一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，其包括以下步驟：1）利用普通射線追蹤的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤，獲取射線路徑和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；2）利用高斯射線束進(jìn)行動(dòng)力學(xué)追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征；3）在頻域進(jìn)行合成地震記錄。由于頻率域進(jìn)行合成地震記錄可以考慮基于Futterman方程的衰減算法，可以考慮基于頻率的格林函數(shù)，也可以考慮耦合射線理論的弱各向異性模型，所以可以較常規(guī)方法更加精細(xì)的描述地震波場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特征，使利用射線理論合成的地震記錄接近于波動(dòng)理論的精度。本發(fā)明可以方便地計(jì)算射線振幅、相位移等信息，可有效地應(yīng)用于合成記錄制作、保幅疊前深度偏移、波形層析反演等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油地球物理勘探領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地震波場(chǎng)數(shù)值模擬經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已經(jīng)取得了大量的研究成果，主要包括兩大類，即波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法和射線理論正演方法。波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法能夠揭示波在介質(zhì)中傳播的振幅、頻率、相位變化，真實(shí)地反映出波的動(dòng)力學(xué)特征，是進(jìn)行波場(chǎng)研究的有效手段，但是占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)多，有時(shí)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的情況亦難于研究。射線理論正演方法根據(jù)模型結(jié)構(gòu)及速度變化，追蹤地震波在地下介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡及波經(jīng)過(guò)速度界面發(fā)生反射、透射變化，并通過(guò)計(jì)算波場(chǎng)擴(kuò)散、透射系數(shù)、反射系數(shù)等波的能量損失和相位變化近似模擬波場(chǎng)特征，射線理論正演方法主要用于研究波傳播的軌跡、反射點(diǎn)的分布、波場(chǎng)的分布范圍等波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，也是進(jìn)行層析反演的基礎(chǔ)。目前射線追蹤可以分為運(yùn)動(dòng)學(xué)射線追蹤和動(dòng)力學(xué)射線追蹤兩類。運(yùn)動(dòng)學(xué)射線追蹤需要計(jì)算射線路徑、波前面、走時(shí)信息，動(dòng)力學(xué)射線追蹤在此基礎(chǔ)上還需要計(jì)算射線振幅、相位移等信息。運(yùn)動(dòng)學(xué)射線追蹤是動(dòng)力學(xué)射線追蹤的基礎(chǔ)。射線追蹤方法在地球物理層析成像中有著極其重要的作用，它是研究介質(zhì)任意速度分布情況下地震波傳播問(wèn)題的有效方法之一。射線追蹤的路徑精度和追蹤計(jì)算的速度直接決定著成像的質(zhì)量和計(jì)算速度。因此，研究快速而精確的射線追蹤方法，對(duì)于層析成像問(wèn)題來(lái)說(shuō)有著特別重要的實(shí)際意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的眾多求解射線路徑和走時(shí)的方法中，傳統(tǒng)的方法為射線級(jí)數(shù)解法，此方法是由美國(guó)的Karal與Keller(1959)將電磁學(xué)的研究成果引入彈性波領(lǐng)域、并導(dǎo)出彈性動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程的射線級(jí)數(shù)解的過(guò)程中率先提出的，它是漸近射線法的前身。近年來(lái)發(fā)展了程函方程法、波前重建法、最短路徑法、模擬退火法、遺傳算法等新方法?