CN102621581B - 一种vsp波场分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震资料处理处理技术，尤其是一种基于仿射坐标系的VSP资料波场分离处理领域，具体方法过程是：(A)进行水平方向的x、y分量合成；(A)由水平分量x′方向与垂直分量z方向分离P波与SV波波场；(C)在新坐标系中假定对于不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)。本发明同现有技术相比，能对地下任意一个反射点，根据该点的上行反射波方向建立仿射坐标系进行波场分离，不同点的坐标系不同。该方法克服了传统直角坐标系波场不能完全分离的缺陷，完全以所需要波场为基础，能够实现波场的最优分离。

Description

一种VSP波场分离方法

[技术领域]

本发明涉及一种地震资料处理技术，尤其是一种基于仿射坐标系的VSP资料波场分离处理领域。

[背景技术]

VSP资料接收的波场非常丰富，包括直达波、上行P-P波、下行P-P波、上行P-SV波、下行P-SV波等波场，这些波场通过三分量检波器能够得到完整的记录，但是如何将他们分离成为VSP资料处理的关键。通常最有效的方法就是三分量极化滤波实现波场初步分离。传统的极化滤波方法偏振角的计算是基于直达波的传播方向而确定，因此对于受观测角度影响，除了正交方向外，其他方向上的波不能实现完全分离，特别是上行P-P反射波、上行P-SV反射波等，存在剩余能量，分离效果较差。

[发明内容]

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种基于仿射坐标来实现VSP波场分离的方法。

为了实现上述目的，本发明设计了一种VSP波场分离方法，其特征在于：根据上行反射波的方向构建新的坐标系进行波场分离；

具体方法过程是：

(A)进行水平方向的x、y分量合成，由于不同深度地层反射波到达检波器时在水平方向的偏振角不受影响，其计算公式为： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}\\ y^{\′}=y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}\end{array};$

(B)由水平分量x′方向与垂直分量z方向分离P波与SV波波场，具体操作为，在上行波场几何关系图中设一点O点为反射点，上行P波的偏振角为α，上行SV波的偏振角为β；根据反射波的偏振角构建仿射坐标系，设上行P-P波方向单位矢量为u，上行P-SV波方向单位矢量为v，则建立新坐标系(O，u，v)；

(C)计算不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)。具体操作为，在一个记录点的水平分量与垂直分量沿层选取上行P-P波或上行P-SV波的时窗，用传统方法计算偏振角α(H)与β(H)。

(D)在新坐标系中对于不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)，有如下公式： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=u\sin \mathrm{\α}\left(H\right)+v\sin \mathrm{\β}\left(H\right)\\ z=u\cos \mathrm{\α}\left(H\right)+v\cos \mathrm{\β}\left(H\right)\end{array};$

(E)解上述方程组可得： $\begin{array}{c}u=\frac{x^{\′}\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-z\sin \mathrm{\β}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\\ v=\frac{z\sin \mathrm{\α}\left(H\right)-x^{\′}\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\end{array};$

即实现了上行P-P波、上行P-SV波的波场分离。

所述的步骤(C)中，其计算偏振角α(H)与β(H)的方法包括三角关系法、矢端曲线和能量准则法或能量加权的瞬时方位直方图法。

本发明同现有技术相比，能对地下任意一个反射点，根据该点的上行反射波方向建立仿射坐标系进行波场分离，不同点的坐标系不同。该方法克服了传统直角坐标系波场不能完全分离的缺陷，完全以所需要波场为基础，能够实现波场的最优分离。

[附图说明]

图1为现有技术基于直角坐标系的三分量VSP观测示意图。

图2为本发明基于空间仿射坐标系VSP上行波反射波几何关系示意图。

图3为采用传统方法波场分离的上行P-P波。

图4为采用传统方法波场分离的上行P-SV波。

图5为采用仿射坐标系波场分离的上行P-P波。

图6为采用仿射坐标系波场分离的上行P-SV波。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示的三分量VSP观测示意图，传统方法基于直角坐标系，利用直达波的偏振角进行波场分离；

假设从P波震源传到井下第一个深度点上的直达P波，其质点运动方向和波的传播方向一致，都在由震源和井确定的平面内，则这种直达P波的偏振方向是线性的，它在水平面内的投影也是直线。

具体方法过程是：

(A)用直达波偏振方向在水平面内的投影作为参考，测出三分量检波器观测时水平分量的相对方位并可将观测到的水平分量信号转换到以直达P波偏振方向在水平面内投影方向一致，记为Hp方向的参考坐标系；

其三分量检波器的水平分量(x，y)转换到以Hp方向为参考的一致坐标系(x′，y′)的转换公式为： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}\\ y^{\′}=y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}\end{array}.$

式中θ为x与Hp的夹角，即直达P波的偏振角，通过上述公式确定线性偏振信号方位。

通常在水平面内一般采用三角关系法、矢端曲线和能量准则法或能量加权的瞬时方位直方图法来计算偏振角。

(1)三角关系法。

利用简单的三角关系进行计算，偏振角θ的计算公式为

θ＝arctg(y/x)

(2)矢端曲线和能量准则法。

矢端曲线是一种表示直达波水平分量取向的直观图示方法。将x，y两个方向上一定时窗内的样点值按坐标点在图上，连成曲线，就画出该矢量曲线。幅度最大的方向即为偏振角的方向，即可估计出偏振角θ。

偏振角θ也可由能量准则解析的求出。设能量的表达式为：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(x_i\cos \mathrm{\θ}+y_i\sin \mathrm{\θ})}^2$

能量最大时的方位角即为偏振角，使能量取极大地必要条件是：

$\frac{\∂E\left(\mathrm{\θ}\right)}{\∂\mathrm{\θ}}=0$

从而可以求出：

$\tan 2{\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{y}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(x_i^2-y_i^2)}$

