專利名稱：地滾衰減方法
技術領域：
本發明涉及在地震數據信號中使地滾(ground roll)衰減的方法。該方法能產生使地滾衰減后的地震數據信號，它提供了對地下地質構造的更清晰的觀察。該方法特別適合有小型單傳感器接收器陣列的地震數據采集系統使用，在那里地滾不能靠疊加使其衰減。
收集地震數據信號的目的是遙感地下狀況，特別是與石油和天然氣之類碳氫化物的勘探和生產相關聯。為收集地震數據，通常使用聲源，如爆炸物、空氣槍、或震動器，來產生聲音信號，它穿過地質地層傳播。在不同地層之間聲阻抗的變化使部分聲能被反射并返回地面。這些反射信號由地震傳感器接收并被處理以建立地下地質圖。關于地下狀況的主要地震信息是用壓強波數據獲得的，這里的壓強波由聲源產生，由地下地層間的界面反射，然后由位于附近地面的地震傳感器接收。
然而，由聲源產生的一部分聲能不是向下向地下地層傳播，而是沿地球表面水平傳播。這部分地震信號稱作地滾，它以瑞利(Rayleigh)波速度傳播，這通常比上述壓強波的速度慢得多。雖然壓強波通常傳播得比地滾波快得多，但壓強波必須從聲源到反射層再到地震傳感器，其傳播距離比沿地球表面從源到傳感器傳播的地滾波的傳播距離大得多，結果，壓強波和地滾波同時到達地震傳感器的情況并不少見。因為地滾波通常不包含關于被調研的地下地質構造的信息，所以在把地震數據用于產生地下構造圖之前，必須最大限度地衰減(即去掉)地滾波。地滾一般被認為是占主導地位的噪聲源，因而有效地去掉地滾信號常常能大大提高地震勘探過程中得到的地下圖像的質量。
地滾不是以唯一的傳播速度傳播，相反，它表現出大的速度范圍，這取決于地震信號的頻率。地滾的頻散特性是地滾信號有相對較長持續時間的一個原因。這一頻散特性也使開發在地震數據信號中有效衰減地滾的方法變得更為困難。
在地震數據處理中解決地滾壓縮問題的傳統途徑是在數據采集過程中使用接收器陣列，然后把從每個接收器得到的地震數據信號疊加到一起。不論從地球物理觀點還是從經濟觀點看，使用接收器陣列都有一些明顯的缺點。當前，地震數據采集系統通常使用的接收器陣列的空間尺度使得波長達到傳感器布設圖形長度1.4倍的噪聲波被衰減。這導致一種空間模糊(Smering)效應在一特定接收器站的響應是在接收器陣列中所有單個傳感器的響應之和。在產業界還存在著使網格(bin)尺度變小的趨向。標準的50×50m網格尺度將可能被減小為例如40×40m或30×30m，以克服空間混淆問題和提高分辨力。例如，為水庫監測以建立水庫的3D阻抗圖，便需要高分辨力。更小網格尺度的構想被傳統接收器陣列引入的空間模糊效應所抵銷。
除了模糊效應外，傳感器布設圖形也是沒有效力的，因為它們太短了。在衰減地滾方面有效的疊加陣列途徑(有效地組成一個很長的接收器陣列)需要全褶疊幾何圖形，這太昂貴，因而不常使用。多個分布圖形的重疊也與高分辨力矛盾。高分辨力地震學的另一趨向是使用多分量記錄，例如通過使用壓強波源并記錄所有振型轉換后的波或通過使用剪切波源和記錄剪切波響應。然而，對于剪切波，分布圖形得要短(小于12m左右)以避免由于剪切靜力造成的衰減。在地滾衰減方面，這一點進一步抵銷了分布圖形的有效性，從而造成信號噪聲比問題。
單傳感器小陣列地震數據采集系統能避免許多這樣的困難。在這類系統中，來自每個單個傳感器的地震響應能被單獨地處理(即在一特定接收器站，來自陣列中每個地震傳感器的地震數據信號并不立即被疊加以減小地震數據信號中存在的地滾波)。
