波動(dòng)方程疊前深度偏移直接產(chǎn)生角道集

波動(dòng)方程疊前深度偏移直接產(chǎn)生角道集

1基于角道集的程疊前深度偏移成像技術(shù)隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)成像和巖石勘探的深入，在地震資料的重疊前偏移圖像中，根據(jù)不同炮或不同位移的位移結(jié)果，得到不同角度下反射點(diǎn)的反射強(qiáng)度。此外，通過(guò)avo或ava響應(yīng)，直接識(shí)別液體和氣體的含量已成為一個(gè)越來(lái)越受關(guān)注的環(huán)節(jié)。波動(dòng)方程疊前深度偏移是用較準(zhǔn)確的波動(dòng)理論來(lái)描述地震波的傳播過(guò)程,能正確模擬復(fù)雜上覆地層導(dǎo)致的多值走時(shí)等復(fù)雜的波傳播現(xiàn)象和地震波傳播的幾何擴(kuò)散現(xiàn)象,因此既可對(duì)復(fù)雜構(gòu)造正確成像,又有望得到正確反映地下構(gòu)造反射強(qiáng)弱的成像幅值.但服務(wù)于復(fù)雜構(gòu)造成像的波動(dòng)方程疊前深度偏移多是通過(guò)分炮偏移實(shí)現(xiàn)的,且每炮偏移實(shí)現(xiàn)時(shí)需要對(duì)原始炮集做鑲邊處理以滿足偏移孔徑的要求;這種數(shù)據(jù)集組織方式易于得到疊加剖面,但由這些炮集偏移結(jié)果抽取隨偏移距變化的共反射點(diǎn)(CRP)道集將產(chǎn)生巨大的硬盤存儲(chǔ)需求.此外,既然真正反映地下構(gòu)造物性參數(shù)對(duì)比的是隨入射角變化的角度域成像道集,人們就希望能由分炮偏移結(jié)果直接得到角道集.已發(fā)展了一系列通過(guò)炮域波動(dòng)方程疊前深度偏移產(chǎn)出角度域成像道集的方法.這些方法可歸納為如下兩類:一是在應(yīng)用成像條件前對(duì)入射和反傳波場(chǎng)進(jìn)行局部平面波分解,對(duì)每對(duì)平面波分別成像本文在文獻(xiàn)[7]所發(fā)展的單程波算子地震波入射角計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算震源入射波場(chǎng)與地層界面夾角,發(fā)展了由炮域偏移的結(jié)果直接通過(guò)部分疊加得到角道集的方法;該方法通過(guò)應(yīng)用“保幅”的反褶積成像條件和考慮角度區(qū)間內(nèi)累加的炮數(shù),解決了炮點(diǎn)覆蓋不均勻?qū)е碌某上穹嫡`差問(wèn)題.與前述兩類方法相比,這一方法所需的計(jì)算量及內(nèi)存幾乎可以忽略,角道集的有效頻率范圍也與偏移剖面相同,因而更適于現(xiàn)行的計(jì)算能力和工業(yè)資料的實(shí)際情況.本文首先簡(jiǎn)述基于單程波算子的地震波入射波之波前面法線、地層界面傾角估計(jì)以及以此為基礎(chǔ)的地震波入射角計(jì)算方法,然后建議了一種考慮炮點(diǎn)覆蓋不均勻的基于反褶積成像條件的直接累加生成角度域成像道集的方法,最后給出了實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算流程和基于角道集改善地震成像效果的實(shí)用方法.文中算例表明,這一炮域波動(dòng)方程深度偏移直接產(chǎn)生角道集方法既能剔除復(fù)雜上覆地層的影響,又可補(bǔ)償觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋對(duì)成像幅值的影響;而與常規(guī)炮域波動(dòng)方程疊前深度偏移相比,并不增加過(guò)多內(nèi)存需求與計(jì)算量.2反射角計(jì)2.1基于規(guī)則波動(dòng)的入射角方程單程波算子是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的聲波方程進(jìn)行分解而得到的,一般情況人們總是沿垂直方向分解單程波算子.單程波算子可正確模擬復(fù)雜介質(zhì)中地震波的單向傳播,與標(biāo)準(zhǔn)的聲波(雙程波)方程相比,單程波算子沿其分解方向不發(fā)生地震波反射.由于這一特征,單程波算子所得到的簡(jiǎn)諧波場(chǎng)就對(duì)應(yīng)著地震波傳播過(guò)程中的波前面.