斜井VSP共反射点交互叠加成像方法

杨飞龙，刘东明，秦民君，苏志东

（1.长安大学地测学院，西安 710054；2.中国石油测井有限公司生产测井中心，西安 710201；3.西安威尔罗根能源科技有限公司，西安 710077）

斜井VSP共反射点交互叠加成像方法

杨飞龙1，刘东明2，秦民君2，苏志东3

（1.长安大学地测学院，西安 710054；2.中国石油测井有限公司生产测井中心，西安 710201；3.西安威尔罗根能源科技有限公司，西安 710077）

叠加可以压制噪声提高地震资料信噪比，是地震数据处理中十分重要的环节之一。采用逐段迭代算法进行波场正演，计算地震波反射点的位置。在利用Qt语言编制的波场对比交互软件界面上，进行正演记录与实际资料的波场特征对比，建立速度场模型。将共炮点道集数据搬家至反射点真实位置形成共反射点道集记录，以一定的面元尺寸叠加。应用斜井VSP（垂直地震剖面法）共反射点交互叠加方法对W地区进行成像研究，结果表明，该方法可以有效地反演地下地质结构特征，为地震数据的处理与解释提供了准确的依据。

垂直地震剖面法；共反射点叠加；逐段迭代；交互界面；成像

0 引言

地震波场成像是地震数据处理与解释的基本技术，如何使反射波正确归位是地震资料处理的核心环节。对于斜井VSP地震勘探，基于射线理论的常规水平叠加方法，面对复杂构造时成像精度受到限制，而共反射点叠加方法能够准确反映真实反射点处波场特征。斜井VSP共反射点交互叠加技术包括逐段迭代正演、交互波场对比以及共反射点叠加。

逐段迭代正演方法是基于两点间射线追踪的一种快速、准确、有效的射线追踪方法。80年代末，随着Kirchhoff积分叠前深度偏移在复杂构造中的较好效果，使得射线追踪方法得到快速发展。高频近似情况下，地震波的传播可近似地认为是沿射线轨迹传播［1］。Sambridge和Kennett［2］设计出不连续介质的边界射线追踪方法；Rawlinson等［3］使用三次B样条差值函数来描述地层界面，求解射线与界面的交点计算地震波旅行时；在国内，马争鸣、李衍达等［4］提出了二步法射线追踪，能够有效地确定射线的出射角度；高尔根等［5］提出基于两点间追踪的逐段迭代射线追踪方法，其运算速度比传统的打靶法提高一倍，高尔根等［6］将该方法推广到三维。考虑逐段迭代正演时的速度、精度以及复杂地质构造建模，在这里利用三次样条插值函数模拟地层与井的位置形态，根据逐段迭代算法对不同模型进行正演模拟，并使用C＋＋语言结合QT软件平台编制用户操作界面，采用交互式对比技术调整模型参数，使得正演模拟结果与实际资料波场特征吻合。根据波场交互对比建立精细速度场模型，使用共反射点叠加方法进行成像研究。

当地下构造复杂时，常规水平叠加（共中心点叠加）不再是共反射点叠加，这样叠加后得到的叠加剖面不能反映真实地质特征。基于波动方程的偏移技术可以解决反射波归位等问题，但其算法存在运算量大的缺点。20世纪90年代末，Karlsruhe大学Hubral教授［7］从旁轴射线理论出发，提出了共反射面元（CRS）叠加成像方法。所谓的共反射点叠加是把共反射面元看作为一个反射点，也就是将面元内的所有反射看作是同一点的反射；杨锴［8，10－13］、王华忠等［9］开始对CRS叠加方法进行研究；韩立国［14］与李振春等［15］从不同的角度将共反射点叠加方法进行推广，在实际的地震数据处理中也取得了一定的效果。

1 方法技术

斜井VSP共反射点叠加方法是在地面附近激发地震波，在接收井中的每一个检波器处记录，得到一个共炮点道集。随着震源

逐点移动激发，形成多个共炮点道集，对这些道集利用VSP共反射点叠加方法进行反射波归位，得到共反射点道集，然后以一定的面元对其进行叠加获得成像记录。图1为斜井VSP变偏观测方式，检波器安置在接收井中，震源位置逐点移动的观测方式。

