一种弹性波应力张量双点积地震成像方法、装置及设备

技术领域

本文涉及勘探地球物理学领域，尤其涉及一种弹性波应力张量双点积地震成像方法、装置及设备。

背景技术

在目前的弹性逆时偏移成像中，常用的构造解耦波动方程分离技术无法获得无串扰的横波应力。此外，应力场本质上为二阶张量，而已有的标量或者矢量互相关系成像条件无法直接应用于二阶应力张量波场，传统的应力成像大多为单一的纵波分量成像，无法发挥纵横波联合勘探的优势，导致成像质量差，无法精准地利用成像预测油气勘探的风险。

现在亟需一种弹性波应力张量双点积地震成像方法，从而解决现有纵波成像技术无法发挥纵横波联合勘探的优势，导致无法精准地利用多波成像结果预测油气勘探的风险的问题。

发明内容

为解决现有纵波成像技术无法发挥纵横波联合勘探的优势，导致无法精准地利用多波成像结果预测油气勘探的风险的问题，本文实施例提供了一种弹性波应力张量双点积地震成像方法、装置及设备，可以获得解耦的应力波场，对应的成像条件考虑了应力张量波场中的每一部分能量并且通过较为简单的计算流程即可获得标量的成像结果，本文获得的应力成像结果既包含纵波应力成像又包含横波应力成像，可以实现纵横波应力联合勘探，从而利用得到的成像精准地对气勘探的风险进行预测。

为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：

一方面，本文实施例提供了一种弹性波应力张量双点积地震成像方法，包括，

基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场；

利用所述检波质点振动速度矢量波场构建解耦波动方程，得到解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场；

利用所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场；

对所述震源应力张量波场和所述检波解耦伪应力张量波场应用双点积互相关成像条件，获得伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果，将所述伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果作为弹性波应力张量双点积地震成像结果。

进一步地，所述弹性各向同性介质一阶速度-应力方程为，

其中，(τ

交错网格的网格点定义为(1:v

进一步地，基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解所述弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场进一步包括，

基于所述网格点定义，利用所述交错网格高阶有限差分法对所述弹性各向同性介质一阶速度-应力方程进行离散，得到离散格式为，

其中，Δt表示时间间隔，i、k分别表示所述二维笛卡尔坐标系中x、z方向的离散点，n表示所述时间t方向的离散点，ρ-

其中，Δx和Δz表示x,z方向上的采样间隔，f

利用所述离散格式，根据给定的所述介质模型参数，获得所述拉梅参数λ和μ、所述密度ρ；

将震源波场在延拓过程中加载的雷克子波形式的纵波震源加载在所述震源应力张量波场的(τ

将检波波场在延拓过程中的多分量地震记录加载在所述检波质点振动速度矢量波场(v

进一步地，利用所述检波质点振动速度矢量波场构建解耦波动方程，得到解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和检波横波振动速度矢量波场进一步包括，

所述解耦波动方程为，

其中，τ

所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场为，

其中，

所述解耦检波横波振动速度矢量波场为，

其中，(v

进一步地，利用所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场进一步包括，

所述解耦伪应力方程包括纵波伪应力方程和横波伪应力方程，其中，纵波伪应力方程为，

其中，

横波伪应力方程为，

其中，

将所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场

进一步地，对所述震源应力张量波场和所述检波解耦伪应力张量波场应用双点积互相关成像条件，获得伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果进一步包括，

对所述震源应力张量波场Src＝(τ

计算得到所述伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果，其中，I

另一方面，本文实施例还提供了一种弹性波应力张量双点积地震成像装置，包括，

一阶速度-应力方程求解单元，用于基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解所述弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场；

解耦波动方程求解单元，用于利用所述检波质点振动速度矢量波场构建解耦波动方程，得到解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场；

解耦伪应力方程求解单元，用于利用所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场；

成像结果计算单元，用于对所述震源应力张量波场和所述检波解耦伪应力张量波场应用双点积互相关成像条件，获得伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果，将所述伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果作为弹性波应力张量双点积地震成像结果。

