年月第卷 增刊
·犞犛犘技术· 文章编号增刊
犞犛犘各向异性矢量波场分离方法研究及其应用
孙赞东①② 李 强①② 孙文博①② 白海军①②
①中国石油大学北京地质地球物理综合研究中心北京昌平
②中国石油大学北京油气资源与探测国家重点实验室北京昌平
孙赞东李强孙文博白海军犞犛犘各向异性矢量波场分离方法研究及其应用石油地球物理勘探
增刊
摘要 本文介绍了一种基于各向异性介质假设的非零井源距三维三分量矢量波场分离方法。该方法
将经过一次旋转的共炮点数据使用非线性约束算法反演求得检波点附近的各向异性参数根
据介质的各向异性性质计算每个波场上、下行纵波和上、下行横波的传播角度、慢度和极化矢量。在频率域
使用正则化的最小广义逆算法求出每种波的傅里叶振幅分量再反变换到时间域得到分离后的各种波场。通
过对非零井源距三分量模型试算、实际资料处理以及与各向同性参数反演矢量法结果对比分析验证了该
方法的可行性和优越性。
关键词 波场分离 各向异性 参数 慢度 波场分离
中图分类号 文献标识码
积地层中旋回性砂泥岩薄互层、灰岩页岩薄互层和大 引言 块岩石中定向排列的垂直裂隙等都会引起地震各向
异性。 因此波场分离算法中考虑各向异性很有
垂直地震剖面是一种精细刻画储层的手 必要。 等人提出了一种基于正演模型的各段。与地面地震资料相比原始记录具有反射 向异性矢量波场分离方法充分考虑了介质各向异性
因此需要对原始波场进行波场分离。 各向异性介质且不需要额外提供介质各向异性参数
高保真的波场分离是资料处理的关键。 的波场分离方法。该方法首先利用慢度和极然而目前常用的波场分离方法如犳犽滤波 、中值 化角反演法得到检波点附近介质的各向异性滤波 、极化滤波 、变换 、变速视慢度 参数 。在反演过程中根据先验信息施等都存在一定的局限性。 等提出了时间 加约束条件使用大规模非线性约束序列二次规划域逐一波场分离提出了最优逼近逐波迭代 最优化算法提高了反演的速度和精度。然法该法需要人工拾取同相轴三维资料时工作量大。 后利用各种波场的传播特性求出每种波在各向异和提出了在频率域利用 性情况下的传播角、相速度和极化矢量在频率域构最小二乘法进行参数反演的矢量波场分离方法。孙 建正演模型使用阻尼最小二乘算法求得每种波的文博等人在此基础上根据先验信息对反演参数 傅里叶振幅分量经过傅里叶逆变换得到时间域分施加约束条件提高了该算法的效率和稳定性。但 离后各种波场。最后本文分别从相位、频率、振幅是该方法是建立在检波器附近介质各向同性假设的 三个角度讨论了本算法的保真性证实了该方法是基础上而各向异性是沉积岩中普遍存在的现象。沉 一种优越的波场分离方法。
北京市昌平区府学路号中国石油大学北京地质地球物理综合研究中心。
本文于年月 日收到最终修改稿于同年月 日收到。
本文研究由国家重点基础研究发展规划项目“中国西部叠合盆地深部有效碳酸盐岩储层形成机制与分布预测”与国家
油气重大专项“海相碳酸盐岩储层地震描述与油气藏有效预测技术研究”资助。
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石油地球物理勘探 年
以介质为例若已知波传播角度θ和介质 各向异性矢量波场分离方法原理 的各向异性参数如参数
接收到入射平面波波前的时间差为
Δ狋犿犛狀 ·犡犿 其中犮 犮 犮 犮 犮 犮为各向异性弹性系数。式中Δ狋犿为第犿级中心检波器接收到波前的时间 通过求解方程可得慢度为
其中ω为角频率。则中心检波器接收到的有效波 犛θ犞 γθ 波和波的极化矢量为
为极化方向矢量。 由式可知不同类型的波场
犇θ槡 犮犮θ犮犮θ犮犮θθ
式中 θ为传播角也称相角 犛θ 、犛θ 、犛θ 率ω处的数据它由垂直犣分量、水平径向分量犎分别为波、波和波的慢度 犺 犺犺 和犜分量组成。矩阵左端由犺狀ω犡犿·犛狀构建的为相应的极化矢量。 犕犕行犖列系数矩阵称为偏振控制矩阵它控
相邻犕个检波器接收到的犖个平面波的总 制着整个正演模型是波场分离的关键用矩阵犌和在角频率为ω时的模型数据和实际观测的数据 简化表示。若设犿犪 …犪犖 代表傅里叶振幅的关系可以由上述公式得到的慢度和极化矢量构 分量则该正演模型可以简化为