單傳感器小陣列采集系統伴有若干好處。不需要深爆井來減小所產生的地滾量，淺爆井就足夠了。鉆淺井不那么昂貴，而且由于不需要穿透較深的地下水蓄積區，從而提供了環境方面的好處。不需要爆點(聲源)分布圖形，這減小了地震信號產生過程的費用和復雜性。不需要伸展很長的檢波器分布圖形，從而減小了設備的重量和費用，并減少了為進行地震勘探所需的野外雇員的數量。因為采集的是來自各單個傳感器的地震數據信號(不是立即疊加來自整個傳感器陣列的響應)，便可能進行最佳的數據處理步驟，如基于爆點疊加的深度遷移或振幅與偏移關系分析都是可能的。其后的數據處理還可以固有地起到最佳隨機噪聲衰減器的作用，即無需任何附加費用或附加必要的處理便可消去隨機噪聲。由于改善了單個傳感器數據的信號噪聲比，還有可能減少在一特定接收器站和實際傳感器覆蓋，例如從24減少到16。
然而，如果要使單傳感器小陣列系統生效，必須實現一種新的方法來衰減接收的地震數據信號中的地滾。
所以，本發明的一個目的是提供一種衰減地震數據信號中的地滾的改進的方法。
根據本發明，提供了一種衰減地震數據信號中的地滾的方法，該方法包含的步驟是從附近的地震傳感器得到地震數據信號；建立一個差分濾波器，它包含了對地震傳感器之間地滾差分偏移的估計；以及把該差分濾波器應用于地震數據信號，以產生地滾被衰減的地震數據信號。
能以單進程(one-pass)或多進程濾波器操作來使用本發明的方法，并能與來自附近地震傳感器區域分布圖形的地震數據信號對或地震信號組結合使用。該方法的不同實施例涉及適當地預處理從附近傳感器得到的地震數據信號，或涉及當建立適當的差分濾波器時提取附加的因子。所發明的方法可在時域實現或在頻域實現。
現在將參考附圖以舉例方式描述本發明，在附圖中

圖1顯示地震數據收集過程的示意圖，以及圖2顯示一套地震數據信號，說明所發明的地滾衰減方法。
圖1顯示地震數據收集過程的簡化示意圖。聲源10，例如爆炸性炸藥，被放在地面12以下。當聲源10引爆時，它產生聲脈沖從震源向所有方向傳播出去。這一聲脈沖的一部分包含壓強波14，該壓強波14從聲源10向外傳播，被地震反射體16反射，并被地震傳感器18接收。在圖1中，聲波前，如壓強波14，表現為射線路徑，以易于表現，而地震反射體，如地震反射體16，包含有不同聲阻抗的地質層之間的界面。聲脈沖的另一部分包含壓強波20，它從聲源10向外傳播，穿過地震反射體16，被地震反射體22反射，穿過地震反射體16，然后由地震傳感器18接收。聲脈沖的第三部分包含地滾波24，它從聲源10出發，在地球表面附近傳播到地震傳感器18。
以類似的方式，聲脈沖的另一部分包含壓強波26，它從聲源10向外傳播，被地震反射體16反射，并被地震傳感器28接收。聲脈沖的又一部分包含壓強波30，它從聲源10向外傳播，穿過地震反射體16，被地震反射體22反射，穿過地震反射體16，然后由地震傳感器28接收。聲脈沖的再一部分包含地滾波32，它從聲源10出發，在地球表面12附近傳播到地震傳感器28。地震傳感器18和28；以及其他地震傳感器34，通常將構成地震傳感器陣列，它們以區域性圖形分布在一特定接收器站。
應該指出，為了易于演示，聲源10、地震傳感器18、28和34、以及地震反射體16和22的相對位置已被畸變。在一具體的接收器陣列中，地震傳感器18、28和34的間距通常在幾米的量級，而聲源10和最遠的地震傳感器之間的距離可以在1至2km的量級。然而，碳氫化物勘探所感興趣的地震反射體的深度可以是2至8km之間的量級。
