技术领域
[0001] 本
发明涉及石油、
天然气勘探领域中一种
地震勘探技术，应用于复杂构造区增强
地震波激发照明的观测系统设计。
背景技术
[0002] 随着石油天然气勘探开发向复杂构造区不断地延伸，油气勘探所面临的地震地质条件也越来越复杂，主要表现为地表起伏剧烈、表层速度变化大、地下地质构造复杂、勘探目标埋藏深、高速推覆体发育等，导致地震波场复杂、地质目标成像困难。
[0003] 常规的基于
水平层状介质和水平地表假设的野外地震采集观测系统设计，已经无法满足复杂构造区油气勘探开发的要求。为了提高复杂构造区地震
数据采集的可靠性和有效性，地球物理工作者提出了基于地质模型和地震波正演模拟的观测系统优化设计。通过对地质模型的地震波射线追踪或
波动方程数值模拟，可以确定野外观测系统对地下反射界面的照明和反射盲区的
位置，从而指导野外观测系统设计。
[0004] 地震照明分析技术通过正演模拟分析地下照明
能量分布来预测和评价采集效果，进而优化采集参数。目前，地震照明分析技术分为两大类：基于射线理论的射线照明分析和基于波动理论的波动方程照明分析。由于射线理论的固有
缺陷(高频近似和射线盲区)，射线追踪照明分析只适用于速度横向变化不大的简单模型。然而波动方程照明分析对速度模型没有任何限制，且能够比较真实地反映地下介质中地震波传播过程的能量分布，为观测系统优化设计提供了有利的保障。董良国等(2006)根据波动方程照明结果，提出了利用照明统计法和波场上传法，确定针对勘探目标的地面最优的炮点加密范围，初步实现了从通过照明度评价观测系统到进行观测系统优化设计的转变。赵虎等(2010)通过分析面向复杂构造的密集炮点正演模拟结果，确定目的层照明能量最小位置，并进行局部炮点加密，依据能量均匀性判断准则自动求得了目的层照明能量均匀性最高的炮点集合。朱金平等(2011)基于三维波动方程照明分析确定了面向勘探目标的有利激发范围，发展了面向勘探目标的
三维地震勘探观测系统优化设计方法。
[0005] 常规的照明分析仅考虑了
震源炮点对地下介质的照明，而没有考虑地下构造的倾
角。为此，人们又提出了地震定向照明分析方法，即通过局部平面波分解算子(如坡印廷矢量、
小波变换、窗口傅里叶变换等)将模拟地震波场分解为不同传播方向的平面波，然后计算不同方向(组合)的地震定向照明。然而，地震定向照明分析只是通过定量计算各个方向的地震波对目标地质体的照明情况，从而筛选出对目标地质体照明较好的优势方向，却并没有实质性提高目标地质体的照明能量。
[0006] 其实，早在20世纪70年代，美国石油公司第一次在Tulsa地区进行了地震波束形成试验，证实了地震波束定向传播方向与延时时间间隔的关系，拉开了震源组合方向特性研究的序幕。胡启宇(1981)详细地介绍了时序激发等间
隔震源组合获得
指向性波束的原理和方法。姜弢等(2008，2012)对相控震源定向地震波
信号进行了定量分析，分别通过数值模拟和野外试验，得出相控震源相对于常规同时激发组合震源，其反射波信号
信噪比明显提高的结论，并提出了基于接收阵列的时域地震波束形成方法。对于水平地表情况下的地震组合激发定量分析与信噪比分析、震源组合激发参数优选(震源个数、组内距等参数)、炸药震源定向激发定量分析、及其在勘探地
震中的应用等方面，汪仁富等(2011)、徐峰等(2011)、刘福烈等(2013)，蔡纪琰(2013)分别在其文章中进行了详细地讨论。巩向博等(2014)将组合震源波场定向方法推广至任意起伏地表，利用坐标旋转法计算组合震源激发延时，为复杂起伏地表情况下的组合震源定向波场激发提供了理论
