CN1251173A - 处理地震数据信号的方法 - Google Patents

Abstract

透露了一种用于以比以往更高精确度表征地球地下地层的方法。例如根据已知的技术迁移并叠加地震数据样本,并然后进行频谱分析。频谱分析施加到地下特征,并例如由一对层位界定的特定的地层将受到声响反射频谱分析。使用正交基通过以一组正交多项式集借助于系数定义反射信号而进行分析。从多项式系数可直接计算附加的地震特征或属性。这些系数以高精确度表示地居的特性,并可与频谱推导的先验进行比较(例如综合频谱或先前表征的频谱),进而有助于测量地震数据的分析。

Description

处理地震数据信号的方法

本发明涉及处理地震数据信号的方法。

收集地震数据是为了分析地下，特别是用于碳氢化合物的勘探。用于分析海底结构的数据可在陆地上收集，或使用航海船只在水上收集。为了获得数据，要提供可能包括爆炸(在陆地上)或压缩空气脉冲(在海洋)的地震源。由地表以下各种地层反射的信号称为痕迹，并由大量的一般是数百个传感器诸如陆上地听器和海洋水中水听器检测。对反射信号进行记录并分析结果，以便推断地表之下的地层构成的指示。然后这种指示可用来估计碳氢化合物沉积的可能性。

然而，地表之下地层的物理构成并不总是很好表明地下地质学特征，因而不能如所希望的那样精确估计碳氢化合物沉积的可能性。

本发明的目的是要提供处理和分析地震数据信号一种改进的方法。

根据本发明提供了处理由特定地下特征反射的地震数据信号的方法，该方法包括根据一系列正交多项式通过分解反射信号分析地震数据信号的频谱，并推导表征地下特征的反射率的一系列多项式系数。

本发明提供了来自具体的地下特征，例如地层或层位，反射的信号的频谱分解。在地层的情形下，这提供了声响(volume)反射率的定量化(声响反射率频谱或VRS)。由于按付立叶变换的频谱分解在地震信号的频谱分析中不够精确，故对正交基进行频谱分解。这样作的原因在于，待分析的信号是在短时间窗口存在的，并且付立叶分析中使用的正弦波的无限性导致不希望有的窗口效应和旁瓣。

所描述的是作为一组特殊的切比雪夫(Chebyshev)多项式组的特定的正交多项式组，但是其它各种的正交多项式(换言之，不同的多项式基)也可使用。

在其它场合使用了正交多项式函数，用于生成接收的数据的数学表示。例如欧洲专利申请No.EP 0216609 A2，Seislith Development透露了使用正交多项式函数把反射系数表示为偏移距离的函数的方法，作为用于使反射波振幅与校正的源检测器偏移数据定量相关的方法的一部分。

在频谱分解之前，可以再次对地震数据进行采样，以保证在所研究的地层的每一点的相等样本数(时间或距离)而不考虑每一位置其相对厚度。

对正交基的这一频谱分解还可用于先验的或设想的地震数据，例如钻井记录和从弹性模型推导出的数据。然后这一设想的数据(或先验知识)可以同观测数据进行比较，以便进一步表征观测数据。这对传输效应、球面扩散及非弹性衰减提供了基于模型的补偿。为了更精确地表征测量的数据，对提供了最佳匹配的设想数据进行扰动以提供更好的匹配。

本发明进一步优选特性在所附权利要求中列出。

现在参照附图通过例子对本发明进行说明，其中：

图1表示使用航海船只收集地震数据的示意图，

图2表示地层内样本位置数，

图3表示具有非均匀厚度地层中重新采样的数据点的垂直剖面图，及

图4表示地震数据痕迹，重构的痕迹，及来自重构痕迹的极值。

图1表示正在进行的地震勘查简化的示意图，这来自中是在水上。船只12在水中航行拖着水听器电缆12。电缆12沿着其纵长间隔携带着大量的水听器(未示出)。水听器电缆可由水听器阵列代替，换言之即二维分布的水听器。为了收集地震数据，在船只上提供脉冲信号14，该信号指向海底。将从海床及海床下的地下结构出现大量的反射。为了简化这里只示出来自海床16和地震层20、24及28主要的反射18、22、26和30。

