（地球探测与信息技术专业论文）方位各向异性介质纵波速度分析方法研究与应用.pdf

方位各向异性介质纵波速度分析方法研究与应用 孙晶波( 地球探测与信息技术) 指导教师：杜启振教授 摘要 随着实际地震勘探精细程度的不断提高，地震勘探所面对的地表和 地下介质情况越来越复杂，对地震速度精度的要求也越来越高。常规的 速度分析方法假设地震波是在各向同性层状介质中传播的，反射波时距 曲线呈双曲线形状，在实际资料的处理中也仅采用中、近炮检距道的信 息。而大量的野外实践强有力地证实了实际地层介质中各向异性的存 在。在各向异性的情况下，反射波时距曲线不再满足双曲线规律。为了 提取岩层各向异性造成的影响，就需要在双曲时差分析的基础上，引入 各向异性参数，发展各向异性介质中的地震波速度分析技术。 本文对影响速度分析精度的多种因素进行了综合分析，并总结了提 高速度分析精度的优化措施；推导了含有收敛项的各向异性介质分式展 开形式的非双曲时距关系；根据h t i 介质、正交各向异性介质在对称 面内的运动学特征与v 1 1 介质中的运动学特征之间的等效关系，进一 步将长排列纵波时差关系推广到方位各向异性介质，建立与方位角有关 的时差。在此基础上，针对方位各向异性介质模型开展了纵波非双曲时 差速度分析的研究工作。利用交互式速度分析方法进行了模型试算的处 理，并对实际资料进行了时差速度和各向异性参数反演，结果均表明了 该方法的正确性和实用性。 关键词：方位各向异性，速度分析，非双曲时差，参数估计 i l a s t u d yo np - w a v ev e l o c i t ya n a l y s i sm e t h o di n a z i m u t h a l l ya n i s o t r o p i cm e d i a s u n j i n g - b o ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rd uq i - z h e n a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lm e t h o do fv e l o c i t ya n a l y s i si sb a s e do nt h ea s s u m p t i o no f i s o t r o p y ，a n dh y p e r b o l i cm o v e o u tp r o c e s s i n go ns h o r ts p r e a d si ss u f f i c i e n tf o r t h i sc a 靶b u tn u m e r o u 8r e s e a r c h e sd u r i n gt h ep a s td e c a d eh a v es h o w e dt h e p r e s e n c eo f s e i s m i ca n i s o t r o p yi nd i f f e r e n tg e o l o g i c a ls e t t i n g sa n do nv a r i o u s s c a l e s t h e r ei sag r o w i n gu n d e r s t a n d i n gt h a tt h ei n f l u e n c eo fa n i s o t r o p y l e a d st ot h ed e v i a t i o n so fm o v e o u to u r v ef r o ma h y p e r b o l a , a n d n o n h y p e r b o l i em o v e o u ta n a l y s i si si m p o r t a n tt or e c o v e ra n i s o t r o p i cv e l o c i t y f i c l d sf r o ms u r f a c er e f l e c t i o nd a m i nt h i sp a p e r ，b ya n a l y z i n gv a r i o u si n f l u e n t i a lf a c t o r so nv e l o c i t ya n a l y s i s a c c u r a c ys y n t h e t i c a l l y ，s e v e r a lo p t i m i z em e a s u r e sa l el i s t e d s e c o n d l y , f t a e t i o ne x p a n s i o nt i m e - d i s t a n c ee q u a t i o ni na n i s o t r o p i em e d i ai sd e r i v e d , w h i c hh a sat e r me n s u r i n gc o n v e r g e n c ea tl a r g eo f f s e t s ，a n da c c o r d i n gt ot h e e