图1 斜井变偏VSP观测示意图Fig.1 Variable offset diagram in deviated well

1.1 逐段迭代正演

逐段迭代法是高尔根、徐果明等［16］提出的，假定地震波传播的初始路径，选择相连续的射线与地层的交点，通过多次迭代来修改中间点最终得到真实的射线路径。逐段迭代方法可以快速地对任意界面进行射线路径追踪［17］，计算结果准确，精度比较高。与打靶法相比，其运算速度提升一个数量级。

以层状模型反射波为例，当地下为多个地层时，假设地震波从震源出发遇到反射界面时发生反射到达检波点（图2）。初始射线路径是S－P1－P2－ P3－R，v1、v2为相应的地层速度，f1（x）、f2（x）为界面函数，并且假设每个界面函数至少是光滑连续函数。地震波在传播过程中遵循斯奈尔定理，即满足同一个射线参数。如图2所示，根据炮点S与检波点R的位置确定射线路径S－P2－R路径，由于是反射波传播，所以选择炮点与检波点的终点位置作为中间点R2的位置，以一定的步长Δx移动使得S－P2－R射线传播满足SNELL定理，基于同样的原理确定P1点和P3点的位置。通过这样的逐段计算所得到的中间点与震源和检波点构成了一次迭代射线路径（图2中S、P1＇、P2＇、P3＇、R）。当新得到的射线路径传播至检波点时满足误差范围，则认为射线追踪成功；否则需要重新开始，修改增量重复上述过程，直到满足误差范围为止。当满足误差范围时所得到的中间点与震源和检波点构成了整条射线路径。然后计算炮点传播至每一层地层交点的时间直到检波点处，即得到炮点至接收点的旅行时。

图2 逐段迭代法射线追踪原理示意图Fig.2 Piecewise iteration method of ray tracing principle diagram

1.2 交互式正演

1991年奇趣科技开发的跨平台C＋＋图形用户界面应用程序Qt，它很容易扩展并且可以组件编程。交互波场对比时采用基于Qt编制的交互式显示界面，检验正演所建立的模型以及选取的参数的准确性。

基于Qt编制的交互式显示界面，可以用来检验正演时所建立的模型以及选取的参数的准确性［18］。图3（a）为基于Qt编制的波场交互界面。图3中黑色波场特征为VSP野外采集的上行P波波场，红色波场特征为正演得到的上行P波波场特征［19］。通过叠合比较，当波场特征存在差异时需调整模型的参数。图3（a）中蓝色四边形区域内正演波场与实际波场特征存在差异，现使用修改模型界面来调整模型参数。点击波场对比交互界面上鼠标按钮，弹出修改模型用户界面，选择要修改的地层号，以及该层的第几个控制点，然后在此基础上进行修改地层参数，包括地层坐标以及地层速度。地质模型与速度场是根据研究区地质背景、测井资料以及联井剖面建立的，初始模型根据井控资料可考虑地层倾角，一般情况下建立水平地层模型，然后根据正演记录与实际记录对比调整模型及速度场，正演时子波采用雷克子波。修改模型参数后得到如图3 （b）所示的波场对比特征，从图3（b）中可以看到，正演的结果与实际波场特征吻合，因此该正演的模型以及速度场参数可以作为下一步成像的基础。在实际处理中，修改模型的过程是迭代进行的，因为受野外地质信息的不完整以及测井资料的限制，使得地质模型及速度场的准确性需要多次调整。

图3 波场对比交互界面Fig.3 The interactive interface of contrastive wave field

1.3 共反射点叠加

共反射点时距曲线反映了地震波传播经过地层时反射点的信息，同时也反映了地下地层结构的特征。假设地层为均匀各向同性介质，建立如图4（a）所示的地质模型，在接收井上有5个检波器，通过逐共炮点道集数据以10m为面元大小进行叠加得到的叠加剖面。

