CN103675901B - 一种时频域可控震源近地表吸收补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明是石油地震勘探可控震源数据处理时频域可控震源近地表吸收补偿方法，将地震波数据在时频域进行分解，各个频段分频数据进行共炮集频率域中值滤波，产生炮集模型道，采用高阶e指数函数，利用炮集模型道数据拟合求取每一炮各个频段的统计吸收衰减函数，将扫描信号在时频域进行分解为不同的频段，每一炮的含近地表吸收的可控震源模拟子波，应用最小平方算法求出反褶积因子，应用至对应的炮集数据，对所有炮数据处理，实现时频域可控震源近地表吸收补偿。本发明能有效提高可控震源地震数据的处理质量和成像精度，提供的井位，钻井成功率明显提高。

Description

一种时频域可控震源近地表吸收补偿方法

技术领域

本发明涉及石油地震勘探和油田开发地震中的可控震源采集的地震数据处理领域，具体是一种时频域可控震源近地表吸收补偿方法。

背景技术

可控震源是一种利用机械振动激发地震波的人工震源装置，它具有人为控制振动信号的扫描时间和扫描频率的特点，相比炸药震源更加灵活、高效。自上世纪70年代初可控震源用于地震勘探以来，它以其灵活、经济、环保等优越性而得到了充分肯定和广泛应用。然而，可控震源采集数据往往存在一种特殊的谐波干扰，习惯也称为谐振干扰，造成可控震源数据初至不清晰，影响折射波静校正拾取，此外，可控震源和炸药震源激发相位不一致也会造成两种采集数据间的闭合问题。究其原因，可控震源相关子波通常被认为是零相位子波，常规可控震源采集地震数据处理主要是采用纯相位滤波方法来进行零相位至小相位的子波转换，然而，实际可控震源相关子波在近地表吸收衰减的作用下不再是零相位，而是混合相位，并且随着近地表吸收作用的增大，其影响也随之增加。

在上述处理中，由于谐波干扰造成可控震源数据初至波不清晰，以及可控震源和炸药震源激发相位不一致会造成的两种数据间的闭合不良。为满足一些反褶积方法的理论假设及解决可控震源与炸药震源的数据闭合问题，通常采用零相位至小相位的转换处理。其依据是在无吸收条件下，求得零相位至小相位的纯相位转换因子，将可控震源数据转换为满足小相位假设条件的数据，再应用与炸药震源相同的处理流程进行处理。

然而，对于实际存在近地表吸收作用影响的可控震源数据而言，可控震源相关子波不再是零相位，应用以上的纯相位转换因子进行子波相位转换存在较大的混合相位问题，其影响随近地表吸收增大而增加。

目前，在存在近地表吸收条件下，如何有效压制可控震源谐振，提高可控震源数据分辨率和子波相位转换，提高可控震源地震数据的成像质量和精度，是可控震源地震数据处理技术中一个难题。

发明内容

本发明目的是提出了一种消除近地表吸收衰减引起混合相位子波问题的时频域可控震源近地表吸收补偿的方法。

本发明通过以下步骤实现：

1)使用可控震源激发并记录地震波数据；

2)将地震波数据在时频域进行分解；

步骤2)所述的分解是在频率域采用余弦函数构造的分频滤波函数对地震波数据进行分频处理。

所述的分频滤波函数是在频率域将0-f_N折叠频率平均分为17～25个频段，在每个频段用余弦函数产生一个滤波器，相邻每个滤波器重叠一半，构造覆盖全部频率的多个滤波器。

3)对步骤2)分解后的各个频段的分频数据进行共炮集频率域中值滤波，产生每一个频段的炮集模型道；

步骤3)所述的中值滤波是将某一炮点或检波点各个地震道按采样点排列后取中值，获得炮集模型道。

4)采用高阶e指数函数作为近地表吸收衰减的拟合函数，利用炮集模型道数据拟合求取每一炮各个频段的统计吸收衰减函数；

步骤4)所述的拟合计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{t=1}{\overset{t_N}{\Σ}}{\{\ln \underset{j=1,2,\mathrm{...}M}{MID}A\[X_{ij}(t,f_k)\]-{\mathrm{\α}}_i(t,f_k)\}}^2---\left(2\right)$

式中:A[·]为振幅；—中值统计滤波；X_ij(t,f_k)为分频后的炮集数据；f_k为第k个频带；t_N为采样时间；i—炮号；j—道号；

其中:α_i(t,f_k)＝α₀(f_k)+α₁(f_k)t+…+α_p(f_k)t^p(3)