收集的地震数据信号已经施加了预处理。这将包括“迁移”，其中对非均匀反射层校正反射信号。并包括“叠加”，其中把从给定的点返回的信号在调节之后组合起来允许检测在不同的传感的反射信号及通过不同结构的在不同深度的不同声波速度。这些预处理技术是地震分析技术中熟知的，并在这里不进一步讨论。此外，在勘查区域上通过自动波前跟踪器连续跟踪反射信号的波前。然后可使用反射频谱分解。

波前跟踪和预处理的信号被认为是以下的形式(或反射函数)：

r＝r(x，y，t)

对于特定的波前，其中

x，y＝零痕迹指数或位置坐标

t＝迁移行进时间(迁移深度坐标)，及

r＝反射信号的反射振幅

这样以多个三维坐标提供反射振幅信号的振幅。图2示出在给定的点(x，y)层位16和层位20之间的多个时间(深度)坐标t₀，t₁，t₂，…t_N。已知先有技术的安排是使用这一数据识别各层(层位)之间的边界，而这是以某种方式表征了地下的结构。现在希望把一层内的反射率定量化，并为此希望推导地震数据的频谱分析。

使用熟知的付立叶分析的地震数据的频谱分析不能满足要求。付立叶分析所依赖的正弦和余弦波的无限性及要分析的地震信号暂短的持续性的结果是窗口效应或旁瓣，这使分析失真。根据本发明的分析通过信号的频谱分析无需使用付立叶变换而避免了这一困难。

为了进行频谱分析，近似沿时间(或深度)轴的反射信号的反射振幅。在这一例子中，这是使用正交多项式在最小二来的意义上进行的。虽然可使用其它的正交多项式，但一组这样的正交多项式可以是一组以下特定的切比雪夫(Chebyshev)多项式{P_m，N}。

P_0.N＝1 $P_{1,N}=1-\frac{2t}{N}$ $P_{2,N}=1-\frac{6t}{N}+\frac{6t(t-1)}{N(N-1)}$ $P_{3,N}=1-\frac{12t}{N}+\frac{30t(t-1)}{N(N-1)}-\frac{20t(t-1)(t-2)}{N(N-1)(N-2)}$ $P_{4,N}=1-\frac{20t}{N}+\frac{90t(t-1)}{N(N-1)}-\frac{140(t-1)(t-2)}{N(N-1)(N-2)}+\frac{70t(t-1)(t-2)(t-3)}{N(N-1)(N-2)(N-3)}$

一般来说 $P_{m,N}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^i\left[\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}m+i\\ i\end{array}\right]\frac{t(t-1)(t-2)\·\·\·(t-i+1)}{N(N-1)(N-2)\·\·\·(N-i+1)}$

其中 是二项式系数，N是采样点的数目且 $\left[\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right]=\frac{m!}{i!(m-1)!}$

现在我们对一组观测的地震信号或更精确地说是一组声响反射振幅推导一组系数{C_k}。通过在多项式与测量的声响反射振幅之间进行最小二乘拟合推导这些系数。为了这样做，从信号a(t)减去各系数多项式乘积，对结果求平方，并对所有的t值(样本时间或距离)求其和。这样对于系数值{C_k}求以下的信号S的最小值： $S=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[\mathrm{\α}\left(t\right)-c_0{P}_{0,N}\left(t\right)-c_1{P}_{1,N}\left(t\right)...-c_m{P}_{m,N}\left(t\right){]}^2$ 这意味着为了求S的最小值，正规方程为： $\frac{\mathrm{\αS}}{\mathrm{\α}{c}_k}-2\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\left(t\right)-c_0{P}_{0,N}\left(t\right)-c_1{P}_{1,N}\left(t\right)...-c_0{P}_{0,N}\left(t\right)]P_{k,N}\left(t\right)=0$

