CN1278132C - 海洋延时地震勘测的方法 - Google Patents

Abstract

对地下进行海洋延时地震勘测的方法，使用在预定位置的地震源和地震接收器(11、12)，该方法包括：将地震源(13)定位于预定位置(15)；对于该位置，对于每一个地震接收器，记录在不同海洋状态的一组至少两个重复信号；对每一个地震接收器(11、12)记录一个监视信号；对所述信号采用一个模型，包括所述地下信号、由于地下的变化而在地下信号中产生的差异以及表面多次反射的影响；确定一组能够消除表面多次反射的滤波函数；对每一个接收器(11、12)计算所述地下信号中的估计的差异，所述估计的差异是在记录所述重复信号和记录所述监视信号之间过去的时间中目标层中的变化在地下信号中导致的变化的量度；以及输出估计的误差。

Description

海洋延时地震勘测的方法

本发明涉及对地下，尤其是地下的目标层的延时地震勘测。延时地震勘测或者监视涉及在不同的时间对地下的同一部分获取地震数据。这种技术允许研究地下层面的地震特性作为时间的函数的变化，所述变化例如是由于地下地层中的流体流动、流体饱和度、压强和温度的空间和时间变化而导致的。地震数据可以被组合起来以产生图像，显示出所述变化。延时地震勘测技术的用途例如有绘制死油地图，监测被注入的储层流体比如水、蒸汽以及二氧化碳，估计与压强分割有关的流体流的非均匀性以及断层和裂隙的水力特性。时间延迟勘测也称为四维地震勘测。

具体地，本发明涉及对地下进行海洋延时地震勘测的方法，该方法包括下列步骤：

(a)在预定的位置布置地震接收器；

(b)在具有预定位置的位置布置地震源，并记录作为对地震源发出的声波的响应的来自地震接收器的信号；

(c)在预定的时间段之后将所述地震源定位于步骤(b)的位置，并对每一个位置记录作为对地震源发射的声的响应的来自地震接收器的信号；以及

(d)从先前获得的信号中减去获得的信号，得到一个差，用该差来探测目标层中作为时间的函数的变化。在本说明书和权利要求中，“信号”一词既用来指原始的未经处理的数据，也指经过处理后的数据。术语“地下信号”用来指仅仅包括来自地下的信息的信号，不包括表面多次反射。这种地下信号也称作主信号(primary signal)。地下的目标层是感兴趣的一个层或者多个层。在后一种情况下，所述各层被不感兴趣的层隔开。

众所周知，可重复性是延时地震勘测成功的关键，并且主要关心的问题是源和接收器的位置(例如见下述文章：Time-lapse seismicmonitoring：Some shortcomings in nonuniform processing，CP Rossand MS Altan，The Leading Edge，June 1997)。其它关心的问题是源和接收器波形响应和耦合，以及各种形式的不希望有的噪声。

本申请人发现，有另一个因素对海洋延时地震勘测的成功有负面影响，这就是海洋，尤其是海洋的特性。

在申请人的同时待审国际专利申请(公开号02/075 363)中，就是所谓的表面多次反射的效应。表面多次反射是地震能量在海面和海底之间多次反射导致的影响在记录的信号中的反映。在该专利申请中，解释了表面多次反射不会重复，因此当对在不同日期记录的两个信号进行减法时，得到的差信号中包含了来自表面多次反射的差异的未知部分。因此，该差可能与(没有表面多次反射信号的)地下信号之间的差不同，因此该差并不能作为在记录第一信号的日期和记录第二信号的日期之间地下变化的指标。

为了提供一种在海洋进行地下地层中的目标层的延时勘测，并且可以以一种简单的方式抑制表面多次反射导致的不可重复的效应的方法，在本申请人的所述国际专利申请中提出了在基本上重复的海洋条件下记录信号。

申请人现在提出了该方法的一种替代方案，其中，用数学方法获得对非重复的表面多次反射的效应的抑制。

为此，根据本发明，提供了一种对地下进行海洋延时地震勘测的方法，使用在预定源位置的地震源和包括至少一个在预定接收器位置的地震接收器的地震接收器系统，该方法包括下列步骤：

(a)对于每一个地震接收器，记录从地震接收器获得的、作为对所述地震源发射的一组至少两个声波的响应的一组至少两个重复信号，其中，所述至少两个声波是在不同的海洋状态下发射的，但是发射时间接近而使重复信号中因为地下的变化而产生的差异可以被忽略；在记录所述重复信号时测量双程水体传播时间；

