CN101915939A - 一种面波压制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地震勘探领域，具体的是指一种面波压制方法。该方法步骤包括：将单分量地震信号进行Hilbert变换；将Hilbert变换后的信号组成复数信号；根据复数信号求取与其对应的椭圆极化率；根据所得到的椭圆极化率进行压制，得到压制后的信号。在理论模拟试验中采用本发明的面波压制方法，瞬时偏振滤波后的瑞雷面波能够得到很好衰减，反射波得到突出；在野外实际数据的应用效果总体表明，采用本发明的面波压制方法，能够使面波能量得到较好的压制并且压制面波后可以较好的保持地震记录的真振幅。

Description

一种面波压制方法

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，具体的是指一种面波压制方法。

背景技术

在石油、天然气、煤炭、煤层气等化石能源勘探过程中，基于爆炸源(人工源)的地震勘探技术是获得地下构造、岩性信息，识别油气等能源存在与否的关键技术之一。常规的地震勘探技术主要利用纵波的激发、传播和单分量地震信号的接收来达到勘查地下弹性波场异常的目的；而随着地震勘探技术的发展，和油气等能源勘探难度的加大，单纯依赖纵波难以获得地下介质岩性和含流体性质的信息，预测精度满足不了油气等能源勘探、开发的需要。因此，最近20多年来，综合利用纵波和转换横波信息的多分量地震勘探技术引起国内外的广泛关注，成为研究攻关的热点，也是目前地震勘探技术发展的主要方向。

在多分量地震勘探中，为更好地记录地下介质的各向异性信息，野外数据的采集采用单检波器无组合的观测方式。由于野外观测无检波器组合，造成面波信号在接收到的地震信号中占据很强的能量，严重干扰有效信号的识别和利用。而且由于面波信号在空间-频率-波数域特征上与转换横波的相似性，使得面波成为转换波信号的主要干扰之一，严重影响转换横波信号的解译和应用。

既然面波信号与有效的转换横波信号之间在走时、频谱和波速上存在交集，就难以应用目前已成熟应用在纵波技术领域的压制面波技术来压制转换横波中混杂的面波干扰。因此研究利用面波与纵波、横波(称为体波)的空间偏振特征的差异达到区分面波与转换横波成为必要，也是多分量地震勘探的核心技术之一。

对于多分量地震数据而言，由于数据采集中为更大程度地保留地震各向异性信息而采用了单检波器的接收模式。野外无检波器组合，尤其对于陆地多分量数据采集，使得采集到的地震信号被随机与面波干扰掩盖，信噪比很低。因此，低信噪比是多分量地震数据处理面临的主要难题之一。由于随机噪音在时间一空间、频率域中与有效信号的差异，压制相对简单；而强能量的面波干扰的压制成为多分量数据处理中去噪的重点。

在多分量地震数据中，Z分量上以接收纵波投影为主，其频带范围与面波交叉小，频率域滤波就能获得较好的效果。X分量上，由于地下介质对转换横波的吸收要强于纵波的吸收，使得转换横波表现为较低的频率(Y.Wang，J.Lu，Y.Shi，et.al，2009，PS-wave Q estimation based on the P-wave Q values.J.Geophys.Eng.，6：386-389)，因而有效反射转换横波与面波频带交叉多，这就使得难以利用频率特征分离面波。因此陆地多分量转换波地震的X分量中面波的压制需要寻求其它方法(李国发、彭苏萍、高日胜等，转换波地震资料中面波的压制，石油物探，2005，44(3)：214～216)(李文杰、魏修成、宁俊瑞等，基于频率衰减特性的面波压制方法，石油物探，2008，47(3)：225～227)。目前，极化分析是压制面波的主要方法，也是X分量上面波压制研究的重点和难点(葛勇、韩立国、韩文明等，极化分析研究及其在波场分离中的应用，长春地质学院学报，1996，26(1)：83-88)(徐胜峰、刘洋、刘春园，极化分析在三分量噪声衰减中的应用研究，中国地球物理学会第二十一届年会论文集，2005)。

