CN102227650A - 三维地震数据的连续自适应面波分析 - Google Patents

Abstract

一种技术，包括接收在区域的勘测中所获取的地震数据，所述区域与位置关联；处理地震数据以估计在该区域上的至少一个频率相关的面波特性；至少部分地基于所估计的频率相关的面波特性，为每个位置确定频率相关的数据处理几何配置；以及至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理地震数据以得出跨该区域的面波特性的空间连续表示。

Description

三维地震数据的连续自适应面波分析

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求在2008年11月26日提交且标题为“CONTINUOUS SURFACE WAVE ANALYSIS IN 3D DATA”的美国临时申请No.61/118,317的权益，该申请的全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明总体上涉及用于三维地震数据的连续面波分析。

背景技术

地震勘探涉及为寻找碳氢化合物储藏而勘测地下的地质构造。勘测典型地涉及在预定的位置布置地震源和地震传感器。所述源产生地震波，该地震波传播到地质构造中，沿其路线产生压力变化和振动。地质构造的弹性特性的变化使地震波反射，折射或分散，改变了它们的传播方向和其他特性。由所述源发射出的部分能量到达地震传感器。一些地震传感器对压力变化敏感(水听器)，其它地震传感器对粒子运动敏感(例如，地震检波器)，并且工业勘测可以只布置一种类型的传感器或者两种类型的传感器都布置。响应于检测到的地震事件，传感器产生电信号，以产生地震数据。然后，对地震数据的分析能够指示存在或者不存在可能的碳氢化合物储藏位置。

对于基于陆地的地震勘测，地震波包括面波和体波。面波以不辐射到地球内部的方式传播，平行于地球表面并且与体波相比具有减小的几何扩散。面波携带由地震源辐射于地球表面的大部分能量。

面波构成了地震数据中的大部分的相干噪声。以这种方式，面波是以相对低的速率和相对高的幅值为特征的源生成事件，并且面波叠加到有用的信号上。这种相干噪声(在陆地地震应用中通常称为地滚波)可以采用许多不同的波类型的形式，例如具有多种传播模式的瑞利波(Rayleigh wave)、兰姆波(Lamb wave)、P导波(P-guided wave)、拉夫波(Love wave)和斯科尔特波(Scholte wave)。

面波的传播特性取决于“近地表(near-surface)”(地球的浅层部分)的弹性特性，其是造成所获取的地震数据的大部分扰动和劣化的原因。为了设计消减面波噪声的滤波器，通常重要的是精确地识别面波的特性。另外，了解面波特性可以有利于其他目的，例如确定近地表的局部弹性特性以及估计静态校正。

发明内容

在本发明的实施方式中，一种技术包括接收在区域的勘测中所获取的地震数据，所述区域与位置关联；处理地震数据以估计该区域上的至少一个频率相关的面波特性；至少部分地基于所估计的频率相关的面波特性，为每个位置确定频率相关的数据处理几何配置(data processing geometry)；以及至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理地震数据以得出跨该区域的面波特性的空间连续表示。

根据以下附图、描述和权利要求，本发明的优点和其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1和图3是示出根据本发明的实施方式的确定在勘测区域上的面波特性的空间连续三维表示的技术的流程图。

图2是示出根据本发明的实施方式的对于给定频率的示例性局部数据处理几何配置的示意图。

图4是示出根据本发明的实施方式的针对示例性局部数据处理几何配置的偏移及方位角约束的地震勘测阵列的示意图。

图5A和5B是示出根据本发明的实施方式的基于频率相关的波传播特性的示例性自适应偏移选择及变换的示意图。

图6是根据本发明的实施方式的三维条带(swath)地震获取几何配置的示意图。

图7是根据本发明的实施方式的数据处理系统的示意图。

具体实施方式

在此描述了使用从任意地震获取几何配置获取的地震数据来构造面波特性(例如速度或衰减)的空间连续三维(3D)表示的技术。使用在此所公开的技术来确定的面波特性可以用于许多不同的应用中，例如近地表建模、静态校正估计、扰动校正、噪声滤波器设计、浅钻风险测绘等。

如下面所描述的，首先在所勘测区域的给定位置(例如，在接收器位置)独立地确定面波特性以产生面波特性的相应的空间连续的伪截面。然后合并伪截面以产生跨该勘测区域的面波特性的3D表示。如在此所描述的，为了确定每个位置的面波特性，首先基于考虑了频率相关的面波特性估计的自适应处理对该位置确定频率相关的数据处理几何配置。数据处理几何配置管理着对用于确定面波特性而处理的轨迹的选择。

