CN100552471C - 利用垂直地震剖面和双井微测井提高地震分辨率方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用垂直地震剖面和双井微测井提高地震分辨率方法，该方法把黄土塬等低、降速带看成一个信号传输系统，通过双井微测井信号可获得地震信号在不同深度或者不同时间在黄土塬等低、降速带进行传输时的传输函数，从而获得对地表接收到的衰减了的地震信号进行恢复的衰减恢复滤波器函数；同时，通过不同地段接收的不同深度的VSP信号可获得并推广得到黄土塬区等低、降速带不同深度或者不同时间的传输函数和衰减恢复滤波器函数。由此，恢复出黄土塬等低、降速带不同地段接收到的地震信号，达到提高地震信号分辨率目的，为岩性地震勘探提供有利的工具。该法可用于所有地表为低、降速带的地区进行地震信号恢复。

Description

利用垂直地震剖面和双井微测井提高地震分辨率方法

技术领域：

本发明涉及一种利用垂直地震剖面(VSP)和地震双井微测井联合提高地震信号分辨率方法，特别是利用VSP和双井微测井观测黄土塬等低、降速带信号的衰减规律，并对该区信号进行补偿以提高地震信号分辨率的有效方法。

背景技术：

我国塔里木盆地西南、鄂尔多斯盆地等黄土塬覆盖地区，虽然地下油气资源量非常丰富，但是由于黄土覆盖区厚度差异很大导致地表静校正问题以及黄土对地震信号吸收很强导致资料信噪比低等原因的影响，使得这类地区地震资料在解决地质问题方面受到了极大限制。

黄土塬地区激发接收条件复杂，表层既有浮土，又有砾石，还有基岩出露。黄土塬中心一般为巨厚黄土覆盖，可分为干黄土层、潮湿黄土层、含水黄土层、第三系红土层，厚度为200米至350米不等巨厚的黄土层，尤其是上部的疏松干燥层，地震波的吸收作用很强，影响了地震波能量的向下传播，而且还会产生多种干扰波。因此采集的地震信号在相位、频率、振幅、能量方面存在较大差异，而且地震信号信噪比低、子波畸变大，严重影响了资料的品质。同时该区干扰严重，信噪比低。除面波、随机干扰及其它相干噪声以外，还存在着多次折射干扰，如何压制噪音、提高信噪比是资料处理的关键。

我国进行黄土塬地震勘探已经有近六十年的历史了。新中国刚刚成立的时候，第一个地震队就在黄土塬上炸响了第一炮；20世纪90年代，特别是1995年以来，采用沟中弯线施工，进而到直测线施工，加之以合理的室内处理、解释技术，使黄土塬地震资料的品质有了质的飞跃。1996～1998年我国的地震勘探技术在黄土塬这种复杂勘探区的工作取得了实质性的进展，开创了鄂尔多斯盆地石油勘探的新局面。

正是黄土塬的沟、塬、峁这种中国中西部黄土高原独特的地貌景观，造就了黄土塬地震勘探这一世界上独有的地震勘探难题，也造就了中国几代地球物理勘探家。国外的地球物理服务公司，如美国地球物理服务公司(GSI)、加拿大博伊德公司(BOYD)、欧洲的基科·帕雷科拉公司(GECO·PRAKLA)，都曾先后做过黄土塬地震勘探试验，虽然给予我们某些有益的启示，但并没有取得实质性的进展。

经过数十年的攻关我们虽然已经成功地打开了黄土塬地震勘探的大门，取得了许多可喜的进展，但至今黄土塬地震勘探技术问题仍没有完全解决。尤其是塔西南地区在巨厚的黄土(100～550m厚)下面有砾石层，黄土山下与戈壁砾石区相连，地震波在这些地层中传输时能量散失非常厉害，而且，各种干扰非常强烈，地震信号信噪比极低。如何消除黄土覆盖对地震信号的影响一直是黄土塬地震勘探技术攻关的核心问题。但对该问题，至今仍没有一种有效方法。

经过对黄土塬的地震动力机理的分析和研究认为：黄土塬对地震信号高频成分吸收十分严重，黄土塬地震信号衰减主要与黄土(尤其是近地表的数百米黄土)厚度等因素有关，不同厚度黄土其信号衰减规律不同，不同频率的地震信号其在黄土中传输的信号衰减程度也相差很大。

