一种虚源地震观测系统的设计方法

摘要

本发明提供了一种虚源地震观测系统的设计方法，属于地震勘探和开发领域。本发明方法首先估算可能的最大震源间距Δxmax，然后确定震源孔径范围Lshot，并通过数值模拟利用不同的震源间距来构建相关道集，并根据其f-k谱是否具有假频来确定在地表激发的最佳震源间距，进而得到虚源地震观测系统。本发明方法为获得好的虚源构建结果提供了保障。

权利要求

1.一种虚源地震观测系统的设计方法，其特征在于：所述方法首先估算可能的最大震源间距Δxmax，然后确定震源孔径范围Lshot，并通过数值模拟利用不同的震源间距来构建相关道集，并根据其f-k谱是否具有假频来确定在地表激发的最佳震源间距，进而得到虚源地震观测系统；

所述方法包括以下步骤：

(S1)，根据已有的地质地球物理资料，建立研究区的速度模型；

(S2)，建立初始观测系统；

(S3)，地震波场模拟：将步骤(S1)建立的速度模型和步骤(S2)建立的初始观测系统输入到声波或弹性波模拟软件，得到合成地震记录；

(S4)，虚源构建：抽取不同震源间距的合成地震记录，利用公式(1)进行虚源构建，得到所有相关道集DAB(t)；

式中，SIB(t)表示检波器B记录的第I个震源激发的地震道，SIA(-t)表示检波器A接收的来自震源I的逆时波场，*表示褶积，N表示炮点数；

(S5)，对步骤(S4)得到的所有相关道集进行f-k谱分析，得到最优的观测系统参数，即得到虚源地震观测系统；其中，所述步骤(S2)包括以下步骤：

(S21)，根据地质任务，确定井中的接收排列，所述接收排列是指各个检波器的数量、相邻两个检波器之间的间距和各个检波器的埋置深度；

(S22)，利用公式(2)估算可能的最大震源间距Δxmax：

其中，fmax是最大频率、p是f-k谱中的斜率；

利用公式(3)确定震源孔径范围Lshot：

Lshot＝x2-x1+2nLf     (3)其中，n为菲涅尔宽度的倍数，是正整数，Lf为菲涅尔宽度，x1是接收排列中的第一个检波器稳相位位置，x2是接收排列中的最后一个检波器的稳相位位置；

(S23)，将震源间距Δx的初始值设为最大震源间距Δxmax的八分之一或更小，至此就完成了初始观测系统的建立。

2.根据权利要求1所述的虚源地震观测系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(S5)具体如下：对步骤(S4)得到的所有相关道集进行f-k谱分析，找出与没有假频的f-k谱对应的震源间距，如果没有假频的f-k谱对应多个震源间距，则选择其中最大的震源间距作为最佳的震源间距；

如果所有相关道集的f-k谱全具有假频，则将菲涅尔宽度的倍数加1，即n＝n+1，然后重复步骤(S21)和步骤(S22)后，将震源间距Δx设为上一次震源间距Δx的二分之一，然后重复步骤(S3)至(S5)，直至没有假频存在，获得最优的观测系统参数，包括震源间距和震源孔径。

说明书

一种虚源地震观测系统的设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于地震勘探和开发领域，具体涉及一种虚源地震观测系统的设计方法。

背景技术

[0002] 虚源法地震技术是针对近地表复杂区域的油气勘探与开发而提出的一种新的地震勘探技术，是为了在不知道上覆岩层速度和近地表变化的情况下，对复杂和随时间变化的上覆岩层的下部进行成像和监测。因此，该方法在近地表复杂区高陡构造成像以及油气藏监测等方面，有良好的应用前景。

[0003] 虚源法理论表明：如果一对给定的接收器记录震源位于围绕这两个接收器的一个封闭面上激发的波场(如图1所示，震源位于围绕两个接收器(A和B)的一个封闭面上。)，那么，这两个接收器之间的真实脉冲响应DAB(t)(即格林函数)，可通过该对接收器记录的波场进行互相关运算并对所有震源求和来获得，即：

[0004]

[0005] 式中，SIB(t)表示检波器B记录的第I个震源激发的地震道，SIA(-t)表示检波器A接收的来自震源I的逆时波场，*表示褶积，N表示炮点数。

[0006] 但是，这在实际观测上是不可能实现的，通常采用地表激发井中(可以是水平井、斜井或垂直井)接收的观测方式，即将地震检波器置于最复杂上覆介质的下部，如图2的左图所示，在地表激发，井中检波器记录通过不均匀近地表(三角形箭头)的下行波和深层反射波(实心箭头)，其类似于VSP观测。利用公式(1)，在共炮点道集将某对接收器记录的波场相关，并对所有震源的相关结果(即相关道集，是震源位置的函数)求和，即获得该对接收点之间的地震响应，虚源构建后的观测系统如图2的右图所示，其类似于地面资料，其消除了近地表复杂调节对波场的投射影响。

