（固体地球物理学专业论文）地震相位校正方法研究.pdf

r e s e a r c ht h em e t h o d so fs e i s m i c p h a s ec o r r e c t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h a nr u i s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h e n c h u n s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( h u a d o n g ) 幽矾 勰 _ 髓衄鼢 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：刎年与月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：力f j 年岁月3 ( e t 日期：弘l f 年y 月；日 摘要 随着地震勘探技术向更精细化发展，高分辨率地震勘探对精度的要求越来越高，提 高地震剖面的信噪比和分辨率成为地震资料处理的关键问题。地震数据的动力学信息受 到越来越多的关注，相位信息显得更加重要。相位校正技术能消除地震记录的相位差异， 提高叠加剖面的质量，提供更利于解释的处理剖面。在地震资料处理中通常用反褶积技 术提高地震资料的纵向分辨率，而后经叠加技术获得更高信噪比的剖面，时差，振幅和 相位差异是影响叠加剖面质量的主要因素，其中相位的影响最为严重。时差是在各地震 道之间相位相同的假设下通过进行互相关求取的，同时即使振幅保真，相位不同的各道 进行叠加会削弱叠加能量。在此基础上发展起来的相位校正技术是消除子波相位影响， 实现地震记录同相叠加的关键。相位校正技术用以消除子波之间的相位谱差异，使其接 近或达到零相位，使叠加剖面质量得到提高。通过总结国内外研究现状、阐述产生相位 畸变的原因、现有的相位校正技术的基本原理和未来的发展展望，相信相位研究将成为 今后研究的重点。本文总结了国内外相位校正的研究现状、阐述相位畸变产生的原因、 在计算中采用反演的方法计算记录与其包络的局部相似系数，计算局部相位角并进行正 则化，实现对非稳相数据进行相位校正处理。通过处理理论模型和实际资料证明该方法 能够提高相位校正角的计算精度，在消除剩余相位、提高资料信噪比，对反射轴连续性 和叠加剖面的质量上有很好的改善效果。通过对正演模型的分析，认为局部相位属性也 可以应用到储层预测中。 关键词：非稳相相位校正；同相叠加；局部属性；相位校正角； r e s e a r c ht h em e t h o d so fs e i s m i cs i g n a l p h a s ec o r r e c t i o n h a r tr u i ( s o l i dg e o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz h e n c h u n a b s t r a c t t h es e i m i cg e o p h y s i c st e c h n o l o g yi sm o r es o p h i s t i c a t e d ，t h ed a t aw i t hm o r eh i g hr e s o l u t i o n a r en e e d e d ，s ot h ek e yl i e si nt h es na n dt h er e s o l u t i o no ft h ep r o f i l e w ep a ym o r ea t t e n t i o n t ot h ed y n a m i ci n f o r m a t i o ne s p e c i a l l yt h ep h a s e t h ep h a s ec o r r e c t i o n t e c h n i q u ec o u l d e l i m a t et h ep h a s ed i f f e r e n c eo ft h er e c o r d sa n dc o u l di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o f i l et oh e l p t h ei n t e r p r e t a t i o n d u r i n gt h es e i s m i cd a t ap r o c e s s i n gt h ed e d o n v o l u t i o ni st a k e nt or a i s et h e r e s o l u t