CN102124375B - 使用双传感器记录系统衰减地震干扰噪声 - Google Patents

Abstract

一种用于衰减海洋地震信号中的噪声的方法，包括交叉幻影压力响应海洋地震信号和同时采集的运动响应海洋地震信号。确定交叉幻影的信号之间的差值。该差值被用来衰减压力响应信号和运动响应信号至少之一中的噪声。

Description

使用双传感器记录系统衰减地震干扰噪声

技术领域

本发明大体上涉及海洋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洋地震信号以衰减特定类型噪声的影响的方法。

背景技术

在本领域中已知的地震勘测用于确定地表下岩层的结构。地震勘测一般包括以选定图案在地表处部署地震传感器阵列，并选择性地启动（actuate）位于地震传感器附近的地震能量源。能量源可能是爆炸物、振动器、或者当在诸如海洋之类的水体中执行地震勘测的情况下可能是一个或多个气枪或水枪。

从该源放射的地震能量穿过地层，直到其到达地层声阻抗边界中的某个声阻抗边界，所述地层声阻抗边界通常发生在地层的组成和/或机械性能改变的位置处。这些边界通常称之为“地层边界（bedboundary）”。在地层边界处，一些地震能量被朝向地表反射回来。可以通过在该表面上部署的地震传感器中的一个或多个来检测反射的能量。本领域公知的地震信号处理具有以下多个目的之一：确定地表下地层边界的深度和地理位置。由地震能量到地层边界并返回位于该表面的传感器的行程时间，推定地层边界的深度和位置。

在海洋中和其它水体中执行地震勘测（“海洋地震勘测”），以确定海床下岩层的结构和组成。本领域公知的海洋地震勘测系统包括拖拽一个或多个地震能量源的船舶，以及拖拽一个或多个“等浮电缆（streamer）”的相同或不同的船舶。等浮电缆是被船舶拖拽的电缆中的地震传感器阵列。典型地，地震勘探船将拖拽多个此类等浮电缆，它们布置为彼此间隔选定的横向距离并布置为选定图案，以实现相对完整地确定三维地质结构。本领域中还公知的是：沿着海床放置具有地震传感器的电缆（“海底电缆”），并且启动水中的地震能量源。典型地，正如在等浮电缆类型的勘测中一样，将通过船舶来拖拽地震能量源。

除了反射的地震能量，相干噪声和不相干噪声可能以检测的地震能量存在。通过地震传感器所检测的能量中噪声的存在降低了感兴趣地震信号的信噪比（“SNR”）。因此，地震数据处理的一个目的在于降低噪声对地震传感器所检测的信号的影响，而不明显降低检测信号中真正的地震信号分量。

已被用来降低噪声的影响并取得了特定地下结构的更高质量表示的现有技术方法包括使用地震源的多次启动（多次“点火（firing）”或“发射（shot）”），以记录来自基本相同地下结构的多个传感器测量，然后相加或“堆叠”这些测量，以增强信号强度同时大大降低随机或不相干噪声的影响。

转让给本发明受让人隶属机构并且提供了现有技术方法和系统解决地震信号中噪声抑制的问题的详细总结的美国专利号5,818,795公开了一种方法，用于在不消除感兴趣地震信号的情况下降低地震信号记录中“突发”噪声的影响。

转让给本发明受让人隶属机构的美国专利号5,761,152描述了一种用于海洋地震勘测的方法和系统。在’152专利中公开的方法包括增加折叠（fold）（所记录的来自相同反射器的反射的数目）并结果增加了相干地震信号的信噪比，而不会带来与增加的等浮电缆长度、增加的等浮电缆数目、及增加的等浮电缆间距有关的拖、纠缠、复杂甲板处理的问题。源和等浮电缆“偏移”以及处于时间延迟序列中引导和拖尾船舶（leadandtrailingvessel）源的点火时间被最优化，以增加折叠，同时避免由一个船舶的源引起的地震信号对由另一个船舶的源引起的地震信号的大量影响。