对k＝0，1，2，…，N

然而由于多项式组是正交的，故能够分别解出参数，这给出： $\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[a\left(t\right)-c_k{P}_{k,N}\left(t\right)]P_{k,N}\left(t\right)=0$

对C_K解此方程式给出： $c_k=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}a\left(t\right)P_{k,N}\left(t\right)}{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P^2}_{k,N}\left(t\right)}$

系数组{C_K}表示声响反射振幅的频谱分解。在数学上各项{C_K}表示用来分解信号a(t)的特征方程{P_K，N}的特征值组。希望以足够的精度获得最小数目的系数(即k的最小值)，因为这将简化后继的处理。

如果选择充分高阶多项式分解，则VRS多项式能够无误地表示地震采样。这意味着如果在时间窗口有N个样本，则N-1阶的多项式分解将给出准确无误的样本重构。如果分解阶数小于N-1，我们将具有一种近似(最小均值方差)。

为了使所描述的特定多项式组P_m，N为正交的，它们必须被等距离采样。换言之，所考虑的地层中地震样本的数目N对给定的地层必须均匀。对于其厚度不均匀的地层可能不是这样的情况，但这能够按以下方式纠正。一般来说，从它们的原始采样率对信号再次采样，以便在勘查区域中每一给定的(x，y)坐标位置提供相同数目的样本值。这样，地层较浅部分将具有间隔更近的采样点(对于时间或深度)，而在较深部分这种点将间隔较大。

还能够从井交切地震声响的地方的观测数据计算频谱。然后这些频谱能够在类似于合成推导频谱的分类中应用。

详细来说，给出如下。地层最大的厚度可通过寻找以下最大值计算：

Δf(x，y)＝f₂(x，y)-f₁(x，y)

其中地层由层位定义如下：

f₁(x，y)＝最浅的层位(即地层的顶面)

f₂(x，y)＝最深的层位(即地层的底面)

然后能够从以下计算样本点数： $N=\frac{\max \mathrm{\Δf}(x,y)}{\mathrm{\Δt}}+1$

其中Δt＝沿深度或时间轴的采样率。

换言之，地层的最大厚度除以采样率加一。需要额外的采样点使得样本点位于地层的两表面。

对带有少于N的样本的那些(x，y)位置要进行内插以具有N个样本。适当的技术是使用正弦内插器，并具有七个点的内插滤波器是适用的。如果需要可使用不同的内插滤波器和/或更精确的正弦内插器。另外，或此外，汉宁(Hanning)滤波器可用于内插的样本，以便补偿内插滤波器的有限长度(滤波器截取效应)。图3给出内插过程的简化视图。在地震层最宽的位置40在时间(深度)方向有五个(例如)样本。在地震层最窄的部分44似乎只有两三个样本出现。然而在内插之后，在包括具有中等深度位置42的地层内的每一位置有五个样本点。

图4表示基准轴46及与由基准轴表示的特定的x，y位置相关的例子的地震数据痕迹48的位置。如上所讨论，地震数据痕迹48一般将从改进地震数据信号质量的预处理步骤输出。就此来看，地震数据痕迹48是以向图4的底部增加的深度(按时间或距离)显示的，并且地震振幅是作为地震数据痕迹48和基准轴线46之间距离显示的。地震数据痕迹48是以阶梯函数的格式显示，因为大部分地震数据是以数字形式获得的。在特定地层内可得的数据点的数目明显地主要依赖于地层的厚度和数据的采样区间。

图4还示出重构的痕迹50，该痕迹图示出推导出的多项式系数乘以它们各个正交多项式函数的和。这一重构痕迹50表示推导的正交多项式序列如何逼近层位20和层位24之间的地震数据痕迹48。虽然增加所使用的多项式系数的数目将降低地震数据痕迹48与重构痕迹50之间的差，但是一般在逼近过程中只使用5到10个之间的系数。对系数数目的限制简化了后继的处理并消除了可能减弱与真实的地下状态相关的高阶系数。一旦对具体的数据集已经选择了适当数目的系数，重要的是对数据集中其它痕迹推导相同数目的系数，以便允许系数值可被适当比较。