理论上，瑞雷面波是逆时针或顺时针方向椭圆偏振的，而体波(纵、横波)的偏振是线性的，这就使得利用极化特征分离瑞雷面波成为可能。Shimshoni(Shimshoni M.Smith S.W，1964，Seismic signal enhancement with three-component detectors，Geophysics，29：664-671)和White(White J.E.，1964，Motion product seismograms，Geophysics，29：288-298)首先通过三分量地震信号的偏振分析进行天然地震和核爆地震中的不同信号的分离。Benhama等提出了几种利用面波和体波不同的极化特性进行极化滤波的方法，包括：圆锥法、导数趋势分析法、整体趋势法、温和处理法(Benhama A，Cliet C，Dubesset M.，1988，Study and applications of spatial directional filtering in three-component recordings. Geophysical Prospecting，36(6)：591-613)，其中温和处理法是目前用得较多的、以滑动时窗为单位的极化滤波技术。在该方法的基础上，国内外学者对其作了一些改进并对实际数据做了很多应用研究(朱衍镛，二分量记录的空间方向滤波，石油地球物理勘探，1995，30(增刊2)：116～125)(张玉芬、周建新，影响空间方向滤波效果的因素分析，石油与天然气地质，1999，20(3)：212～215)(黄中玉、高林、徐亦呜，三分量数据的偏振分析及其应用，石油物探，1996，35(2)：9～16)(Bataille K，and Chiu J M，1991，Polarization analysis of highfrequency，three component seismic data.Bull.，Seis.Soc.Am.，81：622-642)(Goebel V.，1984，Polarization and ground roll suppression.54th Ann.Internat.Mtg.Soc.Explor.Geophys.，Atlanta，Expanded Abstract)。Perelberg等对这种基于滑动时窗的极化分析滤波方法做了进一步深入研究，通过加权函数实现了面波压制以及纵波与转换波的波场分离(Perelberg A I，Hornbostel S C.，1994，Applications of seismic polarization analysis.Geophysics，59(1)：119-130)，取得了较好的应用效果。但在如下一些情况下，该方法的应用存在一些问题：

1)极化分析时用到的协方差矩阵在某些时窗内的特征值为复数，所以必须反复调整时窗，使其为实数，这就使运算的迭代次数大大增多，甚至无法收敛；

2)实际测量的地震信号比较复杂，所以质点运动轨迹很不规则，并非简单的线性或椭圆，增加了椭圆拟合的复杂性。

复数道分析技术在地震解释中常用来对储层物性进行分析，它可以获得地震包络的瞬时信息，无需在分析时进行时窗的划分。Rene等提出用复数道分析技术获得多分量地震数据的瞬时偏振特性(Rene′R M，Fitter J L，Forsyth P M and et.al.，1986，Multi-component seismic studies using complex trace analysis.Geophysics，51(6)：1235-1251)，Roberto研究了奇异值分解的偏振分析方法(Roberto de Franco and Gemma Musacchio，2001，Polarization filter with singular value decomposition.Geophysics，66(3)：932-938)。李锦飞等在Rene研究的基础上，构建了极化滤波函数，在工程面波勘探中用瞬时偏振滤波技术提取有效的瑞雷面波(李锦飞、李人厚、王文德，多分量瑞雷波勘探用解析信号法提取有效波的研究，煤田地质与勘探，1998，26(2)：61～64)。陈赟针对天然地震数据，用复数道进行偏振分析识别波场，提出利用多窗复分量分析法进行波场分离(陈赟、高乐、赵烽帆，一种基于频率域偏振分析提高三分量地震资料信噪比的方法，地球物理学进展，2007，22(1)：255～261)。但上述的研究内容与成果都是仅针对天然地震信号或工程地震面波信号进行试验的，并不是应用于能源勘探陆地多分量地震数据处理中，来研究X分量中面波的压制方法技术的。

