CN101452081A - 消除地震多次波的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除地震多次波方法，在共炮集记录选择一个参考道N做倾斜迭加。以参考道为中心设计一个虚拟轴，以水平虚拟轴为起点计算参考道上每个时间采样点左右各道的互相关系数；将虚拟水平轴向转动一个角度增量，继续计算新互相关系数，从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度。由同相轴的角度，利用最小相位原理确定到达检波点的地震波射线的入射。相同在共检波点道集记录选择一个参考道r做倾斜迭加。由倾斜迭加计算的地震记录同相轴的角度和近地表速度的确定震源位置的地震波射线的出射角度。判断两条射线路径是否相交，从而确定反射点的位置。仅对反射点位置进行偏移，非反射点对应多次波不进行偏移，从而达到消除多次波的目的。

Description

消除地震多次波的方法

技术领域

本发明属于勘探地球物理领域，具体地说，涉及一种消除地震多次波的方法。

背景技术

石油天然气需求大幅上升使得国家对原油进口的依赖不断增加，为了满足国家需求，地震资料处理技术也从早期只涉及简单构造形态到目前必须面对复杂构造形态的发展。随着能源危机以及国际竞争进一步的激烈化，我国的地震数据处理技术迫切期待自主知识产权的形成。我国海域与陆地地震资料中多次波十分发育，消除多次波技术是地震勘探资料处理研究领域的一项世界性难题，始终是国内外研究的热点之一。由于多次波成因非常复杂，现有方法难以满足越来越高的资料处理精度要求，尤其难以满足海上复杂天然气藏地震判别技术对资料精度的要求。多次波去除的好坏是地震资料处理和解释的前提。

地震勘探资料处理中的多次反射波(多次波)，是资料处理中的一个难点，特别是对海洋地震勘探，多次波问题尤为突出。多次波的存在影响一次反射波(一次波)的偏移成像，所以需要在偏移成像前把多次波消除掉。对于叠前地震资料处理，多次波压制工作更为重要。由于压制多次波的重要性，多次波问题一直受到勘探地球物理学家的关注，长期以来发展了很多压制多次波的方法。这些压制多次波的方法归结起来可以分为两个大类：滤波方法和波动方程方法。

滤波方法是比较直接有效的压制多次波方法，它是基于信号分析的数据处理方法，根据一次波与多次波的可区分特性，用滤波手段达到压制多次波的目的。比如预测反褶积根据多次波的周期性和一次波的非周期性剔除多次波。F-K滤波和拉东变换根据多次波和一次波的视速度差异在其变换域中切除多次波。共中心点叠加通过一次波的同相叠加和多次波的非同相叠加压制掉一些多次波。对于近偏移距和零偏移距的数据，预测反褶积能取得较好的效果，大偏移距数据多次波的周期性不能得到保证。F-K滤波、拉东变换和共中心点叠加对于远偏移距数据效果会比较好，近偏移距去除多次波比较困难。滤波方法对于一次波和多次波存在明显的可区分性时，能较好的压制多次波，而这种可区分性不明显或是不存在时，用滤波方法压制多次波就非常困难。

波动方程方法是基于波动方程预测出多次波模型，然后通过多次波记录与多次波模型的匹配相减来压制多次波。与滤波方法相比，波动方程方法不需要一次波与多次波之间存在可区分性，任意形式的多次波都可以预测得到。这类方法对于多次波模型的预测有两种途径：模型驱动和数据驱动。模型驱动预测多次波模型就是已知一些模型的信息，根据这些模型的信息模拟出多次波模型。对于海洋地震数据，海平面至海底间的模型容易得到，所以模型驱动的方法通常用来预测与海底相关的多次波，包括海底混响和海底相关peg-leg型多次波。数据驱动预测多次波模型是直接通过地震数据模拟出多次波模型，不需要先验信息。Verschuur和Weglein分别从不同角度导出了两种基于褶积的多次波预测方法，直接从数据入手来得到多次波模型。波动方程方法先预测出多次波模型，但预测出来的多次波模型和记录中多次波是不匹配的，它们在振幅、相位及到时上存在差异，要把记录中的多次波和预测出多次波模型匹配，才能把多次波从记录中减掉。

