（固体地球物理学专业论文）非水平地表低信噪比数据叠前时间偏移方法研究.pdf

摘要 摘要 随着国家西部大开发战略的实施，西部地区已成为我国重要的资源接替区， 同时西部地区也是油气资源勘探的重点和难点地区，其地面条件复杂、表层结 构复杂、地下构造复杂。主要表现为地表高程变化比较剧烈，地震波的散射噪 声严重，传播主方向不断改变，地下目标构造照明很不均匀，观测系统不规则： 地表岩性相对变化强烈，以及近地表速度不满足地表一致性假设等。这些都使 得西部地震勘探面临着很多问题。如原始单炮记录的低信噪比问题，非同相叠 加问题，以及构造解释精度差问题。其中地震资料信噪比偏低及构造成像精度 差是西部复杂山地勘探的两个技术瓶颈问题，这两个问题也是地震勘探方法一 直努力解决的根本问题。 针对低信噪比数据，本论文提出了“射线束 道集叠加叠前压制噪声法， 根据菲涅尔带原理以及同相叠加原理压制叠前地震数据中的随机噪声。在成像 方面，基于非水平地表k i r c h h o f f 叠前时间偏移方法，本论文尝试直接在非水 平地表情况下，做偏移到多偏移距叠前时间偏移处理，以期在一定程度上解决 西部地震资料信噪比低以及构造成像精度差的问题。理论模型及实际资料的处 理结果表明，我们所采用的射线束道集叠加叠前压制噪声的方法对随机噪声的 压制是卓有成效的，无论从叠前道集，还是从叠加剖面或叠前时间偏移剖面都 体现了这一点。非水平地表条件下的偏移到多偏移距方法与水平地表情况下的 偏移到多偏移距方法一样，可通过多种形式实现，如非水平地表叠前部分偏移 到多偏移距偏移，非水平地表叠前全偏移到多偏移距偏移以及非水平地表的等 效偏移距偏移。通过偏移到多偏移距处理，原先的c m p 道集被转化为c i g 道集， 这种做法在非水平地表情况下具有很大的理论与实际意义。由于非水平地表情 况，初始的c m p 道集并不是双曲线，而是一条畸变了的曲线，因此无法对其进 行速度谱拾取，而转化后的c i g 道集的同相轴为标准的双曲线，可对其进行准 确的速度分析。并且c i g 叠加在叠加时不存在反射点弥散问题。用分析得到的 速度进行叠加，即可得到最终所要的偏移叠加剖面。 关键词：非水平地表，低信噪比，射线束道集，偏移到多偏移距 a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rt h ep o l i c yo fw e s t e r nc h i n a d e v e l o p m e n ta n di t si m p l e m e n t a t i o n , w e s t e r n d i s t r i c th a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tr e s o u r c e - r e p l a c e da r e ao fo u rc o u n t r y b u ti nt h i s a r e a , w ee n c o u n t e r e dl o t so fd i 硒c u l t i e sa n dp r o b l e m si ne x p l o r a t i o nb e c a u s eo fi t s s p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n di t sc o m p l e xs u r f a c ea n ds u b s u r f a c es t r u c t u r e s w h a t w er e f e r r e da s c o m p l e x a r et h i n g sa sf o l l o w s ：s e v e rc h a n g ei ns i l l f a c ee l e v a t i o n , s e r i o u sn o i s e sc o n t a i n e di ns e i s m i cw a v e ，c o n t i n u o u sc h a n g eo fm a i np r o p a g a t i o n d i r e c t i o n ，u n e v e ni l l u m i n a t i o no ft h eo r i e n t e ds 协l c t u r e ，i r r e g u l a rg e o m e t r ya n dn o t l o wn e a r - s u r f a c ev e l o c i t i e s a l lt h e s ec a u s e dt h et o u g hp r o b l e m st h a tw em e e t , l i k e t h el o ws i 伊a lt on o i s er a t i oo fo r i g i n a ls i n g l es h o td a t a , s t a c kp r o b l e m so fd i f f e r e n t p h a s e s ，a n db