（地球探测与信息技术专业论文）井中地震三分量偏振分析及应用研究.pdf

掠5 要 井中地震数据同时记录到了纵波和横波，利用三分量分离合成可以得到纵、横波信 息；包括：纵波速度、横波速度以及三种波的成像剖面等。利用这些信息可以提高构造 解释的精度；利用纵波与横波速度比值研究岩性；联合利用纵波和转换波的旅行时、振 幅、频率等特性，可以进行油气藏识别研究；利用上行转换横波的分裂可以研究裂缝， 进行裂缝参数提取等。 井中地震数据的特点： ( 1 ) 是连接地面地震数据和井中数据的手段( 时深数据、标定反射) ； ( 2 ) 其测量直接针对油藏； ( 3 ) 高分辨率成像； ( 4 ) 全波场、多分量记录高频率数据。 这些特点对高分辨率地震油藏描述在方法和技术方面起到了极大的促进作用，可以 用来帮助解决提高采收率中的诸多问题，进行科学合理地实现调整开发方案。因此井中 地震在油田开发领域具有很大的应用潜力。 论文分析研究了直井及斜井v s p 三分量合成方法技术的基本理论，包括偏振分析理 论、时变偏振分析理论和波场分离合成理论；并对其实现方法进行了详细的公式推导， 为三分量v s p 波场的分离合成奠定了基础。 利用编程环境，完成了直井水平定向偏振合成处理模块、垂直分量偏振合成处理模 块、及协方差矩阵法处理模块。通过理论和实际资料测试，取得了较好的效果。分析了 两种方法的优劣性及实用性。 利用经过三分量合成后的零偏v s p 下行波及p 波速度提取了q 值并对v s p 上行波场 及三维叠前单炮记录进行了反q 试验处理，得到了一定的结论与认识。 关键词：井中地震，v s p ，三分量，偏振分析，协方差矩阵，矢量合成，q 值 a bs t r a c t b o r e h o l es e i s m i cd a t ar e c o r d e dt h ep - w a v ea n ds - w a v ea tt h es a m et i m e ，t h eu s eo f s y n t h e t i ct h r e e c o m p o n e n ts e p a r a t i o nc a nb el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s a lw a v ei n f o r m a t i o n ； b o r e h o l es e i s m i cd a t ai n c l u d e st h i si n f o r m a t i o n ：p - w a v ev e l o c i t y , s h e a rv e l o c i t y , a sw e l la s t h r e ew a v ei m a g i n gs e c t i o na n ds oo n t h eu s eo fs u c hi n f o r m a t i o nc a ni m p r o v et h ea c c u r a c y o fs t r u c t u r a li n t e r p r e t a t i o n ；t h eu s eo fp w a v ea n ds - w a v ev e l o c i t yr a t i oo fr e s e a r c hl i t h o l o g y ； j o i n tu s eo fp - w a v ea n dc o n v e r t e d w a v et r a v e lt i m e ，a m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c so fg a sr e s e r v o i r sc a l lb ec a r d e do u tt oi d e n t i f ys t u d i e s ；t h eu s eo fs - w a v e u p c o n v e r s i o no fs p l i t t i n gc r a c k sc a nb es t u d i e d ，t h ep a r a m e t e re x t r a c t i o n , s u c h a sc r a c k s w e l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e i s m i cd a t a ： ( 1 ) c o n n e c t i n gt h es u r f a c es e i s m i cd a t aa n dw e l ld a t ao ft h