一种渗流介质地震横波数值模拟和成像方法

本发明属于多维成像技术领域，尤其涉及一种渗流介质地震横波数值模拟和成像方法。

背景技术：

目前，在实际地震勘探中，地震波在含流体地层中传播时，地震波会诱发流体与骨架的相互作用造成能量的衰减，其中纵波受到的衰减是最强的，而横波在岩石骨架中传播，所以受到的衰减并不强，因此，纵波在含流体地层中传播时，会受到比较强的衰减和相位延迟，不能很好地刻画储层内部结构，而横波可以较好地刻画储层内部结构。因此，利用横波地震资料进行含流体储层预测，提高储层预测精度，是地球物理勘探的重要研究内容。

地震纵波在含流体地层受到能量衰减、波形和频谱畸变，不能精确刻画含流体地层内部结构，而横波可以较好地刻画储层内部结构，目前对横波的正演和偏移成像方法研究较少；并且描述含流体地层中地震波传播的多物理场多参数的微分方程十分复杂，方程所含物理场多、参数多，导致求解方程困难，计算复杂，难以进行多维的地震波场成像十分困难，只能对其进行属性分析研究，与实际地震勘探普遍使用的二、三维资料严重脱节。

目前，描述含流体地层中地震横波传播特征的波动方程较少，多是一维方程，没有适应地层参数横向变化的波场延拓和成像方法，导致目前只有某些属性的一维特征曲线计算，多维的地震横波波场成像十分困难。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)地震纵波在含流体地层受到能量衰减、波形和频谱畸变，不能精确刻画含流体地层内部结构，而横波可以较好地刻画储层内部结构，目前对横波的正演和偏移成像方法研究较少。

(2)现有描述含流体地层中地震波传播的多物理场多参数的微分方程十分复杂，方程所含物理场多、参数多，导致求解方程困难，计算复杂，难以进行多维的地震波场成像十分困难，只能对其进行属性分析研究，与实际地震勘探普遍使用的二、三维资料严重脱节。

解决以上问题及缺陷的难度为：地震波在含流体孔、渗介质中的传播是一个十分复杂的过程，涉及的参数和物理场很多，既包括岩石固体骨架和胶结物的性质，又包括流体成分与含量，还包括流体流动与岩石骨架和地震波传播的互相作用。因此描述含流体地层中地震波传播的多物理场多参数的微分方程十分复杂，方程所含物理场多、参数多，导致求解方程困难，计算复杂，并且目前对横波的正演和偏移成像方法研究较少，多维的地震横波成像十分困难，难以在实际中得到有效应用。

解决以上问题及缺陷的意义为：地震纵波在含流体地层受到能量衰减、波形和频谱畸变，不能精确刻画含流体地层内部结构，而横波在岩石骨架中传播，受储层流体衰减较小，可以较好地刻画储层内部结构。提出改进的波场延拓新方法，实现非均匀介质的地震横波波场延拓，发展出适用于渗流介质的有效的多物理场、多参数模型的地震数值模拟和偏移成像新方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种渗流介质地震横波数值模拟和成像方法。

本发明是这样实现的，一种渗流介质地震横波数值模拟和成像方法，所述渗流介质地震横波数值模拟和成像方法包括以下步骤：

步骤一，按照爆炸反射截面原理，把初始模型u(x,z)通过傅氏变换扩展到频率-空间域u(x,z,ω)；

步骤二，在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

步骤三，按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

步骤四，执行频率ω＝1…ωmax和深度z＝1…zmax的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

步骤五，对频率域波场u(x,ω)做反傅氏变换得到地震记录u(x,t)。

进一步，步骤一中，将一维方程拓展到二维，将初始模型通过傅氏变换到频率-波数域，纵波和两个横波的方程如下：

其中，u0为岩石骨架位移，q0为达西速度场，p0为流体压力，φ为孔隙度，μ为剪切模量，kx为水平波数，κ为渗透率，η为粘滞系数，ρf为流体密度，ρb为等效体密度，τ为松弛时间，系数是流体粘滞度和孔隙空间形态有关的函数：ω为频率，为无量纲形态因子，其他为中间参数。

