速度扫描方法研究毕业设计.docx

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速度扫描方法研究毕业设计

本科毕业论文（设计）

题目：

速度扫描方法研究

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在於文辉导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

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作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

中文摘要

Englishabstract

第一章绪论

§1.1选题依据与背景

地震波在地下介质中的传播速度是地震数据处理和解释中非常重要的参数。

速度参数不仅关系到地震数据处理诸多环节的质量，其本身也提供了关于地下构造和岩性的重要信息。

速度分析是地震数据处理过程中至关重要的环节，在速度场准确的情况下，地震数据通过叠加和偏移处理能够较好地反映地下构造特征，反之，可能会产生假象，甚至错误的解释结果。

准确可靠地进行速度分析是地震数据处理的基础。

地震波传播速度参数贯穿于地震数据采集、处理和解释的整个过程。

从基于模型照明分析的观测系统优化与照明补偿，到常规叠加处理、叠后（前）时间（深度）偏移，再到时深转换、地层压力预测及岩性与储层刻画等，速度分析的结果不仅影响成像效果，而且更重要的是影响成像与解释结果的可靠性，所以说地震速度是地震勘探中最重要的参数之一。

自20世纪60年代多次覆盖叠加技术出现以来，速度分析就成为地震数据处理中的必要环节。

在地震勘探发展的早期阶段，地质构造较为简单时，基于双曲线型时距方程的叠加速度分析技术就能满足要求。

随着勘探条件的日益复杂和成像方法技术的逐渐成熟，提出了各种更符合实际地质情况的成像方法和速度分析技术，如适应于倾斜地层的倾角时差校正后的叠加速度分析技术，适用于大偏移距的高阶动校正优化和非双曲线速度分析技术，适用于复杂介质和偏移成像的各种偏移速度分析技术和层析反演方法，以及各向异性介质的速度分析、转换波速度分析等。

一些学者对此做了不同程度的归纳总结，但对目前所用的方法之间的本质区别与紧密联系方面探讨的文献并不多。

近几年来，国内外对提高速度分析精度的问题已有过不少研究。

按其研究内容大致分为两类:

一类是与传统速度分析方法不同的新方法，例如符号位速度谱;另一类则是在原有速度分析基础上改进的，如高阶时差谱、迭代叠加速度分析、密点速度分析等。

影响速度分析精度的因素很多，归纳起来有:

复杂地表和低降速度带;地层倾角;速度的各向异性、弯曲界面所造成的共中心点时距曲线的非双曲线性;相干性测量;速度扫描的间隔，采样率等。

当地区的地震地质条件复杂、得不到高质量的速度谱时，便可以应用速度扫描。

速度扫描是最直观、最简单、最可靠的速度分析方法，因为它是直接从动校正记录或叠加道上提取速度。

但是这种方法很费时间，故成本较高，所以限制了他的广泛应用。

§1.2研发现状及发展趋势

地震数据处理的发展过程与石油、天然气地震勘探的发展历程紧密相关。

从1968年至今为数字地震勘探阶段，在这个阶段利用数字地震仪在野外进行数字地震采集，野外地震记录以数字磁带记录方式记录在野外数字磁带上。

室内地震数据处理将野外数字磁带回放后，输入数字计算机进行数字处理。

§1.2.1研发现状

目前地震数据处理的发展主要表现在：

①在CMP叠加技术方面，出现了数字动校正（NMO）技术、数字静校正和剩余静校正技术、速度分析技术和CMP叠加或CDP叠加技术，使叠加剖面的地震信噪比显著提高。

②在偏移成像技术方面，出现了波动方程偏移。

③在振幅地震属性的处理和利用方面，从最初单纯利用强振幅和极性反转等特征的亮点技术，发展到利用振幅随偏移距变化以识别岩性和孔隙中流体性质的AVO处理技术。

④在地震反演方法方面，从较早的声阻抗（AI）技术到近来的弹性阻抗（EI）处理技术，在岩性反演与油气储层预测方面也在不断地取得发展。

⑤依据小波变换、Т-p变换、人工神经网络和分形技术等新理论形成的一批新技术也不断地为地震数据处理提供一些新的处理方法。

⑥在开发地震方面，高分辨率三维地震处理技术、垂直地震剖面（VSP）处理技术、井间地震处理技术和时移地震处理技术等为油气田开发阶段油气藏管理和动态监测提供了有效的手段。

