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文檔簡介

1、第33卷第3期2010年6月文章編號 :1671-8585(2010 03-0153-07勘探地球物理進展P rogr ess in Explor ation Geophysics Vol. 33, No. 3Jun. , 2010地震波逆時偏移方法研究綜述陳可洋(中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院, 黑龍江大慶163712摘要:地震波逆時偏移是目前精度較高的深度域成像方法, 不同學者從不同的角度對逆時偏移方法進行了研究。因此, 在回顧地震波逆時偏移方法發展歷程的基礎上, 概述了當前流行的幾種疊前、疊后逆時成像方法及其適用性, 通過模型實例分析了幾種疊后逆時成像方法存在的一些問題, 同

2、時對比了幾種疊前逆時成像方法對Mar m 2ousi 模型的逆時成像效果, 最后指出了逆時偏移方法的發展方向。關鍵詞:逆時偏移; 波動方程; 爆炸反射面; 半速替換; 初至旅行時; 相關法; 逆時成像中圖分類號:P63114文獻標識碼:A地震波逆時偏移法是現行偏移方法中最精確的一種成像方法, 是一種基于波動理論的深度域偏移方法, 它與地震波正演數值模擬問題剛好相反, 將檢波器接收到的波場進行逆時延拓, 利用逆時成像條件實現對地下各點的成像。由于逆時偏移方法采用全波場波動方程, 并對波動方程中的微分項進行差分離散(如有限差分法、有限元法、偽譜法等 , 對波動方程的近似較少(這取決于差分方程與微分

3、方程的逼近程度 , 因此不受傾角和偏移孔徑的限制, 可以有效地處理縱橫向存在劇烈變化的地球介質物性特征(如速度、密度等 。Whitmore 1(1983 最早在第53屆SEG 年會上提出逆時偏移方法, Baysal 等(1983 提出了不同的逆時偏移概念, Loewenthal 和Mufti 3(1983 將逆時偏移方法應用在空間-頻率域。Levin 等(1984 概括了逆時偏移的基本原理和實現方法。H ildebrand 等5(1987 將逆時偏移方法應用于波阻抗成像, 取得了很好的效果。Levy 和Esmersoy642三維逆時成像。Yoon 等15(2004 指出逆時偏移方法需要解決的問

4、題, 如逆時偏移方法可以消除多次波效應, 但是無法壓制逆時偏移過程中的次生干擾。Zhang 等16(2007 提出真振幅逆時偏移的計算策略, Sava 等17(2005 提出了時移成像方法, 薛東川等(2008 采用有限元法實現了彈性波動方程疊前逆時偏移, Guan 等19(2008 采用多步法高效實現了逆時偏移, Liu 等20(2008 提出了反假頻波動方程正演和逆時偏移方法, Wards 等2118(2008 提出了相移時間步逆時偏移方法, Soubaras 等22(2008 提出了兩步法顯式匹配逆時偏移方法, Jones 23(2008 提出了逆時偏移的預處理方法, Guo 等(200

5、8 采用三角網格有限差分法實現了疊后逆時偏移。Chattopadhyay 等25(2008 和Costa 等26(2009 提出了時空移相關法疊前逆時成像方法, 實現了復雜介質疊前逆時成像。陳可洋(2009 提出基于旅行時成像條件的高階交錯網格有限差分疊前逆時偏移方法, Zhang 等31(2009 采用一步內插法實現逆時深度偏移, Dus 2saud 等(2008 研究了逆時偏移的計算策略問題等。本文對逆時偏移方法進行了數值計算和歸納總結。32273024(1988 研究了逆時波場外推、成像和反演問題。Zhu 和Lines 7(1994 比較了逆時偏移與克?;舴蚍e分偏移方法, 得出前者對Ma

6、r mousi 模型成像精度更高, 但耗時多的結論。Wu 等(1996 研究了三維高階有限差分法逆時偏移技術, Causse 和U rsin 9(2000 進行了粘彈性波動方程試算, 證明逆時偏移方法對粘彈性波一樣適用。Sun 和McMechan (2001 進行了標量波動方程的逆時深度偏移, 對縱波和橫波的成像結果表明, 彈性波逆時偏移比單純聲波效果更好。張美根等(2001 實現了各向異性彈性波疊前、疊后逆時深度偏移, 張會星等12(2002 實現了彈性波動方程疊前逆時偏移, Mul 2der 等(2003 比較了單程和雙程波動方程偏移, 1413111081 逆時成像方法文中采用的地震波正

