（地球探测与信息技术专业论文）斜井vsp速度分析与成像方法研究.pdf

摘要 垂直地震剖面( v s p ) 是一种井中观测的地震勘探方法。与常规的地面地震勘探方法 相比，v s p 资料具有较高的信噪比和分辨率，波的运动学和动力学特征更加明显。v s p 技术可以为地面地震资料处理解释提供精确的时深转换关系及速度模型。因此，v s p 技 术被广泛应用于油气勘探领域。 经典v s p 技术主要是针对直井的，但是随着v s p 技术的不断发展，出现了多种v s p 技术，如w a l k w a yv s p 、逆脚、三维v s p 等，但从井的斜度来分类，主要包括直井 v s p 和斜井v s p 技术，由于斜井v s p 与石油勘探开发的结合更加紧密，越来越受到重 视。 传统的速度分析方法主要是基于下行直达波走时的，这些方法先天的缺陷在于只能 求取最深检波点以上地层的速度，对于求取最深检波点以下地层速度比较困难。本论文 引入的基于双曲线校正的速度分析方法是利用上行反射波来估算速度的一种方法，由于 它利用了反射波所携带的信息，所以解决了最深检波点以下的反射地层速度。它的基本 思想是将v s p 记录校正到地面一地面接收记录后，按地面地震速度扫描的思路来获取地 层的均方根速度，在转换过程中采用了二阶近似。对于水平地层，所求取的速度对应着 地层的均方根速度，这个速度与地面地震的叠加速度相对应，有机地将v s p 与地面地震 结合起来。 基于直井的v s p c d p 成像方法同样适用于斜井v s p ，只是在成像的时候考虑井斜因 素。传统的v s p c d p 成像方法是w y a t t 于1 9 8 1 年提出的一种v s p 成像方法，它是利用 已知的速度模型在一定约束条件下进行射线追踪，求取反射点的分布，最后成像，该方 法的关键在于速度的精度，速度越准，成像效果越好。基于双曲线校正的面元叠加方法 是一种自适应的成像方法，它在求取速度的同时可以成像，通过人机交互，能够获得较 好的成像效果。 本文首先利用射线追踪方法合成不同模型的理论斜井v s p 记录，在此基础上，实现 了常规的速度分析方法和v s p c d p 成像方法，编写了基于双曲线校正的交互速度拾取软 件，实现了自适应的面元叠加方法。通过理论数据和实际数据的试算，得到了较好的应 用效果。 关键词：斜井v s p ，速度分析，成像方法，v s p c d p ，双曲线校正 a b s t r a c t v s pi sam e t h o do fs e i s m i ce x p l o r a t i o nw h i c ho b s e r v ei naw e l l c o m p a r i n g 、j ，i t l lt h e c o n v e n t i o n a ls e i s m i cs u r v e ym e t h o d s ，v s ph a st h eh i g h e rs na n dr e s o l u t i o n a n dt h ef e a t u r e o fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fw a v ei sm o r ee v i d e n t m o r e o v e r , v s pc a np r o v i d ea c c u r a t e t i m e - d e p t hc o n v e r s i o na n dv e l o c i t ym o d e lf o rp r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t i n go fs e i s m i cd a t a s o t h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di np e t r o l e u me x p l o r a t i o n t h ec o n v e n t i o n a lv s pa i m e da tv e r t i c a lw e l lp r i m a r i l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h i s t e c h n o l o g y , t h e r ea r eav a r i e t yo fv s pt e c h n o l o g y ，s u c ha sw a l k w a yv s p , o p p o s i t ev s p a n d 3 dv s eb u tv s pt e c h n o l o g yi n c l u d e sv e r t i c a lw e l l sv s pa n dd e v i a t e dv s pi fi ti ss o r t e db y t h eg r a d i e n to fw e l l s d e v i a t e dv s pi sa t t r a c t i n go u