§1.2.12发展趋势

最近地震数据处理发展的趋势有下述四个主要特点：

①：

从二维向三维地震方向发展，目前已经发展到以三维地震工作为主的阶段。

②：

从地表条件和地下构造简单地区向复杂地区方向发展。

③：

从构造勘探向地层、岩性勘探方向发展。

④：

从勘探地震向开发地震方向发展。

随着油气勘探、开发工作难度越来越大，对地震工作的要求也越来越高，地震数据处理向高信噪比、高分辨率和高保真度的“三高”处理方向发展，这是今后地震数据处理的根本发展方向。

目前的工作方向有以下几种：

①随着巨型向量并行机和微机集群在地震数据处理中的广泛应用，为实现“三高”地震数据处理提供了硬件的保证和软件的基础，开辟了“三高”地震数据处理的广阔前景。

②开展实际复杂介质中地震波场传播规律的研究。

具体包括粘弹性介质和孔隙弹性介质地震波传播规律的研究，为实现“三高”地震数据处理提供地震理论依据和方法保障。

③开展地震采集、处理和解释一体化研究，以保证复杂构造油气藏和地层油气藏目标的照明度，保证地震反射有效信息的采集和利用。

④深入开展叠前处理方法的研究，包括叠前时间偏移和叠前深度偏移方法研究，特别是保持振幅叠前偏移和各向异性介质叠前偏移方法的研究，以保证地震数据“三高”处理的实现。

⑤深入开展多波多分量地震数据处理方法研究、加强转换波地震数据的处理和溶洞、裂缝检测技术的研究和应用。

⑥加强油气藏地震动态监测的研究和应用，以利于寻找剩余油气和提高油气采收率。

地震速度分析方法经过半个多世纪的完善，已从双曲线型叠加速度分析发展到偏移速度分析及波形反演等多种方法，它们各有其优缺点，实际应用中互为补充，而且相互之间又有一定的影响。

常规叠加速度分析的精度虽然不是很高（特别是在复杂地区），但它的计算效率很高，不仅是常规叠加处理和时间偏移的必要环节，而且是层析反演、偏移速度分析等初始速度模型建立的必要手段，因而在速度分析方法发展中不容被忽视。

偏移速度分析方法把速度分析与偏移成像结合起来，速度分析结果更具实际意义（成像最优），而且该类方法目前研究得较多，尤其是剩余曲率方法已经在工业界得到了广泛应用，但是如何有效地构建速度误差（或深度误差）与目标函数之间的关系及问题的求解，都是影响到此类方法在复杂地区成功应用的关键。

反演方法的研究，特别是全波形反演的研究尽管已经取得了初步成果，但在复杂地区的应用，特别是对低信噪比资料的适用性，尚需进一步的研究。

目前和将来速度分析应加强以下几方面的研究:

①提高地震物理模拟的精度，加强复杂地质条件下地震波传播规律的研究，提升对复杂地震波场的正确认识;

②提高复杂地区特别是地表剧烈起伏、地下构造发育和岩性变化强烈情况下地震波传播数值模拟的精度;

③速度分析方法中，既要考虑地质体各向异性参数，又要考虑除P波之外的S波及各种转换波;既要利用反射波信息，又要利用折射波、绕射波及面波等信息;既要运用波的旅行时信息，又要运用波的振幅、频率及时变信息等，即地震波场中各种波运动学、动力学属性的联合应用。

④无论哪种方法，既要考虑到对低信噪比资料有一定的适应性，又要具有较高的计算效率，才可有效地服务于生产。

§1.3研究内容和具体工作安排

1.3．1研究内容

1.3．2工作安排

第一章三维地质建模模型元素

§2.1点、线、面

实际野外勘探时我们得到的是大量的离散点数据，点数据是建模中最基础的元素。

在实际三维地震勘查中，有可能一个区域内的解释数据点可能多达几百万甚至几千万个，这极大的制约了建模速度，可以对这些原始数据用适当的方法进行粗化（重采样）来减少计算量。