圖2顯示一套地震數據信號，也稱作地震道(seismic trace)，它將用于描述本發明的地滾衰減方法。
使地滾衰減的本發明方法是基于這樣的觀測事實，即對于附近地震傳感器收到的地震數據信號，其地震反射數據將幾乎是完全相同的，而地滾分量將有一些差分偏移。這一性質可被用于估計地滾內容，并在其后用于使地滾衰減。
在圖2中，第一地震數據信號40代表從圖1中的地震傳感器18得到的特征地震數據信號，而第二地震數據信號42代表從圖1中的地震傳感器28得到的特征地震數據信號。在圖2中的地震數據信號描述中，壓強波振幅以傳統方式顯示為離開中央軸的距離，而采樣間隔(時間或距離)被顯示為向每個地震數據信號的底部增大。在下文中第一地震數據信號40還將標為R1，而第二地震數據信號42將標為R2。
能夠看到，第一地震數據信號40和第二地震數據信號42實際上是相同的(因為與壓強波到達傳感器所必須通過的距離相比，兩個傳感器的位置彼此特別靠近)，其例外是在第一地震數據信號中受第一地滾影響的區域44和第二地震數據信號中受第二地滾影響的區域46。由于地滾波的傳播速度顯著地較慢，所以地滾波32到達地震傳感器28的時間顯著地落后于地滾波24到達地震傳感器18的時間。所以在第二地震數據信號42中的受第二地滾影響的區域46遲后于(即慢于)第一地震數據信號40中受第一地滾影響的區域44。地滾波到時(arrival time)中的這一可測量的差異被稱作地滾差分偏移(diferentialmove-out)，它允許創建一個差分濾波器并用于產生地滾被衰減了的地震數據信號。
用信號處理術語來講，以S代表反射信號，以G代表地滾，則R1=S1+G1R2=S2+G2然而，對于小的接收器間距，對所有附近的地震傳感器而言，其反射信號將(幾乎是)完全相同的，即S1=S2=S。如果我們忽略在地震傳感器18和地震傳感器28之間的額外距離上地滾的衰減，則G2將只是信號G1加上某一時間延遲。在Z-域中，一個有幾個采樣的時間延遲可用乘以Zn代表。所以，在Z-域中，G2=ZnG1。
為說明差分濾波器的一個實施例如何操作，把第二地震數據信號42從第一地震數字信號40中減去。這一相減產生一個中間數據信號48，它顯示由圖1中的地震傳感器18從射線路徑24接收的地滾脈沖，即第一地滾脈沖50，并顯示由地震傳感器28從射線路徑32接收的被反向的地滾脈沖，即第二地滾脈沖52(以及某些小振幅背景噪聲)。
按上文定義的術語，R1-R2=(S1+G1)-(S2+G2)，但由于S1=S2和G2=ZnG1，這還能寫成R1-R2=(1-Zn)G1。
在已建立起地滾差分偏移(Zn)的適當估計之后，第一地滾脈沖50和第二地滾脈沖52便能組合起來產生一個地滾信號估計54，它具有估計的地滾脈沖56。地滾差分偏移項Zn代表地滾在第一地震數據信號40中出現的地方與地滾在第二地震數據信號42中出現的地方二者之間的時間差。
按數學術語，有G=R1-R21-Zn]]>于是便能從第一地震數據信號40中減去地滾信號估計54，從而產生地滾被衰減了的地震數據信號58。由地滾波24引起的聲信號已(基本上)從第一地震數據信號40中去掉，而地滾被衰減了的地震數據信號58更準確地反映出來自壓強波14和20的響應。以這種方式，地滾被衰減了的地震數據信號提供了聲源10和地震傳感器18之間地下地質構造的一個更好的視圖。