为了提高黄土塬区地震信号的信噪比和分辨率，国内外许多学者已经做了大量工作。文章“董世学等，检波器-地表耦合系统对地震记录的影响，地球物理学报，2001，44(增刊)：161～169”中利用特殊耦合检波器接收地震信号，拓宽了地震信号频带，提高了信噪比和分辨率。文章“姚振兴等，用于深度域地震剖面衰减与频散补偿的反Q滤波方法，地球物理学报，2003，46(2)：229～233。”研究基于Futterman模型的反Q滤波方法，补偿了地震信号的频散与振幅。文章“Satinder C et al.High-frequency restoration of surface seismic data，The LeadingEdge，2003，22(8)：730～738.”利用VSP数据求取不同深度地层的反滤波器补偿高频成分。微VSP采用“井口激发、井中接收”的方式，初至波信噪比相对较高。国家发明专利(申请号：200510049341.9)“利用特殊耦合检波器进行地震数据接收的最佳耦合与匹配方法”和文章“石战结等，沙漠地区地震检波器耦合的高频信号匹配滤波技术”提出了一种利用特殊耦合检波实现与地表最佳耦合匹配的方法，该法使在沙漠地区的地震数据无论是在叠前还是在叠后其能量和频率都得到加强，提高了地震信号的分辨率。国家发明专利(专利公开号：CN1673775A)“利用地震微测井进行地震信号高频补偿方法”和文章“田钢等，利用微测井资料补偿地震数据的高频成分，石油地球物理勘探，2005，40(5)：546～549。”提出利用微测井直达波信号求出不同厚度沙漠地区沙层的吸收补偿反滤波器来补偿地震数据的高频成分；这种微测井采用“井中激发、地表接收”，在地表接收时，可采用普通检波器，只要将检波器尾锥插入硬土即可保证检波器与介质的紧密耦合，极大地减小了检波器接收时的能量损耗，但是，由于井中介质为空气，在黄土塬地区井壁内介质的岩性一般为疏松的黄土，故空气与黄土的波阻抗相差很大，有效波入射到井壁时反射波极强，透射波极弱，透射波从井壁内侧到达地表检波点处还会有一定的衰减，这样到达检波点处的有效波就更弱了。一般而言，微测井与VSP相比较而言，微测井的初至波比VSP的初至波干扰更严重。

发明内容：

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种利用VSP信号和双井微测井信号对黄土塬地震衰减信号进行恢复，提高地震信号分辨率的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：由于VSP微测井、双井微测井横穿遭受风化作用的低降速带，在VSP微测井信号、双井微测井信号中比地表接收到的地震信号将包含更多的高频信号。通过分析在双井微测井中不同深度的直达波频率衰减情况，可以以此为依据对地表接收的地震信号不同深度频率衰减进行恢复；通过对不同地段VSP微测井信号进行分析，可以获得不同地段的地震信号衰减情况，从而对不同地段黄土塬地震信号进行恢复。

下面介绍利用双井微测井信号对黄土塬地震信号进行恢复的原理：

在黄土塬地区钻VSP微测井单深井(可用生产井代替)和双井微测井(在构造复杂地带)，通过地震震源在地表激发，在VSP微测井和双井微测井深度分别为d₁米、d₂米、.......、d_N米(N为整数，N≥3)处获得地震接收信号；对地震信号按照下行波、上行波、PS波等进行波场分离，假设x_i(t)表示下行波在深度为d_i米时所接收到的地震信号的振幅，其中i＝1、2、....、N。此时，x_i(t)即为该深度时所接收到的下行波。

该观察区可以是黄土覆盖区、沙漠覆盖区、戈壁、丘陵等地形起伏的构造复杂区域，也可以是表层风化的低降速带。

用垂直地震剖面方法分离掉高速层中x_i(t)的虚反射波，用高速层的速度将...、x_n-2(t)、x_n-1(t)、x_n+1(t)、x_n+2(t)、...静校正到与x_n(t)地震记录相同，然后将...、x_n-2(t)、x_n-1(t)、x_n(t)、x_n+1(t)、x_n+2(t)、...叠加提高直达波x_n(t)的信噪比；此处对井中地震记录进行静校正是指将x₀(t)与x_N(t)之间的初至时间差去掉。

把黄土塬这个低、降速带看成一个信号传输系统，信号从深度d_i米处传输到深度d_j处，其系统函数记为h_j(t)(j＝1、2、....、N)，则系统函数h_j(t)也表示地震信号从深度d_i米到d_j米处的衰减程度；那么，对于深度为d_j米处所接收到的信号x_j(t)可表示为：

x_j(t)＝x_i(t)*h_j(t)i＝1，.......，N j＝1，.......，N i≠j    (1)

