專利名稱：處理地震數(shù)據(jù)信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理地震數(shù)據(jù)信號的方法。
收集地震數(shù)據(jù)是為了分析地下，特別是用于碳?xì)浠衔锏目碧健Ｓ糜诜治龊５捉Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可在陸地上收集，或使用航海船只在水上收集。為了獲得數(shù)據(jù)，要提供可能包括爆炸(在陸地上)或壓縮空氣脈沖(在海洋)的地震源。由地表以下各種地層反射的信號稱為痕跡，并由大量的一般是數(shù)百個傳感器諸如陸上地聽器和海洋水中水聽器檢測。對反射信號進(jìn)行記錄并分析結(jié)果，以便推斷地表之下的地層構(gòu)成的指示。然后這種指示可用來估計碳?xì)浠衔锍练e的可能性。
然而，地表之下地層的物理構(gòu)成并不總是很好表明地下地質(zhì)學(xué)特征，因而不能如所希望的那樣精確估計碳?xì)浠衔锍练e的可能性。
本發(fā)明的目的是要提供處理和分析地震數(shù)據(jù)信號一種改進(jìn)的方法。
根據(jù)本發(fā)明提供了處理由特定地下特征反射的地震數(shù)據(jù)信號的方法，該方法包括根據(jù)一系列正交多項式通過分解反射信號分析地震數(shù)據(jù)信號的頻譜，并推導(dǎo)表征地下特征的反射率的一系列多項式系數(shù)。
本發(fā)明提供了來自具體的地下特征，例如地層或?qū)游?，反射的信號的頻譜分解。在地層的情形下，這提供了聲響(volume)反射率的定量化(聲響反射率頻譜或VRS)。由于按付立葉變換的頻譜分解在地震信號的頻譜分析中不夠精確，故對正交基進(jìn)行頻譜分解。這樣作的原因在于，待分析的信號是在短時間窗口存在的，并且付立葉分析中使用的正弦波的無限性導(dǎo)致不希望有的窗口效應(yīng)和旁瓣。
所描述的是作為一組特殊的切比雪夫(Chebyshev)多項式組的特定的正交多項式組，但是其它各種的正交多項式(換言之，不同的多項式基)也可使用。
在其它場合使用了正交多項式函數(shù)，用于生成接收的數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)表示。例如歐洲專利申請No.EP 0216609 A2，Seislith Development透露了使用正交多項式函數(shù)把反射系數(shù)表示為偏移距離的函數(shù)的方法，作為用于使反射波振幅與校正的源檢測器偏移數(shù)據(jù)定量相關(guān)的方法的一部分。
在頻譜分解之前，可以再次對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以保證在所研究的地層的每一點(diǎn)的相等樣本數(shù)(時間或距離)而不考慮每一位置其相對厚度。
對正交基的這一頻譜分解還可用于先驗(yàn)的或設(shè)想的地震數(shù)據(jù)，例如鉆井記錄和從彈性模型推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。然后這一設(shè)想的數(shù)據(jù)(或先驗(yàn)知識)可以同觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便進(jìn)一步表征觀測數(shù)據(jù)。這對傳輸效應(yīng)、球面擴(kuò)散及非彈性衰減提供了基于模型的補(bǔ)償。為了更精確地表征測量的數(shù)據(jù)，對提供了最佳匹配的設(shè)想數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動以提供更好的匹配。
本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選特性在所附權(quán)利要求中列出。
