CN111505707B - 一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，该方法首次实现了在地震体波中提取群速度。本方法在计算不同频率分量速度时引入多道数据群延迟时间和深度最小二乘拟合，拟合出来的关系直线，能够压制噪声，更准确地估计信号的速度，从而可以得到一个更加准确的频散曲线。相对于频散曲线提取方法，该技术更适合于频散现象较弱的地震体波信号。应用于垂直地震剖面数据资料处理中，可以更准确地表征地下介质的频散特性，辅助刻画更精细的地下结构。

Description

一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法

技术领域

本发明属于地震勘探技术领域，涉及垂直地震剖面数据频散曲线提取方法，具体涉及一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法。

背景技术

地震勘探是常见的石油天然气勘探方法。由于地下介质的粘弹性和非均匀性，地震波在地下介质中传播时会发生频散和衰减。频散表示了频率和速度的关系，即地震波中不同频率分量的速度不一样。因为对频散的研究涉及频率，所以利用时频分析工具将地震记录转换到时频域是必不可少的步骤。

频散包括相速度和群速度，目前针对群速度的研究，主要集中在地震面波中的群速度提取，而从地震体波中提取群速度却没有有效地办法。2012年，Askari和Ferguson提出了利用广义S变换从地震面波中提取频散的方法。该方法的关键步骤是从广义S变换系数中提取出脊线，比较两个站点的脊线，计算出两条脊线的时间差异随频率的变化关系。该时间差异即为不同频率分量在两个站点间的传播时间，再利用站点间距离除以时间，就可以获得不同频率分量的传播速度。

但是，如果将该方法推广到从体波中提取频散曲线，则会产生问题，体波中的频散现象较为微弱，因此其测量数值更容易受到噪音的影响，也就是说从体波的广义S变换系数中提取出的脊线不够准确，不足以用来计算群速度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，能够更准确地计算垂直地震剖面(VSP，Vertical SeismicProfile)VSP数据中的群速度，且易于实现，可操作性强。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，包括以下步骤：

1)在井中布置检波器采集原始地震数据，然后对采集到的垂直地震剖面数据进行上下行波分离处理、多次波压制处理；处理后得到零偏VSP记录，记为U_z(t)，其中z表示检波器所在的深度，t表示时间；

2)利用三参数广义S变换，将零偏VSP记录转换到时间频率域，获得对应广义S变换系数GST_z(t,f)，三参数广义S变换的特点为窗宽会随频率变化，并且有三个参数影响窗宽；变换公式为：

其中，k＞0表示窗宽系数，s＞0表示窗宽随频率变化的程度系数，m≥0表示广义S变换和短时傅里叶变换之间的权衡系数；

3)多个检波器的深度为z_d,d＝1,2,…,D，检波器数量为D，因此可得到对应的D组广义S变换系数；

4)针对不同深度的广义S变换系数，提取出群延迟时间t_d(f)，群延迟时间为广义S变换系数达到最大值的对应时间：

群延迟时间是频率的函数；

5)将频率固定为某一值，如f_x，拟合出该频率下群延迟时间t_d和深度z_d的关系直线，直线的斜率记为m₁(f_x)；

6)m₁(f_x)的倒数即为对应频率的群速度，记为v_g(f_x):

v_g(f_x)＝1/m₁(f_x)

7)重复步骤5)和6)，遍历每一个频率f_x，就可以得到所有频率对应的群速度v_g(f)，群速度随频率变换的曲线即为本方法提取的频散曲线。

优选地，步骤5)中利用最小二乘方法来拟合出群延迟和深度之间的直线：

首先，固定某一频率，如f_x，则可以列出该频率下，群延迟时间t_d和深度z_d的关系：

r_d,d＝1,2,…,D为噪音，该关系可写为矩阵形式：

T＝Zm+r

m为斜率向量，该向量和频散速度相关，可用最小二乘拟合求得：

m＝(Z^TZ)^-1Z^TT

最小二乘可以消除噪音，拟合出最能体现时间和深度关系的向量m。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用三参数广义S变换和最小二乘拟合相结合来提取群速度，针对地震波中不同频率分量到达检波器的时间(群延迟时间)易受噪音干扰且难以准确提取的问题，本方法利用多道数据的群延迟时间和检波器深度进行最小二乘拟合，极大压制了噪音的影响，拟合出来群延迟时间和深度关系直线的斜率即为频率分量速度的倒数。现有技术的方法只适用于面波频散曲线的提取，而本方法提取频散曲线的精度更高，可以适用于VSP体波频散曲线的提取，因而填补了体波频散曲线提取方法缺失的空白。

