本發(fā)明屬于地震模擬采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于重構(gòu)技術(shù)的三維起伏地表物理模擬采集方法。
背景技術(shù)：
如今中國各重點油氣區(qū)幾乎都涉及起伏地表地形，例如柴達(dá)木盆地的東柴山、四川盆地的川東北地區(qū)和塔里木盆地的庫車山地等。在起伏地表區(qū)域，地形起伏劇烈，基巖直接裸露地表，且表層結(jié)構(gòu)和巖性復(fù)雜，這給油氣勘探帶來了諸多困難，如起伏地表地形產(chǎn)生的散射和地滾波會直接影響直達(dá)波與反射波的能量、波形、振幅、頻譜等參數(shù)，從而對地震記錄造成污染，并且無法通過常規(guī)的處理流程消除，最終影響地下構(gòu)造的成像精度。因此如何消除起伏地表地形對地震采集的影響具有重要意義。
前人針對起伏地表地形開展了靜校正、數(shù)值模擬中網(wǎng)格剖分產(chǎn)生的階梯狀自由界面的處理以及觀測系統(tǒng)設(shè)計等研究，而進(jìn)行上述研究首先需要一套完整的模型數(shù)據(jù)，用以檢驗并驗證方法的正確性。一般說來，獲得模型數(shù)據(jù)主要有數(shù)值模擬和物理模擬兩種途徑。與數(shù)值模擬相比，物理模擬能獲得更加真實的復(fù)雜波場特征。然而，在起伏地表物理模擬中，呈起伏狀的物理模型表面各點高程不盡相同，難以統(tǒng)一消除上覆水層的影響。在實驗室開展起伏地表物理模擬時，換能器通常直接安裝在起伏地表曲面上，這對換能器和測距儀器提出了更高的要求。為此，趙群設(shè)計了一種小型換能器，該換能器體積小、性能高。魏建新等設(shè)計了點接觸換能器，并通過在單層平板上進(jìn)行測試，了解了不同的換能器在能量、波形的振動周期(帶寬)等方面的優(yōu)劣。從上述研究中能夠看出，換能器在設(shè)計上存在難以調(diào)和的矛盾：小接觸面的換能器與起伏表面耦合度好，但是相應(yīng)的發(fā)射能量弱，地震記錄的信噪比低；為了提高信噪比，需要擴(kuò)大模型尺寸，而此時震源波場的穿透力又無法保證。此外，在起伏地表的物理模擬過程中需要進(jìn)行測距，也增大了物理模擬的實現(xiàn)難度。
綜上所述，如今針對起伏地表物理模擬的數(shù)據(jù)采集仍然存在兩個難題：①耦合誤差大，如在采集過程中采用固體模型和換能器的硬接觸模式，不可避免地產(chǎn)生耦合誤差，從而降低了地震記錄的信噪比；②采集難度大、采集速度慢，如高程測量、換能器移動等過程需要人工參與，降低了采集速度。據(jù)統(tǒng)計，固體采集需要的時間是水面采集的120倍，三維的起伏地表物理模擬一直沒被實現(xiàn)和研究。而波場重構(gòu)能夠有效緩解地震數(shù)據(jù)缺失和不均勻性，并被成功用于降低空間采樣限制、清除觀測痕跡、減少虛假成像等領(lǐng)域。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于重構(gòu)技術(shù)的三維起伏地表物理模擬采集方法，基于三維波場重構(gòu)原理，通過直接在水面上進(jìn)行觀測、采集，然后由水面觀測的三維地震數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)，重構(gòu)出固體表面觀測的三維地震數(shù)據(jù)。該方法將數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合，既保留了物理模擬的真實性，又利用了數(shù)值模擬的易操作性，能夠克服起伏地表物理模擬采集難度大、采集速度慢的問題，大大提高了起伏地表物理模擬采集的精度和效率。水面采集方法直接在模型的上覆水層表面進(jìn)行采集，避免了換能器與模型表面直接的硬接觸模式，有效地解決了耦合誤差問題。另外，水面采集免去了高程測量和換能器上、下移動的時間，采集一條二維測線數(shù)據(jù)的時間從(固體采集的)兩周縮減為半天，三維觀測的時間大約是兩個月。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種基于重構(gòu)技術(shù)的三維起伏地表物理模擬采集方法，包括以下步驟：
