CN101726755B

CN101726755B - 用于由双传感器海上地震信号确定地层品质因数的方法

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Publication number: CN101726755B
Application number: CN200910174034.1A
Authority: CN
Inventors: A·J·戴; G·康布瓦
Original assignee: PGS Geophysical AS
Current assignee: PGS Geophysical AS
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: US20100097886A1; EP2184621A1; CN101726755A; EA200901225A1; CA2677008A1; BRPI0904049A2; EG27055A; SG161146A1; MX2009011249A; EA016522B1; AU2009212937A1

Abstract

用于由双传感器海上地震信号确定地层品质因数的方法。一种用于估计地层品质因数的方法，包括：确定使用在水体中布置的并置压力响应传感器和运动响应传感器记录的地震信号的上行压力波场，该上行压力波场具有通过组合该压力响应信号和运动响应信号而衰减的水面虚反射的频谱效应。通过确定上行压力波场中的第一地震事件和第二地震事件之间的振幅频谱差来确定品质因数。

Description

用于由双传感器海上地震信号确定地层品质因数的方法

技术领域

本发明一般涉及海上地震数据采集和处理的领域。更具体地，本发明涉及用于处理海上地震信号以确定地表下岩层的某些特征的方法。

背景技术

在本领域中，已知地震勘探用于确定地球表面下岩层的构造和声学性质。地震勘探一般包括以选择的图案在地球表面上布置地震传感器的阵列，以及有选择地起动位于地震传感器附近的地震能量源。该能量源可以是爆炸物、振动器，或者在例如湖泊或海洋之类的水体中执行地震勘探的情况下，是一个或多个气枪或水枪。

从该源发出的地震能量穿过地表下岩层直到它到达地层的声学阻抗边界。声学阻抗边界典型地发生在地层的成分和/或机械性质改变之处。这样的边界通常被称为“地层边界”。在地层边界处，一些地震能量被反射回地球表面。该反射的能量可以由布置在表面上的一个或多个地震传感器检测。本领域中巳知的地震信号处理把确定地面下的地层边界的深度和地理位置作为许多目标之一。由地震能量到地层边界和回到表面处的传感器的传播时间来推断地层边界的深度和位置。

在海洋及其它水体中执行地震勘探(“海上地震勘探”)以确定水底之下的岩层的构造和声学性质。本领域中巳知的海上地震勘探系统包括牵引一个或多个地震能量源的船和牵引一个或多个“拖缆(streamer)”的相同的或不同的船。拖缆是由船牵引的电缆中的地震传感器的阵列。通常，地震勘探船将牵引被配置为以选择的图案彼此隔开选择的横向距离的多个这样的拖缆，以使得能够相对完全确定三维的地质构造。通常，拖缆中的传感器是压力响应传感器，例如水听器。近年来，拖缆已经被设计为包括压力响应传感器和粒子运动响应传感器两者。在一些以前的拖缆中，基本上并置(collocate)压力响应传感器和运动响应传感器。在Tenghamn等人的并且转让给本发明的受让人的分支机构的美国专利No.7,239,577中描述了一种被称为“双传感器”拖缆的这样的拖缆。

所关注的地表下地层的一个特征是所谓的“品质因数”。品质因数是地震能量的随频率衰减的度量，也就是说，地震能量频率和特定地层的衰减率之间的关系的度量。品质因数已经用作碳氢化合物的存在的直接指示，以及其它用途。地震波的衰减的估计可以与地震数据解释领域中的层速度的估计同样重要。地震波的衰减的估计提供岩石学(岩石矿物成分)和储层特性(岩石孔空间流体含量、流体成分、流体压力和岩石渗透率到流体流动)的另外的透视。

使用海上地震信号来估计品质因数已经证明是困难的，因为海上地震信号对地震能量从水表面的反射导致的退化敏感。这样的反射可能有害地与检测的从所关注的地表下特征反射的上行地震信号干扰。地震能量的频谱通常在被称为“虚反射缺口(ghostnotch)”的带内衰减。虚反射缺口的存在使得随频率衰减的解释变得困难并且有误差。

继续需要用于由海上地震数据估计地表下地层的品质因数的技术。

发明内容

根据本发明的一方面，一种用于估计地层品质因数的方法包括：确定使用在水体中的选择深度处布置的并置压力响应传感器和运动响应传感器记录的地震信号的上行压力波场。上行波场具有通过组合压力响应的信号和运动响应的信号而衰减的水表面虚反射的频谱效应。通过确定上行压力波场中的第一地震事件和第二地震事件之间的振幅频谱差来确定品质因数。