7、演遞推算子和逆時延拓算子的具體計算公式可參見文獻27, 在此不再贅述。下面分述4種逆時成像條件及其適用性。收稿日期:2009-12-28; 改回日期:2010-02-04。作者簡介:陳可洋(1983 , 男, 助理工程師, 碩士, 主要從事地震資154勘探地球物理進展第33卷1. 1 基于爆炸反射界面原理和零時間的成像方法爆炸反射界面成像方法是最常用、最簡單的一種成像方法, 適合于單程旅行時零偏移距剖面的疊后偏移成像, 不適合于疊前逆時成像。它把地下反射界面假設為爆炸源, 爆炸源的形狀、位置與反射界面的形狀和位置完全一致, 它所產生的脈沖波的強度和極性與界面反射系數的大小和正負一致, 所以稱地

8、下反射界面為爆炸反射界面。在零時刻所有爆炸反射界面同時起爆, 在地表接收地震波場, 接著將地表接收到的波場以給定的模型速度沿逆時間方向延拓至零時刻, 此時的波場值就能夠正確描述地下反射界面的位置, 自動實現疊后逆時深度成像。1. 2 半速替換原理和零時間的成像方法該方法同樣基于爆炸反射界面的基本假設, 不同的是, 它考慮的是雙程旅行時零偏移距剖面偏移成像, 不考慮界面反射系數的大小與極性, 同樣不適用于疊前逆時成像。該方法將震源置于整個地表, 在零時刻所有震源同時起爆, 沿著速度模型向地下傳播, 遇地質界面后反射至地表, 并被所有地表檢波器所接收。接著, 檢波器接收到的波場以給定介質速度的一半

9、向地下傳播(這里采用半速替換的目的是使雙程旅行時等效為單程旅行時, 因為這里只考慮反射界面至地表檢波器的距離, 它是地表 地下界面 地表總距離的一半(基于水平介質假設 。速度減半后, 雙程旅行時就自動等效于單程旅行時 , 并沿著逆時間方向延拓至零時刻, 此時的波場已經能夠正確地反映出地下反射界面的位置, 從而實現了疊后逆時成像。1. 3 初至旅行時成像該方法(可參見陳可洋提出的基于旅行時成像條件的疊前逆時成像方法 不同于以上兩種方法, 它通常適用于疊前聲波和彈性波逆時偏移成像, 本文將其推廣應用于聲波疊后雙程旅行時零偏移距逆時偏移成像。它采用波場傳播的時間一致性成像原理, 即地震波到達地下某一

10、反射界面的時間與地表接收波場逆時延拓至該反射界面位置的旅行時一致, 否則該位置不在反射界面上, 由此篩選出符合條件的成像值, 組合后得到逆時偏移剖面。其具體過程可描述為:將震源置于地表(對疊后逆時偏移情況, 將震源置于整個地表, 而對于疊前逆時偏移情況, 則只置于點震源位置 , 在零時刻所有震源同時起爆, 沿著速度模型向地下傳播, 遇地質界面后反射至地表被所有地表檢波器接收, 接著27件, 并將檢波器接收到的波場以給定介質速度沿逆時間方向向地下延拓, 在延拓的每一個時間步中, 根據已知的初至旅行時成像條件, 篩選出具有相同旅行時的波場值作為其成像值, 從而實現逆時成像。1. 4 相干成像該方法

11、不同于以上3種方法, 它適合于處理具有雙程旅行時特征的疊前、疊后聲波和彈性波逆時偏移成像。它采用波場傳播的最大相干性成像原理, 即地震波到達地下某一反射界面的波場與地表接收到的波場逆時延拓至該反射界面的波場具有最大相干性。如果兩者的相干性不是最大, 那么該位置不在反射界面上, 由此記錄最大相干值并累加作為該位置處的成像值, 從而實現逆時偏移。其具體過程與初至旅行時成像方法相似, 差別在于不必求取初至旅行時成像條件, 而是對地表接收波場與震源波場在同一時刻作相干成像處理, 篩選出某一空間位置處的最大相干累加值作為其成像值, 從而實現逆時成像。目前典型的幾種相干成像方法如下(以二維為例 。1. 4

12、. 1 非時空移相關法這是最為常用的成像方法, 它是將震源波場(S 與接收波場(R 在同一空間位置(x, z 作互相關運算再累加來估算該位置處的成像值I (x, z :I (x, z =E E Sst sXs(x, z , t *R s (x, z, t (1其頻率域表達式為:I (x, z =S (x, z, X R (x, z, X E Ess(2式中:x 和z 分別表示水平和深度軸, t 為時間, 下標s 代表炮集個數。該成像方法對小阻抗差結構的成像是有效的, 如圖1所示。式(2 與常規單程波偏移成像方法相比, 兩者的計算公式相同, 這很好地說明了單程波偏移方法和雙程波逆時偏移方法具有相

