CN1065631C - 地震振动器特征反褶积 - Google Patents

Abstract

一种用于处理地震振动数据的方法。该方法利用振动数据的定数特征反褶积，以便压缩数据的脉冲响应，使所形成的地震图像比利用互相关技术所能得到的地震图像更明晰。该方法可以用于替代相关法或与之同时使用。此外，该方法或者在时域中、或者在频域中都可以实施。

Description

地震振动器特征反褶积

本发明涉及地震数据处理领域，更确切地说涉及对通过利用陆上或海中的地震振动器所形成的地震数据的处理。

在石油和天然气工业中，一般采用地球物理勘探技术来帮助对地下隐藏的碳氢化合物沉积矿层的探测和评估。这些地球物理勘探技术中的许多技术利用一种脉动冲击的地震源，例如硝化甘油炸药或海中空气枪来产生地震信号，该信号向地中传播并且至少部分地被地震反射层表面(即介于具有不同声阻抗的地下构造之间的界面)所反射。所产生的反射由各个地震探测器记录下来，这些探测器位于：处在或接近地表、在水本体中或者在已知深度的横巷中；所形成的地震数据可以进行处理，以便获得与地下反射层的位置和地下构造的物理性质有关的情报信息。

所有地震数据处理的目的都在于从该数据中尽可能多地提取关于地下构造的情报。假如向地中传播的能量事实上真正是一个脉冲，那么就能很好地实现这一目的。正如本技术领域的熟练人员所公知的那样，一个完全理想化的脉冲是这样一个脉冲，其持续时间为零并且包含等强度且零相位处的从零到无穷大的所有频率。所反射的信号将被称为地层的实际“脉冲响应”(即地层对输入脉冲的响应)。当然，这样一个理想化脉冲实际上是绝不会得到的。实际上，利用脉动冲击源向地施加的信号一般有很短的持续时间(即几毫秒)和有限带宽(即包含高达某一上限的所有频率)，但是相对于较低的频率来说较高频率有些衰减。

由各地震探测器所记录的实际信号可以用这样一个信号的褶积来表示，该信号为实际传入地球的、并具有预期的地层的脉冲响应和一些其它的滤波作用或相互作用，例如多次反射的信号，这种多次反射当该信号从震源通过地层向探测器传播时，使信号发生变化。为了恰当地整理解释该数据，预期的地层的脉冲响应必须与所记录的信号区分开，其它滤波作用的有害的影响必须排除。实施的方法一般被称为“反褶积”并已实用多年。有几种不同的类型的反褶积，其中的两种，“自适应”反褶积(也称为“统计”或“预测”反褶积)和“定数”反褶积，下文将进一步讨论。

一般用在对来自脉冲源的地震数据进行常规处理的反褶积是一种自适应反褶积法，在该方法中，反褶积滤波器或者在时域或者在频域都由对施加给地球的信号的带宽的估算而派生。换句话说，由所记录的数据估算信号的带宽并推出反褶积滤波器，该滤波器能够适用于该数据，以便估算地层的脉冲响应。这种方法还被称为(其中包括)类峰(Spiking)反褶积法，自适应白化法和自适应信号缩短法。

自适应反褶积法也被应用于各种的其它地震数据处理应用场合。例如，在海中地震勘探中，向地球内部传播的能量是定向下行的能量，除此之外，还有由于从水表面反射上行能量所产生的原始信号的滞后形式(即虚反射)。在这种情况下，产生的地震数据将既包括实示信号的反射，又包括虚信号的反射。自适应反褶积法可以设计一个“去虚”滤波器，以便从该数据中除去虚反射。在海中地震勘探中的另一个问题是在水层内部的能量的减幅振荡或混响。从该数据中消除这些混响(去混响)的方法通过自适应反褶积来实现。

