專利名稱：用于地震波場分離的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震數(shù)據(jù)的獲取和處理領(lǐng)域，尤其涉及一種關(guān)于地震波場分離的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
對陸地地震數(shù)據(jù)作理想化處理、分析和說明需要有關(guān)波場的完整信息，以便將波場分離為它的上行、下行波、P和S分量以及確定相位和極性。對于地表地震數(shù)據(jù)的3C的獲得，通常的方式是簡單地將垂直分量解釋為P部分，將水平分量解釋為SV和SH部分。這種“傳統(tǒng)”的P/S解釋方式對垂直到達是準確的。然而，當能量沿一個偏離法線的入射角入射時，一方面由于投影在所有的成分上，另一方面由于不一致的反射系數(shù)和自由表面上的模式轉(zhuǎn)換，該近似發(fā)生失敗。
關(guān)于波場分離的準確解析的濾波表達式最初來源于例如Dankbaar.J.W.M.在1985年提出的，P波和S波的分離Geophys.Prosp.，33，970-986，而且這些技術(shù)都應(yīng)用于常規(guī)記錄布置的地震數(shù)據(jù)上。不幸的是，靜態(tài)(statics)問題嚴重地限制著基于波動方程的這種技術(shù)的應(yīng)用。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種濾波技術(shù)，并使其應(yīng)用到一種其中的靜態(tài)實際上是恒定的局部密集配置的單一傳感器接收器組。
本發(fā)明還提供了一種可以有效地直接應(yīng)用于空間域的濾波技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于局部密集地震數(shù)據(jù)的濾波器的產(chǎn)生方法，該方法包括從設(shè)計為記錄彈性或聲學波場特性的局部密集地震勘測中獲得勘測布置結(jié)構(gòu)特性，該勘測包括多個接收器組，每個組包括至少三個相互密集間隔的接收器。根據(jù)該方法，設(shè)計一濾波器，其使用可以在一個組中估算的、在波場的空間微商的一階和最高階之間的階的波場的空間微商，使得當結(jié)合來自單一組內(nèi)的數(shù)據(jù)時，該濾波器分離到達該單一組的一些或所有的波場的分量。
該濾波器可以被設(shè)計為可以分離上行/下行波分量，P/S分量或是上行/下行波分量和P/S分量。
在組中密集間隔的接收器被間隔分開成使得在所關(guān)心的波場部分中的靜態(tài)基本為恒定。更具體地，密集間隔的接收器的每一個被間隔以大約2米或更小，或被間隔以所關(guān)心的最短波長的大約五分之一距離或更小。
波場的偏導最好被計算，這可使用泰勒級數(shù)展開式作為近似來進行。根據(jù)本發(fā)明，最好是通過結(jié)合對近表面介質(zhì)特性的估算，地震數(shù)據(jù)和算得的(對時間和空間的)偏導來對地震數(shù)據(jù)進行濾波。
這種濾波器還可以用于從地震數(shù)據(jù)中分離出表面波或空氣波引入的地面運動。自由表面條件可被用于把波場的垂直偏導轉(zhuǎn)換為水平偏導。
根據(jù)本發(fā)明，雖然可以進行其它應(yīng)用，但該地震勘測主要用于對碳氫化合物的儲量勘探、評估和特性描述。
本申請可應(yīng)用于近表面速度為各向同性的或各向異性的情況下。
圖1a-c為依照本發(fā)明的彈性動力學表述定理的各種圖解；圖2為用來從等式(36)的散度中除去自由表面影響的濾波器的標準化實數(shù)部分的曲線圖；圖3a和3b為依據(jù)本發(fā)明的帶有局部密集接收器組的地震測量的例子；圖4a和4b為通過數(shù)值方法直接計算的散度；圖5a-d表示了僅從V3測量得到的部分；圖6a-d表示使用本發(fā)明的優(yōu)選實施例的波場分離技術(shù)的結(jié)果；圖7為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的地震數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)的示意性圖解；圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的濾波技術(shù)的步驟。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供了一種用于分離地表地震數(shù)據(jù)的P/S和去除陸地自由表面(例如上行/下行分量)的影響的新途徑。通過使用自由表面條件把垂直空間微商轉(zhuǎn)換為水平微商，這種方法可利用該自由表面上的波場局部密度測量計算波場的所有空間微商。該方法可進而用于在該自由表面的波場散度(P波)和旋度(S波)的計算。