(b)在预定时间段之后，对每一个地震接收器记录作为对所述地震源发射的一个声波的响应的、来自所述地震接收器的监视信号，并在记录所述监视信号时测量双程水体传播时间；

(c)对所述信号采用一个模型，包括所述地下信号、由于地下的变化而在地下信号中产生的差异以及表面多次反射的影响；

(d)确定一组能够消除表面多次反射的滤波函数，这些滤波函数是测量到的双程水体传播时间的函数；

(e)从所述重复信号、监视信号和滤波函数，对每一个接收器计算所述地下信号中的估计的差异，所述估计的差异是在记录所述重复信号和记录所述监视信号之间过去的时间中目标层中的变化在地下信号中导致的变化的量度；以及

(f)输出所估计的差异。

适合地，所述至少一个地震接收器是固定的，例如被永久地定位于预定的接收器位置，例如在海底，而源不是固定的。在这种情况下，本发明的方法还包括：

在步骤(a)中的记录之前，以及在步骤(b)中的记录之前，将地震源定位在预定源位置的步骤，其中，对该源位置完成记录。

本发明还适于在地震源和所述至少一个地震接收器不固定时，例如当地震源和地震接收器是拖缆的一部分时的情况，在这种情况下，所述方法还包括：在步骤(a)中的记录之前，以及在步骤(b)中的记录之前，将地震接收器系统的至少一个地震接收器定位在预定接收器位置的步骤，其中，对该接收器位置完成记录。

或者，所述源和接收器都可以固定，位于预定的固定的位置。

在本说明书和权利要求中，“多次反射”用来表示“表面多次反射”。双程水体传播时间是水体深度除以声速的二倍。

下面结合附图以举例的方式描述本发明，附图中：

图1简要图示了如何实施本发明的方法的勘测步骤；

图2简要图示了将信号相关起来的方法；

图3图示了用在用于说明本发明的假设的例子中的模型的相关参数；

图4图示了对于所述假设的例子，基础勘测和根据本发明确定的差值勘测；

图5图示了对于所述假设的例子，一般的海洋延迟勘测的结果以及根据本发明确定的差值勘测的结果。

图6图示了对于所述假设的例子，一般的海洋延迟勘测的结果以及根据本发明确定的差值勘测的结果，其中添加了非相关噪声。

现在参见图1。根据本发明的方法是一种在海洋对地下进行延时勘测的方法。在图1中，简要图示了由海面2和海底3限定的表示海洋的水体1，以及海底3之下的地下5。所述地下5包括至少一个反射体6。

在本发明的方法中，包括至少一个地震接收器5的地震接收器系统位于预定的位置。在图1中，所述地震接收器系统包括两个地震接收器11和12，具有预定位置的接收器位置在海底3。

该方法的第一步是将地震源13置于具有预定位置15的源位置。该位置15是指源的水平位置，也就是地震源13的经纬度位置。源的水平位置在图中简要图示为虚线。在竖直方向上，地震源位于海面2。

很清楚，在不同的时间，海面会有不同的高度，这例如是由潮汐差异造成的。在图1中，只图示了三种不同的高度，这些高度分别用附图标记20a、20b和21表示。

本发明涉及在海洋进行延时地震勘测，这意味着进行一次基础地震勘测，然后在后来的一个日期进行一次监视勘测，确定基础勘测和监视勘测之间的差，以评估在两次勘测之间在地下地层中发生的变化。

为了减少多次反射的影响，本发明的方法包括下述步骤：在地震源13在水平位置15时，对每一个地震接收器11、12记录作为对地震源13发射的一组至少两个声波的响应从地震接收器11或12获得的一组至少两个重复信号，其中，所述至少两个声波是在不同的海洋状态(分别具有海面高度20a和20b)下发射的，但是时间上如此接近，使得重复信号中因为地下的变化而导致的差可以被忽略。另外，当记录所述重复信号时，测量双程水体传播时间。我们会对记录信号时的双程水体传播时间的差异感兴趣，这样，在勘测期间，可以在固定的位置测量双程水体传播时间。做这件事的一种方式是在海床6上设置一个固定的声波换能器，拾取并记录从海面2反射回来的换能器脉冲的双程水体传播时间。

属于所述至少两个声波中的一个的重复信号构成所述基础勘测。

然后，在预定的时间段之后，例如在一年之后，进行监视勘测。为此，再次将所述地震源13置于所述水平位置15，这里的海面高度现在是在21。对于每一个地震接收器11、12，记录作为在水平位置15的所述地震源发射的一个声波的响应来自所述地震接收器11或者12的监视信号，并且在记录该监视信号时测量双程水体传播时间。

这两个步骤图示于图2中。在图2中，地震接收器11和12位于轴30上，轴31是时间轴。

所述两个地震接收器11和12中的每一个记录的所述两个重复信号对于地震接收器11分别是T_0a，1和T_0b，1，对于地震接收器12分别是T_0a，2和T_0b，2。进行记录时地震源13在水平位置15(见图1)，并且时间接近，因此地下信号响应没有变化。在此例中，重复勘测是由信号T_0a，1(t)和T_0a，2(t)，以及T_0b，1(t)和T_0b，2(t)构成的，基础勘测是由例如T_0a，1(t)和T_0a，2(t)构成的。