与自适应反褶积法相对照，定数反褶积法使用一种已知的震源频谱。代替由所记录的数据估算震源的频谱，根据标定的各监测器可以进行射出信号的实际测量。利用这一测量信号和所记录的数据，假如输入信号确是一个完全的脉冲，能够确定所反射的信号将是什么样的。参阅Arya和Holden“地球物理学应用：地震数据的反褶积”，数字信号处理的324-338页Western Periodicals公司，加利弗尼亚N．Hollywood，1979。该定数反褶积然后再接续一种自适应反褶积用以对稍早讨论的某些其它影响进行补偿。

由Arya和Holden公开的定数反褶积法存在某些缺点，从而限制了它的应用。在某些环境下，例如浅水海域环境，射出信号的测量花费巨大，并且实施非常困难。此外，在推出反褶积滤波器以前，不得不对在各监测器上所记录的信号进行附加的处理。这是因为由各监测器所记录的信号对于震源辐射方位图、虚反射以及由它通过介于震源和监测器之间的媒体的通道所形成的其它影响要进行校正。

在50年代末和60年代初，Conoco公司开创性地发展了一种新型的地球物理勘探技术，一般称为“连续震动法”勘探技术。连续震动法勘探采用一种陆上或海中地震振动器而不是脉动冲击的能源。该地震振动器用于产生经过地球向地震探测器传播的可控的波列。在从2到20秒或甚至以上的持续扫描周期内，一般特频率连续变化的正弦振动施加到地球的表面(或者在水本体中)。频率可随时间线性或非线性地变化。此外，频率可以起始低而随时间增加(上升所描)或者起始高而逐渐降低(下降扫描)。

最近，一种称为“定形扫描(shaped Sweep)”的新型信号已被开发用在连续震动法勘探技术中。这种定形扫描技术公开在正在审查过程中的序号为08／086776、在1993年7月1日申请的美国专利申请中。使用定形扫描的一个好处是该扫描设计成能有一个最佳脉冲宽度和所希望的脉冲响应频谱，其便利于其后的数据处理工作。

在连续震动勘探的过程中所记录的地震数据(下文称为振动数据)是一种由很多彼此叠加的长反射波列所组成的复合信号。由于该复合信号一般要比在各次反射之间的时间间隔长很多倍，不可能根据所记录的信号辨别各单次的反射。因此，在常规处理振动数据的过程中第一步是使所记录的数据与扫描信号互相关。例如参阅，Kirk·P“连续震动法处理技术”地球物理勘探方法中的发展-2中的第2章，由A．Fitch编辑，Applied Science Publishers有限公司，伦敦，1981，第37-52页。这种互相关步骤将数据的脉冲响应的宽度从几秒压缩到几十毫秒，使得假如该能源已是脉冲源，被相关的数据就应接近于已被记录的数据。接续这种互相关步骤，振动数据的处理可以按照对由脉冲源产生的数据进行处理的同样方式继续进行。

互相关法具有某些不够理想的结果。互相关的数据表示地层对输入信号的自相关的响应而不是对输入信号本身的响应。换句话说，互相关法导致形成零相位数据。因此这一点，该数据不再是因果关系的(即有一个明确的时间起始点)，而是非因果的关系的(即即使在信号到达反射层以前，反射层的影响将变得明显)。在地震数据处理中一般使用的其它一些方法，例如反混响法、假定因果法和在这些方法中导出的各种滤波器相对于非因果关系的数据都可能是不正确的。互相关法的第二个实际局限性在于需要按照某一数量逐减少连续震动信号的频谱。因为互相关法使信号的幅值频谱形成矩形波(Square)，这种逐渐减少重点在相关的数据中。这会产生不希望出现的结果，在时域中产生一个长的取出(drawn out)信号，该信号势必导致出现振荡(ring)并使数据的整理解释更困难。此外，虽然互相关法将数据的脉冲响应的宽度显著地降低，但进一步压缩对更接近一个真正的脉冲会导致形成明晰的地震图象，它比利用振动数据现行可能达到的分辨率更高。

