转换波地震资料处理的关键问题与解决方法.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 4 1 0 5 转换波地震资料处理的关键问题与解决方法 李国发，彭苏萍，何兵寿， 中国矿业大学资源与安全工程学院， 高日胜 北京1 0 0 0 8 3 摘要针对转换波地震资料检波点静校正量过大的问题，分析了现有的转换波处理技术、波形变 化、静态时移对面波压制影响．结果认为，面波压制、转换波静校正、速度分析等是影响转换波处 理质量的关键．提出了基于模型的面波压制技术和利用共检波点叠加静校正和最大叠加能量剩 余静校正的解决方案，为提高转换波速度分析的精度，利用变速抽取共转换点道集的方法，实现 了真正的共转换点速度分析．对三维转换波地震资料的处理结果表明了该方法的正确性和有效 性． 关键词转换波；面波；静校正；速度分析；信噪比 中图分类号P6 3 1 ．4文献标识码A K e yP r o b l e m sa n dS o l u t i o n si nP r o c e s s i n g C o n v e r t e d W a v eS e i s m i cD a t a L IG u o f a ，P E N GS u p i n g ，H EB i n g s h o u ，G A OR i s h e n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo fl a r g eq u a n t i t i e so fs t a t i cc o r r e c t i o no fd e t e c t i o np o i n t s ，t h e c o n v e r t e d - w a v ep r o c e s st e c h n i q u ea n dt h ee f f e c to fw a v e f o r mc h a n g ea n ds t a t i ct i m es h i f to n s u p p r e s s i o no fs u r f a c ew a v ea r ea n a l y z e d ．T h ea u t h o r sh o l dt h a tt h es u p p r e s s i o no fs u r f a c ew a v e ， s t a t i cc o r r e c t i o no fc o n v e r t e dw a v e ，a n dv e l o c i t ya n a l y s i sa r et h ek e yf o rc o n v e r t e dw a v ep r o c e s s ． T h ep r o b l e m s o l v i n gp l a nh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h es u r f a c ew a v es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e ， t h es t a t i cc o r r e c t i o no fc o m m o nr e c e i v e rs t a c k ，a n dt h er e s i d u a ls t a t i cc o r r e c t i o no fm a x i m u ms t a c k p o w e r ．R e a lc o m m o nc o n v e r t e dp o i n tv e l o c i t ya n a l y s i s i sa c h i e v e db yu s i n gt h ev e l o c i t y v a r i a b l e c o m m o nc o n v e r t e dp o i n tg a t h e r i n g ．T h ep r o c e s so fr e a l3 Dc o n v e r t e d w a v es e i s m i cd a t as h o w st h a t t h em e t h o d sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e ． K e yw o r d s c o n v e r t e d w a v e ；g r o u n dr o l l ；s t a t i cc o r r e c t i o n ；v e l o c i t ya n a l y s i s ；s i g n a lt On o i s er a t i o 转换波地震勘探作为纵波地震勘探的补充和 延伸，已经从实验室走向了工业界应用，并在确定 地下岩性特征、检测裂隙方位和裂隙密度等方面取 得了一定的应用效果．