em e a l h $ ( t i m e - d e p t hd a t a , c a l i b r a t i o nr e f l e c t o r ) ； ( 2 ) d i r e c tm e a s u r f f m e n tf o rr e s e r v o i r ； ( 3 ) h i g h r e s o l u t i o ni m a g i n g ； ( 4 ) f u l l - w a v ef i e l d ，m u l t i c o m p o n e n th i g h - f r e q u e n c yd a t ar e c o r d s t h e s ef e a t u r e so fh i ：g h r e s o l u t i o ns e i s m i cr e s e r v o i rc h a r a c t e r i z a t i o ni nt h em e t h o d sa n d t e c h n i q u e sh a sp l a y e das i g n i f i c a n tr o l e ，c a nb eu s e dt oh e l ps o l v ean u m b e ro fe n h a n c e do i l r e c o v e r yi nt h eq u e s t i o no f r e a l i z a t i o no f s c i e n t i f i ca n d r a t i o n a la d j u s t m e n to f t h ed e v e l o p m e n t p r o g r a m t h e r e f o r ew e l l si no i lf i e l dd e v e l o p m e n ta r e ao f t h ee a r t h q u a k eh a sg r e a tp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sa n a l y z e da n ds t u d i e dt h ev e r t i c a lw e l la n dt h ei n c l i n e dt h r e e c o m p o n e n t s y n t h e s i so fv s pt e c h n o l o g y , t h eb a s i ct h e o r y , i n c l u d i n gp o l a r i z a t i o na n a l y s i so ft h e o r y , a n a l y s i so ft i m e v a r y i n gp o l a r i z a t i o nt h e o r ya n dt h et h e o r yo fw a v ef i e l ds y n t h e s i ss e p a r a t i o n ； a n di t si m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i lt h ef o r m u l ad e r i v e df o rt h et h r e e c o m p o n e n tv s pw a v ef i e l d s y n t h e s i sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h es e p a r a t i o n t h eu s eo fp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，t h el e v e lo fv e r t i c a lw e l l sc o m p l e t e ds y n t h e s i s p r o c e s s i n gm o d u l e o r i e n t a t i o np o l a r i z a t i o n ，v e r t i c a l p o l a r i z a t i o nc o m p o n e n ts y n t h e s i s p r o c e s s i n gm o d u l e ，a n dt h e c o v a r i a n c em a t r i xm e t h o dp r o c e s s i n gm o d u l e t h r o