專利名稱：一種三維vsp高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法，屬于石油工業(yè)中的地 球物理勘探開發(fā)的算法工具研究。該方法主要是針對三維三分量VSP數(shù)據(jù)處理的難題，研 究出獲取地下三維速度分布以及三維構(gòu)造高分辨率成像等一系列成果的三維VSP處理技 術(shù)，有效地指導(dǎo)油田生產(chǎn)實踐，反過來可以推動三維VSP技術(shù)的發(fā)展。
背景技術(shù)：
垂直地震剖面(VSP)作為一種井中地震觀測技術(shù)，與地面地震相比，具有信噪比 高，分辨率高，波的運動學(xué)和動力學(xué)特征明顯等優(yōu)勢。VSP能同時接收到上行波和下行波，多 分量VSP還可以同時記錄縱波及橫波，使地震勘探進入多波勘探階段。為了克服覆蓋區(qū)域 上有一定角度限制的缺陷，發(fā)展了井周區(qū)域全方位激發(fā)的三維VSP技術(shù)。三維VSP資料分
辨率高，可以對井眼附近區(qū)域地面地震無法成像的小構(gòu)造進行成像，且各向異性信息豐富，
有利于巖性特征研究和井位評價。因此，盡管成本比較高，三維VSP技術(shù)還是成為不可缺少
的勘探開發(fā)工具。 可以預(yù)見，三維VSP將成為今后一段時期內(nèi)油氣地球物理的熱點技術(shù)。但是三維 VSP的觀測系統(tǒng)比較特殊，其數(shù)據(jù)處理方法既不同于常規(guī)的非零偏移距多分量VSP數(shù)據(jù)處 理方法，也有別于地面多分量地震方法，三維VSP對處理技術(shù)的要求更高，因此三維VSP數(shù) 據(jù)處理成了當前發(fā)展三維VSP技術(shù)的瓶頸。利用三維VSP數(shù)據(jù)進行地下構(gòu)造成像是三維 VSP應(yīng)用的一個目標也是目前三維VSP數(shù)據(jù)處理的最大的一個難點。國內(nèi)外多家研究機構(gòu)
和地球物理公司都投入了不少精力從事這方面的研究，但總體效果不是太好，迄今為止，三
維VSP數(shù)據(jù)的高品質(zhì)成像較少，勝利物探研究院使用的一套俄羅斯三維VSP處理軟件所給 出的成像效果與實際的地下構(gòu)造存在很大誤差。于是盡快開發(fā)出有效的三維VSP數(shù)據(jù)處理
技術(shù)是一件迫在眉睫的事。 針對三維VSP成像方法，鑒于其重要性，國內(nèi)外研究機構(gòu)都開展了一系列的研究 工作，主要體現(xiàn)在以下三個方面
1.三維VSP正演模擬方面 目前常見的正演模擬方法通常有如下兩種第一種是以彈性動力學(xué)方程的直接數(shù)
值解為基礎(chǔ)的解法，如有限差分法、有限元法以及偽譜法。第二種是波動方程的高頻漸近解
法(approximate high-frequency asymptotic methods)，典型代表就是身寸線追蹤方法。其 中有限差分、有限元和偽譜法等三種方法波場齊全，信息豐富，但也導(dǎo)致了需要進行波場分 離工作，對于VSP資料，波場分離是一項復(fù)雜的工作；而且有限差分頻散現(xiàn)象很嚴重，計算 效率也不高，有限元方法能更好解決復(fù)雜構(gòu)造問題，但計算量太大，而偽譜法在處理速度橫 向變化很大時并不滿足運動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律；射線追蹤方法計算速度快，簡單直觀，適應(yīng)性 強，而且也很容易實現(xiàn)針對目標層和波場類型進行模擬，在地震層析成像、疊前深度偏移、 觀測系統(tǒng)設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域，常需要計算大量射線路徑和旅行時信息，采用射線追蹤方法能 夠發(fā)揮其快速方便的優(yōu)勢。但射線方法是建立在彈性動力學(xué)方程的高頻漸近解的基礎(chǔ)之上。射線解只有在頻率為無限高時才嚴格成立，而實際的地震波總是有限頻率的，所以當 介質(zhì)比較復(fù)雜時，會出現(xiàn)臨界區(qū)、陰影區(qū)以及焦散現(xiàn)象，此時射線方法失效或者解的誤差很 大。目前還沒見到將高斯束方法應(yīng)用于三維VSP正演模擬的報道。
