CN1166962C - 记录和预处理高保真振动地震数据信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种记录和预处理高保真振动地震数据的方法，它包括下述步骤：测量与振动器施加的力有关的振动器的运动乘以最小相位、因果、线性系统的转移函数，使实际振动器的输出与测得的振动器运动有关(50)，按照产生源分离信号(52)，确定将振动地震数据被测得的振动器运动除的比值，以去掉未知的施加力，将大地反射系数乘以被最小相位函数除的时间导数(54)，对得到的比值进行最小相位带通滤波，并进行最小相位反卷积(54)，以去掉被最小相位的转移函数除的时间导数。该方法还包括激发点总体反卷积(58)、接收器总体反卷积(64)、静态校正(60)、对于噪声的F-K滤波(62)、零相位尖峰脉冲反卷积(66)以及模型移相(68)。在预处理中采用直接正比于振动器送入地下的实际信号的信号。测量振动器运动，以提供用来处理数据的信号。数据在频域中被与实际传送的信号有关的信号除。

Description

记录和预处理高保真振动地震数据信号的方法

本发明涉及地震探矿数据处理，尤其涉及地震探矿数据的预处理，其中，多个振动源产生的数据是为进行高分辨率或高保真数据处理而接收和准备的。

传统技术中，采用振动源向地面施加一个力，并在不同的接收器地点处测量由于施加该力而引起的运动。通过控制这一力的持续时间和频率，来接收具有足够能量的宽带信号。采用接收器运动和假定所施加的力，构成一震波图(seismogram)，通常使之与一估算的施加力相关，由震波图可以确定地面阻抗函数的特性。

从经济角度考虑，可以同时采用几个源。为了构造更准确的震波图，可以进行哪一个源是造成接收器检测到的运动的主要原因的判断。由于接收到的数据随每个源的不同而不同，因此每个源具有独特的特征，这些特征有助于隔离产生引起接收器运动的力的那一个源。用对一个源的估算来对另一个源产生的数据进行处理会产生不准确的震波图。为了提高处理震波图的准确度，数据必须按照其产生源分开，以用由其相应源产生的力进一步处理。

传统技术的主要缺点是实际施加力的估算是用来产生震波图的。为了提高反馈信号质量以及改进反馈环路和液压阀的运行，已经作了许多工作，然而，谐波、装置挠曲和可变大地耦合却无法可靠地确定，并且仍然是影响估算精度的未知数。

在用大地振动收集地震探矿数据时，放置一个大块物体与地面接触。通常，使得用活塞和杆悬挂的反作用块(reaction mass)中的一个小室(chamber)内的液体流反向来施加一个力，而活塞和杆组件在横向构件处附着于支承结构。通常，反作用块的运动是由安装在反作用块自身上的加速度计来测量的。底板(它实际上与地面耦连)的运动是由安装在支承结构横向构件上的加速度计来测量的。

在传统的处理中，使振动源产生的数据与一参考摆动(reference sweep)相关。参考摆动信号是要振动器引入地面的理想信号，它通常是与产生的实际信号很不相同的。所施加的力的估算是振动源中使用的底板的加速度和在振动器结构中使用的反作用块的加速度(称为地面力)的质量加权和。

两个信号(一个来自底板而另一个来自其反作用块)的质量加权和用在反馈环路中，以告诉致动器它与参考摆动接近的程度。采用这一系统，假设注入地面的力与该参考摆动相同。然而，正如先前陈述的那样，实际信号与该参考摆动信号经常是很不相同的。

引入地面的力可以在时域内或在频域中观察。类似地，大地的脉冲响应可以时域中或者在频域中观察。引入地下的力的时间导数与在时域中的大地脉冲响应卷积，而该力的时间导数与频域中的大地脉冲响应相乘。以其最基本的形式，代表地面力的导数与大地脉冲响应卷积的信号由位于大地表面的小型地震仪或接收器检测。该信号是在被具有不同阻抗的两种地下层之间的界面反射以后检测的。检测到的信号与馈送到致动器的参考摆动信号相关。只要引入地下的力与参考摆动信号相同，那么这一相关就能较好地以已知的方式压缩检测到的信号的力部分。由于这很少是相同的，所以很少能实现大地脉冲响应的准确估算。