参考图1，根据更具体的实例，技术100可以用来处理由具有任意几何配置的地震获取阵列所获取的地震数据以生成给定的面波特性的空间连续的3D表示。技术100包括首先处理地震数据以估计在勘测区域上的面波特性，如在块104中所描述的。该步骤可以包括识别一般的面波特性，包括识别波的类型(即，瑞利波、拉夫波、斯科尔特波、P导波等)，识别波的模式以及识别面波的频率及速度范围。应当注意，面波可以是由多于一种类型的基础面波形成的复合波。

然后，技术100包括为勘测区域的每个位置(例如，每个接收器位置)确定(块108)频率相关的数据处理几何配置。所述数据处理几何配置限定了总的勘测获取阵列的子阵列。处理来自子阵列的轨迹以确定相关位置的面波特性。数据处理几何配置可以由例如方位角范围和偏移范围来限定；如下面所进一步描述的，这些范围随频率变化。同样如下面所进一步描述的，对于每个位置，基于诸如源-接收器偏移的空间取样、地震数据的幅值谱、在位置附近的面波特性的横向变化、所希望的空间分辨率、所希望的信噪比(SNR)、几何配置的尺寸以及在相邻的几何配置之间的交叠程度的因素来选择偏移范围、方位角范围、最大波数及频率。

如果面波特性在包含给定的子阵列的区域中是局部均匀的，那么局部面波特性可以表示为源-检测器偏移的函数。影响波传播的区域限定于该位置的小邻域内。如下面所进一步描述的，数据选择是自适应的，使得对于每个位置，为每个频率或频段选择不同的轨迹以最小化近场效应并排除远的偏移(far offset)。

作为更具体的实例，图2示出了对于给定频率的给定位置的示例性数据处理几何配置10。数据处理几何配置10的边界由方位角θ所定义，该方位角θ为该位置描绘了被分析的波前。偏移范围同样被选择作为数据处理几何配置10的参数。考虑到近场和衰减，偏移选择包括了频率相关的最小及最大偏移。关于这方面，在图2中示出了示例性的偏移12。例如，可以将针对该位置的数据处理几何配置10约束在偏移12a到12b之间并且约束在方位角线15和16之间。因为根据本发明的某些实施方式数据处理几何配置针对每个具体的接收器/源位置而设计，可以将其他方位角θ和偏移12用于其他数据处理几何配置。

仍然参考图1中的技术100，技术100还包括针对关联的数据处理几何配置在每个位置确定(块112)传播参数的局部估计。更具体地，对于与数据处理几何配置关联的每组接收器/源，选择与关联的数据处理几何配置相符的射击集合。对于每个射击或接收器集合，应用波场变换以将来自时间-源偏移(t-x)域的数据映射到频率-波数(f-k)域之内。于是可以应用高分辨率的变换，而在原始域中不需要不变的间距。所估计频谱的特性(包括最大波数和频谱分辨率)可能随频率变化。频谱被叠合(stack)，然后提取传播参数。可以将相同的方法应用于共同的接收器集合。然后，对于衰减特性，可以执行频谱幅值的局部回归。为了估计衰减，工作流的自适应性质还允许数据的最优选择。

为了得出面波特性的连续3D空间表示，根据块116，技术100还包括执行联合插值以及在空间上平滑所确定的局部特性。该操作考虑了由于地点横向变化的规模(scale)所引起的局部特性的互相关以及它们的空间相关，并且还考虑在相邻的数据处理几何配置10之间的交叠。

应当注意，可以对于每种波模式和波类型重复块108、112和116。

根据本发明的特定实施方式，可以从面波数据中提取出若干不同类型的传播参数。对于在此所描述的实例，频散曲线(dispersion curve)(称为“V(f)”)和衰减曲线(称为“D(f)”)是所考虑的传播参数。

因为面波是频散的，所以不能够使用单一传播速度来描述波速。因此，对于每一个体模式，存在相速度和群速度；以及对波速的完整描述需要指定在整个频段中的频散曲线(相位或群组)。相速度和群速度是相关的，并且因此，一种速度可以由另一种速度所确定。

