橢圓展開轉換波速度分析方法與系統與流程
2023-12-05 07:45:26
本發明涉及地震數據處理技術領域，特別涉及一種橢圓展開轉換波速度分析方法與系統。
背景技術：
開發轉換波地震技術的想法產生於20世紀下半葉。由於利用該技術可以在地震資料處理時得到較高解析度的時間剖面，能夠獲得縱波和橫波速度及其比值，用以研究地質剖面的巖性、應力狀態以及進行巖相分析，並且地震野外採集的投入增加也不大，所以人們對這一技術曾經寄予厚望。但是目前主要的地震工作都是通過研究單一的縱波完成的，僅僅一小部分地震勘探運用了轉換波，但也僅限於地震反射層為簡單的層狀結構地區。主要原因是缺乏處理轉換波地震數據的完整的成熟技術和軟體，因而不能處理一般地質條件下的轉換波地震數據。
現有技術中常見的轉換波疊加方法，利用共轉換點(ccp)道集抽取轉換波反射路徑示意圖如圖1所示：
首先，轉換波時距方程。
由震源產生的下行縱波p，遇到界面後轉換成轉換波p-sv，然後上行波傳到地面。由此可以推導出時距方程：
其中vp和vs分別為介質的縱波和橫波速度，x為炮檢距，xp為震源點到轉換點的水平距離，zr為反射界面深度，zs為震源深度。可見，即使對於水平界面均勻介質，轉換波時距曲線方程也不再是雙曲線方程。
其次確定轉換點。轉換點的水平距離xp可由下式確定
其中
a4＝1-g2
a3＝-2(1-g2)
a1＝-2x(zr-zs)2
a0＝2x2(zr-zs)2
其中g＝vp/vs。
其中，共轉換點道集的抽取。前人已經提出了幾種ccp道集抽取算子，但是他們所設計的抽道集算子均為近似算子。當偏離距大於反射層深度時，利用近似算子所抽取的道集，共轉換點發生嚴重分散和移位。
二、轉換波速度分析
由於在轉換波的處理中，轉換點坐標的計算與縱、橫波速度有關，而速度分析又需要ccp道集，因此轉換波的速度分析又分為兩步：首先是在cmp(共轉換點道集)道集上作初步速度分析，然後是在ccp道集上進行精細速度分析。而且速度分析與抽取ccp道集是一個過程。
ccp道集上的時距曲線方程為
這裡，為轉換波旅行時，為轉換波零炮檢距旅行時，g為縱波和轉換波波速度比，xp-為轉換點坐標，x為炮檢點中點坐標，根據已知的p波速度vp(可由縱波的速度譜求出)。利用ccp道集上的時距曲線方程在分層ccp選排道集上進行vs掃描，即對轉換波記錄從淺到深地執行轉換波動校正，以找到一個合適的位置；當同相軸被校平時，該橫波速度即為所求。用所求的vs再對炮集記錄重新抽ccp道集，繼續vs分析，反覆迭代可求得高精度的轉換橫波疊加速度。
三縱波和轉換波時間匹配方法
目前，縱波和轉換波波時間匹配方法主要有兩種：一是人工對比法，二是局部互相關法自動匹配。對於品質較好的地震資料，人工對比法可以解決大套層位的時間匹配。解釋人員目測兩側剖面上的層位，人機互動逐點進行層位匹配效率低。局部互相關法可以實現自動時間匹配，但是需要設置計算時窗，且假設該時窗內每一點的時移不變，當時移量較大、變化劇烈時該方法就會失效。
該技術的ccp道集抽取及速度分析，均以cmp理論和p波處理流程為基礎進行進一步計算和改進。過程繁雜，相關公式為近似公式，較為複雜且不準確，共轉換點容易發生分散和移位。
當地下反射界面為任意形狀、地表起伏較大時，利用炮檢對兒不對稱分選技術不能有效地形成共轉換點道集。由於缺少傾角和速度的信息，因而不能在共轉換點形成疊加信號。此外，不能獲得縱波和轉換波速比γ的準確信息，亦不能將pp波剖面和ps波剖面的反射界面進行關聯統一。
技術實現要素：
本發明的目的旨在至少解決所述的技術缺陷之一。
為此，本發明的一個目的在於提出一種橢圓展開轉換波速度分析方法與系統，該方法避免了傳統轉換波處理技術的需要先做近似共轉換點道集,然後才能進行速度分析的缺點，過程簡單，減少近似公式，當地下反射界面為任意形狀時，利用本方法能夠有效地形成共轉換點疊加剖面。利用速度分析結果,可以將pp波剖面和ps波剖面的反射界面進行關聯統一。
為了實現上述目的，本發明一方面的實施例提供橢圓展開轉換波速度分析方法，包括以下步驟：