成如下矩阵方程 犌·犿犱
式中代表复矩阵的共轭转置 ε为正则化阻尼式中矩阵右端项犱 …犱犕为相邻犕个检波器 因子它随着角频率ω和有效波的类型犖的不同而记录的实际观测数据经过傅里叶变换得到的在角频 取不同的值。在整个频率域利用式可求得每个
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第卷 增刊 孙赞东等各向异性矢量波场分离方法研究及其应用
角频率上傅里叶振幅分量犿ω 然后再对这些频 φ表示上行波和上行波的极化角 φ率域的波形信息反变换到时间域得到分离后的 φ表示下行波和下行波的极化角。从图中波场。 可以看出波的偏振方向不再平行于传播方向 各向异性参数的求取 波的偏振方向也不再垂直于波的传播方向
在各向异性介质中相速度和偏振矢量都是随 而是存在一定的角度差。 当地层的各向异性性质不着入射角变化的。 图是各向异性介质波场偏振示 是很微弱时这个角度不能忽略它对波场分离效果意图。 图中“”代表下行波“”代表上行波θ 的影响很明显。所以在实际应用中要得到更精确θ表示下行波和下行波的传播角 φ 的波场分离结果各向异性不可忽略。
图 各向异性介质波场偏振示意图
上行波 下行波
通常情况下利用资料可以求
取地层的各向异性参数。根据旅行时关于炮检距和 模型试算
检波点沉放深度导数的交会图来构建慢度曲线从
而提取地层的各向异性参数。但这种方法局限于覆 为了验证此方法的可行性本文设计了两个各
犞 犞 ρ ε δ γ
犿犞 犞 εγδ 第一层各向同性 通过迭代求取对应的传播方向解方程得到该传播方 第四层各向同性 表 各向异性模型Ⅱ参数慢度和实际观测的垂直视慢度犛构建最小差值拟 地层 性质 层厚 犞 犞 ρ ε δ γ
犳犿第四层各向同性 线性寻优算法求出该离散目标泛函的最小值从而得到检波点附近介质的最佳各向异性参数。 参数。
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石油地球物理勘探 年
对模型Ⅰ 使用已知的各向异性参数对单炮进 看出考虑了各向异性影响的矢量法分离出来的波行波场分离。抽取深处各向异性层 场干净清晰且没有出现任何假信息而使用各向同进行对比分析图 。 图左为各向异性分离的结 性参数反演法分离出的各种波场由于地层各向异果图右为各向同性分离的结果。通过对比可以 性的影响存在波场混叠现象。
图 各向异性与各向同性方法分离效果对比图
、原始犣分量 、原始犡分量 、 、 、依次为各向异性矢量法分离出的下行纵波、上行纵波、下行横
波、上行横波 、 、 、依次为各向同性参数反演矢量法分离出的下行纵波、上行纵波、下行横波、上行横波
前文中用已知的各向异性参数作为输入进行各 由图可以看出使用慢度和极化矢量反演算向异性矢量波场分离下面先反演各向异性参数再 法反演出的模型各向异性参数基本分布在模型实利用反演出的各向异性参数对模型Ⅱ资料进行波场 际各向异性参数值的附近为后续的各向异性波场分离并与各向同性参数反演法进行对比用以验证 分离奠定了基础。 图为抽取井源距为的本文使用的各向异性参数反演算法的正确性也为 单炮反演的相速度、相角、极化角示意图。如图证明各向异性矢量波场分离方法的优越性。对于模 为波和波相角即入射角图为极化角。型Ⅱ利用弹性波波动方程正演出三分 从图、图相应曲线坐标对比可以看出曲线基量采集数据。该测线长以间隔 本趋势大致相同但是仔细对比会看出实际坐标并放炮共放炮最大井源距为每炮 相等。如图中的四个箭头两个蓝色、两个红色 每道接收检波器间隔沉放深度为 个箭头在图和图指示的位置一样但是旁边记录长度采样率。 图为使用慢度和极化 的曲线却有差别说明曲线的坐标并不一样。 图矢量反演的各向异性参数与模型Ⅱ实际各向异性参 红线为波入射角图红线为极化角减去数对比图。 ° 两曲线在相同的深度对应的角度并不一样。这
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第卷 增刊 孙赞东等各向异性矢量波场分离方法研究及其应用