另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器、以及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被计算机设备的处理器运行时，执行上述的方法。

利用本文实施例，通过对检波波场利用已有的解耦波动方程方法，获得解耦的质点振动速度矢量波场，再利用获得的解耦质点振动速度矢量波场，通过构建解耦伪应力方程，获得解耦伪应力波场，最后利用双点积互相关成像条件算法对震源二阶应力张量波场和解耦的检波二阶应力张量波场进行运算，获得最终标量成像结果。本文获得的应力成像结果既包含纵波应力成像又包含横波应力成像，可以实现纵横波应力联合勘探，从而利用得到的成像精准地对气勘探的风险进行预测，解决现有纵波成像技术无法发挥纵横波联合勘探的优势，导致无法精准地利用多波成像结果预测油气勘探的风险的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本文实施例一种弹性波应力张量双点积地震成像方法的流程示意图；

图2a和图2b所示为本文实施例交错网格的定义的示意图；

图3所示为本文实施例具有水平-垂直分界面弹性模型的具体参数示意图；

图4a、图4b和图4c所示为本文实施例对图2a和图2b所示模型正演解耦纵波伪应力在450ms处的波场快照图；

图5a、图5b和图5c所示为本文实施例对图2a和图2b所示模型正演解耦横波伪应力在450ms处的波场快照图；

图6a、图6b和图6c所示为本文实施例重采样后的Marmousi2模型；

图7a和图7b所示为本文实施例对图5a、图5b和图5c所示的偏移成像结果；

图8a、图8b和图8c所示分别为本文实施例将图6a、图6b和图6c中Marmousi2模型的宽度1000m～3200m、深度1100m～1600m处放大得到的图像；

图9a和图9b所示为本文实施例对图8a和图8b所示的区域利用本文方法的偏移成像结果；

图10所示为本文实施例一种弹性波应力张量双点积地震成像装置的结构示意图；

图11所示为本文实施例计算机设备的结构示意图。

【附图标记说明】：

1001、一阶速度-应力方程求解单元；

1002、解耦波动方程求解单元；

1003、解耦伪应力方程求解单元；

1004、成像结果计算单元；

1102、计算机设备；

1104、处理设备；

1106、存储资源；

1108、驱动机构；

1110、输入/输出模块；

1112、输入设备；

1114、输出设备；

1116、呈现设备；

1118、图形用户接口；

1120、网络接口；

1122、通信链路；

1124、通信总线。

具体实施方式

下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。

需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本申请技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合国家法律法规的相关规定。

为了解决现有技术中存在的问题，本文实施例提供了一种弹性波应力张量双点积地震成像方法，可以获得解耦的应力波场，对应的成像条件考虑了应力张量波场中的每一部分能量并且通过较为简单的计算流程即可获得标量的成像结果。图1所示为本文实施例一种弹性波应力张量双点积地震成像方法的流程示意图。在本图中描述了基于地震应力进行成像的过程，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图1所示，可以由处理器执行，所述方法可以包括：

步骤101：基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场；

步骤102：利用所述检波质点振动速度矢量波场构建解耦波动方程，得到解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场；

步骤103：利用所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场；

步骤104：对所述震源应力张量波场和所述检波解耦伪应力张量波场应用双点积互相关成像条件，获得伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果，将所述伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果作为弹性波应力张量双点积地震成像结果。

利用本文实施例，通过对检波波场利用已有的解耦波动方程方法，获得解耦的质点振动速度矢量波场，再利用获得的解耦质点振动速度矢量波场，通过构建解耦伪应力方程，获得解耦伪应力波场，最后利用双点积互相关成像条件算法对震源二阶应力张量波场和解耦的检波二阶应力张量波场进行运算，获得最终标量成像结果。本文获得的应力成像结果既包含纵波应力成像又包含横波应力成像，可以实现纵横波应力联合勘探，从而利用得到的成像精准地对气勘探的风险进行预测，解决现有纵波成像技术无法发挥纵横波联合勘探的优势，导致无法精准地利用多波成像结果预测油气勘探的风险的问题。