i o n ，a f t e rt h a tw es t a c kt h ed a t at oi m p r o v et h es nr a t i o t h ee l e m e n t st or e f l e c tt h e s t a c kp r o f i l ea r et i m e ，a m p l i t u d ea n d p h a s ed i f f e r e n c e t h et i m ed i f f e r e n c ei sc a l c u l a t e du s i n g t h ec o r r e l a t i o no ft h er e c o r d sw h i c ha s s u m et h e ya r ei n - p h a s e a l s ot h ep o w e ri sw e a k e n e d w h i l et h er e c o r d sa r eo u t - p h a s et h o g ht h ea m p l i t u d ei st r u e t h ep h a s ec o r r e c t i o nt e c h n i q u e c o u l dr e m o v et h ew a v e l e te f f e c t i o nt oc h a n g et h es e i m i cd a t ai n t oo rn e a rt h ez e r op h a s ea n d e l i m a t et h er e s i d u a lp h a s et oi m p r o v et h eq u a l i t y o ft h es t a c kp r o f i l e w eo b t a i nt h ec o n c l u s i o n t h a tp h a s ec o r r e c t i o nw i l lb et h eh o ts p o ta f t e rw es u m m a r i z et h er e s e a r c hs t a t u sa n da n a l y z e t h ee l e m e n t sr e s u l t i n gi nt h ep a h s ed i s t o r t i o ，t h eb a s i ct h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to u t l o o k t h ep a p e rg i v eas u m m a r yo ft h ep r e s e n tr e s e a r c ha n dt h ee f f e c tf a c t o r s w ew r i t et h e p r o g r a m m i n go ft h ew i n d o w - o v e r l a p p i n gp h a s ec o r r e c t i o na n dt h el o c a lp h a s ec o r r e c t i o n w h i c hi sc a l c u l a t e db yi n v e r s i o na n dt a k et h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h ee n v e l o p ea n dt h er e c o r d a st h ec r e t e r i o n t h ep h a s ea n g l ec a l c u l a t e db yt h ea p p r o a c hi sm o r ea c c u r a t ea f t e rt h e p r o c e s s o ft h em o d e ld a t aa n dt h ep r a c t i c a lr e c o r d s t h ef i n a l p r o f i l es h o wt h a tt h e r e a r et h e i m p r o v e m e n to fs n ，c o n t i n u a t i o no ft h ee v e n t sa n dp h a s ea n g l e se l i n i n a t i o n l o c a lp h a s ec a n b eu s e da sac h a r a c t e r i s t i ct of o r e c a s tt h er e s e r v i o r 目录 第一章前言1 1 1 论文的研究意义一1 1 2 国内外研究进展2 1 3 论文的研究内容4 第二章地震信号的动力学信息及影响因素5 2 1 地震波的振幅。