步驟s1，獲取共炮點道集，根據所述共炮點道集數據，建立觀測系統；
步驟s2，在所述步驟s1建立的觀測系統的基礎上，由共炮點道集的速度分析公式
其中，設在所述觀測系統下，s表示炮點，r表示檢波點，a表示轉換反射點，c為反射界面的a點處的法線與sr線的交點，入射p波速度vp，p波在炮點-轉換反射點路徑的相應旅行時t1，ps波速度vs，ps波轉換反射點-檢波點路徑的相應旅行時t2，法向ac的相應雙程旅行時t0，入射角α1，反射角α2，地層傾角l是炮點到檢波點的距離；l0為炮點到反射界面處法線與水平線的交點的距離；
根據餘弦定理
得出餘弦定理加和公式
其中，表示法向雙程旅行時中p波對應的部分,t0s表示法向雙程旅行時中ps波對應的部分；
根據斯奈爾定律進行變換並帶入餘弦定理加和公式
變換得到轉換波速度分析方程
步驟s3，利用轉換波速度分析方程，進行轉換波速度分析，設定vp和vs分析範圍以及相應的增量間隔，對不同的vp和vs將共炮點道集數據進行展開求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，疊加能量最大點對應的vp和vs對即為所求的轉換波速度速度值，建立vp和vs表。
優選的，步驟2中，所述觀測系統中，將炮點放置在坐標原點。
優選的，步驟3中，對不同的vp和vs求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，在速度譜上,每一時刻都對應一幅時間切片,該時間切片的橫縱坐標分別是vp和vs值，疊加能量最大點對應的vp和vs即為所求的縱波和轉換波速度值，選取記錄下所求的縱波和轉換波速度值,即完成建立vp和vs表。
優選的，步驟s3中，在求取vp和vs表時，設定vp範圍：1000-7000m/s，增量間隔50m/s；vs範圍：500-5000m/s，增量50m/s。
優選的，在步驟s3之後，還包括如下步驟：
步驟s4，將得出的轉換波和縱波速度帶入轉換波疊加成像方程，獲得轉換波疊加成像剖面。
本發明的另一個目的在於提出一種橢圓展開轉換波速度分析系統，包括
觀測系統建立模塊，用於獲取共炮點道集，根據所述共炮點道集數據，建立觀測系統；
轉換波速度方程求取模塊，用於求取轉換波速度方程，由共炮點道集的速度分析公式
其中，設在所述觀測系統下，s表示炮點，r表示檢波點，a表示轉換反射點，c為反射界面的a點處的法線與sr線的交點，入射p波速度vp，p波在炮點-轉換反射點路徑的相應旅行時t1，ps波速度vs，ps波轉換反射點-檢波點路徑的相應旅行時t2，法向ac的相應雙程旅行時t0，入射角α1，反射角α2，地層傾角l是炮點到檢波點的距離；l0為炮點到反射界面處法線與水平線的交點的距離；
根據餘弦定理
得出餘弦定理加和公式
其中，表示法向雙程旅行時中p波對應的部分,t0s表示法向雙程旅行時中ps波對應的部分；
根據斯奈爾定律進行變換並帶入餘弦定理加和公式；
變換得到轉換波速度分析方程
轉換波速度分析模塊，用於利用轉換波速度分析方程，進行轉換波速度分析，設定vp和vs分析範圍以及相應的增量間隔，對不同的vp和vs將共炮點道集數據進行展開求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，疊加能量最大點對應的vp和vs對即為所求的縱波和轉換波速度值，建立vp和vs表。
優選的，觀測系統建立模塊中所述觀測系統中，將炮點放置在坐標原點。
優選的，在轉換波速度方程分析模塊中，對不同的vp和vs求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，在速度譜上,每一時刻都對應一幅時間切片,該時間切片的橫縱坐標分別是vp和vs值，疊加能量最大點對應的vp和vs即為所求的縱波和轉換波速度值，選取記錄下所求的縱波和轉換波速度值,即完成建立vp和vs表。
優選的，在轉換波速度方程分析模塊中求取vp和vs表時，設定vp範圍：1000-7000m/s，增量間隔50m/s；vs範圍：500-5000m/s，增量50m/s。