rm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s ei ti s m o r et i g h t l yc o m b i n e dw i t hp r a c t i c et h a nv e r t i c a lw e l l sv s e t h ec o n v e n t i o n a lv e l o c i t ya n a l y s i si sm a i n l yb a s e do nt h ef i r s tb r e a kt i m e t h ed e f e c t so f t h e s em e t h o d sa r et h a ti tc a no n l yg e tt h ed e e p e s ts t r a t aa b o v et h er a t eo fd e t e c t i o n b u ti ti s p o w e r l e s st og e tt h ed e e p e s tp o i n to ft h ef o l l o w i n gg r o u n ds p e e dd e t e c t i o n t h ev e l o c i t y a n a l y s i sm e t h o dw eb r o u g h t ，w h i c hi sb a s e do nh y p e r b o l i cc o r r e c t i o ni sa m e t h o dj u s tu s i n g t h er e f l e c t e dw a v ee s t i m a t ev e l o c i t y d u et ot h ei n f o r m a t i o nt h er e f l e c t e dw a v ec o n t a i n e d ，i t h a v er e s o l v e dd e t e c t i o np o i n tb e l o wt h ed e e p e s tf o r m a t i o nr a t eo fr e f l e c t i o n t h eb a s i ci d e ai st h a tw eg e tr m sv e l o c i t yi na c c o r d a n c ew i t l lt h ei d e ao ft h es e i s m i c v e l o c i t ys c a n n i n ga f t e rc o r r e c t i n g v s pr e c o r d st ot h eg r o u n d w eu s e das e c o n do r d e r a p p r o x i m a t i o ni nt h ec o n v e r s i o np r o c e s s i n g f o rt h ef l a tg r o u n d ，t h ev e l o c i t yw eg o ti sr m s v e l o c i t yw h i c h i sr e l a t e dt ot h es e i s m i cs t a c k i n gv e l o c i t y s oi tc o m b i n e sv s pw i t ht h es u r f a c e s e i s m i cm e t h o do r g a n i c a l l y t h ev s p c d pi m a g i n gm e t h o dw h i c hb a s e do nv e r t i c a lw e l li sa l s oa p p l i c a b l ed e v i a t e d v s p , a n dt h ed i f f e r e n c ei sw en e e dc o n s i d e rt h ed e v i a t i o nf a c t o r sw h e ni m a g i n g t h e t r a d i t i o n a lv s p c d pi m a g i n gm e t h o di sp u tf o r w a r db yw y a t ti n19 81 i ti sa l s oav s p i m a g i n gm e t h o dw h i c hi su s i n gt h ek n o w nv e l o c i t ym o d e lu n d e rs o m ec e r t a i nc o n s t r a i n t sr a y t r a c i n g ，a n do b t a i n st h ed i s t r i b u t i o no fr e f l e c t i o np o i n t s ，i m a g e sa tl a s t t h ek e yo ft h a ti s v e l o c i t y s ot h a ti