自由表面的影響最好使用彈性流體力學表述定理，通過一種上行/下行分離步驟來去除。由此得到一個用記錄數(shù)據(jù)對空間濾波器卷積的表達式。該濾波器可以被成功近似，使得它們擬合于P/S分離步驟的局部密度獲取模式。尤其是最簡單的由兩項組成的上行P波近似表達式。第一項最好對應(yīng)為有自由表面時的散度乘以介質(zhì)常數(shù)(materialconstant)。第二項最好是介質(zhì)常數(shù)定比的被記錄垂直分量的時間微商。因此，通過第一項把一個修正值加到“傳統(tǒng)的”P-解釋中，可以改善法線入射之外的入射角的精確度。
申請于2000年2月15日的題目為“估計地震物質(zhì)特性的系統(tǒng)和方法”的英國專利申請(英國專利申請?zhí)枮?003410.8)在此引入作為參考，其中提供了一種使用波場的體記錄去轉(zhuǎn)換地球中靠近一個小的密集布置的接收器陣列中的P和S的速度的方法。“體記錄”指的是一種在近似包圍地球體積的陣列。這種估計值為波場在任一時間點上P和S分量的有效速度。如果要估測近表面地球構(gòu)造，這樣的速度對于這里講到的靜態(tài)估計或是把波場分離為上行和下行分量是很有用的。
陸地地震記錄中包含的自由表面條件將在參照完全各向異性的情況下被首先討論。彈性構(gòu)造關(guān)系將源自由區(qū)域的應(yīng)力張量分量σij和應(yīng)變張量分量εij聯(lián)系起來σij＝Cijklεkl； (1)其中Cijkl為彈性抗撓度。下標1和2對應(yīng)水平坐標x1和x2，而下標3對應(yīng)于垂直向下方向x3，使用佛克脫(Voigt)記法，等式(1)可被寫為σ11σ22σ33σ23σ13σ12=Cϵ11ϵ22ϵ332ϵ232ϵ132ϵ12;---(2)]]>其中C是帶有21個獨立分量的對稱性抗撓性矩陣C=C11C12C13C14C15C16C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35C36C41C42C43C44C45C46C51C52C53C54C55C56C61C62C63C64C65C66.---(3)]]>張力εij由質(zhì)點速度vI，由下式表示ϵ.ij=12(∂jvi+∂ivj),---(4)]]>其中i表示在x1，x2或x3方向上的空間微商，那一點表示時間微商。在陸地采集中，地表3C接收器的空間分布可以讓我們計算質(zhì)點速度的水平空間微商(或者如果質(zhì)點的加速度被記錄，是它的時間微商等)。用于全面了解波場的唯一缺少的信息是記錄的波場的垂直微商。
地面自由表面條件給了我們?nèi)齻€額外的約束條件σi3＝0， (5)這對于我們計算剩余的速度足夠了，假設(shè)我們對相關(guān)彈性抗撓性進行一些獨立估計。
另外，在應(yīng)力張量和應(yīng)變張量各元素間的相互關(guān)系的約束可以被用于修正耦合或用于計算近表面特性。
近表面環(huán)境各向同性介質(zhì)特性的狀況對于地表地震情況中是特別感興趣的。使用抗佛克脫(Voigt)記法，抗撓性矩陣表示如下 其中λ和μ是Lame′常量。
利用自由表面條件(5)的約束表示變?yōu)?amp;PartialD;3v3=-λλ+2μ(∂1v1+∂2v2)---(7)]]>3v2＝-2v3(8)3v1＝-1v3， (9)其中右邊的水平微商由表面測量可知。請注意，介質(zhì)特性只出現(xiàn)在等式(7)中，不出現(xiàn)在等式(8)和(9)中。
將討論覆蓋均質(zhì)各向同性的半空間的自由表面上的波場的散度和旋度。討論將在各向同性媒質(zhì)環(huán)境中進行。有關(guān)質(zhì)點位移量u的彈性波方程如下ρü＝f+(λ+2μ)(·u)-μ×(×u)，(10)其中ρ為密度，f表示體積力的分布。Lame′定理聲稱，存在具有下述特性的u的勢能Φ和ψu＝Φ+×ψ， (11)·ψ＝0， (12)Φ..=Φρ+cα2▿2Φ,---(13)]]>Ψ..=Ψρ+cβ2▿2Ψ,---(14)]]>其中Cα和Cβ為P速度和S速度，Φ和ψ是與體積力有關(guān)的勢能分量。這樣，彈性波場u被分別分解為它的P波和S波分量，Φ和×ψ。由等式(11)和(12)推出·u＝2Φ， (15)×u＝××ψ (16)通過測量彈性波場的旋度和散度，我們就能分別測量出它的P波和S波分量。
一種包括3C測量的四面體的獲取模式可以被用來達到從波場中分離出它的無散度和旋度分量。參見例如Robertsson，J.O.A.和Muyzert，E.，1999的Geophys.Res.Lett.，vol.26，2821-2824“使用三分量記錄的體分布的波場分離”，這種獲取模式在英國專利申請?zhí)枮?921816.6的文件中有更詳細的描述，作為本文的參考。波場成分的所有空間微商都能被計算。因此，僅從表面測量就能顯式計算出散度和旋度。等式(7)、(8)、(9)給了我們以下有關(guān)自由表面上質(zhì)點速度的散度和旋度的表達式(▿·v)=2μλ+2μ(∂1x1+∂2x2),---(17)]]>(×v)1＝22v3， (18)(×v)2＝-21v3，(19)(×v)3＝1v2-2v1，(20)首先，我們注意到比率2μλ+2μ=2(Cβ/Cα)2]]>(可能是依賴頻率的)成比例地確定等式(17)中散度的表達式。