u g h t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li n f o r m a t i o no nt e s t i n g ，h a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t s a n a l y z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f b o t ha p p r o a c h e sa n dp r a c t i c a l t ou s et h et h r e e c o m p o n e n ts y n t h e s i so fz e r o o f f s e tv s pa f t e rt h es p r e a dd o w n l i n k e x t r a c t e dp - w a v ev e l o c i t ya n dqv a l u eo fv s pu p - g o i n gw a v ef i e l da n dt h r e e - d i m e n s i o n a l p r e s t a c kr e c o r d so n e s h o tt e s t t o d e a lw i t ha n t i q ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，a b t a i n e dac e r t a i n c o n c l u s i o na n du n d e r s t a n d i n g k e yw o r d s ：w e l ls e i s m i c ，v s p ，t h r e e - c o m p o n e n t ，p o l a r i z a t i o na n a l y s i s ，c o v a r i a n c em a t r i x ， v e c t o rs y n t h e s i s ，qv a l u e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弓淘罕 加汐声月尹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 口1 年6r 午目 卅年6 月髟日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 1 1 1 井中地震方法技术概述 第一章绪言 地震勘探观测方法按震源和检波器在地面( 包括地面附近) 或是在井中可分为四种 方式： a 震源和检波器都在地面 b 震源在地面而检波器在井中 c 震源在井中而检波器在地面 d 震源和检波器都在井中 第一种就是常规的地面地震勘探， v ( a ) 地一地观测方式； 地井观测方式； 井一地观测方式； 井一井观测方式。 而后三种都可划为井中地震。 ( b ) 蹴 h彩 。 矽 一 ( d ) ( e )( f ) a 、b 震源和检波器都在地面。c 、d 震源在地面，检波器在井中 e 震源在井中，检波器在地面，f 震源和检波器都在井中 图1 1 地震勘探观测方法分类 井中地震主要类型从作业类型来区分，井中地震包括：垂直地震剖面( v s p ) 、有偏 v s p ( o f f s e tv s p ) 、变偏v s p 、逆向v s p ( r e v e r s ev s p ) 、三维v s p ( 3 dv s p ) 、井间地 震( c r o s s w e l ls e i s m o l o g y ) 等。 不同作业类型的分辨率不同，井中地震数据和测井数据、地面地震数据均有直接可 比性。井中地震数据能够把一维的测井曲线延伸至二维和三维空间，还具有被地震解释 和油藏工程共同接受的数据形式及内容，因而很容易与现有的测井技术、地面地震技术 第一章绪言 实现数据的综合利用。由于井中地震与地面地震、测井在技术上有共性，因此在技术方 法与仪器设备方面较容易实现渗透过度与互补互用。在数据处理方面更能广泛地利用地 震属性、岩石物性、层速度等参数或方法，从而提高资料综合解释的准确性。井中地震 ( 尤其是井间地震) 成果对于测井和地面地震，由于其精度高、可比性强，能够起到支 持、辅助、标定与匹配的作用，为测井或地面地震直接利用。 井中地震数据的特点： ( 1 ) 是连接地面地震数据和井中数据的手段( 时深数据、标定反射) ； ( 2 ) 其测量直接针对油藏； ( 3 ) 高分辨率成像； ( 4 ) 全波场、多分量记录高频率数据。 