上文的描述并不意味着对噪声类型及用于降低地震信号中噪声影响的穷尽解释。然而，存在现有技术方法还没有将其影响降低到可接受程度的两种噪声类型。这些噪声类型之一由地震勘探船附近的船舶或船具（rig）产生（其在本文中被称之为“连续船舶噪声”）。另一种噪声类型是脉冲噪声，其源自地震能量源启动的结果，其中地震能量横向穿过水直接到达水中的反射器和传感器，然后返回到阵列中的传感器（后者被称之为“反向散射噪声”）。这种脉冲噪声也可源自于由不同地震采集系统所使用的地震能量源，在离开所讨论的采集系统一定距离的位置处放置并操作所述不同地震采集系统。需要一种方法来衰减海洋地震数据中的脉冲噪声和连续船舶噪声。在噪声由另一个地震系统产生的情况下，本领域已知的一种技术是“时间共享”，在其中，在一个系统的数据采集期间延迟另一个系统的数据采集。这种时间共享降低了在两个系统上的操作效率。

授权给Fookes等人、并转让给本发明隶属机构的美国专利号6,751,5559描述了一种用于从海洋地震信号中衰减噪声的方法，该噪声由水中的噪声导致。所公开的方法包括在多个地震传感器的每个处确定噪声事件的到达时间，根据到达时间估计噪声源的位置，并且衰减来自由地震传感器检测的信号的噪声事件。

继续需要用于衰减地震数据中的噪声的改进技术。

发明内容

根据本发明一个方面的、用于衰减海洋地震信号中的噪声的方法包括交叉幻影（crossghost）压力响应海洋地震信号和同时采集的运动响应海洋地震信号。确定交叉幻影的信号之间的差值。该差值被用来衰减压力响应信号和运动响应信号至少之一中的噪声。

根据本发明另一个方面的、用于地震勘测的方法包括在水体中拖拽地震能量源以及多个压力响应地震传感器和运动响应地震传感器，并在选定时间启动地震能量源。通过压力响应传感器和运动响应传感器检测到的信号被记录。压力响应信号和运动响应信号被交叉幻影。确定交叉幻影的信号之间的差值。该差值被用来衰减压力响应信号和运动响应信号至少之一中的噪声。

通过下述说明书和所附权利要求书，本发明的其它方面和优点将变得明显。

附图说明

图1示出了采集地震数据的示例，所述地震数据用于根据本发明的方法。

图2示出了根据本发明的示例方法的流程图。

图3示出了示例方法的流程图，其用于使用差值信号从水听器信号中除去噪声。

具体实施方式

图1示出了采集海洋地震数据的一个示例，所述海洋地震数据可用于本发明的方法。地震勘探船101在待勘测的地下的部分103之上沿水体102的表面108移动。在水底104之下，地下的部分103包含感兴趣的岩层，例如位于其上边界106和下边界107之间的层105。地震勘探船101包含地震采集控制设备，一般由109来指示。地震采集控制设备109包括导航控制、地震能量源控制、地震传感器控制、以及信号记录设备，所有这些可以是本领域所公知的类型。

地震采集控制设备109使得通过地震勘探船101（或通过不同的船舶）在水体102中拖拽的地震源110在选定时间启动。地震源110可以是地震采集领域中的任何公知类型，包括气枪或水枪，或者具体来说是气枪阵列。也可通过地震勘探船101（或通过不同的船舶）在水体102中拖拽地震等浮电缆111，以检测声波场，其由地震源110引起并从环境中的界面处反射。尽管出于图解说明的目的在图1中仅示出了一个地震等浮电缆111，但通常在地震勘探船101之后拖拽多个横向间隔开的地震等浮电缆111。地震等浮电缆111包含传感器，以检测反射的、由地震源110引起的波场。在本示例中，地震等浮电缆111包含诸如水听器之类的压力响应传感器和诸如地震检波器113之类的水质点运动响应传感器。水听器112和地震检波器113通常沿地震等浮电缆111以规则的间隔成对或成传感器阵列对布置在同一地点。然而，传感器112、113的类型以及它们沿地震等浮电缆111的具体位置并不是对本发明的限制。

每次启动地震源110时，声波场以球面展开的波阵面行进。波阵面的传播将在本文中以垂直于波阵面的射线路径方式进行说明。由射线路径114指示的、向上行进的波场将在水面108处的水-空气界面处被反射回来并且接着向下行进，如射线路径115所示，其中该波场可以通过地震等浮电缆111中的水听器112和地震检波器113来检测。这种如射线路径115所示的、来自水面108的反射不包含与感兴趣地下地层有关的任何有用信息。然而，这种也被称为幻影的表面充当第二地震源，与地震源110的启动具有时间延迟。