VSP共反射点叠加成像方法，可以获得地下地层的准确构造信息。如图5所示，首先对研究区进行正演研究，获得地震波在地下介质中传播的射线路径（图5（b））与波场记录（图5（c））。在实际叠加处理时，对比正演的波场特征与实际波场的关系，采段迭代正演得到如图4（b）所示的上行P波波场特征。共反射点叠加的过程其实是使得反射波正确归位的一个过程。通过正演计算每一个反射点的位置及地震波传播至此的旅行时，对比波场特征获得准确速度场，然后将共炮集记录中的每一道波场特征搬家至相应的反射点时刻，最后经过时深转换得到对应于反射点位置的波场特征［20］（图4（c））。在所建立的地质模型中，按照一定的间隔大小将模型划分为多道，再以固定的面元尺寸将同一面元中的地震道叠加起来，得到最终的叠加剖面（图4（d））。

2 模型试算

如图5（a）所示，建立一套具有倾斜地层和正断层结构特征的地质模型，该模型中具有一套倾斜地层，一套正断层，地层速度分别为v1＝1 600m／s，v2＝2 100m／s，v3＝2 600m／s。炮点置于地面处，距井口距离为900m，检波点位于接收井中，接收井为斜井，检波器起始深度为40m，检波器之间垂深为20m，共70道接收，正演时子波选择雷克子波。图5（b）、5（c）和5（d）分别为利用VSP共反射点叠加成像方法得到的射线路径、共炮点道集记录以及对用交互式操作。当正演结果与实际波场相符时，采用共反射点叠加，获得叠加剖面（图5（d）），通过叠加剖面特征可以清楚地反映地下地层的结构信息。经理论研究表明，该方法计算准确、精度较高、界面友好、操作简便，可以快速准确地反映地下地质结构特征，为地震资料处理提供了准确的速度场，指导下一步的反演工作。

图4 共反射点叠加Fig.4 Common reflection point stack

3 实例分析

为了验证交互式斜井VSP共反射点叠加成像的应用效果，将该方法应用在W地区斜井VSP反射波成像研究之中。首先根据W地区地质与测井数据建立如图6（a）所示的地质模型及相应的观测系统，或者根据研究区地面地震叠加剖面上所划分的地层来建立VSP地质模型，地层的层数根据研究区目的层的有效信息来确定，划分的越细，速度场越准确，叠加成像的结果越真实。正演时，使用的是雷克子波。正演的结果仅用来对比调整所建立的速度场与地质模型是否与真实记录匹配，当叠加成像时是对实际地震数据进行VSP－CDP成像。地层速度分别为v1＝1 600m／s，v2＝1 720m／s，v3＝1 850 m／s，v4＝2 000m／s，v5＝2 120m／s，v6＝2 310 m／s，v7＝2 450m／s，v8＝2 600m／s，v9＝2 760 m／s。炮点置于地面处，检波点位于接收井中，采用变偏VSP勘探方法，最小偏移距为50m，最大偏移距为1 600m。接收井为斜井，检波器起始深度为80m，检波器之间垂深为10m，共40道接收。建立模型时需考虑地层倾角，并且在波场对比时不断调整速度与地层倾角变化，使得正演波场与实际记录匹配。在交互分析的过程中，需要调整迭代调整速度与模型参数，需要花费一定的时间。正演模型越准确，成像的结果也越真实。使用交互式斜井VSP共反射点叠加成像方法对其研究，得到正演波场与实际地震勘探的共炮集地震波场对比图（图6（b））。通过交互式对比分析，调整地层速度与模型参数，正演的地震波场与实际波场信息十分吻合，然后采用共反射点叠加方法进行成像研究，叠加面元为10 m，获得如图6（c）所示的叠加剖面。从叠加结果可以看出实际地层的结构特征，说明共反射点叠加成像方法对斜井VSP成像具有较好效果，为进一步地震资料解释提供了依据。

图5 共反射点叠加示意图Fig.5 Common reflection point stack

4 结论

作者研究了斜井VSP共反射点叠加成像方法，在QT环境下，编制用户操作界面，可以进行交互式对比研究，使得计算方便简单并且准确快速。利用所编制的软件对理论模型以及实际资料进行研究，结果充分说明作者所使用的交互式斜井VSP共反射点叠加成像方法，能够准确反映地下地层结构信息，计算效率优于其他方法，方便用户使用，对斜井VSP成像研究具有深刻意义，在斜井VSP地震勘探开发领域中有非常好的应用前景。

致谢：

长安大学地质工程与测绘学院孙渊教授为本文的完成提供了大量有益的建议。西安石油大学李辉峰教授在实现该程序算法上提出宝贵的建议，在此感谢。

［1］ 张钋，刘洪，李幼铭.射线追踪方法的发展现状［J］.地球物理学进展，2000，15（1）：36－45.

