地震资料品质定量分析和采集参数优选

3
在地震勘探中通常假设 n( t ) 为白噪, 是不可重 复的。地震记录道与道之间的环境噪声以及环境噪 声与有效地震信号之间互不相关, 而地震记录道之 间信号的相似系数近似为 1 0。因此应用相关原理 可以估算原始地震记录中随机 噪声与地震信 号的
比值。 2. 2. 2 离散数据序列线性互相关系数
离散数据序列之间的线性互相关系数反映了两 个离散数据序列之间的相似程度, 也反映了离散数 据序列中可重复与不可重复成分之间的比例。基于 这一原理, 可通过相邻地震记录道的互相关系数估 算地震记录的信噪比。离散数据序列线性相关系数
图 10 为 3 台可控震源激发与 6 台可控震源激 发的地震记录差值, 图 11 为 3 台可控震源激发地震
记录频谱整形后与 6 台可控震源激发的地震记录差 值。由图 10、图 11 可见, 频谱整形前 3 台可控震源 激发与 6 台可 控 震源 激 发的 地 震记 录 差 值很 大 ( 图 10) , 经频谱整形后两者的差别主要为低速的线 性干扰( 图 11) , 这主要是由于两者的可控震源组合 基距和组合台数不同所致。但两者的地震反射信号 基本没有差别, 且反射信 号可恢复频带基 本一致。 这种整形处理可以实现采集方法的优化。
r=
A s(f ) An(f )
( 12)
式中: A s( f ) 为信号的振幅; A n( f ) 为噪声的振幅;
f 为频率。而对于地震记录道的振幅 A ( f ) 可以表 示为
A ( f ) = | A s ( f ) e- i s + A n ( f ) e- i n |
( 13) 式中: s 为信号的相位; n 为噪声的相位。
衰减作用, 地震信号的能量随着传播距离的增大不 断衰减, 初至波的振幅通常远大于续至波。该方法
应用这一原理, 通过计算连续加宽的时窗中的噪声 能量与固定长度窗口中信号能量的比值确定地震记
录道的初至, 该比值最小点为地震记录道的初至, 其
计算公式为
i- 1
MER( i) =
1 i
x
2 k
(
t)
t= 0
利用式( 1) ~ 式( 4) 可以计算地震记录道的环境
噪声和地震记录道的 RM S 振幅值, 在此基础上, 可
以对时空域连续分布的地震记录在共炮点域、共接
收点域和共炮检距域分析环境噪声的分布规律、地
震记录能量的变化规律。通过分析能量分布规律,
可以实现不正常道和不正常记录的监控, 了解环境
噪声对原始地震记录的影响范围及造成地震记录能
图 1 和图 2 分别为原始地震记录道和应用 Co ppens 法自动计算得到的地震记录道初至结果。 拾取初至后便可以在时间域计算环境噪声和原始地 震记录能量, 即
FB( k)
N RMS =
1 FB( k)
i= 0
x
2 k
(
i
)
( 3)
N- 1
X RMS =
1 N
x
2 k
(
i
)
i= 0
( 4)
式( 3) 、式 ( 4) 中: N RMS 为 环境 噪声 的 RM S 振幅; X RMS 为地震记录道的 RM S 振幅; x k ( i ) 为地震记录 道 k在时间i 处的振幅值; FB( k ) 为地震记录 道k 对 应的初至的样点个数; N 为地震记录道总样点数。 2. 1. 2 地震资料品质分析和质量监控
录道、不正常地震记录的分析。
2. 1. 1 初至自动拾取与环境噪声定量估算
环境噪声定量估算的第一步是拾取地震记录道
初至, 而地震记录的初至拾取可以通过多种方法实
现, 如门槛值法、神经网络法、Co ppens 法等, 在此重 点介绍 Coppens 法的实现原理 和计算公式。在正
常情况下, 原始地震记录中环境噪声的能量远远小 于地震信号的能量, 而且由于球面扩散和大地吸收
计算公式为
r( i) =
XY
( 6)
n
n
XX
1
YY
1
式中: r( i) 为相关系数; X 和 Y 为离散的数据序列; n
为离散数据序列的长度; 为相关运算。
基于环境噪声为白噪的假设, 地震记录道的互
相关系数可以表示为
r( i) =
X
n
XX
1
Y
n
YY
1
=
( w ( t) *
( t) )
n
( (t)* (t))
2008 年 12 月
第 43 卷 增刊 2
采集技术
地震资料品质定量分析和采集参数优选
张翊孟*
刘秋林 张永科