如射线路径116所示的、向下行进的波场将在水底104处的地-水界面被反射回来并且接着向上行进，如射线路径117所示，其中该波场可以通过水听器112和地震检波器113来检测。这种如射线路径117所示的、水底104处的反射包含与水底104有关的信息。射线路径117是“一次（primary）”反射的示例，即，源自地下边界的反射。如射线路径116所示的、向下行进的波场可穿过水底104传输，如射线路径118所示，并在例如层105的、诸如107的层边界处被反射回来，并且接着向上行进，如射线路径119所示。然后，向上行进的波场，射线路径119，可通过水听器112和地震检波器113来检测。这种离开层边界107的反射包含关于感兴趣地层105的有用信息，并也是一次反射的示例。

声波场将继续在诸如水底104、水面108、及层边界106、107的组合的界面处被反射。例如，射线路径117的向上行进的波场将在水面108处被反射，继续如射线路径120所示地向下行进，可能在水底104反射并再次继续如射线路径121所示向上行进，其中该波场可通过水听器112和地震检波器113来检测。射线路径121是多次反射的示例，也被简单称为“多次”，具有来自界面的多次反射。类似地，射线路径119所示的向上行进的波场将在水面108处被反射，继续以射线路径122向下行进，可能在层边界106处被反射并再次继续如射线路径123所示向上行进，其中该波场可通过水听器112和地震检波器113来检测。射线路径123是多次反射的另一个示例，也具有地下地层中的多次反射。

一些地震能量将基本平行于水面从源110行进到水听器112和地震检波器113。除了上述地震能量，水听器和地震检波器可以检测源自远离采集系统的位置处的噪声，例如水中的钻探平台和其它地震采集系统。根据本发明的方法意在衰减此类噪声以及前述“直接”地震能量。在图1中，噪声源一般示为130，其意在代表各种类型的噪声源，它们使得声能穿过水水平地移动。

出于下文解释的目的，术语“水听器”及“地震检波器”将被用作对被处理的信号类型的简要描述。应该清楚理解的是，下面说明书中的术语“水听器”意在表示：通过任何形式的压力响应或压力时间梯度响应传感器所检测到的信号。相应地，“地震检波器”信号意在表示：通过任何形式的质点运动响应传感器（包括加速计、速度计等）所检测到的信号。

根据本发明的方法对应于源的每次启动，开始使用记录的水听器和地震检波器信号。这些记录应该针对它们各自的传感器、记录通道的脉冲响应及所使用的每种类型的传感器的换能常数来进行补偿。每个这种对应于源的特定启动的水听器和地震检波器的记录可被称之为“共发射（commonshot）”记录或共发射“聚集”。可关于地震源启动的时间为信号记录编制索引，并且可通过记录时每个地震传感器的大地测量位置来识别信号记录。可关于由每个地震检波器所检测到的地震波阵面的入射角来归一化地震检波器信号。见例如授予Vaage等人并转让给本发明受让人隶属机构的美国专利号7,359,283，其描述了这种归一化。水听器响应基本是全方向的并且不需要针对入射角进行归一化或校正。

在本方法的实际实现中，归一化的共发射记录可接着被从时间-位置域变换到频率-波数（f-k）域。得到的域变换信号可被表达为：

（1）

其中，H代表水听器信号的f-k变换，并且G代表归一化的地震检波器信号的f-k变换。P_up代表向上传播的压力波场，Z代表频域时间延迟算子或exp（-iωτ），其中i表示虚数、ω代表角频率、以及τ代表从地震传感器到水面并返回的“幻影”反射行进时间。N_SI代表水平到达地震传感器的噪声。这些噪声可例如由在处于与采集系统距离相对较大的区域内操作的其它地震勘探船产生。P_DA代表从地震源水平行进到地震传感器的地震压力波场部分。量（1+Z）和（1-Z）分别代表地震检波器和水听器“幻影”函数。由于水中地震能量的速度是已知或可确定的，因此如果水中每个地震传感器的深度是已知或可确定的，则时间延迟和相应幻影函数可被确定。本示例包括将水听器和地震检波器信号变换到频率-波数域，特别便于计算地震检波器和水听器幻影函数。可以理解的是，其它实现可在不同于频率-波数域的域中处理信号。

