一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，其包括以下步骤：1）利用普通射线追踪的方法进行运动学追踪，获取射线路径和运动学特征；2）利用高斯射线束进行动力学追踪，计算出动力学特征；3）在频域进行合成地震记录。由于频率域进行合成地震记录可以考虑基于Futterman方程的衰减算法，可以考虑基于频率的格林函数，也可以考虑耦合射线理论的弱各向异性模型，所以可以较常规方法更加精细的描述地震波场的动力学特征，使利用射线理论合成的地震记录接近于波动理论的精度。本发明可以方便地计算射线振幅、相位移等信息，可有效地应用于合成记录制作、保幅叠前深度偏移、波形层析反演等领域。
【专利说明】一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油地球物理勘探领域，特别是关于一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法。
【背景技术】
[0002]地震波场数值模拟经过多年的发展，目前已经取得了大量的研究成果，主要包括两大类，即波动方程数值模拟方法和射线理论正演方法。波动方程数值模拟方法能够揭示波在介质中传播的振幅、频率、相位变化，真实地反映出波的动力学特征，是进行波场研究的有效手段，但是占用计算机内存大，耗费机时多，有时对复杂地质构造的情况亦难于研究。射线理论正演方法根据模型结构及速度变化，追踪地震波在地下介质中的运动轨迹及波经过速度界面发生反射、透射变化，并通过计算波场扩散、透射系数、反射系数等波的能量损失和相位变化近似模拟波场特征，射线理论正演方法主要用于研究波传播的轨迹、反射点的分布、波场的分布范围等波的运动学特征，也是进行层析反演的基础。目前射线追踪可以分为运动学射线追踪和动力学射线追踪两类。运动学射线追踪需要计算射线路径、波前面、走时信息，动力学射线追踪在此基础上还需要计算射线振幅、相位移等信息。运动学射线追踪是动力学射线追踪的基础。射线追踪方法在地球物理层析成像中有着极其重要的作用，它是研究介质任意速度分布情况下地震波传播问题的有效方法之一。射线追踪的路径精度和追踪计算的速度直接决定着成像的质量和计算速度。因此，研究快速而精确的射线追踪方法，对于层析成像问题来说有着特别重要的实际意义。
[0003]现有技术中的众多求解射线路径和走时的方法中，传统的方法为射线级数解法，此方法是由美国的Karal与Keller(1959)将电磁学的研究成果引入弹性波领域、并导出弹性动力学运动方程的射线级数解的过程中率先提出的，它是渐近射线法的前身。近年来发展了程函方程法、波前重建法、最短路径法、模拟退火法、遗传算法等新方法。现有技术中的射线追踪的具体方法很多，通常使用试射法(打靶法)、弯曲法和波前法，其中，试射法利用Snell定律确定射线路径和接收点，不断的调整射线的入射角，使射线出射位置与检波点之间不断靠近，最终满足给定的精度要求为止，从而实现两点间的射线追踪计算，是解决两点追踪问题的一种重要方法。试射法需要尝试多次初始试射，通过不断迭代修改射线入射角来获得准确的射线路径，比较耗时，在三维情况下尤为突处。弯曲法是固定源点和接收点，基于最小射线旅行时的Fermat原理通过多次迭代得到正确的射线路径，对一般介质，弯曲法其实是求解非线性最优化问题，计算过程中有时会陷入局部收敛，得到非全局的最优解。试射法与弯曲法都可以求解模型多路径走时，通常用于走时层析成像、合成记录制作等方面。波前法，基于惠更斯(Huygens-Fresnel)原理,地震波在传播过程中会形成一个波阵面，波阵面作为新的震源发射射线，经过多个次级源，最终传播到检波点，首先要把介质划分成许多网格点，要求射线必须经过这些网格点，源点和检波点也分别处于网格点上，射线从源点所处的网格点出发，经由各网格点以最小走时到达检波点，射线经过的这些网格点就形成了最小走时射线路径，当网格点数量增加时，计算量也将成比例增加。[0004]20世纪90年代初随着叠前深度偏移逐渐实现工业化，上述几种方法的很多缺陷也逐渐暴露出来,主要有:①难于处理介质中速度变化剧烈的情况；②求取多值走时中的全局最小走时困难；③计算效率较低；④阴影区和复杂构造区射线覆盖密度低。因此，近十几年来射线追踪方法主要围绕上述问题进行工作。Vidale (1988，1990)和Podvin等人(1991)则从程函方程出发，通过先求出时间场分布再计算时间场的最快下降方向的办法，得到每一接收点到震源的射线路径。随后，Qin等人(1992)对Vidale(1988)的方法作了改进，提出了波前扩展方法，该方法虽然减少了原方法的不稳定性，但是却使计算量巨增。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，能够获得精细的动力学波场信息。