，F(xiàn)有技術(shù)中的射線追蹤的具體方法很多，通常使用試射法(打靶法)、彎曲法和波前法，其中，試射法利用Snell定律確定射線路徑和接收點(diǎn)，不斷的調(diào)整射線的入射角，使射線出射位置與檢波點(diǎn)之間不斷靠近，最終滿足給定的精度要求為止，從而實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的射線追蹤計(jì)算，是解決兩點(diǎn)追蹤問(wèn)題的一種重要方法。試射法需要嘗試多次初始試射，通過(guò)不斷迭代修改射線入射角來(lái)獲得準(zhǔn)確的射線路徑，比較耗時(shí)，在三維情況下尤為突處。彎曲法是固定源點(diǎn)和接收點(diǎn)，基于最小射線旅行時(shí)的Fermat原理通過(guò)多次迭代得到正確的射線路徑，對(duì)一般介質(zhì)，彎曲法其實(shí)是求解非線性最優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算過(guò)程中有時(shí)會(huì)陷入局部收斂，得到非全局的最優(yōu)解。試射法與彎曲法都可以求解模型多路徑走時(shí)，通常用于走時(shí)層析成像、合成記錄制作等方面。波前法，基于惠更斯(Huygens-Fresnel)原理,地震波在傳播過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)波陣面，波陣面作為新的震源發(fā)射射線，經(jīng)過(guò)多個(gè)次級(jí)源，最終傳播到檢波點(diǎn)，首先要把介質(zhì)劃分成許多網(wǎng)格點(diǎn)，要求射線必須經(jīng)過(guò)這些網(wǎng)格點(diǎn)，源點(diǎn)和檢波點(diǎn)也分別處于網(wǎng)格點(diǎn)上，射線從源點(diǎn)所處的網(wǎng)格點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)由各網(wǎng)格點(diǎn)以最小走時(shí)到達(dá)檢波點(diǎn)，射線經(jīng)過(guò)的這些網(wǎng)格點(diǎn)就形成了最小走時(shí)射線路徑，當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，計(jì)算量也將成比例增加。[0004]20世紀(jì)90年代初隨著疊前深度偏移逐漸實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，上述幾種方法的很多缺陷也逐漸暴露出來(lái),主要有:①難于處理介質(zhì)中速度變化劇烈的情況；②求取多值走時(shí)中的全局最小走時(shí)困難；③計(jì)算效率較低；④陰影區(qū)和復(fù)雜構(gòu)造區(qū)射線覆蓋密度低。因此，近十幾年來(lái)射線追蹤方法主要圍繞上述問(wèn)題進(jìn)行工作。Vidale (1988，1990)和Podvin等人(1991)則從程函方程出發(fā)，通過(guò)先求出時(shí)間場(chǎng)分布再計(jì)算時(shí)間場(chǎng)的最快下降方向的辦法，得到每一接收點(diǎn)到震源的射線路徑。隨后，Qin等人(1992)對(duì)Vidale(1988)的方法作了改進(jìn)，提出了波前擴(kuò)展方法，該方法雖然減少了原方法的不穩(wěn)定性，但是卻使計(jì)算量巨增。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，能夠獲得精細(xì)的動(dòng)力學(xué)波場(chǎng)信息。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，其包括以下步驟:1)利用普通射線追蹤的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤，獲取射線路徑和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，即根據(jù)地震波的傳播規(guī)律確定地震波在實(shí)際地層中傳播的射線路徑；2)利用高斯射線束進(jìn)行動(dòng)力學(xué)追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征；3)在頻域進(jìn)行合成地震記錄的計(jì)算，具體過(guò)程為:3.1)對(duì)于某一種類型的波，計(jì)算從震源開(kāi)始，由射線參數(shù)ft = !'AplJ = OJX…,N ,規(guī)定的充分密集的射線系統(tǒng)，并從初值或兩點(diǎn)射線追蹤及動(dòng)態(tài)射線追蹤的結(jié)果中取出與每一射線相應(yīng)的量A(0S)、q(0s)、p(0s)、V(Os)并確定其中，A(Os)是射線Os處的復(fù)值振幅因子，q (Os)和p(0s)是射線在Os處的方向因子，控制反射和透射波的傳播方向，V(Os)射線在Os處的速度，tKf,)是高斯射線的權(quán)函數(shù)；3.2)對(duì)同一條中心射線分別確定不同檢波點(diǎn)S處的射線中心坐標(biāo)(s，η)，同時(shí)確定相因子T(S，Os)，并取其實(shí)部和虛部；3.3)給定頻率間隔Λ f，在某一頻率范圍f1-f2內(nèi)計(jì)算相應(yīng)與時(shí)間Re[T(S，Os)]的離散頻譜，并儲(chǔ)存在數(shù)組中；3.4)在3.2)做完后，得到的是某一高斯射線束對(duì)所有有關(guān)檢波點(diǎn)的貢獻(xiàn)，分別以離散頻譜的形式儲(chǔ)存在有關(guān)各道中，然后返回到步驟3.1)中計(jì)算另一高斯射線束對(duì)各道的貢獻(xiàn)，把結(jié)果疊加起來(lái)，直至同一種基波高斯射線束作完；接著再計(jì)算進(jìn)行另一種基波的波場(chǎng)，直到把所有的基波高斯射線束都作完，所得的是各道反射系數(shù)序列在頻域中的結(jié)果，以離散譜的形式儲(chǔ)存于各道中；3.5)在所有基波高斯射線束作完后，輸入時(shí)間信號(hào)；3.6)根據(jù)輸入信號(hào)的形式，以等時(shí)間間隔At在某一時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行取樣，得到離散時(shí)間信號(hào)，進(jìn)行快速傅氏變換后得到信號(hào)離散頻譜；3.7)將步驟3.6)中的信號(hào)離散頻譜分別與步驟3.3)中各道反射系數(shù)序列中的離散頻譜相乘后，再進(jìn)行反傅氏變換IFFT，得到時(shí)域形式的合成地震記錄。
[0007]所述步驟2)包括以下步驟:2.1)通過(guò)射線追蹤計(jì)算沿射線的旅行時(shí)；2.2)確定射線的偏振矢量；2.3)利用動(dòng)態(tài)射線追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征；2.4)確定復(fù)矢量方向上的振幅衰減；2.5)確定焦散量。
[0008]所述步驟3.5)中輸入信號(hào)的形式采用Gabor信號(hào)、Berlage信號(hào)、Muler信號(hào)和Ricker信號(hào)中的一種。
[0009]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)明首先利用普通射線追蹤的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤 ，獲取射線路徑和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；然后利用高斯射線束進(jìn)行動(dòng)力學(xué)追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征；最后在計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征的基礎(chǔ)上在頻率域進(jìn)行合成地震記錄的計(jì)算，由于頻率域進(jìn)行合成地震記錄可以考慮基于Futterman方程的衰減算法,可以考慮基于頻率的格林函數(shù)，也可以考慮耦合射線理論的弱各向異性模型，所以與常規(guī)方法相比能夠更加精細(xì)的描述地震波場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特征，使利用射線理論合成的地震記錄接近于波動(dòng)理論的精度。2、本發(fā)明利用經(jīng)典的旁軸射線追蹤系統(tǒng)或者動(dòng)力學(xué)射線追蹤系統(tǒng)，可以方便地計(jì)算射線振幅、相位移等信息，有效地應(yīng)用于合成記錄制作、保幅疊前深度偏移、波形層析反演等領(lǐng)域，對(duì)于模型中存在焦散和陰影的情況，可以用它的改進(jìn)形式-高斯束射線理論來(lái)計(jì)算異常波場(chǎng)區(qū)的振幅。3、目前，波動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值解法分為兩大類，一類是以彈性波動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值解為基礎(chǔ)的直接求解方法，如有限差分法、有限元法等，另一類是以不均勻介質(zhì)波動(dòng)方程取高頻近似為基礎(chǔ)的近似求解的射線方法，兩者相比，前者模擬的波場(chǎng)較完整、精度高，適合于尺度小于優(yōu)勢(shì)波場(chǎng)的介質(zhì)模型，但是往往需要大型計(jì)算機(jī)，并且要耗費(fèi)往往使人難以忍受的計(jì)算時(shí)間，且波場(chǎng)復(fù)雜，不便于識(shí)別和解釋。