本發(fā)明涉及一種地震勘探的三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法，尤其涉及一種三維地震觀測(cè)系統(tǒng)垂向分辨率定量分析評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，地震勘探逐步從高密度向高精度勘探轉(zhuǎn)變，而地震觀測(cè)系統(tǒng)是影響地震成像的關(guān)鍵性因素之一，對(duì)于地震觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也越來越高。地震成像的質(zhì)量一般用地震分辨率來描述。地震分辨率指分辨兩個(gè)相鄰?fù)噍S的能力，其在時(shí)間域和空間域上又分為時(shí)間分辨率和空間分辨率。其中，空間域的分辨率又根據(jù)方向的不同分為水平分辨率與垂向分辨率。常規(guī)的垂向分辨率分析是基于幾何地震學(xué)和無限頻帶寬度的假設(shè)，其計(jì)算方法一般是分析地震子波形態(tài)，以雷克子波為例，通過求取雷克子波相鄰兩拐點(diǎn)之間的距離，來定義時(shí)間域上該子波所能分辨的最小地層厚度。而實(shí)際地震勘探是有限頻帶寬度并且受空間離散采樣的影響，所以導(dǎo)致基于幾何地震學(xué)原理的常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無法適用于實(shí)際的復(fù)雜地質(zhì)情況，也無法直觀反映最終地震偏移成像效果的優(yōu)劣。

共聚焦(Common Focus Point，簡(jiǎn)稱CFP)方法是一種直接將地震偏移方法應(yīng)用于地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的新方法。該方法首先通過對(duì)檢波點(diǎn)與震源點(diǎn)分別進(jìn)行波場(chǎng)延拓以及聚焦運(yùn)算，得到檢波點(diǎn)聚焦矩陣與震源點(diǎn)聚焦矩陣。然后在頻率空間域?qū)z波點(diǎn)聚焦矩陣與震源點(diǎn)聚焦矩陣進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到三維觀測(cè)系統(tǒng)的分辨率矩陣。基于常規(guī)垂向分辨率分析的地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法既沒有考慮地下介質(zhì)的影響，也沒有考慮觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地震成像的影響，所以并不能直接反映實(shí)際的地震成像情況。通過基于地震波場(chǎng)延拓的共聚焦分析技術(shù)，可以綜合考慮地下介質(zhì)、觀測(cè)系統(tǒng)、頻帶寬度和主頻等因素對(duì)地震成像分辨率的影響。

但是，目前共聚焦分析計(jì)算地震分辨率主要是運(yùn)用于水平分辨率的計(jì)算，而水平分辨率和垂向分辨率的計(jì)算所依據(jù)的物理原理并不一致。水平分辨率主要是依據(jù)菲涅爾帶對(duì)地震成像分辨率的控制，而垂向分辨率主要是依據(jù)能區(qū)分相鄰地震子波的最小間隔的物理原理。所以使用共聚焦分析來計(jì)算水平分辨率的方法并不能直接用于對(duì)垂向分辨率的計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種三維地震觀測(cè)系統(tǒng)垂向分辨率定量分析評(píng)價(jià)方法，在給定觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的情況下，可以計(jì)算出地下任意目標(biāo)點(diǎn)處的地震垂向分辨率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)成像特性的高精度定量分析。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種三維地震觀測(cè)系統(tǒng)垂向分辨率定量分析評(píng)價(jià)方法，其特征在于包括以下步驟：1)給定復(fù)雜速度模型、待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)和地下目標(biāo)點(diǎn)位置信息，在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)地震觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行波場(chǎng)延拓，得到地下目標(biāo)點(diǎn)傳播到地面各檢波點(diǎn)的頻率域波場(chǎng)信息；2)采用共聚焦快速計(jì)算方法分別對(duì)地面各檢波點(diǎn)的頻率域波場(chǎng)信息進(jìn)行垂向共聚焦分析，得到各檢波點(diǎn)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的共聚焦結(jié)果；3)將步驟2)中得到的各檢波點(diǎn)的共聚焦結(jié)果進(jìn)行綜合，也即相乘再相加，得到整個(gè)地震觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果；4)對(duì)整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果進(jìn)行定量化，即根據(jù)沿垂向的共聚焦結(jié)果計(jì)算主瓣寬度，用于表征地震偏移成像的垂向分辨率，得到復(fù)雜介質(zhì)條件下待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)成像的垂向分辨率；5)根據(jù)得到的主瓣寬度計(jì)算主瓣占幅比，用于表征地震偏移成像的垂向清晰度，得到復(fù)雜介質(zhì)條件下待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)成像的垂向清晰度；6)根據(jù)得到的該地震觀測(cè)系統(tǒng)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的垂向共聚焦結(jié)果，也即主瓣寬度以及主瓣占幅比，對(duì)該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震偏移成像進(jìn)行分析。