公开号为CN101644782A的专利公开保护的是一种利用面波与体波极化特征差异滤除面波的技术。它通过以下几个实现压制面波的目的：1)首先提取纵波与转换波数据；然后通过视速度滤波、F-K滤波、t-p变换实现面波的提取，后续的步骤是对这个提取的面波进行偏振分析，获得面波的椭圆极化率；2)从获得的椭圆中优选代表性的椭圆作为面波的偏振椭圆，把这一椭圆的长、短半轴分别作为标准椭圆的长、短半轴，将对应的面波作为标准面波；3)以此标准椭圆为参照值，在纵波和转换波剖面中通过最小二乘迭代的方法分别拟合与之最接近的椭圆；4)定义极化滤波函数，将满足一定长、短半轴和椭圆极化率的面波提取出来；5)从纵波与转换波剖面中减去提取合成的面波就达到了滤除面波的目的。

该专利技术在进行理论模拟数据处理时会收到较好的结果，当针对实际数据时会因为实际数据的复杂性产生以下问题：1)实际数据中通过常规视速度滤波、F-K滤波、t-p变换并不能提取纯的面波，其中会夹杂一些低频、低视速度的干扰，包括在转换波剖面中提取的面波中会带有大量的转换横波信息；2)极化分析的结果对于这些提取的面波数据并不能获得完整的椭圆，而是极化曲线呈现十分复杂的形态，难以提取有代表性的椭圆。例如，在淮南某煤矿的三维三分量地震数据中，由于浅层第四纪松软沉积发育，使得面波能量很强，占据的时间-空间范围很大，严重影响了深层有效反射波的能量提取，如图1A、图1B所示。图2和图3分别为图1A和图1B中第10道与第50道数据100ms滑动时窗质点振动图，其中横轴为X分量振动，纵轴为Z分量振动。第10道数据在900～2000ms之间为面波数据，但是如图2所示，其极化特征严重不规则；第50道数据主要接收体波数据，但是如图3所示的第50道数据的滑动时窗质点振动图中，在体波与面波重叠的时窗位置也会出现椭圆极化的特征。这就使得利用极化分析方法压制面波存在困难。3)当浅表结构复杂存在多个地质分层时会产生多模态的面波，利用单一椭圆极化分析的方法难以有效的代表所有模态的面波，从而使得面波的压制只能针对某一模态有效，而其它模态无法滤除。

李文杰等人(李文杰、魏修成、宁俊瑞、张建伟，基于频率衰减特性的面波压制方法，石油物探，2008，47(3)：225-228)公开了一种利用面波的频率特征压制纵波记录中面波的方法技术。该技术的特点是利用面波接收时窗与有效波存在一定的差异，只在面波时窗内进行高通滤波，压制低频的面波信息；另外该技术与现有商业系统软件中的改进是对不同偏移距的面波，利用面波频率的衰减特征定义不同的低截频，实现不同频率特征面波的压制。但该方法无法避免的是这种频率滤波会损失有效波的低频成分。对于转换波而言，该方法更是难以实现，因为转换波的主频也很低，与面波存在大范围的低频交叉。这中滤波方法若处理转换波数据会极大的损伤转换横波。

徐鑫等人(徐鑫、张学强、徐涛、张晓敏，小波变换在压制面波中的应用，工程地球物理学报，2008，5(2)：196-200)公开了一种利用小波变换压制面波的方法技术。其基本原理是利用面波在走时、频率特征上与纵波的差异，通过小波变换，设置面波与体波反射的能量差异阀值来部分压制面波，所显示的效果相对好于目前的单纯频率滤波方法，但对于转换波的滤波效果值得进一步探索。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的面波压制方法，以获得地震包络的瞬时信息，无需在分析时进行时窗的划分，从而克服目前极化分析方法存在的问题，有效地区分面波与体波。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种面波压制方法，包括以下步骤：

