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定向地震波延時參數優化設計方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410252844.5

申請日:

2014.06.09

公開號:

CN103984007A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01V 1/00申請日:20140609|||公開
IPC分類號: G01V1/00 主分類號: G01V1/00
申請人: 吉林大學
發明人: 姜弢; 葛利華; 徐學純; 林君; 賈海青; 楊志超
地址: 130012 吉林省長春市前進大街2699號
優先權:
專利代理機構: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201 代理人: 王立文
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410252844.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.07.13|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種定向地震波延時參數優化設計方法,建立勘探區域地下介質模型,通過模型計算,求得不同方向的定向地震數據,依據接收陣列內反射波能量最強和能量均衡分布相結合的原則,取得最優延時參數。有效地解決了復雜地質條件下,定向地震波的延時參數優化選取問題,相比于傳統的定向地震波形成方法,有效應用于強噪聲環境下復雜地質條件的資源勘探,更好地提高地震勘探數據質量。

權利要求書

權利要求書
1.  一種定向地震波延時參數優化設計方法,其特征在于,包括以下步驟:
a、根據測區地質、地球物理資料,建立探區地下介質模型;
b、震源點和觀測排列按常規地震勘探方法設計,設震源點個數為N,編號順序分別為1,2,...,N,其中N≥2,各震源點保持等間距d,檢波器道數為n,道間距為D,震源函數為f(t),建立并求解彈性波方程,得到對應N個震源點的N個單炮記錄;
c、求取目標反射層上覆介質的均方根速度v;
d、設地震波主波束方向與法線夾角為θ,其中延時時間τ為定向地震波形成方法的延時時間參數,再根據三角函數性質-1≤sinθ≤1,則有
-dvτdv]]>  (不等式1)
其中延時參數τ取負值時代表信號超前,求解不等式1,得到不等式的解集
t0≤τ≤t1;
e、在[t0,t1]內,采用線性插值等間隔選取m個延時時間參數,記為τ1,τ2,...,τi,...,τm,其中τ1=t0,τm=t1,m≥20,針對每個延時參數τi(i∈[1,m]),將N個單炮記錄按震源點編號分別延時0,2τi,3τi,……,(N-1)τi,然后疊加,得到對應延時參數τi的定向地震記錄Hi;
f、以Hi中勘探目標反射信號同相軸為中心,選取等長的反射波時窗,計算定向地震記錄Hi內各道目標反射信號能量Ei,1,Ei,2,...,Ei,j,...,Ei,n,其中j∈[1,n],根據公式計算接收陣列內各道反射波能量密度pi,j;
g、根據計算Hi內接收陣列接收的目的反射波總能量hi;根據[(τ1,h1),(τ2,h2),...,(τi,hi),...,(τm,hm)]繪制反射波能量隨延時時間參數變化曲線,并從中找出前5個最大值點,設該五個最大值點對應的延時參數為:
τ1',τ2',τ3',τ4',τ5';
h、計算對應τ1',τ2',τ3',τ4',τ5'的5個定向地震記錄的反射波能量密度方差,最小方差對應的延時時間即為定向地震波的最優延時時間參數。

