本發(fā)明隸屬于勘探地球物理領域，尤其涉及一種改進的適用于地層壓力預測的地震層速度場計算方法。
背景技術：
(一)涉及的專業(yè)術語
(1)地層壓力：地層壓力是指地層孔隙流體產生的壓力，在地層孔隙連通的情況下其值等于靜水壓力(即由地表至目的層的垂直水柱所產生的壓力)。
(2)地下地層壓力的分布特征：在同一套巖性地層中，由于地層具有滲透性，地層壓力高的地層會向壓力相對低的地層傳遞壓力，因此地下地質體內地層壓力分布往往具有區(qū)域性，連片性以及漸變的特征。
(3)疊加速度：地震資料處理過程中依據(jù)共反射點時距曲線求得的速度稱為疊加速度(或均方根速度)，該速度可用于計算地震層速度。
(4)地震層速度：地震勘探中，地下每一層地質體本身所具有的速度稱地震層速度，地震層速度直接與地下地層的巖性相關。
(5)DIX公式：由疊加速度(或均方根速度)Vr計算地震層速度Vn的公式：
其中，t0,n表示地震波在第n層介質垂直反射時間，疊加速度在水平層狀介質中就是均方根速度，如果界面傾斜，需要對疊加速度做傾角校正。
(6)波阻抗反演：波阻抗是地震層速度與密度的乘積，波阻抗反演通過輸入疊后地震資料，利用反演算法(遞推反演算法、稀疏脈沖反演算法、基于模型的反演算法、非線性反演算法、隨機反演算法等)從地震剖面上消除子波影響,留下反射系數(shù),再由反射系數(shù)計算出能反映地層物性變化的參數(shù)“波阻抗”的計算過程。
(7)速度的強非均質性：由反演算法獲得的地下地層的地震層速度場在空間分布上具有不均勻場的特征，其在縱向和橫向均有較高的變化率；往往在同一個封閉或孤立的地質體內部會出現(xiàn)速度縱橫向上的劇烈變化。
(8)目的層段：需要進行地層壓力預測的地下地層段。
(9)背景地層段：地下地層段(深度范圍：從地表到目的層段的底界面)除去目的層段外的部分，其深度范圍是從地表到目的層段的頂界面。
(二)現(xiàn)有技術
利用地球物理手段預測地層孔隙壓力，通?？梢苑譃榛跍y井資料(主要是聲波時差)的地層孔隙壓力預測和基于三維地震資料的地層孔隙壓力預測。由于地震資料覆蓋面積廣，充分利用地震資料可以在橫向和縱向上求取地層孔隙壓力，有效地指導勘探開發(fā)。目前常規(guī)的地層孔隙壓力預測方法主要是利用了超壓地層的“低”層速度特征：在正常情況下，速度隨深度的增加而增加；而當出現(xiàn)超壓層段時，地層的層速度將會降低。常規(guī)的地層壓力計算方法有壓實平衡方程法、等效深度法、Eaton法、Stone法、Fillippone法及改進的Fillippone法等方法。上述方法都是采用地震層速度進行計算，因此獲取高精度的地震層速度非常關鍵。
常規(guī)的用于地層壓力預測的地震層速度的計算方法主要有以下三種方法：(1)張傳進(1998年)基于傾角校正后的疊加速度，采用DIX公式計算地震層速度；(2)王英民、夏廣勝等(2011年)采用瞬時速度譜預測地層壓力，瞬時層速度是將均方根速度場在時間域上以相同的時間間隔劃分成若干薄速度層，然后針對每一個薄層的速度場使用DIX公式求取地震層速度；(3)周東紅、熊曉軍(2014年)首先采用三維約束迪克斯(DIX)反演方法計算從地表到目的層的背景層速度，然后采用波阻抗反演方法計算目的層段的層速度，再采用Fillippone公式結合上述兩種層速度進行地層壓力預測。
現(xiàn)有技術的缺點：
(1)單一采用DIX公式計算地震層速度的方法(張傳進，1998年)計算得到的地下地層的地震層速度場精度不足，難以勝任地層孔隙壓力預測的要求；
(2)采用瞬時速度譜計算地震層速度的方法(王英民、夏廣勝等，2011年)在時間域劃分薄層分別求取，一定程度上提高了常規(guī)DIX公式計算的精度，但本質上仍然單一地利用了DIX公式求取地震層速度，當?shù)貙哟嬖谳^大傾角或地下地層的層速度出現(xiàn)倒轉現(xiàn)象時，用該方法計算得到的地震層速度精度很低；