其次，等式(17)、(18)、(19)和(20)獲得波場的上行和下行部分。這包含自由表面上的模式轉(zhuǎn)換。例如，由(17)給出的散度不僅包含想要得到的上行P波，還包含下行P-P反射、下行S-P轉(zhuǎn)換等。此外，平面P波是垂直入射到自由表面的，它的散度為零(上行和下行部分干涉相銷)。因此去除自由表面的影響被看作是優(yōu)選的P/S分離技術(shù)中重要的一個步驟。
現(xiàn)在將討論一種使用彈性動力學表述定理的上行/下行波場分離技術(shù)。彈性動力學表述定理或Betti’s關(guān)系式可以使用高斯(Gauss)定理從運動方程和彈性構(gòu)造關(guān)系導出。假設(shè)我們有一個由表面s包圍的空間V，我們希望計算在V中一點x′處的波場u的位移。位移u(x＇)直接與應(yīng)力量σ和沿s的位移，V中的源有關(guān)，也和位移格林(Green)張量Gij和在s或源點與x′之間的應(yīng)力格林張量∑ijk函數(shù)有關(guān) 其中 是s的法線單元矢量，ti(x)是穿過s在點x上的牽引力，f，是來自V內(nèi)源的力的第i個分量。等式(21)為所表述定理的頻域表達式。在時域中，我們也有在時間上的卷積。沿s的索引力t被定義為t=n^·σ.---(22)]]>現(xiàn)在，假設(shè)所述體積V由均質(zhì)彈性媒質(zhì)組成。圖1a-c為依照本發(fā)明的彈性動力學表述定理的各種圖解。首先，考慮圖1a所示的閉合表面s1+s2。在這種情況下，我們假定有位于V外的一個源，它被沿著s1作為上行模式被記錄。Sommerfeldt的輻射條件表明在無限大時來自s2的貢獻會消失。因此，在等式(21)中閉合表面積分可以被非閉合表面積分所替換un(x′)=∫S1(ti(x)Gin(x,x′)-ui(x)n^jΣjin(x,x′))dS(x).---(23)]]>等式(23)的表達式表示了一種在x′的上行波場，因為該場在s1上是上行的。
下面考慮在圖1b中描述的情況。如果我們用類似的方法，在V外面s1上方放置一個源，我們可得到一個類似于等式(23)的表示下行波場的表達式。
最后，我們考慮圖1c中的情況。這次我們假設(shè)s1遵循地球表面地形，沒有源(主或二次)在V中，x′被放置在地表下方并無限小接近該表面。此外，表面S的左右兩個邊緣在無限遠處，在積分中不起作用。因此該表述定理變?yōu)閡n(x′)=∫S1+S2((-iω)ti(x)Gin(x,x′)-vi(x)n^jΣjin(x,x′))dS(x).---(24)]]>在等式(24)中我們用質(zhì)點速度vi來代替位移u1，因為這樣會更便于處理。通過上述公式推導，現(xiàn)在清楚了在S1上的積分貢獻對應(yīng)于在x′處的下行場。而且，對于水平自由表面，我們知道σi3＝0(等式(5))。因為整個場包含了上行和下行波的和，所以在表面下的上行質(zhì)點速度場由下式給出v~n(x′)=vn(x′)+∫S1vi(x)Σ3in(x,x′)dS(x).---(25)]]>在下文中波浪號表示只有上行波的波場，即已經(jīng)從波場中去除了自由表面影響。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，彈性動力學表述定理可以被用于從表面地震記錄中提取出希望得到的上行波場。有關(guān)從海底電纜得到的地震數(shù)據(jù)的這種情況的探討，參見公開的申請?zhí)枮镚B2333364 A的英國專利，在此引入以資參考。
在下面的討論中，ω為角頻率，kα＝ω/Cα和kβ＝ω/Cβ是P和S波數(shù)，Cα和Cβ是(各向同性的)P和S速度，ρ是密度。
在各向同性的均質(zhì)媒質(zhì)中的彈位位移格林(Green)張量為Gin(x,x′,ω)=1ρω2(kβ2δingβ(x,x′,ω)+∂i∂n(gβ(x,x′,ω)-gα(x,x′,ω))),---(26)]]>其中g(shù)α和gβ是P和S的格林(Green)函數(shù)，δin是Kronecker的delta，對于3D均質(zhì)媒介情況，這些由下式給出gα(x,x′,ω)=14πeik|x-x′||x-x′|,---(27)]]>根據(jù)位移格林(Green)張量給出的相應(yīng)各向同性應(yīng)力格林張量為∑ijk＝λδijkGkn+μ(jGin+iGjn).(28)這里假設(shè)平坦水平自由表面。因而需要一個格林函數(shù)的表達式，以至在x3方向上x＝(ξ，x3)和x′＝(ξ′，x3＇)被放置得彼此非常靠近，而水平分離可以任意。因此，x3-x3＇＝ε→0+，而且相對于x1和x2方向格林張量為交換不變量。