在根据本发明的方法中，前述水平行进噪声和水平行进地震能量从水听器信号衰减。可假定N_SI和P_DA基本上水平到达水听器和地震检波器。如果垂直定向的地震检波器被用在等浮电缆中，则此类水平行进信号分量可被假定在地震检波器信号中基本不存在。包括水听器和垂直定向的地震检波器的等浮电缆的一个示例在美国专利号7,239,577中被描述，其被授予Tenghamn等人并被转让给本发明的受让人的隶属机构。

对水听器信号应用地震检波器幻影函数（1+Z），并且对地震检波器信号应用水听器幻影函数（1-Z）导致下述表达式：

由前述幻影函数的应用所产生的信号可被称为“交叉幻影”信号。前述交叉幻影信号之间的差值可由下式表达：

。

前述差值（“差值信号”）等于地震干扰噪声N_SI和直接到达信号P_DA与地震检波器幻影函数（1+Z）的卷积。上述内容基本不包含地震信号信息，而是包含两种上述类型的噪声。前述差值函数可被用于衰减水听器信号或地震检波器信号中的噪声。

与水听器信号有关的这种衰减的一个示例是简单地在其中差值信号的对应时间采样的幅度大于差值信号背景噪声水平的幅度的每个时间采样将水听器信号取零（将记录的幅度值替代为0）。代表这两种形式噪声中的任一种的采样通常仅构成在任何记录数据轨迹（trace）上的总采样的少数，并且因此在差值信号的轨迹上。在一个示例中，可以计算在差值信号轨迹中采样的平均绝对值（由A代表），然后对于绝对值大于A的选定倍数（例如1.2A（比A大20%））的差值信号采样将水听器信号中的任何对应时间采样取零。前述操作将引起被处理的水听器信号上的可变长度的零值采样“窗”。为了在这些情况中平滑水听器信号，需要在每个这种窗之前及之后对信号采样应用线性斜坡函数。这种线性斜坡的长度可能具有100毫秒的数量级。

如本领域技术人员将意识到的，地震检波器信号包括由于在水中拖拽等浮电缆所产生的大量噪声。在根据本发明方法的一个具体实现中，可以通过合成地震检波器信号谱的低频部分来衰减拖拽噪声，如在美国专利号7,359,283中所描述的，其被授予Vaage等人并被转让给本发明受让人的隶属机构。

为了使用这种技术来衰减地震检波器信号中的拖拽噪声的影响，开始于记录的供发射域水听器和地震检波器信号，针对它们各自的传感器和记录通道的脉冲响应及它们的换能常数进行适当补偿，如上文所解释的那样。地震检波器信号应该对于它们的方向敏感度进行校正，如上文所解释的那样。然后共发射记录可被转换到频率-波数（f-k）域。得到的（f-k）域变换信号可如下表达：

。

在其中，相应的变量代表与上文等式（1）到（3）中所描述的相同参数，并且N_TOW代表在地震检波器信号中由拖拽引起的噪声，基本被限制在0到flow之间的频率，flow在其中通常为约20Hz。

如在上面提及的Vaage等人专利中所描述的，通过估计地震检波器信号G在0和flow之间的频率的谱，可从G中除去地震检波器信号中的拖拽噪声。这种估计可使用水听器信号H的谱来执行。得到的具有合成低频分量的地震检波器信号的f-k变换G_LFC可由下式表达：

。

其中f_nyq代表奈奎斯特频率，即包含在地震检波器和水听器信号中的最高频率。在上述对于G_LFC的第二表达式中，已用上文的表达式对H的表达进行了替换。

对H应用地震检波器幻影算子，并对G_LFC应用水听器幻影算子（交叉幻影），导致这样的表达式：

。

交叉幻影信号彼此相减，提供了下述表达式：

。

由于地震检波器谱的低频部分由水听器谱来计算以消除拖拽噪声，所以直接到达和地震检波器幻影地震干扰噪声的低频部分基本不存在于上述确定的差值信号中。然而，前述差值信号仍可以被用来从水听器和/或地震检波器信号中过滤噪声，例如通过其中在差值信号中的对应时间采样具有大于差值信号背景噪声水平的幅度的每个时间采样处，将水听器轨迹取零。可如上解释地计算背景噪声水平。

