基于vti介质双向波场叠加的叠前深度偏移方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地震数据资料处理领域，特别是涉及高陡构造区叠前深度偏移技术。
【背景技术】
[0002] 偏移成像精度及其计算效率是偏移成像处理的两个核心问题。成像精度的高低影 响构造解释、岩性解释的准确性；计算效率的高低主要是考虑计算成本问题以及在实际资 料处理中的实用性问题。
[0003] 随着陆上较简单油气藏已基本勘探开发完毕，地震勘探的重点逐渐向西部复杂高 陡构造带转移。高陡构造带蕴藏着丰富的油气资源，是近年来油气探明储量增长最快的领 域之一，也是地球物理勘探技术最具挑战的领域，受剧烈造山运动作用的影响，复杂高陡构 造带地表山高沟深、地形高差变化剧烈、表层结构横向变化剧烈，低降速层厚度变化剧烈， 地下深层构造形变剧烈、断裂系统复杂、破碎程度高，这就对复杂条件下构造成像方法提出 更高的要求。一般深层复杂地质构造具有岩性横向变化较大，介质速度存在明显横向变化、 地层倾角较大的特点，其地震波响应具有能量弱、分辨能力低、信噪比低、频率低等特点，这 使得地震勘探的常规处理流程难以获得清晰的地下构造信息，从而制约了深层油气资源的 开发。因此，精确的偏移成像技术研宄就显得尤为重要。
[0004] 波动方程波场延拓偏移成像技术始于J. F. Claerbout团队在1971年与1972年 提出的基于有限差分近似解的波动方程偏移。波动方程偏移处理方法是处理地形起伏、复 杂构造以及强横向速度剧烈变化地震资料的最有效方法。目前具有比较完善的理论且在 实际地震资料处理中广泛应用的地震偏移技术主要有：频率-波数域有限差分法、高阶方 程降阶法、相移法、分裂步Fourier法（SSF)、Fourier有限差分法（FFD)等。这些方法对 地形起伏变化较小、非复杂构造以及横向速度变化小的区域具有较好的成像效果，且计算 效率较高。但随着国内外勘探开发的不断发展，目标勘探区已转向地形起伏变化大、速度 强横向变化剧烈的复杂构造区，且数据的采集也由二维转变为三维，数据采集量较大，常规 的波动方程偏移处理方法无法达到高偏移成像精度以及高计算效率的要求，且这些方法在 波场外推过程仅仅只是在垂向方向上进行，忽略了地震波水平方向上的变化。近年来，国 内外学者针对垂直对称轴的横向各向同性介质（VTI)条件下的偏移成像精度以及其计算 效率的问题对波动方程偏移方法作了深入的研宄，文献有：Save P，Fomel S.Riemannian wavefield extrapolation.Geophysics, 2005, 70 (3) :T45_T56 ;Shan G,Biondi B.Plane-wave migration in tiled coordinates. Geophysics, 2008, 73(5):S185-S194 ； Zhang J, McMechan G A.Turning wave migration by horizontal extrapolation. Geophysics, 1997, 62(1) :291-296.上述这些方法，存在以下两个问题：一是计算效率低， 不适用于工业生产；另一个是只考虑了地震波垂向方向上的传播信息，忽略了地震波横向 传播的信息，在山地复杂高陡构造区成像精度低。
[0005] 针对以上问题，本发明通过将三维波动方程在频率一波数域同时分解为沿垂向方 向和水平方向传播的单程波动方程，然后利用宽波场外推步长和线性插值的方法分别计算 垂向方向和水平方向上的单程波场值，最后通过水平方向上的波场值与垂向方向上的波场 值所占的权系数比重计算总波场值，对其进行偏移成像。利用本发明获得的偏移成像剖面 不仅包含了地震波垂向方向上的信息，而且还包含了地震波横向变化的信息，有效地解决 了地层倾角限制、数值频散等问题，对复杂地表条件以及陡倾角构造具有较高的成像精度。
【发明内容】
[0006] 本发明可解决山地复杂高陡构造区偏移成像精度不高的问题，其目的是获得山地 高陡构造区高精度偏移成像剖面，提高解释人员对复杂区构造解释和岩性解释的准确度， 指导油气藏的勘探开发，本发明所获得的地震资料偏移成像剖面不仅包含了地震波垂向方 向上的信息，而且还包含了地震波横向变化的信息，有效地解决了地层倾角限制、数值频 散、岩性解释多解性、储层预测多解性等问题，对复杂地表条件以及陡倾角构造具有较高的 成像精度。