上述方法只能消除由地表或海水面形成的与表面相关的多次波，无法消除在地层之间形成的层间多次波。Weglein(1997)年提出了基于散射波动方程的逆散射级数法来预测表面多次波和层间多次波。消除层间多次波是地震勘探资料处理研究领域的难题，到目前为止还很难找到一种完全有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除地震多次波的方法，本发明的消除多次波的方法，仅对一次波成像消除与表面相关的多次波和层间多次波。此方法不需要已知多次波的时间、振幅、相位以及周期性。直接从地震资料出发，在地震偏移过程去除多次波。在实现波射线偏移消除多次波的方法研究中，抓住多次波与一次波的本质区别，在偏移过程中仅对一次波进行偏移，从而达到去除多次波的目的。此方法通过确定反射点的位置而节省计算量同时消除假成像点。

为实现上述目的，本发明提供的消除地震多次波的方法，其步骤为：

a)在共炮集记录中选择一个参考道R，该参考道R的数值大于或等于2，小于或等于该共炮集数；在该参考道R的左右两则各选N道共炮集记录组成一个子集道，其中该N值大于或等于1，小于或等于该共炮集数；

b)以参考道R为中心，设计一个虚拟轴，以水平轴为起点，倾斜迭加计算参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；将虚拟轴转动一个角度增量，计算在转动一个角度后参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；依次旋转虚拟轴至90度，计算出每转动一个角度后参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；并从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度；

c)由同相轴的角度，利用稳定相位原理确定到达检波点的地震波射线的入射角α_R；

d)在共检波点道集记录中选择一个参考道r做倾斜迭加，该参考道r的数值大于或等于2，小于或等于该共检波点道集数；在该参考道r的左右两则各选n道共检波点道集记录组成一个子集道，其中该n值大于或等于1，小于或等于该共检波点道集数；

e)以参考道r为中心，设计一个虚拟轴，以水平轴为起点，倾斜迭加计算参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；将虚拟轴转动一个角度增量，计算在转动一个角度后参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；依次旋转虚拟轴至90度，计算出每转动一个角度后参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；并从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度；

f)由同相轴的角度和近地表速度的确定震源位置的地震波射线的出射角度α_S；

g)根据地震波射线的入射角α_S和出射角度α_R判断两条射线路径是否相交，从而确定反射点的位置；

h)对反射点位置进行偏移，非反射点对应多次波不进行偏移，从而达到消除多次波的目的。

所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤b中虚拟轴旋转是顺时针方向或逆时针方向。

所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤e中虚拟轴旋转是顺时针方向或逆时针方向。

所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤g中入射角α_S和出射角度α_R的射线相交应满足式2和式3

‖P-Q‖≤δx                 式(2)

$\left|\right|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SR}}^{\mathrm{obs}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SQ}}^{\mathrm{cal}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RP}}^{\mathrm{cal}}\left|\right|\≤\mathrm{\δ\τ}$              式(3)

式中：

是观测到的反射波走时；是从震源到反射点的理论走时；

是从检波点到反射点的理论走时；P和Q分别表示炮点出射的射线与检波点入射的射线在界面上的交点。

附图说明

图1a表示一个地震反射波的路径。

图1b表示一个与表面相关的多次波。

图2表示地震波反射点形成原理以及按照本发明的方法仅对反射波偏移成像；其中图2a表示未找到反射点，图2b表示找到两条射线的交点。

图3表示本发明的倾斜迭加方式。

图4a表示一个三层模型，此模型离散为401×401个网格，水平和垂直间距分别为5m。81个震源和81个检波器位于地表，其间距25m。

图4b表示一个炮集的合成地震记录，此记录由震源频率为25Hz的有限差分方法产生。

图4c表示的是Kirchhoff偏移结果。可以看出界面的位置得到较好的成像，但多次波的能量很强，产生了假的地质结构。

图4d是本发明提出的方法产生的偏移结果。可以看到多次波的能量被明显消除。

图5a是一个横向速度有变化的5层速度模型。

图5b表示此模型的合成记录，由有限差分算法产生，共有120炮，120个检波点，道间距和炮间距为25m，一炮120道。P1、P2、P3和P4表示4个反射波；由图5b可以看出P3反射波与多次波的偏移距几乎重合。