由于在等式(26)和(28)中“自由空間”格林張量Gkj和∑ijk為交換不變量，由表現(xiàn)定理(25)給出的上行波場的表達式可以被寫為標注*的空間卷積v~1(x)=12(v1(x)-Fv3v1(x)*v3(x)),---(29)]]>v~2(x)=12(v2(x)-Fv3v2(x)*v3(x)),---(30)]]>v~3(x)=12(v3(x)+Fv1v3(x)*v1(x)+Fv2v3(x)*v2(x)).---(31)]]>等式(29)、(30)和(31)中的濾波器為Fv3vv=-2∂v((1+2kβ-2∂μ2)gα+2kβ-2∂32gβ),---(32)]]>Fvvv3=2kβ-2∂v(-2∂32gα+(kβ2+2∂32)gβ),---(33)]]>其中的下標v和ζ指示對應(yīng)于水平坐標x1和x2的下標1或2。
通過在等式(27)中使用格林函數(shù)，我們能獲得可以直接利用的等式(32)和(33)中的濾波器的顯示表達式。在fk域中它們?yōu)镕v3vv=kvk3(α)(1-2kβ-2(kμ2+k3(α)k3(β))),---(34)]]>Fvvv3=kvk3(β)(1-2kβ-2(kμ2+k3(α)k3(β))),---(35)]]>其中k3(α)=kα2-kζkζ]]>是P波的垂直波數(shù)，k3(β)=kβ2-kζkζ]]>是S波的垂直波數(shù)。
現(xiàn)在將討論用于表面地震數(shù)據(jù)P/S分離的優(yōu)選技術(shù)。通過對等式(29)、(30)和(31)空間求導，我們可以計算上行波的散度和旋度。由于這其中包含了應(yīng)力格林張量∑ijk的空間微商，這里必須小心一些。采用這種方式，得到以下表達式(▿·v~)=μλ+2μ(∂1v1+∂2v2)+Fv3(▿-v)(x)*v3(x),---(36)]]>(▿×v~)1=∂2v3+Fv1(▿×v)1(x)*v1(x)+Fv2(▿×v)1(x)*v2(x),---(37)]]>(▿×v~)2=-∂1v3+Fv1(▿×v)2(x)*v1(x)+Fv2(▿×v)2(x)*v2(x),---(38)]]>(▿×v~)3=12(∂1v2-∂2v1).---(39)]]>此外，在等式(27)中使用格林函數(shù)，我們可以獲得等式(36)、(37)和(38)中濾波器的顯式的表達式。在fk域中，它們?yōu)镕v3(▿·v)=-ikα2(1-2kβ-2kμ2)2k3(α),---(40)]]>Fv1(▿×v)1=ik1k22k3(β),---(41)]]>Fv2(▿×v)1=ikβ2-kμ2-k222k3(β),---(42)]]>Fv1(▿×v)2=-ikβ2-kμ2-k122k3(β),---(43)]]>Fv2(▿×v)2=-Fv1(▿×v)1.---(44)]]>對P波的解釋的傳統(tǒng)方法只是簡單地查看記錄的v3分量。這對于垂直傳播的P波是準確的。如我們在上面看到的，另一方面散度在自由表面為零。對于水平傳播的P波，情況正好相反，v3為零而散度正好包含P波。從等式(36)和(40)我們可以看到，正確的表達式結(jié)合v3與存在自由表面的散度表達式，這樣它就能對于所有入射角都保持正確。
等式(40)到(44)是在接收器位置的介質(zhì)特性Cα和Cβ的函數(shù)關(guān)系式。這些參數(shù)是用和2000年2月15日在英國提交的標題為“地震介質(zhì)屬性的評估系統(tǒng)和方法”(英國專利申請?zhí)?003410.8)的專利申請中所描述的與這里的密集表面測量的方法一致的全波方程方法進行估算。
現(xiàn)在說明一個使用波場分離濾波器的優(yōu)選實施例。上面導出的濾波器在理論上可直接使用得出對具有平表面的均一介質(zhì)是正確的表達式。這些表達式將去除所有下行波和包含地滾波的漸失波。
可是，濾波器在逐漸地衰減，包含一些復雜的因子。K1和K2的高階因子對應(yīng)于在空間域的高階微商。最嚴重的問題是由因子K3(α)和K3(β)所引起的。這些項和空間域中任何直接的運用都不對應(yīng)。當它們出現(xiàn)在分母時將在Kα和Kβ分別引入一極點。
一個直接的濾波器近似是在波數(shù)域的Kζ＝0附近的泰勒展開(Kζ因為對應(yīng)空間微商)。對等式(40)，(41)，(42)，(43)和(44)的泰勒近似的最低階項是Fv3(▿·v)≈ikα2-ikα4kμ2(4kβ-2-kα-2),---(45)]]>Fv1(▿×v)1≈ik1k22kβ,---(46)]]>Fv2(▿×v)1≈-ikβ2+i4kβ(2k22+kμ2),---(47)]]>Fv1(▿×v)2≈ikβ2-i4kβ(2k12+kμ2),---(48)]]>Fv2(▿×v)2≈-ik1k22kβ.---(49)]]>附圖2示出了用來從方程式(40)的散度中去除自由表面影響的濾波器的標準化實部的曲線。實線反映了確切的濾波器(方程式(40))。對超出對應(yīng)于水平傳播的P波的極點的波數(shù)，濾波器為虛的(漸消模式)。附圖2也示出了方程式(45)中給出的零階(虛線)和一階(虛點線)泰勒近似的曲線。