13、似的理論基礎。1. 4. 2 非時空移反射系數相關法該方法借鑒了照明分析的基本思想, 并可進一步壓制次生干擾, 其計算公式如下:震源照明I 1(x, z =E S (x, z, t *R (x, z, t EE S (x, z, tssts2s t(3接收照明I 2(x, z =E S (x, z, t *R (x, z, t EE R (x, z, tssts2s t(4第3期陳可洋1地震波逆時偏移方法研究綜述155式(3 和式(4 在頻域也與常規單程波偏移算法計算公式相同。為了避免分母自相關值接近于零, 導致數值溢出(發散 , 對式(3 和式(4 的分母進行修正處理, 增加一修正因子E (

14、也可稱為穩定性因子 , 于是得到修正后的計算公式如下:震源照明I 1(x, z =接收照明I 2(x, z =E S (x, z, t *R (x, z, t EE R (x, z, t +Essts2s t(6式(5 和式(6 即為平滑逆時成像方程。Guit 2ton 等33(2007 指出, 在理論上, 修正因子E 取決于地震資料的信噪比, 而在實際計算中, 可通過選(5取不同的修正因子E 值作交互試驗, 分析其剩余譜 特征來實現參數的合理選取。EsE S s (x, z , t *R s (x, z, ttE St2s(x , z, t +E圖1 震源波場(a 、接收波場(b 和震源波場

15、與接收波場的相關處理(c1. 4. 3 時空移相關法時空移成像方法是通過震源波場與接收波場在空間方向和時間方向均作互相關運算來估算最佳成像值的一種方法。它由Sava 和Fomel 17(2006 提出, 是1. 4. 1方法的一般情況, 其計算公式如下:I (m =子波作為震源, 聲波速度從上到下依次為2000m/s 、2500m/s 、3000m/s 、3500m/s, 時間步長為015ms, 縱橫向空間步長均為5m 。采用一階雙曲型聲波方程, 應用高階交錯網格有限差分法進行離散, 差分精度為時間2階和空間10階, 在邊界處采用完全匹配層吸收邊界條件, 制作出不同零偏移距剖面, 并實現相應的

16、疊后逆時深度偏移。(7EsE S s (m +h, t +S *tR s (m-h, t -S 在頻域可表示為 I (m =Es2i X SS s (m+h, X R s (m-h, X e E X(8式中:i=-1, m 代表空間坐標位置(x, z , h 代表空間方向相關計算位移量(h x , h z , S 代表時間方向相關計算位移量。由該方程同樣可以推導出時空移反射系數相關法逆時成像方程。Sava 等17(2006 還指出時移比空移更為有效, 可以大大減小計算量和存儲量。2 實例分析2. 1 疊后逆時深度偏移以二維帶凹陷的層狀介質模型為例, 如圖2所 10001000圖2 層狀介質速度

17、模型圖3為基于爆炸反射界面原理和零時間成像156勘探地球物理進展第33卷深度偏移剖面, 采用的主頻為30H z, 總旅行時間為1s; 圖4和圖5均為基于半速替換和零時間成像方法得到的零偏移距剖面和疊后逆時深度偏移剖面, 總旅行時間為2s, 采用的主頻分別為40H z 和10H z; 圖6是采用主頻40H z 、基于自激自收方式合成雙程旅行時零偏移距剖面, 再根據旅行時成像方法得到的疊后逆時深度偏移剖面。對比圖3a 、圖4a 、圖5a 可知, 盡管3種方法采用的主頻不同, 但剖面中均無明顯的數值頻散和邊界反射現象, 說明合成零偏移距剖面的計算精度較高。對比圖3b 、圖4b 、圖5b 和圖6可知,

18、 采用爆炸反射界面原理和零時間成像方法的疊后逆時偏移剖面能夠準確地恢復地質界面, 且信噪比較高。采用半速替換和零時間成像方法的疊后逆時偏移剖面也可以準確地恢復水平層位, 但剖面中存在較強的頻散現象(即偽波動 , 其隨著主頻的降低而逐步減弱, 并且繞射波沒有收斂。究其原因, 首先是由于檢波器接收到的反射波是雙程旅行時, 而繞射波傳播的路徑是從繞射點至地表檢波器, 因此是單程旅行時, 采用半速替換后, 繞射波變成了/半單程旅行時0, 無法實現收斂。其次, 根據K =和N =(這里f $hK 為波長, v 為波速, f 為頻率, $h 為空間步長, N 為每波長所占有的空間節點數 , 在給定頻率f