s ，t h em o r ea c c u r a t ev e l o c i t yh a s ，t h eb e t t e ri ti m a g e s t h es u r f a c es t a c k b a s e do nt h er a yt r a c i n gm e t h o di sa l la d a p t i v ei m a g i n gm e t h o dw h i c hc a ni m a g e sw h e n a c q u i r i n gv e l o c i t y t h r o u g hh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，i tc a ng e tb e t t e ri m a g i n ge f f e c t s t h i sa r t i c l ef i r s t l ys y n t h e s i z e st h et h e o r yd e v i a t e dv s pr e c o r d so ft h ed i f f e r e n tm o d e l s u s i n gt h er a yt r a c i n gm e t h o d o nt h i sb a s i s ，t h i sa r t i c l eh a sa c h i e v e dt h ec o n v e n t i o n a lv e l o c i t y a n a l y s i sa n dv s p c d pi m a g i n gm e t h o d s a n dw ew r i t t e nt h ei n t e r a c t i v ev e l o c i t yp i c k i n g s o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nh y p e r b o l i cc o r r e c t i o n a tl a s t ，w eg e tb e t t e rr e s u l t sa c c o r d i n gt o t h et h e o r ya n dr e a ld a t ac a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：d e v i a t e dv s e , v e l o c i t ya n a l y s i s ，i m a g i n gm e t h o d ，v s p c d p ，h y p e r b o l i c c o r r e c t i o n 1 1 l 长安大学硕士学位论文 1 1v s p 方法综述 第一章绪论 v s p 作为一种井中观测方法，是早已广泛使用的地震测井方法的变革和发展。该方 法在地表附近激发地震波，检波器放在井孔不同的深度点上，测线沿井孔垂向分布。由 于检波器通过井置于地层内部，可同时接收上行波和下行波，这是v s p 与水平地震剖面 相比最重要的一个特点。此外，与地面地震相比，v s p 资料的信噪比高、分辨率高、波 的运动学和动力学特征明显。v s p 技术提供了地下地层结构同地面测量参数之间最直接 的对应关系，可以为地面地震资料处理解释提供精确的时深转换及速度模型，为零相位 子波分析提供支持。 由于v s p 具有这些特点，所以得到日益广泛的应用。目前，v s p 除了用于改善地面 地震剖面的解释外，还可用于测定平均速度、反褶积因子、反射系数、衰减系数等物理 参数，也可以识别多次波、改善信噪比、提高地震分辨率，从而用于提取岩性信息和研 究井孔周围细微的地质结构。由此可见，随着v s p 技术的进一步发展，其应用范围将越 来越广。 目前，v s p 技术在继续完善常规技术的基础上，已从原来的非零偏移距测量发展到 沿二维测线放炮测量的变偏移距( w a l ka w a y ) 观测方式、沿井口周围一定偏移距放炮 测量( w a l ka r o u n d ) 环形观测方式以及按地面三维地震放炮测量的三维观测方式等多种 方式。 目前来看，坯p 按震源与检波器的空间位置展布，分为以下几种【1 1 ： ( 1 ) 零偏移距v s p 零偏移距v s p 观测系统是一种最简单的观测系统，也是最传统最经典的一种观测系 统。如图1 1 所示为零偏移距v s p 观测系统示意图，检波器位于直井内，炮点在井口附 近激发。零偏移距v s p 资料处理和解释相对简单，但是却能提供准确的时深关系、速度 曲线等其它各种参数。 ( 2 ) 固定非零偏移距v s p 有偏v s p ( 二维观测) 的震源在地表附近，偏离井口( 有偏移距) ，检波器在井中。 固定非零偏移距观测系统要根据钻井或地震资料，初步确定油气储层后，为了圈定其分 第一章绪论 布范围而设计的。可根据预测模型来确定观测系统的相关参数，炮点移动可能不是等间 距的。凡是使用固定井源距观测系统的都要设置近场子波检波器。 ( 3 ) 变偏移距v s p 变( 移动) 偏移距v s p 观测系统：主要是指移动震源的观测系统，即测井检波器固 定在观测井的某一深度，而震源则以一定的间距向远方移动，如图1 2 所示。 需辫下缝震采锻一维教绚 变奠移臣v s p 图1 1 零偏移距观测系统图图1 2 变偏移距v s p 观测( w a l k - a w a y ) ( 4 ) 逆飚p 逆耀p 也称为反v s p ，是指震源在井中，检波器位于地面的观测系统。 ( 5 ) 斜井v s p 斜井v s p 观测系统是按井斜来划分的观测系统。从广义来讲，它可在地面设置多条 震源线，这相当于一个准三维观测系统，但目前研究较多的还是局限于炮点和检波点在 同一竖直平面内的观测方式。 ( 6 ) 三维v s p v s p 的三维观测系统将震源布在井中，地面布置面积型检波器排列。这种观测系统 能记录来自震源到地面检波器的直达透射纵波和横波，便于了解震源与地面之间的地层 情况，也可记录震源以下各界面的反射，用于油田开发中的注水、注气以及人工压裂等 动态监视研究，还可以用来寻找震源与地面之间有意义的地质体。 1 2 斜井v s p 研究意义 自上世纪8 0 年代我国引进脚技术以来，人们大多关注直井脚中所涉及的各种 方法，现有脚教科书基本上都以直井为基础讲述v s p 的方法原理，很少有专著直接 2 长安大学硕士学位论文 论述斜井v s p 技术。虽然斜井所涉及的方法原理大多数与直井相类似，但其也存在着特 殊性。另外，从现阶段石油钻井来看，基本上都是以斜井为主。图1 3 是我国华北某石 油勘探区所打六口井的井斜示意图，从图中可以看到，六口井都是斜井，且以直斜井为 主，也有轨迹不规则的曲斜井。因此，有必要对斜井v s p 的处理方法做更深入的研究， 这对实际生产具有很大的指导意义。此外，直井v s p 应属于斜井v s p 的一个特例，适 用于斜井v s p 的各方法技术，应该同样适用于直井v s p ，斜井v s p 的应用范围更广。 因此，无论是从工业现状还是方法技术上讲，都有必要对斜井v s p 进行更深层次的研究。 x i m ) o1 0 0 02 咖3 0 0 04 0 0 05 0 0 0 e 胃 z 4 0 图1 3 华北某油田石油勘探井井斜示意图 1 3 国内外斜井速度分析及成像方法研究现状 针对v s p 技术的研究，偏移距v s p 是目前西方在v s p 领域中研究的一个重点，自 从v s p 思想提出以后，国外发表的不少文献，主要针对v s p 资料的处理、解释中所涉 及的各个方面。在速度计算方法上，d i x 在1 9 4 5 年讨论了单一震源的直井v s p 计算层 速度的方法，于1 9 8 1 年提出利用多个偏移距v s p 记录计算均方根速度和层速度的方法； 1 9 8 2 年，d e v e n e y 给出了利用v s p 数据采用类似层析成像的解析算法计算层速度的方法； 1 9 8 4 年，s t e w a r t 利用旅行时反演的方法计算层速度，此后，利用v s p 求取速度的方法 3 第一章绪论 基本上都利用以上几种方法。这些方法基本上基于直井v s p ，但也同样适用于斜井，可 能在个别方法上存在一定的差别。 在成像方法上，叻傩于1 9 8 1 第一次提出v s p c d p 概念，讨论了v s p c d p 叠加和偏 移的处理方法，并用合成记录和野外资料做了实验，这就给偏移距v s p 处理方法提供了 理论依据。m i l l a h n 、z e r o u k 和t u f e k c i c 在1 9 8 3 年讨论了偏移距v s p 、斜井脚和移动 震源v s p 在处理方法上的统一性，并给出了一个斜井v s p 合成记录处理的例证。斜井 v s p 技术由此得到空前的发展，并与实际得到很好地结合。d i l l o n 和t h o m s o n 在1 9 8 3 年将偏移距v s p 、斜井v s p 和移动震源v s p 的资料处理和解释方法称为图像重建，对 它们进行了范围广泛的综合论述，同时也给出了几个例证，因此，我们通常也将常规 v s p c d p 成像方法称为d i l l o n 算法。斜井方面，j e g a i s e r 、i p d i s i e n a 和k j m c c o o l e 在1 9 8 3 年讨论了专门针对斜井的反射点成像方法。k o h l e r 和k o e r n i n g 在1 9 8 4 年试验 了利用k i r c h h o f f 偏移对斜井耀p 资料的成像效果，同年，c a s s e l 、a l a m 和m i l l a h n 利用 v s p c d p 的成像方法原理结合射线追踪模型技术，借助绘图终端，通过人机交互的方式， 对斜井v s p 资料进行成像，得到了很好的成像效果，这也在很大程度上推进了v s p 技 术在工业上的应用。 在国内，v s p 技术起步较国外晚。我国自从1 9 7 8 年从西方引进加尔彼林的专著垂 直地震剖面的英文译本之后，v s p 技术便开始在我国得到广泛关注。随着技术的发展， 为了满足读者要求和技术发展现状，朱光明教授于1 9 8 6 年编写了我国第一本v s p 教科 书垂直地震剖面方法，系统地介绍了v s p 方法在野外采集、资料处理和解释应 用等三方面的发展及其方法技术，这大大加快了v s p 技术在我国的发展和在工业上的应 用。