与纵波勘探相比，多波地震 资料记录的是地震波全波场信息，其信息量至少是 纵波勘探信息量的3 倍以上．一般而言，地下结构 和属性的探测问题都属于典型的欠定问题，因此， 转换波矢量波场信息的综合利用和约束对于解决 地震反演数据不完整问题，提高人们对地球内部物 质属性的描述能力和分辩水平无疑具有非常重要 的理论意义和实际价值． 尽管转换波波场携带有更多的地下信息，但是 精确地提取和利用这些信息确实具有相当的难度． 尽管地球物理工作者就此进行了长期不懈的努力， 但仍有大量的研究工作在向实际应用转化过程中 遇到了较大的困难．在这些困难之中，转换波地震 收稿日期2 0 0 4 0 3 1 5 基金项目国家9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 2 1 1 7 0 7 作者简介李国发 1 9 6 6 一 ，男，河北省大城县人，高级工程师，博士，从事地震资料处理和解释方面研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 资料处理逐渐成为转换波地震勘探取得更大突破 的“瓶颈”． 由于历史的原因和软硬件资源的限制，转换波 地震资料处理基本上沿用了纵波地震资料处理的 模式和思路．但是由于转换波具有低频、低速、低信 噪比、和射线路径不对称的特点，一些对于纵波处 理相对成熟和稳定的技术，却无法满足转换波处理 的基本假设和精度要求． 在转换波勘探中，面波是最主要的规则干扰， 由于转换波在上行路径中以横波的形式传播，吸收 较强，频率成分要比相同位置的纵波低许多，造成 大部分频率成分与面波重叠．因此，与纵波处理不 同，转换波面波干扰的处理不应采取简单的压制策 略，而是侧重于在强面波干扰背景下如何恢复转换 波有效反射信号，这一点对面波处理技术提出了更 高的要求． 由于转换波速度相对较低，且传播速度不受潜 水面的影响，因此转换波的静校正量变化剧烈，往 往达到纵波静校正量的2 ～1 0 倍[ 1 j ．另外，转换波 静校正模型道和转换波初至拾取都很困难，因此， 面对转换波静校正问题，一些对于纵波处理相对稳 定和成熟的静校正方法显得无能为力． 转换波传播过程中，下行波路径和上行波路径 不具有对称性．共中心点即为共反射点这一纵波处 理的最基本假设，在转换波处理中无法成立．纵波 处理中的共中心点速度分析应该代替为共转换点 速度分析，但是转换点位置本身又是转换点速度的 函数，这一耦合问题使得真正意义上的共转换点转 换波速度分析变得尤为复杂． 利用实际转换波地震资料，借鉴前人的研究成 果，本文在对上面提出的转换波面波压制问题、静 校正问题、和速度分析问题进行了深入分析的基础 上，提出了新的研究方法和解决策略，并研制相应 的处理软件，通过对煤田和油田转换波地震资料的 处理，取得了较好的应用效果． 1基于模型的自适应面波压制技术 面波作为一种规则干扰，在处理过程中一般采 用线性干扰压制的方法来消除，目前采用的常用方 法有f - k 滤波、拉冬变换、频率空间预测、小波变换 以及中值相关去噪等[ 2 ] ．尽管采用的数学方法不 同，但本质上都是利用面波干扰的空间相干性，其 压制效果更大程度上依赖于面波干扰在线性方向 的相关程度．如果线性干扰具有完全的数学意义上 的相关性，那么即使使用简单的f - k 滤波，其压制 噪声、恢复弱信号的能力也是惊人的口] ．然而，由于 接收条件和传播路径的差异，以及面波固有的频散 特性，面波干扰更多地表现为视觉上的相干性，并 不具备完全的数学意义上的相干性．因此直接使用 f - k 滤波等线性干扰压制方法来压制面波往往达 不到理想的效果． 面波的频散特性造成面波在地震道之间的频 率差异和波形差异，地表接收条件不同造成地震道 之问的能量差异，近地表静校正量的差异造成面波 干扰在地震记录上沿“视”线性同相轴方向上下抖 动，这些因素使得面波干扰更多地表现出“视”规则 的特点，而越来越多的偏离数学意义上规则干扰的 定义，因此如何消除面波的“视”干扰特性，尽量使 其接近规则干扰剔除方法所要求的数学意义上相 干性，是改进面波压制方法的关键所在．就此，我们 的做法是 1 利用面波的视速度做线性动校正，避免二 维滤波产生的空间假频． 2 自适应计算面波的频散因子．尽量消除地 震道之间面波的频率差异和波形差异． 3 沿面波方向制作面波模型道，通过模型道 与地震道相关，计算面波干扰与模型道的静态时 差，消除面波在地震道之间的静态抖动． 4 实施f - k 滤波或其它的二维相干滤波． 