波動(dòng)方程取高頻近似的射線法盡管不如波動(dòng)方程解精確，但是適合于尺度大于優(yōu)勢(shì)波長(zhǎng)的模型，且解法速度快，波場(chǎng)易于識(shí)別和解釋。本發(fā)明是在常規(guī)射線追蹤的進(jìn)一步發(fā)展，研究表明常規(guī)的旁軸射線追蹤并非完美無(wú)缺，在用于復(fù)雜模型時(shí)，仍然遇到困難，比如焦散區(qū)、陰影區(qū)等非正則區(qū)域，旁軸射線追蹤法將失效，其次，旁軸射線追蹤常常需要做麻煩的兩點(diǎn)射線追蹤，計(jì)算效率低。本發(fā)明是在動(dòng)態(tài)射線追蹤的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在求解動(dòng)態(tài)射線追蹤方程組時(shí)，在求解中心射線的幾何擴(kuò)展的同時(shí)，還可以求取中心射線鄰近點(diǎn)上的旅行時(shí)、旅行時(shí)二階導(dǎo)數(shù)、幾何擴(kuò)展和射線振幅，同時(shí)追蹤和確定中心射線鄰近的其它射線的位置，在中心射線坐標(biāo)系下，將彈性波動(dòng)力學(xué)波動(dòng)方程取高頻近似化為拋物線方程，導(dǎo)出動(dòng)態(tài)射線追蹤方程和傳輸方程，對(duì)拋物線方程取時(shí)間調(diào)和解得到高斯射束，將高頻地震波場(chǎng)展開(kāi)或分解成高斯射束系統(tǒng)表示的波場(chǎng)。高斯射束近似于旁軸近似射線理論相比的主要優(yōu)點(diǎn)是:一是可以消除焦散區(qū)等失效區(qū)的奇異性，二是可以避開(kāi)兩點(diǎn)射線追蹤，大大提高計(jì)算效率。在高斯束射線追蹤計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，在頻率域考慮基于Futterman方程的衰減算法,基于頻率的格林函數(shù),實(shí)現(xiàn)考慮耦合射線理論的弱各向異性模型，所以與常規(guī)方法相比能夠更加精細(xì)的描述地震波場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特征，使利用射線理論合成的地震記錄接近于波動(dòng)理論的精度。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于合成記錄制作、保幅疊前深度偏移、波形層析反演等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明的觀測(cè)系統(tǒng)及射線路徑示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的Z分量合成地震記錄(P波)；
[0012]圖3是本發(fā)明的X2分量合成地震記錄(P波)；
[0013]圖4是本發(fā)明的Z分量合成地震記錄(P + SV波)；
[0014]圖5是本發(fā)明的X2分量合成地震記錄(P + SV波)；
[0015]圖6是本發(fā)明的Z分量合成地震記錄(P + SV+多次直達(dá)波)；
[0016]圖7是本發(fā)明的X2分量合成地震記錄(P + SV+多次直達(dá)波)；
[0017]圖8是本發(fā)明的三維射線路徑顯示示意圖；
[0018]圖9是本發(fā)明的非零偏不同波場(chǎng)類型的射線路徑顯示示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019]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。
[0020]如圖1~9所示，本發(fā)明的基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，包括以下步驟:
[0021]1、利用普通射線追蹤的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤，獲取射線路徑和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，即根據(jù)地震波的傳播規(guī)律確定地震波在實(shí)際地層中傳播的射線路徑。
[0022]在地震學(xué)中，有兩類地震射線追蹤問(wèn)題:一類是一點(diǎn)射線追蹤，即已知射線初始點(diǎn)(源點(diǎn))和初始出射方向，求解地震波的傳播路徑，又叫初值射線追蹤問(wèn)題；另一類是兩點(diǎn)射線追蹤，即已知射線初始點(diǎn)(源點(diǎn))和另一個(gè)觀察點(diǎn)(接收點(diǎn))的位置，射線初始出射方向未知，求解兩點(diǎn)之間的射線路徑。本發(fā)明的射線追蹤既需要研究初值射線追蹤，也需要研究?jī)牲c(diǎn)射線追蹤。
