可控震源地震数据零相位子波最小相位化方法有效专利 发明

技术内容

技术领域 本发明涉及油田的勘探、开发、开采技术，具体是为反映地下地层层位、 油藏提供高分辨率的地震图形的一种可控震源地震数据零相位子波最小相位 化方法。 背景技术 地震勘探的过程，就是在地面上的一系列点上，利用人工激发地震波， 地震波向地下传播，当遇到波阻抗(地震波在地层介质中向地下传播的速度 与介质密度的乘积)界面(即上下地层波阻抗不相等面)时，在波阻抗界面 上地震波产生反射现象，地震波传播方向发生改变，地震波开始向上传播， 在地面上的一系列接收点上安置着接收器，接收向上传播的地震波数据，完 成野外勘探。当人工激发地震波采用可控震源激发时，可控震源激发仪器激 发产生可控震源扫描信号，它是一个振幅确定的线性升频正弦扫描信号。地 面接收点上接收器接收到的信号，是这个线性升频正弦扫描信号从可控震源 激发仪器位置处向下传播，当遇到波阻抗界面时，在波阻抗界面上产生反射， 传播方向发生改变，开始向上传播，到达地面的信号。地面接收点上接收器 接收到的信号就是地震数据记录，它表示地下地层介质的反射系数序列与可 控震源扫描信号的褶积。然而，实际接收到的地震数据还包含着激发点和接 收点空间位置和排列位置的信息和各种噪声干扰等。地震数据处理就是对野 外勘探过程中向上传播的地震数据记录进行处理，保留反映地下地层波阻抗 界面的信息，而消除其它的信息，这种信息就是叠后地震数据。这种叠后地 震数据仅反映地下地层的结构和构造。 对于可控震源激发的可控震源地震数据记录，第一步就是消除记录上可控 震源扫描信号的影响。把可控震源地震数据记录与可控震源扫描信号进行互 相关，就可以得到去除可控震源扫描信号影响的地震数据，它是可控震源零 相位子波与地下地层介质的反射系数序列的褶积。而炸药震源激发的地震数 据是炸药震源最小相位子波与地下地层介质的反射系数序列的褶积。为了把 可控震源零相位子波地震数据与炸药震源最小相位子波地震数据进行对比， 可以把可控震源零相位子波地震数据的零相位子波转换为最小相位子波，这 样一来两种数据就可以对比，且一起处理。另一方面，为了提高地震数据的 信噪比和分辨率，地震数据处理流程中都包含着地震反褶积处理。而反褶积 处理理论的最根本前提和要求就是地震数据子波的相位是最小相位。这样一 来，对于可控震源零相位子波地震数据，必须把可控震源零相位子波地震数 据的零相位子波转换为最小相位子波，然后才可以做地震反褶积处理以提高 地震数据的信噪比和分辨率。因此对于可控震源地震数据，可控震源地震数 据最小相位化处理是必不可少的处理过程。 在地震数据处理中，包括反褶积在内的许多处理都要求地震数据中子波是 最小相位，但在很多情况下难以满足。随着地震勘探的发展，地震数据采集 过程中对环境污染和破坏要求越来越严格。因此与炸药震源激发相比，陆上 越来越多地使用可控震源激发采集地震数据。可控震源激发采集的地震数据 经过自相关后其子波是零相位，因此在反褶积之前首先需要把零相位震源子 波的地震数据转化为最小相位震源子波的地震数据。通常地震数据处理系统 并没有把可控震源零相位震源子波的地震数据转化为最小相位震源子波的功 能。对于实际的可控震源零相位震源子波的地震数据，用户要么使用子波整 型来实现这一功能处理，要么就忽视零相位震源子波这一现实直接进行反褶 积处理。这样虽然可以得出反褶积处理结果，但反褶积处理的效果会受到很 大影响。由于可控震源激发采集的地震数据越来越多，因此把零相位震源子 波的地震数据转化为最小相位震源子波的问题就越来越突出。 发明内容 本发明目的在于提供一种满足反褶积等地震数据处理对地震数据必须是 最小相位震源子波要求，得到反映地下地层层位、油藏提供高分辨率的地震 图形的可控震源地震数据零相位子波最小相位化方法。 本发明采用如下技术方案实现，包括以下步骤： (1)用通常的可控震源激发手段激发和采集地震数据，对地震数据置标 签和定义观测系统以及对地震数据进行互相关的预处理； (2)采用下式表达可控震源的扫描信号为线性升频正弦波信号： s(t)＝A(t)sin2πfit                    (1) 式中： $f_i=f_l+\frac{f_u-f_l}{2T}t---\left(2\right)$ $A\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{A}{T_1}t& 0\le t\le T_1\\ A& T_1\le t\le T-T_2\\ \frac{A}{T_2}(T-t)& T-T_2\le t\le T\end{array}\right.