附图说明

图1为零偏VSP地震资料采集示意图；

图2为某频率分量(20Hz)群延迟时间和深度拟合直线；

图3为从仿真的在粘弹介质中传播的地震资料中提取出来的频散曲线；

图4为从仿真的在弥散粘滞介质中传播的地震资料中提取出来的频散曲线；

图5为从真实地震资料中提取出来的频散曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明基于三参数广义S变换和最小二乘拟合方法，从零偏VSP地震资料中提取频散曲线，包括以下步骤：

1)在井中布置检波器采集原始地震数据，然后对采集到的垂直地震剖面数据进行上下行波分离处理、多次波压制处理，处理后得到零偏VSP记录，记为U_z(t)，其中，z表示检波器所在的深度，t表示时间；

2)利用三参数广义S变换，将零偏VSP记录转换到时间频率域，获得对应广义S变换系数GST_z(t,f)，三参数广义S变换的特点为窗宽会随频率变化，并且有三个参数影响窗宽；变换公式为：

其中，k＞0表示窗宽系数，s＞0表示窗宽随频率变化的程度系数，m≥0表示广义S变换和短时傅里叶变换之间的权衡系数；

3)多个检波器的深度为z_d,d＝1,2,…,D，检波器数量为D，得到对应的D组广义S变换系数；

4)针对不同深度的广义S变换系数，提取出群延迟时间t_d(f)，群延迟时间为广义S变换系数达到最大值的对应时间：

群延迟时间是频率的函数；

5)将频率固定为某一值，如f_x，则可以列出该频率下，群延迟时间t_d和深度z_d的关系：

r_d,d＝1,2,…,D为噪音，该关系可写为矩阵形式：

T＝Zm+r (4)

m为斜率向量，该向量和频散速度相关，可用最小二乘拟合求得：

m＝(Z^TZ)^-1Z^TT (5)

最小二乘可以消除噪音，拟合出最能体现时间和深度关系的向量m；

6)m₁(f_x)的倒数即为对应频率的群速度，记为v_g(f_x):

v_g(f_x)＝1/m₁(f_x) (6)

7)重复步骤5)和6)，遍历每一个频率f_x，就可以得到所有频率对应的群速度v_g(f)，群速度随频率变换的曲线即为本方法提取的频散曲线。

采集***说明：

图1为零偏VSP地震资料采集***说明图，若干检波器在地下垂直排布，地震波从上向下传播，因此浅层的检波器先接收的地震波，深度越深的检波器接收到地震波的时间越晚，所以接收到的地震波是时间的函数，也和深度相关。

群延迟时间和深度拟合说明：

图2为20Hz频率分量群延迟时间和深度拟合直线，群延迟时间描述了频率分量到达不同深度的时间，检波器之间的距离(深度差异)除以频率分量的传播时间(群延迟时间差异)就可以获得该频率分量的速度，但群延迟时间易被噪音干扰，所以实际上不能直接除。本发明采用最小二乘拟合出群延迟时间和深度的关系直线，该直线的斜率的倒数即为频率分量的速度。

从仿真数据中提取频散曲线结果：

1、粘弹介质中地震数据

为了验证本方法提取的频散曲线的有效性，选取了仿真的在粘弹介质中的地震资料进行试验，粘弹介质中频散曲线的理论值数学表达式如下：

其中，

v_r是参考相速度，Q_r是参考质量因子，ω_r是参考频率。

图3为提取出来的频散曲线和理论值的对比图，从图中可以看出，在常用的地震频段(8Hz-100Hz)内，本方法提取出的频散曲线和理论值非常接近，相对误差在0.5％以内，这证明了本方法可以有效的压制噪声，准确的从垂直地震剖面中提取出频散曲线。