19、的情況下進行半速替換, 波長K 必然減小, 而此時空間步長$h 大小不變, 那么每個波長所占空間樣點數必然減少一半。通常每個波長占8個采樣點時才能保證整個計算過程具有較弱的頻散現象(只有精細網格剖分才能最大程度壓制頻散, 而這必然帶來巨大的計算量 , 而這里半速替換后, 每個波長所占采樣點數減小為4個, 從而導致了頻散現象顯著。由此可見, 該方法只適合于低頻和水平介質的疊后逆時偏移。這也從側面說明, 該方法適合于CDP 域的疊前逆時成像, 因為 CDP 第3期陳可洋1地震波逆時偏移方法研究綜述157圖5 主頻10H z 時, 基于自激自收方式合成的零偏移距剖面(a 及其半速替換后的疊后逆時深度

20、偏移剖面(b域波場的偏移處理是基于水平層狀介質假設的。為了解決反射波和繞射波所具有的單、雙程旅行時問題, 本文采用垂直旅行時成像方法, 這樣可以保證繞射波準確地收斂于繞射點, 反射波準確歸位(圖6 。由于不需要進行半速替換, 因此偏移剖面無頻散現象。對比圖4b 、圖5b 和圖6也不難發現, 剖面中均存在一些次生干擾, 這是基于雙程波 動方程方法進行逆時偏移所難免的。另外還需指出, 基于旅行時成像條件的疊后逆時偏移剖面中, 斷層會削弱部分深層同相軸的能量。2. 2 疊前逆時深度偏移采用3種逆時成像方法分別對Marmousi 速度模型(圖7 進行疊前逆時成像試驗。模型總大小為1915m 605m,

21、 空間縱橫向網格間距均為5m, 最小速度為1500m/s, 最大速度為5500m/s, 密度為1. 0g/cm 3, 時間步長為014ms, 滿足穩定性條件。采用最大頻率為80H z 的零相位雷克子波作為震源, 采用右側放炮多次覆蓋的觀測系統, 震源和檢波器均置于地表, 第1炮位于模型的420m 處, 炮間距為10m, 道間距為5m, 排列長度為420m, 共激發了151炮。圖8a圖8c 分別為應用非時空移相關成像方法、非時空移反射系數相關成像方法和基于旅行時成像方法的疊前逆時深度偏移剖面。對比圖8與圖7可以看出, 各種地質構造形態成像清晰準確, 3條右傾主干大斷層、向斜和背斜構造及不整合界面

22、清晰可見, 局部的小斷塊也清晰可辨, 說明這幾種成像方法的逆時偏移噪聲能量較小, 計算精 度較高。圖6 根據零偏移距剖面(圖4a 并基于旅行時成像條件生成的疊后逆時深度剖面158 勘探地球物理進展 第 33 卷 圖8 疊前逆時深度偏移剖面 a 非時空移相關成像方法; b 非時空移反射系數相關成像方法; c 基于旅行時成像條件 和存儲量均是非常龐大的, 特別是三維逆時偏移情 3 結束語 地震波逆時偏移方法是當前勘探或計算地球 況, 這主要是由相關成像運算造成的; 它的主頻 有限, 在保證逆時偏移無數值頻散的前提下, 要提 高逆時偏移剖面的主頻必然要減小空間網格步長, 這勢必增加更多額外的計算量和

23、存儲量。 綜上分析可知, 逆時偏移的工業化應用必需建 立在快速、 高效的計算機水平的基礎上。 參 1 物理學界的研究熱點, 該方法采用精確差分離散計 算方法來求解雙程波動方程, 不需要進行上下行波 分解, 能有效處理多值走時問題, 并可以通過簡單 的直達波切除和窗口相關成像處理, 或通過應用旅 行時成像方法拾取成像值來實現復雜介質高精度 逆時偏移成像。 目前, 逆時偏移仍存在一些有待繼續研究的問 題, 如: 它是基于雙程地震波動方程, 不可避免地 在逆時偏移過程中會產生次生干擾; 無論采用哪 種成像方法和數值離散計算方法, 它所需的計算量 考 文 獻 Whitmore N D. Iterati

24、ve depth imaging by backwar d time pr opagation J . Expanded Abstracts of 53 rd An2 nual Inter national SEG Meeting, 1983, 382 384 2 3 Baysa l E, Kosloff D D, Sherwood J W C. Rever se time migration J . Geophysics, 1983, 48( 11 : 1 514 1 524 Loewenthal D, Mufti I R. Rever se 2time m igr ation in 第3期