[0007] 本发明的创新之处在于将地震波分解为分别沿垂向和横向上的单程波，在计算每 个方向上的波场值时，不仅使用了宽延拓步长，而且还使用了线性插值的方法，提高了偏移 计算效率；同时，利用加权叠加的方法，将各个方向上的波场值进行加权叠加获得最终的波 场值，提高了复杂构造区偏移成像的精度。
[0008] 本发明是一种基于垂直对称轴的横向各向同性介质（Vertical Transversely Isotropic，VTI)向波场叠加的叠前深度偏移方法，其特征在于：将波动方程在频率一波数 域同时分解为沿垂向方向和横向方向传播的单程波动方程，然后利用宽波场外推步长和线 性插值的方法分别计算垂向方向和水平方向上的单程波场值，最后通过横向方向上的波场 值与垂向方向上的波场值所占的权系数比重计算总波场值，并利用计算得到的总波场值对 模型进行偏移成像。
[0009] 本发明方法的特征在于它包含下列步骤：
[0010] 1)利用傅里叶变换的微分性质，在右手螺旋坐标系中将三维全波列方程从时间一 空间域变换到频率一波数域，表达式如下：
[0011]
C1;
[0012] 其中：kx、ky和1^分别为x、y、z方向上的波数，单位为：/m ;v为介质速度，单位为： m/s ; ?为角频率，单位为：Hz ;u(? ;kx，ky，kz)为频率一波数域地震波场值；
[0013] 2)将⑴式沿垂向和横向分别进行因式分解，分别得到x、y、z方向上的波数kx、 卜和k z，进而获得地震波各传播方向上的单程波动方程，表达式如下：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 其中：在垂向z方向上，上行波取" + "，下行波取在横向x方向上，右行波取 "+"，左行波取在横向y方向上，前行波取"+"，后行波取
[0018] 3)利用三维相移法计算地震波各传播方向上的波场外推计算式，其表达式如下：
[0019] u (? ；kx, ky, z+ A z) = u (? ；kx, ky, z) ? exp (kz ? A z) (5)
[0020] u(? ；x+Ax, ky, kz) =u(? ；x, ky, kz) ? exp (kx ? Ax) (6)
[0021] u(? ；kx, y+Ay, kz) =u(? ；k x, y, kz) ? exp (ky ? Ay) (7)
[0022] 其中：A x、A y、A z为垂向方向和横向方向上波场延拓步长；
[0023] 4)以宽延拓步长队? Aa和线性插值的方法计算地震波各传播方向上的波场值， 表达式如下：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 其中：i G [1，3]，Aa 分别取 Ax、Ay、A z n3的取值范围为 n # [1，NJ、 n2G [1，N 2]和 n3G [1，N 3];
[0028] 5)利用各方向上地震波场值所占权重系数a、0和Y，加权叠加计算总波场值， 表达式如下：
[0029] u (? ；x, y, z) = a ? u (? ;x, y, z+r^ ? A z) + 0 ? u (? ；x+n2 ? A x, y, z) (11)
[0030] +y ?u(co ；x, y+n3 ? A y, z)
[0031] 6)以宽延拓步长? A z、n2 ? A x和n3 ? A y延拓计算各反射点的总波场值，并以 相关型成像原理对地震数据进行偏移成像，获得最终的偏移成像剖面。
[0032] 本发明方法的依据是：
[0033] 1)叠前深度偏移是解决复杂构造区偏移成像最有效的方法，能够对速度横向剧烈 变化和构造高陡区地震资料准确成像。
[0034] 2)由于实际地震资料偏移处理是基于自激自收、各向同性和均匀介质条件，复杂 构造区介质是各向异性和非均匀，因此研宄非均匀VTI介质条件下偏移成像处理方法具有 重要的工业价值。
[0035] 3)实际地震资料偏移处理方法只考虑地震波垂向方向上传播的信息，忽略了地震 波横向方向上