x l u i v a l a n c eo fk i n e m a t i c a lc h a r a c t e r sb e t w e e nv t la n dw i t h i ns y m m e t r y p l a n e s o fh t ia n do am e d i u m , e x t e n dt h ed e r i v e d n o n h y p e r b o l i c a p p r o x i m a t i o nt oa z i m u t h a l l ya n i s o t r o p i cm e d i a ，t h e ne s t a b l i s ht h ea z i m u t h a l r e l a t i o no fm o v e o u t n e x t , as t u d yo fp - w a wn o n h y p e r b o l i cm o v c o u t v e l o c i t ya n a l y s i si na z i m u t h a l l ya n i s o t r o p i cm e d i a i sp e r f o r m e d m o d e lt e s ti s i p r o c e e d e db yi n t e r a c t i v em o d e , a n dt h ei n v e r s i o no fm o v o u tv e l o c i t ya n d a n i s o t r o p i cp a r a m e t e r si sc a r d e do u ti na c t u a ld a t a ，t h er e s u l t so fw h i c h d e m o n s t r a t e st h ea c c t w a c ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h i sm e t h o d k e y w o r d ：a z i m u t h a la n i s o t r o p y , v e l o c i v ya n a l y s i s , n o n h y p e r b o l i cm o v e o u t , p a r a m e t e re s t i m a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：刭：昌痘2 岬年。月 2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：型! 昌；篮加0 7 年 导师签名： 月2 日 乡月日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 各向异性作为勘探地震学中的前沿课题之一，越来越受到重视。过 去人们把地球介质假设成备向同性的，发展了基于各向同性的地震资料 处理和解释方法。但是大量理论和实践证实了实际地层中广泛存在着各 向异性。在各向异性介质条件下，常规的处理方法不可避免地产生误差， 因此，发展各向异性介质的地震资料处理技术是十分必要的。目前地震 勘探串所涉及到的各向异性主要指地层的速度各向异性。所以从某种意 义上来说地震各向异性可以理解为地震速度对角度的依赖性。由此可见 地震速度在各向异性研究中的重要性。 产生速度各向异性的原因有两种：一种是成岩矿物或裂缝等的定向 排列；另一种是平行排列的各向同性薄层。尽管横向各向同性( ) 模 型可以较好地近似实际沉积地层，但是不能描述岩石应力场造成的裂缝 定向排列情况，方位各向异性介质是描述裂缝性地层的理想模型。在方 位各向异性介质中，速度随方位的变化引起多种属性的方位变化，比如 n m o 速度、反射走时以及反射振幅等等，这些特性是人们研究方位各向 异性的物理基础，同时说明利用裂缝造成的地震速度各向异性信息反演 裂缝信息是可行的。 常规的速度分析方法假设地震波是在各向同性层状介质中传播，反 射波时距曲线呈双曲线形状，在实际资料的处理中也仅采用中、近炮检 距道的信息。在各向异性的情况下，反射波时距曲线呈非双曲状，因此， 要校正地下岩层各向异性造成的固有时差的影响，就需要进一步利用大 炮检距的信息，在常规速度分析方法的基础上，引入各向异性参数，发 展各向异性介质中的地震波速度分析技术。目前，人们在这方面的研究 已经取得了一定的成果，但就在裂缝性油气藏的研究中有重要意义的方 位各向异性介质模型而言，这方面的研究还没有大量开展，尚待进一步 的工作。 由于p 波相对s 波来说勘探费用较低，通常可以获得更高质量的数 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 据，而且常规的处理流程可以直接或稍加修改后利用，因此，目前地震 勘探仍是以纵波勘探为主。根据各向异性介质速度分析目前存在的问题 和发展方向，本文将针对方位各向异性介质开展纵波速度分析的研究工 作，同时期望为解决裂隙储层检测的实际问题提供手段。 