按數學術語，有S1=R1-G1應該指出，圖2中所示地震數據信號已被簡化，以更好地演示本發明地滾衰減方法。在實際地震數據中，地滾脈沖很少會這樣突出，不論在脈沖的持續時間方面還是在其頻率成分方面都是如此。
然而，用于產生地滾信號估計54(G1)的濾波操作只是有條件地穩定的，因為分母(1-Zn)能變為零。在實踐中，地滾估計通常由設置因子δ來使其穩定，這個因子部分地歸因于當地滾波穿過地震傳感器之間的額外距離時由于傳播損失造成的地滾實際衰減。0.95量級的穩定常數通常提供最穩定的結果。
在單進程(one-pass)操作中可通過求解如下線性方程同時計算出反射信號和地滾 為適當地實現地滾衰減方法，需要知道一個(卓越)地滾速度，因為它決定了在濾波器中出現的延時項Zn。
確定(卓越)地滾速度和相應的延時因子Zn的一種方法是利用與聲源共在一條直線上并等間隔分布的三個地震傳感器(近的(N)，中距的(M)和遠的(F))接收的地震數據信號。如果用TN、TM和TF分別代表在地震傳感器N、M和F處接收的地震數據信號，而ΔTFM(z)=TF(z)-TM(z)，ΔTNM(z)=TN(z)-TM(z)，則可利用下式所示相關函數寫出延時項ZnZn=ΔTFM(z)ΔTNM(1/z)ΔTNM(Z)ΔTNM(1/z)]]>這些結果代表一個作為頻率函數的線性相移，由它能導出延時。對于3D(非直線性的)幾何分布，該延時需被校正到歸因于聲源和地震傳感器之間徑向分開的實際差距。
也可使用其他延時因子估計方法。例如，可通過在中間數據信號48中測量第一地滾脈沖50和第二地滾脈沖52的過零點(cross-overpoint)之間的距離來“拾取”這個延時。第三種方法涉及選擇一組可能的時間延時(例如根據從各接收器到源的距離差和預計的地滾速度)，然后使各種頻率-時間窗上的信號能量估計達到極小。
通過實現意欲更接近地完成差分技術假設的步驟，可使本方法得到增強。在建立差分濾波器之前可實現預處理步驟，以允許地震數據信號更接近地匹配于本方法的假設。這些預處理步驟可以包括對地震數據信號校正其正常偏移(由于各地震傳感器和源之間的距離差引起的在所收到的反射信號中出現的相對較小的時移)，靜態校正地震數據信號，對地震數據信號進行振幅歸一化，對地震數據信號進行頻率濾波和只選擇存在地滾波而且差分濾波器穩定的頻段，只選擇和濾波地震數據道中實際存在地滾的那些部分(即“地滾錐(cone)”，例如使用我們的PCT國際申請公布號WO98/22825(這里引用作為參考)中披露的方法，以及校正所估計的延時，如果源和各傳感器不是直線對位的話。
當在創建差分濾波器時除地滾差分偏移外還引入其他因子也能類似地增強本方法。例如，可以選擇一組振幅標度因子(以調節地震數據信號的相對振幅差)和一組疊加加權因子(以允許來自每個輸入道的對最后濾波后的道的影響從簡單地50/50調整)，然后對這些因子中的每一個可計算出在各種頻率-時間窗上信號能量估計值，具有最小能量的信號估計可被送到輸出端。
對本方法的其他增強涉及使地滾差分偏移估計變為依賴頻率的。通過使用如下步驟完成速度分析，可得到適當的頻散地滾速度確定一個適當的地滾錐形；在此地滾錐內選擇數據，把該地震數據分成若干時間窗和若干頻段；對每個頻段，檢驗速度范圍，使用一特定速度對數據進行線性偏移，測試該范圍內的所有速度，選擇在各道之間產生最高相干性的那個特定速度(即造成具有最低能量的濾波后信號的那個速度)，并對每個頻段完成這一檢驗。對差分濾波后的各頻帶可進行合并，進行付立葉逆變換，然后可對所有時間窗進行合并，以建立輸出信號道。