在随后的时间记录的所述监视勘测包括对于地震接收器11的监视信号T_1，1和对于地震接收器12的监视信号T_1，2。

下面说明如何确定地下地层中的变化。为此，我们首先假设一个信号模型，该模型包括地下信号、地下信号由于地下的变化而产生的差以及表面多次反射的影响。

对于单个信号(也称为地震记录迹)的模型由下面的模型等式给出：

$T_{i,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\mathrm{\Δ}{P}_{0i,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}^k\left(t\right)\⊗g(t-{\mathrm{kt}}_{\mathrm{si}})+N_{i,j}\left(t\right)\·\·\·\left(1\right)$

其中，T_i，j(t)是用第j个地震接收器(在此例中j＝1，2)对信号的第i个记录，

P_0，j(t)是第j个地震接收器接收到的地下地层在初始或者基础状态的主信号，

ΔP_0i，j(t)是第j个地震接收器的第i个主信号和在初始或者基础状态下的主信号之间的差，这就是所谓的第j个地震计数器的延时差(time-lapse difference)。

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}^k\left(t\right)\⊗g(t-{\mathrm{kt}}_{\mathrm{si}})$ 是多次反射M^k(t)对信号的贡献，其中g(t-kt_si)是时间为kt_si时的峰值函数(spike function)，其中t_si是已知的或者测量的双程水体传播时间，其中k是多次反射的阶数(次数)，其中表示卷积。

N_i，j(t)是对于第j个地震接收器，噪声对第i个记录的贡献。

一次勘测包括所有地震接收器的信号，第i个勘测被称为T_i(t)。

请注意，双程水体传播时间t_si代表海洋状态，它可以独立于信号T_i(t)的记录容易地被测量。

我们对估计延时差ΔP_0i，j(t)感兴趣，因为该差是表达地下地层，尤其是位于地下地层中的目标层，在记录基础信号和在以后的日子记录监视信号之间过去的时间中的变化的指标。

为了抑制第一阶多次反射的效应，假设第二阶和更高阶多次反射的效应可以被忽略，这样可以假设n＝1。这样模型等式(1)可以被简化，得到下述的简化模型等式：

T_i，j(t)＝P_0，j(t)+ΔP_0i，j(t)+M¹(t)g(t-t_si)+N_i，j(t)     (2)

在本发明的方法中，在不同的海洋状态下记录两个重复信号，但是它们的时间间隔很近，从而ΔP_0i，j(t)可以被忽略。

每一个地震接收器的两个重复信号是这样的：

T_0a，j(t)＝P_0，j(t)+M¹(t)g(t-t_s0a)+N_0a，j(t)

T_0b，j(t)＝P_0，j(t)+M¹(t)g(t-t_s0b)+N_0b，j(t)

在后来的时间记录所述监视信号，该信号是：

T_1，j(t)＝P_0，j(t)+ΔP_01，j(t)+M¹(t)g(t-t_s1)+N_1，j(t).

这样，我们得到有三个未知量M¹(t)，P_01，j(t)和ΔP_01，j(t)的三个等式，其中，我们希望消除头两个未知量，以获得对ΔP_0i，1(t)的估计。基础勘测例如是T_0a(t)。

使用随后的表1的简化符号，所述三个等式可以简化，给出下述三个模型等式，其中两个是重复信号的，一个是监视信号的：

T_0a，j(t)＝P_0，j(t)+M¹(t)g¹s0a+N_0a，j(t)           (3a)

T_0b，j(t)＝P_0，j(t)+M¹(t)g¹s0b+N_0b，j(t)           (3b)

T_1，j(t)＝P_0，j(t)+ΔP_01，j(t)+M¹(t)g¹s1+N_1，j(t)  (3c)

本发明的一个目的是消除M¹和P_0i，j(t)，对每一个地震接收器j获得延时差的估计<ΔP_01，j(t)>。

首先，我们讨论如何在与监视勘测有关的海洋状态和与重复勘测有关的海洋状态不同(t_s1≠t_s0a≠t_s0b)的情况下获得估计的延时差。然后我们讨论与监视勘测有关的海洋状态与两个重复勘测之一的海洋状态基本上相同(t_s1≈t_s0a≠t_s0b)的情况。

从三种海洋状态不同的情况开始。该方法包括，首先将两个重复信号相减，然后从监视信号减去两个重复信号，这些减法给出下列三个等式：

T_0b，j(t)-T_0a，j(t)＝M¹(t)(g¹s0b-g¹s0a)+N_0b，j(t)-N_0a，j(t)

T_1，j(t)-T_0a，j(t)＝ΔP_01，j(t)+M¹(t)(g¹s1-g¹s0a)+N_1，j(t)-N_0a，j(t)