对于系统函数的逆算子 $G_j=H_j^{-1}=\left\{g_i\left(t\right)\right\},$ 将恢复信号的衰减，即：

x_i(t)＝x_j(t)*g_j(t)    (2)

该方程可以在时域和频域中求解。

在时域，方程2可以通过最小均方法求解，有维纳方程：AG＝C    (3)

其中，A＝(a(t₁)，a(t₂)，...，a(t_N))是矩阵x_j(t)的自相关，C＝(c(t₁)，c(t₂)，...，c(t_N))是矩阵x_j(t)和x_i(t)的互相关，G＝(g(t₁)，g(t₂)，...，g(t_N))。

求解方程3可采用Levinson方法，最后就得到G。

在频域，对方程2两边做傅氏变换，有：X_i(f)＝X_j(f)×G_j(f)    (4)

由方程4可得： $G_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)/X_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)X_j^{*}\left(f\right)/{\left|X_j\left(f\right)\right|}^2---\left(5\right)$

由于信号中包含噪声，有：

$G_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)/X_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)X_j^{*}\left(f\right)/[{\left|X_j\left(f\right)\right|}^2+{\mathrm{\α}}^2]---\left(6\right)$

其中，α表示噪声。此处，称g_j(t)为衰减恢复滤波器。

利用不同地段的地震信号衰减恢复滤波器函数与特定地段地震信号衰减恢复滤波器函数，建立观察区的地震信号衰减恢复滤波器函数模型。将衰减恢复滤波器作用于其地面地震记录，提高地震信号的分辨率；该地震记录可以是叠前地震记录，也可以是叠后地震记录。

具体实施方式：

把黄土塬区等低、降速带看成一个信号传输系统，该系统的传输函数反映了不同深度地震信号的衰减情况。本发明对不同深度得到的双井微测井记录进行保留初至波的编辑处理，得到不同深度地震信号频率和幅度的变化情况；其初至波的幅度和波长的变化可以用来估计该低降速带在该深度时频率成分的变化情况，获得系统传输函数。由此，对于不同深度初至波的滤波器响应，可根据最小平方法求出衰减恢复滤波器，由此衰减恢复滤波器对地震数据进行处理，实现对地震信号的恢复；由于黄土塬属于连续介质，在横向上有一定变化，可以通过VSP微测井信号来获得横向上不同地段地震信号在黄土塬中的衰减规律，从而获得不同地段、不同深度黄土塬的衰减恢复滤波器，以便对不同地段黄土塬的地震信号进行恢复。

附图说明：

图1是说明地震微VSP测井示意图。VSP微测井方法原理与常规井中激发微测井原理一样，都是利用直达波在地层中的传播规律，通过改变检波器观测深度，获取不同的初至时间，根据深度换算成垂直时间，拟合时深曲线得到分层的速度和厚度。VSP微测井工艺，可以在地震生产激发井中进行而不影响生产井使用，可以大面积应用和推广。

图2是双井微测井原理图。双井微测井就是在一定的距离内钻两口打穿低、降速带的井，两井间的距离一般为4m，如果表层低、降速带内含有流砂层，则应适当地加大两井之间的距离，以保证两井间的原始地层不会被破坏。一口井内布设激发点，另一口井布设检波器。另外，在激发井井口附近布设地面检波器，地面和地下接收用的检波器型号相同，用10Hz或40Hz的单只检波器均可以。地面接收一般采用6～23道，每道一个检波器，检波器呈扇形或直角形，井检距一般采用1～4m。激发系统由电缆、雷管及引线构成，把雷管固定在专用微测井电缆上的指定位置，一次性下入井中，由深至浅逐点激发。井中激发点的间距要考虑到介质的速度、厚度、检波器的灵敏度、仪器的采样间隔和动态范围等，激发点的间距过大会造成控制点数减少甚至丢层，反之，冗余的采样会造成浪费。接收井井下检波器深度和最深的激发点相同。地面检波器采集的信号主要是地震波的初至，挑选初至无干扰且波形起跳干脆的道用于资料处理。