1 2 研究与发展现状 尽管地震各向异性概念的提出由来已久，但是由于早期各向同性的 假设给实际地震勘探和资料处理带来了极大的实用价值，各向异性的研 究直到在近些年才随着勘探技术的发展和勘探程度的深入而迅速发展 起来，成为学术研究的热点。 1 9 8 6 年，t h o m s e n i l l 发表可称为研究各向异性介质里程碑式的文章 ( w e a ke l a s t i ca n i s o t r o p y ) ，他指出大部分地壳岩石具有各向异性且对地 震勘探数据处理与解释有重要影响，从此地震各向异性的研究进入了一 个崭新的阶段。 早期的各向异性时差分析开始于椭圆各向异性介质，b y u n 和u r e n 等1 2 】的研究表明，无论对称轴方向如何，椭圆各向异性的反射时差曲线 总是保持为双曲型的。之后r a d o v i c h 和l e v i n 3 1 指出“横向各向同性可 导致时差速度随排列长度而变”，间接指出“均匀各向异性介质的反射波 时距曲线为非双曲线”这一问题。h a k e 等【4 】模仿t a r t e r 和k o e h l e r 5 】对水 平层状各向同性介质反射时距曲线的近似方式，通过t 2 一x 2 域的泰勒展 开对各向异性介质的非双曲高阶项进行了近似；b y u n l 2 1 等人提出用改进 的双曲线来近似描述长排列、弱各向异性介质反射时距曲线的方法； t s v a a k i n 和t h o m s e n n 在h a k e 等人的基础上，提出了较高精度的长排 列、任意强度各向异性介质的反射时距曲线的解析表达式，并在此基础 上研究了利用反射资料进行各向异性参数的反演；t s v a n k i n 7 1 给出了各 向异性介质倾斜界面反射的时差速度表达式；a l k h a l i f a h 和t s v a n k i n g l 提出新的各向异性参数r ，改进了t s v a n k i n 6 的表达式，并实现了利用 倾斜界面反射的时差速度进行各向异性参数的反演 9 1 ；z h a n g 和u r e n 1 0 l 给出了n 介质中群速度的明确解析表达式。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 国内关于各向异性速度分析的研究起步相对较晚，近年来也有一定 的发展，徐常练【l l j 引入炮检距平方成正比例变化的时差速度调节因子来 补偿因垂向速度梯度或各向异性引起的非双曲反射时差；王光杰和张中 杰【1 2 1 对1 1 介质进行了双参数速度分析；徐亦鸣1 1 3 l 采用超道集分析技术 进行了各向异性介质的双参数速度分析，提取了各向异性参数；卢明辉 和唐建侯等【1 4 】对v 1 1 介质p 波多种非双曲时差方程进行了对比分析， 得出了a l k h a l i f a h i s j 给出的非双曲时距方程精度较高，适用性较强的结 论。刘洋和魏修成【1 5 1 针对目前发展的反射波非双曲时距方程进行了精度 比较与分析得出了一些有益的结论。 在针对方位各向异性介质的研究中，t h o m s e n 1 6 给出了h t i 介质对 称平面内水平反射面p 、s 波n m o 速度表达式。t s v a n k i n 和r u g e r 1 7 1 e 9 】 根据h t i 介质中对称面内地震波速度方程与v 1 1 介质中的速度方程的 相似性，将t h o m s e n 各向异性参数推广到h t i 介质中，给出了任意各 向异性强度下水平界面纯模式反射波n m o 速度的精确表达式并进行了 参数反演，得出n m o 速度和主轴方向、垂直速度、各向异性参数有关 的结论。而且，进一步根据正交各向异性( o a ) 对称系中，两组垂直 对称面内运动学特征与v t i 中的运动学特征的等效关系，将t h o m s e n 参数推广到o a 对称系，并推导了对应于倾斜界面任意方位上的动校 ( n m o ) 速度公式，为研究p 波方位各向异性提供了统一语言。 a i - d a j a n i 和t s v a n k i n 2 0 , 2 t 】推导出了h t i 介质中的非双曲时距方程的四 次项系数表达式，给出了任意方位各向异性介质中纯模式反射波旅行时 的四次项系数的解析表达式f 1 9 1 ，由来自于两个垂直对称面的分量和从对 称面中吸收相互影响的交叉项构成。g r e c h k a 2 2 研究了层状正交各向异 性介质中多方位角纵波反射旅行时的反演方法，利用宽方位角的三维观 测数据重构正常时差速度椭圆，获得任意方位角上的正常时差速度，用 方位角和正常时差速度反演各向异性参数玎啦，”。p e c h 和t s v a n k i n 2 3 1 了研究了具有倾斜对称轴的1 r i 介质的四次项系数的表达式；p c c h 和 t s w a n k i n ( 2 4 进一步给出了倾斜反射层的方位各向异性介质的四次项系 数的表达式。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 目前，国内外对各向异性领域的研究方兴未艾。每年都有大量的相 关文献在s e t 3 年会和g e o p h y s i c s 上发表。