a dr e s o l u t i o no fs t r u c t u r ei n t e r p r e t a t i o n a m o n gt h e s e ，p r o b l e m so fl o w s e i s m i cd a t as na n db a ds t r u c t u r ei n t e r p r e t a t i o nr e s o l u t i o na r et w o k e yt e c h n o l o g i e s t h a tw es h o u l dd e v e l o p ，a n dt h e s et w oa r et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o no fm e t h o d si n w e s t e r ns e i s m i ce x p l o r a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，w ep r o p o s ea p r e - s t a c kn o i s e d e p r e s sm e t h o d h e r e ，r a n d o m n o i s e sa r ed e p r e s s e db ys t a c k i n gb e a mg a t h e r su n d e rt h er u l eo ff r e s n e l p r i n c i p l ea n d c o 。p h a s e ds t a c kp r i n c i p l e w ed om i g r a t i o nt om u l t i o f f s e tm i g r a t i o n ( m m o ) d i r e c t l y o nt h er u g g e dt o p o g r a p h yb a s e do i lt h em e t h o do f t o p o g r a p h i c a lk i r c l l l l o f fp r e - s t a c k t i m em i g r a t i o nw h i c hh a dd o n eb e f o r e b o t ht h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lm o d e l s ，n o m a t t e rt h ep r e - s t a c kg a t h e r s ，o rt h es t a c ks e c t i o n so rt h ep r e - s t a c kt i m em i g r a t i o n s e c t i o n s , s h o wt h a tt h em e t h o dw eu s e di nt h ep a p e rc a l ld e p r e s sr a n d o mn o i s e s e f f e c t i v e l y ，a n dc a nw o r ka sd a t ar e g u l a t i o nt os o m ee x t e n t t h es a m ea st h em e t h o do fm i g r a t et om u l t i o f f s e t ( m m o ) u n d e rt h ef i a t s u r f a c e , m m od o i n gd i r e c t l yo nt h er u g g e dt o p o g r a p h ya l s oh a ss e v e r a lw a y st o r e a l i z e ，l i k ed m ot om u l t i - o f f s e tw i t hr u g g e dt o p o g r a p h y , p s t mt om u l t i o f f s e tw i t h r u g g e dt o p o g r a p h y , a n de q u i v a l e n to f f s e tm i g r a t i o n ( e o m ) w i t hr u g g e dt o p o g r a p h y a f t e rm m o ，c m pg a t h e r sh a v eb e e nc h a n g e di n t oc i g g a t h e r s ，w h i c hh a sag r e a t m e a n i n gb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c eu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fc o m p l e xs u r f a c e c o n d i t i o n s i nr u g g e dt o p o g r a p h y , i ti sh a r df o ru st op i c kv e l o c i t i e so nt h ec m p g a t h e r s ，f o rc m pg a t h e r si nt h i ss i t u a t i o na r en o th y p e r b o l a sb u tl i n e so fa b e r r a n c e 。 