---\left(3\right)$ 式中： s(t)----可控震源扫描信号 fl----可控震源扫描信号的起始频率(HZ) fu----可控震源扫描信号的终止频率(HZ) fi----可控震源扫描信号的瞬时频率(HZ) T----可控震源扫描信号的扫描长度(MS) T1----可控震源扫描信号起始段镶边斜坡长度(MS) T2----可控震源扫描信号终止段镶边斜坡长度(MS) A----可控震源扫描信号的扫描振幅 (3)对接收到的地震数据记录用可控震源扫描信号进行自相关处理，把 地震数据记录转换为可控震源零相位子波地震数据，采用下式计算可控震源 零相位子波， $w\left(t\right)={\int }_0^{T}s\left(\tau \right)s(t+\tau )\mathrm{d\tau }---\left(4\right)$ 式中w(t)表示可控震源子波，是一个零相位子波； (4)采用下式计算可控震源零相位子波的自相关函数： $r_{\mathrm{ww}}\left(t\right)={\int }_{-T}^{T}w\left(\tau \right)w(t+\tau )\mathrm{d\tau },---\left(5\right)$ 它也是对应的最小相位子波的自相关函数rvv(t)； (5)由最小平方滤波方程求解反滤波因子， $\left[\begin{array}{cccc}{r}_{\mathrm{vv}}\left(0\right)& r_{\mathrm{vv}}\left(1\right)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}\left(N\right)\\ r_{\mathrm{vv}}\left(1\right)& r_{\mathrm{vv}}\left(0\right)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}(N-1)\\ M& M& M& M\\ r_{\mathrm{vv}}\left(N\right)& r_{\mathrm{vv}}(N-1)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}\left(0\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{a}}_0\\ {\tilde{a}}_1\\ M\\ {\tilde{a}}_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ M\\ 0\end{array}\right]---\left(6\right)$ 求解出反滤波因子为$\tilde{a}\left(t\right)=\{{\tilde{a}}_0,{\tilde{a}}_1\Lambda ,{\tilde{a}}_N\};$ (6)由可控震源零相位子波和反滤波因子计算纯相位因子， $\tilde{g}\left(t\right)=w\left(t\right)*\tilde{a}\left(t\right)---\left(7\right)$ 式中“*”表示褶积； (7)由纯相位因子计算相位因子标定因子；由于纯相位因子的自相关函 数为δ(t)，有 $v_0=\frac{1}{{\left(\frac{1}{2T}{\int }_{-T}^T{\tilde{g}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right)}^{\frac{1}{2}}}---\left(8\right)$ 式中， $\delta \left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t\ne 0\end{array}\right.$ 为单位脉冲函数； (8)计算可控震源地震数据零相位子波最小相位化处理的相位转化因子： $g\left(t\right)=w\left(t\right)*a\left(t\right)=v_0\tilde{g}\left(t\right)---\left(9\right)$ (9)用相位转化因子把零相位子波转化为最小相位子波，可控震源子波 和相位转化因子的互相关函数，即最小相位子波序列v(t)， $v\left(t\right)=w\left(t\right)*g(-t)=w\left(t\right)\otimes g\left(t\right)---\left(10\right)$ 式中表示互相关； (10)用相位转化因子把零相位子波的可控震源地震数据转化为最小相位 子波可控震源地震数据；对可控震源子波地震数据x(t)，其对应的最小相位子 波地震数据y(t)为， $y\left(t\right)=x\left(t\right)\otimes g\left(t\right)---\left(11\right)$ (11)采用通常的方法根据得出相位校正后的地震数据绘制相位校正后的 地震数据剖面。 本发明采用通常的地震数据处理系统可有效的把可控震源零相位子波 地震数据转化为最小相位地震数据，并应用于实际地震数据处理中。 