T_1，j(t)-T_0b，j(t)＝ΔP_01，j(t)+M¹(t)(g¹s1-g¹s0b)+N_1，j(t)-N_0b，j(t)

这三个等式可以如下简化，以获得重复差等式和两个重复-监视信号差等式：

T_ba，j(t)＝M¹(t)G¹ba+N_ba，j(t)                      (4a)

T_10a，j(t)＝ΔP_01，j(t)+M¹(t)G¹10a+N_10a，j(t)       (4b)

T_10b，j(t)＝ΔP_01，j(t)+M¹(t)G¹10b+N_10b，j(t)       (4c)

后两个等式是两个所谓的延时差等式。我们对估计延时差ΔP_0i，j(t)感兴趣。

两个延时差等式的和(被除以2)为：

$\frac{T_{10a,j}\left(t\right)+T_{10b,j}\left(t\right)}{2}=\mathrm{\&Delta;}{P}_{01}\left(t\right)+M^1\left(t\right)\&CircleTimes;\left(\frac{{G^1}_{10a}+{G^1}_{10b}}{2}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

$+\frac{N_{10a,j}\left(t\right)+N_{10b,j}\left(t\right)}{2}$

现在定义下面的滤波函数：

$F\left(t\right)=\left(\frac{{G^1}_{10a}+{G^1}_{10b}}{2}\right)\&CircleTimes;{\left({G^1}_{\mathrm{ba}}\right)}^{-1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

所述重复差等式(4a)与所述滤波函数(6)的卷积给出：

$T_{\mathrm{ba},j}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)=M^1\left(t\right)\&CircleTimes;\left(\frac{{G^1}_{10a}+{G^1}_{10b}}{2}\right)+N_{\mathrm{ba},j}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)$

从等式(5)减去该等式给出：

$\frac{T_{10a,j}\left(t\right)+T_{10b,j}\left(t\right)}{2}-T_{\mathrm{ba},j}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)$

$=\mathrm{\&Delta;}{P}_{01,j}\left(t\right)+\frac{N_{10a,j}\left(t\right)+N_{10b,j}\left(t\right)}{2}-N_{\mathrm{ba},j}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)=<\mathrm{\&Delta;}{P}_{01,j}\left(t\right)>$

对于每一个地震接收器，该等式的左边是对延时差的估计，<ΔP_01，j(t)>，它给出：

$<$ $P_{01,j}\left(t\right)>=\frac{T_{10a,j}\left(t\right)+T_{10b,j}\left(t\right)}{2}$ $-T_{\mathrm{ba},j}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

该简单的等式给出了对于每一个地震接收器j，该地震接收器的初始或者基础记录与监视记录之间的差的估计，其中，第一阶多次反射的效应被抑制。该估计的差可以用现有技术中已知的许多方法输出，例如作为垂直或者水平剖面。或者，可以计算和输出估计的差的属性。

请注意，滤波函数F(t)是仅针对给定的水平位置15的海洋状态的已知的或者测量的函数，并且如下所述，滤波函数是海洋状态的差的函数。

对于示于图中的实施例，等式(7)变为：

$<$ $P_{01,1}\left(t\right)>=\frac{T_{10a,1}\left(t\right)+T_{10b,1}\left(t\right)}{2}$ $-T_{\mathrm{ba},1}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)$

$<$ $P_{01,2}\left(t\right)>=\frac{T_{10a,2}\left(t\right)+T_{10b,2}\left(t\right)}{2}$ $-T_{\mathrm{ba},2}\left(t\right)\&CircleTimes;F\left(t\right)$

可以看到，在函数g(t-t_si)为德耳塔函数的情况下(该函数的傅立叶变换是e^-2πist _si)，滤波函数F(t)的傅立叶变换为：

$F\left(s\right)=\frac{e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s1}}-(e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0a}}+e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0b}})/2}{e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0b}}-e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0a}}}$

用e^-2πists _0b除该等式得到：或

$F\left(s\right)=\frac{e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s1}+2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0b}}-(e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0a}}+e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0b}}+1)/2}{1-e^{-2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0a}+2\mathrm{\&pi;is}{t}_{s0b}}}$ 或

$F\left(s\right)=\frac{e^{-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s1}-t_{s0b})}-(e^{-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{s0b})}+1)/2}{1-e^{-2\mathrm{\&pi;ist}(t_{s0a}-t_{s0b})}}.$

这表明，只有双程水体传播时间的差才是要紧的，双程水体时间的绝对值对于滤波函数来说是无关的。这样，滤波函数只是海洋状态的差的函数。首先我们讨论当双程水体时间之间的差小时，滤波函数的傅立叶变换的性质，然后我们考察这样的条件：在该条件下，滤波函数的傅立叶变换中会出现极点(pole)。