各向异性的研究正向着从理 论研究到实际应用，从一维、二维到三维宽方位，从纵波到多波多分量， 从v s p 横波分裂到地面反射地震p 波s 波和p s v 波n m o 速度、a v o 梯度属性分析的研究方向发展。英国爱丁堡大学的各向异性项目组 ( b ) 从1 9 8 8 年起，每三年作为一个研究阶段，从最初的可行性论 证到处理技术的研究，再到实际的应用、反演方法和解释理论的研究， 直到最近的转换波成像、各向异性与流体运移之间的关系等都做了大量 的研究工作。美国克罗拉多矿业学院以t s v a n k i n 为首的研究小组在非 均匀1 1 介质p 波数据三维走时反演、各向异性介质中地震波速度分析 及p 波p s 波数据联合反演、倾斜1 r i 介质的深度偏移和方位各向异性介 质中的a v o a ( a m p l i t u d ev a r i a t i o nw i t ho f f s e ta n da z i m u t h ) 等方面也 做了大量的研究工作，发表了很多论文。国内对各向异性基本性质，速 度特性，a v o 研究及速度分析等领域都开展了大量的工作。 尽管各向异性介质速度分析的研究已经取得了一定的成果，但是在 某些方面仍处于不成熟阶段。总体来看，当前国内外关于各向异性介质 速度分析方面的研究具有以下特点： ( 1 ) 各向异性纵横波速度分析以及参数反演方面的研究都在进一 步深入发展。由于勘探费用等条件的限制，相对横波而言，纵波速度分 析仍居主导地位。 ( 2 ) 横向各向同性介质方面做的工作较多，而这只是地球介质的 一个特例，其它更能代表实际地球介质的各向异性介质模型方面研究还 未能深入展开。 ( 3 ) 现有的各向异性速度分析理论多是以弱各向异性介质为基础， 而中至强各向异性介质的速度分析技术更加复杂。 ( 4 ) 以理论模型进行的研究居多，在实用化方面有待进一步展开。 1 3 研究内容 根据以上分析，在前人已有研究成果上，确定了本论文的研究内容 与思路： 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 1 ) 通过资料的查阅与收集，充分了解各向异性速度分析及其相 关内容与问题：各向异性系数的定义及推广形式；方位各向异性n m o 速度的方位特性；各向异性时距曲线的形式；研究速度分析和参数反演 的基本思路。 ( 2 ) 研究影响速度分析精度的主要因素，总结提高速度分析精度 的优化措施。 ( 3 ) 研究地震波在方位各向异性介质中长排列的非双曲时差特性 和时差方位特性，试图发展针对方位各向异性介质的交互式速度分析方 法。 ( 4 ) 利用纵波的非双曲时差分析和时差方位分析的资料，反演介 质模型的各向异性参数。 ( 5 ) 通过模型试算检验该速度分析方法的正确性，并用实际资料 试处理考察其实际应用能力。 技术路线图如下： 模型试算 文献查阅 与调研 方位各向异性介 质速度分析研究 速度分析 精度分析及优化 长摔列非双曲 时差分析方法 方位时差分析及 参数反演方法 实际资料试处理 交互式速度分析软件 图1 1 技术路线图 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 第2 章各向异性介质基础理论 2 1 各向异性介质模型 地下介质广泛存在着各向异性，不同的各向异性介质，性质差异很 大。天然地震和地震勘探中主要研究的对称类型是：各向同性、六边形 对称和正交对称。在理论研究和实际应用中，通常将六边形对称和正交 对称各向异性介质按照对称轴的类型分别称为横向各向同性介质 ( t r a n s v r s ei s o t r o p y ，即t i ) 和正交各向异性介质( o r t h o r h o m b i c a n i s o t r o p y ，即o a ) 。 箩澎蓼 图2 - l 三类常见各向异性介质模型 平行排列的裂缝或裂隙及交互薄层均可产生1 1 性质。平行裂缝常近 于铅垂向排列，其对称轴是水平的，因此称为水平对称轴横向同性 ( h o r i z o n t a l l yt l a n s v e r s ei s o 订o p y ，h t i ) ，交互薄层的产状常近于水平， 其对称轴在铅垂方向，故称为垂直对称轴横向同性( v e r t i c a ll l a n s v e l s e i s o t r o p y ，v t i ) ，平行裂隙和交互薄层两种情况结合在一起产生正交介质， 见图2 1 。h t i 介质和正交各向异性介质都属于方位各向异性介质 ( a z i m u t h a la n i s o l i o p y ，a a ) 。本文主要研究的对象就是方位各向异性介 质。 h t i 介质是最简单的方位各向异性介质模型。它有两个相互垂直的对 称平面，一个被称为“各向同性面”，它垂直于h t i 介质的水平对称轴；另 一个称为“对称轴平面”，即包含对称轴的平面( 如图2 1 ) 。当横波垂直 入射到h 介质时，分裂为快横波和慢横波，快横波的偏振方向平行于裂 隙平面，可记为s h 波，慢横波的偏振方向垂直于裂隙平面，可记为s v 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 波。