5 将静态时移再加回滤波后的地震道，并做 反线性动校正． 6 做预测反褶积继续减弱面波干扰的影响． 图1 是对淮南某煤矿的转换波地震资料进行 面波压制的效果对比情况，可以看出强面波干扰得 到了较好的压制． 图1 转换波地震记录面波压制前 左 、后 中 和压制掉的面波分量 右 F i g ．1S u p p r e s s e ds u r f a c ew a v ec o m p o n e n t sf r o m c o n v e r t e d w a v es e i s m i cr e c o r d 万方数据 第1 期李国发等转换波地震资料处理的关键问题与解决方法 4 3 2 转换波静校正技术 由于转换波地震资料信噪比较低、静校正变化 较大、下行波和上行波路径不对称等因素，普通的 基于模型道的剩余静校正方法往往不能很好地解 决转换波静校正问题．另外，转换波初至往往被转 换波反射信号所淹没，初至拾取困难 甚至有些转 换波记录根本看不到转换波初至 ．使得一些通过 转换波初至时间，建立近地表静校正模型的静校正 方法无用武之地．为此，本文提出了利用共检波点 叠加静校正、改进的最大叠I I i i 量静校正、非地表 一致性静校正的联合解决方案． 2 ．1共检波点叠加静校正 根据地表一致性假设，任意一转换波地震道总 的静校正量可分解为4 部分 t Ⅵ一S ， g ， c k h ；．， y 女， 1 式中S ，是第i 个炮点位置的炮点静校正量；g ，是 第j 个检波点位置的接收点静校正量m 是第k 个 共中心点位置剩余正常时差；见，，是第i 个炮点到第 J 个检波点的炮检距；弘是由于构造引起的静校正 量．炮点静校正量5 ，通常利用纵波资料来确定．且 一般有 g J c k h 2 i 4 Y k ， 2 因此，经过纵波炮点静校正后的转换波静校正可近 似等于检波点的静校正 t Ⅵ≈g J ． 3 基于上面的基本认识，首先将经过动校正后的 转换波记录进行共检波点叠加，形成共检波点叠加 剖面G z ，t ，并由下式构造静校正模型道剖面 P z ，t ， ， P j t 一∑G f g k ， 4 k j - - n l 式中行是形成模型道平滑算子的长度；g 。是检波 点的静校正量．理想的检波点静校正模型应该使得 下式的叠I I I I 量最大． E g ，咒 一∑∑ g G ； 2 P i G j ． 5 由此来计算并确定检波点的静校正量g t ． 2 ．2 改进的叠加能量最大剩余静校正 为改进低信噪比地震资料的静校正效果， R o m e n 和C l a e r b o u t 1 9 8 5 提出了最大叠I I i i 量静 校正方法‘4 | ，并在纵波地震资料处理中取得了很好 的效果．其基本思想是理想的静校正模型应该使 下式的叠I I i i 量最大 E s ，，g ， 一∑∑l ∑d 川 f s g i 2 6 尽管不必考虑炮点的静校正量，但由于转换波 地震资料的信噪比普遍很低，很难得到高质量的模 型道，各地震道上的转换波信号与偏移距有关，浅 层信号出现在小炮检距的地震道上，深层信号出现 在大炮检距的地震道上，有时单一地震道难以同时 包含浅层和深层信号，因此直接将最大叠加能量法 应用到转换波剩余静校正求取上，往往不能取得满 意的效果．我们的做法是用共检波点叠加的地震道 取代所有该共检波点道集中的地震道，再利用最大 叠I I i i 量法进行剩余静校正．由于此时静校正量的 计算是在信噪比较高的“伪”地震数据上进行，因此 能够取得相对理想的静校正效果． 2 ．3 转换波非地表一致性静校正 对于共反射点道集中的地震道不能同相叠加 的问题，纵波处理采用的是相干高精度叠加技术进 行解决，具体做法是首先利用适当的叠后去噪方法 形成高质量的模型道，在一定的滑动时窗内，同一 C D P 道集中的各地震道与模型道进行相关，得到 该地震道相对于模型道的时移量，由此把同一共反 射点道集中所有地震道的相位调整一致，达到同相 叠加的目的． 原理上讲，该方法能很容易地推广到转换波处 理的情况，但是如何在时空变速度比的情况下得到 正确的共转换点道集实现起来并不容易．通常我们 讲的共转换点道集实际上是用固定速度比抽出的 渐进共转换点道集，该道集是对深层转换点的一种 渐进近似，仅适用于深层反射．为得到在时空变速 度比下的共转换点道集，我们首先将地震数据按炮 检距进行分组，分别进行转换波动校正，完成反射 样点的时间和空间移动，然后再进行共转换点道集 的抽取，观察共转换点道集内同相轴是否存在相位 抖动情况，再进行与纵波处理类似的非地表一致性 静校正，对齐共转换点道集中的同相轴． 图2 是淮南某煤矿转换波地震资料应用联合 静校正前后的效果对比，取得了较理想的效果． 图2 某煤田转换波资料联合静校正前 上 、 后 下 效果对比 F i g ．