当双程水体传播时间之间的差小时，对于小的s值，滤波函数变为：

$F\left(s\right)=\frac{1-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s1}-t_{s0b})-(1-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{s0b})+1)/2}{1-1+2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{s0b})}$

$=\frac{-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s1}-t_{s0b})+2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{s0b})/2}{2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{s0b})}$

$=\frac{t_{s1}-(t_{s0a}+t_{s0b})/2}{t_{s0b}-t_{s0a}}$

这样，如果T_s0a≠T_s0b，则滤波函数F(t)的响应仍然是有界的。最好，当双程水体传播时间之间的差最大时，应当记录两个重复勘测。在这种情况下，滤波器频率响应在信号频带上会小于1，噪声N_ba，j(t)不会被放大。

上述第一种方法的结果是，消除了第一阶多次反射。在这种方法中，我们没有假设出现重复的海洋状态。

滤波函数的傅立叶变换的分母是 $\mathrm{Den}\left(s\right)=1-e^{-2\mathrm{\&pi;is}(t_{s0a}-t_{a0b})},$ 可以被重写为：

$\mathrm{Den}\left(s\right)=1-\cos 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})+i\sin 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})$

$=\frac{{(1-\cos 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b}))}^2+{\sin }^{2}2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})}{1-\cos 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})-i\sin 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})}$

$=\frac{2(1-\cos 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b}))}{1-\cos 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})-i\sin 2\mathrm{\&pi;s}(t_{s0a}-t_{s0b})}$

当1-cos2πs(t_s0a-t_s0b)＝0时，或者当2πs(t_s0a-t_s0b)＝0，±1，±2时，等等，会出现极点。为了避免第一极点，双程水体传播时间应当不同。为了避免以后的极点，在计算估计的差之前，应当使信号适当地通过一个带通滤波器，使频率由发生极点的最低频率限制。在这种情况下，通过频率由 $s=\&PlusMinus;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}(t_{s0a}-t_{s0b})}$ 限制。避免极点是重要的，以免放大噪声。

使用上述方法的修改版本也可以抑制第一阶多次反射。假设进行监视记录时的海洋状态基本上等于所述两个重复测量中的一个的海洋状态，换句话说，t_s1≈t_s0a。

在这种情况下，我们使用所述重复差等式和所述两个重复-监视信号差等式之一来消除第一阶多次反射：

T_ba，j(t)＝M¹(t)G¹ _ba+N_ba，j(t)

T_10a，j(t)＝ΔP_01，j(t)+M¹(t)G¹ _10a+N_10a，j(t)

现在，下面的滤波函数由下式定义：

F′(t)＝G¹ _10a(G¹ _ba)^-1                          (8)

延时差的估计值如下：

<ΔP_01，j(t)>＝T_10a，j(t)-T_ba，j(t)F′(t)         (9)

如上所述，如果t_s0a≠t_s0b，滤波函数F’(t)的傅立叶变换的频率响应仍然是有界的。在这种情况下，也能抑制高阶多次反射。

为了明确地抑制高阶多次反射，必须记录更多的重复信号。这样，为了抑制第一阶和第二阶多次反射，必须记录三个重复信号，如下：

$T_{0a,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{s0a})+N_{0a,j}\left(t\right)$

$T_{0b,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{s0b})+N_{0b,j}\left(t\right)$

$T_{0c,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{s0c})+N_{0c,j}\left(t\right)$

可以简化上述等式，得到简化的重复勘测等式：

$T_{0a,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;{g^k}_{s0a}+N_{0a,j}\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(10a\right)$

$T_{0b,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;{g^k}_{s0b}+N_{0b,j}\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(10b\right)$

$T_{0c,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;{g^k}_{s0c}+N_{0c,j}\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(10c\right)$

监视勘测具有下述等式：

$T_{1,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{P}_{01,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{s1})+N_{1,j}\left(t\right)$

这样我们得到了有四个未知量M¹(t)，M²(t)，P_01，j(t)和ΔP_01，j(t)的四个方程，其中，我们希望消除头三个未知量，以获得对ΔP_01，j(t)的估计。解这四个方程的方程组的一种方法如下：

减去成对的方程(10a)-(10c)，并使用简化符号，得到三个重复差等式：

T_ba，j(t)＝M¹(t)G¹ _ba+M²(t)G² _ba+N_ba，j(t)         (11a)

T_cb，j(t)＝M¹(t)G¹ _cb+M²(t)G² _cb+N_cb，j(t)         (11b)

T_ac，j(t)＝M¹(t)G¹ _ac+M²(t)G² _ac+N_ac，j(t)         (11c)

从这三个等式，可以以多种方式消除第一阶多次反射。最好，这个工作使用双程水体传播时间具有最大差的函数，令其为：

G¹ _ac＝(g_s0a-g_s0c)

现在定义第一滤波函数：

K(t)＝G¹ _ba(G¹ _ac)^-1                                 (12)