h t i 介质中一个显著的特点是在裂隙平面内传播的地震波的波速与传 播角度无关，这也是为什么将此平面称为各向同性面的原因，而在对称 轴面内的地震波传播的特性与波在v t i 介质中传播特性相似。因此，h t i 介质的对称轴平面中的走时分析和t h o m s c n 参数的定义都可以仿照v 1 r i 介质中对应平面内的分析方法来进行。弹性特征由5 个独立的弹性常数来 描述。正交各向异性介质中含有三个相互垂直的镜像对称面，一个对称 面是水平的，另两个是垂直的。其弹性特征由9 个独立的弹性常数来描述。 2 2 各向异性介质的t h o r n s e n 参数 2 2 1t h o m s e n 参数的定义 弹性介质模型的性质由弹性矩阵c 确定，介质的弹性系数矩阵 为： c = c i ic 1 2c 1 3 c 1 2c l lc 1 3 c b c 1 3 c 3 3 ooo ooo oo0 0oo 0oo ooo c “0 0 0 c “0 00 c “ ( 2 1 ) 弹性矩阵确定了应力与应变间的关系，但其物理意义很不直观，不 方便使用。t h o m n 1 1 1 提出了一套表征1 1 介质弹性性质的参数，地震信 号与各向异性介质参数之间就有了简单、明确的关系，并具有较为清晰 的物理含义，现已被广泛使用，定义如下： 1 钿= c 3 3 p = 而 8 ：鱼l 二垒 加 j ；( 鱼2 ! 塑2 ：二! 鱼二! 竺2 ： 知3 3 p 一c 4 4 ) 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 y ：c 6 6 _ - - 一c 4 4 ( 2 2 ) 知 其中p 为介质密度。，v 。是横向各向同性介质中q p 波和q s 波的垂 直速度，占、j 和，是表示1 1 介质各向异性强度的三个无量纲各向异性 因子。其中占是度量q p 波各向异性强度的参数，占越大，介质的纵波各 向异性越强；艿是影响q p 波在近垂直方向速度大小的参数，而，是衡量 q s 波的各向异性程度，越大，介质的横波各向异性越大。t h o m s 参 数不仅更加直观地表征了各向异性的物理意义，也为人们利用地震属性 来反演各向异性介质参数架起了一座桥梁。 t h o m s 廿z 参数最初是针对i 介质来定义的，此后，r u g e r 切、 t s v a n k i n t s , 1 9 又仿照在v l r i 介质中的定义，形式地定义了h t i 介质、正 交介质中类似的t h o m s e n 参数，为这些介质的参数反演提供了依据。 2 2 2i f r l 介质中的7 h o m s e n 参数 在v t i 介质中，毛轴是垂直对称轴，在h t i 介质中，对称轴是水 平的，为而轴。仿照v 1 1 介质中t h o m s e n 参数的定义，h t i 介质中等 效t h o m s e n 参数定义为： = 而，v s 。= 扛历，。= 后万 k 瞥 艿(r)：(c13+c)2-(c33-c55)2 2 c 3 3 ( c 3 3 6 ，) ，r ) = ! 竖= ! 竺( 2 3 ) 知“ 1 酽。和。分别是快、慢横波在垂直方向上的传播速度。三个各向 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 异性参数与v t i 介质中的意义基本相同，只是，”表示快、慢横波速度的 差异程度。 2 2 3 正交介质中的t h o m s e n 参数 正交介质含有三个相互垂直的对称面，t s v a n k i n 1 明利用c h r i s t o f f e l 方程在正交各向异性和横向各向同性介质的对称面内具有相同的形式 这一事实，给出了正交介质中各个对称面内类似y h o m s e n 参数的定义。 具体表达如下： 为p 波垂直速度： =石万(2-4) 为极化方向沿而方向的s 波垂直速度： = 正万 ( 2 5 ) 8 2 为垂直于x 2 轴的【，屯】对称面内v 1 1 参数占： 8 2 ) ：! 虹二! 翌( 2 6 ) 2 c 3 3 s 2 接近于 、而方向q p 波速度之间的相对差异。 6 2 为 而，而】对称面内v n 参数万： 护：虹! 墅! 二虹二垒z( 2 7 ) 2 c 3 3 ( c 3 3 一c 5 5 ) 在，屯】平面内，艿2 影响近垂直的q p 波速度，以及面内极化的横波 速度。 y 2 为k ，黾】平面内v 髓参数，： y ( 2 ) ：c 6 6 - - - 一c 4 4 ( 2 8 ) z c 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 y 2 接近于而、而方向s h 波速度之间的相对差异( s h 波是在 而，x 3 】平 面内传播，沿而方向极化的横波) 。 s 1 为i x 2 ，】对称面内v 1 1 参数占： 8 ( 1 ) ：刍；鱼 ( 2 9 ) 2 c 招 1 接近于而、而方向q p 波速度之间的相对差异。 6 ”为 x 2 ，而】对称面内参数万： ) - 鱼立鱼0 姆( 2 - 1 0 ) 2 c 3 3 ( c 3 ，一) 在【x ：，而】平面内，6 1 左右近垂直的q p 波速度并影响面内极化的横波 速度。 