最近几年，随着每年s e g 年会上v s p 论文数目的增加，国内对此项新技术的重视 也逐年增长，一方面引进推广，一方面自力更生试验，形成热潮。目前，我国和西方一 样，v s p 也是地球物理勘探中最活跃的领域之一。 在v s p 速度分析方法上，国内基本上都是采用传统经典的基于直达波初至计算速度 的方法，主要有直线法、基于射线追踪的折线法和利用旅行时反演的速度计算方法，这 些方法由于只利用了直达波的信息，所以只能解决最深检波点以上地层的相对准确的速 度，在求解最深检波点以下的地层速度存在先天的缺陷。 在v s p 成像方法上，国内基本上采用传统的v s p c d p 技术，即利用已求得的速度模 4 长安大学硕士学位论文 型进行反射波射线追踪，求取反射点的分布范围，最终进行v s p c d p 叠加。国内大多数 文献主要论述了直井v s p 的v s p c d p 叠加方法，针对斜井v s p 成像方法的文献相对较 少。虽然斜井v s p 数据在成像方法上与直井具有一致性，但是在处理斜井v s p 数据时， 由于其观测方式的多样性，导致了波场分离、速度求取等与直井v s p 数据处理存在一定 的区别，这也需要从理论上深入研究。在斜井v s p 方面，王成礼于1 9 9 2 年阐述了斜井 v s p 处理方法，较系统地讨论了斜井v s p 数据处理中遇到的问题。1 9 9 5 年，大港油田 物探公司计算中心的赵国旺和边国柱介绍了斜井v s p 数据处理流程和斜井三分量v s p 纵波处理的流程；同年，辽河石油勘探局勘探开发研究院计算所的王正国工程师发表了 定向井v s p 资料处理论文，推导了斜井v s p 资料的v s p c d p 变换公式和处理流程， 并给出了处理实例；2 0 0 4 年，中国地质大学( 武汉) 的蔡成国硕士的毕业论文研究了不同 地质模型的斜井v s p 数据处理方法，文中利用v s p c d p 技术来成像；2 0 0 8 年，徐亦鸣 讨论了斜井v s p 纵波与转换波资料的成像技术。从国内发表的论文来看，在成像方法上， 斜井v s p 处理基本上都采用常规的v s p c d p 成像技术，只是在v s p c d p 转换时考虑了 井斜因素，而v s p c d p 处理中所需要的速度基本上通过传统的速度分析方法所得。 v s p c d p 技术在成像过程中速度是关键，求取的速度越准，成像结果就越准确。利用传 统方法求取速度进行成像时，最深检波点以下的地层速度一般采用插值外推的算法来求 得，这在很大程度上只能近似接近真实速度，需要不断修改速度模型，以接近真实模型。 这样，速度模型由人工干预，难以控制，计算也比较费时。因此，需要研究一种更有利 于深部反射信息的成像方法。 基于双曲线校正算法就能解决这个问题，它能够求取最深检波点以下的地层速度， 利用求取的速度可直接用于成像，能够相对准确地满足深层反射的成像精度。这种方法 是g e o r g epm o e c k e l 、d u n c a n v i l l e 、t e x 等在1 9 8 9 年提出来的，并获得美国专利( 专利 号为：4 8 0 2 1 4 6 ) ，它利用v s p 反射波信息进行速度分析，求取地层的均方根速度，所求 取的均方根速度很好地与地面地震结合起来，与传统方法相比最大的优点是能很好地解 决最深深检波点以下地层速度，同时他们还给出了相对应的自适应面元叠加方法，并提 供了算例，取得了很好的效果，但在国内未见相关技术文献及工程应用。 1 4 本论文主要研究内容 第一章绪论 论文以斜井v s p 资料为研究对象，主要讨论了水平层状介质条件下，斜井v s p 速度分析及成像方法。在速度分析方法上，首先从常规计算速度的方法出发，即直 线法、折线法和初至旅行时反演算法，比较了直井与斜井在各方法上的适用性，给 出了斜井v s p 资料计算速度的算例，并讨论了各方法的精度。在此基础上，引入了 g e o r g e 只m o e c k e l 、d u n c a n v i l l e 、t e x 等在1 9 8 9 年提出来的基于双曲线校正算法， 通过理论数据验证了算法的可行性并成功将其用于速度分析，讨论了此方法与采用 d i l l o n 算法进行速度分析的区别与联系，编写了基于肼的人机交互速度拾取程 序，并成功运用于斜井v s p 资料；在成像方法上，讨论了常规的v s p c d p 叠加方法， 推导验证了斜井v s p c d p 变换公式，利用f o r t r a n 语言编写了成像程序。后在引入 专利中基于双曲线校正的自适应面元叠加方法的基础上，改进了算法，使其适应于 斜井。最后针对文中所提出的方法，对理论数据进行了测试，验证了算法的正确性， 并应用于实际数据，取得了较好的成像效果。 6 长安大学硕士学位论文 第二章斜井v s p 正演模拟及波场分离 只有通过理论数据来验证算法的正确性和可行性，一种算法才能应用于实践。在地 球物理中，正演模拟给算法的检验提供数据基础。