現(xiàn)在參照附圖通過例子對本發(fā)明進(jìn)行說明，其中

圖1表示使用航海船只收集地震數(shù)據(jù)的示意圖，圖2表示地層內(nèi)樣本位置數(shù)，圖3表示具有非均勻厚度地層中重新采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)的垂直剖面圖，及圖4表示地震數(shù)據(jù)痕跡，重構(gòu)的痕跡，及來自重構(gòu)痕跡的極值。
圖1表示正在進(jìn)行的地震勘查簡化的示意圖，這來自中是在水上。船只12在水中航行拖著水聽器電纜12。電纜12沿著其縱長間隔攜帶著大量的水聽器(未示出)。水聽器電纜可由水聽器陣列代替，換言之即二維分布的水聽器。為了收集地震數(shù)據(jù)，在船只上提供脈沖信號14，該信號指向海底。將從海床及海床下的地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量的反射。為了簡化這里只示出來自海床16和地震層20、24及28主要的反射18、22、26和30。
收集的地震數(shù)據(jù)信號已經(jīng)施加了預(yù)處理。這將包括“遷移”，其中對非均勻反射層校正反射信號。并包括“疊加”，其中把從給定的點(diǎn)返回的信號在調(diào)節(jié)之后組合起來允許檢測在不同的傳感的反射信號及通過不同結(jié)構(gòu)的在不同深度的不同聲波速度。這些預(yù)處理技術(shù)是地震分析技術(shù)中熟知的，并在這里不進(jìn)一步討論。此外，在勘查區(qū)域上通過自動波前跟蹤器連續(xù)跟蹤反射信號的波前。然后可使用反射頻譜分解。
波前跟蹤和預(yù)處理的信號被認(rèn)為是以下的形式(或反射函數(shù))r＝r(x，y，t)對于特定的波前，其中x，y＝零痕跡指數(shù)或位置坐標(biāo)t＝遷移行進(jìn)時間(遷移深度坐標(biāo))，及r＝反射信號的反射振幅這樣以多個三維坐標(biāo)提供反射振幅信號的振幅。圖2示出在給定的點(diǎn)(x，y)層位16和層位20之間的多個時間(深度)坐標(biāo)t0，t1，t2，…tN。已知先有技術(shù)的安排是使用這一數(shù)據(jù)識別各層(層位)之間的邊界，而這是以某種方式表征了地下的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在希望把一層內(nèi)的反射率定量化，并為此希望推導(dǎo)地震數(shù)據(jù)的頻譜分析。
使用熟知的付立葉分析的地震數(shù)據(jù)的頻譜分析不能滿足要求。付立葉分析所依賴的正弦和余弦波的無限性及要分析的地震信號暫短的持續(xù)性的結(jié)果是窗口效應(yīng)或旁瓣，這使分析失真。根據(jù)本發(fā)明的分析通過信號的頻譜分析無需使用付立葉變換而避免了這一困難。
為了進(jìn)行頻譜分析，近似沿時間(或深度)軸的反射信號的反射振幅。在這一例子中，這是使用正交多項式在最小二來的意義上進(jìn)行的。雖然可使用其它的正交多項式，但一組這樣的正交多項式可以是一組以下特定的切比雪夫(Chebyshev)多項式{Pm，N}。
P0.N＝1P1,N=1-2tN]]>P2,N=1-6tN+6t(t-1)N(N-1)]]>P3,N=1-12tN+30t(t-1)N(N-1)-20t(t-1)(t-2)N(N-1)(N-2)]]>P4,N=1-20tN+90t(t-1)N(N-1)-140(t-1)(t-2)N(N-1)(N-2)+70t(t-1)(t-2)(t-3)N(N-1)(N-2)(N-3)]]>一般來說Pm,N(t)=Σi=0m(-1)imim+iit(t-1)(t-2)···(t-i+1)N(N-1)(N-2)···(N-i+1)]]>其中