基础。野外实践和理论研究都证明，基于相控理论的震源组合可以极大地提高采集资料的信噪比和地震波束定向传播方向上的照射能量。
[0007] 综合起来，目前针对复杂构造区的地震采集分别是从两方面来解决，一是通过照明模拟确定在地表局部区域加密炮点，以增加对目的层的照明能量；二是在地表的每一个激发位置，通过多个炮点的组合激发，以增加向地下传播的地震波能量。本发明同样是针对地下复杂构造区，如陡倾角的
地层、
断层、上覆有高速异常体的目标层等，通过地震波的照明模拟结果，既计算出地表加密炮点的区域，同时也计算出地震波向地下目的层传播的方向，从而实现对复杂构造区目的层地震波最有利与最有效的激发设计。
发明内容
[0008] (一)发明目的
[0009] 本发明的目的是提供一种在复杂构造区增强地震波激发照明的地震观测系统设计方法。其将变观加密炮思想和相控震源组合技术与地震照明分析相结合，基于波动方程的地震照明分析，是在目标位置激发地震波，通过波场上传法和地表方向统计，获得震源组合参数和对目标地质体照明贡献较大的加密炮区域。在加密炮区域布置加密炮点，同时利用相控震源组合确保每一个加密炮的优
势能量都能集中向目标地质体传播。这样不仅提高了震源的激发效率，而且能够使目标地质体获得了更好的照明效果，提高了成像
质量。该方法为复杂构造区提供了更有效、更经济的观测系统综合设计方法。
[0010] (二)技术方案
[0011] 一种增强地震波激发照明的设计方法，采用相控理论和组合震源的理论信噪比最大化原则作为震源组合参数的设计标准，即为组内距和震源个数的设计标准，其他改进的优化设计标准，同属此方法一个系列；其不限于水平地表情况，可以适用于复杂地表复杂构造的区域；其具体步骤如下：
[0012] A.根据现有资料，建立复杂构造区的正演地质模，并确定地质目标；收集工区的地质资料，地震资料，测录井、钻井的资料，综合已知的解释成果和地质认识，通过建模
软件建立工区精确的地质模型，确定地质目标，即地质目标在模型中位置、形状和范围；
[0013] B.在地下目标位置布置人工震源，采用波动方程正演模拟方法进行照明模拟；根据地质模型中目标的特点，在目标位置s＝(xs，zs)放置人工震源，即目标震源，通过全程
声波波动方程正演模拟在地下介质中传播的地震波场，计算得到目标震源在模型中(x，z)处的照明结果I(x，z；s)，其定义如下：
[0014]
[0015] 其中，P(x，z，t；s)为模型中(x，z)处的由目标震源激发的t时刻的地震波场，T为波场传播的总时间；
[0016] C.在照明模拟的同时，在地表统计地震波向上传播到地表的照明能量；在步骤B中照明模拟的同时，统计地表照明能量，照明统计结果Tsurf可以表示为：
[0017]
[0018] 其中，I(x，z0；s)为地表各点处的照明能量，p(x，z0，t；s)为t时刻目标震源激发的传播到地表的地震波场，(x，z0)表示地表位置坐标；根据地震波传播的互换原理，在目的层上布置震源进行照明分析，如果在地表照明能量强的区域布置震源，就能使该目的层达到最理想的照明；
[0019] D.根据照明能量统计结果确定地表最佳的加密炮区域；根据步骤C中获得的地表照明能量统计结果Isurf，将地表照明能量的平均值作为能量
阈值Its，将地表照明能量高于该能量阈值区域确定为针对该地下地质目标的地面最佳激发范围，也就是加密炮区域；如果能量阈值过大，容易导致最佳加密炮区域过小，降低采集质量和成像
精度；如果能量阈值过小，确定的最佳加密炮区域会过大，造成不必要的成本浪费；因此，实际生产过程中，能量阈值的选择可以在此基础上综合勘探成本和采集质量的要求做进一步调整；