說明書

說明書定向地震波延時參數優化設計方法
技術領域:
本發明涉及一種基于能量均衡分布的定向地震波延時參數優化設計方法,特別是復雜介質條件下最優延時參數的優化設計方法。
背景技術:
定向波束形成技術源于相控陣雷達,通過控制各激發裝置的相位,使波在某一方向加強,其它方向削弱,形成具有方向的波束,使目標反射信號增強,從而達到高質量及遠距離探測目的,該項技術已被應用到地震勘探領域。
CN1560651公開了一種《相控陣地震勘探方法》,它采用多個可控震源按均勻間距共線方式排列。通過控制各個可控震源的延時或相位差,使得各個可控震源發出的掃描信號在地下某一方向同相疊加,震動信號加強。通過改變各震源的延時和相位差,從而實現地震波束的定向,使定向地震勘探成為可能。采用相控陣地震勘探方法,為陡傾斜地質體的地震勘探提供了一種有效方法,實現了定向地震勘探,此外還能提高地震勘探深度及地震勘探分辨率,解決了組合地震中震源臺數不能過多的問題。
CN101320095公開了一種《單震源定向照明地震信號合成方法》,在測線上設計1個以上乃至n個奇數等間距炮點,同時在該測線上還布設有1個以上乃至N個等道間距檢波點,通過可控震源取得炮點1單炮地震數據,移動炮點,取得炮點2單炮地震數據,移動炮點,取得炮點3單炮地震數據,以此方式類推取得乃至n個炮點的單炮地震數據,將延時后的單炮地震數據做線性疊加,合成具有方向性的定向照明地震信號,該信號對應定向地震波場。單震源定向照明地震信號合成方法與相控地震信號相比,信號的信噪比得到改善,具有需要震源數目少,工作成本低,操作簡單,克服了多個激震器不一致性的問題。
CN101339252《基于單震源的定向照明地震勘探方法》。按傳統地質勘探方法確定偏移距、道間距,共線布置檢波器陣列,依據同一組內各炮點的偏移距不同,不同組序號相差n的m個炮點偏移距相同的方法,采集整個剖面的單炮地震數據,對屬于同一組的單炮地震數據按編號順序依次作等間隔延時,將延時后的單炮地震數據做線性疊加,合成具有方向性的定向照明地震信號,該信號對應定向地震波場,利用常規地震數據處理方法就能得到基于單震源的定向照明地震剖面。
定向地震波形成技術通過控制地震波束方向,改善接收數據中目標反射信號信噪比,而波束方向的控制是通過對延時時間的控制來實現。要獲得最優的目標 反射信號信噪比,需要確定最優的延時參數。簡單地下介質條件下,延時參數可通過上述專利提供的方法選取,而實際地震勘探面對的經常是復雜介質。
發明內容:
本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足,提供一種主要用于地震勘探領域的源端及接收端波束定向,針對復雜介質條件的定向地震波延時參數優化設計方法。
本發明的主要思想是:通過模型計算,求得不同方向的定向地震數據,依據接收陣列內反射波能量最強和能量均衡分布相結合的原則,取得最優延時參數。
本發明是通過以下技術方案實現的:
定向地震波延時參數優化設計方法,包括以下步驟:
a、根據測區地質、地球物理資料,建立勘探區域地下介質模型;
b、震源點和觀測排列按常規地震勘探方法設計,設震源點個數為N,編號順序分別為1,2,...,N,其中N≥2,各震源點保持等間距d,檢波器道數為n,道間距為D,震源函數為f(t),建立并求解彈性波方程,得到對應N個震源點的N個單炮記錄;
c、根據地震波運動學原理,求取目標反射層上覆介質的均方根速度v;
d、設地震波主波束方向與法線夾角為θ,由定向地震波形成原理可知其中延時時間τ為定向地震波形成方法的延時時間參數,再根據三角函數性質-1≤sinθ≤1,則有
-dvτdv]]>  (不等式1)
其中延時參數τ取負值時代表信號超前,
求解得到不等式的解集t0≤τ≤t1;
e、在[t0,t1]內,采用線性插值等間隔選取m個延時時間參數,記為τ1,τ2,...,τi,...,τm,其中τ1=t0,τm=t1,m≥20,針對每個延時參數τi(i∈[1,m]),將N個單炮記錄按震源點編號分別延時0,2τi,3τi,……,(N-1)τi,然后疊加,得到對應延時參數τi的定向地震記錄Hi;