5 2 2 地震波的频率9 2 3 地震波的相位1 0 第三章信号的分辨率与影响因素1 3 3 1 信号的分辨率1 3 3 2 相位与分辨率的关系1 8 第四章地震相位一致性校正方法2 2 4 1 地震相位概述2 2 4 2 相位校正方法2 3 4 2 1 常相位校正2 3 4 2 2 变相位校正方法2 8 4 2 3 地表一致性相位校正3 3 4 2 4 时差、常相位校正及加权叠加。3 8 4 2 5 其他校正方法4 0 4 3 相位一致性校正准则4 l 第五章反演及非稳相相位校正4 5 5 1 反演的基本理论4 5 5 2 整形最小二乘反演4 7 5 2 1 平滑算子4 8 5 2 2 整形正则化5 1 5 2 3 一维数据规则化实例5 2 i i 5 3 局部地震属性5 4 5 3 1 局部频率5 4 5 3 2 局部相似度5 6 5 3 3 局部相位5 8 第六章模型试算与实际资料处理6 0 6 1 局部频率试算6 0 6 2 局部相位试算6 5 6 3 相位校正方法的实现流程7 1 6 4 非稳相相位校正方法7 3 结论8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果8 4 致谢8 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 论文的研究意义 第一章前言 石油作为地球上的黑色黄金是整个社会渴求的主要能源之一。我国的后备的石油储备 量是否能够稳固增长对社会经济的持续发展尤为重要。目前我国看，中、浅层的油藏都 基本探明或者在开发中，甚至有不少油区已近枯竭，此时常规深度下的大规模构造油气 藏己均被探明，于是在实际工作中深层勘探和岩性油气藏的勘探受到越来越多的重视， 这也必将成为今后油气勘探和开发方面的新热点。 地震勘探技术向更精细化发展，高分辨率地震勘探对精度的要求越来越高，提高地震 剖面的信噪比和分辨率成为地震资料处理的关键问题【l 2 3 】。在地震资料处理中通常用反 褶积技术提高地震资料的纵向分辨率，而后经叠加技术获得更高信噪比的剖面，时差， 振幅和相位差异是影响叠加剖面质量的主要因素，其中相位的影响最为严重。在此基础 上发展起来的相位校正技术是消除子波相位影响，实现地震记录同相叠加的关键。地震 数据的动力学信息受到越来越多的关注，相位信息显得更加重要。相位校正技术能消除 地震记录的相位差异，提高叠加剖面的质量，提供更利于解释的处理剖面。对地震资料 分析时通常会从动力学和运动学两方面进行：通过对波的运动学特征分析，可以得到波 的传播路径等相关信息；而通过研究地震波的动力学特征则可以得到地震波的相位、频 率、振幅和相关性等等。 当振幅保真、相位一致时，对数据进行叠加可以提高其信噪比和分辨率，但实际情况 更复杂并不能满足这些假设条件。在处理时近地表因素是一个不能被忽视的影响，特别 是在沙漠地区和山地地区的勘探更受到严重的影响。近地表影响包括风化层的横向上厚 度和速度的变化、炮点耦合与检波点耦合情况的不同。这都降低了叠加剖面的质量和构 造解释的精度，这都不利于对地震剖面的解释、岩性解释和a v o 分析。 相位谱差异对叠加质量影响最大，如时差的校正是在各地震道之间相位相同的假设 下通过进行互相关求取的，即如果地震道之间存在相位差异时得到的时差差异也是错误 的，又如共中心点叠加的过程，即使在振幅保真的情况下，相位不同的各道进行叠加会 削弱叠加能量，这也是显而易见的，而即使振幅不同，在相位相同时，叠加过程也不会 使振幅能量发生损失，因此，在激发和接收点子波波形不一致的地方，除了要进行进行 时间和振幅校正，也要进行相位的一致性处理，使叠前共中心点道集所有记录的振幅、 第一章前言 时间和相位一致，这样叠加剖面的质量就得以改善。 在地震资料处理中通常反褶积方法会作为消除子波影响的一种方法得到广泛的应用， 但是这也会对后续的处理产生一些影响。因为各种反褶积都会对地震子波做一些假设例 如应用范围最广的最小相位反褶积假设地震波是最小相位的，当这些假设条件得不到满 足时会产生不能预料的剩余相位。在复杂山地勘探中，由于差异的严重性使得地震子波 在振幅和相位上往往有很大的时空差异。针对这一问题而提出的处理技术一地表一致性反 褶积优于常规反褶积方法。反褶积并不能完全消除相位的影响，因此在反褶积之后，相 位差异仍然存在，要实现真正的时间对齐而且同相的叠加必须要做相位的一致性处理。 综上所述，相位受很多因素的影响，而相位对叠加质量的影响也严重【1 ，4 5 】。相位校正 可以消除剩余相位差，实现地震波的零相位或者同相位，提高叠加剖面的质量。 