图5c表示Kirchhoff偏移图像，此偏移图像显示多次波震相非常强，偏移结果产生了假像，多次波产生的界面紧贴在3个反射界面之下。

图5d表示的是本发明提出的方法压制多次波后的偏移图像，由图可见多次波能量得到压制。

图6a是SMARRT速度模型kirchhoff积分叠前深度域偏移结果。

图6b是波路径偏移过程消除多次波方法对SMARRT速度模型合成地震数据处理的结果

图6c1是SMARRT速度模型合成地震数据Kirchhoff积分叠前深度域偏移结果局部放大，箭头指向多次波位置。

图6c2是本发明的波路径偏移过程消除多次波方法的处理结果。

图6d1是SMARRT速度模型合成地震数据Kirchhoff积分叠前深度域偏移结果局部放大，箭头指向多次波位置。

图6d2是本发明的波路径偏移过程消除多次波方法的处理结果。

图6e是SMARRT速度模型合成地震数据，局部放大，箭头表示放大的多次波，消除多次波处理前。

图6f是SMARRT速度模型合成地震数据局部放大，本发明开发的波路径偏移过程消除多次波方法的处理结果。

具体实施方式

地震波在遇到界面时会形成一次反射波和多次反射波。地震波形由—次反射波和多次反射波覆合而成。图1a表示一个反射波的路径。地震波以一个出射角从震源向下传播，遇到反射界面后，最终以某一个入射角回到地表。与此类似，多次波以其自己的入射角和出射角传播，其角度一般不同于反射波。图1b表示一个与表面相关的多次波。

图2表示地震波反射点形成原理以及如何根据此方法仅对反射波偏移成像。下列规则可以判断地震记录上的地震波是多次波还是一次波。地震波路径与出射角和入射角有关，此角度可以从地震记录上计算。根据这两个角度可以追踪由震源出射的地震射线和由检波点位置入射的地震射线，这两条射线相交于反射界面的反射点处。其相应的传播路径对应的走时若等于观测走时，可以判断该射线是反射波路径。反之则是多次波。或者说，两条射线在反射界面上若没有交点，则为多次波。图2a表示未找到反射点；图2b表示找到两条射线虽有交点P，但此交点不是正确的反射点。在地震共炮数据中大部分非零偏移距数据满足上述规律。在偏移过程中，方程式1表示了走时的约束条件。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SR}}^{\mathrm{obs}}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SP}}^{\mathrm{cal}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RP}}^{\mathrm{cal}}---\left(1\right)$

式1中S、R和P分别表示震源、检波点和反射点的位置。

是观测到的反射波走时，是从震源到反射点的理论走时，

是从检波点到反射点的理论走时。图2中震源出射的射线与检波点入射的射线交点应满足如下范数：

‖P-Q‖≤δx                            (2)

$\left|\right|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SR}}^{\mathrm{obs}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SQ}}^{\mathrm{cal}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RP}}^{\mathrm{cal}}\left|\right|\≤\mathrm{\δ\τ}---\left(3\right)$

式2中的δx和式3中的δτ由Fresnel带的宽度确定，若δx和δτ在一个可接受的范围内，即可确定反射点。式中P和Q分别表示炮点出射的射线与检波点入射的射线在界面上的交点。

以上计算过程可归纳为：

1)在共炮集记录选择一个参考道N做倾斜迭加(参阅图3)。以参考道为中心，设计一个虚拟轴，以水平虚拟轴为起点，计算参考道上每个时间采样点左右各5道的互相关，算出互相关系数；将虚拟水平轴向逆时针(或顺时针)方向移动一个角度增量，继续计算在新角度的互相关系数；继续旋转虚拟轴到90，依次计算出每一个角度增量的互相关系数；从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度。由倾斜迭加计算的同相轴的角度，利用最小相位原理确定到达检波点的地震波射线的入射角α_S。

2)将共炮记录转换到共检波点道集，与步骤1相同在共检波点道集记录选择一个参考道r做倾斜迭加。由倾斜迭加计算的地震记录同相轴的角度和近地表速度的确定震源位置的地震波射线的出射角度α_R。

3)波路径由检波点地震波主扰动方向和炮点地震波主扰动方向确定。根据式2和式3判断两条射线路径是否相交，从而确定反射点的位置。仅对反射点位置进行偏移，非反射点对应多次波不进行偏移，从而达到消除多次波的目的。