[0023]由程函方程可以導(dǎo)出射線追蹤方程:
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，其包括以下步驟: 1)利用普通射線追蹤的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)追蹤，獲取射線路徑和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，即根據(jù)地震波的傳播規(guī)律確定地震波在實(shí)際地層中傳播的射線路徑； 2)利用高斯射線束進(jìn)行動(dòng)力學(xué)追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征； 3)在頻域進(jìn)行合成地震記錄的計(jì)算，具體過(guò)程為: 3.1)對(duì)于某一種類型的波，計(jì)算從震源開(kāi)始，由射線參數(shù)Λ =IhfiJ = m'N，規(guī)定的充分密集的射線系統(tǒng)，并從初值或兩點(diǎn)射線追蹤及動(dòng)態(tài)射線追蹤的結(jié)果中取出與每一射線相應(yīng)的量A(Os)、q (Os) ,P(Os)、V (Os)并確定.#,)?其中^(03)是射線Os處的復(fù)值振幅因子，q(0s)和p(0s)是射線在Os處的方向因子，控制反射和透射波的傳播方向，V(Os)射線在Os處的速度，Φ(?)是高斯射線的權(quán)函數(shù)； 3.2)對(duì)同一條中心射線分別確定不同檢波點(diǎn)S處的射線中心坐標(biāo)(s，η)，同時(shí)確定相因子T (S，Os)，并取其實(shí)部和虛部； 3.3)給定頻率間隔Λ f，在 某一頻率范圍f1-f2內(nèi)計(jì)算相應(yīng)與時(shí)間Re [T (S，Os)]的離散頻譜，并儲(chǔ)存在數(shù)組中； 3.4)在3.2)做完后，得到的是某一高斯射線束對(duì)所有有關(guān)檢波點(diǎn)的貢獻(xiàn)，分別以離散頻譜的形式儲(chǔ)存在有關(guān)各道中，然后返回到步驟3.1)中計(jì)算另一高斯射線束對(duì)各道的貢獻(xiàn)，把結(jié)果疊加起來(lái)，直至同一種基波高斯射線束作完；接著再計(jì)算進(jìn)行另一種基波的波場(chǎng)，直到把所有的基波高斯射線束都作完，所得的是各道反射系數(shù)序列在頻域中的結(jié)果，以離散譜的形式儲(chǔ)存于各道中； 3.5)在所有基波高斯射線束作完后，輸入時(shí)間信號(hào)； 3.6)根據(jù)輸入信號(hào)的形式，以等時(shí)間間隔At在某一時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行取樣，得到離散時(shí)間信號(hào)，進(jìn)行快速傅氏變換后得到信號(hào)離散頻譜； 3.7)將步驟3.6)中的信號(hào)離散頻譜分別與步驟3.3)中各道反射系數(shù)序列中的離散頻譜相乘后，再進(jìn)行反傅氏變換IFFT，得到時(shí)域形式的合成地震記錄。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，其特征在于:所述步驟2)包括以下步驟: 2.1)通過(guò)射線追蹤計(jì)算沿射線的旅行時(shí)； 2.2)確定射線的偏振矢量； 2.3)利用動(dòng)態(tài)射線追蹤，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)特征； 2.4)確定復(fù)矢量方向上的振幅衰減； 2.5)確定焦散量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于三維高斯束射線追蹤和頻率域合成地震記錄方法，其特征在于:所述步驟3.5)中輸入信號(hào)的形式采用Gabor信號(hào)、Berlage信號(hào)、Muler信號(hào)和Ricker信號(hào)中的一種。
【文檔編號(hào)】G01V1/24GK103675894SQ201310721994
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】李緒宣, 劉洋, 胡光義, 范廷恩, 宋煒, 江南森, 高云峰, 周建楠, 馬淑芳, 董建華 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司, 中海油研究總院, 中國(guó)石油大學(xué)(北京)