1 2 国内外研究进展 相位校正技术最早是由s 1 e v y 和w o l d e n b u r g 在二十世纪八十年代提出的一种自动相 位校正的方法( 简称a p c ) 1 4 , 5 】，他们针对反褶积后的子波剩余相位进行校正，假设子波 相移量是一个不依赖于频率的常数，首次将w i g g i n s 在最小熵反褶积中应用的最大方差模 准则应用到相位校正中，并用k l a u d e r 子波进行了试算证明方法的有效性，其中也说明了 最大方差莫准则存在的缺吲6 ，丌，实际上相位畸变是常数的假设条件是很难满足的，所以 自动常相位校正只是一种近似校正。 国内最早开始相位校正研究的是周兴元在时间域实现了数据的常相位校正并对其判 别准则进行了讨论【8 】，认为基于相位扫描的常位校正是在波形包络不变的情况下进行的相 位调整，姚逢昌则在频率域实现了相位校正。因为常相位校正方法在实际使用时有一些 局限性，即只有当子波的剩余相位在时间和空间上变化不太大时是比较有效的，但是实 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 更好的叠加质量。郭向宇【1 0 】等提出了一种新的估算剩余混合相位子波相位的算法，使得 子波接近或达到零相位。之后李建军、宋宗平【1 1 , 1 2 j 等研究了叠前数据的的相位校正方法， 可以校正由于地表表层和传播过程发生的波形畸变，得到更高质量的叠加剖面。 2 0 0 9 年m i r k ov a a - id e rb a a n 对峰度准则进行因式分解后求解，使用规则化的局部峰度最大值进 行了非稳态数据的估计。 在常相位校正方法提出的同时r o n e n 和c l a e r b o u t 依据最大叠加能量准则提出了地表 一致性剩余静校正量的估计方法，之后国九英、周兴元也基于最大叠加能量准则采用迭 代方法实现了二维和三维数据的地表一致性相位校正1 1 0 】。高少武等人采纯相位滤波器用 变相为校正方法实现了反射波地表一致性相位校刮1 3 j 。 除了以上相位校正方法还有著者进行了相位谱消去法的研究，如刘金俊等人提出了实 现子波零相位化的相位谱消去法【1 ，还有学者研究了子波的提取方法，使地震子波的拾 取更准确从而更有效的进行相位校正。 s h e r i f r ( 1 9 9 1 ) 将属性定义为“从地震数据得到的度量”，这一定义包含的内容非常 广泛，导致出现“属性爆炸”( e a s t w o o d ，2 0 0 2 ) 的现象。尽管如此，属性在地震解释当 中仍然起着非常重要的作用。被人们所熟知也经常用到的地震属性是瞬时属性，例如瞬 时频率、瞬时相位和瞬时振幅( 常说的三瞬) 、瞬时倾角，这类属性针对每个信号点在各 个时间上测量地震的特征，在计算瞬时频率时，这种测量手段会产生很多噪音，并且可 能导致没有物理意义的数值，例如负频率，所以瞬时信息有时并不能展示有效的信息， 不能体现地下构造的信息，针对瞬时频率的缺陷，f o m e l ( 2 0 0 7 ) 提出了局部地震属性的 概念，它不是在各个信号点上估计信号的瞬时特征，也不是滑动数据窗口进行全局估计， 而是根据每个点附近的信号点进行局部估计。通过正则化反演来定义局部属性，并且利 用整形正则化算子来控制局部属性的局部性和平滑程度。 现在我们都知道相位校正是地震数据处理中一个非常重要的环节，使用测井数据做 约束条件得到的相位校正量是比较准确的，但是由于一般无法获取测井数据，而且用不 同的测井数据往往预测出不同的相位校正量，因此一般采用统计学方法对相位进行估计。 如果假定地震子波可以用一个与频率有关的振幅谱和一个常相位来进行描述，那么进行 地震子波的零相位校正的目的就是对地震数据进行相位旋转直到输出的地震数据的非高 斯性达到最强烈的点。实际上，如果子波不是发散的，即子波的相位是与频率无关的时 候，对数据进行常相位校正的假设是可以得到满足的。 但是众所周知地震波在地下传播时会出现频散的现象，数据不再是稳相的，针对非 3 第一章前言 稳相数据，v a nd e rb a a n ( 2 0 0 8 ) 将常相位旋转方法进行推广，并提出对相应的时变子波 进行估计的方法。该方法通过对时窗进行滑动，在各个时窗内通过最大峰值准则进行常 相位子波估计，对估计得到的相位值的位置之间的点进行线性插值那么就可以得到每个 时间上的子波相位谱和振幅谱，因此这个方法是基于分段稳相的假设下的，而且如果选 择的时窗太小，估计出来的相位常常变化很剧烈，这就使得该方法不利于突出隐蔽的地 层特征。 1 3 论文的研究内容 本论文对现有的相位校正方法及判别准则进行了综述，并且分析了各自的局限性和 适用条件。 建立含油气模型，通过对比分析模型的局部分辨率和局部相位，分析局部属性在含 油气性预测上的可行性。通过分析可以看出，局部相位和局部分辨率都与含油气性有一 定的联系，可以作为寻找油气的辅助手段。 