又图4示出构成重构痕迹50的局部极大和极小极值52。极值的数目、极值的符号(正或负、极大或极小)、极值的大小、和极值沿极值轴线46的位置也可直接从推导出的多项式系数计算。这些属性的每一个在刻划层位20和层位24之间的地下状态中是有用的。

极值52表示出现在特定地层内的内部反射层，并且所透露的方法在自动检测地层内的反射层时特别有用。

通过观察推导出的系数系数和/或极值的数目、符号、量值和/或位置的变化，能够间接地检测出出现在地层中的地质特性，诸如孔道或破裂，或确定其它重要地下特性的位置，诸如储油层内油/水界面的位置。建立分类规则以便允许基于计算机的系统能够实现本发明的方法，使用推导出的地质特征自动识别并分离地震数据集中地质特性及其它有用的地下项目。

使用推导出的多项式系数还能够计算出其它的地震特性(或属性)。例如，能够计算出地震数据痕迹48与重构痕迹50之间的差的大小。这一量值能够提供第三类可用来刻划地震数据的属性。

还能够推导出能够用来比较并刻划来自测量信号的频谱的综合频谱。重要的是，综合频谱是在与测量的频谱(标定为观测数据)相同的频谱域中提供的。这种综合频谱可从数个关于地球假定或从由实际钻井等表征的区域的实际测量值推导出。

一旦在公共频谱域中表示出综合频谱和测量频谱，则即可进行比较以确定“最佳匹配”。最佳匹配还可按推导正交多项式系数所使用的类似的方式，从最小二乘拟合推导出。一旦确定了综合最佳匹配，然后就能够扰动最佳匹配以产生综合频谱进一步范围。然后进而比较观测数据与扰动综合频谱。能够通过地质统计分类系统进行综合频谱与观测频谱之间的比较。这种系统工作的参数由用户定义。对给定的观测数据集的最佳匹配指定一概率值以指出正确分类的似然率。如果观测数据集具有属于两个或多个类别相等的概率，则指定它们为可疑类别。没能被指定为一类别(因为它们对所有可得的类别匹配不良)的观测被指定为例外类别。

本发明同样适用于单一层位的分析。地震源将产生持续时间有限的一脉冲或信号。这样将在包括要研究的层位的固定的时间窗口中分析返回的地震信号。

本发明包含这里所透露任何新颖的特性或特性的组合，不论是明显的或蕴含的。

Claims (12)

1.处理由特定的地下特征反射的地震数据信号的方法，该方法包括通过根据一系列正交多项式分解反射信号并推导表征地下特性反射率的一系列多项式系数，分析地震数据信号的频谱。

2.权利要求1中所述的方法，其中地下特征包括由两个层位定义的地层，且一系列多项式系数表示声响频谱分析。

3.权利要求1中所述的方法，其中地下特征包括一个层位。

4.以上任一权利要求所述的方法，其中正交多项式集包括切比雪夫(Chebyshev)多项式集。

5.以上任一权利要求所述的方法，还包括在所表征的地下特征与地下特征多个预定的表征之间进行比较，其中确定所表征的特征与预定特征之间最接近的匹配。

6.权利要求5中所述的方法，其中使用最小二乘拟合确定具有对所表征的特性最接近匹配的预定的表征。

7.权利要求5或6中所述的方法，其中扰动具有最接近匹配的预定的表征以提供至少一个进一步的预定表征供与所表征的特征比较。

8.参照附图基本按以上所述处理地震数据信号的方法。

9.权利要求1中所述的方法，还包括使用推导出的多项式系数计算地震数据信号附加的属性。

10.权利要求9中所述的方法，其中附加的属性包括通过对推导出的多项式系数乘以它们各自的正交多项式函数求和而产生重构痕迹的极值的数目、符号、量值或位置。

11.权利要求9中所述的方法，还包括通过观测推导的多项式特征或附加属性中的变化间接测量地质或地下特征。

12.权利要求9中所述的方法，其中附加的属性表示地层中内部反射物。

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