y 1 为h 2 ，而】平面内v 1 1 参数厂： y ( i ) ：c 6 6 _ 一一c 5 5 ( 2 11 ) 2 c 5 s 7 ( 0 接近于吻、而方向s h 波速度之间的相对差异( 这里s h 波沿而方 向极化) 。 占3 为【_ ，x 2 】平面内v 1 1 参数万： ) - 鱼尝尘2 二虹；进 ( 2 1 2 ) 2 c l l p l i c h ) 这些各向异性参数同v t i 介质中的t h o m s o n 参数一样，都具有特 定的物理意义，可以用来表示各种波在对称面内的速度、走时和反射系 数。它们是弹性系数对于某种各向异性特性的综合响应，当介质退化为 各向同性时，无量纲的各向异性参数也相应变为零。对于p 波，只有这 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 些参数中的一部分( v p 0 占1 ，”，j 1 2 ，3 ) 控制p 波的运动学特征f 1 9 】。 v t i 介质和h t i 介质可以当成正交各向异性介质的特例。当介质为 v 1 1 介质时，所有垂直平面内的特性相同，波在各向同性平面内的速度 为常数。则描述正交各向异性的t h o m s e n 参数退化为： 占( 1 ) = 占2 = 占，万( 1 = 万2 ) = j ， 1 ) = ，2 ) = ，艿3 ) = 0 ( 2 1 3 ) 其中，s 、艿、y 为v 1 1 介质中的t h o m s e n 参数。 对于h t i 介质，独立的参数数目由九减至五。设对称轴为五轴， 则【x 2 ，x d 平面( 各向同性面) 内全部三种波型的速度变为常数，在该 平面内各向异性参数消失： s ( 1 ) = 0 ，8 1 1 ) = 0 ，( 1 ) = 0 ( 2 1 4 ) 由于h t i 介质的对称轴平面等价于正交各向异性 而，】对称面，所以 各向异性系数占( 加，j ( ”，( 2 对于h t i 介质依然有效，分别有： 占( 2 ) = 占( ”，8 2 ) = 占”，y ( 2 ) = y ( 叶 ( 2 1 5 ) h t i 介质的艿国为不独立参数，可由其它各向异性参数表征。 2 3 各向异性介质速度表征 速度问题是地震学研究的永恒主题。在均匀弹性介质中，点状震源 产生的波动可以看成是沿不同方向无数平面波的叠加，定义平面波传播 的速度为相速度( 波前面的传播速度) ，而叠加后的波面是可观测到的 振动面，其传播的速度称为群速度( 能量的传播速度) 。当介质为均匀 各向同性介质时，相速度不随传播方向而变化，群速度面和相速度面重 合，均为球状。当波在各向异性介质中传播时，相速度随传播方向而变 化，群速度面不再与相速度面重合，群速度也不再与相速度一致。各向 异性介质中的群速度不满足经典的s n e l l 定律 2 1 。相速度与群速度在各 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 向异性介质中有如下关系睇，j ； 咖) _ v 2 ( m 等) 2 群角与相角的关系为： 嘶) = 嘶+ 而1 警那一面t a n ( a ) d 抬r ( o ) i 在各向异性介质中，对某一共中心点( c m p ) ， 时差( n m o ) 速度( 口) 定义为： 蜘7 璺端 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 不同方位口上正常 ( 2 一1 8 ) 由定义可知，n m o 速度就是x 2 一f 2 曲线的起始斜率。 与各向同性介质不同的是各向异性介质中的正常时差速度不等于 均方根速度，即使是在弱各向异性介质中，这种差异也不容忽略。方位 各向异性介质中的n m o 速度通常随方位变化而变化。研究结果表明， 如果把在某一反射层的不同方位上观测到的n m o 速度点出来，那么它 将形成一个椭圆，椭圆的参数取决于介质参数。 t s v a n k i n q 针对均匀各向异性介质模型，结合各向异性相速度与群 速度关系式，推导了具有对称平面的均匀任意各向异性介质中倾斜反射 层的p ，s v 波动校速度的解析表达式： v 一( ) = ( 2 1 9 ) 2 3 1v t i 介质中的相速度和n m 0 速度 v n 介质中的相速度利用t h o m s e n 参数可以表示为【7 】： 诈( d = v 刍【l + 譬如2 0 + d ( p ) 】 ( 2 2 0 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 其中：比雎1 。( 1 - - ，辱呻- ，+ 南血2 觚2 口 +等努血48in_12 ， ( 卜v 二) 2 7 万= ( 2 8 - 占x 1 - v 二v 二) 对于介质的单个水平层，纵波的n m o 速度为： 1 k 。( 0 ) = “o ) ( 2 2 0 - 2 ) ( 2 2 0 - 3 ) ( 2 - 2 1 ) 由t h o m s e n 参数表示的n m o 速度为： v 一= v 砷l + 2 8 ( 2 - 2 2 ) 可以看出n m o 速度既不等于垂向速度也不等于水平速度。 