本文实施例所述的弹性波应力张量双点积地震成像方法包括如下步骤：

步骤1：基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场；

弹性各向同性介质一阶速度-应力方程为公式(1)：

其中，(τ

交错网格的定义如图2a和图2b所示，图2a为整个空间网格示意图，图2b为单元网格定义，其中整网格用实线表示，半网格用虚线表示，按照图2b的1、2、3、4四种不同空间相对位置将震源应力张量波场(τ

(1:v

基于上述网格定义，利用交错网格高阶有限差分法对弹性各向同性介质一阶速度-应力方程进行离散，得到离散格式为公式(3)：

在离散格式中，Δt表示时间间隔，i、k分别表示所述二维笛卡尔坐标系中x、z方向的离散点，n表示所述时间t方向的离散点，ρ

其中，Δx和Δz表示x,z方向上的采样间隔，f

利用上述离散格式，根据给定的所述介质模型参数，获得所述拉梅参数λ和μ、所述密度ρ；在震源波场延拓过程中，将纵波震源加载在(3)式的应力张量波场(τ

步骤2：利用检波质点振动速度矢量波场(v

其中，τ

其中，解耦检波纵波质点振动速度矢量波场为公式(6)：

其中，

解耦检波横波振动速度矢量波场为公式(7)：

其中，

步骤3：利用解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场；

纵波伪应力方程为公式(8)：

公式(8)展开为公式(9)：

横波伪应力方程为公式(10)：

公式(10)展开为公式(11)：

在公式(8)-(11)中，

将解耦检波纵波质点振动速度矢量波场

步骤4：对震源应力张量波场

其中，I

其中Src和Rcv分别为所述震源应力张量波场Src和检波解耦伪应力张量波场的对应分量形式，

本文实施例可以获得与总应力波场相对应的二阶张量解耦应力波场，通过双点积互相关成像条件可以直接利用二阶应力张量波场获得标量成像结果，物理意义更为明确，并且该成像条件充分考虑到张量形式波场中的每个分量，实现了弹性逆时偏移应力成像，为弹性逆时偏移算法多了一种选择。

示例性地，结合本文所述的具有水平-垂直分界面的弹性模型应力波场解耦方法的应用，该模型及其参数如图3所示，在图3中，横坐标“Distance”表示模型宽度、纵坐标“Depth”表示模型深度、单位均为“km”，图3中的a、b、c分别表示纵波速度、横波速度以及密度。以30Hz主频Ricker子波震源函数激发纯纵波为输入，对波场进行模拟，应用本文的步骤1获得检波质点振动速度矢量波场，再应用本发明步骤2中解耦波动方程获得解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场，接着应用本发明步骤3中的伪应力解耦方程获得解耦的纵、横波伪应力，解耦检波纵波伪应力结果如图4a、图4b和图4c所示，解耦检波横波伪应力结果如图5a图5b和图5c所示，图4a、图4b、图4c和图5a图5b、图5c的横坐标“Distance”表示模型宽度、纵坐标“Depth”表示模型深度、单位均为“km”。从图4a、图4b、图4c和图5a、图5b、图5c可以看出在分界面处透射、反射P波和转换透射、转换反射S波解耦成功，由此可以说明本文的应力解耦方法正确有效。

为了验证本文双点积互相关成像条件方法在复杂模型的适应性，将本文的应力解耦和成像条件用于重采样后的Marmousi2模型弹性波成像实验，该模型速度如图6a、图6b和图6c所示，图6a表示Marmousi2模型纵波速度模型，图6b表示Marmousi2模型纵波速度模型，图6c表示横波速度模型和密度模型。