[0020] E.在照明模拟的同时，利用坡印廷矢量计算目标震源激发地震波在地表出射的主方向，确定相控震源激发地震波束的传播方向；声波地震波场中坡印廷矢量P的计算公式：
[0021] P＝-vp (3)
[0022] 其中，v为速度矢量，p为声压、应
力；在步骤B的计算过程中，利用地表初至地震波的波场参数，速度和
应力分量，采用公式(3)计算出地表坡印廷矢量；为了计算地表坡印廷矢量的方向，设垂直向下的单位矢量n＝(0，1)为参考方向，根据余弦定理，将地表坡印廷矢量P(x，z0，t0；s)与单位矢量n的夹角θu(x，z0；s)定义为初至地震波在地表各点(x，z0)的出射方向：
[0023]
[0024] 其中，地表坡印廷矢量P(x，z0，t0；s)＝-v(x，z0，t0；s)p(x，z0，t0；s)，t0为地表初至波的到达时间；通过(4)式可以计算出地表不同位置的初至波的出射方向；根据互易性原理，相控震源组合激发地震波束的方向为初至波传播方向的反方向，故相控震源组合参数(激发地震波束的方向)θd可表示为：
[0025] θd＝π-θu (5)
[0026] F.基于相控理论和组合震源的理论信噪比最大化原则，在已获得的相控震源地震波束传播方向的基础上，设计出最佳的震源组内距和震源个数；根据雷达阵列相控理论，基于水平地表均匀介质，得到组合震源激发波场的方向因子F(θ)：
[0027]
[0028] 其中：n为震源个数，d为震源组内距，θ为地震波传播的方向角(θ＝θd)，k为子波
波数，β为相邻震源间子波的
相位差；
[0029] 相控震源产生的地震波具有方向性，其最强方向θmax称为定向地震波方向或主波束方向；若要使组合震源激发的地震波在θmax方向上传播最强，即使得：
[0030] kd sinθ+β＝0 (7)
[0031] 再根据
相位延迟与震源间的时间差的关系(β＝2πfτ)和步骤E获得的地震波传播方向角得到相邻组合震源之间的延迟时间τ：
[0032] τ＝-kdsinθ/2πf0＝-dsinθ/v0＝-dsinθd/v0 (8)
[0033] 其中：f0为地震子波的主频，v0为表层介质速度；
[0034] 将组合震源的理论信噪比最大化作为评价和设计组合参数的依据，通过数值模拟最终确定震源组合的组内距和震源个数；
[0035] G.确定复杂构造区在地表上增强地震波对目标体的照明能量的施工方案，在步骤D优选出的加密炮区域内等间隔布置相控震源，采用步骤F获得的与加密炮区域对应的震源组合激发参数，完成复杂构造区基于地质目标的观测系统优化设计。
[0036] 进一步的，步骤A所述的建立探区地质模型可以是不同的建模软件来实现，其适用于二维模型也适用于三维模型。
[0037] 进一步的，步骤B所述的波动方程正演模拟方法可采用单程声波方程、全程声波方程、粘弹性波动方程或弹性波波动方程进行正演模拟。
[0038] 进一步的，步骤C所述的照明能量统计方法可以是在地表不同位置激发地震波，统计每一个震源在地下目标位置的照明能量，该方法能够找出对地下目标照明最好的地表加密炮区域。
[0039] 进一步的，步骤D所述的地表最佳的加密炮区域选择标准采用的是地表总照明能量的平均值；阈值也可以是照明能量最大值的10％～20％，这在地表照明能量分布较光滑的时候是完全可取的。
[0040] 进一步的，步骤E所述的计算初至地震波在地表的出射方向，可以由其他方法实现，包括拉东变换、窗口傅里叶变换、小波变换和局部慢度分析技术；为增加抗噪声的能力，在求取初至地震波出射方向时，可以统计从初至波到达时刻开始的一定时窗范围内的出射方向，也就是窗口不大于单个子波延续时间Tw内的平均出射方向。
