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CN101620276B - 用于在地震数据中衰减多次反射的方法 - Google Patents

用于在地震数据中衰减多次反射的方法 Download PDF

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Abstract

用于衰减地震信号中多次反射的一种方法包括相干滤波该地震信号。在选定的频率低通滤波和高通滤波该地震信号，使得多次反射实质上仅仅存在于该频率以上的地震信号中。产生具有单位值的掩码，其中该高通滤波的信号幅度超出所选定的阈值。该掩码对于所有其他的滤过的信号具有单位零值。将所述低通滤波信号与该掩码值相乘。将所述相乘的信号加入高通滤波信号并且应用相干滤波器以除去剩余的初始能量以产生所述多次反射的模型。从该相干性滤波的地震信号中减去该多次反射模型。

Description

用于在地震数据中衰减多次反射的方法
技术领域
本发明通常涉及地震勘探领域。更具体地说，本发明涉及用于处理地震数据以衰减多次反射效应的方法。
背景技术
在地震勘探中，为获得地震数据，通过将声能注入到地球表面附近并检测从表面下的地层结构的不同层之间边界反射的声能。当相邻层间对边界的声阻抗不同时，声能被反射。解析表示检测到的声能的信号来推断表面下地球结构的构造和组成。
在海洋地震勘探中，一般采用诸如气枪或者气枪阵列这样的地震能量源将声能注入地球。当气枪或阵列通过船拖曳时，气枪或阵列一般在水中选定的深度启动。相同的或者不同的船在水中拖拽一个或多个被称作“横幅”的地震传感器缆索。通常，横幅在船后沿着其被拖曳的方向延伸。典型地，横幅包括多个设置在缆索上的水听器(位于沿着缆索的相隔一定距离的已知位置)。本领域已知的水听器是一种检测器，该检测器产生对应于水压或者水中压力的时间梯度的光信号或者电信号。拖拽一个或多个横幅的船通常包括记录装置以记录(以时间为索引)水听器产生的信号，从而响应于检测到的声能。如上所述，处理信号的记录以推断位于进行地震测量的位置以下的地层构造和组成。
海洋地震数据常常包括两种特殊的假象，它们需要技术来解析以便能更精确地推断表面下地层的构造和组成。这二种被称为虚反射(ghosting)和水层多次反射(water layer multiplereflection)的假象的出现是由于水与水面上的空气相比具有基本上不同的声阻抗以及水与水底(或者海底)的地层结构相比通常具有基本上不同的声阻抗。
虚反射和水层多次反射可以理解如下。当启动气枪或者气枪阵列时，声能通常向下辐射，它穿过海底并进入表面下地层。如前所述，一些声能在地层之间的表面下声阻抗边界被反射。反射的声能通常向上地传播最终被一个或多个横幅上的地震传感器(水听器)所检测。然而在该反射能量到达横幅之后，它继续向上传播直到到达水面。水面相对于向上传播的声能具有几乎全反射率(反射系数等于1)。因此，几乎所有向上传播的声能将会从水面反射并再一次向下传播。从水面反射的声能相对于向上传播的入射的声能还将相移大约180度。表面反射的向下传播的声能通常被称为“虚(ghost)”信号。在水听器检测到的声能中，虚信号在受限频率内造成能量的明显的“切口”或者衰减。本领域众所周知，在检测到的声信号中切口的频率与设置横幅的选定深度有关。
从水面反射的向下传播的声能以及直接从地震能量源散发的声能可能从水底反射并向上传播，在那里被水听器检测。该同一向上传播的声能也将会从水面反射并再一次向下传播。因此，声能在被衰减以前可能在水面和水底两者之间多次反射，导致所谓的水层回响(reverberations)。这种回响在整个检测到的声能内可具有相当的幅度，从而掩盖了从表面下地层边界反射的声能，并因此使得利用地震数据推断地下结构和组成变得更困难。
有许多“去虚反射”和水层效应衰减的技术。授予Ruehle的美国专利号4,486,865描述了一种这样的技术。多对检测器的每对包含地震检波器(geophone)和水听器。滤波器被用于各对中的地震检波器或者水听器的至少一个的输出端以便调整该滤波的信号的频率组成。调整该频率组成使得当该滤波的信号与来自其它检测器的信号结合时，消除虚反射。
授予Moldovenu的美国专利号5621700也披露了在衰减虚反射和水层回响的方法中使用至少一对检测器。
授予Sanders等人的美国专利号4935903披露一种降低水层回响效应的方法，该方法包括在垂直间隔距离的深度上测量压力，或者通过使用检测器对来测量压力和质点运动。该方法包括通过加入虚反射数据来增强用于叠前处理的原始反射数据。
美国专利号4979150披露一种用于海洋地震勘探的方法，其中基本上并列的水听器和地震检波器的输出经过比例系数(scalefacor)的处理。该并列的水听器和地震检波器可以被置于海底或者海底之上。
水体以下的许多地表下部分使用水底缆索来勘测是不切实际的，此外，目前可行的海洋地震采集技术使用了水听器检测器。更进一步，存在大量这样的水听器海洋地震数据，它们有益于改进用于分离多次反射的技术。因此，仍然需要技术来衰减水层多次反射对地震数据的效应。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于衰减地震信号中的多次反射的方法包括相干滤波(coherency filtering)该地震信号。地震信号为一定频率处的低通滤波和高通滤波地震信号，该频率的选择使得在该频率之上的地震信号中基本上只存在多次反射。产生具有单位值(unity value)的掩码(mask)，这里高通滤波的信号幅度超出所选定的阈值。该掩码对于所有其他的滤波信号具有单位值。将低通滤波信号与掩码值相乘。将相乘的信号加入高通滤波信号以产生多次反射的模型。从所述相干滤波的地震信号中减去该多次反射模型。