下面討論對合成數(shù)據(jù)的優(yōu)選波場分離方法的應(yīng)用。一個反射率碼被用來測試根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實例的波場分離方法。具體實例參照Kennett，B.L.1983，地震波在分層介質(zhì)中傳播劍橋大學出版社，劍橋。這里選出與例如有限差分相反的，因為上行和下行波場可被分別計算。此外，界面下的數(shù)量可準確獲得。來自反射率碼的輸出是質(zhì)點速度以及質(zhì)點位移的散度。
附圖3a和3b示出了按本發(fā)明的一個局部密集接收器組的地震測量實例。附圖3a也是一種用來測試按本發(fā)明優(yōu)選實施例的波場分離方法的模型。在這模型中，點源是用來產(chǎn)生3-D合成。源包含50赫茲的Ricker子波而且是爆發(fā)型的(只輻射P波)。
如附圖3a所示點源202在地表204下100米，波場在從0米的偏移至450米以25米的組間間隔被記錄。地震檢波器組206，208和210被示出為系列組中的前三組，每一組間隔25米。在每個記錄位置，每個記錄組包括四個3C地震檢波器組在兩個水平方向甚至間隔0.5米。附圖3a也示出了一個位于地表204下150米處的反射地下表面212。
附圖3b是在單一的接收組210中地震檢波器排布實例的一個平面圖。接收組210包括四個在地表上的地震檢波器250，252，254和256。接收器250和254相互間隔約0.5米。如附圖3b還示出其他的接收器組，如接收組206和208放置的虛線260。
移動到較小接收器間隔的好處包括估算的微商的更高的準確性，和在接收器附近介質(zhì)特性相同這種假設(shè)的更高的有效性?？墒?，較寬間隔的好處在于降低了對噪音的靈敏性。這些矛盾的考慮結(jié)合彈性波和聲波(或更準確地說，波場在記錄表面上的投影)當在設(shè)計接收器組間隔時都應(yīng)予以考慮。按照一個優(yōu)選實施例，局部密集接收器之間間隔為大約1米?？墒怯行┣闆r間隔將會更大，如大約2米，或稍小，如0.5米。根據(jù)一個優(yōu)選方案，接收器之間間隔為大約0.25米或更小。如上所提及的，接收器之間的最佳間隔依賴于關(guān)心的波長。在記錄表面上所關(guān)心的最短波長的投影之內(nèi)應(yīng)當至少有兩個接收器。根據(jù)一個優(yōu)選方案，接收器的間隔距離大約等于或小于關(guān)心波長的五分之一。
如附圖3a和3b中的排列模型所示，來自接收器組的測量被用來獲得波場在每個位置的水平微商。在這個例子中，我們將測試散度上的波場分離技術(shù)。我們期望旋度顯示相似的結(jié)果。最后，此例中顯示的所有部分以振幅的相同比例繪制出來，使得振幅能夠在軌跡和不同的部分之間被直接地相互比較。
附圖4a和4b顯示了由反射率碼直接計算得出的散度。附圖4a顯示了一個包含上行波和下行波的部分。注意，當我們趨近零偏移時散度消失。這是因為對于垂直傳播的平面P波散度為零。附圖4b示出了僅僅上行波的散度，這是使用我們的波場分離方法所希望的P波部分，并且因而作為我們的參考答案。注意到在此部分中不同事件的振幅變化與附圖4a中所示的有很大的差別。也注意到一些事件的缺少是由于在自由表面從S波到P波的模式轉(zhuǎn)換。在數(shù)值結(jié)果中也可以看到一些數(shù)值人工因素(例如，在第一次到達前的平坦事件)。
常規(guī)上，3C數(shù)據(jù)是通過假設(shè)波在接收器附近垂直傳播而予以解釋的(在近表面區(qū)域假設(shè)介質(zhì)特性的陡峭梯度)。然而，P波顯示在垂直V3分量上上行，而S波出現(xiàn)在水平V1和V2分量。附圖5a至5d示出了僅從V3測量得到的部分。為了將它們與散度比較，我們對V3測量施加了時間微商并以P速度定標。附圖5a顯示了根據(jù)常規(guī)技術(shù)V3被因子2除的情形。這也正好對應(yīng)垂直入射時的上行P波相(等式(36))。附圖5b顯示了這部分和參考答案之間的差異。我們看到離開垂直入射與P波的對應(yīng)迅速失效，其中S波和模式轉(zhuǎn)換明顯損害結(jié)果。
問題當然部分在于V3測量包含上行和下行波。按照本發(fā)明，根據(jù)在這里所述的優(yōu)選波場分離技術(shù)可以去除該問題。如等式(31)和(35)中所示，這需要知道在近表面的P速度和S速度以及將空間濾波器與測量的V1和V2成分卷積并將它們加到V3測量上。附圖5c顯示了這樣的一個部件。附圖5d說明了該結(jié)果和參考答案之間的差異。盡管與僅采用原V3測量相比該結(jié)果多少有些改善，但這結(jié)果仍可進一步改進。