取第三重复差方程(11c)与第一滤波函数K(t)的卷积，将结果从第一重复差等式(11a)中减去。然后定义第二滤波函数L(t)＝G¹ _cb(G¹ _ac)^-1，取第三重复差等式(11c)与L(t)的卷积，并将结果从第二重复差等式(11b)中减去。得到两个等式：

T_ba，j(t)-T_ac，j(t)K(t)

＝M²(t)(G² _ba-G² _acK(t))+N_ba，j(t)-N_ac，j(t)K(t)       (13a)

以及

T_cb，j(t)-T_ac，j(t)L(t)

＝M²(t)(G² _cb-G² _acL(t))+N_cb，j(t)-N_ac，j(t)L(t)       (13b)

监视勘测可以被简化，给出简化的监视方程：

$T_{1,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{P}_{01,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;{g^k}_{\mathrm{ts}1}+N_{1,j}\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(14\right)$

令重复勘测T_0a(t)的双程水体传播时间最接近监视勘测的双程水体传播时间，然后选择第一重复勘测方程(10a)作为用于估计延时差的方程。将该方程从简化的监视勘测方程(14)中减去，得到简化形式的：

$T_{10a,j}\left(t\right)=\mathrm{\&Delta;}{P}_{01,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;{G^k}_{10a}+N_{10a,j}\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(15\right)$

现在定义第三滤波函数：

O(t)＝G¹ _10a(G¹ _ac)^-1                                      (16)

取第三重复差方程(11c)与第三滤波函数的卷积。将结果从简化的监视勘测函数(15)中减去，得到：

T_10a，j(t)-T_ac，j(t)O(t)

＝ΔP_01，j(t)+M²(t)(G² _10a-G² _acO(t))                     (17)

+N_10a，j(t)-N_ac，j(t)O(t)

现在定义第四滤波函数：

Q(t)＝(G² _10a-G² _acO(t))(G² _ba-G² _acK(t))^-1              (18)

取(13a)与第四滤波函数的卷积。将结果从等式(17)中减去，得到：

T_10a，j(t)-T_ac，j(t)O(t)-(T_ba，j(t)-T_ac，j(t)K(t))Q(t)＝

ΔP_01，j(t)+N_10a，j(t)-N_ac，j(t)O(t)

-(N_ba，j(t)-N_ac，j(t)K(t))Q(t)

＝<ΔP_01，j(t)>

从而，延时差的估计值为：

<ΔP_01，j(t)>＝T_10a，j(t)-T_ac，j(t)O(t)                  (19)

-(T_ba，j(t)-T_ac，j(t)K(t))Q(t)

等式(19)是可以用来消除头两个多次反射的简单等式。每一个滤波函数K(t)、L(t)、O(t)和Q(t)是由峰值函数g(t-kt_si)构成的。通过适当地选择在不同时间的海洋状态下的不同重复勘测，可以使这些滤波函数稳定，所述时间这样选择，使得T_s0i不相等。必须确定滤波函数的傅立叶变换具有极点时的频率，以确定带通滤波器的通过频率。

可以理解，也有其它的方法适合解上述四个方程的方程组。每一个滤波函数是时间的函数和时间的反函数的卷积。时间的反函数可以用傅立叶变换定义。时间的函数f(t)的傅立叶变换为 $F\left(s\right)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}f\left(t\right)\&CenterDot;e^{-2\mathrm{i\&pi;}\mathrm{st}}\mathrm{dt},$ 时间的反函数为(f(t))^-1，其选择为使其傅立叶变换为1/F(s)。

当趋向更高频率时，我们将使用对海洋状态的双程水体传播时间测量(从海底量起)，以既测量双程水体传播时间，又测量有效海面反射响应，因为其随着海面波浪条件而变化。在这种情况下，峰值函数g(t-kt_si)会稍微展宽，变成高阻滤波器。但是，上述方法仍然没有改变。

示于图1的地震接收器系统包括两个地震接收器11和12。可以使用任何合适数量的地震接收器。地震接收器不需要安排在一条线上，而是可以布置为任何三维阵列，只要对于所有勘测它们的预定位置是一样的就行。最好，地震接收器被永久定位，例如位于海底或者井中。另外，地震源也可以永久地定位于预定位置，例如在海底或者井中。

下面借助于海洋延时勘测的一个假设的例子对本发明的方法作一演示。在该例子中，使用了在100m水层下的地下地层5的二维模型。该模型的相关参数图示于图3中。在图3中，图示为深度Z、密度40、P波速率41和S波速率42的函数。附图标记45和46表示两个厚沙层。层45和46的厚度这样选择，使得顶反射和底反射可以被分开。对于每一个勘测，在水面使用地震源的一次激发，用在海底以1m的间隔布置的多个在预定位置的地震接收器接收反射波。