[0007] 可见，虚源地震技术中采用的观测方式，并不能满足其理论上的要求，且将导致在虚源构建过程中出现虚假信号。因此，虚源地震观测系统设计在虚源地震技术中扮演着关键角色，直接影响虚源构建的成功与否。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种虚源地震观测系统的设计方法，为获得好的虚源构建结果，提供了保障。

[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0010] 一种虚源地震观测系统的设计方法，所述方法首先估算可能的最大震源间距Δxmax，然后确定震源孔径范围Lshot，并通过数值模拟利用不同的震源间距来构建相关道集，并根据其f-k谱是否具有假频来确定在地表激发的最佳震源间距，进而得到虚源地震观测系统。

[0011] 所述方法包括以下步骤：

[0012] (S1)，根据已有的地质地球物理资料(包括测井资料等)，建立研究区的速度模型；

[0013] (S2)，建立初始观测系统；

[0014] (S3)，地震波场模拟：将步骤(S1)建立的速度模型和步骤(S2)建立的初始观测系统输入到声波或弹性波模拟软件，得到合成地震记录；

[0015] (S4)，虚源构建：抽取不同震源间距的合成地震记录，利用公式(1)进行虚源构建，得到所有相关道集DAB(t)；

[0016]

[0017] 式中，SIB(t)表示检波器B记录的第I个震源激发的地震道，SIA(-t)表示检波器A接收的来自震源I的逆时波场，*表示褶积，N表示炮点数；

[0018] (S5)，对步骤(S4)得到的所有相关道集进行f-k谱分析，得到最优的观测系统参数，即得到虚源地震观测系统。

[0019] 所述步骤(S2)包括以下步骤：

[0020] (S21)，根据地质任务，确定井中的接收排列，所述接收排列是指各个检波器的数量、相邻两个检波器之间的间距和各个检波器的埋置深度；

[0021] (S22)，利用公式(2)估算可能的最大震源间距Δxmax：

[0022] pfmax≤kN或

[0023] 其中，fmax是最大频率、p是f-k谱中的斜率；

[0024] 利用公式(3)确定震源孔径范围Lshot：

[0025] Lshot＝x2-x1+2nLf                (3)

[0026] 其中，n为菲涅尔宽度的倍数，是正整数，Lf为菲涅尔宽度，x1是接收排列中的第一个检波器稳相位位置，x2是接收排列中的最后一个检波器的稳相位位置；

[0027] (S23)，将震源间距Δx的初始值设为最大震源间距Δxmax的八分之一或更小，至此就完成了初始观测系统的建立。

[0028] 所述步骤(S5)具体如下：

[0029] 对步骤(S4)得到的所有相关道集进行f-k谱分析，找出与没有假频的f-k谱对应的震源间距，如果没有假频的f-k谱对应多个震源间距，则选择其中最大的震源间距作为最佳的震源间距；

[0030] 如果所有相关道集的f-k谱全具有假频，则将菲涅尔宽度的倍数加1，即n＝n+1，然后重复步骤(S21)和步骤(S22)后，将震源间距Δx设为上一次震源间距Δx的二分之一，然后重复步骤(S3)至(S5)，直至没有假频存在，获得最优的观测系统参数，包括震源间距和震源孔径。

[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：数值试验表明：本发明方法为获得好的虚源构建结果提供了保障。

附图说明

[0032] 图1是虚源法的理论示意图。

[0033] 图2是虚源法试验的示意图。

[0034] 图3是本发明虚源地震观测系统设计方法的步骤框图。

[0035] 图4a是稳相位理论对相关道集的解释中的稳相位理论示意图。

[0036] 图4b是稳相位理论对相关道集的解释中的相关道集的示意图。

[0037] 图5a是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的散射体模型及其观测系统(地表激发井中接收)。

[0038] 图5b-1是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的地表激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第1炮共炮点道集。

[0039] 图5b-2是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的地表激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第101炮共炮点道集。

[0040] 图5b-3是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的地表激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第201炮共炮点道集。

[0041] 图5c-1是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的井中激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第1炮共炮点道集。

[0042] 图5c-2是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的井中激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第26炮共炮点道集。

[0043] 图5c-3是散射体模型的观测系统及其2D声波波场模拟结果中的井中激发井中接收的有限差分2D声波波场模拟记录中的第51炮共炮点道集。

[0044] 图6-1是散射体模型的共虚源道集中的第1炮共虚源道集。

[0045] 图6-2是散射体模型的共虚源道集中的第26炮共虚源道集。

[0046] 图6-3是散射体模型的共虚源道集中的第51炮共虚源道集。

具体实施方式

[0047] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0048] 本发明方法用到的原理如下：

[0049] (1)最大允许震源间距的确定：为防止空间假频，最大允许震源间距Δxmax(或Nyquist波数)、最大频率fmax、和f-k谱中的斜率p间的关系应满足如下条件：