地震波場(chǎng)的波數(shù)是與波前面的法線方向相聯(lián)系的,而波場(chǎng)的空間導(dǎo)數(shù)又與波數(shù)存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,我們可利用求取空間導(dǎo)數(shù)前后簡(jiǎn)諧波場(chǎng)的變化,簡(jiǎn)單求得全場(chǎng)的地震波入射角方向.由單程波方程可知,頻率-波數(shù)域下行的波場(chǎng)P式中k=ω/c(x,y,z)為波數(shù),c(x,y,z)是空間各位置處的介質(zhì)波速,角度θ式中符號(hào)Re代表求復(fù)波場(chǎng)值的實(shí)部.若令脈沖響應(yīng)由此可得到(x2.2ensors的方向定義基于局部結(jié)構(gòu)的張量分析(localstructuretensors)為簡(jiǎn)單信號(hào)提供了一個(gè)較簡(jiǎn)潔的描述其方向的方法.這里所謂的簡(jiǎn)單信號(hào),是指該信號(hào)在局部范圍內(nèi)只能沿一個(gè)方向變化.對(duì)于這類信號(hào),可以把它的局部方向定義成一個(gè)張量T式中f3觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋的消除方法—“保幅”角道集的形成就反射波偏移成像而言,震源入射波場(chǎng)與反射界面法線的夾角,即入射角,就是反映偏移道集AVA特征的角度.基于此角度的角道集完全反映了由界面波阻抗和泊松比對(duì)比決定的隨角度變化的界面反射特征基于第2節(jié)獲得的反射角,可以按反射角對(duì)炮域偏移結(jié)果直接累加來(lái)得到角道集.有學(xué)者從理論上證明本文因此建議了一種可同時(shí)處理幾何擴(kuò)散效應(yīng)和觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋的“保幅”的角道集生成方法.角道集是按反射角對(duì)炮域偏移結(jié)果直接累加形成的;在偏移成像中用反褶積成像條件來(lái)補(bǔ)償幾何擴(kuò)散,同時(shí)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)按角度累加過(guò)程中落入不同角度區(qū)間內(nèi)的炮數(shù)的方法來(lái)剔除觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋的影響.炮域偏移的反褶積成像條件可表達(dá)為式中A疊加是壓制隨機(jī)噪音的有效手段,對(duì)地震資料整個(gè)處理流程,疊加起到了關(guān)鍵的作用;但疊加也改變了地震資料的幅值特征,特別是在觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋的情況下.解決觀測(cè)系統(tǒng)非均勻覆蓋是地震資料處理中一直受到關(guān)注的問(wèn)題,目前尚沒(méi)有非常有效的方法.在生成角度道集的過(guò)程中,為獲得較高信噪比的角道集,也需要采用疊加處理,即保證有足夠多的反射角(每個(gè)角度對(duì)應(yīng)一個(gè)炮點(diǎn))落在一個(gè)角度區(qū)間內(nèi).對(duì)等間距的角度區(qū)間而言,即使是規(guī)則的三維觀測(cè)系統(tǒng),由于(各向同性情況下)不考慮方位角,落在各個(gè)角度區(qū)間內(nèi)的炮點(diǎn)數(shù)也是不相同的.由于采用反褶積成像條件,可認(rèn)為每個(gè)單炮偏移結(jié)果對(duì)應(yīng)某一個(gè)角度的(有限帶寬)的反射系數(shù);因此,在累加過(guò)程中統(tǒng)計(jì)落入不同角度區(qū)間內(nèi)的炮數(shù),可籍此剔除非均勻覆蓋對(duì)角道集幅值的影響.具體實(shí)現(xiàn)如下:定義角度采樣間距Δγ,對(duì)每一成像點(diǎn)定義一個(gè)一維數(shù)組,數(shù)組長(zhǎng)度小于90/Δγ;對(duì)全部炮循環(huán),對(duì)每炮的偏移結(jié)果,讀取由上節(jié)得到的該炮點(diǎn)震源對(duì)各成像點(diǎn)的地層界面法向量夾角γ,計(jì)算l=1+int{γ/Δγ},將各成像點(diǎn)的幅值累加到對(duì)應(yīng)數(shù)組的l元素上,同時(shí)統(tǒng)計(jì)累加到元素上的炮數(shù);完成對(duì)全部炮循環(huán),然后用統(tǒng)計(jì)得到的各元素上的累加炮數(shù)除各成像點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)組中的各元素值.