1)將起伏地表物理模型放在水槽中，進(jìn)行全自動的機(jī)器制動水面采集，得到水面觀測地震記錄；
2)通過水面觀測地震記錄，將水面上的檢波點延拓到起伏地表上，這個過程中的二次震源是線震源，即水面激發(fā)水面接收的地震記錄，目的是重構(gòu)出水面激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)；
3)將步驟2)得到的水面激發(fā)固體接收的地震記錄進(jìn)行炮點和檢波點互換，目的是將水面激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成固體激發(fā)水面接收的地震數(shù)據(jù)；
4)將水面上的炮點延拓到起伏地表上，這個過程中的二次震源亦為線震源，即固體激發(fā)水面接收的地震記錄，目的是重構(gòu)出固體激發(fā)固體接收的地震記錄，由于步驟3)中炮檢互換了，因此步驟4)和步驟2)的實現(xiàn)完全相同，即根據(jù)水面觀測得到的地震數(shù)據(jù)，通過步驟1)至步驟4)可重構(gòu)出起伏地表物理模擬中最難得到的固體激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)。
所述的三維起伏地表物理模擬方法基于波場延拓的數(shù)據(jù)重構(gòu)，其物理模擬采集以縱波為主，基于三維聲波方程來做數(shù)據(jù)重構(gòu)，如下式：
其中x,y和z分別為三維空間位置，t表示時間，p(x,y,z)為空間各點的波場，f代表震源，(i,j,k)代表震源的空間位置坐標(biāo)。
基于疊前逆時偏移有限差分波場延拓理論進(jìn)行波場重構(gòu)，波動方程波場延拓可以分為正向延拓和反向延拓，正向延拓是地震波數(shù)值正演，反向延拓是波場逆向傳播，正向延拓的有限差分計算表達(dá)式為：
上式的顯示表達(dá)式為：
式中，τ為時間采樣間隔，h＝min(dx,dy,dz)為空間采樣間隔。在該表達(dá)式中，時間是2階精度，空間是任意偶階精度[128]。其中精度系數(shù)am可由下式求出：
逆時偏移中的波場反向延拓過程實際上就是已知后一時刻的波場值求前一時刻的波場值的過程，具體計算方法與正向延拓類似，其有限差分計算表達(dá)式為：
具體延拓過程是：假設(shè)T為接收點記錄的最大記錄時間，以t＝T時刻波場情況為初始值，向時間減小的方向外推，以一個時間步長τ為間隔，逐時間層計算t-τ上的各點(x,y,z)處的波場值，直至計算出t＝0時刻各點的波場值。逆時傳播取的是t≤T時地下各點的波場值U(x,y,z)。
假設(shè)已知地表各接收點記錄的地震記錄p(x,y,z＝0,t)，當(dāng)t>T時，p(x,y,z,t)＝0。在反向延拓過程中p(x,y,z＝0,t)作為二次波場存在，因而波場的逆時傳播可以表示為下式所示的邊值問題：
在滿足上式邊值條件下，耦合時刻對應(yīng)時，正傳和反傳的波場值具有相關(guān)性。鑒于這種假設(shè)條件，可以用反向延拓得到的波場近似代替正向傳播的波場?；谏鲜霾▓鲅油乩碚?，對水面激發(fā)水面接收的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次數(shù)值上的延拓處理后，可重構(gòu)出固體激發(fā)固體接收的波場。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明所提供的一種基于重構(gòu)技術(shù)的三維起伏地表物理模擬采集方法，拋開針對起伏地表物理模擬的固體觀測方法，通過對水面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基于波場延拓的數(shù)據(jù)重構(gòu)，能夠簡單快速得到更加精確的起伏地表物理模擬數(shù)據(jù)，使針對起伏地表的三維物理模擬得以實現(xiàn)，相較于固體直接采集，能夠得到更加精確的地震數(shù)據(jù)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的重構(gòu)流程示意圖。其中a為水面采集得到水面激發(fā)水面接收的地震記錄，b為共炮點道集的延拓過程，c為所得到的水面激發(fā)固體接收的地震記錄，d為表示炮檢互換過程，e為共檢波點道集的延拓，f為所得到的固體激發(fā)固體接收的地震記錄。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步敘述。