本发明的另一个方面是存储在计算机可读介质中的计算机程序。该程序包括可操作的逻辑，使得可编程计算机执行特定的动作，包括在选定的频率上低通滤波和高通滤波地震信号。选定频率使得该频率上的地震信号中，基本上只存在多次反射。产生具有单位值的掩码，这里高通滤波信号的幅度超出所选定的阈值。该掩码对于所有其他滤波信号具有单一值。将低通滤波信号与掩码值相乘。将相乘的信号加入高通滤波信号以产生多次反射的模型。从相干滤波的地震信号中减去多次反射模型。
本发明的其他的方面和优点根据以下说明和附上的权利要求将会变得明显。
附图说明
图1示出包括水层回响的海洋地震数据采集的一个例子。
图2是根据本发明方法的示例性实现方式的流程图。
图3示出具有可读存储介质的通用可编程计算机。
具体实施方式
图1示意性地示出本发明可用的海洋地震数据采集的例子。地震勘测船10沿着诸如湖或者海洋的水体18的表面18A移动。勘测船10包括以12显示的并统称为“记录系统”的设备，该设备包括装置(未单独显示)，用于在选定时间启动地震能量源14，用于确定任何时候的船10、源14和多个地震传感器16中每一个的测地学位置(geodetic position)，以及用于记录震传感器16产生的信号。记录系统12可能包括的各种装置在本领域为大家所熟知并且无需详述。
地震传感器16通常为水听器或者其他压力或压力梯度响应检测器。在其他的例子中可采用其他类型的地震传感器，例如质点运动响应检测器。地震传感器16沿着缆索(称为横幅)以定距离间隔的位置布置。为了例示的清楚，图1中的例子仅仅示出一个横幅，但是横幅的数目、横幅上检测器的数目以及有一个或多个横幅是否由勘探船10或者不同的船拖曳并不限于本发明的范围。
在水18的表面18A以下的选定深度拖曳地震能量源14和地震传感器16。在地震数据采集期间，源14(例如可以是气枪或气枪阵列)在选定时间启动并且地震传感器16响应由源14发射的地震能量而产生的信号由记录系统12中适当的装置记录。信号记录一般以地震能量源14的启动时间为索引。可以为每个地震传感器16做单独的信号记录或者选定的地震传感器16组可进行信号通信，使得由所有在该组中的检测器产生的信号组成对应的记录。通常，将有数千个单独的信号记录(被称为“信道”)，对应于在以一定距离间隔的地震传感器组的每一个处所检测到的信号。
通常，在启动源14后，地震能量向外传播并且通过水18向下传播(如标记22所示)，直到到达水底18B。地震能量继续向下通过地表直到到达一个或多个表面下声阻抗边界20。能量可在这些边界反射并且向上传播(如标记24所示)，在那里其到达地震传感器16并被检测。该地震能量继续向上传播直到它到达水面18A。然后地震能量从水面18A反射并再一次向下传播(如标记26所示)，在那里其可被地震传感器166检测并继续向下传播。该向下传播的地震能量，不管是从水面18A反射或者是从源14直接传播的，也可能从水底18B反射。水面18A和水底18B之间的反射可能延续若干次，在由检测器16检测的地震信号中产生假象，称作“水层回响”或“水层多次反射(water layermultiples)”。本发明的目的在于减少在地震信号中的“水层多次反射”的效应。
本发明的方法基于“初始反射”的带宽，即在表面下边界一次反射的地震能量(如图1中的24处所示)，其受制于较低的频率(例如小于大约40Hz)，而多次反射的带宽较宽。
参考图2，在31处，根据本发明方法的第一处理单元是将原始记录的地震信号分类成为公共迹属性集合(common raceattribute gathers)。与地震信号处理相关使用的“迹”表示一种记录，通常是关于地震信号幅度的记录时间，该地震信号由在接收器阵列中的特定地震接收器(或者这样的接收器组)检测。属性应当选择为使得可以将相干滤波应用到该集合迹上以增强所关心的地震信号和减少随机噪声的效应。一个公共属性集合的例子是公共的源到接收器偏移量集合。其他的例子包括公共的中点集合和公共的发射点集合。
如上所述，信号记录通常包括在源启动时多个单独的地震传感器的每一个或者这类检测器组的每一个在源启动时所做的一个信号记录。这种公共偏移量集合是地震信号记录的集合，其中当记录地震信号的时候，每个选定的单独信号记录表示沿着水面(图1中18A)源的位置和地震传感器之间的相同的距离。初级反射和多次反射在这种公共偏移量集合中作为相干事件出现，即信号中出现的高幅度事件将在一定程度上显现该高幅度事件的时间和该采集几何学(偏移量)之间的关系。
在32，一个被称作相干滤波的过程(一个例子是FX-反褶积)在公共偏移量集合上被执行以衰减随机噪声，即衰减在那些看起来与采集几何不具有任何关系的信号中的事件。在FX-反褶积中，输入信号的空间窗口(例如10个单独的传感器信号或者“迹”)和时间窗口(例如20毫秒)被傅里叶变换为频率位置(F-X)域。在该位置(X)维度中设计反褶积算子以预测该信号的相干部分。减去该相干部分将会留下不相干部分(随机噪声)，然后该不相干的部分可以被反向变换并且从该原始信号中减去。然后对后继的窗进行相似的处理。较好地，在窗口之间有时间和/或空间的重叠。该相干滤波的结果将会在以下说明的过程中使用。