进一步，步骤二中，预先取若干组参数，在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；在δz＝zi+1-zi的间隔内的第一波场延拓公式为：

其中，ps-factor为相移延拓因子，对于横波有：

其中，ρb为地层体密度，μ为地层剪切模量，ω为角频率；ε＝jωρfκ/η，其中ρf为流体密度，κ为渗透率，η为粘滞系数。

进一步，所述步骤二还包括：

预先取若干组参数i＝1,2,3…n，若n＝3，则有3组参考参数p1,p2,p3；对波场u(kx,zm,ω)延拓到波场于是在深度zm-1，得到三个波场延拓结果

进一步，所述步骤三还包括：

(1)δz＝zi+1-zi的间隔内，采用gazdag相移加插值pspi的思路解决参数横向变化问题；

(2)按地质模型中该层的具体参数p同p1,p2,p3的关系，用插值方程求得与p对应的地震波场u(z,xj)，下标j为地震道标号。

进一步，所述步骤三还包括：

δz＝zi+1-zi的间隔内，采用gazdag相移加插值pspi的思路解决参数横向变化问题；按实际参数p与各个参考参数pi之间的关系，使用适合的插值方法求出在深度zm-1的波场u(x,zmax-1,ω)。

进一步，采用拉格朗日插值方法进行计算，包括：

进一步，所述渗流介质地震横波数值模拟和成像方法，首选silin方程为地震多物理场多参数传播方程的代表进行波场延拓。silin采用了小参数ε的渐近解，定义又称为流体流动性，最后得到横波的波数和吸收系数。横波的波数为：

吸收系数为：

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

按照爆炸反射截面原理，把初始模型u(x,z)通过傅氏变换扩展到频率-空间域u(x,z,ω)；

在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

执行频率ω＝1…ωmax和深度z＝1…zmax的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

对频率域波场u(x,ω)做反傅氏变换得到地震记录u(x,t)。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

按照爆炸反射截面原理，把初始模型u(x,z)通过傅氏变换扩展到频率-空间域u(x,z,ω)；

在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

执行频率ω＝1…ωmax和深度z＝1…zmax的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

对频率域波场u(x,ω)做反傅氏变换得到地震记录u(x,t)。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述渗流介质地震横波数值模拟和成像方法的渗流介质地震横波数值模拟和成像系统，所述渗流介质地震横波数值模拟和成像系统包括：

初始模型扩展模块，用于按照爆炸反射截面原理，把初始模型通过傅氏变换扩展到频率-空间域；

多组波场延拓结果获取模块，用于在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

波场延拓结果获取模块，用于按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

波场延拓运算实现模块，用于执行频率和深度的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

地震记录输出模块，用于对频率域波场做反傅氏变换得到地震记录。

本发明的另一目的在于提供一种地震勘探的方法，所述地震勘探方法使用所述的渗流介质地震横波数值模拟和成像系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的渗流介质地震横波数值模拟和成像方法，通过设立等效参数和等效物理场的方法，把具有多参数和多物理场的传播方程化为等效单物理场多参数的传播方程，通过改进的波场延拓方法，实现非均匀介质的地震横波波场延拓，发展出适用于渗流介质的有效的多物理场、多参数模型的地震横波数值模拟和偏移成像新方法，并且因为横波在含流体储层中传播时，受到因流体造成的衰减更小，能较好地刻画含流体地层的内部结构，有助于人们进行储层预测，识别地层岩性，正确部署勘探和开发方案。

本发明在频率-波数域进行地震横波波场延拓，计算速度快，稳定性高，适应大倾角地层能力强，并解决了地层参数横向变化的问题。本发明适用于非均匀的渗流介质的地震横波数值模拟和偏移成像，不仅将一维计算拓展到了二维，使其可适用于实际生产，还可以适应多参数横向变化情况，提出了研究孔、渗介质对地震横波响应特征影响的新方法和油气储层预测的新技术。