频散曲线V(f)可以用来以不同的方法(例如频率-波数(f-k)过滤、相位匹配等)过滤数据，并且还可以用来估计在所考虑的位置的近地表的速度分布。

根据本发明的某些实施方式，速度(称为“V”)可以表示如下：

V＝v_ph(f)公式1

其中“v_ph(f)”代表相速度。

类似地，固有衰减D(f)取决于波数，并且衰减系数是频率相关的。对于每个单一模式，固有衰减项可以如下写出：

e^-α(f)X＝e^-K(f)D(f)X  公式2

其中e^-a(f)X代表衰减系数。

可以将阻尼比曲线(称为“D(f)”)看作是局部传播参数。由于不同频率的穿透不同，D(f)阻尼比(以及品质因子Q＝0.5D^-1)是频率相关的。

关于数据处理几何配置的设计，设计了用于特定的数据处理几何配置的接收器的每个个体群组的大小以针对所确定的横向变化以及所希望的横向分辨率提取传播参数。根据本发明的某些实施方式，可以设计接收器的最小尺寸及数量并且将它们用作选择标准。例如，在3D几何配置中，对于接收器的线(receiver line)，可以以在纵测线和横测线方向上的最大尺寸来提取出接收器的精确群组。

作为更具体的实例，图3示出了流程图120，其示出了根据本发明的实施方式用于得出面波特性的空间连续的3D表示的技术。根据技术120，在几个所选的射击集合中执行模式识别(块124)。关于这方面，可以选择跨越相对大的偏移范围的所选的射击集合以便分析近地表模式并将它们分类。更具体地，分析所选的射击集合以检测多种模式的存在、它们的相速度及衰减。射击集合可以使用例如频率-波数(f-k)变换的波场变换来分析，随后跟踪能量的最大值。作为非限制性的实例，可以反演瑞利波的频散曲线以获得作为模拟完整的近地表波场的输入的初步的近地表模型。可以将所建模的模式与所测得的模式进行比较以识别事件。

在模式识别之后，技术120包括执行(块128)传播特性的初步评估以及在所述几个所选的射击集合中识别横向变化。关于这方面，对于每个不同的模式和/或波类型，识别频率及速度的范围。确定相速度和群速度，并且估计衰减。然后估计其中在足够大的SNR下存在待分析的事件的偏移范围。在所选集合内的横向变化可以使用相位分析或短间距f-k变换(作为非限制性的实例)来分析。执行对横向变化的规模的初步评估，并且将结果与诸如非地震方法及遥感数据之类的其他信息进行比较。

技术120包括选择(块132)要分析的模式和/或波类型以及对于要分析的每种模式/波类型，根据块132为每个位置确定数据处理几何配置。几何配置是在获得提高的频谱分辨率与横向变化所需要的空间分辨率之间的折中。

例如，结合图3来参考图5A，如在示例性的数据处理几何配置180中所示出的，在特定位置的所选偏移在空间上且随频率变化。图5B示出了在频率-波数(f-k)空间内的对应的数据处理几何配置180。如在图5A和5B所能够看见的，自适应的选择及计算允许在其中记录较短的波长(较大波数)的高频范围内的更高的横向分辨率以及在其中记录较长的波长(较小波数)的较低的频率下的更高精度。更具体地，如图5A所示，近场效应随频率的降低而降低，由此导致在较低的频率下排除了较小的偏移。同样如图5A所示，由于在较高频率下信号劣化较大，因而较远的偏移在较高的频率下被排除得更多。根据本发明的某些实施方式，在设计数据处理几何配置时可以具体考虑几何配置的阵列的大小、在相邻的获取几何配置之间的交叠以及最小及最大源偏移。而且，考虑到要处理的数据的几何配置，还确定了最小及最大的方位角。方位角范围的加宽增加了为每个位置所考虑的射击或接收器的数量，由此提高了估计的稳健性。通过考虑整个方位角范围以及比较针对不同方位角集合(azimuths bins)的结果能够评估方位角的各向异性的存在。但是，同时，没有准确位于数据处理几何配置的接收器的下方的计算时间和异常的冲击增加了。

因而，根据块136，对于每个位置，选择一组射击集合或接收器集合；以及对于给定的位置，选择满足根据数据处理几何配置的不同标准的数据。例如，在十字排列(cross-spread)的3D几何配置中，对于沿着接收器的线或者沿着由多个子线(subline)构成的宏线(macro-line)的每个位置，所考虑的轨迹是在所设计的偏移及方位角范围之内的所有射击点。类似地，对于与沿着源的线(source line)的源阵列的共同接收器集合的选择，使用了偏移和方位角范围。对于由几个子线组成的宏线，在给定的位置周围提取出一组检测器，并且选择从一定范围的偏移和方位角中选择一组源，如图4所示。