图4中右侧的图像图示了计算出来的基础勘测，它包括作为对地震源发射的一个声波的响应，由接收器接收到的第一重复信号，其中每一个信号是垂直记录迹(震迹道)。该信号集合称为“勘测数据”。第一重复勘测的潮汐为0。附图标记45’和46’指来自厚层45和46的主反射。附图标记48和49分别指第一阶和第二阶表面多次反射。

对于同样的源和接收器的布置，用6m的潮汐计算第二重复信号。对于同样的源和接收器的布置，用3m的潮汐计算监视信号。图中未图示第二重复勘测和监视勘测。

假设一个如下式给出的模型，该等式为没有噪声的等式(1)：

$T_{i,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{P}_{0i,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{\mathrm{si}})$

假设在重复勘测和监视勘测之间地下没有发生变化。用本发明的方法获得的作为结果的差值勘测图示于图4的左边，其中，对于每一个接收器，根据等式(9)计算所述差，<ΔP_01，j(t)>＝T_10a，j(t)-T_ba，j(t)F′(t)，其中，滤波函数被定义为F′(t)＝G¹ _10a(G¹ _ba)^-1。

图4清楚地图示了没有发生一次反射(primaries)，第一阶表面多次反射基本上被完全消除了。

为了图解与一般海洋延时勘测之间的差异，可以参见图5。图5的右侧图示了一般的海洋延时勘测的结果，其中，监视勘测已从第一重复勘测中减去。可以清楚地看到，没有消除第一阶和第二阶表面多次反射48’和49’。为了使图面完整，图5的左边与图4的左边是一样的。

图6图示了添加到勘测信号中的噪声的效应。那么信号的模型就变为：

$T_{i,j}\left(t\right)=P_{0,j}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{P}_{0i,j}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}^k\left(t\right)\&CircleTimes;g(t-k{t}_{\mathrm{si}})+N_{i,j}\left(t\right)$

其中，N_i，j(t)是噪声。所添加的噪声是随机的、非相关的，这样选择噪声幅度，使得信噪比约为1。图6右侧图示了一般的海洋延时勘测，其中，监视勘测已经从第一重复勘测中减去，而图6的左侧图示了应用本发明滤波器得到的差。在图右侧(附图标记48″和49″)清楚可见的第一阶和第二阶表面多次反射未出现在图左侧中。

在该例子中，所有信号都通过一个带通滤波器，以避免在约116Hz出现极点(pole)。

在上面，我们结合一个地震源的情况讨论了本发明。当每一次勘测包括多次震源激发时，两次激发之间的时间是这样的，也就是预期所述双程水体传播时间已经发生了变化，必须对每一次激发测量双程水体传播时间，并且必须对每一次激发确定所述滤波函数，并分配给该次激发。可以理解，对于所有勘测，源的水平位置是相同的。

在后来进行监视勘测的情况下，需要重复下述步骤：

在预定时间段之后将所述地震源定位于步骤(a)的位置，对每一个地震接收器记录作为对所述地震源发射的一个声波的响应的、来自所述地震接收器的监视信号，并在记录所述监视信号时测量双程水体传播时间；

对所述信号采用一个模型，包括所述地下信号、由于地下的变化而在地下信号中产生的差异以及表面多次反射的影响；

确定一组能够消除表面多次反射的滤波函数，这些滤波函数是在地震源位置测量到的双程水体传播时间的函数；

从所述重复信号、监视信号和滤波函数，对每一个接收器计算所述地下信号中的估计的差异，所述估计的差异是在记录所述重复信号和记录所述监视信号之间过去的时间中目标层中的变化在地下信号中导致的变化的量度；以及

输出所估计的差异。

在上面，讨论了从本发明的许多种可能的实施方式中选出的几个特定的例子。可以理解，可以从多次重复勘测，对迅速变化但是可以测量或者已知的海洋状态取样，我们能够分离出变化更为缓慢的地下信号的变化，并从地下信号的变化中消除表面多次反射。在这种情况下，只是对本发明的方法的重复，因为新的重复勘测会取代前面的重复勘测。

在另一种实施方式中，可以通过在我们的多次反射抑制方法中代入一个接近实际进行监视勘测的海洋状态的海洋状态范围来计算几个“试探的多次反射抑制”。这会产生一组抑制了多次反射的差结果，我们可以对之进行检查来选择具有最佳抑制的结果。如果我们在工作站上象观看电影那样观看所述各个抑制，我们可以看到，当扫描并通过最佳监视海洋状态参数时，多次反射会减少到最小程度，而后又恢复。这可以用来优化对一阶和高阶多次反射的联合抑制。用于第一阶和第二阶多次反射的联合抑制的最优参数会是这样的：取决于在目标水平(target level)的第一阶和第二阶多次反射的相对强度，给出的“监视”与“基础”之间的海洋状态参数差在真实值及其两倍之间的某处。