( 东方地球物理公司国际勘探事业部, 河北涿州 072751; 中国石油大学, 北京 102249; 东方地球物理公司采集技术支持部, 河北涿州 072751)
张翊孟, 刘秋林 , 张永 科. 地震 资料 品质 定量 分析 和采 集参 数优 选. 石 油地 球物 理勘 探, 2008, 43( 增 刊 2) : 1~ 5
* 河北省涿州市范阳东路 307 号国际大楼国际勘探事业部, 072751 本文于 2008 年 4 月 20 日收到。
定量估算, 包括自动拾取地震记录道初至和计算地
震记录道初至前的 RM S 振幅。然后, 应用定量估
算结果同时在共炮点域和共接收点域实现对环境噪
声的分布、变化规律以ຫໍສະໝຸດ 资料品质和不正常地震记关键词 RM S 振幅 信噪比 相关系数 指 数衰减 频谱整形 信号可恢复频带
1 引言
近年来, 地震采集质量监控技术取得了长足进 步, 但对于有效的定量分析、估算环境噪声分布及信 噪比、参数优选等, 采用的方法 与技术仍显得 较单 一。为此, 笔者开发了一系列有效的原始地震资料 品质定量分析和地震采集参数优选方法, 包括基于 RM S 振幅定量估算环境噪声和资料品质监控, 基于 相关原理的原始记录信噪比估算方法, 基于振幅指 数衰减模型的地震记录质量监控技术, 线性噪声分 离和原始地震记录品质分析, 基于频谱整形的地震 记录品质分析和参数优选等。
摘要 地震资料品质定量分析和地震采集参数优选对于确保地震采集质量 和提高施工 效率极为 重要。BG P 在 多年的勘探实践过程中, 研究并开发了一系列原 始地震资料品质定量 分析和地震 采集参数优 选技术, 本文对 此 作了简要介绍与总结, 包括基于 RM S 振幅定量估算 的环境 噪声和 资料品 质监控, 基于 相关原 理的原 始记录 信 噪比估算方法, 基于振幅指数衰减模型 的地震 记录质 量监控技 术, 线性噪 声分离 与原始地 震记录 品质分 析, 基 于频谱整形的地震记录品质分析和参数优选等。本文介绍的一些 技术和方 法在实际地 震采集过程 中为控制 地 震采集资料品质和参数的优选发挥了较好的作用。
原始地震记录中的噪声主要包括环境噪声和由 激发源产生的噪声两大类, 在此主要讨论由激发源 产生的面波、折射波等线性噪声的分离、线性噪声与
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石油地球物理勘探
2008 年
地震信号能量以及能量比值的估算, 最终通过对比 估算结果优选激发参数并评价地震记录的品质。在 通常情况下, 可以通过频 率 波数域的 f-k 滤波、 时 空域的倾角扫描滤波以及线性 -p 滤波等技术 分离面波、折射波与地震反射波。然后通过分别计 算分离出来的线性噪声与地震反射信号的能量以及 两者之间的比值评价地震记录品质, 并优选激发参 数, 这些比值包括不同记录之间原始记录、线性噪声 以及地震反射信号的单道 RMS 振幅 对比、总能量 对比以及地震记录内反射信号能量与线性噪声能量 之间的比值等。地震反射信号与线性噪声的 RM S 振幅比值 r 为
图 10 3 台可控震源激发与 6 台可控震源激发的 地震记录差值
除了可控震源台数和组合基距不同之外, 其他参数与 图 11 完全相同
3 结束语
地震资料品质定量分析和地震采集参数优选对 于确保地震采集质量和提高施工效率极为重要。在 多年的勘探实践过程中, 我们研究和开发了一系列 原始地震资料品质定量分析和地震采集参数优选技 术, 本 文对 此 进行 了 简要 介 绍与 总结, 包括 基 于 RM S 振幅定量估算环境噪声和资料品质监控, 基于 相关原理的原始记录信噪比估算方法, 基于振幅指 数衰减模型的地震记录质量监控技术, 线性噪声分 离和原始地震记录品质分析, 基于频谱整形的地震 记录品质分析和参数优选等。本文介绍的一些技术
在时间域通过信号与噪声的能量对比( RM S 振
图 9 地震反射信号与线性噪声综合对比图 ( a) 归一化的反射信号能量; ( b) 归一化的线性噪声能量; ( c) 地震反射信号与线性噪声能量比值
幅) 方法计算地震资料的信噪比, 在频率域同样可以 用能量( 或振幅) 对比的方法估算信噪比。对于单一 频率的信号与噪声的比值 r 可以表示为
2 地震资料品质定量分析及采集参数 优选方法