详细地说，本发明的过程是：

1、同相轴的自动识别：根据地震记录振幅和多次波强度计算一个多次波强度参数，此参数作为一个阀值初步筛选多次波。

2、反射波与多次波同向轴的计算法方式：首先选一个道作为参考道，在此参考道附近前后各选N道作为互相关的一个子集道，以水平方向作为起始线逆时针旋转，直到找到一个最大相关值。

3、以炮点为地震射线的初射角，做射线追踪，反射点位置必在射线路径上。计算走时表，确定射线的一个反射点的位置Q。

4、检波点为地震射线的初射角，做射线追踪，反射点位置必在射线路径上。计算走时表，确定一个反射点位置P。

5、判断从震源出射的地震射线与从检波点入射的地震射线是否可以形成交点；将不形成交点的射线剔除；对形成交点的射线，比较从震源出射的地震射线与从检波点入射的地震射线的交点形成的走时。

6、剔除走时不相等的射线，保留走时相等的射线，称为反射波；

7、2个反射点位置由菲涅耳带宽度和走时表的精度确定。

8、偏移在以反射点为中心的菲涅耳宽度范围内进行。

9、将反射波的射线成像。

以上描述了本发明偏移过程消除多次波的原理和方法，下面从数学角度再介绍本发明偏移过程消除多次波的过程：

偏移既是将地震记录按地震波场的传播规律，反向朝地下延拓，对地下地质结构进行成像，展现地下清晰图像。

假设在地表ζ布置检波器，在ζ一个点震源被激发，接收到地下一个反射界面的共炮集地震记录U(ξ，τ_D(ξ，M))。其偏移结果可以表示为：

$V\left(M\right)=\∫\∫{\mathrm{d\ζ}}_1{\mathrm{d\ζ}}_{2}w(\mathrm{\ζ},M)\stackrel{.}{U}(\mathrm{\ζ},{\mathrm{\τ}}_D(\mathrm{\ζ},M)),---\left(4\right)$

式4中V(M)表示在M地下位置的偏移图像，w(ζ，M)是偏移权函数 $\stackrel{.}{U}(\mathrm{\ζ},{\mathrm{\τ}}_D(\mathrm{\ζ},M))$ 是共炮记录的时间微分

τ_D(ζ，M)＝τ(S，M)+τ(M，G(ζ))，    (5)

式5是从炮点S到成像点M，再从成像点到检波点的双走时。G(ζ)和ζ是描述检波点位置参数.积分在整个地震数据空间进行。

在稳定相位条件下，考虑地震波以一个有限宽度传播，而非一个高频近似射线，可得

${V|}_{M=R}=w(\mathrm{\ζ}*,M)\stackrel{\·}{U}(\mathrm{\ζ}*,{\mathrm{\τ}}_D(\mathrm{\ζ}*,M))C(\mathrm{\ζ}*,M)$

式6中，R表示反射界面位置C(ζ^*，M)是检波点位置ζ和成像点M坐标的函数，变量ζ^*是相位φ(ζ)＝τ_D(ζ，M)-τ(S，M)-τ(M，G(ζ))稳定点，满足稳定相位条件：

$\frac{\∂\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ζ}\right)}{\∂\mathrm{\ζ}}{|}_{\mathrm{\ζ}={\mathrm{\ζ}}^{*}}=\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_D(\mathrm{\ζ},M)}{\∂\mathrm{\ζ}}-\frac{\∂\mathrm{\τ}(M,G\left(\mathrm{\ζ}\right))}{\∂\mathrm{\ζ}}=0,---\left(7\right)$

其含义为：

$\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_D({\mathrm{\ζ}}^{*},M)}{\∂\mathrm{\ζ}}=\frac{\∂\mathrm{\τ}(M,G\left({\mathrm{\ζ}}^{*}\right))}{\∂\mathrm{\ζ}}---\left(8\right)$

式7中， $\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_D({\mathrm{\ζ}}^{*},M)}{\∂\mathrm{\ζ}}$ 等于sin(α)/v，v是检波器下方地震波速度，α是地震波在检波器的入射角。式7表明稳定相位点ζ^*要求反射点在上行反射波路径上，此波路径对应检波点位置地震波出射角α。

应用式6共炮集叠前偏移公式：

$V\left(M\right){|}_{M=M^{*}}=\underset{1}{\overset{N_S}{\∫}}w(S,M,G^{*})\stackrel{.}{U}(S,G^{*},{\mathrm{\τ}}_D(S,M,G^{*}))\mathrm{dS}$