针对目前相位校正方法中对非稳相数据进行相位校正时，使用滑动时窗相位校正方 法时，窗口的大小和重叠率的选择这些难点进行了研究，并对模型进行了试算，分析了 划分时窗进行相位校正的不足，其计算不稳定，简单模型结果可以接受，但是对于复杂 的模型就不能得到较好的校正结果。 将f o m e l 提出的局部属性的概念应用在相位上，提出局部相位的概念，并将判别准则 进行进一步的分析，选择对相移量更为敏感的判别量。将方差模量和信号与其包络的计 算公式写成反演的计算形式，将目标函数的求取化为一个反演问题，分别对这两种量值 进行乘反演计算，通过整形正则化来计算整道上各个时间上的相移量，最终计算出一系 列时变的相位角，并使用这些局部相位值进行校正，最终实现对非稳相地震数据的相位 校正。通过处理理论模型和实际资料证明使用局部相似度使计算的相移量更精确，在提 高信噪比、分辨率及剖面的质量上有很好的改善效果。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章地震信号的动力学信息及影响因素 我们对地震资料进行分析时一般可以从两个方面进行，即地震资料的动力学信息和 运动学信息，动力学特征主要包括振幅、相位和频率的相关信息。 2 1 地震波的振幅 振幅是地震剖面上最常用也是最直观最主要的参数之一，利用它可以进行储层岩性等 方面的解释和研究【l ，2 】。如我们一般使用振幅信息进行波的对比，使用沙泥岩薄互层的振 幅估计沙泥岩百分比和亮点技术的使用等等，管中窥豹可见振幅信息对地震资料解释等 的重要性。 要利用反射波的振幅信息就必须了解影响振幅的各种因素以消除各种干扰，保持其真 实的形态。影响振幅的因素有很多，主要归纳为以下几点： 一是激发条件和接收条件的影响i l4 1 ，这其中包括激发震源的类型，激发用药量，激 发点附近的岩性，震源埋深，检波器的类型，激发接收组合的方式，激发和接收的耦合 程度及记录仪器的频率特性等等的影响，一次激发的各道随着空间变化振幅也各不相同， 即横向上的差异，同一时间的各道之间可能存在几个分贝的能量差异【1 5 。1 7 】，这一差异会 不利于后续的分析，对这一消极影响要进行消除。 二是波在传播过程中传播机制造成的影响。这个能量差异主要是纵向上的，产生的影 响相应的也是时间的函数。众所周知，波的能量是与传播距离成反比的，能量随传播距 离的增大迅速降低，浅层与深层能量差异悬殊，也要对这一部分能量损失做相应的恢复 或者补偿。即包括波前的扩散损失，地层的吸收衰减【l8 】等等，但是这些影响也都是有迹 可循的，如扩散损失使得振幅与反射时间存在反比的关系，而吸收使得其与传播距离成 指数衰减，这样就可以作相应的补偿。在原始的地震记录中浅层的能量很强而深层能量 很弱，一道记录的能量差可达几十个分贝。 三是各种非有效反射波的噪声干扰【1 9 , 2 0 1 。这些干扰因素包括各种随机噪音、多波、面 波和5 0 赫兹干扰电流等等。这些噪声的能量差异很大，但是影响都很恶劣，因为他们对 波形也有很大的影响，所以要对其进行压制。在进行振幅补偿之前要先对噪声进行处理， 如对直达波进行切除，对面波进行压制，通过道编辑、滤波等进行处理。 四是地下地质情况在振幅上的反应。这是正面的影响，主要包括地层的岩性岩相的变 化，地层界面的形态，层间的反射系数等的影响。正是利用这些地质因素在振幅上的表 5 第二章地震信号的动力学信息及影响囡素 现进行岩性解释和a v o 分析等等的【2 0 ，2 。 其他还包括在进行室内数据处理过程中对振幅造成的影响，如动校正会产生的动校拉 伸现象和透射散射等对振幅的影响，通常我们只对主要的或者是已查察的影响因素进行 相应的处理，有一些是不做专项校正或者笼统的归类到其他类别中进行适当的补偿。对 真振幅处理而言，只做一次补偿是不够的，不同的补偿方法适用于不同的条件，而且相 同的方法在不同的处理阶段的目的也是不同的，所以需要进行一种或几种方法的多次补 偿实现保幅处理【1 5 1 7 2 2 2 3 1 。 下面介绍各因素对振幅产生影响的机理： 一、波前扩散 球面扩散损失指的是认为地震波是由点源激发，按球面波的波形向外传播时，传播 距离变大时波前面也变大【1 6 ，1 7 1 ，但是震源能量是确定的，所以传播中随着波前面逐渐变 大，能量密度也逐渐减小，即波的振幅大小与传播距离成反比。 