多层介质的纵波n m o 速度为： v 。2 = v 生】2 r 5 ) ( 2 2 3 ) 其中也和缸：o 是第i 层的n m o 速度和垂直旅行时，t 。为总的垂直旅 行时。 2 3 2h t l 介质中的n m o 速度 h r 兀介质p 波的运动学特征可以用垂直速度和p ”、占7 以足够 的精度描述，同样这三个参数也控制p 波n m o 速度。在各向同性面内， 波速与方向无关，在对称平面内，相速度与v 1 1 介质类似满足( 2 - 2 0 1 ) 式，p 波n m o 速度满足( 2 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) 。 在与对称轴平面夹角为口的垂直平面内，适用于水平层的更广义的 p 波n m o 速度形式为【1 嗣： 吃( 咖，州2 器 ( 2 - 2 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章各向异性介质基础理论 当口= 9 0 。和口= o 时，分别为各向同性面和对称轴平面两种特殊情 况。 2 3 3 正交介质中的n m 0 速度 对于水平反射层的均匀正交介质，调整坐标轴而，x 2 与两个垂直对 称平面方向一致。两个垂直对称平面b ：，为1 和k ，b 】内的相速度可以用 类似于v 兀介质中的( 2 2 0 ) 式描述，对称平面内的n m o 速度定义与 介质中( 2 2 2 ) 类似： v 竺0 = v 0 1 + 2 万1 ，” ( 2 - 2 5 ) 在与对称轴平面夹角为口的垂直平面内，n m o 速度形式为： 吧( 球) = p 盘】2c o s 2 口+ 【“生】- 2s i n 2 口 ( 2 - 2 6 ) g r e c h k a 和t s v a n k i n - 2 2 进一步指出，水平和倾斜反射层的p 波动校 速度( 以零偏移距射线的水平慢度分量表示) 仅仅依赖于五个参数组合。 这些时差参数包括来自水平反射层的对称平面n m o 速度咄 ，以及仿 照v 1 1 介质中参数，7 定义的三个各向异性系数r 啦渤： r 2 是垂直对称面，而】中的v 1 1 参数碍： 可。，= 爷* s 。，一万口， c 2 之， 7 0 ) 是垂直对称面【x 2 ，南】中的v 1 1 参数节： r o ) ： ! ；2 二8 兰祟。f m 一万l + w 咿3 是水平对称面【x l ，善2 】中的v t i 参数叩： ( 2 - 2 8 ) 刁。) = 兰! 苦j i i ；i 篱* 8 。) 一s ( 2 ) 一万( 3 ) ( 2 - 2 9 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章速度分析精度的影响因素 第3 章速度分析精度的影响因素 速度分析是地震信息处理中的基本环节，具有如下三个作用：改善 多次叠加剖面的质量，提高一次分辨能力及信噪比，提供准确的叠加速 度：为偏移叠加和时间剖面偏移校正及时深转换提供速度依据；为地层 研究，诸如岩性划分地层对比及密度推断等提供比较准确的层速度。 3 1 速度分析的基本方法 速度分析的方法有多种，但多数方法是利用正常时差。多道记录中 由于含有同一速度信息，可以增加速度分析的可靠性。因此，速度分析 多数又是建立在共反射点多次覆盖资料的基础上。常规速度分析方法是 建立在双曲线假设基础之上的，正常时差为： a t = f ( x ) 一t o = 一f 0 ( 3 1 ) 由于炮检距是已知的，因此，反射波到达时间，( x ) 和正常时差都 是垂直反射时间和均方根速度的函数，即地震反射波的到达时间和正常 时差中包含着均方根速度信息。通过对正常时差的分析，可以提取速度 信息，这就是常规速度分析的理论基础。 常见的速度分析方法有： ( 1 ) t 2 一x 2 法。t 2 一妒平面上的反射波双曲线时距方程为线性方 程。因此，从t 2 一x 2 坐标中的最佳拟合直线可估计出零炮检距上的反射 波时间和该反射波的叠加速度，其精度依赖于数据的信噪比。 ( 2 ) 速度扫描法。该方法是用一系列常速度值对c m p 道集做动校 正，并将结果并列显示，从中选出能使反射波同相轴拉平程度最高的速 度作为n m o 速度。 ( 3 ) 常速叠加( c v s ) 法。取测线的一小段，用一系列常速度值做 叠加处理，不同的速度叠加成不同的叠加图像，称为c v s 图像。从c v s 图像中取出获得最佳叠加的速度为叠加速度。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章速度分析精度的影响因素 ( 4 ) 速度谱法。速度谱的原理是测量速度与零炮检距双程时间的相 干性，基本做法是沿着双曲线轨迹在一个小时窗( 通常在信号主周期的 一半到一倍之间) 内计算c m p 道集信号的相干关系。在速度谱上根据有 用同相轴出现的时间，挑选出产生相干性最高的速度函数，把它解释为 叠加速度。 速度谱是基本的速度分析资料。目前有两类常用的等价判别准则； 一类是基于迭加求和方法，包括平均振幅准则和相似系数准则，它们是 n 个记录道按照正常时差或非正常时差校正以后进行迭加，利用迭加特 性做为准则，二类是基于互相关方法，包括未归一化互相关准则和统计 归一化互相关准则，它们是n 个记录道之间所有可能的互相关函数之 和，利用互相关的特性做为准则。