这种扫描会增加对小的双程时间测量误差的鲁棒性。

在上面，我们讨论了为了避免在滤波函数的傅立叶变换中产生极点，使信号通过一个带通滤波器。或者，可以取得大量的基础勘测数据，并可以这样选择勘测，使得基础勘测的双程水体传播时间等于或者接近于监视勘测。这会导致对所有阶的表面多次反射的较好抑制，并且可以选择基础海洋状态差，以使高频极点在监视勘测的频带之外。这样，监视信号就不需要通过带通滤波器。所述基础海洋状态差是与重复勘测有关的双程水体传播时间的差。

本发明提供了一种允许从地下信号的变化中分离和抑制表面多次反射的简单方法。

表1：用在等式中的简化符号

g¹ _s0a＝g(t-t_s0a)

g¹ _s0b＝g(t-t_s0b)

g¹ _s0c＝g(t-t_s0c)

g¹ _s1＝g(t-t_s1)

g² _s0a＝g(t-2t_s0a)

g² _s0b＝g(t-2t_s0b)

g² _s0c＝g(t-2t_s0c)

g² _s1＝g(t-2t_s1)

G¹ _ba＝g¹ _s0b-g¹ _s0a

G¹ _cb＝g¹ _s0c-g¹ _s0b

G¹ _ac＝g¹ _s0a-g¹ _s0c

G² _ba＝g² _s0b-g² _s0a

G² _cb＝g² _s0c-g² _s0b

G² _ac＝g² _s0a-g² _s0c

G¹ _10a＝g¹ _s1-g¹ _s0a

G¹ _10b＝g¹ _s1-g¹ _sb

G² _10a＝g² _s1-g² _s0a

N_ba，j(t)＝N_0b，j(t)-N_0a，j(t)

N_cb，j(t)＝N_0c，j(t)-N_0b，j(t)

N_ac，j(t)＝N_0a，j(t)-N_0c，j(t)

N_10a，j(t)＝N_1，j(t)-N_0a，j(t)

N_10b，j(t)＝N_1，j(t)-N_0b，j(t)

T_ba，j(t)＝T_0b，j(t)-T_0a，j(t)

T_ba，1(t)＝T_0b，1(t)-T_0a，1(t)

T_ba，2(t)＝T_0b，2(t)-T_0a，2(t)

T_ac，j(t)＝T_0a，j(t)-T_0c，j(t)

T_cb，j(t)＝T_0c，j(t)-T_0b，j(t)

T_10a，j(t)＝T_1，j(t)-T_0a，j(t)

T_10b，j(t)＝T_1，j(t)-T_0b，j(t)

Claims (6)

1.一种对地下进行海洋延时地震勘测的方法，使用在预定源位置的地震源和包括至少一个在预定接收器位置的地震接收器的地震接收器系统，该方法包括下列步骤：

(a)对于每一个地震接收器，记录从地震接收器获得的、作为对所述地震源发射的一组至少两个声波的响应的一组至少两个重复信号，其中，所述至少两个声波是在不同的海洋状态下发射的，但是发射时间接近而使重复信号中因为地下的变化而产生的差异可以被忽略；在记录所述重复信号时测量双程水体传播时间；

(b)在预定时间段之后，对每一个地震接收器记录作为对所述地震源发射的一个声波的响应的、来自所述地震接收器的监视信号，并在记录所述监视信号时测量双程水体传播时间；

(c)对所述信号采用一个模型，包括所述地下信号、由于地下的变化而在地下信号中产生的差异以及表面多次反射的影响；

(d)确定一组能够消除表面多次反射的滤波函数，这些滤波函数是测量到的双程水体传播时间的函数；

(e)从所述重复信号、监视信号和滤波函数，对每一个接收器计算所述地下信号中的估计的差异，所述估计的差异是在记录所述重复信号和记录所述监视信号之间过去的时间中目标层中的变化在地下信号中导致的变化的量度；以及

(f)输出所估计的差异。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在步骤(a)中的记录之前，以及在步骤(b)中的记录之前，将地震源定位在预定源位置的步骤，其中，对该源位置完成记录。

3.如权利要求2所述的方法，还包括在步骤(a)中的记录之前，以及在步骤(b)中的记录之前，将地震接收器系统的至少一个地震接收器定位在预定接收器位置的步骤，其中，对该接收器位置完成记录。

4.如权利要求1-3的任一个所述的方法，还包括重复步骤(b)到(f)。

5.如权利要求1-3的任一所述的方法，其中，在计算所述估计的差异之前，使所述信号通过一个带通滤波器，使得通过频率由在所述滤波函数的傅立叶变换中产生极点的频率限定。

6.如权利要求4所述的方法，其中，在计算所述估计的差异之前，使所述信号通过一个带通滤波器，使得通过频率由在所述滤波函数的傅立叶变换中产生极点的频率限定。

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