[0041] (三)有益效果
[0042] 本发明与
现有技术相比较，其具有以下有益效果：本发明提出的一种增强地震波激发照明的设计方法，综合了变观加密炮思想、相控震源组合技术和地震照明分析技术，是一种综合性设计方法，能够极大地提高复杂构造区的地震采集资料的质量和成像精度。本发明使用了基于波动方程地震照明分析技术，能够很好的适应复杂地区剧烈的速度变化，准确地获得地下介质中地震波的能量分布。本发明采用了基于坡印廷矢量获得的地表地震波出射的主方向确定组合震源地震波束的传播方向，确保了每一个加密震源的能量都向地质目标聚焦，最大限度的提高了地震波对地质目标的照明能量。本发明采用的相控震源组合技术，能够在不过多增加震源能量的同时，提高震源的激发效率、采集资料的信噪比和成像质量。总之，本发明为复杂构造区的油气勘探提供了一种更有效、更经济的观测系统综合设计方法。
附图说明
[0043] 图1是本发明的整体流程示意图。
[0044] 图2是本发明的地表方向统计示意图。
具体实施方式
[0045] 如图1所示，一种增强地震波激发照明的设计方法，采用相控理论和组合震源的理论信噪比最大化原则作为震源组合参数的设计标准，即为组内距和震源个数的设计标准，其他改进的优化设计标准，同属此方法一个系列；其不限于水平地表情况，可以适用于复杂地表复杂构造的区域；其具体步骤如下：
[0046] A.根据现有资料，建立复杂构造区的正演地质模，并确定地质目标；收集工区的地质资料，地震资料，测录井、钻井的资料，综合已知的解释成果和地质认识，通过建模软件建立工区精确的地质模型，确定地质目标，即地质目标在模型中位置、形状和范围；
[0047] B.在地下目标位置布置人工震源，采用波动方程正演模拟方法进行照明模拟；根据地质模型中目标的特点，在目标位置s＝(xs，zs)放置人工震源，及目标震源，通过全程声波波动方程正演模拟在地下介质中传播的地震波场，计算得到目标震源在模型中(x，z)处的照明结果I(x，z；s)，其定义如下：
[0048]
[0049] 其中，P(x，z，t；s)为模型中(x，z)处的由目标震源激发的t时刻的地震波场，T为波场传播的总时间；
[0050] C.在照明模拟的同时，在地表统计地震波向上传播到地表的照明能量；在步骤B中照明模拟的同时，统计地表照明能量，照明统计结果Isurf可以表示为：
[0051]
[0052] 其中，I(x，z0；s)为地表各点处的照明能量，p(x，z0，t；s)为t时刻目标震源激发的传播到地表的地震波场，(x，z0)表示地表位置坐标；根据地震波传播的互换原理，在目的层上布置震源进行照明分析，如果在地表照明能量强的区域布置震源，就能使该目的层达到最理想的照明；
[0053] D.根据照明能量统计结果确定地表最佳的加密炮区域；根据步骤C中获得的地表照明能量统计结果Isurf，将地表照明能量的平均值作为能量阈值Its，将地表照明能量高于该能量阈值区域确定为针对该地下地质目标的地面最佳激发范围，也就是加密炮区域；如果能量阈值过大，容易导致最佳加密炮区域过小，降低采集质量和成像精度；如果能量阈值过小，确定的最佳加密炮区域会过大，造成不必要的成本浪费；因此，实际生产过程中，能量阈值的选择可以在此基础上综合勘探成本和采集质量的要求做进一步调整；
[0054] E.在照明模拟的同时，利用坡印廷矢量计算目标震源激发地震波在地表出射的主方向，确定相控震源激发地震波束的传播方向；声波地震波场中坡印廷矢量P的计算公式：
[0055] P＝-vp (3)