说明波极化角减去°并不等于入射角。 同理 的单炮记录图为各向异性分离结果图图中蓝线为波入射角图中蓝线为波极 为各向同性分离结果。可以看出考虑了各向异性化角两曲线在同一深度点角度也有差别有的相差 影响的矢量波场分离方法分离的波场干净、清晰几度有的相差甚至十几度。各向同性介质中 没有引入假信号图 。由表可知地层分界深度图、图中对应曲线应该完全一样但各向异性 分别为、、这和波场分离结果中转介质中会有差别差别越大各向异性越明显。通过 换波发生位置非常符合。各向同性参数反演矢量波对比可以发现在地层深度波的极化 场分离由于没有考虑到地层各向异性对波场传播角并不等于波的入射角波的极化角减去° 及偏振的影响在各向异性明显的层段虽然上、下并不等于波的入射角这说明在这个深度存在 行波基本分离干净但纵波和横波的分离效果欠佳各向异性与实际情况相符。 图为井源距为 存在一定的混叠现象。
图 模型Ⅱ反演各向异性参数对比图
犞为反演速度 δ γ ε
图 井源距为单炮相速度、相角和极化角变化示意图
波和波相速度 波和波相角 波和波极化角
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石油地球物理勘探 年
图 模型Ⅱ井源距的原始单炮记录
原始犣分量 原始犡分量
图 各向同性参数反演矢量法分离结果
下行波 上行波 下行波 上行波
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为输入分离前进行了球面扩散补偿。 图为一 实际资料应用 条过井的线反演的各向异性参数图为
输入的某一原始单炮记录图为各向异性参数
利用该方法对油田野外采集的三维三分量 反演矢量法分离结果图为各向同性矢量波场资料进行处理并将其与各向同性参数反演 分离结果。对比可见各向异性矢量波场分离的结果进行对比进一步验证该方法的可行性和优 结果显示更加理想在分离后的每个波场中没有越性。用水平旋转后的犎分量和犣分量数据作 混入其他杂波。
图 三维三分量资料线反演的各向异性参数图
图 水平旋转后的单炮输入记录 并没有出现低频化的现象。说明该方法较好地保持
犣分量 犎分量 了资料的频宽。
图为使用波场分离后的下行纵波、上行纵 算法保真性验证 波、下行转换波和上行转换波重构的水平分量和垂
直分量与原始输入水平分量和垂直分量的对比图。
为了进一步证明该方法的可靠性分别从相位、 其中原始输入记录做了球面扩散补偿。可以看出频率、振幅三个方面对比分析波场分离前后的情况。 通过反向极化合成得到的两个分量基本上与原始分图为原始输入水平分量和垂直分量数据图 量波形分布一致。求合成的波场与原始波场的差
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石油地球物理勘探 年
图 各向异性矢量波场分离结果
下行波 上行波 下行波 上行波
图 各向同性参数反演法波场分离结果
下行波 上行波 下行波 上行波
图 原始输入垂直分量和水平分量记录 波场分离具有以下优势
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第卷 增刊 孙赞东等各向异性矢量波场分离方法研究及其应用
考虑了地层各向异性对波场传播特性的影 特性波场分离一次到位空间分辨率高能够响波场分离更加干净清晰并且额外提取了检波器 提供地层速度、入射角、偏振角等重要的地球物理附近各向异性参数可为各向异性分析提供重要辅 参数。
助信息 本文最后分析了分离后的波场与原始波场在振在频率域分析了不同波场的视速度和极化 幅、频率、相位等方面的变化证明了该波场分离方
图 图各向异性矢量波场分离结果
上行波 上行波 下行波 下行波
图 波场分离前、后频谱对比
原始犣分量 原始犡分量 分离后的下行波 分离后的下行波
分离后的上行波 分离后上行波
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