是二項式系數(shù)，N是采樣點(diǎn)的數(shù)目且mi=m!i!(m-1)!]]>現(xiàn)在我們對一組觀測的地震信號或更精確地說是一組聲響反射振幅推導(dǎo)一組系數(shù){Ck}。通過在多項式與測量的聲響反射振幅之間進(jìn)行最小二乘擬合推導(dǎo)這些系數(shù)。為了這樣做，從信號a(t)減去各系數(shù)多項式乘積，對結(jié)果求平方，并對所有的t值(樣本時間或距離)求其和。這樣對于系數(shù)值{Ck}求以下的信號S的最小值S=Σi=0N[α(t)-c0P0,N(t)-c1P1,N(t)...-cmPm,N(t)]2]]>這意味著為了求S的最小值，正規(guī)方程為αSαck-2Σi=0N[(t)-c0P0,N(t)-c1P1,N(t)...-c0P0,N(t)]Pk,N(t)=0]]>
對k＝0，1，2，…，N然而由于多項式組是正交的，故能夠分別解出參數(shù)，這給出Σi=0N[a(t)-ckPk,N(t)]Pk,N(t)=0]]>對CK解此方程式給出ck=Σi=0Na(t)Pk,N(t)Σi=0NP2k,N(t)]]>系數(shù)組{CK}表示聲響反射振幅的頻譜分解。在數(shù)學(xué)上各項{CK}表示用來分解信號a(t)的特征方程{PK，N}的特征值組。希望以足夠的精度獲得最小數(shù)目的系數(shù)(即k的最小值)，因?yàn)檫@將簡化后繼的處理。
如果選擇充分高階多項式分解，則VRS多項式能夠無誤地表示地震采樣。這意味著如果在時間窗口有N個樣本，則N-1階的多項式分解將給出準(zhǔn)確無誤的樣本重構(gòu)。如果分解階數(shù)小于N-1，我們將具有一種近似(最小均值方差)。
為了使所描述的特定多項式組Pm，N為正交的，它們必須被等距離采樣。換言之，所考慮的地層中地震樣本的數(shù)目N對給定的地層必須均勻。對于其厚度不均勻的地層可能不是這樣的情況，但這能夠按以下方式糾正。一般來說，從它們的原始采樣率對信號再次采樣，以便在勘查區(qū)域中每一給定的(x，y)坐標(biāo)位置提供相同數(shù)目的樣本值。這樣，地層較淺部分將具有間隔更近的采樣點(diǎn)(對于時間或深度)，而在較深部分這種點(diǎn)將間隔較大。
還能夠從井交切地震聲響的地方的觀測數(shù)據(jù)計算頻譜。然后這些頻譜能夠在類似于合成推導(dǎo)頻譜的分類中應(yīng)用。
詳細(xì)來說，給出如下。地層最大的厚度可通過尋找以下最大值計算
Δf(x，y)＝f2(x，y)-f1(x，y)其中地層由層位定義如下f1(x，y)＝最淺的層位(即地層的頂面)f2(x，y)＝最深的層位(即地層的底面)然后能夠從以下計算樣本點(diǎn)數(shù)N=maxΔf(x,y)Δt+1]]>其中Δt＝沿深度或時間軸的采樣率。
換言之，地層的最大厚度除以采樣率加一。需要額外的采樣點(diǎn)使得樣本點(diǎn)位于地層的兩表面。
對帶有少于N的樣本的那些(x，y)位置要進(jìn)行內(nèi)插以具有N個樣本。適當(dāng)?shù)募夹g(shù)是使用正弦內(nèi)插器，并具有七個點(diǎn)的內(nèi)插濾波器是適用的。如果需要可使用不同的內(nèi)插濾波器和/或更精確的正弦內(nèi)插器。另外，或此外，漢寧(Hanning)濾波器可用于內(nèi)插的樣本，以便補(bǔ)償內(nèi)插濾波器的有限長度(濾波器截取效應(yīng))。圖3給出內(nèi)插過程的簡化視圖。在地震層最寬的位置40在時間(深度)方向有五個(例如)樣本。在地震層最窄的部分44似乎只有兩三個樣本出現(xiàn)。然而在內(nèi)插之后，在包括具有中等深度位置42的地層內(nèi)的每一位置有五個樣本點(diǎn)。