最终选择一些有用的点，且能反映真实地下模型的数据点作为原始建模数据。

两点可以确定一条线段，大量的线段可以构成三维线。

通常的三维线包括地震波传播路径，断层线，断层与地层交线，断层和断层之间交线等。

我们利用大量的点数据或者线数据可以构成三维空间曲面。

在三维地质建模时，在约束条件的三角剖分曲面不仅可以表示一些简单的介质界面，也可以表示多值介质曲面。

由于地震数据的不规则性和离散性，构建三角剖分曲面时需要建立约束条件，优化曲面，处理重叠与错误连接的点和线。

为后续建模做准备。

§2.2三维地质模型表示方法

建立三维空间模型的一项重要内容是用离散数据表示三维实体模型，相同的实体可以用几种不同的方法来表示，根据不同的任务要求，选择最恰当的表示方法。

目前常用的三维地震地质模型表示方法由线框表示法，体元表示法和边界表示法。

2.2．1线框表示模型

线框表示模型是以一系列的点和线段为基础，采用构成线框的方法来表示模拟地质体的边界和轮廓，利用轮廓线框模拟三维实体模型的一种建模方法。

其中顶点是重要的控制点，它是反映真实形体的关键点，线段是连接相邻顶点的连线。

线框表示方法可以描述简单的地质模型，如形状规则，起伏不大的地下地质构造都可以使用线框表示模型，例如下图2.2-1图所示:

长方体由六个面组成，每个面都是由四个点，六条线组成，由于控制点是共用点，所以用八个顶点和十二条线段即可表示该长方体。

图2.2-1线框法表示长方体

但是线框表示模型也存在问题，由于线框表示模型结构简单，数据量小，在表示复杂的三维形体时存在明显的不足，无法模拟出复杂的地下地质结构。

首先它不能描述面信息，对地质体描述不完整；然后他可能会产生二义性或无意义的模型；而且它表示曲面体会很麻烦。

由于地质建模中需要建立的模型可能会非常复杂，地质界面起伏变换较大，根本无法用线框表示。

举例说明如图2.2-2（a）是一工程坝的三维地质模型，图2.2-2（b）是该模型的线框表示。

从该实例中可以看出，线框表示模型是无法满足建立复杂地质模型的要求的。

图2.2-2某工程坝的三维地质模型和线框模型

2.2．2边界表示模型

边界表示（BoundaryRepresentation）模型是利用边界表示实体的方法，边界表示方法也是以点为基础元素，由点构成线段，由若干点构成边，几个相连的边构成环，由环继而构成边界面，最终用边界面来表示出需要建立的模型。

实体模型可以由封闭体组成，封闭体可以用几个边界面封闭连接形成，举例说明如图2.2-3中的长方体是由六个边界面。

而其中的边界面又是由更小的单位点和线段构成，所以边界表示模型能准确的描述地质体边界，明确两个对象的拓扑关系。

但是由于其数据量太大导致模型的修改，改进无法进行，如果出现大的错误将使之前很多的工作都无法继续使用。

图2.2-3长方体边界表示模型组成示意图

2.2．3体元表示模型

体元表示模型基于体元表示的结构通过体元信息来描述建模对象的内部，而不只是通过表面信息建立模型，运用这样的表示方式，对象的体元信息能够被表示和分析，建立出的模型更容易接近真实模型。