频域中的相关需要将数据乘以作相关的任何信号的时间倒数。由于参考信号仅是实际地面力的估算，所以结果是在数据中仍保留有未知数。在信号与该参考信号相关的情况下，只要参考信号的幅度和相位误差较小，则未知数较少破坏该结果，但仍然增添误差。

本发明提供了一种记录和预处理高分辨率振动源数据的方法，包括测量振动器的一个或多个运动。本发明中，加速度计用在大块物体上两个位置的每个位置中，从而可以比较输出，并且可以判断所产生的信号是否适合用在进一步的处理中。所测得的振动器的一个或多个运动由最小相位、因果(causal)、线性系统的转移函数而与实际振动器施加的力相关。这些测得的运动用来将接收到的信号分开。另外，这些信号用在处理接收到的数据的逆运算中。

本发明的方法把实际振动器输出与测得的振动器的一个或多个运动的相联系。振动器由预定的方式提供能量。该方式与测得的源的一个或多个运动一起使用，以按照用来产生检测器运动的源将接收到的数据分离。比值是通过将振动地震数据除以测得的每个振动器的一个或多个运动以去掉未知的施加力，使大地反射系数乘以被最小相位函数除的时间导数而确定的。进行最小相位反卷积(deconvolution)，以去掉被最小相位的转移函数除的时间导数。该方法还包括下述步骤：激发点总体反卷积(shot ensemble deconvolution)、接收器总体反卷积、静力学校正、F-K噪声滤波、接收器总体卷积、零相位尖峰脉冲总体卷积以及模型移相(model dephasing)。

图1是描绘典型的地震数据收集过程的图。

图2是用来同时分离采集的摆动的相位序列的矢量图。

图3是描绘对多个振动源产生的数据预处理方法流程图的方框图。

在用地面振动收集地震数据时，简单振动器可以用在本发明中。与现有技术中一样，放置一大块物体与地面接触。通过将用活塞和杆悬挂在反作用块中的小室中的液体流反向施加一个力，活塞和杆在横向构件处附着于支承结构。本发明中，反作用块运动是通过安装在反作用块自身上的一对加速度计来测量的。底板(实际上与地面耦合)的运动是通过安装在支承结构横向构件上的另一对加速度计来测得的。

本发明中，与实际信号直接相关联的信号用在预处理中，该实际信号是振动器送入地下的。测量振动器的一个或多个运动，以提供用来处理数据的信号。所以，数据不与理论摆动信号相关，但把该数据除以与频域中的实际传送信号相关联的最小相位，这样做从确定中去掉了实际传送的信号。当对大地反射系数进行求解时，数据基本上除以与最小相位的转移函数相乘的振动器地面力，去掉了来自该数据的振动器力。这使得大地反射系数乘以被最小相位转移函数除的时间导数，该比值接着通过最小相位反卷积去掉。

图1是描绘本发明的数据收集过程的系统图。如上所述，具有测量产生引入地下的实际信号的两对加速度计26、28、30和32的振动器18、20、22和24分别位于卡车34、36、38和40上。信号接着通过无线电链路42传送到主振动器存储器44，信号在那里接受检查，以确定其可靠性，并存储起来供以后比较之用。

由振动器18、20、22和24产生而引入地下的信号在沿界面的各个点I₁，I₂，…等处，在地下阻抗Im₁和Im₂之间的界面上反射。这些反射信号分别由小型地震仪D₁、D₂、D₃和D₄检测。卡车34、36、38和40上的振动器18、20、22和24所产生的信号传送到记录仪48，用作转移到磁带48上，与从小型地震仪D₁、D₂、D₃和D₁接收的原始地震数据组合起来。接收到的数据信号和存储在磁带48上的原始地震数据可以传送到另一处的计算机。