本发明通过设立等效参数和等效物理场的方法，研发适用于渗流介质的有效的多物理量、多参数模型的地震横波数值模拟和偏移成像新方法；提高了孔、渗介质地震横波波场特征研究的学术水平和油气储层预测效果，提供理论基础与实用技术的目的。

地震波在含流体孔、渗介质中的传播将引起弹性波和流体流动之间的相互作用，使地震纵波能量衰减，波形和频谱畸变，而横波在岩石骨架中传播，所以受到的影响较小，所以地震横波可以较好地刻画含流体储层的内部结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的渗流介质地震横波数值模拟和成像方法原理图。

图2是本发明实施例提供的二维含气砂岩储层速度模型示意图。

图3(a)是本发明实施例提供的对含气砂岩储层模型的纵波正演模拟示意图。

图3(b)是本发明实施例提供的对含气砂岩储层模型的横波正演模拟结果示意图。

图4(a)是本发明实施例提供的对含气砂岩储层模型的纵波偏移成像示意图。

图4(b)是本发明实施例提供的对含气砂岩储层模型的横波偏移成像示意图。

图5是本发明实施例提供的渗流介质地震横波数值模拟和成像方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种渗流介质地震横波数值模拟和成像方法。下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图5所示，本发明实施例提供的渗流介质地震横波数值模拟和成像方法包括以下步骤：

s101，按照爆炸反射截面原理把初始模型通过傅氏变换扩展到频率-空间域；

s102，在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

s103，按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

s104，执行频率和深度的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

s105，对频率域波场做反傅氏变换得到地震记录。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明首选silin方程(silinandgoloshubin,2010)为地震多物理场多参数传播方程的代表进行波场延拓。其优点在于silin方程是针对地震波在含流体孔渗介质中的传播推导出来的，推导过程中考虑了达西定律、虎克定律，动量和质量的平衡，且与广泛应用的biot方程有直接联系。该方程含有biot快、慢纵波和横波，并且独立传播，有利于快慢纵波和偏振方向互相垂直的两个横波的特征研究。下面的公式(1)中为横波的方程组。式中的u0，w0和p0分别为岩石骨架位移，达西速度场和流体压力。参数ρb，ρf为岩石体密度和流体密度，μ为剪切模量，kx为水平波数，k，η和τ分别为渗透率，粘滞系数和弛豫时间，ω为频率，其他为中间参数：

silin采用了小参数ε的渐近解。他定义又称为流体流动性。最后得到横波的波数和吸收系数。横波的波数为：

吸收系数为：

上述公式均是一维的，因此不用考虑在多维模型中参数的横向变化。但是，难以在实际地震勘探中得到应用。为此必须解决多维地震数据在垂直延拓时，地层多参数横向变化的问题。

本发明对横波二维地震资料来说计算方法和步骤：

(1)按照爆炸反射截面原理，把初始模型u(x,z)通过傅氏变换扩展到频率-空间域u(x,z,ω)；

(2)在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；

(3)再按地质模型中多组参考参数与实际参数之间的关系，用适当插值方程求得最终的波场延拓结果；

(4)执行频率ω＝1…ωmax和深度z＝1…zmax的运算，完成整个二维剖面的波场延拓运算；

(5)对频率域波场u(x,ω)做反傅氏变换得到地震记录u(x,t)。

进一步，所述步骤(1)将一维方程拓展到二维，将初始模型通过傅氏变换到频率-波数域：

孔隙度φ，剪切模量μ，渗透率κ，粘滞系数η，流体密度ρf，等效体密度ρb，松弛时间τ，系数是流体粘滞度和孔隙空间形态有关的函数:而为无量纲形态因子。

进一步，所述步骤(2)预先取若干组参数，在每一个深度间隔内使用多组参考参数进行波场延拓得到多组波场延拓结果；在δz＝zi+1-zi的间隔内的第一波场延拓公式为：

式中，ps-factor为相移延拓因子，对于横波有:

式中，ρb为地层体密度，μ为地层剪切模量，ω为角频率，ε＝jωρfκ/η，其中ρf为流体密度，κ为渗透率，η为粘滞系数。

进一步，所述步骤(2)还包括：预先取若干组参数i＝1,2,3…n，若n＝3，则有3组参考参数p1,p2,p3，对波场u(kx,zm,ω)延拓到波场于是在深度zm-1，得到三个波场延拓结果