[0056] 其中，v为速度矢量，p为声压、应力；在步骤B的计算过程中，利用地表初至地震波的波场参数，速度和应力分量，采用公式(3)计算出地表坡印廷矢量；如图2所示，为了计算地表坡印廷矢量的方向，设垂直向下的单位矢量n＝(0，1)为参考方向，根据余弦定理，将地表坡印廷矢量P(x，z0，t0；s)与单位矢量n的夹角θu(x，z0；s)定义为初至地震波在地表各点(x，z0)的出射方向：
[0057]
[0058] 其中，地表坡印廷矢量P(x，z0，t0；s)＝-v(x，z0，t0；s)p(x，z0，t0；s)，t0为地表初至波的到达时间；通过(4)式可以计算出地表不同位置的初至波的出射方向；根据互易性原理，相控震源组合激发地震波束的方向为初至波传播方向的反方向，故相控震源组合参数(激发地震波束的方向)θd可表示为：
[0059] θd＝π-θu (5)
[0060] F.基于相控理论和组合震源的理论信噪比最大化原则，在已获得的相控震源地震波束传播方向的基础上，设计出最佳的震源组内距和震源个数；根据雷达阵列相控理论，基于水平地表均匀介质，得到组合震源激发波场的方向因子F(θ)：
[0061]
[0062] 其中：n为震源个数，d为震源组内距，θ为地震波传播的方向角(θ＝θd)，k为子波波数，β为相邻震源间子波的
相位差；
[0063] 相控震源产生的地震波具有方向性，其最强方向θmax称为定向地震波方向或主波束方向；若要使组合震源激发的地震波在θmax方向上传播最强，即使得：
[0064] kd sinθ+β＝0 (7)
[0065] 再根据相位延迟与震源间的时间差的关系(β＝2πfτ)和步骤E获得的地震波传播方向角得到相邻组合震源之间的延迟时间τ：
[0066] τ＝-kd sinθ/2πf0＝-dsinθ/v0＝-dsinθd/v0 (8)
[0067] 其中：f0为地震子波的主频，v0为表层介质速度；
[0068] 将组合震源的理论信噪比最大化作为评价和设计组合参数的依据，通过数值模拟最终确定震源组合的组内距和震源个数；
[0069] G.确定复杂构造区在地表上增强地震波对目标体的照明能量的施工方案，在步骤D优选出的加密炮区域内等间隔布置相控震源，采用步骤F获得的与加密炮区域对应的震源组合激发参数，完成复杂构造区基于地质目标的观测系统优化设计。
[0070] 其中，步骤A所述的建立探区地质模型可以是不同的建模软件来实现，其适用于二维模型也适用于三维模型。
[0071] 其中，步骤B所述的波动方程正演模拟方法可采用单程声波方程、全程声波方程、粘弹性波动方程或弹性波波动方程进行正演模拟。
[0072] 其中，步骤C所述的照明能量统计方法可以是在地表不同位置激发地震波，统计每一个震源在地下目标位置的照明能量，该方法能够找出对地下目标照明最好的地表加密炮区域。
[0073] 其中，步骤D所述的地表最佳的加密炮区域选择标准采用的是地表总照明能量的平均值；阈值也可以是照明能量最大值的10％～20％，这在地表照明能量分布较光滑的时候是完全可取的。
[0074] 其中，步骤E所述的计算初至地震波在地表的出射方向，可以由其他方法实现，包括拉东变换、窗口傅里叶变换、小波变换和局部慢度分析技术；为增加抗噪声的能力，在求取初至地震波出射方向时，可以统计从初至波到达时刻开始的一定时窗范围内的出射方向，也就是窗口不大于单个子波延续时间Tw内的平均出射方向。
[0075] 上面所述的
实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明
请求保护的技术内容，已经全部记载在
权利要求书中。