2.在三維VSP速度建模層析成像方面 地震波在地下傳播過程中，地下巖石的波速物性參數(shù)是所有物性參數(shù)中對地震波 的影響最大，因而是地震數(shù)據(jù)處理和解釋的關(guān)鍵參數(shù)。三維VSP數(shù)據(jù)的速度分析和研究一 直是薄弱環(huán)節(jié)，國外普遍采用的是一維速度模型或在一維模型的基礎(chǔ)上修改的各向異性速 度模型，國內(nèi)則是利用零偏移距、非零偏移距以及速度測井資料建立速度模型，沒有充分利 用三維VSP數(shù)據(jù)本身的信息進行速度分析。且常規(guī)的層析成像是把速度作為位置的函數(shù)， v(r)。以這樣的速度模型進行射線追蹤進而反演介質(zhì)速度時常常存在這樣的問題沿著射 線路徑經(jīng)常會出現(xiàn)一些人為的邊界模糊假象，速度體的邊界被模糊掉了。美國休斯頓大學(xué) 的周華偉教授提出了一種可變形地層層析成像方法，可解決邊界模糊問題，但該技術(shù)迄今 為止只應(yīng)用于大尺度地球物理，尚未用于油氣勘探生產(chǎn)實踐。
3.在三維VSP多波應(yīng)用方面 目前，國際上能夠提供三維VSP服務(wù)的公司有美國BP、 WesternGeco、 Paulsson、 Anadarko、READ Well Services、Conoco、VSfusion等。上述公司及美國Utah大學(xué)、加拿大 Calgary大學(xué)等研究機構(gòu)在進行三維VSP成像時，都只利用了反射波信息，有的甚至僅利用 了反射P波信息，而把轉(zhuǎn)換波(反射S波、透射S波)以及透射P波當作了影響成像質(zhì)量的 噪音，這無疑造成了 VSP信息量的浪費。包括現(xiàn)有的二維VSP成像方法也是如此。至今未 見到三維VSP多波數(shù)據(jù)體綜合應(yīng)用的報道。
4.三維VSP偏移成像方面 在三維VSP成像方法方面，Genmeng Chen以及Zhang， Q.等人采用常規(guī)VSP-CDP 轉(zhuǎn)換方法，VSFusion公司的Dapeng Wang，Anadarko公司的John O'Brien,Western公司的 Paul Bicpuart以及美國Utah大學(xué)的Jianhua Yu等采用的是Kirchhoff偏移成像方法。 而VSP-CDP轉(zhuǎn)換方法主要基于一維速度模型，不能用于二維甚至三維速度模型。該方法只 適用于水平層狀介質(zhì)或橫向變速緩慢的介質(zhì)分布情況，當?shù)貙觾A角較大時，構(gòu)造成像會發(fā) 生畸變，波形也易受到拉伸和壓縮。Kirchhoff偏移是建立在高頻近似及遠場近似條件上， 波場動力學(xué)信息損失過多，導(dǎo)致其只相當于加權(quán)的運動學(xué)繞射掃描疊加，且只能用于緩變 介質(zhì)。在復(fù)雜介質(zhì)條件下，由于多值走時和焦散點的大量存在，已有的Kirchhoff偏移經(jīng)常 不能獲得滿意的成像效果。至今三維VSP數(shù)據(jù)的高品質(zhì)成像較少，還沒有一種三維VSP成 像軟件占據(jù)明顯的技術(shù)優(yōu)勢與市場優(yōu)勢。勝利物探研究院使用的一套國外三維VSP處理軟 件所給出的成像效果與實際的地下構(gòu)造存在很大誤差。目前還未見到將適合于復(fù)雜介質(zhì)構(gòu) 造成像的高斯束偏移方法應(yīng)用于VSP成像的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的就在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供了一種三維VSP高斯束法 多波聯(lián)合偏移成像方法。該方法攻克了三維三分量VSP數(shù)據(jù)處理的難題，研究出獲取地下 三維速度分布以及三維構(gòu)造高分辨率成像等一系列成果的三維VSP處理技術(shù)，有效地指導(dǎo) 油田生產(chǎn)實踐，反過來可以推動三維VSP技術(shù)的發(fā)展。該方法的主要技術(shù)特點是采用多波
4聯(lián)合的高斯束偏移算法來提高三維VSP成像質(zhì)量，作為一個發(fā)明整體，其發(fā)明內(nèi)容包括以 下三個方面 1.三維VSP理論多波波場高斯束正演模擬方法 該方法的實現(xiàn)是采用三次B樣條函數(shù)描述的多種速度模型進行共炮點高斯束射
線追蹤，從而建立起三維VSP理論多波波場正演模型，為三維VSP高斯束法多波偏移成像提
供精度較高的走時、路徑和振幅等數(shù)據(jù) 2.三維VSP速度建模層析成像方法 該方法的實現(xiàn)是首先將地層模型界面設(shè)為速度的函數(shù)，通過建立一種比較合理 的局部優(yōu)化目標函數(shù)，將速度反演這一非線性問題線性化。最終用共軛梯度法求解一個n 維線性方程組來求取地下目標區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)，為三維VSP偏移成像奠定基礎(chǔ)