通過對不同的卓越地滾速度建立差分濾波器(每個濾波器有不同的地滾差分偏移/時延項Zn)并以級聯多進程方式把差分濾波器應用于地震數據信號，以在每個不同的卓越地滾速度上估計和衰減地滾，這樣便能使多重地滾振型被衰減。
還能利用接收器布局幾何形狀自動選擇接收器對，并對每個接收器選擇一組其他接收器，那些接收器到這一接收器的距離小于一定義的閾值。從這組其他接收器中可以選擇一些特定的濾波器，例如可選擇最接近于由用戶定義的最佳偏移的那些接收器。
如果可得到的附近地震傳感器數(K)大于要消除的卓越地滾速度數(N)加1，則可使用最小二乘擬合來增加本方法的穩健性。
利用這種最小二乘擬合的一種方法是求解如下方程 在此方程中，S仍代表所希望的信號估計，矢量G包含N個單個噪聲(地滾估計)，矢量R包含K個輸入地震數據信號，I代表[(N+1)×(N+1)]單位矩陣。A是一個[K×(N+1)]矩陣，含有如下形式的延時 為避免在應用差分濾波器的頻率范圍內包括濾波器極點，地震傳感器有一最佳間距，近似等于(0.05*v1)/f0和(0.95×v0)/f1二者當中的較低者，這里v1是要被衰減的最高地滾速度，f0是要被衰減的最低地滾頻率，v0是要被衰減的最低地滾速度，而f1是要被衰減的最高地滾頻率。
在處理過程的各點(例如對于每個時間窗或頻段)，其差分濾波器的結果可與其他地震道的可比較部分進行比較，例如輸入道和/或傳統疊加的結果。如果滿足某些判據(例如這其他地震道中任何一個的能量低于該差分濾波器的結果)，則該差分濾波器的結果可被放棄，并在其后的數據處理中把這個更好的其他地震道用到它的位置。
用這種方法還能輸出地滾估計，并將其用于質量控制或用于其后的以地滾估計作為輸入的去掉地滾過程。
據估計，本發明的方法能在10-50Hz頻率范圍內使地滾衰減10-13dB，而使這一頻率范圍內的信號畸變限制在1-2dB的量級。
當使用這一方法時，有可能記錄一陣列中來自地震傳感器的不全部地震數據信號，并在其后利用一個或多個記錄的地震數據信號以及記錄的地滾被衰減的地震數據信號來重建這未被記錄的數據信號。
本發明包括這里或者明顯說明的或者隱含的任何新特性或新的特性組合。
權利要求
1．一種使地震數據信號中的地滾衰減的方法，所述方法包含如下步驟從附近的地震傳感器得到地震數據信號，創建差分濾波器，它包含對所述地震傳感器之間的地滾差分偏移的估計，以及把所述差分濾波器應用于所述地震數據信號以產生一個地滾被衰減了的地震數據信號。
2．根據權利要求1的一種方法，這里所述差分濾波器的形式是 這里S是地滾被衰減了的地震數據信號，G是地滾，R1和R2是來自附近地震傳感器的地震數據信號，Zn是與所述地滾差分偏移相關聯的時延因子，δ是一個穩定因子。
3．根據權利要求2的一種方法，這里所述穩定因子δ約為0.95。
4．根據權利要求1的一種方法，這里的地震數據信號是從K個附近地震傳感器得到的，K是一個大于或等于3的整數，而且這里對N個卓越地滾速度估計地滾差分偏移，這里N是小于或等于K減1的整數。
5．根據權利要求4的一種方法，這里在一個單進程濾波器操作中從由所述K個附近地震傳感器得到的所述地震數據信號中去掉以所述N個卓越地滾速度傳輸的地滾，而且這一單進程濾波器操作產生所述地滾被衰減了的地震數據信號作為其輸出。