ZHANG P，LIU H，LI Y M.The situation and progress of ray tracing method research［J］.Progress in Geophysics.2000，15（1）：36－45.（In Chinese）

［2］ M.S.SAMBRIDGE，A.TARANTOLA，B.L.N.KENNETT.An Alternative Strategy for Non－linear Inversion of Seismic Waveforms［J］.Geophysical Prospecting，1991，39（6）：723－736.

［3］ RAWLINSON N，SAMBRIDGE M.Seismic traveltime tomography of the crust and lithosphere［J］.Advances in Geophysics，2003，46：181－198.

［4］ 马争鸣，李衍达.二步法射线追踪［J］.地球物理学报，1991，34（4）：501－508.

MA ZH M，LI Y D.Two－step ray tracing method［J］.Chinese J.Geophys.1991，34（4）：501－508.（In Chinese）

［5］ 高尔根，徐果明；二维速度随机分布逐步迭代射线追踪方法［J］.地球物理学报，1996，39：302－308.

GAO ER G，XU G M.A new kind of step by step iterative ray－tracing method［J］.Chinese J.Geophys，1996，39：302－308.（In Chinese）

［6］ 高尔根，徐果明，蒋先艺，等.三维结构下逐段迭代射线追踪方法［J］.石油地球物理勘探，2002，37（1）：11－16.

GAO E G，XU G M，JIANG X Y，et al.Iterative ray －tracing method segment by segment under 3－D construction［J］.Oil Geophysical Prospecting，2002，37 （1）：11－16.（In Chinese）

［7］ CRUZ J C R，HUBRAL P，TYGEL M，et al.The common reflecting element（CRE）method revisited ［J］.Geophysics，2000，65（3）：979－993.

［8］ 杨锴，王华忠，马在田.共反射面元叠加的应用实践［J］.地球物理学报，2004，47（2）：327－331.

YANG K，WANG H Z，MA Z T.The practice on common reflection surface stack［J］.Chinese J Geophys，2004，47（2）：327－331.（In Chinese）

［9］ 王华忠，杨锴，马在田.共反射面元叠加的应用理论－从共反射点到共反射面元［J］.地球物理学报，2004，15（01）：137－142.

WANG H Z，YANG K，MA Z T.An applied theory on common reflection surface stack－from common reflection point to common reflection surface［J］.Chinese J Geophys，2004，47（1）：137－142.（In Chinese）

［10］杨锴，许士勇，王华忠.倾角分解共反射面元叠加方法［J］.地球物理学报，2005，48（5）：1148－1155.

YANG K，XU S Y，WANG H Z.A method of dip decomposition common reflection surface stack［J］.Chinese J Geophys，2005，48（5）：1148－1155.（In Chinese）

［11］杨锴，马在田.关于共反射面元叠加方法在实际应用中的一些思考［J］.地球物理学进展，2005，20（1）：12－16.

YANG K，MA Z T.Some thoughts on common reflection surface stack in practice［J］.Progress in Geophysics，2005，20（1）：12－16.（In Chinese）

［12］杨锴，马在田.输出道成像方式的共反射面元叠加方法I一理论［J］.地球物理学报，2006，49（2）：546－553.

YANG K，MA Z T.Common reflection surface stack by an output imaging scheme［J］.Chinese J Geophyg，2006，49（2）：546－553.（In Chinese）

［13］杨锴，马在田，罗卫东.输出道方式的共反射面元叠加方法Ⅱ一实践［J］.地球物理学报，2006，49（3）：895－902.