步骤1、将单分量地震信号进行Hilbert变换，并执行步骤2；

步骤2、将步骤1中的单分量地震信号和经过步骤1中Hilbert变换后的信号组成复数信号，并执行步骤3；

步骤3、根据步骤2中的复数信号求取与其对应的椭圆极化率，并执行步骤4；

步骤4、根据步骤3中所得到的椭圆极化率进行滤波，并输出滤波后的信号。

本发明的有益效果是：采用Hilbert变换，将单分量地震信号与变换后的信号组成复数信号形式，利用工程地震和天然地震信号分析中的复数道分析技术，从而获得地震包络的瞬时信息。与本领域中常用的Perelberg(Perelberg A I，Hornbostel S C.，1994，Applications of seismic polarization analysis.Geophysics，59(1)：119-130)提出的通过加权函数实现面波压制以及纵波与转换波的波场分离的方法及其改进的方法相比，本发明所公开的面波压制方法无需进行时窗划分，避免了Perelberg方法中因为反复进行时窗调整而使运算的迭代次数大大增多甚至无法收敛的问题。并且本发明公开的面波压制方法，利用Hilbert变换求取空间任一点的瞬时偏振状态，其优点在于：虽然面波存在的空间会被其它干扰或有效波混杂而影响这一点的椭圆偏振性，但整个空间大部分样点都会表现一定的椭圆性，有利于局部异常点的压制。

进一步，所述步骤4中，通过构建基于椭圆极化率的极化滤波函数对椭圆极化率进行压制。

进一步，所述面波为瑞雷面波。

因为偏振滤波的实质是根据极化性质的不同，而分别定义不同的滤波函数(Morozov L B，Smithson S B.，1996，Instantaneous polarization attributes and directional filtering.Geophysics，61(3)：872-881)，所以，步骤4中，通过构建基于椭圆极化率的极化滤波函数，可将在某一变化范围之内的椭圆极化率均给予压制，从而适应了多模态面波存在和面波横向变化剧烈的地质情况。

在理论模拟试验中采用本发明的面波压制方法，瞬时偏振滤波后的瑞雷面波能够得到很好衰减，反射波得到突出；在野外实际数据的应用效果总体表明，采用本发明的面波压制方法，能够使面波能量得到较好的压制并且压制面波可以较好的保持地震记录的真振幅。

附图说明

图1A为淮南某煤矿的三维三分量地震数据的Z分量记录图；

图1B为淮南某煤矿的三维三分量地震数据的X分量记录图；

图2为图1A和图1B中第10道数据的滑动时窗质点振动图；

图3为图1A和图1B中第50道数据的滑动时窗质点振动图；

图4为本发明面波压制方法流程图；

图5为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中近地表三层产生的瑞雷面波频散曲线；

图6A为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中合成的地震数据的Z分量单炮记录图；

图6B为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中合成的地震数据的X分量单炮记录图；

图7为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中第1道数据随时间变化的滤波函数G曲线图；

图8为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中第15道数据随时间变化的滤波函数G曲线图；

图9A为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中瞬时偏振滤波后Z分量的效果；

图9B为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中瞬时偏振滤波后Z分量滤掉的面波；

图10A为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中瞬时偏振滤波后X分量的效果；

图10B为本发明面波压制方法的理论模拟试验模型中瞬时偏振滤波后X分量滤掉的面波；

图11A本发明面波压制方法的实际数据试验中三维三分量煤田地震数据中的Z分量单炮记录图；

图11B为图11A经瞬时偏振滤波后的Z分量的效果；

图11C为图11A经瞬时偏振滤波后Z分量滤掉的面波；

图12A本发明面波压制方法的实际数据试验中三维三分量煤田地震数据中的X分量单炮记录图；

图12B为图12A经瞬时偏振滤波后的X分量的效果；

图12C为图12A经瞬时偏振滤波后X分量滤掉的面波；

图13A为本发明面波压制方法的实际数据试验中三维三分量煤田地震数据中的Z分量原始频谱；

图13B为图13A经瞬时偏振滤波后的Z分量频谱；

图13C为图13A经瞬时偏振滤波后Z分量滤掉的频谱；

图14A为本发明面波压制方法的实际数据试验中三维三分量煤田地震数据中的X分量原始频谱；

图14B为图14A经瞬时偏振滤波后的X分量频谱；

图14C为图14A经瞬时偏振滤波后X分量滤掉的频谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

发明原理

偏振分析在天然地震信号处理中是一种常用的技术。为分析X-Z平面内的地震波，Taner等人(Taner M T，Koehler F，and Sheriff R E.，1979，Complex seismic trace analysis.Geophysics，44(6)：1041-1063)首先提出将记录的实地震分量x_r(t)、z_r(t)分别变换为解析信号(Taner M T，Koehler F，and Sheriff R E.，1979，Complex seismic trace analysis.Geophysics，44(6)：1041-1063)(Morozov L B，Smithson S B.，1996，Instantaneous polarization attributes and directional filtering.Geophysics，61(3)：872-881)：