这些特点对高分辨率地震油藏描述在方法和技术方面起到了极大的促进作用，可以 用来帮助解决提高采收率中的诸多问题，进行科学合理地实现调整开发方案。因此井中 地震在油田开发领域具有很大的应用潜力。 1 1 2 井中地震的目标 井中地震可解决的地质问题 ( 1 ) 井间技术 落实目的层的小断层、小构造分布以及裂缝发育情况； 层序精细对比及沉积微相研究； 井间目的储层的砂体横向变化规律( 大于2 m ) ； 井间目的层内的隔夹层分布及变化特征( 大于2 m ) ； 评价井间目的储层的含流体性质及变化特征； 预测注气注水前缘及剩余油的分布。 ( 2 ) 井一地技术( v s p 技术) 可准确标定地质层位，可进行井旁较精细的构造成像，落实目的层的小断层以及 裂缝发育情况； 可以井为依据，建立储层岩性岩相模型； 比较而言，v s p 成像剖面的分辨率比地面三维剖面高，主频一般可达5 0 7 0 h z ， 从而可预测井旁储层展布及变化特征： 利用v s p 纵横波资料及反演结果可预测井旁目的储层含流体性质及变化特征； 长安大学硕士学位论文 可进行井一地联合成像及反演，建立井一地标尺，为开发区块利用3 d 或4 d 地面 地震资料预测剩余油的分布奠定基础。 特殊岩性体的目标勘探，可克服地面地震勘探资料的模糊性( 如潜山内幕) 。 井中地震三分量的最大优点是得到三倍于常规纵波井中勘探的地震数据；同时记录 到了纵波和横波。利用三分量分离合成可以得到纵、横波信息；包括：纵波速度、横波 速度以及三种波的成像剖面等。利用这些信息可以提高构造解释的精度；利用纵波与横 波速度比值研究岩性；联合利用纵波和转换波的旅行时、振幅、频率等特性，可以进行 气藏识别研究；利用上行转换横波的分裂可以研究裂缝，进行裂缝参数提取等。 1 2 研究现状 1 2 1 井中地震发展历史与现状嘲 井中地震勘探始于1 9 1 7 年，f e s s e n d e n 在他的专利报告中首次提出利用井中震源和 检波器探测矿体位置。1 9 2 7 年，美国地球物理公司第一个检波器下井，首创了利用地震 资料指导钻井的先例。4 0 年代，苏联人利用直达纵波测定地层速度。1 9 5 9 年苏联人首 次提出了垂直地震剖面法勘探技术( v e r t i c a l s e i s m i cp r o f i l e ，v s p ) 。1 9 7 1 年前苏联科 学院加尔彼林院士出版了专著垂直地震剖面，引起了西方地球物理界的广泛重视， 并得到迅速发展。1 9 8 4 年，我国开始引进这项技术。 井中地震与地面地震相比具有以下优点： ( 1 ) 直接在勘探目标( 地下地层或地下地质体) 附近采集，得到的信息比较远离 勘探目标( 地下地层或地下地质体) 的地面观测准确可靠； ( 2 ) 通常沿纵向观测，可直接得到深度域的数据或直接给出时间深度关系，从而 可避免地面地震资料由于速度不准而引起的时深转换的误差； ( 3 ) 在环境噪声较小的地下观测，有可能得到高信噪比的资料； ( 4 ) 波传播的路径一次( v s p 和逆v s p ) 或两次( 井间) 避开强烈吸收地震能量的 不均匀的表层低速带，因而可能接收到很高分辨率的资料。 ( 5 ) 同时接收下行波和上行波，可利用波的传播方向这一重要性质。 ( 6 ) 三分量观测，可以同时记录直达波、反射p 波、s 波、各类转换波，使我们的 勘探步入全波信息时代。 正是以上优点使得井中地震在油气勘探中起到了举足轻重的作用。井中地震勘探新 3 第一章绪言 技术在上个世纪9 0 年代末期得到了长足的发展。井中地震勘探技术从开始的直井的零 偏、非零偏v s p 技术，扩展到斜井v s p 、水平井v s p 技术，再从只能接收到井附近信息 的零偏、非零偏v s p 技术，扩展成沿测线采集的变偏v s p 和面采集的三维3 卜v s p ，以 及将震源置于井下的r v s p ( r e v e r s ev s p ) 技术和多井观测的井问v s p 技术。 变偏v s p 、3 d _ - v s p 和r v s p 和井间地震等在我国取得了长足发展，随着几项关键技 术的突破，缩小了与国际先进水平的差距。这些新的井中地震勘探技术，充分考虑了在 观测时更接近被测对象的特点，与传统的井中地震勘探技术相比，在提高地震解释精度， 特别是在油气监测、油气开发等过程中有着特殊的应用，具体有如下几方面： 提高探明构造的精度； 提高储层的分辨率； 提高提取储层物性参数的精度； 预测剩余油； 开发动态监测；即监测流体、气体( 如c o z 、h c 溶剂) 的流向、前沿及界面； 指导加密井( 包括垂直井、水平井、定向井) 的设计和施工； 在复杂地区和地面地震资料质量较低的地区替代地面三维地震。 