由上述可以看出，需要一种在处理地震振动数据中的地层的脉冲响应的方法，该方法克服了由于采用互相关法所产生的上述问题。

本发明是一种用于对由陆上或海中地震振动器所产所产生的地震数据进行处理的方法。在它的最主要的实施例中，本发明方法包含的步骤是：选择对于该数据所需要的脉冲响应，确定该数据的特征，利用所需要的脉冲响应和该特征来设计一个反褶积滤波器以及利用该反褶积滤波器来进行地震数据的定数特征反褶积。本发明可在时域或在频域内实施，尽管在频域实施一般是更好的。

本发明方法可以或者代替互相关法或者与互相关法同时使用。对于非相关的数据，将振动器导向信号(扫描信号)用作该特征。对相关的数据，该特征是导向信号的自相关信号。对于陆上地震数据，这些特征最好应当旋转90度，以便表示数据汇集系统的脉冲响应。

选择所需要的数据的脉冲响应，使得在时域中将脉冲的宽度降到最小。为了便于其后的数据处理操作，可以按所选择的方式对脉冲响应频谱施加某一相位移。

因为在勘探调查实际进行之前，所需要的脉冲响应和振动器导向信号这两者都是已知的，可以提前设计反褶积滤波器，并应用于汇集数据时的汇集区域中的数据。另一方面，本发明方法可以在数据处理中心实施。

通过阅读如下详细介绍和参阅附图，本发明及其优点将会更好地被理解，其中

图1是一般介绍要本发明的流程图；

图2是介绍对于非相关的数据在频域实施本发明的流程图；

图3是介绍对于相关的数据在频域实施本发明的流程图；

图4介绍对于一个有限的频率范围，对于一个最小宽度脉冲的理想的脉冲响应频谱；

图5介绍对于一个有限的频率范围，对于一个最小宽度脉冲的较好的脉冲响应频谱。

当结合本发明的各优选实施例对本发明予以介绍时，应理解，本发明并不为其所局限。恰恰相反，它意图覆盖所有的替换、改型和等效方案，只要它们能够包含在本发明的构思和由所附的权利要求书所限定的保护范围之内。

正如上面所指出的，在对陆上或海中地震振动数据的常规处理中的第一步骤是将数据与输入扫描信号互相关。这种互相关导致对数据的脉冲响应的压缩，使得它们接近由脉冲能源所产生的数据。接续互相关步骤，像与利用其它类型的地震数据一样，以同样方式可以继续进行数据的处理。

根据本发明的一个实施例，经过对非相关的数据的定数特征反褶积而不是经互相关来实现所需要的脉冲响应压缩。在本发明的另一个实施例中，在进行互相关步骤之后，进行定数特征反褶积以便进一步压缩数据的脉冲响应。根据本文的陈述，本发明的这些和其它实施例对于地数据处理技术领域的熟练人员将变得简单易懂，本发明的如下介绍范围是针对一个特定的实施例或一个特定应用，其意图是说明性质，不应认为是限制本发明的保护范围的。

本发明可以结合任何类型的、采用振动器作为能源的、陆上或海中地震勘探调查使用，这些地震勘查包括：地表地震勘查，垂直地震剖面测定，逆垂直地震剖面测定和横巷层析X射线摄影勘查。替代或与常规的互相关法同时使用定数特征反褶积比单独使用互相关法所可能得到的脉冲更短更清晰。因此，本发明更好地有利于后续的数据处理步骤，其又接着导致形成更明晰的地震图像。特别是，假如数据的脉冲响应被缩短，维纳统计反褶积、叠加和偏移都得到改善。明晰的地震图像能够导致进行更详细和更精确的地震解释，并因此更好地进行预定的计算和降低钻井的风险。此外，因为定数特征反褶积是根据所需要的脉冲响应和输入扫描信号来进行的，而这二者在实际进行勘查之前都是已知的，因而可以提前设计反褶积滤波器并将其应用到汇集数据时在汇集范围内的数据。另一方面，本发明方法可以在数据已被汇集之后在数据处理中心加以利用，在数据处理费用没有任何明显增加的情况下，就可以获得本发明的这些以及其它优点。