附圖6a-b顯示了使用本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的波場分離技術(shù)所產(chǎn)生的結(jié)果。在附圖6a中我們使用零階泰勒近似(等式(45)中第一項)。這結(jié)合了V1和V2的一階空間微商與V3的時間微商。附圖6b顯示了此結(jié)果和參考答案的差異。盡管此數(shù)值結(jié)果中的一些數(shù)值噪音已經(jīng)通過空間微商略微放大，但現(xiàn)在的結(jié)果還是更加接近參考答案。
在附圖6c中我們用一階泰勒近似(等式(45)中兩項)。這結(jié)合了具有時間微商的V1和V2的一階空間微商和V3的二階空間微商。附圖6d顯示了此結(jié)果和參考答案之間的差異。再者，此結(jié)果與零階近似相比在沒有增加噪音級的情況下進一步改善。
通過比較圖5和6的所有不同部分，可以很明顯的看到使用按本發(fā)明中所述的波場分離技術(shù)比使用傳統(tǒng)P波解釋技術(shù)能夠得到好得多的結(jié)果。這對于具有包含相對于垂直入射在中度到低度非?，F(xiàn)實的入射角的事件的各個部分中窗口在0.2和0.5s與0米到150米偏移之間的情況尤其如此，(在近表面速度梯度引起入射的能量非常接近垂直入射)。在這個實施例中，我們估計近似濾波器尤其對于入射角偏離垂直入射達30°改善了結(jié)果(這結(jié)果強烈依賴于介質(zhì)的特性)。可是，注意只有方程式(40)中散度上行/下行分離濾波器的理論表達式對所有的波型是準確的。因此，較長的濾波器近似傾向于對水平傳播和漸消波模式處理更好。
按照本發(fā)明提供一種地表面地震數(shù)據(jù)P/S分離和消除自由表面影響的新方法。通過自由表面條件的運用將垂直微商轉(zhuǎn)換為水平微商，這種方法甚至在僅僅在自由表面上進行測量時也能運用。因此通過對波場進行局部密集測量，可以得到用于計算自由表面上波場的散度和旋度的所有需要的空間微商。這些于是對應(yīng)等同介質(zhì)中的P波和S波。
自由表面的影響能夠通過在此所述的上行/下行分離步驟消除。P波的濾波器依賴于接收器處的P和S速度二者。而S波濾波器僅僅依賴于S速度。濾波器的近似用泰勒近似導出并在合成數(shù)據(jù)上測試。
使用平面波展開用于上行/下行和P/S分離的濾波器已由Dankbaar，J.W.M.在1985年的地理期刊33卷，970-986，“P波和S波的分離”中導出。對于全濾波器這些表達式可以和我們的表達式相比較，Dankbaar和這里所描述的主要區(qū)別在于通過調(diào)配3C地震檢波器的密集布置，對每個記錄站的3D中P/S和上/下分離可以分別進行。優(yōu)選的上行/下行分離步驟利用空間濾波器的近似來獲得與記錄站的地震檢波器的數(shù)目相符合的算符(operator)，這種方法更可靠，因為在每個記錄站內(nèi)靜態(tài)和近表面特性應(yīng)該一致。
本發(fā)明也能以幾個步驟實現(xiàn)，其中例如P/S分離在3D中進行。如果數(shù)據(jù)例如沿著2D線而得到，那么上行/下行波分離能用隱含濾波器在3D或2D中實現(xiàn)。
對于陸地表面地震數(shù)據(jù)的3C獲取，通常的做法是簡單地將垂直分量解釋成P部分，水平分量解釋作SV和SH部分。這種“傳統(tǒng)的”P/S對垂直到達是正確的?？墒?，由于能量是非法線(non-normal)入射角，這種近似就傾向于失敗，不僅因為不同的波出現(xiàn)在所有的分量中，也因為反射系數(shù)并非1，而且在自由表面發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。通過比較“傳統(tǒng)的P部分和使用合成數(shù)據(jù)的新方法，我們發(fā)現(xiàn)對非法線入射角，在獲得準確的到達波的振幅和相位方面有一個顯著的提高。通過簡單地使用一個零階泰勒近似，我們對偏離法線入射高達大約30°的入射角獲得足夠準確的結(jié)果(這種結(jié)果在實例中依賴于介質(zhì)特性)。注意到零階泰勒近似僅包含時間和空間的一階微商(沿著自由表面)。注意到散度的近似表達式包含兩項，第一項對應(yīng)于被介質(zhì)常量定比的存在自由表面的散度，第二個條件為被介質(zhì)常量定比的V3的一個時間微商。因此，通過第一項對傳統(tǒng)的P解釋加入校正，對法線外的入射角提高精度。
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的地震數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)的說明示意圖。地震源150，152和154是在地表面166將振動傳入地內(nèi)。傳到地表166的振動傳輸通過地球，如在圖7中箭頭170所示，振動在某一地下表面反射。在此繪制為表面162和表面164，最終到達接收器組156，158和160并被檢測。另外，以地滾波形式的振動，如箭頭128所示，傳到接近表面并能被接收器組記錄。每一個接收器組包括一定數(shù)量的接收器，如圖3b中所繪制地安置。