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39、33, No. 3 Jun. , 2010 ABSTRACT Review of seismic reverse time migr ation methods. Chen Keyang. PEG, 2010, 33( 3 : 153 159 Seismic rever se time migration is a method of high imaging precision in depth domain. Different realizations of reverse mi2 gration have been put forward. This paper review ed t

40、he history of seismic rever se time migration, and summarized several prev2 alent prestack and poststack reverse time migration schemes and their adaptability. We demonstrated different poststack re2 ver se time imaging conditions with model data, and compar ed the results fr om different reverse ti

41、me migration methods on Marmousi model. The outlook of r everse time migr ation was al2 so forecast. Keywords: reverse time migration; wave equation; exploding re2 flector inter face; half 2speed substitution; first arrival; correla2 tion method; reverse time imaging condition Chen K eyang, Explorat

42、ion and Development Research Institute of Daqing O ilfield Company Limited, Daqing 163712, China Review of quality control of seismic data processing in the course of integrated study of seismology & geology. Li Dawei, Yang Kai, Yang Shunjun. PEG, 2010, 33( 3 : 160 167 W ith more and more seismology

43、 & geology integrated work being implemented in geophysical exploration industry, the quality control of seismic data processing has been received great attention. In this paper, three typical QC methods used in industry: well2control Q C method based on VSP data, inver sion2 oriented QC which is ba

44、sed on rock physics modeling, and con2 sistency iented Q C based on a delicate processing to keep true 2or amplitude, fr equency, phase and waveform relatively, w er e re2 view ed in detail. Discussions on the future development of QC methods of seismic data processing were suggested. Keywords: inte

45、gr ated study of seismology & geology; quality control; w ell control seismic data processing Li Dawei, School of Ocean and Ear th Science, Tongji U niver si2 ty, Shanghai 200092, China Realization of time 2domain residual curvature migr ation velocity analysis in iCluster software platform. Zhang B

46、ing, Wang Hua2 zhong, Sun Chenglong, Liu Shaoyong. PEG, 2010, 33 ( 3 : 168 173 Residual cur vature analysis ( RCA based on common ima2 ging point gathers is one of the effective methods in impr oving the accuracy of migration velocity. By analyzing the relationship between the residual curvature of

47、Kirchhoff PSTM common imaging point gathers and migration velocity, we developed a PSTM velocity analysis module on iCluster seismic data pro2 cessing platform. We tested the module with model data and re2 al data. A ll the tests show that this module can adjust the RMS velocity field locally and qu

48、antificationally, and can wor k well with Kirchhoff prestack time migration. Keywords: r esidual curvatur e analysis; migr ation velocity analy2 sis; PSTM; iCluster Zhang Bing, School of Ocean and Ear th Science, Tongji Univer2 sity, Shanghai 200092, China Forward modeling based on anisotropic gas 2

49、bear ing sandstone model and characteristics analysis of AVO response. Zhou Hua2 ilai, Li Luming, Luo Shengxian, Wang Mingchun. PEG, 2010, 33 ( 3 : 174 178 In order to investigate the multi wave char acteristics of e2 2 lastic waves in anisotropic gas 2bearing sandstone r eser voirs to facilitate th

50、e inter pretation of multi wave seismic data, this pa 2 2 per adopts high2order staggered id finite difference method to 2gr simulate propagation of seismic waves in anisotropic gas 2bear 2 ing sandstone media based on anisotropic elastic wave equation. The effect of anisotropic coefficients on mult

51、i wavefield was an 2 2 alyzed, and the responses of the wavefield in isotropic and ani 2 sotropic gas2bear ing sandstone reservoir s were compared. Re 2 sults show that anisotropy significantly affects wavefield char 2 acteristics and AVO response, and the impact manifests different behaviors on P 2

52、waves and converted waves. The amplitude charac 2 teristics in seismic record is consistent with the AVO reponse, indi 2 cating that the combination of forward modeling and AV O anal 2 ysis can provide a solid base for identifying multi wavefield. 2 Keywords: multi wave and multi component; wavefiel

53、d char ac 2 2 2 teristics; AVO analysis; per fectly matched layer; forward modeling Zhou Huailai, State Key Laboratory of Oil and Gas Reser voir Geology and Exploitation and Key Lab of Ear th Explor ation & Information Techniques of Ministry of Education, Chengdu U2 niversity of Technology, Chengdu

54、610059, China Exper iment on ground resistance in high 2density electrical meas 2 ur ement. Zhang Lingyun, Liu Hongfu, Li Chengyou. PEG, 2010, 33( 3 : 179 183 A n experimental study of electrical prospecting with uni 2 form and non2uniform gr ound resistance on the same testing field w as introduced. The variability of appar ent resistance and the effect of ground resistance on sensiti

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