体元模型包括块段模型，四面体模型，三棱柱模型等。

块段模型是用若干个大小相等的立方体（根据实际需要确定小立方体的规格），用这些小立方体表示出真实地下模型的方法。

块段模型常用八叉树结构进行存储数据和建立模型，大概方法就是通过外接八个子立方体，在对八个子立方体继续进行八叉树结构分解，直到所有的子立方体为空或者为满停止。

这种模型的建立比较简单，容易理解，但是对于边界问题不能完美解决。

四面体模型是用若干四面体还原地下地质模型的方法，用小四面体的集合来表示形体。

如果要使用四面体模型需要先解决边界问题，将地质体边界用三角曲面表示，再进行四面体剖分建立出四面体模型。

三棱柱模型是用若干小的三棱柱组合来表示地下地质体的方法，对于层状地质体，三棱柱模型能够较好的表示出来，给物探工作者以更直观的感受。

§2.3拓扑、块体、网格

2.3．1拓扑关系

从地质学角度看，拓扑即地质对象间相互关系，包括地层与地层之间的关系、断

层与断层的关系以及断层与地层之间的关系。

它可以由解释建模人员在建模过程中设定。

只

有拓扑关系正确才能形成正确的三维模型。

2.3．2块体

块体是由切割曲面封闭的空间体积，它是具有相同沉积特征和构造控制背景的点集。

模型拓扑结构应存储封闭块体的曲面或子曲面信息，通过对曲面或子曲面的查询以确定地下某一点属于哪个块体。

2.3．3网格

包括规则网格和非规则网格。

地层足够平缓和光滑时，使用规则网格就能实现网格和地层几何与拓扑正确，但存在断层时，网格与封闭块体的区域并不一致。

地质建模中非规则网格通常指经Delaunay三角剖分后的三角形集合组成的平面网格或四面体网格{3}。

§2.4本章小结

本章简单的描述了一下三维地质建模模型的元素，从最初离散的点数据开始，连接线段，构建曲面，通过拓扑关系确定真实的地下地质情况，通过块体和网格的研究，建立出准确的地下地质模型。

为接下来的建模工作打下理论基础，进而为物探工作者以后的野外工作打下基础。

接下来我将对三维地震地质建模的关键主要技术进行学习。

第二章平面三角剖分和网格优化

建立三维地震地质模型时，网格化是模拟地下地质界面的必须工作，现在有三角网格化和四边形网格化两种方法，其中又以三角网格化比较常用，三角网格化技术也称为三角剖分，将一些离散的地震数据点划分成一个三角形网格。

现在也已经发明了很多三角剖分算法，如贪心算法、周培德算法以及Delaunay三角剖分。

本文讲主要讲述Delaunay三角剖分。

无论用那种方法，划分的网格并不是最好的，最合理的，这时如果进行网格优化的话，会使网格质量提升，让物探工作者能更容易使用三维模型。

§3.1三角剖分技术

3.1．1Delaunay三角剖分

Delaunay三角剖分作为目前公认的最优三角剖分方法，是因为它的特性决定的：

（1）最小内角最大化特性：

Delaunay三角剖分要求剖分的三角形内角都尽量大一些，两个三角形共边的话，其中相对的两个小的内角尽量大一些，向等边三角形靠近。

（2）外接圆特性：

因为三角形的三个点可以确定一个圆，如果存在一个点在那个圆里面的话，则这个三角形是不完美的，需要将第四个点与其相对点连接形成新的三角形，直到所有的三角形外接圆内都没有其他点为止。

根据实现过程，生成Delaunay三角网的各种算法可分为三种：

分治算法，逐点插入法，三角网生长法{4}。

（1）分治算法

将分治算法思想应用于生成Delaunay三角网，递归地分割点集，直至子集中只包

含三个点而形成三角形，然后自下而上地逐级合并生成最终的三角网。

（2）三角网生长法

三角网生长算法的思路是，先找出点集中相距最短的两点连接成为一条Delaunay边，然后按Delaunay三角网的判别法则找出包含次边的Delaunay三角形的另一端点，依次处理所有新生成的边，直至最终完成。

下面是我主要学习了的逐点插入法，运用Lawson算法，先构建一个Delaunay三角形，将想要插入的离散数据点插入到这个三角形中。

进行优化处理让其满足Delaunay三角网要求。

具体方法就是：

1.建立一个大的三角形作为初始网格，这个三角形需要满足待插入的点在三角形内部。

2.把一个已知的三个离散点构成的三角形作为第一个三角形单元插入到初始网格中。

3.将第四个点Q与前面已知的三角形X的三个离散点进行结合工作。

（1）若Q在三角形内部，将Q与其他三个点相连，并删除已知的三角形X形成三个新的三角形。

（2）Q在三角形X的一条边上，但不在顶点上，把Q与X的三个顶点中与Q相对的那个顶点相连，这样将构成两个新的共边的三角形，将新生成的两个三角形加入Delaunay三角网，删除三角形X。