由于井中地震技术是一项涉及到很多方面的高科技综合系统技术，其研发成本、生 产成本及服务成本极其昂贵，目前装备及服务的厂家主要集中在美国及西方经济发达国 家，美国有t o m o s i e s 、斯伦贝谢、西方等，法国有c g g 、s e r s e l 公司，德国有d m t 等。 井中地震在中国的理论研究与国外基本同步，但装备和服务滞后于国外。国外公司 以此为契机，从9 0 年代后期开始进入中国油田进行工程服务及装备销售的市场推广工 作。进入中国的国外公司先后有法国c g g 、美国t o m o s i e s 等，其中v s p 、3 d v s p 由于技 术比较成熟，在中国主要以装备销售为主，价格非常昂贵。井问地震服务主要以实验、 完善其装备为主，成果不甚理想，经过几年的实验积累，进入二十一世纪初，尤其是2 0 0 1 、 2 0 0 2 年，美国t o m o s i e s 公司在中国石油化工股份有限责任公司的支持下，进行了多角 度、不同地域的井间地震勘测工作，取得了一定成果。 1 2 2 地面三分量地震发展历史与现状n 川 三分量地震勘探技术是上个世纪八十年代发展起来的技术。随着美国i o 公司的数 字三分量检波器v e c t o r s e i s 和法国s e r c e l 公司的数字三分量检波器d s u 3 的出现，使 得地震资料采集有了实质性的飞跃。三分量地震勘探技术到了飞速发展的阶段。以往研 4 长安火学硕士学位论文 究表明：三分量地震勘探技术在研究裂隙、各向异性和储层及流体预测等方面具有较大 的优势，因此开展数字三分量地震资料处理解释技术研究显得非常具有实际意义。 需要说明的是，这里所谈的“三分量地震勘探技术 是指利用纵波震源激发，用数 字三分量检波器接收。我们知道，当纵波震源激发时，会产生下行纵波，在反射界面处 会产生反射纵波和转换横波，当地下介质不均匀或存在各向异性时，不仅有反射p - s v 波，而且还有反射p - s h 波。因此利用该方法进行地震勘探时，不仅可以分析地下地质 构造，而且还可以分析地层的岩性、裂缝性、含油气性等 7 0 年代，p 波剖面亮点解释的不可靠性激起了人们对s 波勘探技术的极大兴趣。利 用s 波的传播特性，可以识别纵波剖面上的亮点是由岩性变化引起的振幅异常，还是储 层中所含流体的反映。由于s 波勘探具有野外作业成本高，需要专门的s 波震源，勘探 深度浅和信噪比低等弱点。因此，人们把研究思路转向了转换波，转换波的振幅依赖于 界面的物理参数、入射角以及转换的波型。转换波的好处在于震源简单，不需要专门的 s 波震源，采集费用低，信噪比高，勘探深度深，频带宽。目前大多数采用p 波震源激 发，地面三分量检波器接收，获得x 、y 、z 三分量记录的多分量地震勘探方法，其中， x 、y 分量主要记录来自p 波转换的s 波( p s 波) 。三分量地震勘探方法以前一直采用 5 4 度的三分量检波器，由于此三分量检波器分量间的串扰比较大。到了上个世纪末期， 人们采用了9 0 度三分量检波器。随着试验量的增加，人们发现三分量检波器的埋置误 差会影响三分量地震资料的质量，也就是说，在埋置中任何方位和倾斜的偏差都会造成 地震信号的误差。该误差的增大会使三分量地震资料的精度降低。为了在野外实际勘探 中，能够控制方位角误差和倾角误差，在三分量检波器上安装了袖珍经纬仪，这样在实 际野外三分量地震勘探中，能够较好地解决了此问题。 多波多分量资料含有丰富的地震信息，可以较全面地反映地下介质弹性参数，有望 解决单一纵波难以描述的岩性、流体及各向异性等地质问题，从而成为油藏综合地球物 理技术的一个重要组成部分。常规地震勘探采用纵波震源激发，单分量垂直检波器接收， 在资料处理中采用的是标量处理方法，所以常规纵波勘探属于标量地震勘探，因而使常 规地震勘探方法在裂隙油气藏勘探、岩性油气勘探和复杂构造勘探中的缺陷日益明显。 由于地震波场本身是矢量场，要完整记录矢量场，必须采用三分量检波器接收。三分量 地震勘探技术与以往采用的地震勘探技术具有本质上的不同，它是一种对质点在空间振 动的完整波矢量进行处理的勘探方法。三分量地震勘探已经逐渐引起国内外石油界的广 泛关注，尤其是在海洋勘探中，已经初见效果。1 9 9 9 年1 1 月，s e g 组织出版了海洋多 s 第一章绪言 分量地震勘探专辑t h el e a d i n ge d g e 第1 1 期。三分量地震勘探是未来地震勘探的发展 趋势之一。 国内对多波多分量地震勘探的研究始于八十年代，四川石油管理局、石油物探局等 单位先后进行了横波、转换波勘探的研究与试验。九十年代四川、大庆、江苏、长庆等 油田也进行了多波多分量采集试验。