這樣就得到各成像點(diǎn)隨角度變化的成像幅值.需要指出的是,這一操作并不能簡(jiǎn)單推廣應(yīng)用到常規(guī)的疊加處理;以炮域偏移的疊加過(guò)程為例,由于不能保證任一炮記錄的偏移結(jié)果對(duì)某一同相軸有實(shí)質(zhì)的貢獻(xiàn),簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)、剔除并不能消除非均勻覆蓋的影響.4基于高效可獲得性的角道集成像結(jié)合炮域波動(dòng)方程偏移流程以及集群式并行機(jī)的軟硬件分布特點(diǎn),提出了如圖1所示的一種直接由炮域偏移得到角道集的實(shí)現(xiàn)流程.這一流程具有如下幾個(gè)特點(diǎn):首先,就各成像點(diǎn)震源入射波場(chǎng)與地層界面的夾角的計(jì)算環(huán)節(jié)而言,因其使用了與波動(dòng)方程炮域疊前深度偏移處理完全相同的偏移速度模型和單程波算子,因此得到的角度更真實(shí)地反映了入射波與反射波之間的夾角;而其所需計(jì)算量?jī)H為單個(gè)頻率的震源波場(chǎng)延拓加上求導(dǎo)及平滑、插值等處理,與疊前偏移的全頻帶波場(chǎng)延拓相比,幾乎可以忽略;其次,這一環(huán)節(jié)主要的計(jì)算(圖1中兩虛線箭頭中間部分所示)均是在集群并行機(jī)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上并行進(jìn)行的,因而可獲得較高的計(jì)算效率.就這一實(shí)現(xiàn)流程的內(nèi)存需求而言,各成像點(diǎn)震源入射波場(chǎng)與地層界面的夾角的計(jì)算環(huán)節(jié)所需內(nèi)存與單炮偏移基本相同,且這一操作與單炮偏移是先后進(jìn)行的,不需要額外的內(nèi)存,這克服了空間移動(dòng)或時(shí)間移動(dòng)的成像條件產(chǎn)生角道集方法巨大內(nèi)存需求導(dǎo)致不能應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)數(shù)據(jù)的障礙.本文流程是先對(duì)單炮偏移結(jié)果直接在各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)部分疊加,然后在主節(jié)點(diǎn)對(duì)部分疊加結(jié)果進(jìn)行疊加產(chǎn)生各成像點(diǎn)的角道集,這一實(shí)現(xiàn)方法規(guī)避了首先由炮集偏移結(jié)果抽取共成像點(diǎn)道集,然后再結(jié)合入射角信息將共成像點(diǎn)道集轉(zhuǎn)化為角道集時(shí)產(chǎn)生的巨大文件存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)交換需求.與現(xiàn)行各類波動(dòng)方程偏移生成角道集的方法相比,本文提出的方法幾乎不增加額外計(jì)算量和內(nèi)存需求,可容易與現(xiàn)行炮域偏移流程結(jié)合,獲得有較好幅值特征的角道集.本文方法獲得的角道集,除服務(wù)于疊前巖石物理參數(shù)反演,還可用于進(jìn)一步改善偏移成像效果.就改進(jìn)偏移成像效果而言,現(xiàn)行積分法偏移流程都包括一個(gè)后續(xù)的剩余動(dòng)校及拉伸切除步驟;這一步驟將存在微小彎曲的同相軸拉平并切除無(wú)法拉平和存在拉伸畸變的部分.盡管剩余動(dòng)校量較小,但它使得同相軸的波峰和波谷對(duì)得更齊,因而在疊加過(guò)程中更好地保持了高頻成分;而切除也提高了成像的信噪比.但對(duì)常規(guī)的炮域偏移而言,由于產(chǎn)出的是隨炮點(diǎn)變化的CIG道集,同相軸的彎曲沒(méi)有一定的規(guī)律,有效成像段并不一定在中心部分,將工業(yè)界經(jīng)常使用的剩余動(dòng)校及拉伸切除應(yīng)用于炮域波動(dòng)方程偏移就產(chǎn)生了困難.而提取角道集后使得在炮域波動(dòng)方程疊前深度偏移處理中應(yīng)用剩余動(dòng)校和拉伸切除變得與Kirchhoff積分偏移一樣容易.就本文提取的角道集而言,其剩余動(dòng)校量可定量描述為式中z是零角度處同相軸的深度,γ是角度.