3.三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法 該方法的實現(xiàn)是首先分別對三維VSP接收到的四種波(反射縱波，反射橫波，透 射縱波，透射橫波)進行高斯束偏移，具體方法是先把檢波器記錄到的波場分解為不同方 向不同位置的高斯束，每個高斯束分別向地下延拓，再應(yīng)用成像條件得到偏移結(jié)果。然后將 四種波的能量進行疊加，在疊加過程中注意考慮極性反轉(zhuǎn)的因素，疊加后能量最大的一點 即地層界面，從而利用高斯束偏移的優(yōu)勢，進行三維三分量VSP高斯束法多波聯(lián)合成像。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，本發(fā)明的發(fā)明人提供了以下的技術(shù)原理
本發(fā)明雖然是采用多波聯(lián)合的高斯束偏移算法來提高三維VSP成像質(zhì)量，但作為 一個發(fā)明整體，其發(fā)明內(nèi)容包括以下三個方面
1.三維VSP理論多波波場高斯束正演模擬方法 與求解其他地球物理反演問題一樣，疊前三維VSP地震數(shù)據(jù)的反演也需要正演算 法合成疊前地震記錄來驗證該方法的合理性和有效性。建立三維VSP理論多波波場正演模 型，可以為三維VSP高斯束法多波偏移成像提供精度較高的走時、路徑和振幅數(shù)據(jù)。此外， 對于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，三維VSP觀測系統(tǒng)設(shè)計存在一定風險和盲目性。基于地質(zhì)模型的正 演模擬已經(jīng)成為野外地震觀測系統(tǒng)設(shè)計的有力手段?？梢?，研究復(fù)雜介質(zhì)條件下準確、實 用、快速、方便的三維VSP正演模擬方法具有重要的現(xiàn)實意義。 發(fā)明的原理高斯束是波動方程集中在中心射線鄰域的高頻漸近解，不僅可以計 算在射線上的高頻地震體波的走時和振幅，而且利用沿著射線所計算的動力學(xué)信息，還能 求得射線鄰域的走時和振幅值。高斯束射線追蹤兼顧了波動方程和普通射線法的優(yōu)點，克 服了二者的缺點和限制，具體地說就是，既保留了波場的運動學(xué)和動力學(xué)特征，又具有射線 方法靈活方便的特點，此外還克服了普通射線方法在不規(guī)則區(qū)域(如焦散點、臨界點等)失 效的缺陷，而且避免了繁瑣的兩點射線追蹤，因此，高斯束可以作為地震勘探中非常有效的 數(shù)值模擬方法。 2.三維VSP速度建模層析成像方法 疊前深度偏移目前是解決復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的地震成像問題的唯一手段，但由于它對 地震速度模型的極強的依賴，使得它的成像質(zhì)量對速度模型的變化非常敏感，因而速度模 型的建立方法的有效性是疊前深度偏移的關(guān)鍵。三維VSP數(shù)據(jù)的速度分析和研究仍是薄弱
5環(huán)節(jié)，國外普遍采用的是一維速度模型或在一維模型的基礎(chǔ)上修改的各向異性速度模型， 國內(nèi)則是利用零偏移距、非零偏移距以及速度測井資料建立速度模型，沒有充分利用三維 VSP數(shù)據(jù)本身的信息進行速度分析。本項內(nèi)容利用VSP可以接收下行波的特點，研究一種三 維VSP可變形地層層析成像方法(DLT)，也就是已知層速度和觀測走時反演地層界面位置 的方法。 發(fā)明的原理VSP可以接收下行波，前期工作表明已知地層界面位置，利用下行波 理論走時和觀測走時之差可以反演出地層層速度。但是我們假定的地層界面往往是不準確 的，而層速度卻可以由聲波測井資料獲得，于是，由層速度，利用下行波理論走時和觀測走 時之差來反演地層界面的準確位置也是可行的。
3.三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法 三維VSP多波正演模擬和速度層析成像的目的是地下構(gòu)造的高分辨率成像，這是 三維VSP應(yīng)用的最終目標，也是目前三維VSP數(shù)據(jù)處理的一個最大的難點。