f、以Hi中勘探目標反射信號同相軸為中心,選取等長的反射波時窗,計算定向地震記錄Hi內各道目標反射信號能量Ei,1,Ei,2,...,Ei,j,...,Ei,n,其中j∈[1,n], 根據公式計算接收陣列內各道反射波能量密度pi,j;
g、根據計算Hi內接收陣列接收的目的反射波總能量hi;根據[(τ1,h1),(τ2,h2),...,(τi,hi),...,(τm,hm)]繪制反射波能量隨延時時間參數變化曲線,并從中找出前5個最大值點,設該五個最大值點對應的延時參數為:
τ1',τ2',τ3',τ4',τ5';
h、計算對應τ1',τ2',τ3',τ4',τ5'的5個定向地震記錄的反射波能量密度方差,最小方差對應的延時時間即為定向地震波的最優延時時間參數。
有益效果:經試驗,基于能量均衡分布的定向地震波延時參數優化設計方法,有效地解決了復雜地質條件下,定向地震波的延時參數優化選取問題,相比于傳統的定向地震波形成方法,有效應用于強噪聲環境下復雜地質條件的資源勘探,更好地提高地震勘探數據質量。
附圖說明:
圖1介質模型
圖2延時參數優化后的地震波束形成結果(已去除直達波)τ=1.875ms
圖3未進行延時參數優化的地震波束形成結果(已去除直達波)τ=3ms
具體實施方式:
下面結合附圖和實施例做進一步的詳細說明:
以遼寧某地傾斜層狀介質模型為例,針對第一個反射目標層,進行了基于能量均衡分布的定向地震波延時參數優化設計,但延時參數優化設計不受實例中給出的參數限制。
基于能量均衡分布的定向地震波延時參數優化設計,包括以下步驟:
a、根據測區地質、地球物理資料,建立勘探區域傾斜層狀介質模型,如圖1所示,模型區域長1220m,深1220m,取水平向右為x軸的正方向,豎直向下為z軸正方向,兩方向的交叉點取為坐標原點,建立直角坐標系;
b、震源點和觀測排列按常規地震勘探方法設計,震源點個數為N=9,編號順序分別為1,2,...,9,震源點坐標依次為(192,20)(200,20)、(208,20)、(216,20)、(224,20)、(232,20)(240,20)(248,20)(252,20),震源點間距d=8,檢波器在x正方向240~1120m范圍內以按道間距D=4m共線排列,檢波器道數n=221,建立并求解建立彈性波一階速度-應力方程(彈性波方程的一種形式),
ρ∂vx∂t=∂τxx∂x+∂τxz∂zρ∂vz∂t=∂τxz∂x+∂τzz∂z∂τxx∂t=(λ+2μ)∂vx∂x+λ∂vz∂z∂τzz∂t=(λ+2μ)∂vz∂z+λ∂vx∂x∂τxz∂t=μ(∂vx∂z+∂vz∂x)]]>
其中,vx、vz分別表示速度的水平分量和垂直分量,τxx、τzz分別表示x,z方向正應力,τxz為切應力,λ、μ為拉梅常數,采用交錯網格空間域四階、時間域二階中心差分格式,即
vxi,jl+1/2=vxi,jl-1/2+ρ(Dxτxx+Dzτxz)|i,jlvzi+1/2,j+1/2l+1/2=vzi+1/2,j+1/2l-1/2+Δtρ(Dxτxz+Dzτzz)|i+1/2,j+1/2lτxxi+1/2,jl+1=τxxi+1/2,jl+Δt[(λ+2μ)]Dxvx+λDzvz)|i+1/2,jl+1/2τzzi+1/2,jl+1=τzzi+1/2,jl+Δt[(λ+2μ)]Dzvz+λDxvx)|i+1/2,jl+1/2τxzi,j+1/2l=τxzi,j+1/2l+Δt[μ(Dzvx+Dxvx)]|i,j+1/2l+1/2]]>
其中,i',j',l'分別為x,z,t方向循環變量,Dx、Dz分別表示x,z的一階微分算子,Δt表示時間步長0.125ms,用變量g表示速度vx、vz或應力張量τxx、τzz、τxz,則
Dxg(x,z)=1ΔxΣii=14Cii4[g(x+Δx2ii-1,z)-g(x-Δx2ii-1,z)]+o(Δx8)Dzg(x,z)=1Δz=1ΔzΣjj=14Cjj4[g(x,z+Δz2jj-1)-g(x,z-Δz2jj-1)]+o(Δz8),]]>