優選的，本發明還包括：轉換波速度成像模塊，用於將得出的轉換波和縱波速度帶入轉換波疊加成像方程，獲得轉換波疊加成像剖面。
根據本發明實施例的提供的轉換波速度分析方法與系統，針對以cmp理論為基礎的轉換波處理難點——共轉換點(ccp)道集的產生問題，本發明轉換波成像方法中不涉及由cmp道集向ccp道集的轉換，直接由共炮點道集數據進行處理和計算,直接獲得轉換波速度和相應縱波速度。
針對傳統速度分析時出現的非雙曲線正常時差校正問題本發明轉換波速度分析方法中同時建立比常規方法更為可靠的縱波速度場和轉換波速度場。
利用轉換波速度分析方法同時建立縱波速度場和轉換波速度場的優勢，獲得二者之間的關係，解決縱波與轉換波疊加成像剖面的準確標定問題。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1為背景技術中傳統方法中轉換波反射路徑示意圖；
圖2為本發明一種橢圓展開轉換波速度分析方法的方法流程圖；
圖3為本發明一種橢圓展開轉換波速度分析方法的轉換波反射路徑和疊加成像方法原理圖；
圖4為根據本發明一種橢圓展開轉換波速度分析方法得到的ps波速度分析界面；
圖5為轉換前pp波與ps波疊加剖面轉換和對比界面；
圖6為根據本發明轉換後pp波與ps波疊加剖面轉換和對比界面；
圖7為本發明一種橢圓展開轉換波速度分析系統的系統結構圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
如圖2所示，本發明一方面的實施例提供橢圓展開轉換波速度分析方法，包括以下步驟：
步驟s1，獲取共炮點道集，根據所述共炮點道集數據，建立觀測系統；優選的，所述觀測系統中，將炮點放置在坐標原點。
步驟s2，在所述步驟s1建立的觀測系統的基礎上，由共炮點道集的速度分析公式
其中，設在所述觀測系統下，s表示炮點，r表示檢波點，a表示轉換反射點，c為反射界面的a點處的法線與sr線的交點，入射p波速度vp，p波在炮點-轉換反射點路徑的相應旅行時t1，ps波速度vs，ps波轉換反射點-檢波點路徑的相應旅行時t2，法向ac的相應雙程旅行時t0，入射角α1，反射角α2，地層傾角l是炮點到檢波點的距離；l0為炮點到反射界面處法線與水平線的交點的距離；
如圖3所示,本發明的一個實施例中，對於三角形sac和car，按照餘弦公式可以寫成兩個方程：
其中表示法向雙程旅行時中p波對應的部分,t0s表示法向雙程旅行時中ps波對應的部分,
將這兩個方程相加得到餘弦定理加和公式
對於法線線段ca來說，顯然，其中
則有
當炮點和檢波點不重合時，t＝sa/vp+ar/vs＝t1+t2,用(t0,vp,vs)來表示和，有：
由斯奈爾定律有：
如此則有：
將上述公式(2)-公式(4)帶入公式(1)中，即得到橢圓展開轉換波速度分析方程。
步驟s3，利用轉換波速度分析方程，進行轉換波速度分析，設定vp和vs分析範圍以及相應的增量間隔，對不同的vp和vs將共炮點道集數據進行展開求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，疊加能量最大點對應的vp和vs對即為所求的縱波和轉換波速度值，建立vp和vs表；具體的，在速度譜上,每一時刻都對應一幅時間切片,該時間切片的橫縱坐標分別是vp和vs值，疊加能量最大點對應的vp和vs即為所求的縱波速度值和轉換波速度值，選取記錄下所求的縱波和轉換波速度值,即完成建立vp和vs表。
在求取vp和vs表時，設定vp範圍：1000-7000m/s，增量間隔50m/s；vs範圍：500-5000m/s，增量50m/s。
步驟s4，將得出的轉換波和縱波速度帶入轉換波疊加成像方程，獲得轉換波疊加成像剖面。
需要說明的是，轉換波疊加成像方程可以採用本發明實施例中的公式(5)直接得出疊加成像剖面，也可以採用現有技術中的其他成像方法需要說明的是，需要將轉換波速度和縱波速度兩個參數轉換為等效速度比，然後才能為現有其他成像方法使用。