$\left\{\begin{array}{c}X\left(t\right)=x_r\left(t\right)+{\mathrm{ix}}_q\left(t\right)\\ Z\left(t\right)=z_r\left(t\right)+{\mathrm{iz}}_q\left(t\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，x_q(t)和z_q(t)分别是x_t(t)、z_r(t)的Hilbert变换。

获得复地震道信号X(t)与Z(t)后，可求解其“三瞬”信息，这在石油地震数据处理解释中是经常应用的技术。在(1)式的基础上，Taner(Taner MT，Koehler F，and Sheriff R E.，1979，Complex seismic trace analysis.Geophysics，44(6)：1041-1063)定义椭圆极化率：

$e\left(t\right)=\frac{b\left(t\right)}{a\left(t\right)}---\left(2\right)$

其中，a(t)、b(t)为极化椭圆的长半轴、短半轴。对于线性极化有e(t)＝0，对于圆形极化有e(t)＝1。

偏振滤波的实质即是根据极化性质的不同分别定义不同的滤波函数(Morozov L B，Smithson S B.，1996，Instantaneous polarization attributes and directional filtering.Geophysics，61(3)：872-881)。为了滤除椭圆极化的面波，Perelberg(Perelberg A I，Hornbostel S C.，1994，Applications of seismic polarization analysis.Geophysics，59(1)：119-130)构建了基于椭圆率的滤波函数G(t)：

$G\left(t\right)=\exp \{-\frac{{[1-\tilde{e}\left(t\right)]}^2}{{2\mathrm{\δ}}_e}\}---\left(3\right)$

式中，

为平均椭圆率：

$\tilde{e}\left(t\right)=\frac{e(t-\mathrm{\Δt})+e\left(t\right)+e(t+\mathrm{\Δt})}{3}---\left(4\right)$

其中，δ_e为平均椭圆率参数

的标准离差，无量纲。

平均椭圆率主要是为了消除噪音的影响而定义的函数；标准离差的大小可用来调制滤波函数G(t)值的范围，当期望保留线性极化波场时，应尽量使G(t)趋近1；当期望压制非线性干扰(如面波)时，应尽量使G(t)趋近0。

根据该原理，本发明面波压制方法设置如下步骤，其流程图如图4所示：

步骤1、将单分量地震信号进行Hilbert变换，并执行步骤2；

步骤2、将步骤1中的单分量地震信号和经过步骤1中Hilbert变换后的信号组成复数信号，并执行步骤3；

步骤3、根据步骤2中的复数信号求取与其对应的椭圆极化率，并执行步骤4；

步骤4、根据步骤3中所得到的椭圆极化率进行压制，得到压制后的信号。

其中，步骤2中所组成复数信号形式为(1)式的形式；步骤3中所述的椭圆极化率为采用(2)式所表示的极化率；步骤4中对步骤3中所得到的椭圆极化率进行压制是通过构建基于椭圆极化率的极化滤波函数进行的，极化滤波函数为(3)式和(4)式所表示的滤波函数。

以下从理论模拟和实际数据试验对本发明的面波压制方法的效果进行阐述。

理论模拟试验

为了让瑞雷面波与反射波有较多的时窗重叠，综合我国大部分地区油气与煤田勘探的浅层地震地质条件，构建了如表1所示的近地表与深层地震模型，浅层3层，深部5层。数值模拟过程中只保留近地表模型产生的瑞雷面波与深层模型产生的反射波；模拟参数为二维单测线、40道二分量检波器接收，道间距20m，最小偏移距0m；反射波采用射线追踪法模拟(芦俊，转换波射线追踪方法与应用[D]，北京：中国矿业大学，2005，8～20)，面波模拟采用Knopoff传播矩阵快速多层层状介质面波频散正演方法(Knopoff L.，1964，A matrix method for elastic wave problems[J].Bull Seism Soc Am，54(1)：431-438)(Schwab F，Knopoff L.，1970，Surface-wavedispersion computations[J].Bull Seism Soc Am，60(2)：321-344)。