$\≈\underset{S=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\cos \mathrm{\θ}\frac{H\left(M\right)}{A_{\mathrm{SM}}{A}_{{\mathrm{MG}}^{*}}}\stackrel{.}{U}(Z_S,Z_{G^{*}},{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SM}}+{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{MG}}^{*}})---\left(9\right)$

G^*检波点地震数据，H(M)是振幅函数，可以定义为：：

如果H(M)振幅大于某一个阀值，地震振幅将被拾取，用上述倾斜叠加方法计算地震同相轴的角度。从而进一步计算检波点处的出射角α。积分仅在反射点周围一个费涅儿带范围进行。由此应用方程式1、2、3、4即可在偏移过程消除多次波。

实施例一

图4a表示一个三层模型，此模型离散为401×401个网格，水平和垂直间距分别为5m。81个震源和81个检波器位于地表，其间距25m。图4b表示一个炮集的合成地震记录，此记录由震源频率为25Hz的有限差分方法产生。图4c表示的是Kirchhoff偏移结果。可以看出界面的位置得到较好的成像，但多次波的能量很强，产生了假的地质结构。图4d是本文提出的方法产生的偏移结果。可以看到多次波的能量被明显消除。

实施例二

图5a是一个横向速度有变化的5层速度模型。图5b表示此模型的合成记录，由有限差分算法产生，共有120炮，120个检波点，道间距和炮间距为25m，一炮120道。P1、P2、P3和P4表示4个反射波。由图5b可以看出P3反射波与多次波的偏移距几乎重合。图5c表示Kirchhoff偏移图像，此偏移图像显示多次波震相非常强，便移结果产生了假像，多次波产生的界面紧贴在3个反射界面之下。图5d表示的为本文提出的方法压制多次波后的偏移图像，由图可见多次波能量得到压制。

Claims (4)

1、一种消除地震多次波的方法，其步骤为：

a)在共炮集记录中选择一个参考道R，该参考道R的数值大于或等于2，小于或等于该共炮集数；在该参考道R的左右两则各选N道共炮集记录组成一个子集道，其中该N值大于或等于1，小于或等于该共炮集数；

b)以参考道R为中心，设计一个虚拟轴，以水平轴为起点，倾斜迭加计算参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；将虚拟轴转动一个角度增量，计算在转动一个角度后参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；依次旋转虚拟轴至90度，计算出每转动一个角度后参考道R上每个时间采样点左右N道的互相关系数；并从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度；

c)由同相轴的角度，利用稳定相位原理确定到达检波点的地震波射线的入射角α_R；

d)在共检波点道集记录中选择一个参考道r做倾斜迭加，该参考道r的数值大于或等于2，小于或等于该共检波点道集数；在该参考道r的左右两则各选n道共检波点道集记录组成一个子集道，其中该n值大于或等于1，小于或等于该共检波点道集数；

e)以参考道r为中心，设计一个虚拟轴，以水平轴为起点，倾斜迭加计算参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；将虚拟轴转动一个角度增量，计算在转动一个角度后参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；依次旋转虚拟轴至90度，计算出每转动一个角度后参考道r上每个时间采样点左右n道的互相关系数；并从中选出最大的互相关系数，作为此同相轴的角度；

f)由同相轴的角度和近地表速度的确定震源位置的地震波射线的出射角度α_S；

g)根据地震波射线的入射角α_S和出射角度α_R判断两条射线路径是否相交，从而确定反射点的位置；

h)对反射点位置进行偏移，非反射点对应多次波不进行偏移，从而达到消除多次波的目的。

2、如权利要求1所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤b中虚拟轴旋转是顺时针方向或逆时针方向。

3、如权利要求1所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤e中虚拟轴旋转是顺时针方向或逆时针方向。

4、如权利要求1所述的消除地震多次波的方法，其中，步骤g中入射角α_s和出射角度α_R的射线相交应满足式2和式3

‖P-Q‖≤δx                                  式(2)

$\left|\right|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SR}}^{\mathrm{obs}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SQ}}^{\mathrm{cal}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RP}}^{\mathrm{cal}}\left|\right|\≤\mathrm{\δ\τ}$                              式(3)

式中：

是观测到的反射波走时；

是从震源到反射点的理论走时；是从检波点到反射点的理论走时；P和Q分别表示炮点出射的射线与检波点入射的射线在界面上的交点。

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