假设震源产生的总激发能量为p ，在波前为以震源为中心半径为r 的半球面的上的能 量密度为： e = 尸4 刀2 ( 2 - 1 ) 若单位距离的波的振幅为a ，则在r 距离处的波前的发散因子为f 是彳，与a 之比， 即： f = a ，i a( 2 - 2 ) 对一个点源而言，在层状介质中，第n 层振幅的发散因子在炮检点之间的距离为a 时f 为： f = a ，i a = s ，s ( 2 - 3 ) 肚1 2 剿篙祟一 亿4 ， l 1 一p 2 1 ，；一l p 2 v ；( 1 + k ：) 2 l p 2 v ；i 、 p 为射线参数，由于在层状介质中1 1 个单层的均方根速度为： 上式为： v2 6 ( 2 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f = t a n 口 ( 2 - 6 ) h 2 口窆h t a n 39 - t=l 秒为地表的入射角，即初始角度；a 为接收点与激发点之间的距离， 何j 为i 层层厚， 谚为入射到i 层时的角度。 反射波的能量随着炮检距的增大不断减小，特别当反射波到时比直达波的到时晚时， 反射波的能量更是迅速衰减，波的能量变的很弱，甚至造成同相轴断断续续。 二、地震波的透射损失 透射损失指的是在未到达目的层之前，波在近地表与目的层之间的地层之中传播时 由于传播机制损失的能量。能量守恒定理和波的传播规律说明入射波的能量在遇到地层 时分为两部分，即反射波的能量和透射波的能量，这样波向下传播的能量就与地震波的 初始的入射能量相比大大的减小了，这就是所谓的透射损失。 道号 道号 时 间 j t u 时附 u 间删 _ 啪 m u a 不考虑中l 司界面的损失b 考虑反射能量的损失 图2 - 1 地震波投射损失的正演模拟 当初始入射为法线入射时，这时波在穿透地层后的能量损失与介质的参数有关而与 入射角无关，此时地震波穿过层状介质的的时候的透射因子为： n - i z = 兀( 1 - r c ? ) ( 2 7 ) i = 1 t i 为地层总的透射系数，r c i 为第i 个单层的反射系数。透射损造成的总振幅衰减为： 彳= l t = l 一兀n - i ( 1 一r c l ) ( 2 8 ) 初始入射不是法线入射时，透射损失可以通过解z o e p p r i t z 方程得到，在超临界入射 时就要考虑复数域的波场理论。 从图2 1 中可以看到小角度入射波能量与入射角度没有明显关系；但入射角变大时， 7 第二章地震信号的动力学信息及影响因素 透射损失与入射角成正比关系；超临界入射时，波的衰减在大炮检距时更严重。比较图 2 1 a 和2 1 b 可以发现，不计算中间层面的透射损失，则在远道的能量保持的很好，而把 在中间界面上的能量损失计算在内时，远道处反射波能量迅速衰减，这与实际地震资料 相符。 三、地层的吸收衰减 因为实际的地层并非是完全弹性的，所以波在地层之中传播时，地震波的能量有一 部分会转化为热能而损耗，即地层的吸收作用【1 6 2 4 之6 1 。均匀非完全弹性地层的吸收衰减 与传播距离成指数关系【1 9 】。 a ，= a e 一庳( 2 9 ) 其中a 为源点的振幅值，a ，为偏移距为r 点的振幅，为地层的收系数，因为介 质的吸收与岩性有关。连续介质的吸收因子为： f = a a o = e - a ( ：) r( 2 1 0 ) 其中q ( z ) 为地层吸收系数，g ( z ) = v ( z ) q ( z ) 为纵向上z 点的吸收衰减因子。 在层状介质中有： 时 间 道号 万= 屈 ( 2 - 1 1 ) i = 1 f - 1 道号 时 阔 ( a ) 不考虑地层吸收( b ) 考虑地层吸收 图2 - 2 对地层吸收的正演模拟 n 为地下地层层数：t i 为波穿过单层i 的旅行时，屈代表对应层的衰减系数。 图2 2 说明在不计算层的吸收衰减对波的能量的衰减影响时，随炮检距增大能量衰减 较慢( 如图2 2 a 所示) ，但是当考虑这一影响时，能量的损耗很迅速( 如图2 2 b 所示) ，这 些现象都与实际接收到的地震波相符。 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 四、散射 散射指的是波在传播时因为介质不均匀，在岩性突变的点发生的不规则的漫射。1 9 6 0 年c h e m o v 使用了在随机介质中的标量波的传播理论对地震中的散射问题做了处理，这 就是最初的地震波散射理论【2 7 】。 有效品质因子1 2 2 1 指的是与球面扩散损失、散射及层状地层中的反射和透射都是与地 震波的传播特性有关的特性对应的因子。而与本征属性的对应的因子成为地层的固有品 质因子。 2 2 地震波的频率 频率和振幅都是与子波波形密切相关的，地震波的频率属性可以反映地层的厚度、 所含流体成分的变化及岩性的变化。子波的频率是随着时间和空间变化的，地震波频谱 也是地震波动力学特点之一，是与激发和接受因素、地下地质情况和激发类型、地震波 类型相关的【1 2 1 6 2 0 1 。 一、激发条件的影响 1 、激发点附近岩性 两个图谱的接收因素相同，都是利用可控震源( 气枪) 在不同岩性地层下激发得到 的，分别为混凝土质表面和粘土质表面时，在不同的岩性下相同震源激发所得的频谱不 同。