图3为本发明专利方法产生黄土塬地震信号衰减恢复滤波器的框图。

图4为本发明专利方法获得不同黄土塬地段地震信号衰减恢复的框图。通过双井微测井获得特定黄土塬地段不同深度地震信号衰减规律，利用生产炮井做VSP微测井获得整个工区不同黄土塬地段地震信号的衰减规律，由于生产炮井一般比较浅，对超过激发井深处的地震信号衰减规律则通过双井微测井获得的规律与之比较获得，因此，将双井微测井信号和VSP信号联合使用可获得整个黄土塬区不同地段、不同深度的地震信号衰减规律和地震信号衰减恢复滤波器，最终可以恢复出没有经过黄土塬等低、降速带衰减的地震信号，该地震信号无疑有更高的频率和信噪比，以此恢复后的地震信号进行地震信号处理可提高地震信号的分辨率，为岩性地震勘探油气提供有利工具。将双井微测井信号和VSP信号联合使用，这是本专利技术与国家发明专利(专利公开号：CN1673775A)“利用地震微测井进行地震信号高频补偿方法”的重要区别所在，沙漠地区横向变化相对黄土塬更小，利用常规微测井信号有效，但对于像黄土塬这种极其复杂的区域则是没法控制的，本专利正好弥补了现有技术的不足。

Claims (1)

1、一种利用垂直地震剖面和双井微测井提高地震分辨率方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：在观察区选点钻VSP微测井单深井和双井微测井，通过地震震源在地表激发，在VSP微测井和双井微测井深度分别为d₁米、d₂米、.......、d_N米处获得地震接收信号，其中，N为整数，N≥3，对地震信号按照下行波、上行波、PS波等进行波场分离，假设x_i(t)表示下行波在深度为d_i米时所接收到的地震信号的振幅，其中i＝1、2、....、N，此时，x_i(t)即为该深度时所接收到的下行波；

步骤2：用垂直地震剖面方法分离掉高速层中x_i(t)的虚反射波，用高速层的速度将...、x_n-2(t)、x_n-1(t)、x_n+1(t)、x_n+2(t)、...静校正到与x_n(t)地震记录相同，然后将...、x_n-2(t)、x_n-1(t)、x_n(t)、x_n+1(t)、x_n+2(t)、...叠加提高直达波x_n(t)的信噪比，此处对井中地震记录进行静校正是指将x₀(t)与x_N(t)之间的初至时间差去掉；

步骤3：把观察区的低、降速带看成一个信号传输系统，信号从深度d_i米处传输到深度d_j处，其系统函数记为h_j(t)(j＝1、2、....、N)，则系统函数h_j(t)也表示地震信号从深度d_i米到d_j米处的衰减程度，那么，对于深度为d_j米处所接收到的信号x_j(t)可表示为：

x_j(t)＝x_i(t)*h_j(t)i＝1，.......，N j＝1，.......，N  i≠j    (1)

对于系统函数的逆算子 $G_j=H_j^{-1}=\left\{g_i\left(t\right)\right\},$ 将恢复信号的衰减，即：

x_i(t)＝x_j(t)*g_j(t)                                           (2)

该方程可以在时域和频域中求解。

在时域，方程2可以通过最小均方法求解，有维纳方程：AG＝C       (3)

其中，A＝(a(t₁)，a(t₂)，...，a(t_N))是矩阵x_j(t)的自相关，C＝(c(t₁)，c(t₂)，...，c(t_N))是矩阵x_j(t)和x_i(t)的互相关，G＝(g(t₁)，g(t₂)，...，g(t_N))；

求解方程3可采用Levinson方法，最后就得到G；

在频域，对方程2两边做傅氏变换，有：X_i(f)＝X_j(f)×G_j(f)       (4)

由方程4可得： $G_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)/X_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)X_j^{*}\left(f\right)/{\left|X_j\left(f\right)\right|}^2---\left(5\right)$

由于信号中包含噪声，有：

$G_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)/X_j\left(f\right)=X_i\left(f\right)X_j^{*}\left(f\right)/[{\left|X_j\left(f\right)\right|}^2+{\mathrm{\α}}^2]---\left(6\right)$

其中，α表示噪声，此处，称g_j(t)为衰减恢复滤波器；

步骤4：利用双井微测井信号可获得地质构造复杂或地质物性构造复杂区的衰减恢复滤波器函数，利用垂直地震剖面信号获得构造简单区的衰减恢复滤波器函数；

步骤5：利用不同地段的地震信号衰减恢复滤波器函数与特定复杂地段地震信号衰减恢复滤波器函数，建立观察区的地震信号衰减恢复滤波器函数模型；

步骤6：将地震信号衰减恢复滤波器函数模型按照空间位置作用于其地面地震记录，提高地震信号的分辨率，该地震记录可以是叠前地震记录，也可以是叠后地震记录。

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