能量的传播路径、计算地震波传播到地表的能量以及范围分布情况、获取射线束核心振幅分布、形成共炮点道集、计算目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段内的累加能量、对模拟共炮点道集进行叠前深度偏移、绘制目的层曲面网格在不同偏移距和方位角分段下的累加能量图、确定出最佳的观测系统等步骤。具有上述步骤的高可靠性地震勘探观测系统的建立方法在模拟过程中结合考虑了地层的吸收衰减情况，保证计算效率的同时提高了模拟数值的精度，成像效果更好，观测结果更为可靠。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。