在33，将低通滤波器应用于地震信号记录。选定低通滤波器的截止频率为预计包含在原始反射中的最高频率。低通滤波器输出的信号包含基本上整个原始反射(例如图1中的24)和多次反射的低频部分(例如图1中的26)。该低通滤波信号可表示为Mlow。该低通滤波器可限定为具有0-30Hz的通带，从30Hz开始滑衰(roll off)并且40Hz的频率以及以上被强烈地衰减。根据该特定地震数据的频率组成，可为该低通滤波器的其他截止频率选定相似的滤波器特性曲线。
在34，将高通滤波器应用于信号记录(在32)。信号记录的高通滤波的输出基本上不包含原始反射，但是将包含多次反射的高频部分。高通滤波的记录可表示为Mhigh。该高通滤波器可限定为强烈地衰减0到30Hz之间的频率，从40Hz开始滑衰以及使40Hz以及更高的频率自由地通过。在33和34分别使用的低频滤波器和高通滤波器的过渡带(滑衰)应该选定为使得当它们的幅度频谱被求和时，对于所有频率，最终的幅度频谱等于单位值(unity)。这两种滤波器也应该为零相位滤波器，免得改变它们各自输入信号的相位。
在37，将在上文高通滤波之后的迹样本的大小(绝对值)与表示为阈值1的阈值相比。如果迹样本的大小大于阈值1，那么设置对应的迹输出样本等于单位值。如果该迹的大小小于或等于阈值1，那么设置迹的输出样本等于零。上述程序产生一种图(或者“掩码”)，该图的样本值或者为1(表示多次子波的样本)；或者为零(表示原始反射子波的样本或者表示代表无多次反射子波的样本)。因为包含在公共迹属性集合的迹中的样本值可以随每次地震勘测有很大的不同，所以可以计算阈值1的数值，例如计算为在每个迹集合中所有迹样本的平均绝对值。在实际的例子中，可以通过解释过程来选定阈值1的值。例如，可以对一个公共偏移量集合检查时间窗中的数据值的平均幅度[平均绝对值](作为初始值)和前述处理的结果，该数据值包含了任何多重反射刚刚到达之前(即，刚刚在两倍于海洋底部反射时间之前)的反射。上述步骤可以利用阈值1的逐步减小和逐步升高的值进行重复。视觉检查可能导致阈值1的数值的选择看起来对于整个数据集的处理来说是最优化的。如果阈值1过高，该幅度图只由零组成，并且所有低频率数据从该模型中被消除。如果阈值1设置太低，则幅度图全由1组成，并且所有低频数据被包含在该模型数据中，该模型数据会从原始数据自适应地减去(以下说明)，因此衰减或者除去了该过程输出的原始反射。
在38，该图被逐个样本地与来自33的低通滤波信号的输出相乘。结果应该基本上除去了表示原始反射子波的样本并且仅仅留下多次反射的低频部份Mlow。注意，如果多次反射与原始反射一致，那么最终的地震子波将会等于两种子波的和。所以38的输出可以表示为Mlow+Poverlaps。
在39，将来自38的相乘输出与来自32的高通滤波输出相加，产生全带宽多次反射Mlow+Mhigh(加上任何Poverlaps)。该Poverlaps子波的幅度通过相干滤波可以实质性地降低，如在40所示。可以采用的相干滤波的一个例子是FX-反褶积。假定Poverlaps幅度通过先前应用的掩码分段，那么该Poverlaps幅度应该在原始反射幅度存在的频率范围内，相对于相干滤波器(例如FX-反褶积)随机出现。任何原始反射能量将因此被衰减，从而将它保存在如下所述的自适应减去步骤中。
在41，该过程包括将幅度斜度(ramp)应用到每个迹以便当没有多次反射(即，当时间值小于两倍的水-海底反射时间时)不会执行适应性减去(以下说明)。斜度值可以从时间等于零(源启动时间)到t(＝两次水底反射时间减去一个预选的滞后时间)期间取值为零。斜度值在两倍于水-底反射时间时可以线性增加到1.0。斜度值可以保持为1.0直到每个迹的结束。将斜度逐个样本地与输入的迹幅值相乘。在41执行的斜度输出是一个表示包含在原始的迹集合中的多次反射子波的模型的迹集合。
在42，从在32完成的FX-反褶积(相干滤波)自适应地减去来自41的上述多次反射的模型。该自适应减去的输出可以在43通过相干滤波器(例如FX-反褶积)处理。在45将这种滤波的输出与在43中对相干滤波的输入的选定片断(经过标度化)相加。由于在某些情况下可能不希望将FX-反褶积应用于短时间(浅的)数据，所以“标度”只限于应用F-X反褶积的部分。在45，该过程的输出为多次反射基本衰减的迹。
本发明的另一个方面涉及存储在计算机可读介质中的计算机程序。参考图3，根据图2说明的上述步骤可以以存储在计算机可读媒介(例如软盘64、只读光盘存储器60或者构成通用可编程计算机50的一部分的磁性硬盘驱动器66)上的计算机可读编码的方式实现。本领域已知的计算机50可以包括中央处理单元60、诸如键盘68之类的用户输入设备和诸如平板LCD显示器或者阴极射线管显示器之类的用户显示器52。计算机可以该包括适当的装置(分别如58和56所示)用于查询该软盘和只读光盘存储器。根据本发明的这方面，计算机可读介质包括在操作时可使得计算机50执行上述提出和根据图2说明的动作的逻辑。
本发明可以提供改进的从海洋地震数据中分离原始反射与多次反射的能力。
本发明已经根据有限的实施例进行说明，受益于本发明的本领域技术人员，将理解可以设计不离开在这里揭露的本发明范围的其他的实施例。因此，本发明的范围应该仅仅由附上的权利要求限定。