如图1所介绍的，在本发明方法的最主要的实施例中包括的步骤是，确定地震数据100的特征，选择对于数据所需要的脉冲响应110。利用所需要的脉冲响应和特征来设计一个反褶积滤波器120，利用反褶积滤波器进行数据的定数特征反褶积130。本发明方法的前两步骤是彼此独立的，并且可以同时地或按任一顺序进行。

对地震数据处理技术领域的熟练人员来说，很明显，本发明方法的实施可以(1)在时域中，利用例如维纳正规方程(例如参阅Robinson和Treitel，地球物理信号分析，Prentice-Hall有限公司，新泽西州Englewood Cliffs，1980)或者(2)在频域中利用傅里叶分析技术。据信频域实施更好一些，因为一般反褶积在频域比在时域更有效。因此，所需要的脉冲响应一般在频域中比在时域中更容易说明确定，以及为了稳定反褶积，可以补充叠加在频域中的噪声，使得只有信号的幅值频谱产生畸变，而同时时域反褶积叠加噪声，该噪声使信号的幅值和相位两者都畸变。因此，本发明的说明书的其余部分将针对频域实施。根据对频域实施的如下介绍，对于本技术领域的熟练人员来说，本发明的时域实施将是易于明了的。

图2和图3分别介绍对于非相关的数据和相关的数据的本发明的频域实施方法。对于非相关的振动数据，其特征是振动器导向信号(即扫描信号)。对于相关的数据，特征是自相关的导向信号。在陆上地震数据的情况下，这些特征应当最好旋转90°，以表示该数据汇集系统的脉冲响应。这一90°旋转是由于该导向扫描用来提供在振动器基板上的驱动力的结果，然而，由数据汇集系统所记录的地震数据是与信号的速度成比例的。众所周知，声速与作用在振动器基面上的力成导数关系，从而形成90°旋转。参阅Miller和Pursey“在半无限长的各性同性固体上的自由表面上的机械振荡器的场和辐射分布图形”皇家学会(伦敦)学报，序号A233，第521-541页，1954。这一90°旋转的实施对于本技术领域的一般熟练人员来说是公知的，因此本文不再进一步介绍。

下面反过来看图2，用200表示的第一步是选择扫描信号S(t)作为对于数据的特征。该扫描信号是一电信号；用来控制振动器，并且如上指的，它一般是一个频率连续变化的正弦信号。此外，在陆上地震数据的情况下，上述90°旋转最好应当旋加到扫描信号上。用202表示的下一个步骤是对扫描信号S(t)进行傅里叶变换(或快速傅里叶变换)以便得到对于扫描信号的功率频谱A²(f)。如本技术领域熟练人员所公知的，功率频谱可能具有某些特定频率，在该频率处其数值为零。因此，如在204所指示的步骤，噪声因数n加到功率频谱上以便稳定频谱除运算(division)，下文将进一步介绍。此外，确定功率频谱与噪声因数之和的平方根，用于下文介绍的频谱除运算。在步骤206，步骤204的结果通过除以一个移相因式e^-iφ(f)而被移相对本技术领域的熟练人员来说是公知的。在移相因式中，φ(f)是该特征的相位频谱。

与步骤200、202、204和206相并行，在用210表示的步骤选择所需要的地层的脉冲响应频谱D(f)。D(f)利用一个作为频率函数的幅值频谱来说明确定。此外，为了便利于其后的数据处理操作，在步骤212，可能希望将一个任选的相位移加到所需要的脉冲响应频谱上。下文将进一步介绍脉冲响应频谱的选择和任选的相位移。

接着在步骤220，进行频谱除运算，以便便得到反积滤波器F(f)。在每个频率处，该滤波器是两个数的比值。分子是所需要的脉冲响应(具有任选的相位移)，分母是用移相因式相除的扫描信号的功率频谱(具有附加的噪声因数)的平方根。按照数学方式，这个比值可以表示如下： $F\left(f\right)=\frac{D\left(f\right)}{\sqrt{A^2\left(f\right)+n}/e^{-\mathrm{i\φ}\left(f\right)}}---\left(1a\right)$ 公式(1a)可以安排变换如下： $F\left(f\right)=D\left(f\right)\frac{e^{-\mathrm{i\φ}\left(f\right)}}{\sqrt{A^2\left(f\right)+n}}---\left(1b\right)$ 在步骤230，反褶积滤波器然后被用来对非相关数据进行滤波(反褶积)。