穩定條件為Vmax為最大縱波速度,邊界條件采用PML完美匹配層吸收處理,相應的匹配層方程為,
vx=vxx+vxz∂vxx∂t+d(x)vxx=1ρ∂τxx∂x∂vxz∂t+d(z)vxz=1ρ∂τxz∂z]]>vz=vzx+vzz∂vzx∂t+d(x)vzx=1ρ∂τxz∂x∂vzz∂t+d(z)vzz=1ρ∂τzz∂z]]>τxx=τxxx+τxxz∂τxxx∂t+d(x)τxxx=(λ+2μ)∂vx∂x∂τxxz∂t+d(z)τxxz=λ∂vz∂z]]>
τzz=τzzx+τzzz∂τzzx∂t+d(x)τzzx=λ∂vx∂x∂τzzz∂t+d(z)τzzz=(λ+2μ)∂vz∂z]]>τxz=τxzx+τxzz∂τxzx∂t+d(x)τxzx=μ∂vz∂x∂τxzz∂t+d(z)τxzz=μ∂vx∂z]]>
其中,d(x)、d(z)分別表示x方向和z方向的衰減系數,采用Collino衰減模型,則
d(x)=3Vmax2δlog(1R)(xδ)2d(z)=3Vmax2δlog(1R)(zδ)2]]>
δ=200m為匹配層厚度,R為理論邊界反射系數,此處取10-6,震源函數f(t)采用線性升頻Chirp信號的自相關子波,Chirp信號的公式為掃描信號起始頻率f1=10Hz、終止頻率f2=100Hz,掃描信號幅度A=1,掃描信號時長T=2s,取自相關函數中心點左右45ms時窗內的信號作為震源信號,取空間采樣步長4m,計算各震源點形成的地震波場,并得到對應N=9個震源點的N=9個單炮記錄;
c、根據地震波運動學原理,求取目標反射層上覆介質的均方根速度為v=2000m/s;
d、設地震波主波束方向與法線夾角為θ,由定向地震波形成原理可知其中延時時間τ為定向地震波形成方法的延時時間參數,再根據三角函數性質-1≤sinθ≤1,則有
-dvτdv]]>  (不等式1)
其中延時參數τ取負值時代表信號超前,求解不等式1,得到不等式的解集-4≤τ≤4ms,本實施例中給出的模型,震源在接收陣列的左側,屬于單邊接收,由地震波反射原理,可知主波束方向一定滿足0≤θ≤90,即延時參數應為正值,因此可進一步縮小τ的范圍為0至4ms,即t0=0ms,t1=4ms;
e、在[t0,t1]內,采用線性插值等間隔選取m=33個延時時間參數,記為τ1,τ2,...,τi,...,τ33,其中τ1=0ms,τ33=4ms,針對每個延時參數τi(i∈[1,33]),將N個單炮記錄按震源點編號分別延時0,2τi,3τi,……,32τi后疊加,得到對應延時參數τi的定向地震記錄Hi;
f、以Hi中勘探目標反射信號同相軸為中心,選取同相軸中心左右各50ms 的反射波時窗,計算定向地震記錄Hi內各道目標反射信號能量:
Ei,1,Ei,2,...,Ei,j,...,Ei,221,其中j∈[1,221],
根據公式計算接收陣列內各道反射波能量密度pi,j;
g、根據可計算Hi內接收陣列接收的目的反射波總能量hi;根據[(τ1,h1),(τ2,h2),...,(τi,hi),...,(τ32,h32)]可繪制反射波能量隨延時時間參數變化曲線,并從中找出前5個最大值點,設該五個最大值點對應的延時參數為τ1'=1.625ms,τ2'=1.750ms,τ3'=1.875ms,τ4'=2.000ms,τ5'=2.125ms;
h、計算對應τ1'=1.625ms,τ2'=1.750ms,τ3'=1.875ms,τ4'=2.000ms,τ5'=2.125ms的5個定向地震記錄的反射波能量密度方差分別為7.14×10-4,5.13×10-4,4.03×10-4,5.74×10-4,6.69×10-4,最小方差為4.03×10-4,,對應的延時時間1.875ms,即τ=1.875ms為定向地震波的最優延時時間參數。

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定向 地震波 延時 參數 優化 設計 方法
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