2C o m p a r i s o nb e f o r ea n da f t e rj o i n t e ds t a t i c c o r r e c t i o no fc o n v e r t e d w a v es e i s m i cd a t a 万方数据 4 4中国矿业大学学报 第3 4 卷 3 转换波共转换点速度分析 与纵波速度分析相比，转换波速度分析要复杂 的多，其复杂性主要表现在1 纵波速度的精确性 直接影响转换波速度分析的质量；2 转换波速度 分析需要精确计算转换点位置，而转换点位置与炮 点位置、检波点位置、偏移距、纵横波速度比、以及 转换点深度等诸多因素有关；3 转换波速度分析 的精度不仅影响构造成像质量，而且对转换波的t 。 时也有较大影响；4 转换波资料的信噪比偏低，同 相轴往往难以追踪． 目前的转换波速度分析代表性的方法主要有 选代法速度分析‘5 1 和变速抽道速度分析‘引，这两种 方法在某些地区多波资料处理中取得了一定的效 果，但都有着很大的局限性，突出表现在没能够正 确处理抽取共转换点道集所用的速度与扫描叠加 速度之间的一致性问题，以及没有解决速度、深度 变化情况下的动态道集抽取问题． 由此可见，根据转换点深度与扫描速度的变化 情况，如何正确计算各采样点对应的转换点位置并 动态地抽取共转换点道集，是转换波叠加速度分析 的关键问题．我们的做法是 1 定初始扫描纵横波速度比； 2 据转换波时距曲线，利用此速度比对转换 点最大孔径中的所有地震道做动校正； 3 计算该速度比下各地震道中每个采样点所 对应的转换点位置，记录下所有转换点位置落在该 共转换点点上的地震数据； 4 保持这些数据的时间关系不变，将上述数 据移动到该C C P 点位置处； 5 按偏移距对这些数据进行重排，形成动校 正后的共转换点道集； 6 根据共转换点道集计算各时刻的相似系数 曲线； 7 改变扫描速度比，重复过程2 到6 ； 8 由不同速度比扫描得到的相似系数曲线绘 制速度谱． 图3 是实际转换波地震资料速度分析面板和 速度分析结果，速度谱上能量团聚焦较好，速度比 随深度的变化趋势十分明显． 图3 共转换点速度分析结果 F i g ．3V e l o c i t ya n a l y s i so fc o m m o nc o n v e r t e dp o i n t 4实例 为全面、准确地探测和标定淮南某煤田煤层的 空间展布情况，并力图对煤体瓦斯和流体的性质进 行准确的预测，我们对该煤田实施了全方位角的多 波多分量地震勘探采集，记录了地下煤体的全波场 信息． 我们利用多波处理系统对该地区的地震资料 进行了试处理．图4 是对1 0 7 线进行三维处理结果 的局部显示，上图是纵波处理的结果，下图是转换 波处理的结果，在信噪比、分辨率和成像精度上均 较理想．这些结果为地质解释人员利用纵波和转换 波资料联合进行地质解释，以及为纵、横波联合地 震属性和岩石属性反演提供了丰富、真实的地震数 据． 图4某煤矿多波多分量处理结果显示 F i g ．4D i s p l a yo fm u h y w a v ea n d m u l t y c o m p o n e n tr o c e s s 万方数据 第1 期李国发等转换波地震资料处理的关键问题与解决方法 4 5 5 结束语 多波多分量技术的普及和推广将极大地提高 利用地震勘探技术探测地下构造、预测地下岩性的 能力，扩展和深化人们对地下结构的认知水平．然 而，如何准确地提取和利用多波波场携带的丰富的 地下信息，在很大程度上依靠多波处理技术取得新 的进展．本文在对实际转换波地震资料进行分析的 基础上，指出高质量面波压制技术、转换波静校正 技术和转换波速度分析技术是提高转换波地震资 料处理质量的关键所在，并分别给出了相应的解决 方法． 尽管本文对提高转换波的处理质量进行了一 定探讨，但是如何更大程度地提高转换波地震资料 的处理质量，仍然还有许多问题期待研究和解决． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] C a r yPW ，E a t o nDWS ．As i m p l em e t h o df o r r e s o l v i n gl a r g ec o n v e r t e d w a v e P S V s t a t i s t i c sE J ] ． G e o p h y s i c s ，1 9 9 3 ，5 8 3 4 2 9 4 3 3 ． 高少武，赵波，周兴元．自适应相干噪声衰减技术 i - 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