Claims (9)

1.一种地震测量的方法，包括：
在水体内以定距离间隔的位置布置多个地震传感器；
在选定时刻启动水中的地震能量源；
记录由所述地震传感器检测的地震信号；
相干滤波该地震信号以获得相干滤波的地震信号；
在选定的频率低通滤波该地震信号以获得低通滤波信号；
在该选定的频率高通滤波该地震信号以获得高通滤波信号，该频率的选择使得该频率之上的地震信号中基本上只存在多次反射；
产生掩码，该掩码对于幅度超出被选定的阈值的高通滤波信号具有单位值，该掩码对于幅度不超出被选定的阈值的高通滤波信号具有零值；
将该低通滤波信号与该掩码值相乘；
将该相乘的信号加入高通滤波信号以产生多次反射的模型；
从所述相干滤波的地震信号中减去该多次反射模型；以及
对减去的结果至少进行存储和显示中的一项。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在相干滤波、低通滤波和高通滤波前将地震信号分类成公共迹属性集合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该相干滤波包括FX-反褶积。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括相干滤波所减去的结果的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于相干滤波所减去的结果的步骤包括FX-反褶积。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述减去包括适应性减去。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述频率为40Hz。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述低通滤波的滑衰部分和所述高通滤波的滑衰部分的联合幅度频谱是单位的。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述低通滤波和所述高通滤波是零相位的。
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