所测得的信号代表通过振动源技术产生的引入地下的实际信号。这些测得的信号与由该技术产生的引入地下的实际信号的最小相位有关。在现有技术的应用中，大多数处理是用产生引入地下的信号的参考摆动信号完成的。本发明中，直接从振动器源测量并取得与产生引入地下的实际力有关的最小相位的信号。因此，在处理过程中用与实际信号有关的信号而不是理论信号。

采用本发明的方法，高保真振动地震探矿(HFVS)记录振动运动和处理记录的地震数据是在无需知道未知的实际施加力的方式下完成的。重要的因素是测得的量直接正比于所施加的实际力。以这种方式，实际力可以用除法(division)来消除。

在传统的处理过程中，把参考信号x馈送到致动器，该致动器将信号(真实的振动器输出)，引入地下。当该信号(真实的振动器输出)在地下传播时，把该信号与频域中的大地脉冲响应相乘，或与时域中非脉冲响应卷积。正是这一卷积积(实际信号的时间导数和大地脉冲响应的卷积)与参考摆动信号相关。这一过程在并且只有在参考摆动信号等于真实振动器输出时才是正确的。

本发明采用了与传统的处理过程不同的方法。不同方法的第一个方面是，本发明认识到，对振动器测得的运动仅仅与实际输出力或引入地下的信号有关。在频域内测得的信号由最小相位转移函数而与实际地面有关。尽管最小相位转移函数和实际输出力是未知的，但最小相位转移函数可以由最小相位反卷积去掉。不同方法的第二个方面是，本发明进行逆运算而不是传统处理的相关过程。

检测得的地震数据在频域中由实际力的时间导数和大地反射系数的乘积来表示。

采用通过最小相位带通滤波器的逆滤波，可以计算测得的地震运动对测得的振动器运动的比值。这一比值消除了未知的实际输出力。还需要一个比例系数来保持通过逆滤波过程的总能量。

得到的震波图用测得的地震运动对测得的振动器运动的比值表示，并且是所要的答案(与最小相位函数卷积的大地反射系数)。最小相位函数的特性是，它们的导数和倒数也是最小相位。所以，震波图可以进一步用最小相位反卷积处理，以获得频域内的大地脉冲响应。本质上，振动器震波图测得的地震运动对测得的振动器运动的比值是有限频带的脉冲震波图。这是与大地响应有关的原因及最小相位。

因为已经消除了实际和未知的振动运动，所以这一方法总是正确的。

图2描绘的是用来分离同时采集到的摆动的相位序列。所描述的解决方法例如不通过使A抵消B来交叉耦合振动器，但在B的解中确实需要在0度处作的A加上另一个在180度处作的A，必须加到零。相位反馈环路和幅度控制不能够确保后面的条件。更困难的是，当加至在90度处作的摆动并加上90度的相位时使得0度处作的摆动抵消。

另外两种同时分离的方法如下所述：

方法1

摆动#                 1        2           3          4

振动器A(相位)         0        0           0          0

振动器B(相位)         0        180         0          180

振动器C(相位)         0        0           180        180

振动器D(相位)         0        180         180        0

这一方法避免了90度的问题，并仅需要0度处作的摆动是180度处所作的摆动的镜象。如果要采用同时技术，则现场系统(field system)必须实时测试有效分离所需的条件。例如，系统应当保证振动器A的运动是实时重复的。

方法2

摆动#              1           2           3         4

振动器A            不用        0           0         0

振动器B            0           不用        0         0

振动器C            0           0           不用      0

振动器D            0           0           0         不用

与第一种方法中一样，需要实时作出分离假设的确认。该方法产生略少的信号，三个而不是四个，但采用最少的分离所需的要求，即摆动重复。

对于这些方法中的两种方法来说，可以以类似的方式来对必要的处理信号进行编码，并且可以提取各个振动器运动。这意味着对于每个摆动序列只有一个信号需要遥测到记录仪。

现在参照图3，图中以方框图形式描述了本发明的流程图，该方法可以在本领域中当前使用的任何数字计算机或工作站上执行。

一开始，在方框50处接收存储在磁带48上的数据。接收到的数据可以是用振动源技术产生的任何形式的地震数据。

在方框52处，分离接收到的数据。这一过程是在首次产生引起数据的地震能量时开始的。有几种产生地震数据的方法，可以允许进行如先前讨论的对检测到的数据的分离。然而，先前的任何方法和本领域中当前采用的任何方法可以一起使用，来分离数据，上文中已描述了相位分离的较佳实施例。