i i 一垒! ! 塑竺一一 一一一一一 h o w e v c 0 曲a s e d1 i n e so fc i gg a t h e r s 盯es t a n d a r dh y p e r b o l a s ，s o t h a tw ec a nd o v e l 。衄狃a l y s i sp r e c i s e l yo nt h e n a n d c i gg a t h e r sc a na v o i dt i t ep r o b l 锄0 f r e f l e c t o r s ，d i s l 熵i o n w i t ht h ev e l o c i t yg o tf r o mc m p a n a l y s i s ，w ec a nd os t a c l 血g a n dg e tt h ef i n a ls e c t i o no fp r e - s t a c k t i m em i g r a t i o n k e yw o r d s ：r u g g e dt o p o g r a p h y , l o w s nr a t i o ，b e a mg a t h e r , m i 哥a t i o n t 0 m u l t i o f f s e t i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乏否勿哆 砷年刁月厂日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位做作者躲体渺 谰年、只r e t 第1 章绪论 第1 章绪论 随着国家西部大开发战略的实施，西部地区已成为我国重要的资源接替区， 同时西部地区也是油气资源勘探的重点和难点地区，其地面条件复杂、表层结 构复杂、地下构造复杂。由于西部地区特殊的地表及地下地质条件，使得该区 地震资料的采集、处理、解释成图都遇到了不同程度的困难。在处理方面，地 震反射波往往以非双曲线形式出现，加之各种噪声、交叉同相轴的同时出现以 及较大的静校正量和不合适的动校时差等，使得地震资料处理陷入困境。复杂 地表及地震地质条件会引起哪些问题? 复杂地表地区的低信噪比数据该如何处 理? 复杂地表变化引起的成像问题该如何分析以及如何寻找解决的可能策略? 这都引起了我们的深思。 针对上文所提到的三个问题，本章首先将对西部地区勘探所面临的一些问 题做一介绍，在此基础上，引出本论文针对这些问题中具体几个所采取的解决 措旌及方法，然后对国内外在该领域的研究现状以及新的动向进行介绍，最后 指出本论文的结构体系。 1 1 西部地震勘探中存在的主要问题 西部地震勘探中存在的问题主要是由复杂地表和地质条件造成的。所谓复 杂地表及地质条件，一般可以归纳为以下几点。 首先，地表高程变化比较剧烈。地表高程的剧烈变化使得地表速度变化剧 烈，这导致地震波的散射噪声严重。地震波传播的主方向不断改变，地下目标 构造的照明很不均匀。高程变化剧烈，也使得观测系统变得更不规则，进一步 增加了叠前偏移成像的难度。 其次，地表岩性相对变化强烈。在一个排列内变化很快，引起单炮道间时 差大。也导致激发条件与接收条件的变化快，使得单炮记录不一致，甚至炮集 内单道记录不一致。还可能导致地震波能量沿波导通道传播，不能对目的层照 明。 再次，近地表速度往往不是很低，不满足地表致性假设。地表一致性假 第1 章绪论 设认为低速带的速度远小于基岩速度，地震波在低速带内是垂直传播的，与各 层反射波入射到低速带的方向无关，因此在同一道记录中所有采样点的静校正 值是相同的。在大多数地区，地表一致性假设是合理的，它与实际情况的偏差 不会太大，但对于地表情况复杂的地区，该假设就不尽合理了，造成地表一致 性假设不合理的因素为：( 1 ) 由于低速带速度较高，造成在同一检波点上来自 不同反射层的反射波有不同的静校正量，即使同一反射层的反射波也会因为炮 检距的不同而具有不同的静校正量；( 2 ) 在沙漠和黄土地区，潜水面深度或者 低速带的厚度有时能达到几百米，造成地震波在低速带中的传播路径很长，即 使两条入射角度相差很小的射线在经过长距离的传播后，其旅行时也会因为路 径的不同而发生较大的偏差，在这种情况下，根据初至折射时间计算的静校正 量用于反射波的校正，就无法完全消除低速带对反射波旅行时的影响；( 3 ) 在 山区，基岩常常出露，从而使近地表地层速度很高，地震波到达检波点时的传 播方向差异也会较大，这与地表一致性假设不吻合，基岩出露的另一个影响是 使初至波波型复杂化，这时检波器接收到的初至波有可能就是反射波；( 4 ) 地 形的大幅度起伏会使静校正基准面的选取成为难点( 李辉峰，邹强，2 0 0 5 ) 。 