关于这方面，同样参考图4，地震勘测阵列150包括接收器子的线160和源的线154。通过要求将偏移约束在半径172和半径176之间来约束对于给定的位置171的源和接收器的位置，并且它们的位置还由定义在线164和168之间的方位角范围所约束。方位角各向异性能够通过评估跨不同的方位角集合的特性来评价。

因此，块136的最终结果是得出每个位置的频率相关的数据处理几何配置。

仍然参考图3，接下来，根据块140，对于每个位置，变换在时间-源偏移域内的每个射击/接收器集合以产生高分辨率的波场变换。变换数据被叠合，并且最大的跟踪(tracking)被用来得出频散曲线。

作为更具体的实例，根据本发明的某些实施方式，对于每个位置，确定间隔不均匀的高分辨率的波场变换，例如在Schmidt R.O.的Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS PROPAGATION，Vol.AP-34，276-280(1986)中所阐述的多重信号分类(MUSIC)算法。对于每个频率或频带，将该变换应用于包括满足最小及最大偏移的不同标准的轨迹的不同的数据集。输出参数根据所预期的最大波数和所需要的频谱分辨率(波数离散化)来设计并且是频率相关的。

波场变换将所获取的数据从该空间变换至波数域，并且标准的快速傅里叶变换(FFT)可以用来将数据从时间域变换为频率域，如在块142中所示出的。在变换之前可以对集合应用减弱(muting)以从面波信号锥的外部去除能量。考虑到数据的质量，然后可以通过平均所有个体的贡献来计算叠合频谱，并且之后可以进行加权求和。例如通过在个体频谱中使用相同的拾取算法经由拾取分布的统计分析来估计不确定性，在叠合频谱中跟踪极大值。

然后，根据技术120，对于每个位置，可以根据块144来确定频散及衰减曲线。以这种方式，为每个位置以及每个集合确定频谱幅值。在每个频率下，可以执行回归以计算衰减系数。个体模式的衰减可以表示如下：

$A(x,f)=A_0\left(f\right)\·\frac{1}{\sqrt{r}}\·e^{-D\left(f\right)\·X\·K\left(f\right)}$ 公式3

其中“A(x，f)”代表衰减，“A₀(f)”代表对于零偏移的衰减。公式3可以如下写出：

$\log (\sqrt{r}\·A(x,f))=\log \left(A_0\left(f\right)\right)-D\left(f\right)\·K\left(f\right)\·X$ 公式4

以偏移的平方根来校正的幅值的对数是偏移的线性函数。斜率α(f)可以如下式那样来确定：

α(f)＝D(f)·K(f)公式5

衰减曲线A(f)被确定，然后与频散曲线合并以确定阻尼比D(f)。幅值的衰减系数和残差被存储以确定平均衰减曲线，并且残差的统计量指示扰动。

最后，根据技术120，根据块148对频散曲线和衰减曲线进行插值以建立伪截面，并且整合伪截面以形成面波特性的空间连续的3D表示。关于这方面，在每个被考虑的位置，确定了一组频散及衰减曲线，并且所确定的曲线与数据处理几何配置的中心关联。然后合并为不同的位置所获得的结果以获得面波特性的连续平滑的空间表示。由于空间结构和相关性并且由于在计算中所使用的相邻的几何配置之间的交叠，所获得的图像具有作为频率的函数的横向平滑性，并且该特性被用来去除异常值和噪声部分。作为自适应的工作流的结果，交叠是频率相关的，并且反映了不同波长的物理横向分辨率。在速度和衰减之间的互相关可以用来提高规律性。横向平滑约束在预期剧烈的横向变化预期出现的位置是不严格的。

参考图6，例如，在条带获取阵列200中，垂直的源220和接收器230的线的集合被用来形成伪截面的对应集合。如图6所示，可以将源220和接收器230的线以如图6所示的网格210布置。

在可以使用在此所描述的系统和技术实现的优点当中，面波特性的空间分布可以使用任何几何配置来获得。该技术和系统允许以正常的3D几何配置来处理在每个接收器线和每个源线下方的面波特性的伪截面。所获得的特性可以用于诸如近地表建模、静态校正、用于校准过滤掉相干噪声的局部滤波器以及产生用于过滤过程的合成噪声的目的。