重要地，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，一個接收器組內(nèi)的各接收器之間的間距實質(zhì)上要小于接收器組之間的間距。如圖7中所示，接收器組160的尺寸122實質(zhì)上小于接收器組160和臨近組158之間的距離120。如圖3a和3b中所示的實例中，距離120為25米，接收器組的尺寸122為0.5米。
再次參照圖7，接收器組156，158和160中的每一個接收器將振動轉(zhuǎn)換為電信號并將電信號傳送到通常設(shè)置在當?shù)噩F(xiàn)場的中央記錄單元170。更可取地，數(shù)據(jù)不是成組形成的，而是來自每個地震檢波器組分的數(shù)據(jù)被記錄。中央記錄單元通常具有數(shù)據(jù)處理能力，使得可以與源信號進行互相關(guān)，從而產(chǎn)生一個具有被壓縮進相對窄的子波或脈沖的被記錄振動的信號。另外，中央紀錄單元還可以提供特殊應(yīng)用所需的其它處理。一旦中央單元170執(zhí)行相關(guān)和其他所需的處理，它通常在磁帶上以時域軌跡的形式存儲數(shù)據(jù)。磁帶形式的數(shù)據(jù)以后被送到地震數(shù)據(jù)處理中心去予以處理和分析。如圖7中從中央記錄單元170開始的數(shù)據(jù)傳送以箭頭176所描述送到數(shù)據(jù)處理器180。數(shù)據(jù)處理器180用來執(zhí)行如圖8中步驟346到步驟352所描述的過程。
圖8顯示了按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的濾波技術(shù)包含的步驟。在步驟340設(shè)計地震勘測。根據(jù)本發(fā)明，勘測優(yōu)選設(shè)計成使得接收器，(如地震檢波器和水下測聲器(hyrdophones))按照如圖3a，3b和圖7中所示和描述的局部密集設(shè)置予以放置。
在步驟342中選擇將要執(zhí)行哪種類型的波場分離。如在此所描述的，對上行/下行分離，P/S分離或是兩者都可以使用分析表達式。在上行/下行分離情況下，如上面所描述的，優(yōu)選使用等式(29)，(30)，(31)，(34)和(35)。在P/S分離情況下，如上面所描述的，優(yōu)選使用等式(17)至(20)。在上行/下行分離、P/S分離都希望的情況時，優(yōu)選地使用等式(36)至(44)。
在步驟346中根據(jù)所需波場分離類型(和相應(yīng)選擇的等式)和根據(jù)在步驟340中所設(shè)計的組記錄布置結(jié)構(gòu)來設(shè)計適當?shù)臑V波器。在形成合適的濾波器時，優(yōu)選選擇適合于該記錄布置結(jié)構(gòu)的合適的近似。例如，如上面等式(45)至(49)中的泰勒級數(shù)近似。
在步驟344中，對勘測中的每個單獨的接收器都測量、傳輸、記錄并存儲地震數(shù)據(jù)。
在步驟350中，對步驟346中的濾波器近似進行所有所需的時間和空間的偏微商的計算。
在步驟348，則估算近表面介質(zhì)特性。這可通過一些方法實現(xiàn)。目前的適宜方法為2000年2月15日申請的標題為“估算地震介質(zhì)特性的系統(tǒng)和方法”的英國專利申請(英國專利申請?zhí)?003410.8)中所描述的方法。但是，也能夠從表面地質(zhì)、或淺反射勘測來解釋近表面特性，或其他適宜的手段能夠用來估算近表面介質(zhì)特性。
在步驟352中地震數(shù)據(jù)按步驟346中的決定過濾。這是通過結(jié)合在步驟348中對近表面介質(zhì)特性估計、步驟344中記錄的地震數(shù)據(jù)和在步驟350中計算出的波場的偏微商來實現(xiàn)的。此結(jié)果是數(shù)據(jù)356，它被按所需進行分離(如上行/下行、P/S、或兩者)。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例已被描述，但只是解釋的，并非限制本發(fā)明。例如，本發(fā)明的優(yōu)選實施例被描述為主要用于陸地表面，但本發(fā)明中接受器也可以放于海底上和海底下。對于海底接受器，其可取地是使用與固-液界面有關(guān)的應(yīng)力條件，而不是自由表面條件。另外，本發(fā)明也適用于被稱為井中地震的地震測量。盡管實例描述了在近表面區(qū)域中的基本上認為是各向同性的介質(zhì)，但本發(fā)明也可用于各向異性的介質(zhì)。在各向異性的介質(zhì)的情況中，則可增加每組中地震檢波器的數(shù)量。
權(quán)利要求