獲得轉換波疊加成像剖面後，還可以通過成像剖面進行縱波和轉換波剖面轉換和對比；通過如下縱波與轉換波的時間域公式，進行縱波與轉換波疊加成像剖面的準確標定；
炮點到檢波點的距離為0的情況下，縱波與轉換波之間的時間域關係為：
tp＝2ts/(1+γ)(3)
其中，tp和ts分別表示縱波旅行時和轉換波旅行時；γ表示轉換波速度和縱波速度之比。
圖4為ps波速度分析界面，左邊為疊加能量剖面，右邊為速度vp譜，下圖為(vp,vs)譜。vp和vs的最佳值恰好對應疊加能量剖面上相應位置的疊加能量最大值。充分說明本算法的正確性。
如圖5所示，為pp波與ps波疊加剖面轉換和對比界面(轉換前)。左圖為pp波疊加剖面，中圖為ps波疊加剖面，右圖為用於轉換和對比的參數——縱波和轉換波速比r譜。很明顯，r譜上能量團最大處對應的r的值為2，與實際模型的設計r值一致，說明該方法的正確性。為了對比，選擇cp190-370範圍。
如圖6所示，pp波與ps波疊加剖面轉換和對比界面(轉換後)。左圖為pp波疊加剖面，中圖為轉換後(經橫縱波速比r校對到pp波時間)的ps波疊加剖面，右圖為用於轉換和對比的參數——縱波和轉換波速比r譜。很明顯，r譜上能量團最大處對應的r的值為2,與實際模型的設計r值一致，而且轉換後的ps波疊加剖面與pp波疊加剖面上反射層的時間基本對應一致，充分說明該方法的正確性。為了對比，選擇cp190-370範圍。
本發明的另一個目的在於提出一種橢圓展開轉換波速度分析系統，參考上述實施例，如圖7所示，包括觀測系統建立模塊1、轉換波速度方程求取模塊2、轉換波速度分析模塊3、轉換波速度成像模塊4。
觀測系統建立模塊1用於獲取共炮點道集，根據所述共炮點道集數據，建立觀測系統；轉換波速度方程求取模塊2用於求取轉換波速度方程，參考上述實施例的變換過程，由共炮點道集的速度分析公式，結合餘弦定理得出餘弦定理加和公式，根據斯奈爾定律進行變換並帶入餘弦定理加和公式；
變換得到轉換波速度分析方程
轉換波速度分析模塊3用於利用轉換波速度分析方程，進行轉換波速度分析，設定vp和vs分析範圍以及相應的增量間隔，對不同的vp和vs將共炮點道集數據進行展開求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，疊加能量最大點對應的vp和vs對即為所求的縱波和轉換波速度值，建立vp和vs表。
在轉換波速度方程分析模塊3中，對不同的vp和vs求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，在速度譜上,每一時刻都對應一幅時間切片,該時間切片的橫縱坐標分別是vp和vs值，疊加能量最大點對應的vp和vs即為所求的縱波和轉換波速度值，選取記錄下所求的縱波和轉換波速度值,即完成建立vp和vs表。求取vp和vs表時，設定vp範圍：1000-7000m/s，增量間隔50m/s；vs範圍：500-5000m/s，增量50m/s。
轉換波速度成像模塊4用於將得出的轉換波和縱波速度帶入轉換波疊加成像方程，獲得轉換波疊加成像剖面。
本發明的具體實施過程，具體為通過觀測系統建立模塊1採集數據，建立共炮點道集數據觀測系統；然後參考上述實施例利用轉換波速度方程求取模塊2中的公式進行變換得到轉換波速度分析方程，利用轉換波速度方程分析模塊3，進行轉換波速度分析；利用實施例中的方法建立vp和vs表；設定vp和vs分析範圍以及相應的增量間隔，對不同的vp和vs求取疊加能量值，形成疊加能量剖面和速度譜，疊加能量最大點對應的vp和vs對即為所求的縱波和轉換波速度值，將vp和vs表中得數據，利用轉換波疊加成像模塊4獲得轉換波疊加成像剖面；最後根據轉換波疊加成像剖面，利用縱波和轉換波剖面轉換和對比模塊5將轉換前的轉換波與經過轉換疊加後的圖像進行對比具體對比圖如圖4-6所示；對比結果參見上述實施例的說明，在此不再贅述。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。