石油大学( 北京) 、中科院、清华大学从八十年代 末开始就致力于多波与各向异性的研究，在各向异性、非均匀各向异性、双相各向异性 理论、a v o 、数值模拟、裂隙反演等方面取得了大量研究成果，已经初步形成一套地面 转换波地震资料处理方法，并进行了大量实际资料处理工作，获得较好效果。 1 2 3 三分量偏振分析发展历史与现状 在传统的地震资料采集和处理过程中，主要记录垂直分量的纵波质点振动情况，水 平分量的振动往往被作为干扰波压制，人为的丢失了部分地震信息。三分量记录信息能 比较全面的记录地震波场，从而得到比较充分的地震波场资料。但是，在多波多分量地 震勘探中，由于波入射时并非是完全垂直于地面( 炮检距不为零) ，因此出射到地表的 地震射线一般也不垂直于地面，在z 分量上记录了p 波的同时也记录到了p s v 转换波， 而在x 、y 分量上除记录到了p s v 转换波还记录到了p 波，当炮检距与勘探深度的比值 较大时这种情况表现得尤为严重。为了得到没有干扰的p 波和p s v 波，将对三分量记录 中的p 波、p s v 波进行三分量分离和合成，并且对干扰波进行压制，即需要进行偏振分 析。 偏振分析又称极化分析，是一种基于波的偏振特性进行的一种分析方法。目前该方 法在地震勘探，光学，电磁学等方面有着广泛的应用并取得了一些研究成果。偏振分析 在地震信号处理中的应用始于上个世纪6 0 年代，w h i t e 和s h i m s h o n i 等人在天然地震和 核爆地震极化研究中采用了垂直分量和水平分量的时间平均矢量积方法，这种方法基于 一个观测点的不同震动分量间的相位关系，说明了通过三分量记录从干扰背景中识别有 用信号的原理。 由于各种波动在弹性介质中传播时，它们的偏振状态是各异的，如纵波质点的偏振 方向同波的传播方向是一致的，而横波则垂直于波的传播方向偏振。而且，纵波和某些 横波分量在一条直线内偏振，属线性偏振，面波及其他一些波则在一个平面内发生偏振， 为平面偏振。所以基于波的偏振特性设计出的偏振分析器可以做到压制面波，分离纵横 波从而达到叠前去噪和分量分离的目的。 6 长安大学硕士学位论文 在偏振研究工作的起始阶段，波的偏振主要用于解决v s p 勘探中的一些问题，之后 逐步应用于地面观测中，并得到了广泛的推广和应用。通过积累的经验证明，地震波的 偏振特性可用于各种地震研究，如激发条件的研究、转换波的分离、研究波的速度及介 质的各向异性等等；尤其在研究复杂结构介质时，地震波偏振提供的价值很大。 1 9 6 5 年，f i i n n 使用了基于输入数据的协方差矩阵的统计方法，协方差矩阵的特征 值与特征矢量近似的确定了椭圆的表面形状及方位，即与协方差矩阵时窗内记录的质点 运动轨迹的最小二乘近似。这些近似的椭圆率及方位值可以用在许多方法中来选取所需 的波形。f i i n n 优先选择了线性体波并根据它的入射角度的不同数据进行了加权。 近年来，偏振分析方法向着多样性与复杂性的方向发展，分别用于地震波的时域和 频域处理。例如，e s m e r s o y ( 1 9 8 4 ) 与j u r h e v i c s ( 1 9 8 8 ) 使用了三分量接收的台阵， 1 9 8 8 年，c h e i s t o f f e r s s o n 等人提出了最大似然估值法，1 9 8 7 年，p a r k 等人又提出了 奇异值分解法。这些方法在提供了精确的信息的同时也增加了计算的复杂性。 随着偏振分析方法多样性与复杂性的变化，各种方法被应用与地面三分量及v s p 三 分量合成中，而现阶段在v s p 三分量合成中常用的方法为时不变偏振分析方法，在实际 资料的应用中取得了较好的效果，解决了单一纵波难以描述的岩性、流体及各向异性等 地质问题。就本文目前收集的资料来看，对于时变偏振分析方法在v s p 三分量合成中的 应用仍处于理论实验阶段；在实际资料中的应用较少。 1 3 主要研究内容及成果 1 3 1 主要研究内容 论文根据井中地震的特点和发展现状，在详细分析井中地震三分量合成技术的理论 基础上，借助前人部分工作成果，针对v s p 三分量合成方法技术开展论文研究工作，主 要内容有： ( 1 ) 详细分析直井及斜井v s p 三分量合成方法基本理论，并对其算法进行了详细 的公式推导，主要包括： 偏振分析理论； 时变偏振分析理论； 波场分离合成理论； ( 2 ) 分析研究直井v s p 三分量合成算法，并编程实现。 7 第一章绪言 编程实现偏振分析算法； 选择一种时变偏振分析方法，并编程实现时变偏振分析算法； ( 3 ) 用理论模型和实际资料对程序进行试算，以验证算法的正确性和有效性。 