所述步驟2)中，對(duì)各檢波點(diǎn)進(jìn)行垂向共聚焦分析，得到各檢波點(diǎn)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的共聚焦結(jié)果為：

b(r₀,ω)＝∫f(r,ω)a(r₀,ω)dr,

其中，f(r,ω)是聚集算子，a(r₀,ω)是檢波點(diǎn)位置處記錄到的頻率域波場(chǎng)，r是地下目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，r₀是地面檢波點(diǎn)的位置信息，ω是頻率信息。

所述步驟4)中，主瓣寬度的計(jì)算方法包括以下步驟：

①?gòu)恼麄€(gè)地震觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果中提取過目標(biāo)點(diǎn)的沿垂向的數(shù)值切片；

②對(duì)該數(shù)值切片進(jìn)行二階求導(dǎo)，找到目標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)的兩拐點(diǎn)，即二階導(dǎo)數(shù)為零的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)；

③根據(jù)兩個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到主瓣寬度，也就是垂向分辨率，計(jì)算公式為：

d＝|x_a-x_b|，

式中，x_a、x_b為兩拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)，也即b″(x_a)＝0、b″(x_b)＝0。

所述步驟5)中，主瓣占幅比是指主瓣寬度內(nèi)所有點(diǎn)的振幅值的平方和比上整個(gè)數(shù)值切片內(nèi)所有點(diǎn)的振幅值的平方和。

所述主瓣占幅比的計(jì)算公式為：

式中，A(x_i)為數(shù)值切片內(nèi)各點(diǎn)的振幅值，x_i是數(shù)值切片的橫坐標(biāo)，i＝1,2,...,n，n為該數(shù)值切片內(nèi)的點(diǎn)的總數(shù)。

所述步驟6)中，對(duì)該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震偏移成像進(jìn)行分析的方法為：主瓣寬度數(shù)值越小，說明該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震成像能分辨的最小間距越小，其地震偏移成像效果越好；否則，效果越不好；主瓣占幅比反映的是成像清晰度，主瓣占幅比數(shù)值越大，說明該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震成像清晰度越高，效果越好；否則，效果越不好。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明由于通過定義主瓣寬度和主瓣占幅比，將共聚焦結(jié)果直接用于對(duì)地震垂向分辨率的描述，這樣得到的結(jié)果不僅更加接近于實(shí)際的地震成像精度，而且還能夠定量分析地震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地震成像的影響，從而能夠指導(dǎo)地震采集設(shè)計(jì)的優(yōu)化，對(duì)于油氣勘探開發(fā)具有很重要的意義。2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于波場(chǎng)延拓的共聚焦快速計(jì)算方法，對(duì)常規(guī)共聚焦算法進(jìn)行改進(jìn)，常規(guī)算法是對(duì)地震觀測(cè)系統(tǒng)中的檢波點(diǎn)波場(chǎng)和目標(biāo)點(diǎn)波場(chǎng)分別進(jìn)行延拓和聚焦分析，而本發(fā)明共聚焦快速計(jì)算方法只對(duì)檢波點(diǎn)波場(chǎng)進(jìn)行延拓和聚焦分析，計(jì)算速度快，有利的促進(jìn)了共聚焦技術(shù)在實(shí)際地震勘探中的應(yīng)用，對(duì)指導(dǎo)地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高油氣勘探效率有極大的幫助。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于地震觀測(cè)系統(tǒng)的垂向分辨率定量分析領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為均勻介質(zhì)下某觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果垂向切片，其中實(shí)線為共聚焦結(jié)果，虛線為它的二次導(dǎo)數(shù)值，其兩個(gè)相鄰零點(diǎn)之間的寬度為主瓣寬度，即圖中的虛線軸上的黑色實(shí)線；

圖3為某復(fù)雜模型下，本發(fā)明得到的共聚焦結(jié)果(a)和它的垂向切片及二次導(dǎo)數(shù)值(b)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明三維地震觀測(cè)系統(tǒng)垂向分辨率定量分析評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

1)給定復(fù)雜速度模型、待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)和地下目標(biāo)點(diǎn)位置信息，在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行波場(chǎng)延拓，得到地下目標(biāo)點(diǎn)傳播到地面各檢波點(diǎn)的頻率域波場(chǎng)信息。

其中，復(fù)雜速度模型和待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)均為已有技術(shù)，本發(fā)明不再贅述。

2)采用共聚焦快速計(jì)算方法分別對(duì)地面各檢波點(diǎn)的頻率域波場(chǎng)信息進(jìn)行垂向共聚焦分析，得到各檢波點(diǎn)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的共聚焦結(jié)果。