6．根據權利要求4的一種方法，這里K大于N加1而且使用一種最小二乘擬合來產生所述地滾被衰減了的地震數據信號。
7．根據權利要求1的一種方法，這里對N個卓越地滾速度創建差分濾波器，N大于或等于2，每個所述差分濾波器以級聯多進程方式應用于所述地震數據信號，以在所述N個卓越地滾速度的每一個上估計和去掉地滾。
8．根據權利要求1的一種方法，這里所述地震數據信號已在創建所述差分濾波器之前進行了正常偏移校正。
9．根據權利要求1的一種方法，這里所述地震數據信號已在創建所述差分濾波器之前進行了靜態校正。
10．根據權利要求1的一種方法，這里所述地震數據信號已在創建差分濾波器之前被振幅歸一化。
11．根據權利要求1的一種方法，這里所述地震數據信號已在創建差分濾波器之前被頻率濾波。
12．根據權利要求1的一種方法，這里除了所述地滾差分偏移估計和穩定因子外，還使用了其他因子以創建所述差分濾波器。
13．根據權利要求1的一種方法，這里來自附近地震傳感器的所有所述地震數據信號并非都被記錄，所記錄的地滾被衰減了的地震數據信號允許重建來自附近地震傳感器的未被記錄的地震數據信號。
14．根據權利要求1的一種方法，這里所述附近的地震傳感器的間距大約等于(0.05*v1)/f0和(0.95*v0)/f1二者中的較低者，這里v1是要被衰減的最高地滾速度，f0是要被衰減的最低地滾頻率，v0是要被衰減的最低地滾速度，f1是要被衰減的最高地滾頻率。
15．根據權利要求1的一種方法，這里所述地滾差分偏移的估計是依賴于頻率的，通過使用如下步驟完成速度分析，可得到適當的頻散地滾速度確定一個適當的地滾錐形；在此地滾錐內選擇數據；把所述地震數據分成若干頻段；對每個頻段，檢驗速度范圍，使用一特定速度對所述地震數據信號進行線性偏移，測試所述范圍內的所有速度，選擇在所述各地震數據信號之間產生最高相干性的特定速度，并對所述每個頻段完成這一檢驗。
16．根據權利要求1的一種方法，這里所述差分濾波器是一個頻率域濾波器。
17．根據權利要求1的一種方法，這里所述地滾估計被輸出并用于質量控制或用于其后的去掉地滾過程。
18．根據權利要求1的一種方法，這里所述附近地震傳感器是根據它們的分開距離自動選擇的。
19．根據權利要求1的一種方法，這里所述地滾被衰減的地震數據信號與另一地震數據信號進行比較，如果滿足某些選擇判據，則在其后的數據處理中使用所述另一地震數據信號以代替所述地滾被衰減了的地震數據信號。
全文摘要
披露了一種用于使地震數據信號中的地滾衰減的方法。地震數據信號是從附近地震傳感器得到的。創建了一個差分濾波器,它包含地震傳感器之間地滾差分偏移的估計。然后該差分濾波器被用于地震數據信號,以產生地滾被衰減了的地震數據信號。能以單進程和多進程濾波器操作來使用這一方法,并能與來自附近地震傳感器區域分布圖形的地震數據信號對或地震信號組結合使用。能對這些地震數據信號進行適當的預處理,并在創建差分濾波器時除地滾差分偏移外還能納入其他因子。所發明的方法能在時間域或在頻率域實現。
文檔編號G01V1/28GK1295672SQ9980455
公開日2001年5月16日 申請日期1999年3月25日 優先權日1998年3月30日
發明者蓋多·J·M·貝坦, 羅蘭·馬歇爾 申請人:施魯博格控股有限公司