通常情况下，震源相同时，激发点周围介质有较高的弹性参数及岩石越坚硬，所得 的地震资料的频带越宽，子时域子波波形越窄，分辨率越高。因此选择合适的激发岩性 可以使得到的频谱更符合要求，如在较致密的岩层中激发就可以提高有效波的主频，从 而降低低频面波对有效波的干扰。 2 、激发药量 实验证明，对炸药震源而言，激发的地震子波的主频与炸药量成反比： f = c q m( 2 - 1 2 ) 设药量l k g 时峰值频率9 0 h z ，得到的主频与药量的关系： 主频与药量成反比曲线，爆炸的优势频率随着炸药量的增大而降低，炸药量越大脉 冲的延续时间越长，主频是最大振幅处对应的频率，但是当药量增大到定程度时峰值 频率的变化变小。 震动的频率除了与药量、岩性有关之外，还与爆炸炸药震源的埋深及爆破震源的速 9 第二章地震信号的动力学信息及影响因素 度有关。 二、接收条件的影响 接收因素主要包括检波器的类型，埋深，耦合情况，这些都影响着得到的地震波的 频率和波形。 首先实际中可选择的检波器有多种类型，相同的激发子波被不同类型的检波器接收 后显示的子波的波形及频带宽度各不相同。所以要针对不同地区的不同地层选择合适的 记录仪器。 对于压电检波器，检波点水深也与波形有关，埋深越大子波的延续时间越长，理论 上分辨率会降低，但尾波的存在会造成分辨率变高的假象。 三、地层的吸收衰减及传播机制的影响 随着地震波的传播，频谱中的高频成分会被介质吸收，而其低频部分相对看来似乎增 强了，这造成在不同炮检距上各道的频谱不同，在一道的不同深度上也不相同，一般来 说主频将逐渐变低【2 4 1 。 同振幅衰减相同，地层吸收衰减造成的频率变化对储层预测等也是正面的影响，是可 以利用的有效的信息。 2 3 地震波的相位 对于地震波的标准极性问题，在s e g 标准极性协定中规定的是零相位子波在正极性 时其中心点为波峰点，最小相位子波为正极性反射，最大的峰值集中在第二个相位上， 而不是第一个。 图2 - 4s e g 标准极性 一、地震数据采集过程中的各种影响。 首先分析记录仪器的响应对地震相位的影响。在采集过程中，记录仪器的响应会对 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 数据产生影响，记录仪器的响应特征是一定的，所以对其响应做人工测定，在野外采集 时，在设置好仪器参数之后，记录仪器的响应可以用一个常量表示，通过确定性相位校 正就可以消除其影响。 其次考虑一下干扰波的影响。在地震资料采集过程中除了记录到有效波之外还不可 避免的接收到了额外的干扰，这才组成了实际接收到的地震记录，这些干扰波与有效信 号叠加在一起构成实际地震记录，干扰波与有效波是矢量叠加的，所以各种干扰波如多 次波、鬼波，超临界波对波形、振幅、相位都会产生畸变【3 3 3 6 1 。 近地表因素对相位的影响【2 ，m2 8 , 2 9 , 3 0 1 。近地表风化带横向厚度和速度的变化，炮点 与检波点耦合条件的不同都会产生相位畸变。现在有相应的地表一致性相位校正进行近 似校正。国九英【1 6 】描述了近地表因素的影响： x i , j ( f ) = e 。，( f ) 枣s ，( f ) 木r ( f ) ( 2 1 3 ) 上式中x i , j ( ，) 表示第，炮在第个检波点接收到的实际地震记录；只( ，) 为不考虑近地表 影响时第f 炮在第个检波点接收到的的理想记录；j 。( f ) 表示的是第f 个炮点的近地表响 应；r ( ，) 表示的是第，个检波点的近地表响应。炮点和检波点的共同作用会使道集中的 各道的波形产生差异，尤其是对叠加处理技术，波形的差异会造成速度分析不准确同时 会降低叠加剖面的质量。 地震波传播过程中的透射衰减损失【2 0 2 4 ，2 5 1 。r i c k e r 认为地震记录与子波存在很密切 的关系，并认为地震记录是由子波复合而成的。除了一些固定滤波因素的影响之外，还 有一些因素造成的相位改变是时变的，在地震波向下传播时，在地层中会发生吸收衰减 及层间反射等的作用，这会对各道集特别是共中心点道集内的记录产生严重的相位改变， 因为每道的传播路径不同，在不同的炮点激发又在不同的接收点接收，所以在传播中穿 过不同物性的地层，所以受到地层的吸收衰减作用也各不相同，产生不同的相位畸变。 这样造成叠加时各道不同相，损害了叠加能量，降低了叠加剖面的质量。由于地下介质 的非均一性，地震波穿透地层时会发生透射衰减，这就是地层的滤波作用，但是如果合 理的利用也可能变为有用的相位信息。 二、地震资料处理中各种方法对相位的改变 第二章地震信号的动力学信息及影响因素 同的，远近偏移距的道集受到的畸变量也是不同的，这是一种变相位畸变。由于动校正 速度不准引起的时差实际上也是是频率的线性函数，也是线性相位差。动校正处理实际 上也是对信号做了一种时变的相位改变。 静校正方法对相位的影响。