下面以某一炮成像为例说明应用本发明偏移成像过程。

以震源函数为输入对震源波场进行正向外推、以未经分离的多分量地震资料为输入进行检波波场逆时外推，获得各个时刻弹性波场；对检波波场应用本文步骤1获得检波质点振动速度矢量波场，再应用本文步骤2中的解耦波动方程获得解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场；接着应用本文步骤3中的伪应力解耦方程获得解耦的纵、横波伪应力；结合震源应力波场和检波解耦伪应力波场，应用步骤4的双点积互相关成像条件，获得标量成像结果。应用上述流程获得单炮成像结果，最终多炮叠加结果如图7a和图7b所示，图7a表示标量伪PP成像结果I

进一步为了说明本方法在地震勘探油气解释中的优势，将Marmousi2模型宽度1000m～3200m、深度1100m～1600m处放大如图8a、图8b和图8c所示，图8a表示该部分纵波速度模型，图8b表示该部分的横波速度模型，图8c表示该部分的密度模型，从放大模型中可以看到，该区域存在一个特殊岩性的区域(五角星位置)，该特殊岩性区纵横波速度无差异，而密度存在明显的差异；此外，在该区域还存在一个“透镜体”构造(图7a和图7b方框圈出)，在油气勘探当中，透镜体构造通常为油气储集的有利位置，也是勘探的重点目标之一。该放大部分成像结果放大如图9a和图9b所示，图9a表示该区域标量伪PP成像结果I

基于同一发明构思，本文实施例还提供了一种弹性波应力张量双点积地震成像装置，如图10所示，包括：

一阶速度-应力方程求解单元1001，用于基于弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，以介质模型参数、震源子波函数和多分量地震记录为输入，利用交错网格高阶有限差分法求解所述弹性各向同性介质一阶速度-应力方程，得到震源应力张量波场、检波质点振动速度矢量波场；

解耦波动方程求解单元1002，用于利用所述检波质点振动速度矢量波场构建解耦波动方程，得到解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场；

解耦伪应力方程求解单元1003，用于利用所述解耦检波纵波质点振动速度矢量波场和解耦检波横波振动速度矢量波场构建解耦伪应力方程，得到检波解耦伪应力张量波场；

成像结果计算单元1004，用于对所述震源应力张量波场和所述检波解耦伪应力张量波场应用双点积互相关成像条件，获得伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果，将所述伪PP标量成像结果和伪PS标量成像结果作为弹性波应力张量双点积地震成像结果。

由于上述装置解决问题的原理与上述方法相似，因此上述装置的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。

如图11所示为本文实施例计算机设备的结构示意图，本文中的装置可以为本实施例中的计算机设备，执行上述本文的方法。计算机设备1102可以包括一个或多个处理设备1104，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)，每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。计算机设备1102还可以包括任何存储资源1106，其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的，比如，存储资源1106可以包括以下任一项或多种组合：任何类型的RAM，任何类型的ROM，闪存设备，硬盘，光盘等。更一般地，任何存储资源都可以使用任何技术来存储信息。进一步地，任何存储资源可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地，任何存储资源可以表示计算机设备1102的固定或可移除部件。在一种情况下，当处理设备1104执行被存储在任何存储资源或存储资源的组合中的相关联的指令时，计算机设备1102可以执行相关联指令的任一操作。计算机设备1102还包括用于与任何存储资源交互的一个或多个驱动机构1108，诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。

计算机设备1102还可以包括输入/输出模块1110(I/O)，其用于接收各种输入(经由输入设备1112)和用于提供各种输出(经由输出设备1114)。一个具体输出机构可以包括呈现设备1116和相关联的图形用户接口(GUI)1118。在其他实施例中，还可以不包括输入/输出模块1110(I/O)、输入设备1112以及输出设备1114，仅作为网络中的一台计算机设备。计算机设备1102还可以包括一个或多个网络接口1120，其用于经由一个或多个通信链路1122与其他设备交换数据。一个或多个通信总线1124将上文所描述的部件耦合在一起。

通信链路1122可以以任何方式实现，例如，通过局域网、广域网(例如，因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路1122可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。

对应于图1中的方法，本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述步骤。

本文实施例还提供一种计算机可读指令，其中当处理器执行所述指令时，其中的程序使得处理器执行如图1的方法。

应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。

还应理解，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本文的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。

另外，在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。