(3)采用“背景層段+目的層段”的地震層速度計算方法(周東紅、熊曉軍，2014年)有效地提高了地震層速度計算精度，但是其目的層段的地震層速度具有強非均質性特征，與地下地層的區(qū)域性連續(xù)分布的壓力分布特征不符合；且由DIX公式計算得到的背景段層速度場與波阻抗反演所得目的層段地震層速度在層位界面上不存在過渡，速度值突變現(xiàn)象十分明顯，容易在后續(xù)地層壓力預測過程中產生假象。
綜上所述，地下地層的地震層速度全部采用DIX公式計算，其精度太低，不適用于地層壓力預測(張傳進，1998年；王英民、夏廣勝等，2011年)；采用“背景層段+目的層段”的地震層速度計算方法能有效地提高地震層速度的計算精度，但是其目的層段的地震層速度具有強非均質性特征，與地下地層壓力的分布特征不符合，且在背景層段與目的層段的過渡區(qū)域存在速度的非真實性突變，從而影響后續(xù)的地層壓力預測的正確性。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于為勘探地球物理領域的地層壓力預測提供一種改進的適用于地層壓力預測的地震層速度場計算方法，旨在解決地層壓力預測過程中由于地震層速度信息不準確導致所求目的層段的壓力系數(shù)不準確的難題，可以用于指導石油天然氣的勘探開發(fā)，特別是頁巖氣的勘探開發(fā)。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，先將地下地層分為背景地層段和目的層段兩部分，其中背景地層段的地震層速度采用三維約束DIX公式反演方法求取，目的層段的地震層速度采用疊后波阻抗反演方法求??；然后對目的層段的地震層速度進行三維保邊去噪處理，再采用高斯加權濾波方法對背景地層段和目的層段的地震層速度進行數(shù)據(jù)融合處理，從而獲得用于地層壓力預測的地震層速度場。本發(fā)明獲得的地震層速度場具有局部或區(qū)域穩(wěn)定場的特征，與地下地層的壓力場特征一致。
本發(fā)明的具體步驟包括：
(1)將地下地層分為背景地層段和目的層段兩部分；
(2)基于輸入的疊加速度體，采用三維約束DIX公式反演方法求取背景地層段的地震層速度；
(3)對目的層段進行波阻抗反演求取目的層段的地震層速度場；
(4)對目的層段的地震層速度場進行三維保邊去噪處理；
(5)采用高斯加權濾波方法對背景地層段和目的層段的地震層速度進行數(shù)據(jù)融合處理；
(6)輸出步驟5融合得到的地下地層的地震層速度場。
本發(fā)明一種改進的適用于地層壓力預測的地震層速度場計算方法，具有如下特點，主要表現(xiàn)為：
(1)本發(fā)明提供的地震層速度場計算方法，對目的層段的地震層速度場采用三維保邊去噪算法進行平滑濾波，保證在目的段地震層速度場具有較高分辨率的同時，體現(xiàn)地震速度場區(qū)域性特點，有效地克服了目的層段的地震層速度的強非均質性的缺陷。
(2)本發(fā)明采用高斯加權濾波方法對背景地層段和目的層段的地震層速度進行數(shù)據(jù)融合處理，有效地壓制了背景地層段與目的層段的過渡區(qū)域的地震層速度的非真實性突變，從而獲得用于地層壓力預測的地震層速度場。
(3)本發(fā)明獲得的地震層速度場具有局部或區(qū)域穩(wěn)定場的特征，與地下地層的壓力場特征一致。
具體實施方式
本發(fā)明實施例提供的一種改進的適用于地層壓力預測的地震層速度場計算方法，具體實施步驟如下：
(1)基于地震層位數(shù)據(jù)，將地下地層分為背景地層段和目的層段兩部分。
(2)基于輸入的疊加速度體采用三維約束DIX公式反演方法求取背景地層段的地震層速度。本發(fā)明采用的三維約束DIX公式反演方法是葉勇2008年發(fā)表的方法(葉勇，三維約束Dix反演層速度方法及其應用研究，石油地球物理勘探，2008，43(4)：443-446)。
(3)對目的層段進行波阻抗反演求取目的層段地震層速度場。目前，對目的層段進行疊后波阻抗反演方法理論成熟，方法眾多，本發(fā)明采用安鴻偉、李正文等2002年發(fā)表的方法(安鴻偉，李正文等，稀疏脈沖波阻抗反演在YX油田開發(fā)中的應用，石油物探，2002，41(1)：56-60)反演波阻抗。獲得波阻抗數(shù)據(jù)后，考慮到地震層速度與地層密度之間存在著名的Gardner關系式：