圖4表示基準(zhǔn)軸46及與由基準(zhǔn)軸表示的特定的x，y位置相關(guān)的例子的地震數(shù)據(jù)痕跡48的位置。如上所討論，地震數(shù)據(jù)痕跡48一般將從改進(jìn)地震數(shù)據(jù)信號質(zhì)量的預(yù)處理步驟輸出。就此來看，地震數(shù)據(jù)痕跡48是以向圖4的底部增加的深度(按時間或距離)顯示的，并且地震振幅是作為地震數(shù)據(jù)痕跡48和基準(zhǔn)軸線46之間距離顯示的。地震數(shù)據(jù)痕跡48是以階梯函數(shù)的格式顯示，因?yàn)榇蟛糠值卣饠?shù)據(jù)是以數(shù)字形式獲得的。在特定地層內(nèi)可得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目明顯地主要依賴于地層的厚度和數(shù)據(jù)的采樣區(qū)間。
圖4還示出重構(gòu)的痕跡50，該痕跡圖示出推導(dǎo)出的多項式系數(shù)乘以它們各個正交多項式函數(shù)的和。這一重構(gòu)痕跡50表示推導(dǎo)的正交多項式序列如何逼近層位20和層位24之間的地震數(shù)據(jù)痕跡48。雖然增加所使用的多項式系數(shù)的數(shù)目將降低地震數(shù)據(jù)痕跡48與重構(gòu)痕跡50之間的差，但是一般在逼近過程中只使用5到10個之間的系數(shù)。對系數(shù)數(shù)目的限制簡化了后繼的處理并消除了可能減弱與真實(shí)的地下狀態(tài)相關(guān)的高階系數(shù)。一旦對具體的數(shù)據(jù)集已經(jīng)選擇了適當(dāng)數(shù)目的系數(shù)，重要的是對數(shù)據(jù)集中其它痕跡推導(dǎo)相同數(shù)目的系數(shù)，以便允許系數(shù)值可被適當(dāng)比較。
又圖4示出構(gòu)成重構(gòu)痕跡50的局部極大和極小極值52。極值的數(shù)目、極值的符號(正或負(fù)、極大或極小)、極值的大小、和極值沿極值軸線46的位置也可直接從推導(dǎo)出的多項式系數(shù)計算。這些屬性的每一個在刻劃層位20和層位24之間的地下狀態(tài)中是有用的。
極值52表示出現(xiàn)在特定地層內(nèi)的內(nèi)部反射層，并且所透露的方法在自動檢測地層內(nèi)的反射層時特別有用。
通過觀察推導(dǎo)出的系數(shù)系數(shù)和/或極值的數(shù)目、符號、量值和/或位置的變化，能夠間接地檢測出出現(xiàn)在地層中的地質(zhì)特性，諸如孔道或破裂，或確定其它重要地下特性的位置，諸如儲油層內(nèi)油/水界面的位置。建立分類規(guī)則以便允許基于計算機(jī)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的方法，使用推導(dǎo)出的地質(zhì)特征自動識別并分離地震數(shù)據(jù)集中地質(zhì)特性及其它有用的地下項目。
使用推導(dǎo)出的多項式系數(shù)還能夠計算出其它的地震特性(或?qū)傩?。例如，能夠計算出地震數(shù)據(jù)痕跡48與重構(gòu)痕跡50之間的差的大小。這一量值能夠提供第三類可用來刻劃地震數(shù)據(jù)的屬性。
還能夠推導(dǎo)出能夠用來比較并刻劃來自測量信號的頻譜的綜合頻譜。重要的是，綜合頻譜是在與測量的頻譜(標(biāo)定為觀測數(shù)據(jù))相同的頻譜域中提供的。這種綜合頻譜可從數(shù)個關(guān)于地球假定或從由實(shí)際鉆井等表征的區(qū)域的實(shí)際測量值推導(dǎo)出。
一旦在公共頻譜域中表示出綜合頻譜和測量頻譜，則即可進(jìn)行比較以確定“最佳匹配”。最佳匹配還可按推導(dǎo)正交多項式系數(shù)所使用的類似的方式，從最小二乘擬合推導(dǎo)出。一旦確定了綜合最佳匹配，然后就能夠擾動最佳匹配以產(chǎn)生綜合頻譜進(jìn)一步范圍。然后進(jìn)而比較觀測數(shù)據(jù)與擾動綜合頻譜。能夠通過地質(zhì)統(tǒng)計分類系統(tǒng)進(jìn)行綜合頻譜與觀測頻譜之間的比較。這種系統(tǒng)工作的參數(shù)由用戶定義。對給定的觀測數(shù)據(jù)集的最佳匹配指定一概率值以指出正確分類的似然率。如果觀測數(shù)據(jù)集具有屬于兩個或多個類別相等的概率，則指定它們?yōu)榭梢深悇e。沒能被指定為一類別(因?yàn)樗鼈儗λ锌傻玫念悇e匹配不良)的觀測被指定為例外類別。