式中：α_i(t,f_k)为第i炮的拟合函数；p为拟合阶数，为3～5；α_p为拟合系数；f_k为第k个频段；k＝1，2，…，N，k是指步骤2)所述分频段的序号，N是频段的个数。

5)将扫描信号在时频域进行分解为不同的频段；

利用吸收衰减函数在相应频段形成全频带的扫描信号，处理得到含近地表吸收的扫描信号,再与原始扫描信号相关，得到含近地表吸收的可控震源模拟子波；

步骤5)所述的分解是将扫描信号按步骤2)的方法分解为不同的频段，

步骤5)所述的形成是将步骤4)求取的各个频段的统计吸收衰减函数与相应频段的扫描信号在时间域相乘，得到各个不同频段含近地表吸收的扫描信号。

步骤5)所述的处理是将不同频段的含近地表吸收的扫描信号在时间域求和，得到含近地表吸收的扫描信号。

6)将步骤5)得到的每一炮的含近地表吸收的可控震源模拟子波，应用最小平方算法求出反褶积因子，应用至对应的炮集数据；

7)对所有炮数据进行步骤1)-6)的处理，实现时频域可控震源近地表吸收补偿。

本发明能在时频域自动求取近地表吸收衰减函数，所求取的近地表吸收衰减函数具有时间方向逐点时变的特点，更符合地震波传播规律。模拟含近地表吸收的可控震源相关子波，克服了可控震源激发数据由于近地表吸收造成的混合相位问题，最后采用最小平方子波反褶积方法，实现了时频域可控震源近地表吸收补偿，从而达到了压制可控震源谐振干扰和相位转换的目的。

本发明具有以下特点：①通过时频域统计求取近地表吸收衰减函数，所求取的近地表吸收衰减函数具有时间方向逐点时变的特点，更符合实际地震波传播规律。②通过模拟含近地表吸收的可控震源相关子波，克服了可控震源激发数据由于近地表吸收造成的混合相位问题。③在近地表吸收条件下，有效压制了可控震源数据的谐振干扰，实现了可控震源数据的相位转换。对于含有较强近地表吸收影响的可控震源数据，经过本发明处理后，初至波得以明显改善，解决了可控震源的折射波静校正的拾取问题，同时，本发明处理的可控震源数据和炸药震源数据能得到较好的闭合效果。④具有地表一致性的自适应能力，处理后的可控震源数据具有统计意义下的相对保持振幅和波形的能力。

本发明在可控震源采集数据的处理中进行了试验，证明能有效提高可控震源地震数据的处理质量和成像精度，提供的井位，钻井成功率明显提高。

附图说明：

图1：可控震源扫描信号分析；

图2：可控震源相关子波和频谱分析；

图3：理论炮集数据处理前后效果分析；

图4：实际可控震源炮集数据处理前后效果分析；

图5：实际可控震源炮集数据处理前后效果分析；

图6：实际可控震源数据处理前后的叠加剖面分析。

具体实施方式

本发明的主要内容是通过时频域拟合求取统计近地表吸收函数，模拟含近地表吸收的可控震源相关子波，然后采用最小平方子波反褶积处理，实现了时频域可控震源近地表吸收补偿，从而达到压制可控震源谐振干扰和相位转换处理的目的。

本发明通过如下步骤实现：

1)使用可控震源激发地震波并用接收仪器记录获得可控震源激发的实际地震数据。

2)将地震波数据在时频域进行分解。所述的分解是在频率域采用余弦函数构造的分频滤波函数对地震波数据进行分频处理。所述的分频滤波函数是在频率域将0-f_N折叠频率平均分为17～25个频段。在每个频段用余弦函数产生一个滤波器，相邻每个滤波器重叠一半，构造覆盖全部频率的多个滤波器。其表达式为：

X_ij(t,f_k)＝x_ij(t)*w(t,f_k)(1)

其中：x_ij(t)为输入可控震源地震数据；X_ij(t,f_k)为分频后的地震数据；w(t,f_k)为余弦分频滤波函数；i—炮号；j—道号；f_k—第k个频段；k＝1，2，…，N，k是指步骤2)所述分频段的序号，N是所分频段的个数，一般为17～25。

3)对步骤2)分解后的各个频段的分频数据进行共炮集频率域中值滤波处理，产生每一个频段的炮集模型道；

所述的中值滤波是将某一炮点或检波点各个地震道按采样点排列后取中值，获得炮集模型道。

4)采用高阶e指数函数作为近地表吸收衰减的拟合函数，利用炮集模型道数据拟合求取每一炮各个频段的统计吸收衰减函数。

步骤4)所述的拟合计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{t=1}{\overset{t_N}{\Σ}}{\{\ln \underset{j=1,2,\mathrm{...}M}{MID}A\[X_{ij}(t,f_k)\]-{\mathrm{\α}}_i(t,f_k)\}}^2---\left(2\right)$