根据本发明的另一方面，一种用于地震勘探的方法包括：在水体中的隔开的位置处布置多个并置的压力响应地震传感器和运动响应地震传感器。在选择的时间在水体中起动地震能量源。记录由并置的传感器响应地震能量产生的信号。上行压力波场被确定为具有通过组合来自于多个并置的传感器中的每一个的并置的压力响应信号和运动响应信号而衰减的水表面虚反射的频谱效应。通过确定上行压力波场中的第一地震事件和第二地震事件之间的振幅频谱差来估计水体的底部之下的地层的品质因数。

通过下面说明书和所附的权利要求书，本发明的其它方面和优点将变得明显。

附图说明

图1显示获得地震数据以用于根据本发明的方法的示例。

图2显示处理双传感器数据的流程图。

图3显示在7m深度处牵引的典型海上地震源的振幅频谱，具有在8m深度处正入射记录的信号，以及来自于相同的海上地震源、具有除去接收器虚反射的滤波效应的信号的振幅频谱。

图4显示在图2所示的振幅频谱上的地表下地层的滤波的效应。

图5A和5B分别显示同时获得的上行压力场和总压力场信号的归一化振幅频谱。

具体实施方式

图1显示可以用于根据本发明的方法的获得海上地震数据的示例。地震勘探船101沿着要被勘探的地表下的一部分103上面的水体102的表面108移动。在水底部104之下，地表下的该部分103包含位于上边界106和下边界107之间的所关注的岩层(例如层105)。地震勘探船101在其上已经布置有地震采集控制设备，被总体指定在109。地震采集控制设备109包括(没有分开显示)导航控制、地震能量源控制、地震传感器控制和信号记录设备，所有这些设备可以是本领域中已知类型的设备。

地震采集控制设备109引起由地震勘探船101(或由不同的船)在水体102中牵引的地震源110在选择的时间起动。地震源110可以是地震采集领域中公知的任何类型，包括气枪或水枪，或者特别是气枪阵列。一个或多个地震拖缆111还在水体102中由地震勘探船101(或者由不同的船)牵引，以检测地震源110发出的并且从环境中的分界面反射的声波场。尽管为了说明的目的图1中仅仅示出了一个地震拖缆111，但是通常在地震勘探船101之后牵引多个横向间隔开的地震拖缆111。地震拖缆111包含传感器以检测由地震源110发出的反射波场。在本示例中，地震拖缆111包含例如水听器112的压力响应传感器以及例如地听器113的水粒子运动响应传感器。水听器112和地听器113通常沿着地震拖缆111以一定间隔成对地共同位于传感器阵列中。但是，传感器112、113的种类和它们沿着地震拖缆111的具体位置不意为是对本发明的范围的限制。将清楚地理解，压力响应传感器可以是产生与在水中的压力或它的时间梯度相关的信号的任何类型的设备。相应地，运动响应传感器可以是响应于运动、加速度或速度的任何设备。这样的设备的非限制示例包括速度感传器(地听器)和加速度计。

每次地震源110起动时，声波场以球形扩展波前传播。在这里通过垂直于波前的光线路径来示出波前的传播。由光线路径114指定的向上传播的波场将在水面108处反射离开水-空气分界面，然后如光线路径115所示地向下传播，其中可以由地震拖缆111中的水听器112和地听器113检测波场。如光线路径115这样的从水面108的反射不包含关于所关注的地表下地层的有用信息。但是，这样的表面反射(亦称虚反射)担当与地震源110的起动具有时间延迟的二级地震源。

光线路径116中向下传播的波场将在水底部104处反射离开地-水分界面，然后如光线路径117所示地向上传播，其中可以由水听器112和地听器113检测波场。如光线路径117这样的水底部104处的反射包含有关水底部104的信息。光线路径117是“初次”反射的示例，也就是说，源自地下中的边界的反射。如光线路径116中向下传播的波场可以如光线路径118所示地传播通过水底部104，反射离开层(例如105)的层边界(例如107)，然后如光线路径119所示地向上传播。然后可以由水听器112和地听器113检测向上传播的波场(光线路径119)。这样的离开层边界107的反射包含关于关注地层105的有用信息并且也是初次反射的示例。

声波场将继续反射离开例如水底部104、水面108以及层边界106、107的结合之类的分界面。例如，光线路径117中向上传播的波场将反射离开水面108，继续在光线路径120中向下传播，可以反射离开水底部104，以及继续又在光线路径121中向上传播，其中可以由水听器112和地听器113检测波场。光线路径121是多次反射的示例，也简单地称为“多次反射”，具有从分界面的多次反射。相似地，光线路径119中向上传播的波场将反射离开水面108，继续在光线路径122中向下传播，可以反射离开层边界106以及继续又在光线路径123中向上传播，其中可以由水听器112和地听器113检测波场。光线路径123是多次反射的另一个示例，也具有在地球地下中的多次反射。