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，其包括以下步骤:1)利用普通射线追踪的方法进行运动学追踪，获取射线路径和运动学特征，即根据地震波的传播规律确定地震波在实际地层中传播的射线路径；2)利用高斯射线束进行动力学追踪，计算出动力学特征；3)在频域进行合成地震记录的计算，具体过程为:3.1)对于某一种类型的波，计算从震源开始，由射线参数ft = !'AplJ = OJX…,N ,规定的充分密集的射线系统，并从初值或两点射线追踪及动态射线追踪的结果中取出与每一射线相应的量A(0S)、q(0s)、p(0s)、V(Os)并确定其中，A(Os)是射线Os处的复值振幅因子，q (Os)和p(0s)是射线在Os处的方向因子，控制反射和透射波的传播方向，V(Os)射线在Os处的速度，tKf,)是高斯射线的权函数；3.2)对同一条中心射线分别确定不同检波点S处的射线中心坐标(s，η)，同时确定相因子T(S，Os)，并取其实部和虚部；3.3)给定频率间隔Λ f，在某一频率范围f1-f2内计算相应与时间Re[T(S，Os)]的离散频谱，并储存在数组中；3.4)在3.2)做完后，得到的是某一高斯射线束对所有有关检波点的贡献，分别以离散频谱的形式储存在有关各道中，然后返回到步骤3.1)中计算另一高斯射线束对各道的贡献，把结果叠加起来，直至同一种基波高斯射线束作完；接着再计算进行另一种基波的波场，直到把所有的基波高斯射线束都作完，所得的是各道反射系数序列在频域中的结果，以离散谱的形式储存于各道中；3.5)在所有基波高斯射线束作完后，输入时间信号；3.6)根据输入信号的形式，以等时间间隔At在某一时间范围内对其进行取样，得到离散时间信号，进行快速傅氏变换后得到信号离散频谱；3.7)将步骤3.6)中的信号离散频谱分别与步骤3.3)中各道反射系数序列中的离散频谱相乘后，再进行反傅氏变换IFFT，得到时域形式的合成地震记录。
[0007]所述步骤2)包括以下步骤:2.1)通过射线追踪计算沿射线的旅行时；2.2)确定射线的偏振矢量；2.3)利用动态射线追踪，计算出动力学特征；2.4)确定复矢量方向上的振幅衰减；2.5)确定焦散量。
[0008]所述步骤3.5)中输入信号的形式采用Gabor信号、Berlage信号、Muler信号和Ricker信号中的一种。
[0009]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明首先利用普通射线追踪的方法进行运动学追踪 ，获取射线路径和运动学特征；然后利用高斯射线束进行动力学追踪，计算出动力学特征；最后在计算出动力学特征的基础上在频率域进行合成地震记录的计算，由于频率域进行合成地震记录可以考虑基于Futterman方程的衰减算法,可以考虑基于频率的格林函数，也可以考虑耦合射线理论的弱各向异性模型，所以与常规方法相比能够更加精细的描述地震波场的动力学特征，使利用射线理论合成的地震记录接近于波动理论的精度。2、本发明利用经典的旁轴射线追踪系统或者动力学射线追踪系统，可以方便地计算射线振幅、相位移等信息，有效地应用于合成记录制作、保幅叠前深度偏移、波形层析反演等领域，对于模型中存在焦散和阴影的情况，可以用它的改进形式-高斯束射线理论来计算异常波场区的振幅。3、目前，波动问题的数值解法分为两大类，一类是以弹性波动力学方程数值解为基础的直接求解方法，如有限差分法、有限元法等，另一类是以不均匀介质波动方程取高频近似为基础的近似求解的射线方法，两者相比，前者模拟的波场较完整、精度高，适合于尺度小于优势波场的介质模型，但是往往需要大型计算机，并且要耗费往往使人难以忍受的计算时间，且波场复杂，不便于识别和解释。波动方程取高频近似的射线法尽管不如波动方程解精确，但是适合于尺度大于优势波长的模型，且解法速度快，波场易于识别和解释。本发明是在常规射线追踪的进一步发展，研究表明常规的旁轴射线追踪并非完美无缺，在用于复杂模型时，仍然遇到困难，比如焦散区、阴影区等非正则区域，旁轴射线追踪法将失效，其次，旁轴射线追踪常常需要做麻烦的两点射线追踪，计算效率低。本发明是在动态射线追踪的基础上进行，在求解动态射线追踪方程组时，在求解中心射线的几何扩展的同时，还可以求取中心射线邻近点上的旅行时、旅行时二阶导数、几何扩展和射线振幅，同时追踪和确定中心射线邻近的其它射线的位置，在中心射线坐标系下，将弹性波动力学波动方程取高频近似化为抛物线方程，导出动态射线追踪方程和传输方程，对抛物线方程取时间调和解得到高斯射束，将高频地震波场展开或分解成高斯射束系统表示的波场。高斯射束近似于旁轴近似射线理论相比的主要优点是:一是可以消除焦散区等失效区的奇异性，二是可以避开两点射线追踪，大大提高计算效率。在高斯束射线追踪计算出动力学特征的基础上，在频率域考虑基于Futterman方程的衰减算法,基于频率的格林函数,实现考虑耦合射线理论的弱各向异性模型，所以与常规方法相比能够更加精细的描述地震波场的动力学特征，使利用射线理论合成的地震记录接近于波动理论的精度。本发明可以广泛地应用于合成记录制作、保幅叠前深度偏移、波形层析反演等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的观测系统及射线路径示意图；