（3）如果新的点在三角形X顶点上，即Q点与三角形X上的一点重合，这样就不需要处理，进行接下来的操作。

事实上，点集中存在两个点在一个位置的话，算作一个点就可以了。

4.采用LOP算法对局部三角形进行优化，主要原则是满足外接圆特性，即用优化的方法使三点确定的圆内不包含第四个点，如果存在第四个点，则交换对角线，让交换好的两个三角形都满足外接圆特性，如图所示3.1-1所示。

如果四点共圆的话，是否交换对角线不影响空外接圆特性，要考虑最小角最大化特性。

尽量让最小角最大化来判断是否需要交换边。

图3.1-1四点不共圆时交换边

5.在所有的离散点都插入到网格中时，从网格中删除不需要的三角形，最终得到的网格就是Delaunay三角网格。

对于区域Delaunay三角剖分也是以点集Delaunay三角剖分为基础的，只是需要进行布点和边界离散，将区域转化为点集的形式。

在剖分区域内插入点，并将内外边界离散成一系列的小线段。

在经过与点集Delaunay三角剖分一样的处理，最后进行边界处理，将多余不存在的三角形删除。

达到剖分的目的，为接下来的建模打下坚实的基础。

3.1．2其他三角剖分方法

贪婪法即通过分级处理的方式得到某种度量意义下的最优解，是一种比较直接的设计技术。

一般由贪婪法解决的问题的一般特征是有n个输入以及一组约束条件。

任一满足约束条件的输入子集称为可行解，所以其可行解由这n个输入的某个子集组成。

满足约束条件的子集可能不止一个，故可行解并不唯一。

为了比较可行解的优劣，事先也给出一些标准。

这些标准一般以函数或变量的形式给出，称为目标函数或目标变量。

能够使目标函数或目标变量达到极值的可行解，称为最优解。

贪婪法设计算法的特点是一步步地进行，根据某个优化测度，每一步都要保证能获得局部最优解。

每一步只考虑一个数据，满足局部优化条件。

此外，若下一个数据与部分最优解连在一起不再是可行解时，就不把该数据添加到部分解中，直到把所有数据枚举完，或者不能再添加为止。

贪婪法能够解决很多领域提出的问题，但它不一定得到最优解{4}。

周培德算法的主要思路如下：

针对给出的包含n个点的平面点集先求该点集的凸壳，并将凸壳顶点C1按逆时针顺序连接成边存人边集T中，再求点集S1=S-C1的凸壳的顶点C2，并将C2按逆时针顺序连接成边存人T中，再求点集S2=S1-C2的凸壳，反复进行上述操作直到只剩下0、1、2个结点为止；然后从里到外进行无内部点的多边形剖分，即可以得到点集S的三角剖分{5}。