为了本发明，主要涉及的光线路径是地震能量从水听器112和地听器113附近的水面的反射。这样的反射引起由水听器112检测到的某些频率的地震能量的衰减。根据本发明的方法利用地听器113检测的信号来减小水听器信号中这样的“虚反射缺口”的影响。

为了简化以下说明，术语“水听器”和“地听器”将被用作被处理的信号的种类的简写说明。将清楚地理解，在下面的描述中术语“水听器”用来意指由任何形式的压力响应或压力时间梯度响应传感器检测的信号。相应地，“地听器”信号用于意指由任何形式的粒子运动响应传感器(包括加速度计、测速计、地听器等等)检测的信号。

根据本发明的方法开始使用对应于该源的每次开动的记录的水听器和地听器信号。该记录应该补偿它们各自的传感器以及记录的信道的脉冲响应和所用的每种传感器的换能常数。对应于该源的特定开动的水听器和地听器记录的每个这样的记录可以被称为“共射(commonshot)”记录或共射“点道集”。可以相对于地震源的开动的时间为信号记录编索引，并且可以由记录的时间时的每个地震传感器的地理位置来标识信号记录。可以相对于每个地听器检测的地震波前的入射角来归一化地听器信号。例如，参见Vaage等人的并且转让给本发明的受让人的分支机构的美国专利No.7,359,283，其描述了这样的归一化。水听器响应基本上是全向的，并且不需要入射角的校正或归一化。

参考图2，在21中，概述使用地听器和水听器信号的示例过程的流程图可以包括，将水听器和地听器信号从空-时域变换到频率-波数(f-k)域。在图2的22中，对分别由21中的域变换而变换后的水听器和地听器信号H_(f，k)和G_(f，k)校正传感器传递函数之间的相对差，该传感器传递函数与时域中的传感器脉冲响应对应。这样的校正可以包括例如，校正水听器信号的振幅和相位以匹配地听器信号、校正地听器信号以匹配水听器信号、或校正两组信号到公共基础。校正传感器脉冲响应中的相对差在本领域中是公知的。最后，可以将等于水中的声学阻抗的倒数的振幅比例应用到地听器信号以校正压力的振幅和粒子速度的相对差。这样的比例也是本领域中公知的。

在图2的23中，对22中校正后的地听器信号进一步校正入射角。当水听器记录总的压力波场时，垂直地听器将仅仅记录粒子运动波场的垂直分量。仅仅对于垂直传播的信号，也即入射角等于零的信号，垂直部分等于总的粒子运动波场。对于任何其它的入射角，需要缩放地听器信号，例如基本上如Vaage等人的‘283专利所述的。

在图2的24中，可以由记录的水听器信号计算或估计地听器信号的低频部分。前述也可以基本上如Vaage等人的‘283专利所述地执行。

在图2的25中，可以通过将计算的全带宽地听器信号的低频部分与在该频谱的上部分中测量的地听器信号(包括一些重叠)合并来计算或估计该全带宽地听器信号。前述也可以基本上如Vaage等人的‘283专利所述地执行。

在图2的26中，将全带宽地听器数据集和记录的水听器数据集相加或相减以计算全带宽上行和下行波场。前述可以基本上如Vaage等人的‘283专利所述地执行。

将全带宽地听器信号与水听器信号组合的结果是降低了表面虚反射的效应的上行压力波场。更准确地说，降低了表面虚反射的频率滤波效应。可以解释组合的地听器和水听器信号，以确定从水面到地表下地震反射面的双程地震能量传播时间，例如图1中的104、106和107。使用这样的双程传播时间，可以估计发生在两个双程反射时间t₁和t₂之间的地表下地层的地层品质因数(“Q”)。作为频率的函数的地震能量的振幅与地表下地层的衰减特性有关，如以下表达式所示：

A_{2} (f) = A_{1} (f) \exp (\frac{- πf (t_{2} - t_{1})}{Q});

Q = - \frac{1}{πf (t_{2} - t_{1})} \ln (\frac{A_{2} (f)}{A_{1} (f)}) - - - (1)

如果上面关于Q的第二表达式的两边乘以频率f，则得到的表达式是：

- \frac{1}{π (t_{2} - t_{1})} \ln {\frac{A_{2} (f)}{A_{1} (f)}} = Qf - - - (2)