與水平共聚焦分析不同，垂向共聚焦結(jié)果能夠直接反映偏移后目標(biāo)點(diǎn)處垂直切片上的真實(shí)地震子波。在理想情況下，垂向共聚焦結(jié)果僅含1個(gè)非零值，但實(shí)際情況下，由于垂向共聚焦結(jié)果受空間采樣，地震子波及地下介質(zhì)的影響，可能會(huì)得到非常復(fù)雜的結(jié)果。所以，通過基于波動(dòng)方程的延拓方法，模擬得到復(fù)雜介質(zhì)下的頻率域波場(chǎng)，由于聚焦為波場(chǎng)逆?zhèn)鞑サ倪^程，所以通過求取傳播算子的共軛得到聚集算子，將聚集算子運(yùn)用于記錄到的波場(chǎng)即可以得到復(fù)雜介質(zhì)下垂向共聚焦分析的結(jié)果。

根據(jù)上述分析，得到對(duì)各檢波點(diǎn)的頻率域波場(chǎng)進(jìn)行垂向共聚焦分析，得到各檢波點(diǎn)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的共聚焦結(jié)果為：

b(r₀,ω)＝∫f(r,ω)a(r₀,ω)dr (1)

其中，f(r,ω)是聚集算子，a(r₀,ω)是檢波點(diǎn)位置處記錄到的頻率域波場(chǎng)，r是地下目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，r₀是地面檢波點(diǎn)的位置信息，ω是頻率信息。

3)將步驟2)中得到的各檢波點(diǎn)的共聚焦結(jié)果進(jìn)行綜合，也即相乘再相加，得到整個(gè)地震觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果。

4)對(duì)整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果進(jìn)行定量化，即根據(jù)沿垂向的共聚焦結(jié)果計(jì)算主瓣寬度，用于表征地震偏移成像的垂向分辨率，得到復(fù)雜介質(zhì)條件下待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)成像的垂向分辨率。

如圖2所示，主瓣寬度的計(jì)算方法包括以下步驟：

①?gòu)恼麄€(gè)地震觀測(cè)系統(tǒng)的共聚焦結(jié)果中提取過目標(biāo)點(diǎn)的沿垂向的數(shù)值切片。

②對(duì)該數(shù)值切片進(jìn)行二階求導(dǎo)，找到目標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)的兩拐點(diǎn)，即二階導(dǎo)數(shù)為零的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

③根據(jù)兩個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到主瓣寬度，也就是垂向分辨率，計(jì)算公式為：

d＝|x_a-x_b| (3)

式中，x_a、x_b為兩拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)，也即b″(x_a)＝0、b″(x_b)＝0。

5)根據(jù)得到的主瓣寬度計(jì)算主瓣占幅比，用于表征地震偏移成像的垂向清晰度，得到復(fù)雜介質(zhì)條件下待評(píng)價(jià)地震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)成像的垂向清晰度。

主瓣寬度內(nèi)所有點(diǎn)的振幅值的平方和比上整個(gè)數(shù)值切片內(nèi)所有點(diǎn)的振幅值的平方和就是主瓣占幅比，它能夠反映地震成像的垂向清晰度，計(jì)算公式為：

式中，A(x_i)為數(shù)值切片內(nèi)各點(diǎn)的振幅值，x_i是數(shù)值切片的橫坐標(biāo)，i＝1,2,...,n，n為該數(shù)值切片內(nèi)的點(diǎn)的總數(shù)。

如圖3所示，為某三維觀測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜介質(zhì)情況下的共聚焦分辨率計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，應(yīng)用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜介質(zhì)下的垂向分辨率的準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而描述地震觀測(cè)系統(tǒng)的成像特性，對(duì)采集設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

6)根據(jù)得到的該地震觀測(cè)系統(tǒng)在地下目標(biāo)點(diǎn)處的垂向共聚焦結(jié)果，也即主瓣寬度以及主瓣占幅比，對(duì)該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震偏移成像進(jìn)行分析。

根據(jù)得到的主瓣寬度和主瓣占幅比對(duì)該地震觀測(cè)系統(tǒng)的地震偏移成像進(jìn)行分析。其中，主瓣寬度反映的是地震觀測(cè)系統(tǒng)在目標(biāo)點(diǎn)處的垂向成像分辨率，分辨率數(shù)值越小，說明地震成像能分辨的最小間距越小，其效果越好；否則，效果越不好。主瓣占幅比反映的是成像清晰度，主瓣占幅比數(shù)值越大，說明地震成像清晰度越高，效果越好；否則，效果越不好。也就是說，通過本發(fā)明，可以定量的得到地震觀測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜介質(zhì)情況下，目標(biāo)點(diǎn)處的成像特性，并以此來分析和指導(dǎo)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。