迭加求和方法在运算方面比相关方法 简单；就灵敏度而言，基于互相关方法的准则当记录道幅度变化很大时， 互相关函数就会变化太大，不利于判别极大值的存在，它受随机干扰的 影响较大，而平均振幅准则对振幅的变动则不太灵敏。由于相似系数准 则兼有叠加求和与互相关的优点，因此目前常用的叠加速度分析准则是 相似系数准则闭。 相似系数定义为道窗口的输出能量与输入能量的比。在数学项墨 中，m 道的相似系数： k + n 2m 厶】2 瓯= 丛筹孝1 _ 一( 3 - 2 ) m 蹋们 i - k - n 2j - i 这里，兀是f 道，时间的采样数据记录，是零炮检距采样，和道f 的函数。时窗长度为n + 1 ，其时窗的中点为分析样点，它的作用就是消 除相似谱估计。当所有道都相同时，这个相似系数有一个最大值，当然 它也有一个最小值为零。这种相似求和的方法较好地克服了随机噪音以 及振幅和极性的突变造成的影响。 近年来人们把原先应用于雷达、声纳中的协方差量度理论引进到地 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章速度分析精度的影响因素 震资料的速度分析中，发现该方法精度较高。李录明曾将协方差量度理 论应用到a v o 模型中，发展了高精度速度分析方法；吕景贵口7 1 通过修 改相似系数准则，发展了一种新的叠加速度分析方法，明显地改善了速 度谱的分辨率。这些方法的核心仍然是叠加速度谱的求取。 3 2 速度估算精度的影响因素 由于速度分析的偏差会给后面的处理带来更大的遗传误差，因此， 如何提高速度分析的精度获得准确的速度参数是地震资料处理中的核 心问题。影响速度精度的因素很多，而主要因素归纳起来大体可以分成 两大类【硼：一类是来自于速度分析的基本原理估算公式中的参数，如炮 检距、叠加次数、时窗宽度，速度采样密度和范围、相干属性量的选择、 方位角、数据的频带宽度和范围等；另一类是对双曲正常时差的偏离度， 例如地表不均匀性和低降速带的影响造成的静校正量、记录的噪音干 扰、多次反射波的干涉、地下的复杂构造、岩性变化、介质的各向异性 等地层因素。各种因素在不同地区造成的影响程度往往是不同的，因此， 在进行速度分析时，必须根据每个探区的特点，研究影响速度精度的主 要因素。 3 2 1 地层深度 深层地震资料动校正具有特殊性，正是这种特殊性成为影响深层速 度分析精度的主要原因【2 9 】一般来说，影响动校正误差的因素主要有均 方根速度，双程反射时间f o 及最大炮检距。动校正量为： 出n m o = ( 力- t ( o ) = ( o ) 【l + ( 石x 面) 2 】1 2 - - 1 n m o ) 3 。 。 由此可见，动校正时差随深度和速度的增大而减小。对于深层反射 而言，由于速度较大、，0 时间较大而形成的时距曲线比浅层平缓( 见图 3 1 ) ，动校正时差就越小，当利用过小的同相轴时差进行速度分析时， 会降低速度的分辨率，从而导致叠加速度的误差增大，速度分析的精度 越来越低。 1 7 二三坊：罴：赢磊最大炮检距的增大而增大。为了得到 。黧警丐篡黧要篙嚣茹吴：翟茹溢丽 要麓要慧凳羹篓雾喜黧基篓薹募并嚣裂茹三嚣簇磊 鎏矍銮鏖兰磊鬟鬈糕茹茹一刚一” 动校爰黧餮篆姜耄慧蒜藿喜蔷裟器蠢翥暴双曲线速度 。然谶燃嚣勰谶磊籍薹篙蓄荔 缆耄量翟霈需黧竺磊嚣鬻? 磊蒜茹 篓黧i = 鬈鬈鬻暴黧：鬻3 三茹； 度日及过井或井旁的反射层位瓦时间形厩多7 t j l 1 0 4 ”5 “ 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章速度分析精度的影响因素 3 2 2 炮检距 随着地震勘探工作的不断深入，勘探目标要求从地震数据中提取更 多、更详细和更精确的信息，尤其是提取叠前数据中包含的丰富信息， 而仅从短排列的地震资料中获取不到足够的地层信息，这就要求野外勘 探的炮检距要足够大，另一方面地表和地下的情况越来越复杂，偏离简 单的理论模型越来越远，地震波在传播过程中，随着偏移距的不同，传 播路径及其经过的地层在横向和纵向上均存在着差异，这必然会导致波 传播速度的差异。地震数据是由不同偏移距接收道组合而成的，常规速 度分析在道集内进行动校正时，通常采用双曲公式求取的叠加速度进 行。这样对整个c m p 道集采用相同的速度曲线，忽略了远近道和深浅 层等波传播路径的不同造成的非双曲动态时差。 图3 - 2 不同炮检深度比下的相似速度分析 如图3 - 2 ，四幅图分别代表了利用射线追踪生成的单层各向异性模 型数据在不同炮检深度比下得到的叠加速度分析图，模型反射面在 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章速度分析精度的影响因素 t o = 2 s ，可为0 1 ，1 ，一= 2 o f l l j $ ，最大炮检距是反射面深度的2 倍。可 以看出四种不同的炮检深度比下估计出的叠加速度随着x d 的增加而 增加，只有在炮检距趋近于零时，叠加速度才越接近于模型值2 o m s 。 因此，对于不同炮检距的道，应该考虑采用不同的叠加速度进行校正， 否则校