1.一種用于局部密集地震數(shù)據(jù)的濾波器的產(chǎn)生方法，其步驟包括從設(shè)計為記錄彈性或聲學波場特性的局部密集地震勘測中獲得勘測布置結(jié)構(gòu)特性，該勘測包括多個接收器組，每個組包括至少三個相互密集間隔的接收器；設(shè)計一濾波器，其使用可以在一個組中估算的、在波場的空間微商的一階和最高階之間并包括此一階和最高階的階的波場的空間微商，使得當結(jié)合來自單一組內(nèi)的數(shù)據(jù)時，該濾波器分離到達該單一組的一些或所有的波場的分量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該濾波器設(shè)計成用來分離一些或是全部的波場的上行/下行分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該濾波器設(shè)計成用來分離一些或是全部的波場的P/S分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其中該濾波器設(shè)計成用來分離一些或是全部的波場的P/S和上行/下行分量。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的任一項的方法，其中在組中密集間隔的接收器的每一個被間隔分開成使得在所關(guān)心的波場部分中的靜態(tài)基本為恒定。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的任一項的方法，其中在組中密集間隔的接收器的每一個被間隔以大約2米或更小。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的任一項的方法，其中在組中密集間隔的接收器的每一個被間隔以所關(guān)心的最短波長的大約五分之一距離或更小。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的任一項的方法，其中局部密集地震勘測包括產(chǎn)生彈性或聲學波，并且組中的各接受器跨越小于所述彈性或聲學波的大約最短波長。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括計算波場的偏微商的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中計算偏微商的步驟包括使用泰勒級數(shù)展開式作為近似。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括估算近表面介質(zhì)特性的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括通過結(jié)合估算的近表面介質(zhì)特性、地震數(shù)據(jù)、和計算出的偏微商來過濾地震數(shù)據(jù)的步驟
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分離的波場的一部分為壓力波場。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該濾波器從地震數(shù)據(jù)中分離出表面波和/或空氣波引入的地面運動。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中局部密集地震勘測是在陸地上進行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中產(chǎn)生濾波器的步驟包括使用自由表面條件將波場的垂直微商轉(zhuǎn)換到波場的水平微商。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該地震勘測主要用于碳氫化合物儲量的勘察、評估和特性化。
18.根據(jù)前面權(quán)利要求中所述的任一項方法，其中近表面速度基本上是各向同性的。
19.根據(jù)前面權(quán)利要求中所述的任一項方法，其中近表面速度是各向異性的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于局部密集地震數(shù)據(jù)的濾波器的產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法。該方法包括從設(shè)計為記錄彈性或聲學波場特性的局部密集地震勘測中獲得勘測布置結(jié)構(gòu)特性。使用可以在一個組中估算的、在波場的空間微商的(1)階和最高階之間的階的波場的空間微商設(shè)計濾波器。該濾波器被設(shè)計成可以分離上行/下行波分量，P/S分量或是上行/下行波分量和P/S分量。波場的空間和時間偏導可以通過例如一個泰勒級數(shù)展開式作為一個近似來被計算和使用。通過結(jié)合估計的近表面介質(zhì)特性，地震數(shù)據(jù)和算得的偏導，地震數(shù)據(jù)被過濾。
文檔編號G01V1/16GK1404582SQ01805328
公開日2003年3月19日 申請日期2001年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月21日
發(fā)明者約漢·奧羅夫·安德斯·羅伯森, 安德魯·科蒂斯 申請人:施魯博格控股有限公司