式中:A[·]为振幅；—中值统计滤波；X_ij(t,f_k)为分频后的炮集数据；f_k为第k个频带；t_N为采样时间；i—炮号；j—道号。

其中:α_i(t,f_k)＝α₀(f_k)+α₁(f_k)t+…+α_p(f_k)t^p(3)

式中：α_i(t,f_k)为第i炮的拟合函数；p为拟合阶数(3～5)；α_p为拟合系数；f_k为第k个频带。

5)将扫描信号按步骤2的方法分解为不同的频段，将步骤3)求取的各个频段的统计吸收衰减函数应用于相应频段的扫描信号，构建全频带的扫描信号，得到含近地表吸收的扫描信号，然后将含近地表吸收的扫描信号与原扫描信号相关，得到含近地表吸收的可控震源模拟子波；

图1a是可控震源产生的标准扫描信号s_i(t)，即不含近地表吸收的可控震源扫描信号。图1b为含近地表吸收的可控震源扫描信号s_i′(t)，即由实际地震数据通过本发明步骤2)-3)拟合求取的近地表吸收函数应用于标准扫描信号得到的结果。

具体是利用公式(1)对可控震源扫描信号s_i(t)进行分频处理，获得分频后的扫描信号S_i(t,f_k)，则含近地表吸收的分频扫描信号为：

$S_i^{\′}(t,f_k)=S_i(t,f_k)\·e^{{\mathrm{\α}}_i(t,f_k)}---\left(4\right)$

式中：S′_i(t,f_k)为分频后含近地表吸收的扫描信号；S_i(t,f_k)为分频后的可控震源扫描信号；α_i(t,f_K)为处理的第i炮吸收衰减系数；i—炮号；

将含近地表吸收的分频扫描信号重构含近地表吸收的全频扫描信号为：

$s_i^{\′}\left(t\right)=\underset{f_k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i^{\′}(t,f_k)---\left(5\right)$

式中：s_i′(t)为含近地表吸收的全频扫描信号；S′_i(t,f_k)为含近地表吸收的分频扫描信号；i—炮号；

模拟近地表吸收的可控震源相关子波为：

$R_{s_i}^{\′}\left(t\right)={s_i}^{\′}\left(t\right)\stackrel{\‾}{*}{s}_i\left(t\right)---\left(6\right)$

式中：为模拟近地表吸收的可控震源相关子波；s_i′(t)为含近地表吸收的扫描信号；s_i(t)为可控震源扫描信号；为相关符号。

图2a是不含近地表吸收的可控震源相关子波，图2b是对应相关子波的频谱，图2c是通过步骤4)求取的含近地表吸收的可控震源相关子波，图2d是对应相关子波的频谱。比较图中的可控震源相关子波可以看出不含近地表吸收条件下的相关子波是零相位子波，而经过近地表吸收作用后的相关子波变为混合相位子波，从频谱中也可以看出近地表吸收作用的影响，高频能量明显减小。

6)将步骤5)得到的每一炮的含近地表吸收的可控震源模拟子波，应用最小平方算法求出反褶积因子，应用至对应的炮集数据。

最小平方子波反褶积的表达式为

$\mathrm{\ϵ}=\Σ{\[R_{s_i}^{\′}\left(t\right)*h\left(t\right)-b\left(t\right)\]}^2---\left(7\right)$

式中：h(t)为待求的反褶积因子。

x′(t)＝x(t)*h(t)(8)

式中：x′(t)为处理后的地震数据；x(t)为输入地震数据；h(t)为反褶积因子；*为褶积符号。

由式(7)求出h(t)，通过式(8)应用至对应的地震数据道集，就实现了时频域可控震源近地表吸收补偿处理，从而达到了压制可控震源谐振干扰和相位转换的目的。

7)对所有炮数据进行步骤1)-6)的处理，实现时频域可控震源近地表吸收补偿。

图3是射线理论产生的理论炮集记录和统计频谱，其中，图3a是不含近地表吸收的理论炮集记录，图3b是含近地表吸收的理论炮集记录，每个炮集内的近地表吸收是相同的，而炮与炮之间的近地表吸收存在空间变化，图3c是图3b经过本发明处理后的理论炮集记录。图3e～f分别是相应理论炮集数据的频谱分析结果。从理论炮集数据可以看出，标准理论炮集记录(图3a)，地震子波是零相位子波，频谱在扫描频率范围内频率能量没有变化(图3d)。经过近地表吸收衰减的炮集记录(图3b)，地震子波不再是零相位子波，而是比较复杂的混合相位子波，分辨率明显降低，频谱中的高频能量衰减明显。而经过本发明处理后的炮集记录(图3c)，地震子波变为小相位子波，频谱中的高频能量得到明显补偿，处理后的分辨率和相位转换结果令人满意。