在1.0附近對(duì)ρ進(jìn)行掃描并將角道集沿角度疊加,可得到不同ρ值對(duì)應(yīng)的能量譜,由能量譜中拾取最大能量對(duì)應(yīng)的ρ,由式(12)計(jì)算不同角度處同相軸的移動(dòng)量Δz,同時(shí)將大角度處的無(wú)效信息切除,這樣就簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了剩余動(dòng)校及拉伸切除.5計(jì)算值的示例5.1理論炮集的構(gòu)建為驗(yàn)證本文發(fā)展的方法能夠得到相對(duì)保幅的角道集,文中設(shè)計(jì)了一個(gè)四層的水平層狀均勻速度模型,將層位按照從上到下排列,分別編號(hào)為1,2,3,4.各層位深度-厚度及速度密度信息見(jiàn)表1,其中第3層為一個(gè)低速薄層.先應(yīng)用聲波方程正演方法生成理論炮集記錄圖3進(jìn)一步給出在三個(gè)界面處,圖2c所示角道集反映的AVA特性與理論值的對(duì)比,可見(jiàn)兩者擬合得很好;大角度出現(xiàn)偏差是因?yàn)楸疚恼萁Y(jié)果的長(zhǎng)偏移距數(shù)據(jù)有限導(dǎo)致的.5.2角道集的疊加與同相軸的旋轉(zhuǎn)本節(jié)將文中提出的波動(dòng)方程疊前深度偏移直接生成角道集流程應(yīng)用于我國(guó)東部油田某地區(qū)滿覆蓋11.2km利用圖1所示流程,由該數(shù)據(jù)集3600個(gè)炮集偏移結(jié)果直接生成了滿覆蓋區(qū)各成像點(diǎn)的角道集.出于計(jì)算效率以及計(jì)算精度的考慮,流程中的炮集深度偏移及入射角計(jì)算中的波場(chǎng)延拓均采用了最優(yōu)分裂Fourier方法圖4a展示了某成像點(diǎn)初始的角道集,在1.0附近對(duì)ρ進(jìn)行掃描并將角道集沿角度疊加,可得如圖4b所示的能量譜,由能量譜中拾取最大能量對(duì)應(yīng)的ρ,由式(12)計(jì)算不同角度處同相軸的移動(dòng)量Δz,可將圖4a所示的角道集轉(zhuǎn)換到圖4c,比較兩個(gè)圖可見(jiàn)同相軸變得更加平直.由圖4c可見(jiàn),大角度處已無(wú)有效信息,因此可將它們?nèi)鐖D4d所示那樣切除.圖5展示了滿覆蓋區(qū)由剩余動(dòng)校前后角道集疊加得到的數(shù)據(jù)體抽取的深度為750m的水平切片對(duì)比.比較可見(jiàn)在圖5a顯示的經(jīng)過(guò)剩余動(dòng)校后的水平切片上,信噪比得到較大提高,斷層及斷點(diǎn)顯示更為清晰.我們將所生成的角道集與這一地區(qū)的17口測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了AVA特性對(duì)比.圖6給出了某一井點(diǎn)處所生成的角度域成像道集與典型層位的AVA特性曲線對(duì)比,其中理論曲線的計(jì)算參數(shù)中,速度與密度信息是由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得到的,泊松比參數(shù)是由有關(guān)地層的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)給出的.圖6a為該點(diǎn)所有深度(自地面至深度為5000m)的角度域成像道集;圖6b與圖6c為圖中所示的深度處典型層位的AVA特性曲線與依據(jù)測(cè)井信息計(jì)算的理論曲線對(duì)比.考察可見(jiàn),所生成的角度域道集與理論計(jì)算曲線變化趨勢(shì)吻合較好,從而表明所生成的角度域成像道集展現(xiàn)了良好的AVA特性.6實(shí)際應(yīng)用效果本文給出了基于炮域波動(dòng)方程疊前深度偏移結(jié)果直接生成角道集的方法.該方法可將炮域偏移結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成反映界面AVA特征的角道集.文中也分別建議了校正因炮點(diǎn)覆蓋不均勻?qū)е碌某上穹嫡`差的方法和基于角道集改善波動(dòng)方程深度偏移成像效果的方法.與現(xiàn)行各類提取角道集方法相比,本文方法計(jì)算效率高,內(nèi)存需求及存儲(chǔ)需求甚少,可靈活應(yīng)用于二維和三維問(wèn)題,更適用于工業(yè)規(guī)模資料.文中給出了該方法的實(shí)際應(yīng)用流程和三維資料的應(yīng)用實(shí)例.理論及實(shí)際數(shù)值算例表明,本文方法提取的角道集真實(shí)反映了界面的AVA特征,而改善偏移成像效果的方法提高了偏移剖面的信噪比.較大規(guī)模的實(shí)際三維資料應(yīng)用表明,本