如上面所指出的，图3介绍对相关的数据本发明方法的频域实施步骤。像对非相关数据一样，第一步300是选择扫描信号S(t)。下一步301是使该扫描信号自相关。然后在步骤302，进行自相关的扫描信号的傅里叶变换(或快速傅里叶变换)，以便得到功率频谱A²(f)。在步骤330，将从频谱除运算320形成的反褶积滤波器F(f)作用于相关的数据，所有其它的步骤(304、306、310和312)都与对非相关的数据先前介绍的那些对应步骤是相同的。

所需要的脉冲响应D(f)包含一个幅值频谱，其确定了作为频率的函数的所需要的子波的幅值。应当选择脉冲响应，以便在时域中将脉冲的宽度显著地降到最小。这将导致形成的地震图像上的各种各样的相互作用的是佳分离。对于有限的频率范围，将产生最小脉冲宽度的脉冲响应可以由如下公式来确定： $D\left(f\right)=\sin \left(\mathrm{\π}\frac{f-f_l}{f_h-f_l}\right)---\left(2\right)$

其中f是频率，f_e是在该频率范围内的最低频率，f_h是在该频率范围内的最高频率。参阅Berkhout，地震判别，地球物理出版社，英国伦敦，1984。图4介绍由方程式(2)形成的幅值频谱。这一频谱的时域等效物具有一个很短的脉冲并且因为它具有高分辨率，对于地震解释者来说是高度欢迎的。

虽然，方程式(2)在理论上对所规定的频率范围提供了可能是最短的脉冲，该脉冲往往会是“振荡的”(ringy)。换句话说，该脉冲的时域的映射表达形式具有很多侧瓣和一些过零点，它不是很快衰减。在实际实践中，已经发现当D(f)由如下公式确定时会得到较好的结果。 $D\left(f\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f-f_1}{f_3-f_1}\right)--\mathrm{for}--f_3>f>f_1---\left(3\right)$ D(f)=1       for f₄≥f≥f₃       (4) $D\left(f\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_h-f}{f_k-f_4}\right)--\mathrm{for}--f_h>f>f_4---\left(5\right)$ D(f)=0       for f＜f₁ or f＞f_h  (6)

其中f₃=f_l+0．4(f_h-f_l)以及f₄=f_h-0．4(f_h-f_l)时，这些频率限定了介于较低和较高限值f_l和f_h之间的20％的平坦频谱。由方程式(3)到(6)所形成幅值频谱表示在图5。该幅值频谱的时域等效物也具有一个很短的脉冲以及因为它的高分辨率，对于地震解释者来说是高度欢迎的。使该频谱形成矩形波要做两件事。首先，使在两边界处的频谱的分布斜度(即第一导数)成为连续的，这就意味着在最低和最高频率处的跃变是较高阶的，因而导致在所形成的脉冲中产生较少的“减幅振荡”。第二点，在实际上，在最低和最高频率处的较低的截止速率意味着，较你的频率fl和较高的频率f_h可以利用方程式(3)到(6)进行选择，也可能利用方程式(2)进行选择，下文将完整地介绍。

一般振动器扫描产生高于或低于“扫描范围”的频率。因此，f_l和f_h可以分别选择得低于和高于扫描范围。方程式(3)和(5)的较快的截止速率使得即使比方程式(2)所允许的分别较低和较高，f_l和f_h也能被采集。这个附加的带宽的形成在于，理论上，方程式(3)到(6)对相同的频率范围比方程式(2)产生一个较宽的脉冲。实际上，由方程式(3)到(6)所产生的脉冲与由方程式(2)所产生的脉冲一样短或者更短并且具有较少的“减幅振荡”。