尽管前述示例包括信号到频率-波数域的变换，但这种变换只是出于便利的目的。本领域技术人员将意识到的是：上述过程可在不需要将信号变换到频率-波数域的情况下执行。

根据本发明方法的示例示于图2中的流程图中。水听器和地震检波器信号被示为在200处被采集。在202处可以针对入射角归一化地震检波器信号。在204处，水听器信号可被用来合成地震检波器信号的低频分量。水听器和地震检波器信号可被变换到频率-波数域。在206处，变换的信号被交叉幻影。在208处，交叉幻影信号之间的差值被确定。在210处，差值信号被用于衰减水听器信号中的噪声。在一些示例中，为了用来衰减水听器信号中的噪声，差值信号可被逆变换到时间位置域。

图3示出了使用差值信号衰减水听器信号中的噪声的一个示例的流程图。在300处，确定差值信号的绝对值的平均值A。在302处，差值信号的每个采样A_i与平均值A的选定倍数X相比较。如果采样值超过A的选定倍数，则水听器信号中的时间对应采样可被设置为0（“取零”）。对于每个水听器信号，可重复前述过程。

根据本发明的方法可提供对地震信号中水生噪声的增强衰减。根据本发明的方法可以实现使用多个采集系统进行地震勘测操作，而不需要在这些多个系统中的地震源的“时间共享”操作，节省了时间和成本。

尽管关于有限数量的实施例已经描述了本发明，但本领域技术人员通过本文公开将意识到也可设计出不偏离本文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权利要求书来限定。

Claims (16)

1.一种用于衰减海洋地震信号中的噪声的方法，包括：

交叉幻影通过在水体中部署压力响应传感器采集的压力响应海洋地震信号和通过在水体中部署质点运动响应传感器同时采集的运动响应海洋地震信号，每个质点运动响应传感器与相对应的一个压力响应传感器沿地震等浮电缆以规则的间隔成对或成传感器阵列对被布置在同一地点，所述信号响应水体中的地震能量源的启动而被采集；

对于布置在同一地点的压力响应传感器和质点运动响应传感器确定交叉幻影的信号之间的差值；以及

使用所述差值来衰减压力响应信号和运动响应信号至少之一中的基本上水平传播的噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述交叉幻影包括将压力响应信号和运动响应信号变换到频率-波数域，并将来自压力响应信号的幻影算子应用于运动响应信号，反之亦然。

3.根据权利要求2所述的方法，其中相应幻影算子与地震能量在水体表面和水体中的地震传感器的深度之间的行进时间有关。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述噪声包括以下至少之一：来自船舶的噪声和来自地震能量源的噪声。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述地震能量源噪声源自用来采集压力响应和运动响应地震信号的相同源。

6.根据权利要求1所述的方法，其中针对地震能量的入射角，归一化运动响应信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中通过在水体中拖曳地震设备而在运动响应信号中引入的噪声通过使用压力响应信号合成其选定频率范围部分而被衰减。

8.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述差值包括确定超过选定阈值的所述差值的时间采样，并将压力响应信号的时间对应采样设定为等于0。

9.一种用于地震勘测的方法，包括：

在水体中拖曳地震能量源以及多个沿地震等浮电缆以规则的间隔成对或成传感器阵列对布置在同一地点的压力响应地震传感器和运动响应地震传感器；

在选定时间启动所述地震能量源；

记录通过压力响应传感器和运动响应传感器所检测的信号；

交叉幻影通过布置在同一地点的传感器中的每个检测到的压力响应信号和运动响应信号；

确定交叉幻影的信号之间的差值；以及

使用所述差值来衰减压力响应信号和运动响应信号至少之一中的水体中基本上水平传播的噪声。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述交叉幻影包括将压力响应信号和运动响应信号变换到频率-波数域，并将来自压力响应信号的幻影算子应用于运动响应信号，反之亦然。

11.根据权利要求10所述的方法，其中相应幻影算子与地震能量在水体表面和水体中地震传感器的深度之间的行进时间有关。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述噪声包括以下至少之一：来自船舶的噪声和来自地震能量源的噪声。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述地震能量源噪声源自用来采集压力响应和运动响应地震信号的相同源。

14.根据权利要求9所述的方法，其中针对地震能量的入射角，归一化运动响应信号。

15.根据权利要求9所述的方法，其中通过在水体中拖曳地震设备而在运动响应信号中引入的噪声通过使用压力响应信号合成其选定频率范围部分而被衰减。

16.根据权利要求9所述的方法，其中使用所述差值包括确定超过选定阈值的所述差值的时间采样，并将压力响应信号的时间对应采样设定为等于0。