波场分离是实测v s p 数据处理中一项 必不可少的环节，因为实际接收到的v s p 记录往往比较复杂，有横波、纵波及其转换波， 有下行波、上行波及其多次波，我们要从复杂的波场信息中提取有用的信息，这就是波 场分离的目的。本章主要论述文中正演所采用的射线追踪方法，给出具体的实现过程， 由于在合成记录时可以只合成上行反射波，减小了波场分离在成像时带来的影响，故在 波场分离方面，仅以简单的常速介质出发分析波场特征，简单介绍了波场分离的方法。 2 1 斜井v s p 正演模拟 2 1 1 正演方法综述 地震正演模拟是地震采集、处理、解释三大环节的分析基础，是在假定地下模拟结 构( 几何形态和物性参数) 的情况下，预测在给定的接收点上得到的地震响应，即地震 记录。地震正演模拟的作用方面是为地震数据采集、处理、解释提供理论依据，评估 方法的科学性、可行性和先进性；另一方面是用来检验各种解释成果的可信度，以及各 种反演算法的正确性和反演成果的可靠性。 v s p 作为地震勘探中的种方法，正演同样占据重要的位置，它即是地球物理勘探 中的正问题已知震源激发特征、井、震源及检波点之间的几何位置，井旁地层和岩 性的分布，求排列上地震波的运动学和动力学响应。通过正演模拟，有助于从理论的角 度上认识观测方式与波场特征的关系，可以帮助识别野外资料的波的类型，进而为波场 分离、界面成像奠定基础，最终指导v s p 野外数据采集的工作设计，作为野外数据采集 现场质量控制的依据。 当前，v s p 正演模拟的方法同地震正演模拟方法一样，有很多种方法。归纳起来可 分为三类：直接法、积分法和射线追踪法。目前应用最广的是射线追踪法，又称渐近法， 相对而言，它是一种高效的节省c p u 的方法【2 】。 直接法是基于求解波动方程的方法，首先要将模型离散成有限个网格点，然后给出 全波场的值，故又有网格法和全波方程法之称。当网格足够密时，模拟可达到足够的精 7 第二章斜井v s p 正演模拟及波场分离 度，并适用于介质参数空间变化复杂的模型。在波场计算方法上，目前使用较多的是有 限差分法( 肋) 、虚谱法( 邢) 和有限元法( 尼) 。当精度要求不高时，有限差分法是 以上几种方法中最简单、最有效的方法。 积分法是建立在波动方程积分解表达式的基础之上的，波场由点震源激发，其理论 基础是惠更斯于1 6 9 0 年建立的惠更斯原理。波场一方面可以表示为一系列点震源分别 激发所形成的波场的叠加；另一方面也可表示为仅由边界点源分别激发所形成的波场的 叠加。惠更斯原理的这两种表达方式如今仍然在使用，它对应着体积分方程和边界积分 ( 面积分) 方程，它们各有白己的适用范围。对于一些特殊儿何形态的地质体( 如均匀 介质中包含产生绕射的地质体) 面言，积分法的计算效率和精度都很高。 射线追踪法是地震正演模拟和成像领域中应用最广泛的技术，它是建立在高频近似 基础上的波动方程计算方法。由于没有考虑波场的全部特征，把波场视为同相轴、旅行 时和振幅等参数所构成的一个整体，其中旅行时函数常被认为是程函方程的解，振幅函 数是传输方程的解，目前有多种方法来求解这些方程。 基于波动方程的正演方法，从理论上讲可模拟任意地质模型，波场信息丰富，但是 运算量大，计算成本高，针对特定情况波场复杂，而射线追踪方法主要优点是：概念明 确、显示直观、运算简便、适应性强，可针对特定模型合成对应的目标合成记录。当然， 它也存在一些缺陷，如：有一定的限制条件，计算结果在一定程度上是近似的，对于复 杂构造进行两点三维射线追踪往往比较麻烦。 本文主要是研究v s p 一次上行波和一次下行波的相关处理方法，验证算法的正确性， 不考虑多次波、振幅等情况，故选用射线追踪方法来正演。在各种制作二维v s p 模型的 方法中，基于射线理论的方法也是目前用得最广泛的方法之一。用射线法制作三维v s p 模型也有其独特的优点。粗略来说，主要有两类v s p 射线模型，一类是只考虑运动学特 征的几何射线追踪模型，一类是还需考虑动力学特征的渐近射线追踪模型。前者只确定 波的射线路径、计算波沿射线传播的时间，后者还要确定波的振幅、波形、质点振动方 向等其它动力学特征。前者一般用于声学介质，后者还用于弹性介质。前者适用的范围 小，后者适用的范围大，前者可看成是后者的特例。本章主要讨论渐近射线追踪方法。 2 1 2 斜井v s p 观测方法 与直井v s p 观测方法相比，斜井v s p 观测方法更加灵活。按照炮点和检波点的几何 r 长安大学硕士学位论文 位置的分布情况，斜井v s p 观测方法主要有以下几种3 1 。 ( 1 ) 垂直入射斜井v s p 这种观测方法是将震源安置在井下检波器的正上方，一一对应地进行激发和接收。 以海上为例，图2 1 为海上垂直激发接收斜井v s p 观测示意图。图中彳、为两个“炮 圆”，其圆心恰在井中测点彳、曰的正上方。震源必须在该“炮圆 内激发。为保证波 的传播路径近似垂直，“炮圆”的直径不得超过观测点深度的2 一3 ，且越接近井口， “炮圆 的直径应越小。这种观测方法所获取的脚资料，在处理上非常简单，类似于 零偏直井的处理方法，经过简单的静态时移就可以进行最终的走廊叠加。 ( 2 ) 井口激发斜井v s p 这种观测方法对海上、陆上皆适用，尤其在陆上进行斜井v s p 测量时，由于地表条 件的限制，有时会使震源位置难以按垂直激发接收布置，此时，可以选择井口激发方式 进行观测。