在复杂地表地质条件下，西部地区勘探所面临的主要问题有( 苟量，贺振 华，2 0 0 5 ) ： 第一，原始单炮记录的低信噪比问题：山体区地表起伏剧烈，非均质性强， 噪声发育且难以有效压制；山前戈壁区低降速带巨厚，地震波吸收衰减严重； 农田村庄区入文干扰严重。原始单炮记录信噪比偏低是西部复杂山地勘探的最 基本特征。 第二，非同相叠加问题：影响西部山地资料叠加成像质量的因素有两个方面， 一是复杂表层结构带来的静校正精度问题，即多种地表类型使低降速带厚度及 速度在纵横向都可能产生强烈的变化，致使静校正精度难以保证；二是复杂的 构造特征致使地震波射线传播路径复杂，速度场变化剧烈。 第三，构造解释精度差问题：构造解释的精度主要受速度场精度的影响。在 面对复杂山地的典型地震资料时，提取精确的速度场仍然是一个亟待解决的问 题。 2 第1 章绪论 1 2 针对西部探区低信噪比数据噪声压制的一些方法 如果说做好静校正工作是西部资料处理的基础环节，那么去噪则是处理中 的关键。而从去噪的形式上来看，叠前去噪对于西部资料，显得更为重要。在 西部复杂地区采集的地震资料与平原地震资料相比，具有静校时移较大、各种 类型的规则干扰和不规则干扰发育、环境干扰引起的随机干扰发育等特点。在 复杂地表地区采集的地震资料中，有效反射波的能量大多弱于干扰波能量，资 料的信噪比很低，因此在处理中有效的压制干扰波，是复杂地表区地震数据处 理的核心问题。 在对西部资料的处理过程中，根据资料的具体情况，一方面选择恰当的去 噪方式，另一方面在处理过程中，可以灵活应用，克服去噪方法本身的一些弊 端，从而取得较好的效果。 针对西部探区低新噪比地震数据资料，主要有以下的一些叠前压噪方法可 供参考。 利用中值相关滤波预测相干信号：王卫华( 2 0 0 0 ) 提出的利用中值相关滤波进 行信噪分离，是在一个视倾角范围内求取一个中值序列 聊) ，然后通过相关分 析在中值序列 碍 中求一个最佳中值作为预测的相干信号，从而实现信噪分 离，是一种非线性滤波技术。该方法简单，容易实现。由于它采用了倾角扫描， 求中值序列、相关求最佳中值等手段，从而能适应各种强烈干扰背景资料的信 噪分离，且对信号有较高的保真度，是复杂地区低信噪比资料处理一种比较理 想的方法，它适用于叠后和叠前提高信噪比处理。 时差、常相位校正及加权叠加：由李合群、周兴元( 2 0 0 0 ) 提出的时差、常相 位校正及加权叠加，是将动、静校正后的c m p 道集内的各道与模型道相比较， 找出各道与模型道间的时差和常相位差，并作相应的校正( 双参数校正) ，再对 校正后的各道再指定的频带( 常为高信噪比范围) 内估算加权系数，最后进行 加权叠加，从而提高叠加剖面的信噪比。它属于叠前处理，并直接形成叠加道， 其目的是想实现完全同相叠加，得到最佳的叠加响应。 共散射点道集成像提高数据信噪比：b a n c r o f t 和g e i g e r ( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，1 9 9 8 ) 提 出等效炮检距偏移方法( e o m ) ，它依据波旅行时的双平方根方程，采用叠前 k i r e h h o f f 积分偏移原理，将地震道按产生的散射点，在给定的炮检距范围内抽 道集，称为共散射点道集；然后，对已经形成的道集进行速度分析、动校正、 第1 章绪论 叠加，得到一个共散射点道集叠加剖面，实际上是一个偏移剖面，最后，根据 偏移剖面质量的高低，重复上述处理过程，直到剖面效果满意为止。 利用分频处理的思路压制噪声：蔡希玲( 1 9 9 9 ) 提出一种自适应检测强能量 噪声的方法，它基于频域分频技术，以稳健的加权中值为参量识别噪声，并根 据信号与噪声的数值关系确定衰减曲线，压制强能量的干扰，在一些实际资料 处理中见到了良好的效果。 采用神经元网络设计非线性滤波压噪：其主要思路是：首先通过平方波场 即所谓的非线性( - - 次) 变换提高数据的信噪比，然后提取有效波和噪声的多 种特征参数，并据此用神经元网络设计出压制噪声的滤波器进行滤波，再对数 据进行非线性变换，从而达到去噪目的。神经元网络可视为一个可以逼近高维、 高度非线性状态的滤波器，通过提取有效信号和噪声中的多种特征信息进行学 习，并由网络的非线性来综合分析确定该滤波器的构成，然后进行数据变换， 达到分离有效信号和噪声的目的。 f k 域倾角滤波技术：根据噪声的倾斜角度去除线性关系较强的一些规则 干扰。当线性干扰与有效信号在f k 域界线不明时，造成混淆，处理效果不理 想，这是对处理数据进行加工处理，也就是在共中心点道集上进行动校正处理， 使有效信号动校正拉平后，再反抽成共炮点道集，这样使得噪声的倾斜角度与 有效信号分离开，从而较为准确的找到噪声数据进行去噪，达到预期目的。 道内插法：由于f k 域倾角滤波方法本身会产生空间假频，为克服这一弊 端，可采用道内插的方法，也就是再空间轴上进行道与道之间的内插扩充数据， 从而消除空间假频现象。 自适应低频噪声压制面波技术( 赵波，1 9 9 9 ) 。