YANG K，MA Z T.Common reflection surface stack by the outplanatⅡ：Practice［J］.Chinese J Geophys，2006，49（3）：895－902.（In Chinese）

图6 W地区实际资料共反射点叠加Fig.6 Common reflection point stack in W area data

［14］韩立国，孙建国，何樵登，等.共反射面与共中心点联合叠加成像［J］.石油物探，2003，42（1）：25－28.

HAN L G，SUN J G，HE Q D，et a1.Imaging by joint CRS and CMP stacking［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2003，42（1）：25－28.（In Chinese）

［15］李振春，孙小东，刘洪.复杂地表条件下共反射面元（CRS）叠加方法研究［J］.地球物理学报，2006，49（6）：1794－1801.

LI ZH C，SUN X D，LIU H.Common reflection surface stack for rugged surface topography［J］.Chinese J Geophys，2006，49（6）：1794－1801.（In Chinese）

［16］徐果明，卫山，高尔根，等.二维复杂介质的块状建模及射线追踪［J］.石油地球物理勘探，2001，36（2）：213－219.

XU G M，WEI SH，GAO ER G，et al.Block modelbuilding and ray－tracing in 2－D complicated medium ［J］.Oil Geophysical Prospecting，2001，36（2）：213－219.（In Chinese）

［17］李辉峰，王彦军，范廷恩.基于块状模型的井间地震运动学正演方法［J］.石油地球物理勘探，2011，46（2）：196－201.

LI H F，WANG Y J，FAN T G.Kinematic forward modeling based on block－model for crosswell seismic［J］.OGP，2011，46（2）：196－201.（In Chinese）

［18］邓飞.基于Qt的地震资料采集质量监控及评价系统的开发与研究［D］.成都：成都理工大学，2004.

DENG F.The exploitation and research of the control quality and evaluation system for the seismic information collection based on Qt［D］.Chengdu：Chengdu U－niversity of Technology，2004.

［19］刘守伟，王华忠，陈生昌，等.VSP上下行反射波联合成像方法研究［J］.地球物理学报，2012，55（9）：3126－3133.

LIU S W，WANG H Z，CHEN S C，et al.Joint imaging method of VSP upgoing and downgoing reflection wave［J］.Chinese J Geophys，2012，55（9）：3126－3133.（In Chinese）

［20］李辉峰，杨飞龙，高云峰.井间地震数据叠加成像方法研究［C］.第二届中国能源科学家论坛论文集，2010：823－828.

LI H F，YANG F L，GAO Y F.Study in stack imaging method using crosswell seismic data［C］.The second China Energy Scientist Forum，2010：823－828.（In Chinese）

Interactive stack imaging method of VSP common reflection point in deviated well

YANG Fei－long1，LIU Dong－ming2，QIN Min－jun2，SU Zhi－dong3
（1。College of the Geological Engineering and Geomatics，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2.Production Logging Center，CNPC Logging，Xi＇an 710201，China；3.Well Logging Energy Technology（Xi＇an）CO.，LTD，Xi'an 710054，China）

Stack is one of the most important links in seismic data processing，which can suppress noise and improve the signal－to－noise ratio.The method of piecewise iteration algorithm is used for seismic wave forward，and calculating the positions of seismic wave reflection points.The velocity field model is built through comparing the forward records with the wave field characteristics of actual data on the interactive interface which is compiled in Qt.The common reflection point gathers are formed by moving the common shot point gathers data to the real location of reflection points，and stacking in a bin size.Interactive deviated well VSP common reflection point stack method is applied in imaging study of W area，the results are shown that this method can effectively inverse the underground geological structure characteristics，and provide accurate basis for seismic data processing and interpretation.

VSP；common reflection point stack；piecewise iteration；interactive interface；imaging

P 631.4

：ADOI：10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.10

1001－1749（2015）06－0728－07

2014－12－18改回日期：2015－06－02

十二五国家科技重大专项子课题（2011ZX05024－001－03）

杨飞龙（1988－），男，博士，主要从事地震波波场数值模拟方法及其应用技术研究，E－mail：feilongyang2006＠126.com。