本发明仅对可控震源地震数据零相位子波的相位进行处理，而不改变数据 的振幅谱，并且处理后的数据子波一定是最小相位，为反褶积等地震数据处 理提供了必要的输入地震数据。 本发明还可以实现把零相位子波转化为最小相位子波。既可以实现叠前 地震数据的最小相位化，也可以实现叠后地震数据的最小相位化。 附图说明 图1本发明可控震源扫描信号图； 图2子波对比图，(a)可控震源零相位子波，(b)对应可控震源零相位子 波的最小相位子波，(c)相位转换因子。 图3零相位子波和最小相位子波振幅谱的对比图，(a)是零相位子波振幅 谱，(b)是最小相位子波振幅谱。 图4为合成数据对比图，(a)是反射系数序列，(b)是应用图2(a)的零相位 子波所作的合成数据，(c)是对(b)进行最小相位化处理后的最小相位子波数据。 图5为实际炮集数据对比图，(a)是一个可控震源激发且经过互相关处理 的零相位子波炮集数据，(b)是对(a)进行最小相位化处理后的最小相位子波数 据。 图6与OMEGA系统处理叠加数据对比图，(a)是一个可控震源激发且经 过互相关处理的零相位子波叠加数据，(b)是OMEGA系统对叠前数据进行最 小相位化处理后的最小相位子波叠加数据，(c)是GEOEAST/GRISYS系统对 叠前数据进行最小相位化处理后的最小相位子波叠加数据。 具体实施方式 可控震源地震记录就是由可控震源激发，地面检波器接收的地震数据，它 是可控震源扫描信号和反射系数序列的褶积。可控震源扫描信号的自相关就 是可控震源零相位地震子波。把可控震源地震记录与可控震源扫描信号进行 自相关就得到可控震源零相位子波地震数据，它是可控震源零相位子波和反 射系数序列的褶积，与炸药震源激发，地面检波器接收的地震数据意义相同， 具有可比性。 在可控震源地震数据零相位子波最小相位化方法处理前，对可控震源地震 记录已经进行了必要的自相关处理，地震数据已经是零相位子波的可控震源 地震数据。本发明对可控震源地震数据进行最小相位化处理，根据可控震源 扫描信号的参数，计算可控震源扫描信号、可控震源零相位地震子波以及对 应的最小相位地震子波和它们之间的最小相位化转换因子，以实现可控震源 地震数据零相位子波最小相位化方法处理。 本发明采用如下技术方案实现，包括以下步骤： (1)用通常的可控震源激发手段激发和采集地震数据，对地震数据置标 签和定义观测系统以及对地震数据进行互相关的预处理； (2)采用下式表达可控震源的扫描信号为线性升频正弦波信号： s(t)＝A(t)sin2πfit                  (1) 式中： $f_i=f_l+\frac{f_u-f_l}{2T}t---\left(2\right)$ $A\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{A}{T_1}t& 0\le t\le T_1\\ A& T_1\le t\le T-T_2\\ \frac{A}{T_2}(T-t)& T-T_2\le t\le T\end{array}\right.---\left(3\right)$ 式中： s(t)----可控震源扫描信号 fl----可控震源扫描信号的起始频率(HZ) fu----可控震源扫描信号的终止频率(HZ) fi----可控震源扫描信号的瞬时频率(HZ) T----可控震源扫描信号的扫描长度(MS) T1----可控震源扫描信号起始段镶边斜坡长度(MS) T2----可控震源扫描信号终止段镶边斜坡长度(MS) A----可控震源扫描信号的扫描振幅。 (3)对接收到的地震数据记录用可控震源扫描信号进行自相关处理，把 地震数据记录转换为可控震源零相位子波地震数据，采用下式计算可控震源 零相位子波， $w\left(t\right)={\int }_0^{T}s\left(\tau \right)s(t+\tau )\mathrm{d\tau }---\left(4\right)$ 式中w(t)表示可控震源子波，是一个零相位子波； (4)采用下式计算可控震源零相位子波的自相关函数： $r_{\mathrm{ww}}\left(t\right)={\int }_{-T}^{T}w\left(\tau \right)w(t+\tau )\mathrm{d\tau },---\left(5\right)$ 它也是对应的最小相位子波的自相关函数rvv(t)； (5)由最小平方滤波方程求解反滤波因子， $\left[\begin{array}{cccc}{r}_{\mathrm{vv}}\left(0\right)& r_{\mathrm{vv}}\left(1\right)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}\left(N\right)\\ r_{\mathrm{vv}}\left(1\right)& r_{\mathrm{vv}}\left(0\right)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}(N-1)\\ M& M& M& M\\ r_{\mathrm{vv}}\left(N\right)& r_{\mathrm{vv}}(N-1)& \Lambda & r_{\mathrm{vv}}\left(0\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{a}}_0\\ {\tilde{a}}_1\\ M\\ {\tilde{a}}_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ M\\ 0\end{array}\right]---\left(6\right)$ 求解出反滤波因子为$\tilde{a}\left(t\right)=\{{\tilde{a}}_0,{\tilde{a}}_1\Lambda ,{\tilde{a}}_N\};$ (6)由可控震源零相位子波和反滤波因子计算纯相位因子， $\tilde{g}\left(t\right)=w\left(t\right)*\tilde{a}\left(t\right)---\left(7\right)$ 式中“*”表示褶积； (7)由纯相位因子计算相位因子标定因子；由于纯相位因子的自相关函 数为δ(t)，有 $v_0=\frac{1}{{\left(\frac{1}{2T}{\int }_{-T}^T{\tilde{g}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right)}^{\frac{1}{2}}}---\left(8\right)$ 式中， $\delta \left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t\ne 0\end{array}\right.$ 为单位脉冲函数； (8)计算可控震源地震数据零相位子波最小相位化处理的相位转化因子： $g\left(t\right)=w\left(t\right)*a\left(t\right)=v_0\tilde{g}\left(t\right)---\left(9\right)$ (9)用相位转化因子把零相位子波转化为最小相位子波，可控震源子波 和相位转化因子的互相关函数，即最小相位子波序列v(t)， $v\left(t\right)=w\left(t\right)*g(-t)=w\left(t\right)\otimes g\left(t\right)---\left(10\right)$ 式中表示互相关； (10)用相位转化因子把零相位子波的可控震源地震数据转化为最小相位 子波可控震源地震数据；对可控震源子波地震数据x(t)，其对应的最小相位子 波地震数据y(t)为， $y\left(t\right)=x\left(t\right)\otimes g\left(t\right)---\left(11\right)$ (11)采用通常的方法根据得出相位校正后的地震数据绘制相位校正后的 地震数据剖面。 本发明实施情况如下： 首先模拟可控震源扫描信号的扫描长度为12000ms，可控震源扫描信号 起始段和终止段镶边斜波长度均为500ms，可控震源扫描信号的起始和终止 频率分别12Hz和50Hz，子波长度为300ms，可控震源扫描信号的扫描振幅 为2000，地震数据采样间隔是2ms，生成的可控震源扫描信号如图1所示。 对叠前地震数据记录用模拟的可控震源扫描信号进行互相关处理，得到可控 震源零相位子波地震数据。对可控震源扫描信号进行自相关函数计算，得到 了可控震源零相位子波，如图2(a)所示，利用零相位子波，通过求解矩阵方程， 得出纯相位因子，如图2(c)所示，纯相位因子与零相位子波互相关，得出最小 相位子波，如图2(b)所示。零相位子波和最小相位子波振幅谱的对比如图3 所示，(a)是零相位子波振幅谱，(b)是最小相位子波振幅谱。图4为合成数据 对比，(a)是反射系数序列，(b)是应用图2(a)的零相位子波所作的合成数据， (c)是对(b)进行最小相位化处理后的最小相位子波数据。图5为实际数据对比， (a)是一个可控震源激发且经过互相关处理的零相位子波炮集数据，(b)是对(a) 进行最小相位化处理后的最小相位子波数据。图6与OMEGA系统处理叠加 数据对比，(a)是一个可控震源激发且经过互相关处理的零相位子波叠加数据， (b)是OMEGA系统对叠前数据进行最小相位化处理后的最小相位子波叠加数 据，(c)是GEOEAST/GRISYS系统对叠前数据进行最小相位化处理后的最小 相位子波叠加数据。OMEGA系统对最小相位化处理算子进行滤波、平滑处 理，本方法对转换算子并未做任何处理。从处理的叠加剖面效果上看，总体 上本方法与OMEGA系统处理结果相当，但在局部细节上优于OMEGA系统。