以往用高通滤波方法，压制 面波的同时也损失了有效信号的低频成分。面波在能量分布、视速度、频率分 布范围上与有效波有较大的差别。根据有效波与面波在空间和频率域的分布特 征及其能量衰减特征的差别，利用统计分析方法识别面波，再用加权衰减的办 法针对面波进行压制，保证有效波信号的低频成分和其它信息不受影响。 随机噪声压制技术。采用多道识别、单道处理的策略将地震数据集分频处 理，对各频带地震数据集沿空间方向进行逐点振幅综合统计，识别出噪声，并 进行噪声压制处理。 多“域 去噪方法压制侧面波、多次折射波、散射波技术( 周廷全，2 0 0 2 ) 。 受复杂地表地质条件和采集时激发、接收条件等方面的影响，沙漠地区地震资 4 第1 章绪论 料规则干扰发育。通过分析实验，发现其在不同“域 的线性关系不同，在炮 域表现不很突出的干扰，在检波点域却表现非常严重。因此，可根据规则干扰 在不同“域”的线性关系，采用“多域串联”去噪的方法，先在检波域去规则 干扰，再将道集抽到炮点域压制规则干扰。 东方地球物理公司专家凌云和郭向宇( 1 9 9 2 ) 等提出了基于波动理论的近地 表散射压制方法，高少武、赵波( 2 0 0 3 ) 等采用自适应相干噪声衰减技术，都 取得了较好的效果。 当然，上面的方法并不是一概而论的，在有效压制噪声的过程中，要根据 噪声的不同类型以及当地的具体情况来选择合适的去噪方法。 本论文提出“射线束道集叠加叠前压制噪声法，这里所说的射线束道集 是指位于某一规定条件下炮点和检波点邻域内的道所组成的道集，这些道按照 同相叠加的原理叠加起来，炮点和检波点邻域中点坐标作为叠加后一道的炮点 和检波点位置坐标。在这过程中，信号部分相干加强，噪声部分得到压制。 1 3 叠前时间偏移在西部地震勘探中的必要性 根据西部探区的具体情况，为使地震资料更好的为西部油气勘探开发服务， 研究并应用复杂地表条件下的深层复杂地质体地震成像技术已十分迫切。 我们知道，常规叠加是建立在水平层状介质及横向速度连续变化基础之上 的，对于构造起伏及横向速度剧烈变化情况，常规叠加方法并不适宜。因为在 这种情况下，时距曲线形状与n m o 校正方程相差甚远，同一c m p 道集在同一 界面上的反射点位置分散，如图1 1 所示。 图1 1 非水平地表反射点弥散图 第1 章绪论 图中s 、r 分别为非水平地表坐标系下炮点和检波点的坐标，p 为根据该炮 检点坐标计算的中心点位置，尸为根据斯奈尔定律计算的中心点位置，即水平 地表情况下的共中心点位置。从图中可以看出，在非水平地表情况下，反射点 将发生弥散，如果用菲水平地表坐标计算共中心点，则其不满足斯奈尔定律。 同时这种情况还会造成速度分析的多解性，最终导致无法实现真正的共反射点 叠加和正确的成像结果；另外，在偏移前的道集中进行速度分析，也造成速度 点偏离其真实地下位置，叠加剖面不等同于零炮检距剖面，建立在零偏移距道 基础上的偏移归位技术，即叠后偏移技术就不能保证信息正确归位；再者，由 于存在绕射及倾斜地层等，也会造成利用叠前道集进行a v a a v o 等叠前属性反 演的失败。 叠前偏移方法基于双平方根方程的非零炮检距成像理论，建立在对点散射 的非零炮检距方程基础上，沿非零炮检距的绕射曲线旅行轨迹对振幅求和，是 一种射线成像，能够解决叠后偏移存在的问题。首先，经过叠前偏移之后数据 中的反射振幅都归位到它的地下真实位置，保证了分析点速度代表地下成像点 位置处的真实均方根速度；同时，通过叠前偏移解决了具有不同倾角地层的速 度多解性问题，成为严格意义上的地层均方根速度，为以后的解释工作提供了 准确的地下速度模型；另外它解决了具有不同倾角地层的成像问题，成像精度 得到提高，偏移速度场也可以通过叠前偏移后的道集内同相轴是否校平定量确 定，其道集可用于a v o 、a v a 等叠前的属性反演。 西部勘探地区地表及地下较为复杂、速度变化剧烈，常规叠加偏移处理效 果难以取得理想的地震勘探效果，这就需要我们进行理论更为先进、更加适应 速度横向变化的叠前偏移方法的应用。经过近几年的发展，特别是微机群的出 现，计算机性能大幅度提高，计算成本大大降低，处理周期显著缩短，叠前偏 移技术已经具备了大规模处理的条件。 叠前偏移从实现方法上分为叠前时间偏移和叠前深度偏移。理论上讲，叠 前深度偏移是解决复杂地质体成像的理想方法，但是它对速度模型的依赖型很 强，要求有一个能宏观反映地下速度变化的地质模型，即深度域的层速度模型。 因此叠前深度偏移中的大部分工作是进行反复的速度分析，以获得成像效果最 好的层速度模型。利用深度偏移估算速度已经成为叠前深度偏移面临的最大难 题之一。此外叠前深度偏移周期长，成本高，成功率不高，因此近几年更为经 济的叠前时间偏移成为石油工业界的关注点。 6 第1 章绪论 叠前时间偏移是成像和速度分析的重要手段，它能对陡倾角反射进行成像， 提高横向分辨率，消除速度分析过程中不同倾角和位置的反射带来的影响，提 高速度分析结果的精度和叠加剖面的质量。保幅的叠前时间偏移方法还能提高 a v o 分析的精度。 1 4 非水平地表成像方法的发展现状 在复杂地表的常规数据处理中，一般采用浮动基准面校正或水平基准面校 正将非水平道集转换为水平道集，这过程应用了简单的垂直静校。