ρ＝avb
式中ρ代表地層密度，v代表地震層速度，a和b是需要確定的常系數(shù)。基于測井數(shù)據(jù)中聲波時差(可換算得到地震層速度)曲線及密度測井曲線，利用最小二乘法擬合得到目的層段的Gardner關系式系數(shù)a和b。在此基礎上可利用擬合得到的Gardner關系式和波阻抗換算得到目的層段的地震層速度場。
(4)對步驟3得到的目的層段的地震層速度場采用三維保邊去噪算法進行濾波處理。本發(fā)明采用的三維保邊去噪算法是Nasher M.AlBinHassan等2006年發(fā)表的方法(Albinhassan N M,Luo Y等，3D edge-preserving smoothing and applications，Leading Edge,2006,21(2):136-158)，該方法在每個參與濾波的中心目標點周圍建立大小為5×5×5的體時窗，在這個125個點的三維正方體數(shù)據(jù)內，進一步劃分出32個更小的三維數(shù)據(jù)體，并分別計算32個數(shù)據(jù)體內數(shù)據(jù)的平均值及標準差。標準差計算公式如下式：
式中，σ'表示計算得到的標準差，N為統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣點個數(shù)，xi為第i個數(shù)據(jù)點，μ表示N個數(shù)據(jù)點的平均值。通過尋找32個數(shù)據(jù)體內標準差最小的一個數(shù)據(jù)體，再利用該數(shù)據(jù)體內的平均值作為預測中心目標點處的三維保邊去噪結果，將其存放在5×5×5小立方體的中心目標點處。循環(huán)計算完目的層段地震層速度數(shù)據(jù)體，得到經過三維保邊去噪處理后的目的層段的地震層速度場。
(5)采用高斯加權濾波方法對背景地層段的地震層速度(步驟2的計算結果)和目的層段的地震層速度(步驟4的計算結果)進行數(shù)據(jù)融合處理。融合方式是依靠層位數(shù)據(jù)(目的層段的頂界面層位)，將層位上方的地震層速度賦值為背景層段的地震速度(步驟2的計算結果)，將層位下方(含層位的位置)的地震層速度賦值為目的層段的地震速度(步驟4的計算結果)。融合完成后，進一步在層位邊界處進行高斯加權濾波平滑處理，高斯加權濾波特征如下：
對于融合完成后的第i道，第j個采樣點位置處的地震層速度值記為v(i,j)，平滑后的地震層速度值記為v'(i,j)。v'(i,j)由包含(i,j)領域內若干個地震層速度值在空間上的加權平均結果決定：
式中x、y表示鄰域P內所有相關點的道數(shù)和采樣點數(shù)，A表示以(i,j)為中心的領域點集合，G(x,y)是該速度在鄰域內求平均時的權值。高斯平滑濾波器是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀選取權值，平滑濾波器可以選用二維零均值高斯函數(shù)，如下式：
式中σ表示高斯函數(shù)中的標準差。當σ值選擇較大時，待處理的速度點鄰域越大，參與平滑的速度點數(shù)較多，平滑效果強烈；當σ值選擇較小時，待處理的速度點鄰域較小，參與平滑的速度點數(shù)較少，平滑效果弱?？筛鶕?jù)實際情況選擇不同的σ值進行濾波計算。
在此基礎上，依次將層位邊界上每個地震層速度值當做中心點速度值，在中心點周圍選擇一個小的空間鄰域內計算該點距離中心點的距離值x、y。并根據(jù)二維零均值高斯函數(shù)計算相應位置處的權值G(x,y)，最后將鄰域內各地震層速度值與高斯權值加權平均得到的結果作為層位數(shù)據(jù)中心點處的地震層速度濾波結果。
(6)將步驟5的計算結果輸出作為地下地層地震層速度場。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。