如圖1所示，一種基于重構(gòu)技術(shù)的三維起伏地表物理模擬采集方法，包括以下步驟：
1)將起伏地表物理模型放在水槽中，進(jìn)行全自動的機(jī)器制動水面采集，得到水面觀測地震記錄，圖1(a)表示水面采集得到水面激發(fā)水面接收的地震記錄。
2)將水面上的檢波點延拓到起伏地表上，圖1(b)表示共炮點道集的延拓過程。這個過程中的二次震源是線震源，即水面激發(fā)水面接收的地震記錄，目的是重構(gòu)出水面激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)，圖1(c)表示所得到的水面激發(fā)固體接收的地震記錄。
3)將步驟二得到的水面激發(fā)固體接收的地震記錄進(jìn)行炮點和檢波點互換，圖1(d)表示炮檢互換過程，目的是將水面激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成固體激發(fā)水面接收的地震數(shù)據(jù)。
4)將水面上的炮點延拓到起伏地表上，圖1(e)表示共檢波點道集的延拓，將炮點也延拓到起伏地表上，這個過程中的二次震源亦為線震源，即固體激發(fā)水面接收的地震記錄，目的是重構(gòu)出固體激發(fā)固體接收的地震記錄，圖1(f)表示所得到的固體激發(fā)固體接收的地震記錄。由于步驟三中炮檢互換了，因此步驟四和步驟二的實現(xiàn)完全相同。
也即是說，根據(jù)水面觀測得到的地震數(shù)據(jù)，采用上述方法能夠重構(gòu)出起伏地表物理模擬中最難得到的固體激發(fā)固體接收的地震數(shù)據(jù)。
所述的三維起伏地表物理模擬方法基于波場延拓的數(shù)據(jù)重構(gòu)，其物理模擬采集以縱波為主，基于三維聲波方程來做數(shù)據(jù)重構(gòu)，如下式：
其中x,y和z分別為三維空間位置，t表示時間，p(x,y,z)為空間各點的波場，f代表震源，(i,j,k)代表震源的空間位置坐標(biāo)。
基于疊前逆時偏移有限差分波場延拓理論進(jìn)行波場重構(gòu)，波動方程波場延拓可以分為正向延拓和反向延拓，正向延拓是地震波數(shù)值正演，反向延拓是波場逆向傳播。正向延拓的有限差分計算表達(dá)式為：
上式的顯示表達(dá)式為：
其中τ為時間采樣間隔，h＝min(dx,dy,dz)為空間采樣間隔。在該表達(dá)式中，時間是2階精度，空間是任意偶階精度，其中精度系數(shù)am可由下式求出：
逆時偏移中的波場反向延拓過程實際上就是已知后一時刻的波場值求前一時刻的波場值的過程，具體計算方法與正向延拓類似，其有限差分計算表達(dá)式為：
具體延拓過程是：假設(shè)T為接收點記錄的最大記錄時間，以t＝T時刻波場情況為初始值，向時間減小的方向外推，以一個時間步長τ為間隔，逐時間層計算t-τ上的各點(x,y,z)處的波場值，直至計算出t＝0時刻各點的波場值。逆時傳播取的是t≤T時地下各點的波場值U(x,y,z)。
假設(shè)已知地表各接收點記錄的地震記錄p(x,y,z＝0,t)，當(dāng)t>T時，p(x,y,z,t)＝0。在反向延拓過程中p(x,y,z＝0,t)作為二次波場存在，因而波場的逆時傳播可以表示為下式所示的邊值問題：
在滿足上式邊值條件下，耦合時刻對應(yīng)時，正傳和反傳的波場值具有相關(guān)性。鑒于這種假設(shè)條件，可以用反向延拓得到的波場近似代替正向傳播的波場。基于上述波場延拓理論，對水面激發(fā)水面接收的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次數(shù)值上的延拓處理后，可重構(gòu)出固體激發(fā)固體接收的波場。