图5为模型中近地表三层产生的瑞雷面波频散曲线，图6A和图6B分别为合成的X、Z分量单炮记录(道间距20米)。模型浅层的低速层所产生的面波能量较强，如图6A、图6B中的线性信号所示。深层的反射信号表现为双曲结构，与面波信号在时间-空间域存在较大的能量交叉区域。由于地表排列较短而地下阻抗差界面倾斜，第三个界面反射在地表接收不到，因而只有三个界面的反射PP波和转换PS波，如图6A和图6B中标识以及表1注释所示。

表1

注：在二维模型中，倾角正值代表左倾，负值代表右倾。

按照本发明如上所述的方法设计滤波函数，进行偏振滤波处理。如图7所示为标准离差为0.2时第1道数据随时间变化的滤波函数G曲线图，因为第1道数据的面波与反射波完全分离，所以该道用来分析标准离差的大小时较为精确；最终标准离差设为0.2，可使纯面波时窗和纯反射波时窗的滤波函数G值分别尽量接近0与1。图8为标准离差为0.2时第15道数据随时间变化的滤波函数G曲线图，可见由于第15道瑞雷面波与反射波时窗重叠较多，整体滤波函数G值均较小，瑞雷面波将得到较强压制。

图9A、图9B、图10A、图10B分别为模拟数据瞬时偏振滤波法面波压制X分量和Z分量的结果(道间距20米)，可见瞬时偏振滤波后瑞雷面波得到很好衰减，反射波得到突出。但由于G值差异不大，反射体波与面波的偏振分离效果不理想使得有效信号也存在部分能量的损伤。

实际数据试验

根据本发明的方法和原理，应用实际地震数据进行测试，实际数据采用淮南某矿区的三维三分量煤田地震数据。该矿区地处华北板块的南部，新生界沉积厚度较大，约500米左右；目的层分别为13-1、11-2、8、6、和1号五个煤组，埋深700～1100米。对应纵波剖面上的反射时间在600～800ms；在转换波剖面上对应的反射时间在1400～1800ms。

如图11A和12A所示，分别为原始单炮的Z分量和X分量，对该二分量地震数据进行瞬时偏振滤波得到图11B与图12B；图11C与图12C分别是滤出的面波，可见Z、X分量的面波能量得到较好的压制。

图13A和图14A分别是瞬时偏振滤波前的Z分量和X分量的频谱，图13B和图14B分别是经瞬时偏振滤波后的Z分量和X分量的频谱，图13C和图14C分别是经瞬时偏振滤波后的Z分量和X分量滤掉的频谱。从图13A、图13B、图13C以及图14A、图14B、图14C上可以看出瞬时偏振滤波后，Z、X分量的地震数据频谱变化不大，椭圆极化的噪音能量主要在低频端；但在中频段面波与有效反射波存在频率交叉。利用椭圆极化滤面波的同时也在高频部分滤出了能量相对较弱的线性极化反射波。但野外实际数据的应用效果总体表明瞬时偏振滤波法压制面波可以相对保持地震记录的真振幅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面波压制方法，包括以下步骤：

步骤1、将单分量地震信号进行Hilbert变换，并执行步骤2；

步骤2、将步骤1中的单分量地震信号和经过步骤1中Hilbert变换后的信号组成复数信号，并执行步骤3；

步骤3、根据步骤2中的复数信号求取与其对应的椭圆极化率，并执行步骤4；

步骤4、根据步骤3中所得到的椭圆极化率进行压制，得到压制后的信号。

2.根据权利要求1所述的面波压制方法，其特征在于：所述步骤4中，通过构建基于椭圆极化率的极化滤波函数对椭圆极化率进行压制。

3.根据权利要求1或2所述的面波压制方法，其特征在于：所述面波为瑞雷面波。

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