[0011]图2是本发明的Z分量合成地震记录(P波)；
[0012]图3是本发明的X2分量合成地震记录(P波)；
[0013]图4是本发明的Z分量合成地震记录(P + SV波)；
[0014]图5是本发明的X2分量合成地震记录(P + SV波)；
[0015]图6是本发明的Z分量合成地震记录(P + SV+多次直达波)；
[0016]图7是本发明的X2分量合成地震记录(P + SV+多次直达波)；
[0017]图8是本发明的三维射线路径显示示意图；
[0018]图9是本发明的非零偏不同波场类型的射线路径显示示意图。【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0020]如图1~9所示，本发明的基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，包括以下步骤:
[0021]1、利用普通射线追踪的方法进行运动学追踪，获取射线路径和运动学特征，即根据地震波的传播规律确定地震波在实际地层中传播的射线路径。
[0022]在地震学中，有两类地震射线追踪问题:一类是一点射线追踪，即已知射线初始点(源点)和初始出射方向，求解地震波的传播路径，又叫初值射线追踪问题；另一类是两点射线追踪，即已知射线初始点(源点)和另一个观察点(接收点)的位置，射线初始出射方向未知，求解两点之间的射线路径。本发明的射线追踪既需要研究初值射线追踪，也需要研究两点射线追踪。
[0023]由程函方程可以导出射线追踪方程:
【权利要求】
1.一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，其包括以下步骤: 1)利用普通射线追踪的方法进行运动学追踪，获取射线路径和运动学特征，即根据地震波的传播规律确定地震波在实际地层中传播的射线路径； 2)利用高斯射线束进行动力学追踪，计算出动力学特征； 3)在频域进行合成地震记录的计算，具体过程为: 3.1)对于某一种类型的波，计算从震源开始，由射线参数Λ =IhfiJ = m'N，规定的充分密集的射线系统，并从初值或两点射线追踪及动态射线追踪的结果中取出与每一射线相应的量A(Os)、q (Os) ,P(Os)、V (Os)并确定.#,)?其中^(03)是射线Os处的复值振幅因子，q(0s)和p(0s)是射线在Os处的方向因子，控制反射和透射波的传播方向，V(Os)射线在Os处的速度，Φ(?)是高斯射线的权函数； 3.2)对同一条中心射线分别确定不同检波点S处的射线中心坐标(s，η)，同时确定相因子T (S，Os)，并取其实部和虚部； 3.3)给定频率间隔Λ f，在 某一频率范围f1-f2内计算相应与时间Re [T (S，Os)]的离散频谱，并储存在数组中； 3.4)在3.2)做完后，得到的是某一高斯射线束对所有有关检波点的贡献，分别以离散频谱的形式储存在有关各道中，然后返回到步骤3.1)中计算另一高斯射线束对各道的贡献，把结果叠加起来，直至同一种基波高斯射线束作完；接着再计算进行另一种基波的波场，直到把所有的基波高斯射线束都作完，所得的是各道反射系数序列在频域中的结果，以离散谱的形式储存于各道中； 3.5)在所有基波高斯射线束作完后，输入时间信号； 3.6)根据输入信号的形式，以等时间间隔At在某一时间范围内对其进行取样，得到离散时间信号，进行快速傅氏变换后得到信号离散频谱； 3.7)将步骤3.6)中的信号离散频谱分别与步骤3.3)中各道反射系数序列中的离散频谱相乘后，再进行反傅氏变换IFFT，得到时域形式的合成地震记录。
2.如权利要求1所述的一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，其特征在于:所述步骤2)包括以下步骤: 2.1)通过射线追踪计算沿射线的旅行时； 2.2)确定射线的偏振矢量； 2.3)利用动态射线追踪，计算出动力学特征； 2.4)确定复矢量方向上的振幅衰减； 2.5)确定焦散量。
3.如权利要求1或2所述的一种基于三维高斯束射线追踪和频率域合成地震记录方法，其特征在于:所述步骤3.5)中输入信号的形式采用Gabor信号、Berlage信号、Muler信号和Ricker信号中的一种。
【文档编号】G01V1/24GK103675894SQ201310721994
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】李绪宣, 刘洋, 胡光义, 范廷恩, 宋炜, 江南森, 高云峰, 周建楠, 马淑芳, 董建华 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院, 中国石油大学(北京)