参考图7，根据本发明的某些实施方式，数据处理系统520可以包括处理器550，该处理器550被构造为执行至少一个程序544(存储于存储器540内)，以便处理地震数据，从而执行在此所描述的一种或多种技术。处理器550可以与通信接口560耦接以便接收在地震勘测中所获取的地震数据。除了存储用于程序554的指令外，存储器540还可以存储涉及在此所公开的技术的初步的、中间的及最终的数据集。其中，数据处理系统520可以包括显示接口570和显示器574，以便显示如在此所描述的那样生成的各种曲线和模型。

虽然本发明已经针对数量有限的实施方式进行了描述，但是受益于本公开内容的本领域技术人员将认识到根据其进行的多种修改和变化。希望所附权利要求覆盖落在本发明真正主旨和范围内的所有这类修改和变化。

Claims (22)

1.一种方法，包括

接收在区域的勘测中所获取的地震数据，所述区域与位置关联；

处理所述地震数据以估计在所述区域上的至少一个频率相关的面波特性；

至少部分地基于所述至少一个所估计的频率相关的面波特性，为每个位置确定频率相关的数据处理几何配置；以及

至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据以得出跨所述区域的面波特性的空间连续表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个所估计的频率相关的面波特性包括下列各项中的至少一个：

近场效应、远偏移衰减、面波特性的频谱估计以及面波特性的横向变化。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

处理所述地震数据以识别面波模式；以及

执行以下过程：处理所述地震数据以估计所述至少一个频率相关的面波特性，为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置以及基于每个所识别的模式的所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

处理所述地震数据以确定与足够的信噪比关联的且没有近场效应的频率相关的偏移范围；以及

进一步使为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程基于所确定的频率范围。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

进一步使为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程基于与所述数据处理几何配置关联的接收器阵列的大小。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

进一步使为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程基于同所述数据处理几何配置关联的接收器阵列与同至少一个其他数据处理几何配置关联的至少一个其他接收器阵列的交叠。

7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程包括：

确定针对所述几何配置的方位角范围。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程包括：

评估方位角各向异性的存在；以及

确定针对所述几何配置的偏移范围。

9.根据权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据的过程包括：

处理所述地震数据以确定相速度、群速度及衰减中的至少一个；以及

至少部分地基于波数的频率相关性来优化所述处理。

10.根据权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据的过程包括：

为每个位置，基于关联的数据处理几何配置来选择集合以及处理所选择的集合。

11.根据权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据的过程包括：

为每个位置，确定在与所述位置关联的子区域中的面波特性的空间连续表示；以及

合并在所述子区域中的面波特性的空间连续表示，以生成跨所述区域的所述面波特性的空间连续表示。

12.一种系统，包括：

接收在区域的勘测中所获取的地震数据的接口，所述区域与位置关联；以及

处理器，用于：

处理所述地震数据以估计在所述区域上的至少一个频率相关的面波特性；

至少部分地基于所述至少一个所估计的频率相关的面波特性，为每个位置确定频率相关的数据处理几何配置；以及

至少部分地基于所确定的数据处理几何配置来处理所述地震数据以得出跨所述区域的所述面波特性的空间连续表示。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个所估计的频率相关的面波特性包括下列各项中的至少一个：

近场效应、远偏移衰减、面波特性的频谱估计以及面波特性的横向变化。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

处理所述地震数据以识别面波模式；以及

基于所识别的模式来估计所述至少一个频率相关的面波特性。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

进一步使为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程基于与所述数据处理几何配置关联的接收器阵列的大小。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

进一步使为每个位置确定所述频率相关的数据处理几何配置的过程基于同所述数据处理几何配置关联的接收器阵列与同至少一个其他数据处理几何配置关联的至少一个其他接收器阵列的交叠。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

确定针对所述几何配置的方位角范围。

18.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

确定针对所述几何配置的偏移范围。

19.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于处理所述地震数据以确定相速度、群速度及衰减中的至少一个。

20.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

为每个位置，基于关联的频率相关的数据处理几何配置来选择集合以及处理所选择的集合。

21.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器适合于：

为每个位置，确定在与所述位置关联的子区域中的面波特性的空间连续表示；以及

合并在所述子区域中的面波特性的空间连续表示以生成跨所述区域的面波特性的空间连续表示。

22.一种包括存储指令的计算机可读的存储介质的物品，所述指令在被计算机执行时促使所述计算机执行如权利要求1-11所述的方法。

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