本發(fā)明同樣適用于單一層位的分析。地震源將產(chǎn)生持續(xù)時間有限的一脈沖或信號。這樣將在包括要研究的層位的固定的時間窗口中分析返回的地震信號。
本發(fā)明包含這里所透露任何新穎的特性或特性的組合，不論是明顯的或蘊(yùn)含的。
權(quán)利要求
1.處理由特定的地下特征反射的地震數(shù)據(jù)信號的方法，該方法包括通過根據(jù)一系列正交多項式分解反射信號并推導(dǎo)表征地下特性反射率的一系列多項式系數(shù)，分析地震數(shù)據(jù)信號的頻譜。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其中地下特征包括由兩個層位定義的地層，且一系列多項式系數(shù)表示聲響頻譜分析。
3.權(quán)利要求1中所述的方法，其中地下特征包括一個層位。
4.以上任一權(quán)利要求所述的方法，其中正交多項式集包括切比雪夫(Chebyshev)多項式集。
5.以上任一權(quán)利要求所述的方法，還包括在所表征的地下特征與地下特征多個預(yù)定的表征之間進(jìn)行比較，其中確定所表征的特征與預(yù)定特征之間最接近的匹配。
6.權(quán)利要求5中所述的方法，其中使用最小二乘擬合確定具有對所表征的特性最接近匹配的預(yù)定的表征。
7.權(quán)利要求5或6中所述的方法，其中擾動具有最接近匹配的預(yù)定的表征以提供至少一個進(jìn)一步的預(yù)定表征供與所表征的特征比較。
8.參照附圖基本按以上所述處理地震數(shù)據(jù)信號的方法。
9.權(quán)利要求1中所述的方法，還包括使用推導(dǎo)出的多項式系數(shù)計算地震數(shù)據(jù)信號附加的屬性。
10.權(quán)利要求9中所述的方法，其中附加的屬性包括通過對推導(dǎo)出的多項式系數(shù)乘以它們各自的正交多項式函數(shù)求和而產(chǎn)生重構(gòu)痕跡的極值的數(shù)目、符號、量值或位置。
11.權(quán)利要求9中所述的方法，還包括通過觀測推導(dǎo)的多項式特征或附加屬性中的變化間接測量地質(zhì)或地下特征。
12.權(quán)利要求9中所述的方法，其中附加的屬性表示地層中內(nèi)部反射物。
全文摘要
透露了一種用于以比以往更高精確度表征地球地下地層的方法。例如根據(jù)已知的技術(shù)遷移并疊加地震數(shù)據(jù)樣本,并然后進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析施加到地下特征,并例如由一對層位界定的特定的地層將受到聲響反射頻譜分析。使用正交基通過以一組正交多項式集借助于系數(shù)定義反射信號而進(jìn)行分析。從多項式系數(shù)可直接計算附加的地震特征或?qū)傩浴＿@些系數(shù)以高精確度表示地居的特性,并可與頻譜推導(dǎo)的先驗(yàn)進(jìn)行比較(例如綜合頻譜或先前表征的頻譜),進(jìn)而有助于測量地震數(shù)據(jù)的分析。
文檔編號G01V1/28GK1251173SQ98803457
公開日2000年4月19日 申請日期1998年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月20日
發(fā)明者拉斯·森尼蘭德, 博－歐拉·坦恩伯, 托馬斯·格爾曼, 奧文德·爾克, 克納特·斯丁·伯格, 古納·伯杰 申請人:施魯博格控股有限公司