2. 1 基于 RM S 振幅定量估算环境噪声和 资料品 质监控
在通常情况下一般假设环境噪声为一平稳随机 过程, 可以 通过计算原始地 震记录 初至前的 RMS 振幅估算整个地震 道的环境噪声 能量。基于 该假 设, 可通过两个步骤实现原始地震记录环境噪声的
若在式 ( 13 ) 两 边 乘 以 一 个 非 零 的 常 数, 则
第 43 卷 增刊 2
张翊孟等: 地震资料品质定量分析和采集参数 优选
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式( 12) 的值不变, 说明在频率域对地震记录振幅谱 整形不改变任意单一频率成分的信噪比, 因此可通 过振幅谱整形确定不同地震记录之间是否具有相同 的地震反射信号可恢复频带, 也就是通过频谱整形 后在时间域能否得到基本相同的记录, 并最终选择 合理的激发参数。
量变化的因素。图 3 和图 4 分别为 M 地区原始地
震记录 RM S 振幅分布和对应的环境噪声 RMS 振
幅分布图, 由图中可以清楚地了解低能量不正常道
的分布、环境噪声在空间和时间上的特征以及对原
始地震记录的影响范围、地震记录能量的变化、炮点
以及接收排列的滚动。
2. 2 基于相关原理的原始记录信噪比估算方法
A ( t ) = A 0 e- ax
( 9)
式中: A ( t) 为振幅函数, 其中 A 0 为初始振幅; a 为衰
减系数; x 为传播距离, 是地震波传播速度与时间的
函数。当不考虑速度变化时, 式(9) 可进一步简化为
A ( t) = A 0 e- t
( 10)
式中 = v 为实际计算的衰减指数, v 为速度。
2. 2. 1 原始地震记录模型
根据地震褶积模型, 原始地震记录可表示为
x ( t ) = w ( t) * ( t) + n( t )
( 5)
式中: w ( t) 为地震子波; ( t) 为反射系数序列; n( t) 为环境噪声。
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量、地震信号与环境噪声的比值。图 5、图 6 分别为
原始地震记录以及对应的相关系数剖面。
2. 3 基于振幅指数衰减模型的地震记录质量监控
技术
大地对地震子波的响应包括反射系数序列、非
弹性能量损失、多次反射等, 在式( 5) 的褶积模型中 仅考虑了反射系数序列对地震子波的响应, 当综合 考虑其他响应时, 就可得到按传播距离指数衰减的 地震波振幅模型, 即
n
( 7)
XX
1
YY
1
当 i 为零时, 通过计算可得到零延迟的互相关系数
n
( w ( i) * ( i) ) ( ( i) * ( i) )
r= 1
( 8)
n
n
XX
1
YY
1
式( 8) 反映了地震信号在原始地震记录中所占能量
的比例, 于是通过选择不同的计算长度 n 和滑动步
长可以得到地震记录道不同时 窗内的地震信 号能
(X X)
r=
N
( 11)
( Y Y)
N
式中: X 为地震反射信号序列; Y 为 X 对应的线性 噪声序列; N 为样点数。
图 9 为地震反射信号与线性噪声综合对比图, 通 过对这些对比结果的综合评价, 可以选择合适的激发 参数。当然, 这种方法适用于信噪比较高的记录。 2. 5 基于频谱 整形的地 震记录品 质分析和 参数 优选
i+ M- 1
( 1)
1 M
t= i
x
2 k
(
t
)
FB( k) = min( M ER( i ) )
( 2)
i
2
石油地球物理勘探
2008 年
式中: k 为地震记录道号; x k ( t) 为地震记录道 k 在时 间 t 处的振幅值; M 为固定时窗长度; F B( k ) 为地震 记录道 k 的初至。
正常情况下 应为一个正实数, 而当地震道工 作不正常时往往小于或接近于零, 因此可通过地震 数据道衰减指数分析实现对地震记录不正常数据道 的 监 控 。 图 7 为 由 6个 实 际 地 震 记 录 道 计 算 得 到 的 衰减指数, 其中包含了强噪声道、不工作道等异常地 震道。图 8 为其中一个地震记录( F FID= 6) 。对比 图 7 和图 8 可见, 地震记录中的不工作道 154 对应 的衰减指数为零。 2. 4 线性噪声分离和原始地震记录品质分析