针对山前带的三维地震初至波菲涅尔体层析反演方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油气勘探地震资料处理领域，是一种地震资料表层速度建模的有效方 法。 现有技术
[0002] 目前，地震层析反演方法主要有走时层析和波形层析。
[0003] 走时层析是通过解释地震波到时来反演地下速度分布，它是基于射线理论，地震 波走时是对慢度沿激发点和接收点之间的射线路径的线积分。假设地震波频率足够高，地 震能量沿零体积的射线传播，这种理想化的射线又被称为数学射线，在模型空间分布很不 均匀，常常遇到低速体发生偏离，而在高速区聚集，使层析反演问题具有严重的不适定性。 而山前带速度变化比较大，浅层资料覆盖次数低、信噪比低，许多模型单元上甚至没有一条 射线通过，从而要求层析反演的离散模型单元往往要取得较大。当炮点和检波点布设稀疏， 特别在连续废炮、坏道之处，层析反演结果往往较差。
[0004] 波形层析是基于地震波的动力学特征，考虑了地震波的频率因素以及整个模型空 间所有介质的效应，从理论上比走时层析具有更高的分辨率，但它需要计算地震波的正向 传播及剩余波场的反向传播，还要计算二者的相关沿时间的积分，计算效率非常低，其反演 的目标函数和速度摄动之间表现为强烈的非线性关系，对初始模型要求很高，再加上地震 子波反演困难、地震信号的信噪比比较低，针对山前带速度变化大，浅层资料覆盖次数低、 信噪比低等特点很难得到应有的效果。
[0005] 山前带发育于洋-陆或陆-陆碰撞背景下，包括前陆褶皱冲断带和前陆盆地靠近 造山带的部分。紧挨山前带的造山带通常由基底卷入高角度逆冲断层引起的变质结晶基底 隆升和复杂、强烈的褶皱变形组成。构造非常复杂，山前带地震资料品质普遍很差，表现为 噪音干扰强烈、速度变化大，浅层资料覆盖次数低、信噪比低等，传统反射波层析反演很难 得到准确的浅层速度模型。
[0006] 地震信号具有一定的频带宽度，不仅高频射线路径上的介质性质影响地震波的 传播，射线附近的介质特征同样会对地震波的传播产生影响，只有定量的描述出空间中每 一点对接收信息的影响程度才有可能得到更加精确的反演结果。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对山前带速度变化大，浅层资料覆盖次数低、信噪比低等特点， 提出了一种针对山前带的三维地震初至波菲涅尔体层析反演方法。该方法介于波动方程和 射线理论之间的三维菲涅尔体层析反演方法，充分考虑了实际地震频率是有限的，地震能 量主要在包括理想射线在内的第一菲涅耳带内传播；走时与菲涅耳带内的所有介质有关。 菲涅尔体路径相当于物理路径，更合乎地震波实际传播规律；提高了反演稳定性和分辨率， 可以提高对山前带复杂地形和地质情况的适应性。
[0008] 本发明的一种针对山前带的三维地震初至波菲涅尔体层析反演方法包括
[0009] (1)获取地震资料的初至波时间；
[0010] (2)建立离散模型；
[0011] (3)计算初至波前走时；
[0012] (4)确定射线路径；
[0013] (5)计算菲涅尔体；
[0014] (6)建立层析反演方程；
[0015] (7)解该反演方程；
[0016] (8)将第（2)步的速度模型换成第（7)步的速度模型，重复第（2)-(7)步，即可得 到最终的速度模型。
[0017] 上述方案进一步细化为：
[0018] (1)获取地震资料的初至波时间；
[0019] (2)建立离散模型，采用规则网格把表层模型离散成若干立方体单元，用网格节点 处的速度值表示整个模型速度的变化；
[0020] (3)计算初至波前走时，采用程函方程二阶差分和波前群推算法GMM ;
[0021] (4)确定射线路径，采用波前扩展和双线性插值射线追踪方法，根据互换原理，提 供射线追踪精度；
[0022] (5)计算菲涅尔体，先求出菲涅尔体半径，再以射线为中心轴线，用菲涅尔体半径 确定菲涅尔体空间分布；
[0023] (6)建立层析反演方程，利用菲涅尔体空间及其能流密度的分布，建立初至走时残 差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程；
[0024] (7)解该反演方程，对所有菲涅尔体建立单元慢度增量与走时残差之间的方程，或 者表示成节点慢度增量与走时残差之间的方程，解该反演方程；
[0025] (8)将第⑵步的速度模型换成第（7)步的速度模型，重复第（2)-(7)步5-15次， 即可得到最终的速度模型。
[0026] 本发明具体技术方案：
[0027] (1)获取地震资料的初至波时间。
[0028] (2)建立离散模型，采用规则网格把表层模型离散成若干立方体单元，用网格节点 处的速度值表示整个模型速度的变化。对于正演问题，网格节点处的速度值为已知；对于反 演问题，网格节点处的速度值为未知量。
[0029] (3)计算初至波前走时，采用程函方程二阶差分和波前群推算法GMM(Gr〇up Marching Method)。该方法不需要对波前窄带中的点进行排序来寻找具有最小波前时间的 节点，而是在保证传播时间因果性的条件下，找出多个次级震源同时向外扩展波前，从而大 大提商了运算效率。
[0030] (4)确定射线路径，创新性采用波前扩展和双线性插值射线追踪方法，这是根据互 换原理，提供射线追踪精度。双线性插值函数表示为：
[0031]
①其中，g = ys，-y〇，h = zs, -zQ，y。和zQflR(l)ik分别为界面的中点坐标，
[0032] 即 y。= (yfy；；)/% z。= (Zfz3)/^
[0033] (5)计算菲涅尔体，先求出菲涅尔体半径，再以射线为中心轴线，用菲涅尔体半径 确定菲涅尔体空间分布。下式是计算菲涅尔体半径的近似式：
[0034]
[0035] 式甲，L是微友点与按叹日」的射线长度；f为地震波主频；1为从激发点到待计 算菲涅尔体半径处的射线长度，S(I)为该处的平均慢度，R(I)为该处的菲涅尔体半径。
[0036] (6)建立层析反演方程，利用菲涅尔体空间及其能流密度的分布，建立初至走时残 差与网格节点慢度修正量之间满足的线性方程。下式是每对激发点和接受点可获得的反演 方程：
[0037③ J=I r
[0038] 其中，Λ tl是第i条射线对应的走时残差；Λ Sk是第k个单元的慢度增量，可以 用该单元节点上的慢度增量表示，从而把该式可以整理成节点慢度增量与走时残差的关系 式；《,是反映各单元能流密度大小的权系数，且? = 1 ?,可通过对一条菲涅耳体 k = I ，： 内各处的影响因子归一化得到。
[0039] (7)解该反演方程，对所有菲涅尔体用③式建立单元慢度增量与走时残差之间的 方程，或者表示成节点慢度增量与走时残差之间的方程，解该反演方程，采用基于反投影方 法和SIRT原理的方法。
[0040] (8)将第⑵步的速度模型换成第（7)步的速度模型，重复第⑵-(7)步10次左 右，即可得到最终的速度模型。
[0041] 发明效果
[0042] 本发明的方法能够较好地获取浅层地表的速度模型，有着其他技术不具备的优 势，其具体优势和特点表现在以下几个方面：
[0043] 第一、技术效果的可靠性。该方法考虑了射线传播是沿着菲涅尔带传播的特征，相 比单独射线方法更符合实际，同时也更适合山前带这种特殊的复杂地表条件，所得到的结 果效果明显。