图4a为某地区的可控震源激发炮集记录，由于近地表近地表吸收作用，初至前出现明显的谐波干扰(图中箭头所示)，频率衰减明显。图4b是应用本发明处理后的结果，初至前的谐波干扰得到很好地压制(图中箭头所示)，分辨率明显提高。图4c～d是相应的处理前后的统计频谱分析结果，从频谱也可以看出近地表吸收造成的高频能量衰减得到有效补偿。

图5a为西部某地区的可控震源采集炮集记录，由于很强的近地表吸收作用影响，谐波干扰使得初至波变得非常不清晰，这给折射静校正拾取带来很大的困难。图5b是应用本发明处理后的结果，谐波干扰得到了明显压制，初至波变得比较清晰，满足后续处理工作的需要。

图6a是同一测线应用可控震源和炸药震源激发的成像剖面，由于可控震源和炸药震源激发子波相位不同造成两种震源数据间的不闭合问题。而且不同深度地层的近地表吸收不同，引起浅、中、深层同相轴的时差也不相同(图中箭头所示)。图6b是经本发明处理后的地震剖面，不同震源产生的浅、中、深层同相轴的时差基本消除了(图中箭头所示)，剖面连续性明显改善。

本发明首次提出时频域拟合求取近地表吸收函数，模拟吸收相关子波补偿可控震源近地表吸收，压制可控震源谐波干扰和相位校正的处理方法。通过在国内外多个地区的可控震源采集数据处理实验应用，地震资料的处理质量明显提高，使用本发明处理的地震资料成果提供的井位，钻井成功率明显提高。

Claims (4)

1.一种时频域可控震源近地表吸收补偿的方法，特点是通过以下步骤实现：

1)使用可控震源激发并记录地震波数据；

2)将地震波数据在时频域进行分解；所述的分解是在频率域采用余弦函数构造的分频滤波函数对地震波数据进行分频处理；

3)对步骤2)分解后的各个频段的分频数据进行共炮集频率域中值滤波，产生每一个频段的炮集模型道；

4)采用高阶e指数函数作为近地表吸收衰减的拟合函数，利用炮集模型道数据拟合求取每一炮各个频段的统计吸收衰减函数；

5)将扫描信号在时频域进行分解为不同的频段，利用吸收衰减函数在相应频段形成全频带的扫描信号，处理得到含近地表吸收的扫描信号,再与原始扫描信号相关，得到含近地表吸收的可控震源模拟子波；所述的分解是将扫描信号按步骤2)的方法分解为不同的频段；所述的形成是将步骤4)求取的各个频段的统计吸收衰减函数与相应频段的扫描信号在时间域相乘，得到各个不同频段含近地表吸收的扫描信号；所述的处理是将不同频段的含近地表吸收的扫描信号在时间域求和，得到含近地表吸收的扫描信号；

6)将步骤5)得到的每一炮的含近地表吸收的可控震源模拟子波，应用最小平方算法求出反褶积因子，应用至对应的炮集数据；

7)对所有炮数据进行步骤1)-6)的处理，实现时频域可控震源近地表吸收补偿。

2.根据权利要求1的方法，特点是步骤2)所述的分频滤波函数是在频率域将0-f_N折叠频率平均分为17～25个频段，在每个频段用余弦函数产生一个滤波器，相邻每个滤波器重叠一半，构造覆盖全部频率的多个滤波器。

3.根据权利要求1的方法，特点是步骤3)所述的中值滤波是将某一炮点或检波点各个地震道按采样点排列后取中值，获得炮集模型道。

4.根据权利要求1的方法，特点是步骤4)所述的拟合计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{t=1}{\overset{t_N}{\Σ}}{\{\ln \underset{j=1,2,...M}{MID}A\[X_{ij}(t,f_k)\]-{\mathrm{\α}}_i(t,f_k)\}}^2---\left(2\right)$

式中:A[·]为振幅；—中值统计滤波；X_ij(t,f_k)为分频后的炮集数据；f_k为第k个频带；t_N为采样时间；i—炮号；j—道号；

其中:α_i(t,f_k)＝α₀(f_k)+α₁(f_k)t+…+α_p(f_k)t^p(3)

式中：α_i(t,f_k)为第i炮的拟合函数；p为拟合阶数，为3～5；α_p为拟合系数；f_k为第k个频段；k＝1，2，…，N，k是指步骤2)所述分频段的序号，N是频段的个数。