图2 2 所示为井口激发斜井v s p 示意图，震源位置在井口的较小范围之内， 并且尽可能地与井位处于同一个平面上。 、一、y i 图2 1 垂直激发接收斜井v s p 示意图 图2 2 井口激发接收斜井v s p 示意图 ( 3 ) 斜井w v s p 观测方法 此种观测方法要求检波点位于斜井中的某一位置，震源在地面( 或海面) 上以等步长 移动，如图2 3 所示。图中震源线与井处于同一个平面上，且两者分别位于井口两侧。 9 第二章斜井v s p 正演模拟及波场分离 这种观测方法的优点是能取得井另一侧的反射信息，可以作为以上两种观测方法的补 充，拓宽观测范围。 与传统直井v s p 观测方式相比，从偏移距的角度来看，斜井v s p 记录的每一道对应 着一个偏移距，若按其偏移距是否为零偏 来划分斜井v s p 已经没有实际意义。这样 以来，我们可以保持在观测面尽量为二维 的条件下，在检波器所在竖直平面的任意 位置激发来接收地震记录。文献【4 】内，给 出了几种观测系统：在斜井内某一检波器 正上方激发；在最大深度检波器正上方激 发。当然，也可根据实际勘探目标，合理 选择斜井激发点，以获取目标层的地震响 应，这也是斜井脚的灵活性之所在。 图2 3 斜井w v s p 观测示意图 2 2 斜井v s p 射线追踪合成记录方法嘲 利用射线追踪来合成记录主要由两个步骤组成，先是射线追踪，其次是地震响应的 计算。射线追踪就是计算射线路径，基于斯奈尔定理、费马原理和惠更斯原理，人们提 出了许多射线追踪算法，主要包括试射法( 又称打靶法) 、弯曲法和迭代法。本文选择 的是试射法，这是最早提出的、使用范围最广泛的一种射线追踪方法。计算地震响应的 算法也很多，例如渐近射线理论、傍轴射线理论、高斯射线理论等，本文所采用的是渐 近射线理论。本节省去过多篇幅讨论射线追踪的原理，主要讲述斜井v s p 射线追踪合成 记录的主要步骤。 2 2 1 射线追踪 利用试射法来进行射线追踪的过程是在激发点给定一系列初始射线参数值，根据斯 奈尔定理依次进行射线追踪，在接收点附件选择最接近的两条射线，通过内插，调整初 始射线参数值，经过多次调整、修改，可获得满意的结果。这种方法最大的优点是能够 避开射线在盲区中追踪，实现了射线的精确追踪。但是，该方法的不足之处是相对于简 单的模型结构中迭代收敛较快而言，在复杂结构中收敛较慢，比较耗时。具体实现过程 1 n 长安大学硕士学位论文 如下： 在二维x o z 空间，层速度均匀的情况下，射线在介质中是直线( 见图2 4 ) ，其满足 方程： z 乃= 弓一l + ( 薯一一1 ) t g p , 一l 图2 4 射线方程几何关系图 其中( 薯，z i ) 是射线与第i 层界面的交点坐标，屈一。是第i - 1 层的透射角。 它同时满足界面方程： z = s ( x ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) s ( x ) 界面方程。实际建模时，是根据已知离散点采用三次自然边界样条函数建立的 界面方程。 联立2 1 式和2 2 式，可以得到一个形式上的高次方程 1 ( x ) = s ( 而) 一刁一( 薯一薯一。) 增屈一。 ( 2 3 ) 解此方程，即可求得射线与界面的交点坐标，进而利用2 2 式求得乞坐标。 在界面上，射线将产生反射、透射，并服从s n e l l 定律： s l n a s i n ， 一= = 一 v ，v “ ( 2 4 ) 其中：仅是入射角，y 是反射( 或透射) 角。_ 、哆+ 。分别是界面两侧的纵波( 或横波) 速度。 射线发生反射( 或透射) 后，以肛为出射角在第i + 1 地层内传播，直至射线到达指 定的接收点处终止计算。 p t = y 一i 式中z 是入射点处界面的切线斜率。 ( 2 5 ) 我们知道，以某一合适的出射角风发出的射线可以与井相交，但其交点不一定就是 所指定的接收点位置，因此，必须对风进行调整。使得射线能在给定的精度范围内，足 够精确地到达接收点位置。在此采用了试位法来调整风。即：对于指定的接收点( ，) ， 若有两条分别以届、殷为初始出射角的射线在井中的交点位于( ，z g ) 的两侧，则新的 可能到达( ，) 的射线初始出射角为： 风：岛+ 粤( 一毛) z ，一z 1 ( 2 6 ) 实践证明，这种算法较常规的二分法收敛速度快得多，一般情况下，采用本算法只 须迭代1 - 3 次即可以使射线以足够的精度( 1 - z 0 ，哆的校正值为：m = 鲁 否则，如果f 死，并且在特殊情况检波点位于反射界面 ( z g = z o ) 时，存在等式气( ) = 2 毛( z g ) ，满足时间条件。 3 0 长安大学硕士学位论文 只要提供相对准确的 1 7 r i 峪( t o ) ，深度为的坯p 地震道的动校正量定义为： ( 丁) = t o t ( 3 2 8 ) 对于水平层状均匀介质下的单炮v s p 记录，只要在动校正公式中采用了正确的速度， 就能校正不同偏移距的双曲线影响。如果所用速度低于介质的均方根速度，那么反射同 相轴不能被完全拉平，称之为欠校正；反之，所用速度高于介质速度，那么得到校正过 量的结果；如果所给速度等于介质速度，则反射层位就被拉平了。