發(fā)明的原理因為VSP可以同時記錄縱波及橫波，上行波及下行波。因為VSP轉(zhuǎn) 換波的產(chǎn)生和接收均在地面以下的井中，避開了地面各種干擾波的干擾，又避免了地面淺 層的強烈吸收，故VSP轉(zhuǎn)換波跟VSP縱波或常規(guī)地面轉(zhuǎn)換波相比，具有較高的分辨率和信 噪比。充分利用VSP接收到的多波信息進行VSP疊前深度偏移成像可以給出分辨率和信 噪比更高的復(fù)雜構(gòu)造油氣藏成像。在復(fù)雜介質(zhì)中，由于多值走時和焦散點的大量存在， Kirchhoff偏移時常不能獲得滿意的成像效果。而高斯束偏移方法不僅波場的動力學(xué)信息 得到保留，而且焦散和多值走時問題都能很好地解決。此外，由于高斯束的局部特性，偏移 只在高斯束的有效寬度范圍內(nèi)有效，可大大降低偏移噪音，因此高斯束偏移可以得到比普 通的Kirchhoff偏移更好的成像效果。本發(fā)明利用VSP能記錄多波信息的優(yōu)勢，根據(jù)轉(zhuǎn)換 點處四種波同時起跳，疊加能量最大的原理，利用高斯束偏移的優(yōu)勢，進行三維三分量VSP 高斯束法多波聯(lián)合成像。 在實際運用中，發(fā)明人首先通過求解高斯束射線追蹤常微分方程組，建立起三維 VSP理論多波波場正演模型。然后利用正演模型提供的下行P波走時信息，進行可變形地層 速度層析成像方法研究，在模型試算具有較高準確度之后，將該方法用于三維VSP實際下 行P波走時數(shù)據(jù)，反演地下三維真實速度場。最后利用正演模型得到的三維VSP理論多波 波場走時和振幅信息進行高斯束偏移成像，通過不斷將偏移結(jié)果與理論模型進行對比而修 正偏移算法，在偏移算法獲得較高的準確度后，將該方法用于勝利墾-71井的三維VSP實測 多波資料偏移成像。取得的成像效果明顯優(yōu)于常規(guī)方法。 本發(fā)明的效果已通過模型試算和實際三維VSP資料處理來進行驗證。雖然高斯束 偏移方法已經(jīng)成功應(yīng)用于地面地震成像，但是我們已經(jīng)完成的在三維VSP成像中采用高斯 束偏移的應(yīng)用研究，還是第一次，這項研究成果對于提高三維VSP成像質(zhì)量和促進三維VSP 的發(fā)展具有開創(chuàng)性的意義。
權(quán)利要求
一種三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法，該方法是首先用可變形速度層析成像方法反演出各種波的速度分布，然后通過對高斯束偏移算法進行改進，以使其適用于三維VSP觀測系統(tǒng)，最后聯(lián)合應(yīng)用四種波的信息進行綜合成像，其特征在于該方法是一個組合式的方法，其內(nèi)容包括以下三個方面(1)三維VSP理論多波波場高斯束正演模擬方法該方法的實現(xiàn)是采用三次B樣條函數(shù)描述的多種速度模型進行共炮點高斯束射線追蹤，從而建立起三維VSP理論多波波場正演模型，為三維VSP高斯束法多波偏移成像提供精度較高的走時、路徑和振幅等數(shù)據(jù)；(2)三維VSP速度建模層析成像方法該方法的實現(xiàn)是首先將地層模型界面設(shè)為速度的函數(shù)，通過建立一種比較合理的局部優(yōu)化目標函數(shù)，將速度反演這一非線性問題線性化，最終用共軛梯度法求解一個n維線性方程組來求取地下目標區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)，為三維VSP偏移成像奠定基礎(chǔ)；(3)三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法該方法的實現(xiàn)是首先分別對三維VSP接收到的四種波(反射縱波，反射橫波，透射縱波，透射橫波)進行高斯束偏移，具體方法是先把檢波器記錄到的波場分解為不同方向不同位置的高斯束，每個高斯束分別向地下延拓，再應(yīng)用成像條件得到偏移結(jié)果，然后將四種波的能量進行疊加，在疊加過程中注意考慮極性反轉(zhuǎn)的因素，疊加后能量最大的一點即地層界面，從而利用高斯束偏移的優(yōu)勢，進行三維三分量VSP高斯束法多波聯(lián)合成像。
全文摘要
一種三維VSP高斯束法多波聯(lián)合偏移成像方法，屬于石油工業(yè)中的地球物理勘探開發(fā)的算法工具研究。該方法主要是針對三維三分量VSP數(shù)據(jù)處理的難題，研究出獲取地下三維速度分布以及三維構(gòu)造高分辨率成像等一系列成果的三維VSP處理技術(shù)，有效地指導(dǎo)油田生產(chǎn)實踐，反過來可以推動三維VSP技術(shù)的發(fā)展。發(fā)明的效果已通過模型試算和實際三維VSP資料處理來進行驗證，雖然高斯束偏移方法已經(jīng)成功應(yīng)用于地面地震成像，但是在三維VSP成像中采用高斯束偏移的應(yīng)用研究尚屬首次。
文檔編號G01V1/40GK101738636SQ20091024139
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者喬玉雷, 李瑞忠, 王延江, 王珺, 許大華 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油大學(xué)(華東)