地形起伏较 缓地区，或近地表速度远小于地下界面速度的地区，地表一致性条件得到满足， 因此可用地表一致性静校来解决地形起伏问题，但是对于复杂地表情况，射线 路径的出射角比较大，简单的静校就会导致波场畸形，得到异常的成像结果。 实际上，若基岩速度弄不准，向上延拓的充填速度可能是随意选的。这时候在 此参考面上进行偏移，其误差是不可避免的。同时，静校正时认为地表速度低， 射线在低速带传播时垂直上下，可是地表速度不一定低，射线不一定垂直上下。 这样做的直接后果就是会改变反射同相轴的曲率，导致速度分析有误。另外， 基准面与非水平观测面的高度差异越大，引起的后续速度分析的误差就越大。 因此针对复杂地表成像过程中存在的静校问题，提出了以下解决办法： ( 1 ) 波动方程基准面校正( b 删l l ，1 9 7 9 ，1 9 8 4 ；b e v c ，1 9 9 7 ) 。即把数据延 拓到一个平界面上，然后进行常规处理或叠前时间偏移。 ( 2 ) 起伏地表偏移( w i g g i n s ，19 8 4 ；m c m e c h a na n dc h e n ，19 9 0 ；r e s h e f , 19 9 1 ； b e a s l e ya n dl 1 i ，i u l ，19 9 2 ；g r a y m a r f u r t ，19 9 5 ；l i n e se ta 1 ，19 9 6 ；y a n g ，w a n ga n d m a , 1 9 9 9 ；) ，即直接在非水平地表上进行偏移。该偏移方法可以分为非水平地表 叠前时间偏移和非水平地表叠前深度偏移两种。 为了应付复杂地表地区地表一致性条件不满足以及波场不是垂直传播的问 题，b e v c ( 1 9 9 7 ) 提出在处理过程之前应用波动方程基准面校正，将数据向上延拓 到高于最高地形的水平基准面上。该方法不需要知道精确的近地表速度场， 起伏地表偏移可以在时间域进行也可以在深度域进行。 w i g g i n s ( 19 8 4 ) 指出可以运用k i r c h h o f f 公式直接在起伏地表情况下做偏移 成像，具体做法是先做k i r c h h o f f 积分，然后用互反原理，再用k i r c h h o f f 积分， 使用c l e a r b o u t 成像原理将积分化为成像公式。由于在成像过程中用了两次 7 第1 章绪论 k i r c h h o f f 积分配合互反原理，因此该方法称为k r k 积分法。k r k 积分是相当 耗时的，只有当遇到极端地形或者复杂构造时才可用到。k r k 积分首先将炮点、 检波点延拓到不规则地层底部后再偏移。尽管他的效率并不高，但作为一种在 起伏地表下直接成像的方法，它的确为我们提供了一种新的思路。 j i a n c h a ol i ( 2 0 0 2 ) 等发展了适用于非水平地表的k i r e h h o f f 积分法叠前时间 偏移成像方法，直接在非水平地表情况下计算走时。与常规的k i r c h h o f f 走时计 算双平方根方程的形式一样，非水平地表情况的走时计算也采用双平方根形式， 只是在计算过程中考虑了地表高程所带来的影响。 r e s h e f ( 1 9 9 1 ) 提出用常规偏移算子做非水平地表偏移的方法。他指出，高 程静校正中，地表记录到的数据与水平基准面之间存在一时移因此，在基准 面的选取中，将基准面高程定在位于或高于观测数据中高程的最大值。这样， 经过偏移后，基准面高程可以可过时移调整到任何一个高度。在偏移过程中， 将地表与基准面之间层的速度设为零或很小的一个速度值，而在原始地表下面 的反射层速度用其层速度。通过加入一个零速度层，偏移算子就可以应用到水 平基准面上。 w ue ta 1 ( 1 9 9 8 ) 通过对阿尔泊达丘陵地区数据的处理成功验证了这种直接 从起伏地表计算的叠前偏移的正确性。m a r s d e n ( 1 9 9 3 b ) 对如何消除高程校正带来 的误差以及如何提高成像剖面质量给出了详细的讨论，如通过道间互相关寻找 最优时移的线性走时反演技术。 在起伏地表地区，基准面校正可能会导致共散射点道集的非双曲校正。而 从水平基准面导出的等价偏移距偏移，可以处理炮点、检波点和输出地表成像 点不在同一基准面上的情况。 g a r d n e re ta 1 ( 1 9 8 6 ) 弓i 进了两步法偏移，也即d m o + p s i 。具体做法是在n m o 校正之前做d m o ，然后做叠前成像( p s i ) 得到叠前偏移道集。g a r d n e r 的d m o 法不依赖于速度，做完同样不依赖于速度的p s i 后，数据得到准确归位，可用于 速度分析。对叠前偏移道集做n m o 校正和叠加即得到偏移剖面，完成叠前偏移 成像。 等效偏移距偏移( e o m ) ( b a n c r o f t , g e i g e r , 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，1 9 9 8 ) 形成叠前偏移 道集的原理与g a r d n e r 的d m o + p s i 方法类似，不同的是，在这过程中没有做 d m o 。