上述表达式是在振幅-频率平面中的直线的方程式形式，也就是说，它具有形式：y＝mf+b

其中Q是直线斜率，并且截距b(频率为零时)等于零。因此，为了由选择的地震事件(例如，反射时间t₁和t₂)之间的地震数据估计地表下地层的Q，可以由两个选择的长度的数据窗口计算振幅频谱(复数频谱的幅度)，这两个数据窗口的每一个以两个选择的地震事件(反射时间)的每一个为中心。每个时间的振幅频谱可以由A₁(f)和A₂(f)表示。使用振幅频谱，可以计算上面方程式(2)的左手边的频率的函数，并且可以对振幅频谱函数进行直线拟合(例如通过最小二乘方)。最佳拟合线的斜率是位于地震反射时间t₁和t₂之间的地表下地层的Q的估计。

但是，实际上，应用中所述的线性回归从来不假定截距b是零。计算导出Q的斜率(m)，好象存在非零值的截距b一样，尽管从来不明确地计算截距本身。考虑非零截距的理由是振幅通常被不适当地平衡并且因此零频率处的光谱比值没有抵消。还可以计算截距并且可用于精确地校准振幅。

本领域中已知的使用仅水听器的拖缆产生截距计算，这样的计算被认为比斜率的计算更不可靠，而使用仅水听器的拖缆的计算本身就被认为是不可靠的。这里说明的通过使用具有压力响应传感器和运动响应传感器二者的拖缆以及组合该压力和运动信号而提供的另外的低频内容使得截距计算基本上更可靠。因而，使用组合的压力响应和运动响应信号被认为提供对振幅频谱的斜率和截距更精确的估计。前述不但提供对于Q的更好的估计，而且提供准确地校准地震信号振幅衰减的可能。

图3在曲线40中显示了正入射的、在大约8米的采集深度处的在7米深处牵引的典型海上地震源的振幅频谱。0Hz和大约107Hz处的能量由于接近于地震源的水面反射(“虚反射”)而被抑制了。接收器虚反射在0Hz和大约94Hz处产生频谱缺口。曲线42中也显示了由相同的源记录的地震信号的振幅频谱，但是具有除去了接收器的虚反射的滤波效应。曲线42的频谱已经乘以2以便于比较。

图3所示的模拟振幅频谱被示出在图4的44和46中，其中已经通过具有线48所示的响应特性的土滤器(earthfilter)进行了修改。

图5A和5B分别显示了同时获得的上行压力波场(图5A中的50)和总压力波场(图5B中的52)的示例振幅频谱。前述振幅频谱与图4所示的模拟一致，并且表明了，振幅相对于频率的梯度不能容易地由总压力场数据估计。必须除去接收器虚反射，这可以使用来自于双传感器拖缆的数据来容易地执行。

尽管已经参考有限的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离这里公开的本发明的范围的其它实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附的权利要求书限制。

Claims

1.一种用于估计地层品质因数的方法，包括：

确定使用在水体中布置的并置压力响应传感器和运动响应传感器记录的地震信号的上行压力波场，该上行压力波场具有通过组合该压力响应信号和运动响应信号而衰减的水面虚反射的频谱效应；

确定振幅相对于频率的线性函数的零频率截距并且使用该截距校准地震信号振幅；以及

通过确定上行压力波场中的第一地震事件和第二地震事件之间的振幅频谱差来估计品质因数。

2.如权利要求1所述的方法，其中该压力响应传感器包括水听器。

3.如权利要求1所述的方法，其中该运动响应传感器包括地听器。

4.如权利要求1所述的方法，其中该第一和第二地震事件的振幅频谱是通过对以该第一和第二地震事件的每一个为中心的选择的长度数据窗口进行采样确定的。

5.如权利要求1所述的方法，其中该第一地震事件和第二地震事件是地震反射，每个发生在从地震能量源的开动时起的不同的时间。

6.一种用于地震勘探的方法，包括：

在水体中的隔开的位置处布置多个并置的压力响应地震传感器和运动响应地震传感器；

在选择的时间开动水体中的地震能量源；

由该并置传感器记录响应于地震能量产生的信号；

确定具有通过组合来自于多个并置的传感器中的每一个的并置的压力响应信号和运动响应信号而衰减的水表面虚反射的频谱效应的上行压力波场；

通过确定上行压力波场中的第一地震事件和第二地震事件之间的振幅频谱差来估计水体的底部之下的地层的品质因数。

7.如权利要求6所述的方法，其中该压力响应传感器包含水听器。

8.如权利要求6所述的方法，其中该运动响应传感器包含地听器。

9.如权利要求6所述的方法，其中该第一和第二地震事件的振幅频谱是通过对以该第一和第二地震事件的每一个为中心的选择的长度的数据窗口进行采样确定的。

10.如权利要求6所述的方法，其中该第一地震事件和第二地震事件是地震反射，每个发生在从地震能量源的开动时起的不同的时间。