可解出偏振角θ＝θ_max

(3)能量加权的瞬时方位直方图法

矢端曲线也可以用瞬时能量R_i和瞬时方位θ_i写出，即

$R_i^2=x_i^2+y_i^2$

$\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_i=\frac{y_i}{x_i}$

做出能量对θ_i的直方图，峰值对应的方位角θ′即为偏振角。为了避免角度θ_i在x_i和y_i值较小时对噪音敏感，要用R_i或对直方图进行加权。

(B)利用旋转后的水平分量Hp和垂直分量z计算P波偏振方向与铅垂线的夹角θ_v，再通过坐标变换求出沿P波偏振方向的分量x"方向，以及与P波偏振方向垂直的分量z"方向，即公式为： $\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}_v+z\sin {\mathrm{\θ}}_v\\ z^{\′\′}=z\cos {\mathrm{\θ}}_v-x^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}_v\end{array}.$

即完成了VSP的P-P波、P-SV波波场分离工作。

传统方法是在直角坐标系中实现，坐标变换为直角坐标变换。而实际资料中不同深度地层的反射波到达检波器时θ是不同的，因而在直角坐标变换后的投影也不同，所以无法实现完全的波场分离。

如图2所示的VSP上行反射波场几何关系图，基于仿射坐标系的波场分离方法根据上行反射波的方向构建新的坐标系，从而实现上行波场的最优分离。

具体方法过程是：

(A)首先进行水平方向的x、y分量合成，由于不同深度地层反射波到达检波器时在水平方向的偏振角不受影响，其方法与传统方法一致，其计算公式为： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}\\ y^{\′}=y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}\end{array}.$

(B)由水平分量x′方向与垂直分量z方向分离P波与SV波波场，具体操作为，在上行波场几何关系图中设一点0点为反射点，上行P波的偏振角为α，上行SV波的偏振角为β；根据反射波的偏振角构建仿射坐标系，设上行P-P波方向单位矢量为u，上行P-SV波方向单位矢量为v，则建立新坐标系(O，u，v)；

(C)计算不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)。具体操作为，在一个记录点的水平分量与垂直分量沿层选取上行P-P波或上行P-SV波的时窗，采用与水平分量定位相同方法计算偏振角α(H)与β(H)。

(D)在新坐标系中对于不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)，有如下公式： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=u\sin \mathrm{\α}\left(H\right)+v\sin \mathrm{\β}\left(H\right)\\ z=u\cos \mathrm{\α}\left(H\right)+v\cos \mathrm{\β}\left(H\right)\end{array};$

(E)解上述方程组可得： $\begin{array}{c}u=\frac{x^{\′}\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-z\sin \mathrm{\β}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\\ v=\frac{z\sin \mathrm{\α}\left(H\right)-x^{\′}\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\end{array};$

即实现了上行P-P波、上行P-SV波的波场分离。

传统波场分离方法分离的上行P-P波、上行P-SV波如图3、图4所示。基于仿射坐标系的波场分离方法分离的上行P-P波、上行P-SV波如图5、图6所示。可以看出，传统波场分离方法的上行P-P波与上行P-SV波无法完全分开，分离效果较差，而采用基于仿射坐标系的波场分离方法分离后的上行波场较为干净，分离效果较好。

本发明能够对地下任意一个反射点，根据该点的上行反射波方向建立仿射坐标系，不同点的坐标系不同。该方法克服了传统直角坐标系波场不能完全分离的缺陷，完全以所需要波场为基础，能够实现波场的最优分离。

Claims (2)

1.一种VSP波场分离方法，其特征在于：根据上行反射波的方向构建新的坐标系进行波场分离；

具体方法过程是：

(A)首先进行水平方向的x、y分量合成，由于不同深度地层反射波到达检波器时在水平方向的偏振角不受影响，其计算公式为： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}\\ y^{\′}=y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}\end{array};$

(B)由水平分量x′方向与垂直分量z方向分离P波与SV波波场，具体操作为，在上行波场几何关系图中设一点O点为反射点，上行P波的偏振角为α，上行SV波的偏振角为β；根据反射波的偏振角构建仿射坐标系，设上行P-P波方向单位矢量为u，上行P-SV波方向单位矢量为v，则建立新坐标系(O，u，v)；

(C)计算不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)，具体操作为，在一个记录点的水平分量与垂直分量沿层选取上行P-P波或上行P-SV波的时窗，并计算偏振角α(H)与β(H)；

(D)在新坐标系中对于不同深度H的上行P-P波、上行P-SV波偏振角α(H)，β(H)，有如下公式： $\begin{array}{c}{x}^{\′}=u\sin \mathrm{\α}\left(H\right)+v\sin \mathrm{\β}\left(H\right)\\ z=u\cos \mathrm{\α}\left(H\right)+v\cos \mathrm{\β}\left(H\right)\end{array};$

(E)解上述方程组可得： $\begin{array}{c}u=\frac{x^{\′}\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-z\sin \mathrm{\β}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\\ v=\frac{z\sin \mathrm{\α}\left(H\right)-x^{\′}\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}{\sin \mathrm{\α}\left(H\right)*\cos \mathrm{\β}\left(H\right)-\sin \mathrm{\β}\left(H\right)*\cos \mathrm{\α}\left(H\right)}\end{array};$

即实现了上行P-P波、上行P-SV波的波场分离。

2.根据权利要求1所述的一种VSP波场分离方法，其特征在于：所述的步骤(C)中，其计算偏振角α(H)与β(H)的方法是三角关系法、矢端曲线和能量准则法或能量加权的瞬时方位直方图法。