进一步，所述步骤(3)还包括：δz＝zi+1-zi的间隔内，采用gazdag相移加插值pspi的思路解决参数横向变化问题。按地质模型中该层的具体参数p同p1,p2,p3的关系，用插值方程求得与p对应的地震波场u(z,xj)，下标j为地震道标号。

进一步，所述步骤(3)还包括：δz＝zi+1-zi的间隔内，采用gazdag相移加插值pspi的思路解决参数横向变化问题，按实际参数p与各个参考参数pi之间的关系，使用适合的插值方法求出在深度zm-1的波场u(x,zmax-1,ω)；采用拉格朗日插值方法进行计算：

图1是本发明的地震波成像方法实现流程图，基于含流体地层地震波传播方程，利用扩展相移加插值方法适应地层多参数的横向变化情况，实现地震横波的波场延拓和成像。

图2是本发明实施例提供的二维模型横向多参数变化的正演与偏移成像示意图。其中，图2是含气砂岩储层模型，图中梯形部分为含气储层，围岩为砂泥岩；含气储层有小断裂为储层流体运移通道，储层中含有一套厚度为15m的含气薄储层，模型参数见表1。图3(a)是含气砂岩储层模型的纵波正演模拟结果，可以看出，因为受到含气储层对快p波造成吸收衰减，导致储层底界面同相轴向下畸变，因为累加效应，深度越深同相轴向下畸变就越严重，15m的薄层发生调谐，难以分辨，从快p波正演剖面难以正确识别储层形态。图3(b)是含气砂岩储层模型的纵波正演模拟结果，可以看出，s波在岩石骨架中传播，受含气储层的影响较小。因此，s波正演剖面中各层的同相轴形态清晰，薄层没有发生调谐，可以分辨，能正确对含流体孔、渗地层内部结构进行刻画。图4(a)是含气砂岩储层模型的纵波偏移成像示意图，可以看出，偏移算法能将各层同相轴归位，但受到含气储层对快p波造成吸收衰减，同相轴能量减弱，15m的薄层仍发生调谐，从快p波偏移剖面难以识别，但含气区边界明显。图4(b)是含气砂岩储层模型的横波偏移成像示意图，可以看出，可以看出偏移算法能将各层同相轴归位，且横波受到含气储层的吸收衰减影响较弱，薄储层可以得到分辨，可以正确识别地层内部形态。因此，上述模拟与成像有助于人们得出结论，本发明利用纵波剖面可预测含气层边界，利用横波剖面可识别储层内部结构。

表1含气砂岩储层模型

本发明的优点在于：1)本发明在频率波数域进行波场延拓和偏移成像，计算速度快，稳定高，适应地层倾角能力强，并实现了地层多参数横向变化的地震横波正演模拟和偏移成像，能够适用于实际地震勘探；2)本发明进行了地震横波的正演模拟和偏移成像，横波受含流体地层衰减的影响更小能较好地刻画含流体地层内部结构，有助于储层预测，识别岩性，正确部署勘探和开发方案。

地震波在含流体孔、渗介质中的传播是一个十分复杂的过程，涉及的参数和物理场很多，既包括岩石固体骨架和胶结物的性质，又包括流体成分与含量，还包括流体流动与岩石骨架和地震波传播的互相作用。因此描述孔、渗介质中地震波传播特征的传播方程也是复杂、多样的。本发明通过设立等效参数和等效物理场的方法，把具有多参数和多物理场的传播方程化为等效单参数和单物理场的传播方程，通过改进的波场延拓方法，实现非均匀介质的地震横波波场延拓，发展出适用于渗流介质的有效的多物理量、多参数模型的地震横波数值模拟和偏移成像新方法，通过地震横波波场正演和反演成像来预测含流体储层，刻画储层内部结构，有助于人们预测地下储层所含流体成分，识别地层岩性，正确部署勘探和开发方案。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。