在方框54处，对具有测得的信号的接收到的数据进行逆处理(inverseprosess)。这代表本发明和传统处理之间的显著差异。传统的处理中，接收到的数据与假设产生引入地面内的信号作卷积。本发明中，采用逆处理，该处理去掉了前述的某些假设。

在方框56，产生模型迹线。该模型迹线基本上是一个具有记录原始数据的相位和幅度的尖峰脉冲的迹线，并且将在以后用来去掉本发明的预处理方法中引入的相位误差。

在方框58，对方框54的结果(逆处理的结果)进行激发点反卷积(shotdeconvolution)。本发明中采用Wi ener-Levinson尖峰脉冲反卷积，然而，也可以采用任何一种使用公共激发点收集格式(common shot gather format)的反卷积来去掉由于各个激发之间的变化而产生的影响。

在方框60处，对数据进行源静态校正。在较佳实施例中，对静态校正和FK滤波的采用相同的集合，用一种恒定接收器位置集合来去掉源静态。

在方框62，用恒定接收器位置可变激发点收集进行FK滤波，以去除地滚波(ground roll)。在方框64处，对数据进行接收器反卷积，这最好也是Wiener-Levinson尖峰脉冲总体反卷积(ensemble deconvolution)。这是一种去掉接收器噪声的公共接收器集合，然而，也可以采用去掉接收器噪声的任何一种反卷积。在方框66处，对数据进行零相位尖峰脉冲反卷积。这是一种去掉单色噪声的波谱白化(spectral whitening)反卷积。

在方框68处，进行模型移相。在该反卷积中，采用在方框56处产生的用来记录原始相位和幅度的模型迹线以去掉由前面的处理步骤引入的任何相位误差。此处，本发明的方法已经完成了预处理，传统的处理过程可以在方框68以后开始。

上文中已经描述了记录和预处理高分辨率振动源数据的本发明的方法，它包括下述步骤：测得的信号划分、接收器和激发点总体反卷积、静态校正、对于噪声的F-K滤波、零相位尖峰脉冲反卷积和模型移相。如前所述，在预处理中采用与送入地下的振动器有关的实际振动器信号。测量振动器运动，以提供用来处理数据的信号。该数据被频域中的实际传送信号除。

Claims (7)

1.一种记录和预处理由多个振动地震源产生的高保真振动地震数据信号的方法，其中，所述地震数据信号是从地震检测器接收的，其特征在于，

测量与振动器施加的力乘以最小相位、因果、线性系统的转移函数有关的每个振动源的运动；

使实际振动器输出与测得的振动器运动有关；

按照产生源分离振动地震数据信号；

确定振动地震数据信号除以每个振动源测得的运动比值，以去掉未知的施加力，使得大地反射系数乘以被最小相位函数除的时间导数；

对得到的所述比值进行最小相位带通滤波；以及

对所述最小相位带通滤波的比值进行最小相位反卷积，以去掉所述被最小相位函数的转移函数除的时间导数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对经最小相位带通滤波的所述比值进行激发点总体反卷积。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对经最小相位带通滤波的所述比值进行接收器总体反卷积。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对经最小相位带通滤波的所述比值进行静态校正。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对经最小相位带通滤波的所述比值进行对于噪声的F-K滤波。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对经最小相位带通滤波的所述比值进行零相位尖峰脉冲反卷积。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从由多个振动地震源产生的振动地震数据信号产生一模型迹线；以及

对经最小相位带通滤波的所述比值用所述模型迹线进行模型移相。

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