[0050] pfmax≤kN或

[0051] 可见，最大允许震源间距随最大频率和相关道集中反射波同相轴最大斜率的增大而减小。研究表明：相关道集中反射波同相轴的最大斜率则依赖于介质速度、接收器深度、反射界面深度以及入射和反射角度。为简单起见，在确定最大允许震源间距时，可取p＝1。

[0052] (2)震源孔径的确定原则：稳相位理论(如图4a所示)表明：对于所有的地表震源，只有震源0，到接收点A和B具有共同的射线路径OA，因此，接收器记录相关后，它是所有其它震源出发至接收点A和B记录相关后走时tAB最小的，并对应于相关道集(如图4b所示)中反射波同相轴的时间极小值即为箭头处，称为稳相位点，对叠加贡献最大，并可解释为虚源在A处激发B处接收的反射响应。在该点菲涅尔带内的相关道，其叠加将相长，而不在菲涅尔带内的相关道，其叠加将相消。因此，对于要构建的每一个虚源，其对应的静相位点必须位于地表的激发范围之内。因此，根据这一理论，震源孔径可通过接收排列首尾接收器的稳相位位置x1和x2来确定，即：震源孔径范围

[0053] Lshot＝x2-x1+2nLf            (3)

[0054] 式中，n为正整数，Lf为菲涅尔宽度。

[0055] 图3为本发明方法的步骤框图，具体包括以下步骤：

[0056] (a)收集研究区域已有的地质和地球物理资料，建立起速度模型(根据可以得到的已有的关于研究区的速度等资料，人工建立。)，所述速度模型包括速度和反射面深度；

[0057] (b)初始观测系统建立：

[0058] 首先，根据地质任务，确定井中接收排列(检波器的数量、间距和埋置深度)；

[0059] 其次，利用公式(2)估算可能的最大震源间距Δxmax(p＝0)，利用公式(3)确定震源孔径范围Lshot(n＝1)；

[0060] 最后，为了优选最佳的震源间距，根据已有经验，可将震源间距Δx暂定为最大震源间距的八分之一或更小。

[0061] (c)波场模拟：利用声波或弹性波模拟软件，得到合成地震记录；

[0062] (d)虚源构建：抽取不同震源间距的合成地震记录(比如第一次用的是所有的炮点记录，第二次用的是隔炮的合成记录，第三次用的是隔二个炮点的合成记录。)，利用公式(1)进行虚源构建，以得到其相应的相关道集；

[0063] (e)相关道集的f-k谱分析：对上述得到的所有相关道集进行f-k谱分析，找出与没有假频(根据Nyquist波数范围之外的波数在f-k谱中是否被折回来判断是否有假频的f-k谱，如果折回就代表有假频，反之没有假频。)的f-k谱相对应的震源间距，如果有多个震源间距满足，则选择较大的震源间距，即为最佳的震源间距；

[0064] 如果所有相关道集的f-k谱全具有假频，则增加震源孔径(n＝2)，震源间距设为上一次的二分之一，重复(c)和(e)，直至没有假频存在。

[0065] 本发明的一个实施例如下：

[0066] 根据发明内容所述，进行了数学模型的虚源重构试验处理，分述如下：

[0067] (1)复杂近地表模型试验：

[0068] 在近地表(10m～90m)中增加了433个散射体，其速度随机地为300～2100m/s，大小约2～8m不等，如图5a所示。采用的波场模拟参数也与水平层状模型的一致，其波场模拟结果如图5b-1至图5b-3所示。从图中可以看到，虽然直达波清晰可见，但是，来自二个反射界面的一次反射波难于识别，这是因为受到被散射体的绕射波及散射体之间的多次反射波所干扰。为了对比，进行了与虚源构建后相同观测系统的波场正演模拟，其波场模拟结果如图5c-1至图5c-3所示。

[0069] 虚源构建后的虚源道集如图6-1至图6-3所示。与图5c-1至图5c-3的有限差分2D声波波场模拟比较，可以看到：(1)来自二个反射界面的一次反射波更加清晰可辨。(2)消除了大部分来自近地表散射体的绕射波，但仍有残留。

[0070] 本发明针对虚源地震技术中的关键问题，即虚源地震观测系统设计，首先，利用最大允许震源间距公式，估算可能的最大震源间距，利用稳相位理论确定大致的震源孔径范围。其次，通过数值模拟，利用不同的震源间距来构建相关道集，并根据其频率波数谱(f-k谱)是否具有假频，来确定在地表激发的最佳震源间距和震源间距。数值试验表明：这一虚源地震技术流程中的观测系统设计，为获得好的虚源构建结果，提供了保障。

[0071] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。