如上面所指出的，对所需要的脉冲响应频谱加以一任选的相位移(图2中的步骤212和图3中的步骤312)可能是所希望的。这种相位移的目的是将脉冲响应频谱从零相位变到一最小相位(即成因果性的，不过是具有一个将脉冲响应持续时间降到最小的相位频谱)。这便利于其后的数据处理。例如，用于从数据中消除多次反射的维纳预测反褶积就常假设该数据为最小相位。因此，在为进行这一步而作准备的过程中，使所需要的脉冲响应的相位频谱为最小相位是有利的。通过采用幅值频谱的自然对数的希尔伯特变换能够计算最小相位频谱，对于本技术领域的熟练人员来说这是公知的(例如参阅Oppenheim和Schafer数字信号处理，Prentice-Hall公司，新泽西州Englewood Cliffs，1975)。因此，本文将不再进一步介绍对所需要的脉冲响应频谱加以相位移的方法。

本发明可以应用到所有类型的陆上或海中振动数据，包括从引证的新的定形扫描(shaped-sweep)技术所形成的数据。然而，对于定形扫描数据来说，为了确定对于该数据的所要的脉冲响应并不是必须使用方程式(3)到(6)，因为定形扫描数据的幅值频谱总是最佳的。对于定形扫描数据来说，所有必须要做的是进行数据的定数特征反褶积，以及可选择进行的是将该相位变为最小相位。对于陆上的地震数据，最好应当加以上面所讨论的90°旋转。

上面介绍的各方程式仅是可以用于本发明的频域实施的各方程式的实例。然而，不应认为它们是对本发明的保护范围的限定。本技术领域的熟练人员都将会认识到，用于在频域实施本发明的这些特定的方程只是为了方便，为个人所优选。此外，如上面指出的，本发明也可以在时域中实施。所有这些实施都应认为在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1．一种在地球的地球物理勘探中用于处理地震数据的方法，该地震数据是通过使用地震振动器以将地震信号注入大地并记录其反射时产生的，所述的方法包含的步骤是：

(a)对于所述地震数据，选择所需要的一个脉冲响应；

(b)确定所述地震数据的反褶积特征；

(c)利用所述所需要的脉冲响应和所述反褶积特征来设计一个反褶积滤波器，以及

(d)利用所述反褶积滤波器来进行所述地震数据的定数反褶积。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征是对所述地震振动器的导向扫描。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地震数据是互相关的地震数据，以及所述特征是对于所述地震振动器的自相关的导向扫描。

4．如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，对于所述地震数据的所述所要的脉冲响应是根据下式来确定的， $D\left(f\right)=\sin \left(\mathrm{\π}\frac{f-f_l}{f_h-f_l}\right)$

其中，D(f)是作为频率的函数的、所需要的脉冲响应；f是频率；f_l是在所述地震数据中的最低频率；以及f_h是在所述地震数据中最高频率。

5．如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，对于所述地震数据的所述所需要的脉冲响应是由下式确定的： $D\left(f\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f-f_l}{f_3-f_l}\right)---f3>f>f1$ D(f)=1    f₄≥f≥f₃ $D\left(f\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_h-f}{f_h-f_4}\right)---f_h>f>f_4$ D(f)=0    f＜f₁或f＞f_h

其中，D(f)是作为频率的函数的、所需要的脉冲响应；f是频率；f_l是在所述的地震数据中的最低频率；f_h是在所述地震数据中的最高频率；f₃=f_l+0．4(f_h-f_l)以及f₄=f_h-0．4(f_h-f_l)。

6．如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，所需要的脉冲响应的相位频谱是最小相位。

7．如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述反褶积滤波器根据下式在频域中设计： $F\left(f\right)=D\left(f\right)\frac{e^{-\mathrm{i\φ}(\∫)}}{\sqrt{A^2\left(f\right)+n}}$

其中，F(f)是作为频率的函数的反褶积滤波器；D(f)是作为频率的函数的、所需要的脉冲响应；φ(f)是该特征的相位频谱；A²(f)是该特征的功率频谱；以及n是为了稳定除运算所叠加的噪声因数。

8．如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述反褶积滤波器在时域中是利用各维纳正规方程设计。

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