1 3 2 主要研究成果 根据论文所涉及的研究内容，主要获得了以下成果及认识： ( 1 ) 详细分析了直井及斜井v s p 三分量合成方法技术的基本理论，包括偏振分析 理论、时变偏振分析理论和波场分离合成理论；并对其算法进行了详细的公式推导，形 成了基本的认识。 ( 2 ) 利用编程环境，完成了直井v s p 水平定向偏振合成处理模块，经实际资料测 试，该模块能利用x ，y 分量；偏振合成了h p 分量与s h 分量。取得了较好的效果。 ( 3 ) 利用编程环境，完成了直井v s p 垂直分量偏振合成处理模块，经实际资料测 试，该模块能利用h p ，z 分量；偏振合成了p 分量与s v 分量。取得了较好的效果。 ( 4 ) 利用编程环境，完成了直井v s p 协方差矩阵法处理模块，经理论和实际资料 测试，该模块偏振合成了p 分量、s h 分量与s v 分量。取得了较好的效果。 ( 5 ) 对偏振合成、协方差矩阵法的效果进行了比较，分析了两种方法的优劣性及 实用性。 ( 6 ) 利用经过三分量合成后的零偏v s p 下行波及p 波速度提取了q 值并对v s p 上 行波场及三维叠前单炮记录进行了反q 试验处理，得到了一定的结论与认识。 8 长安人学硕士学位论文 第二章井中地震三分量偏振分析基本理论 2 1 偏振分析理论 只观测单分量( 通常是垂直分量) 的v s p 记录能解决很多地质问题，但是当地质 构造复杂或者当采集资料的几何布置不满足处理的假设前提时，单分量v s p 记录的能 力就会受到限制。特别是如果不只希望利用压缩波，还希望利用切变波和转换波等其他 类型的波时，更要求由单分量v s p 观测过渡到三分量v s p 观测。 当前使用的三分量井下检波器不能定向，检波器在井中不同深度随机地推靠于不同 方位，并且人们无法从仪器上知道记录时检波器轴的取向。这是当前利用三分量资料识 别不同偏振特性波( 例如p 波、s v 波、s h 波) 的主要困难，也是三分量v s p 资料处理 的主要问题之一。下面分别介绍直井及斜井三分量v s p 资料处理中水平分量定向的方 法以及识别和分离不同类型的波的方法。 2 1 1 直井水平分量定向2 1 1 9 8 1 年a r c o 油气公司的d i s i e n a 和g a i s e r 曾讨论利用三分量v s p 观测记录本身确 定检波器水平分量的方法从而识别不同类型的波的统计方法。1 9 8 3 年s h o m b e r g e r 的 v i n c e n t 和m o n t o l l i n 也曾进行过类似的讨论。 他们假设的前提时：从p 波震源传到井下检波器的第一个直达p 波，其质点运动 方向和波的传播方向一致，都是由震源和井确定的平面内，这种直达p 波的偏振是线性 的，它在水平平面内的投影也是直线。根据这一假设，人们就可用直达波偏振方向在水 平面内的投影作为参考，测出三轴检波器观测时水平分量的相对方位，并可将观测的水 平分量的信号转换到以直达p 波偏振方向在水平面内投影为参考的一致坐标系。图2 1 示出的时v s p 观测时三轴检波器的方位简图，检波器的水平轴向随深度随机变化，但是 第一个p 波的水平投影h p 大致不变。图2 2 示出检波器处于不同深度时，水平分量x ， y 的轴向和直达p 波的水平投影。 9 第二章井中地震三分量偏振分析基本理论 毫盘波嚣囫墨句坐赫累 图2 1 三分量v s p 观测时井下三轴检波器方位的变化 以： 0 t 一 深痿鎏 图2 2 两深度点上，三分量检波器的水平分量x ，y 的轴向和直达p 波的水平投影 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 3 示出的时观测的水平分量( x 和y ) 转换到以h p 为参考的一致坐标系( 和 y 7 ) 的图形。转换公式为： x 7 = x c o s o + y s i n o 1 ，7 = - - x s i n 0 + y c o s o o s 1 ，=+ ， ( 2 1 ) 式中口为x 与h p 的夹角，又称为直达p 波的偏振角，它时水平分量定向处理中需主要 确定的量。 在水平面内又多种确定线性偏振信号方位的方法。 ( 1 ) 最简单的关系式设直达p 波水平分量h p 的两正交分量为x 和y ，则有偏振角 的关系式： 0 = a r c t g ( y x ) ( 2 2 ) 考虑到傅氏变换，对于每一频率( 国) 分量，有关系式： o ( c o ) = a r c t g y ( c o ) x ( c o ) 】 ( 2 3 ) 因为地震记录常由宽频，时变，相互迭合的信号组成，所以这种简单的关系式并不 实用。而要代之某种统计方法。 瞅谀坐标系的投影 r鞑淡承平分置黻点l j 。、。 1 岛： 1 严一 深度点2 ，c ，。