e o m 通过将输入数据道映射到偏移输出位置的等效偏移距上来形成叠前 偏移道集，也就是我们所说的共散射点( c s p ) 道集。这些c s p 道集与 第1 章绪论 g a r d n e r ( 1 9 8 6 ) d m o + p s i 所形成的道集相似，但是在形成道集过程中所采用的算 法以及能量分配方法有所不同。e o m 直接将输入数据映射到c s p 道集上，在这 过程中，不存在时移，而d m o + p s i 道集形成过程中存在时移变化。 为了对付起伏地表数据，g e i g e ra n db a n c r o f t ( 1 9 9 5 提出了适应非水平地 表的等效偏移距偏移方法，通过对非水平地表绕射双曲线所受到的影响进行分 析，推导出了非水平地表情况下的等效偏移距计算公式。 1 5 论文研究目标及体系 地震资料信噪比偏低及构造成像精度差是西部复杂山地勘探的两个技术瓶 颈问题，这两个问题也是地震勘探方法一直努力解决的根本问题。针对低信噪 比数据，本论文提出了“射线束 道集叠加叠前压制噪声法，根据菲涅尔带原 理以及同相叠加原理压制叠前地震数据中的随机噪声。在成像方面，基于非水 平地表l d r c h h o 碴前时间偏移方法，本论文尝试直接在非水平地表情况下，做偏 移到多偏移距叠前时间偏移处理。以期在一定程度上解决西部地震资料信噪比 低以及构造成像精度差的问题。因此本论文以研究出一套针对西部低信噪比数 据的非水平地表叠前时间偏移方法为主要目标。论文总共四章，主要包括以下 几个部分。 第一章为绪论，主要介绍本论文的选题背景，国内外在本论文所选题目方 面的研究现状以及发展动态，本论文的研究目标以及论文研究体系等背景基础 问题。 第二、三章为本论文的主体章节部分。其中第二章针对噪声压制，主要介 绍我们所提出的“射线束道集叠加叠前压制噪声方法。该方法将位于某一规 定条件下炮点和检波点邻域内的道组成道集，这些道按照同相叠加的原理叠加 起来，炮点和检波点邻域中点坐标作为叠加后一道的炮点和检波点位置坐标。 在这过程中，信号部分相干加强，噪声部分得到压制，该方法也在一定程度上 起到了数据规则化的作用。第三章介绍我们所采用的直接在非水平地表情况下 做偏移到多偏移距叠前时间偏移处理的方法。该方法基于非水平地表k i r c h h o f f 叠前时间偏移，实现的途径可有很多种，包括叠前部分偏移到多偏移距，叠前 全偏移到多偏移距，以及半独立于宏观速度场的等效偏移距方法等。这些方法 在第三章中都有详细介绍。 9 第1 章绪论 第四章为结论与展望部分。主要对本论文做一个总体总结，指出其中存在 的不足以及对后续研究的展望。 l o 第2 章叠前地震数据射线柬道集叠加压制噪声 第2 章叠前地震数据射线束道集叠加压制噪声 2 1引言 在我国西部和西南部的很多探区，地表地震地质条件复杂，地震数据的信 噪比很低，这给速度分析与偏移成像带来很大的困难。为了提高叠前地震数据 的信噪比，我们采用射线束道集叠加压制噪声的方法，这里所说的射线束道集 是指位于某一规定条件下炮点和检波点邻域内的道所组成的道集，这些道按照 同相叠加的原理叠加起来，炮点和检波点邻域中点坐标作为叠加后一道的炮点 和检波点位置坐标。在这过程中，信号部分相干加强，噪声部分得到压制。该 方法有效地提高了叠前数据的信噪比。另外，在一定程度上它可以起到地震数 据规则化的作用。把射线束道集叠加形成的地震道进行高信噪比的叠前时间偏 移成像既可以提高速度分析的质量，也可以改善成像的质量。 2 2 理论原理 叠前地震数据射线束道集叠加压制噪声处理主要包括三个部分：射线束道 集的形成、不满足同相叠加条件的地震道的剔除以及射线束道集的叠加。下面 将对这三个方面进行详细的阐述。 2 2 1噪声的分类 随着油气勘探的深入和技术的发展，对地震数据精度的要求也越来越高。 具体归纳为高信噪比、高分辨率、高保真度和准确成像，即三高一准。这是地 质解释人员对地震数据提出的要求，也是地震数据处理的最终目的。三高一准 之间不是互相孤立的，而是存在着内在的联系。地震数据的高信噪比是基础， 没有一定的信噪比而要求高分辨率和高保真度就不可能实现。为了有效的压制 噪声，先对噪声的性质和产生原因做一简述。 噪声的类型和特点( 主要针对陆上地震数据) 可根据噪声的出现规律氛围 规则噪声和无规则噪声两大类( 何樵登，1 9 8 6 ，陆基孟，1 9 9 3 ，苑益军，2 0 0 5 ) 。 第2 章叠前地震数据射线束道集叠加压制噪声 无规则噪声( 即随机噪声) 主要指没有固定频率和固定传播方向的波，在 地震数据中形成杂乱无章的背景。随机噪声的来源大致可分为三类：第一类是 地面微震，如风吹草动和一些人为因素引起的无规则的振动；第二类是仪器在 接收时或处理过程中产生的噪声；第三类是激发所产生的不规则噪声，包括由 于介质的不均匀性造成的弹性波的散射以及任意方向来的、相位变化毫无规律 的波的叠加等等。这类与激发条件以及地震地质条件有关的随机噪声在水泡子、 沙漠砾石和黄土覆盖等地区最为严重。 这些随机噪声在地震记录上表现为杂乱无章的振动。它的频谱很宽，无一 定视速度，因而很难利用随机噪声同有效波之间在频谱上的差异或传播方向上 的差异对其进行压制。 