可以认为静校正影响的是相位谱中的线性成分。静校正 是对检波点和炮点高程进行的时差校正，同时也是对相位的一种线性校正。因为现在经 常用到的静校正方法是通过计算互相关求极值得到的，这就有一个假设的前提条件，就 是道与道之间的波形一致即是同相的，所以在相位不同时所得的静校正时差也是不准确 的【2 8 2 9 】 反褶积方法对相位的影响。在地震数据处理中反褶积是提高分辨率的一种重要的技 术，反褶积方法作为消除子波影响的一种方法也会对后续的处理产生一些影响。各种反 褶积都会对地震子波做一些假设例如最小相位假设，当不满足条件时，地震记录中还会 有剩余子波，这样就会产生不能预料的剩余相位。 预滤波处理的影响。做反褶积之前如果数据有低频干扰时首先要做高通滤波处理， 这是要选择合适的滤波器，一般要选择最小相位的滤波器使输出地信号时最小相位的但 这会影响强相位的位置。 除此之外还有其它因素的影响，比如由于记录到的地震信号不是通频带的，由于频 带限制产生了同相轴的相互干涉也使得相位发生变化，还有在处理过程中不合适的处理 参数的设置使得不能满足所需的假设条件就引进了相位变化。 地震记录中子波的相位受到的影响是十分复杂的，所以虽然发展了很多相位校正的 方法，但是都是近似校正，并不能完全校正所有的相位问题。所以对地震子波的相位进 行分析与处理校正的技术仍然需要进行更深入的研究。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 信号的分辨率 第三章信号的分辨率与影响因素 分辨力指对相邻物体进行识别的能力，一般用相邻物体之间距离的绝对值表示【3 l 】。 若两个物体之间相距大于某个距离才能分辨出是两个独立的物体，但是小于这个距离时 就不能再分辨出来而被认为是一个物体，那么这个特定的距离就表示分辨能力。地震记 录上两分辨能力包含两个内容：第一种是垂直方向的，指的是在深度上可分辨的最小厚 度层的厚度；第二种是指水平方向的，指的是在水平方向上可以分辨的地质体的直径的 大小。 在地震勘探中我们过更关心的是纵向上的分辨率，指的就是分辨薄层层厚的能力。 而纵向分辨率的表示方式也有两种：一种是用距离表示，即地层厚度，还有更常用的是 用时间表示，所以我们一般称纵向上的分辨率为时间分辨率，指的是薄层顶底反射的旅 行时的时差1 2 3 。薄层顶底反射的时间差越小，那么分辨能力越强，地震剖面的分辨率 越高。当然我们希望能得到分辨率高的地震剖面，这样就能得到更精细的地质解释。 地震记录的分辨能力受很多因素的影响，因为通常把地震记录看做是地震子波与地 层反射系数序列的褶积，所以记录受子波的很大的影响。 首先讨论一下地震的子波。地震勘探时检波器接收到的是检波点所在地面的震动， 当使用2 0 斤左右的炸药在井中爆炸时会激发地震波，这个波动是在引爆之后的几百微秒 就形成了，爆炸产生一个几毫秒的尖脉冲，爆炸的强压会使得最邻近的岩石破碎，产生 永久形变，随着尖脉冲向外传播较远的地层发生塑性形变，随着传播之后十几米之后地 层发生弹性形变，接着震动继续向外传播，由于多种因素的影响，地震波还会发生明显 的变化，直到传播一百至几百米后才形成稳定的波形。地震子波一般是有两到三个相位 组成的震动延续的时间六十到一百毫秒的地震波，是地震记录形成的基本元素。 地震记录的波形与测井曲线的波形不完全致对应。一千米的井中包含几百个层位， 但是在地震记录上的波形只有几十个，所以在地震记录上的波形便是多个反射界面的共 同作用形成的，一个波形不只代表一个界面。因此也能推断反射波肯定有一定的延续时 间。假设反射波是尖脉冲时，那波峰或波谷就不可能是反射波的联合作用，而成为反射 界面的反射系数的序列。 在四十年代年r i c k e r 认为子波是地震记录的组成成分，记录是由子波复合而成的， 1 3 第三章信号的分辨率j 影响因素 合成记录的制作也是由此进行的。 以下进行简单的合成记录的制作，使用1 5 个反射系数，分别出现在不同的时间，反 射系数有正值也有负值【3 l 】。图上有1 5 个子波，分别是与1 5 个反射系数相对应的。通过 子波的长度和反射系数之间的间隔也可以看出，一个子波的延续长度内可以包含多个反 射系数，每个反射系数上的波是互相重叠的。图s s 表示子波叠合的结果，即合成记录。 可见合成记录只有三个波峰及两个波谷，是不可能分辨出是由1 5 个子波组成的。 从其过程及图中可得如下的结论： ( 1 ) 地震合成记录一般不能反应反射界面的位置，也显示不出反射界面的数量。 ( 2 ) 从地震记录中不能识别子波波形。 ( 3 ) 合成地震记录的波峰和波谷是多个反射波复合而成结果，不能直接代表某一个反 射面的位置。 ( 4 ) 合成地震记录的峰值大小也不能反应子波的幅值大小和反射系数的极性。 ( 5 ) 地震记录的子波的延续长度对分辨反射系数有很大的影响，即缩短子波就可以提 高合成地震记录的分