§3.2网格优化方法

经过三角剖分以后，虽然在剖分过程中优化过了，但是所产生的网格还不是最完美的，这时引进网格优化技术，提高网格质量，为地质工作者提供更加容易观察研究的网格模型。

网格优化主要有网格光顺和拓扑优化。

3.2．1网格光顺

网格光顺是以更改结点位置的方式，运用直接法或者Laplacian光顺法来提升网格整体质量的一项技术。

一些固定边界结点是不可以更改的，而且更改的结点不可以影响对象之间的拓扑关系，所以通常情况下，能进行网格光顺的结点都是一些内部结点。

下面简单介绍一下直接法并主要了解一下Laplacian光顺法。

（1）直接法网格光顺

直接法网格光顺是通过移动结点让以此结点为顶点的全部三角形尽量都接近等边三角形，即最小内角最大化原则。

在移动该结点的时候，要注意不能改变网格的拓扑关系，还需要注意移动的点不能是在生成初始网格和优化时需要保持位置固定的结点，即改变约束点的位置。

如图3.2-1是以6个点构成的简单网格进行优化的前后对比。

图3.2-1直接法优化简单变换

（2）Laplacian光顺法网格光顺

Laplacian光顺法是将一结点移动到与其在一条线段上另一结点中点处的方法，这是一种十分简单，有效的优化网格的方法，具体迭代公式原理如下：

PI

式中：

Ni为内点PI与可以与之可以连接成线段的相邻的结点的个数；PJ为与结点PI相连接的结点。

还是以6点构成的简单网格进行Laplacian光顺优化前后进行对比如图3.2-2所示

图3.2-2Laplacian光顺优化前后对比

Laplacian光顺算法的核心步骤由以下几步构成：

1、先查找与待优化结点的相邻的在一条线段上的结点，由于在已经构成的网格中存在很多三角形，查看待优化点所在的三角形，已经确定的三角形一定是与待优化共线段且相邻的。

2、对待优化结点进行循环计算，计算其所有在一条线段且相邻的结点坐标的平均值，进行一次迭代优化，将得到的结果作为新坐标。

当结点为边界结点时，可以跳过，不需计算。

3、重复进行第二步，直到各个结点的新坐标和其上一次迭代优化得到坐标的差值满足某个人为规定的精度值要求，迭代结束。

将最后一次迭代得到的各个结点的新坐标作为最终的优

化结果。

在对大量结点进行优化以后，会使网格质量得到明显的提升，如下图3.2-3是经过Laplacian光顺前后的网格化对比，从图中可以看出，优化后的质量明显比优化前强很多。

图3.2-3Laplacian光顺优化三角网格前后对比

3.2．2拓扑优化

拓扑优化是通过改变网格的拓扑关系实现网格优化的方法，对于两个共边三角形通过改变对角线实现优化，与前面介绍的三角剖分中LOP方法类似。

如果四点共圆的话，要考虑最小角最大化特性。

尽量让最小角最大化来判断是否需要交换边。

如果四点不共圆，以三个点确定一个圆，判断另一个点是否落在圆内，如果落在圆内的话就要交换边。

如果另外一个点在圆外，证明不需要优化，这样就是最优解。

还有一种数学方法更容易判断。

设g共边三角形的四个点的坐标分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3，y3）和（x4,y4）,根据余弦定理可得：

Sin（x+y）=（（x1-x3）*（y2-y3）-（x2-x3）*（y1-y3））+（（x2-x4）*（x1-x4）+（y2-y4）*（y1-y4））+（（x1-x3）*（x2-x3）-（y1-y3）*（y2-y3））*（（x2-x4）*（y1-y4）-（x1-x4）*（y2-y4））

通过上式计算，根据sin（x+y）的正负号可以确定是否需要交换对角线：

（1）当sin（x+y）=O时，可任意选择对角线。

不过尽量遵从最小角最大化特性。

（2）当sin（x+y）

（3）当sin（x+y）>O时，不需要交换对角线。

实际操作中，不需要所有的结点都满足空外接圆特性，只有那种明显需要交换对角线的才进行拓扑优化处理，同时要注意最小角最大化的原则，经过这样的拓扑优化才更有意义，如图3.2-4实际拓扑优化前后的对比图。

从图中可了解到优化处理是必要的，可以让地质工作者能更容易了解信息。

图3.2-4拓扑优化前后对比图

§3.3本章小结

如果要建立一个好的三维地质模型，就必须要做好平面三角剖分工作，在这章中我主要研究学习了Delaunay三角剖分技术，同时了解了贪婪法三角剖分和周培德三角剖分方法的原理，完成平面三角剖分以后再进行网格优化这样得到的网格质量就更好了，网格光顺法和拓扑优化法都是比较靠谱的技术。

得到良好的网格，就可以为接下来的建模铺好道路，让建立出的模型更清晰，更容易观察以及使用。

第三章插值方法

由于实际野外采集的地震数据不可能按照规则的网格分布，对于离散数据分布比较乱的时候，运用空间插值方法可以较好的解决数据分布问题。

空间插值是通过一些数据点或者区域内一部分点计算