2、弥散粘滞介质中地震数据

为了验证本方法提取的频散曲线的有效性，选取了仿真的在弥散粘滞介质中的地震资料进行试验，弥散粘滞介质中频散曲线的理论值数学表达式如下：

其中，

γ是弥散参数，η是粘滞衰减参数，v是介质速度。

3、实际地震资料

基于理论分析结果，进一步将频散曲线提取方法应用到实际地震资料中。图5为2000m以下深度的十道地震资料中提取出来的频散曲线，可以看出其结构和弥散粘滞介质中的频散曲线类似，这证明了本方法在处理实际数据时，依然有效。在复杂实际介质的中，即使其频散曲线不是单调递增的简单结构，本方法依然可以将其提取出来。提取出来的频散曲线和弥散粘纸介质中频散曲线的趋势类似，恰恰说明了从实际数据中提取出来的频散曲线具有符合理论研究的期望，具有物理意义，这也从侧面证明了本方法的正确性。

综上所述，本发明的方法首次实现了在地震体波中提取群速度，本方法在计算不同频率分量速度时引入多道数据群延迟时间和深度最小二乘拟合，拟合出来的关系直线，能够压制噪声，更准确地估计信号的速度，从而可以得到一个更加准确的频散曲线。相对于频散曲线提取方法，该技术更适合于频散现象较弱的地震体波信号。应用于垂直地震剖面数据资料处理中，可以更准确地表征地下介质的频散特性，辅助刻画更精细的地下结构。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在井中布置若干个用于采集原始地震数据的检波器，对采集到的垂直地震剖面数据进行上下行波分离处理及多次波压制处理，处理后得到零偏VSP记录，记为U_z(t)，其中z表示检波器所在的深度，t表示时间；

2)利用三参数广义S变换，将零偏VSP记录转换到时间频率域，获得对应广义S变换系数GST_z(t,f)；

3)若干个检波器的深度为z_d,d＝1,2,…,D，D为检波器数量，得到对应的D组广义S变换系数；

4)针对不同深度的广义S变换系数，提取出群延迟时间t_d(f)，群延迟时间为广义S变换系数达到最大值的对应时间，即群延迟时间是频率的函数，如下式：

5)将频率固定为某一值f_x，拟合出该频率下群延迟时间t_d(f)和深度z_d的关系直线，直线的斜率记为m₁(f_x)，m₁(f_x)的倒数即为对应频率的群速度，记为v_g(f_x)，则有：v_g(f_x)＝1/m₁(f_x)；

6)重复步骤5)，遍历每一个频率f_x，能够得到所有频率对应的群速度v_g(f)，群速度随频率变换的曲线即为从垂直地震剖面数据中提取的频散曲线。

2.根据权利要求1所述的从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，其特征在于，步骤2)中，三参数广义S变换的窗宽随频率变化，且有三个参数影响窗宽，变换公式如下：

其中，k＞0，表示窗宽系数，s＞0，表示窗宽随频率变化的程度系数，p≥0，表示广义S变换和短时傅里叶变换之间的权衡系数。

3.根据权利要求1所述的从垂直地震剖面数据中提取频散曲线的方法，其特征在于，步骤5)中，利用最小二乘方法拟合出群延迟时间和深度之间的关系直线，具体包括如下步骤：

(1)固定某一频率f_x，列出该频率下群延迟时间t_d(f)和深度z_d的关系，如下式：

其中，r_d,d＝1,2,…,D为噪音；

上述关系写为矩阵形式：

T＝Zm+r

其中，m为斜率向量，该斜率向量和频散速度相关；

(2)上述斜率向量m用最小二乘拟合求得，如下式：

m＝(Z^TZ)^-1Z^TT

最小二乘能够消除噪音，拟合出最能体现时间和深度关系的向量m。

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