如图3 1 3 所示，( 口) 为利用满足第一层的均方根速度( 1 5 0 0 o o m s ) 用公式3 2 7 来进行动校正的结果，第一 层反射同相轴被拉平了，但是以下几层的反射同相轴没有被拉平，校正不足；( c ) 为利 用满足第五层的均方根速度( 2 2 2 7 6 m s ) 用公式3 2 7 来进行动校正的结果，第五层反 射同相轴被拉平了，但是以上几层的反射同相轴没有被拉平，校正过量；( 6 ) 为利用每 层的理论均方根速度( 1 5 0 0 o o m s ，1 6 7 1 2 6 m s ，1 8 7 3 7 6 m s ，2 0 0 7 4 4 m s ，2 2 2 7 6 0 m s ) 进行动校正的结果，从图中可以看出，每层的反射同相轴都被拉平了。 根据以上的讨论，我们可以利用3 2 7 式对v s p 数据来进行速度分析，得到速度谱， 通过速度谱来估计叠加速度的可靠性。具体做法是：类似于地面地震勘探的速度扫描一 样，对于v s p 单炮道集，利用公式3 2 7 ，根据已经给定的一系列常速度，反复对道集做 动校正和叠加，把每一个速度所得的叠加结果并置在速度一双程零炮检距时间平面中， 将最终得到的数据体显示出来，称此为速度谱。通过速度谱，我们可以直观地看出叠加 速度的分布，依据上述动校正的评价准则，只要反射层位被校平了，就认为对应的速度 是反射反射同相轴对应的均方根速度，以此来选择叠加速度。 根据上述理论，基于比t 抖语言编写了速度分析及人机交互速度拾取程序，如图3 1 4 所示，为速度拾取程序界面，图中所示是井斜为4 5 。的直斜井v s p 记录的速度拾取示 意图，模型示意图及观测系统如图3 1 5 中( 口) 所示。在图3 1 4 中，( 口) 为速度谱界面， ( 6 ) 为利用拾取速度进行动校正的结果实时显示界面，( c ) 右为原始单炮v s p 记录显 示界面。此程序可以对水平地层条件下的任意井斜v s p 记录进行速度分析及人机交互拾 取均方根速度，可通过拾取的速度计算相对应的层速度和平均速度。 3 1 第三章斜片v s p 速度分析 1 ，_ 一一 一， 二：= l =i l _ l 。- _ _ _ _ 一 【| l - 。 a 校正f i 足 b 完伞校止 。 c 校止过避 】i - - 1 _ = ，| x 目l _ _ b ah 8 。 t1 * i i i _ l _ q 自 图3 1 3 动校正速度的选择对校正效果的影响示意图 搀竺- ：。，叫i 重? 薯望5 些，毡型：二型基丝，。h 。“j r t 一。! 一j ! y jd 。立件证) 蚱必姐堪j 镜田理) 勋 ， 图3 1 4 速度拾取程序界面 利用3 2 7 来进行速度分析获取叠加速度谱的时候，需要知道每个检波点处的均方根 速度( 后文也谈到可以利用v s p 记录直接获取速度谱) ，这与求取速度并不矛盾，因为 利用公式3 2 7 来求取的速度主要是针对每个反射层位的均方根速度，它的最大优点在于 可以准确求取最深检波点以下的反射层的均方根速度，而常规求取速度的方法最大瓶颈 在于只能求取最深检波点以上层位的速度，最深检波点以下的地层速度只能通过数学内 插等方法实现，没有一个好的评价标准。如图3 1 5 所示中( 口) 所示模型及观测系统， v s p 接收排列只布设到地面以下的第三层，如果利用常规的直达波初至时间来求取速 3 2 长安大学硕士学位论文 度，最多只能求取到第三层的速度，第三层以下的速度无法利用直达波初至求取。但是， 利用基于双曲线校正的方法来求取速度的时候，就可以根据已经求得的前三层速度来求 取第四层和第五层的速度。图3 1 5 中( 6 ) 是根据此方法对( 口) 所示模型v s p 记录计 算得到的速度谱，从速度谱我们可以看到：有五个相对较强的能量团，每个能量团对应 的速度就是每个反射层的均方根速度，图中( c ) 为利用拾取的速度进行动校正的实时 显示剖面，从图中可以看出，每个层位的同相轴都被拉平了。表3 1 是拾取的均方根速 度与理论均方根速度的对比表，从表中数据可以看出拾取的速度相对误差都在5 以内， 满足成像要求( 2 0 ) 。当然，在人机交互过程中也存在着拾取误差，可能每次拾取的 速度都不一样，但是有一个准则，那就是拾取速度用于动校正后能将同相轴拉平，那么 这个速度就被认为是可以被接受的，满足成像要求。 l 。 v t n ” o 8 叩叩2 0 叩2 6 叩3 2 叩 、 覃 v ，。 一 一 、 “ 。、 1 f 一 气 一 _ - 晕1 0 0 0 嘲 嗣- _ 日 趋鞲：菠蕊；鬻黼l 堑狮 a 模型l c n m o b 速度谱 1 9 8 7 2 1 8 6 绝对误差( m s ) 2 0 02 0 2 62 7 2 43 0 4 44 1 6 0 相对误差( ) 0 1 31 2 l1 4 41 5 21 8 7 第三章斜井v s p 速度分析 前提条件f ，才能直接进行速度分析，求得最深检波点以f 地层的速度，另外只要获得 每个检波点的w m s ( 瓦) ，瓦也相应地得到，因此s ( 瓦) 是关键。那么，怎样才能得 到每个检波点对应的玢嬲( 瓦) 值呢? 下面给出三种方法