规则噪声主要是指有一定主频和一定视速度的噪声。如：面波、交流电干 扰、声波、浅层折射和侧面波等。它们的主要特点如下： 面波：地震勘探在陆上遇到最多的就是面波。它的特点是频率低，一般为 几赫兹至3 0 赫兹，速度低，一般为1 0 0 - 1 0 0 0 m s ，以2 0 0 5 0 0 m s 最为常见。面 波的时距曲线是直线，因此在小排列( 1 0 0 - - 1 5 0 m ) 的波形记录上面同相轴是直 的。面波随着传播距离的增大，振动延续时间也越长，形成“扫帚状”，即发 生频散。面波能量的强弱与激发岩性、激发深度以及表层地震地质条件有关。 这是因为在淤泥、厚黄土及沙漠地区，由于对有效波的强烈吸收，有效波能量 减弱，面波能量相对增强；在疏松的低速岩层中激发或所用炸药量过大造成激 发频率降低，使面波能量相对增强；炮井深时面波减弱，井浅时面波增强。 交流电：当地震测线在高压电线下经过时，检波器受5 0 赫兹高压的静电感 应所产生的干扰，其分布范围仅局限在高压线附近，通常影响地震数据的若干 道，它在出现的位置上满足地表一致性规律，其强度有时可能超过有效波许多 倍。 声波：在坑中、浅水池中、河中和干井中爆炸，都会产生强烈的声波。声 波是在空气中传播的弹性波，速度为3 4 0 m s 左右，比较稳定，频率较高，呈窄 带出现。在山区工作时，有时还会遇到多次声波的干扰。 浅层折射波：当表层存在高速层，或第四系下面的老地层埋藏浅时，可能 观测到同相轴为直线的浅层折射波。 侧面波：在地表条件比较复杂的地区进行地震勘探工作时，还会出现叫做 侧面波的干扰波。例如在黄土高原地区，由于水系切割，形成沟谷交错的复杂 1 2 第2 章叠前地震数据射线束道集叠加压制噪声 地形。黄土高原的侧面是沟，塬和沟的相对高差达数百米，在塬和沟的交界为 陡峻的黄土与空气的接触面，形成一个强波阻抗分界面，因此地震波激发后， 传播到黄土边沿，被反射回来，记录上可能出现来自不同方向的具有不同视速 度的干扰波，这种干扰波是一种侧面波。 还有一类噪声与随机噪声不同，与规则噪声相比又显得更复杂，这就是次 生的低速干扰和次生的高速干扰。这类干扰在频率域中与有效波是不能分离的， 在视速度和视波长域中次生干扰又和有效波部分重合，它们可以出现在地震记 录上的任意一个位置。它们是激发源附近各种地面障碍物以及近地表岩性不均 匀造成的，是由反射波、面波和各种折射波所激发，因此叫做次生干扰。这些 波种类繁多，个数太多又来自不同方向，给地震记录造成了极大的复杂性。 既然产生噪声的原因和噪声的种类如此的复杂和多样化，那么压制噪声也 要根据有效反射波与噪声的差异区别对待，尽量保证有效反射信号在压制噪声 的过程中少受或不受损害。 2 2 2 射线束道集的形成 地表处一个炮点邻域和一个检波点邻域内的地震道，无论地下的速度场如何 变化，这些道对应的地震波的传播都会沿着一个射线管或一个中心射线的附近 进行传播，反射后依然如此。这是射线束道集形成的物理基础。 2 2 2 1 菲涅尔带的基本概念 如图2 1 所示，在d 点自激自收，到达d 点最快的是来自界面上0 7 点的绕 射子波。界面上在点两侧的绕射子波到达d 点时间要依次稍晚一些，离开 点一定距离的点，若它产生的绕射波与0 7 产生的绕射波到达0 点的时差达到半 个周期，就不能起互相加强的作用了。所以菲涅尔带定义为：若在界面上0 点 两侧的c 。c 点产生的绕射子波与0 点产生的绕射子波到达0 点的时差为t 2 ， 则认为c ，c 以内的点产生的绕射子波在0 点是加强的。c ，c 点以外产生的绕射 波在d 点不再互相加强，我们把以0 为圆心，o c 为半径，在反射界面上画出的 圆的范围叫做0 点产生的波在界面上的( 第一) 菲涅尔带，也即在0 点自激自 收接收到的反射，实际上是来自界面上c c 7 的范围内所有的点。小于这个范围的 地质体在地震时间剖面上是不可能准确的分别出来的( 陆基孟，1 9 9 3 ) 。 第2 章叠前地震数据射线束道集叠加压制噪声 o h ，。 ， 界面o d 图2 1 菲涅尔带 菲涅尔带的大小也可以用波长五来表示。从图2 1 可以看出，c 点的反射比 点的反射到达地面晚，2 ，即晚到的t 1 2 时间为双倍历路程行走的时间，于 是 一c d = 一1 2 犀2 ) = 兰4 ( 2 1 ) 、 、， 其中j d 与在同一等相位面上。 于是菲涅尔带的半径 d c 刮a 萨一6 旷 ( 2 2 ) 一f 万：孵 如果h 五，略去五2 项可得 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 2 2 2 射线束道集的形成 射线束道集的生成以在共偏移距道集中进行最为直观。对于一个规定的偏 移距，首先定义炮点和检波点邻域的范围。一般地可以把此邻域定义得稍微大 一些。并且偏移距越小，邻域范围相应地也小。偏移距很大时，邻域范围也应 该比较大。领域范围的严格定量确定是比较困难的，在实际处理时，可以适当 地取较大的邻域范围，把尽可能多的地震道拉迸射线束道集中。然后用后面的 方法把不满足同相叠加条件的地震道排除出去。 下面在常速情况下，我们给出一个邻域范围计算公式。 假设尺是菲涅