弋严3 声，= i 一y x ( h p ) 图2 3 水平分量转换到以直达p 波水平投影h p 为参考的一致坐标系后的图形 第二章井中地震三分量偏振分析基本理论 ( 2 ) 矢端曲线和能量准则矢端曲线是一种表示直达波水平分量取向的直观图示方 法。图2 4 左边是某地检波器深度1 2 9 5 英尺观测的定向前的两水平分量记录，右边是 与左边记录1 6 1 毫秒至信号所对应的矢端曲线。在时窗以a t = 1 毫秒为间隔，顺序地取 一对样值( 誓和咒) t = x ( i a t ) 乃= y ( i a t ) 水平分置 y _ 尉 y v x 一l 化。l 八、厂 ( 2 4 ) ( i 为从时窗起点到时窗终点所编的序号) 矢端曲线 y 一1 0 0 m i 求 - 35 0 ， 5 01 0 0 ix 、i 忒3 l 一- 1 0 0 图2 4 根据两水平分量记录画出的矢端曲线 将这些样值，按坐标点在图上，连成曲线，就画出该矢端曲线。可以看出，图中有一幅 度极大的方向，并可估计出偏振角大约为1 3 5 度。矢端曲线的所有点不完全在一条直线 上，看起来有些视椭圆极化( 线性偏振理论上所有应在一条线上) ，这是由于续至波的 干扰和误差等原因所造成的。 偏振角p 也可根据能量准则解析地求出。图2 5 示出与图2 4 相应的能量随方位角 的变化，能量达到最大时的方位角即偏振角。设能量的表达式为： e ( 臼) = ( 一c o s 0 + y es i n 0 ) 2 j e ( p ) = ( # c o s 20 + 2 x j y _ fs i n o c o s 0 + y ? s i n 2 秒) ， ( 2 5 ) ( i 为从时窗起点到时窗终点所编的序号) 1 2 长安大学硕士学位论文 a e ( 0 ) ：o 使能量取极大的必要条件是： a o 丝堕：o a 乡 a ( # c o s 2 秒+ 2 t 乃s i n 秒c o s 秒+ 拜s i n 2 印 = 0 a 口 # 掌- 2 c o s o s i n o + 2 x y f ( - s i n 2 - i - c o s 2 乡) + 拜2 s i n 秒c o s 绷= o f - s i n 2 0 x + 2 c o s 2 钆乃) + s i n 2 研】= 0 f s i n 2 0 ( y ；一# ) + 2 c o s 2 钆乃) 】= o f 从而可求出： 或者 s i l l 2 乡一# ) + 2 c o s 加毛咒= o ff t a n 2 = 按此式可解出偏振角9 = 。 3 2 l 2 乃 ( # 一砰) i ( 2 6 ) ( 2 7 ) u3 u6 u9 ulz 0lb u1 8 u 图2 5 根据能量准则求偏振角 ( 3 ) 能量加权的瞬时方位直方图随再，咒而变的矢端曲线也可以用瞬时能量墨和 瞬时方位幺写出，即 = + t g o = 咒葺 ( 2 8 ) 1 3 第二章井中地震三分量偏振分析基本理论 如果作出能量对2 的直方图，图上也会由一峰值，峰值对应的方位角0 7 即偏振角。为了 避免角度谚在葺和m 值较小时对噪音敏感，要用r 或砰对直方图进行加权。 直方图的作法与通常的作法稍有不同，设 n = 数据分类的组数； a 0 = 1 8 0 n = 组的宽度( 以度为单位) ； 且：中心位于零度的组按能量加权的“频数”； 马= 中心位于( 一1 ) a o 的组按能量加权的“频数”，式中j = l 到1 t ； 形= 权重( 1 或r 或群) ，式中i 是离散值序号，取值范围为所选时窗。 举例来说，如果2 = t a n 1 ( 咒薯) = 2 2 5 a 0 ，则此样品的权形线性分配给中心位于2 口和 3 a o 两相邻的组( 累加到它们原来累积的“频数和上) ，即 垦= 垦- i - ( o 7 5 彬) 岛= 岛+ ( o 2 5 w f ) ( 2 9 ) 图2 6 是用图2 4 资料作出的群加权的直方图，“频数”峰值确定的方位p 7 与图2 5 一 致。这种直方图方法被认为是一种改进的确定水平分量线性偏振角的方法，因为它对窗 的大小，组的宽度和噪音都很不敏感。 ( 通俗地说，这种直方图方法是根据落在哪一方位的点子最多，确定哪一方位为偏 振角方位，但为了抗干扰，每一点在“频数 统计中不取1 ，而用其本身能量加权) 。 求出偏振角后，按照式( 2 1 ) 将地震记录水平分量旋转0 角，并作出矢端曲线如 图2 7 可以看出x 分量的记录就代表直达波水平分量h p 。 对于线性偏振的直达p 波和s v 波，用上述方法计算偏振方位角的精度可达2 3 度 之内。 1 4 承平分量 # 一3 图2 7 水平分量定位后作出的矢端曲线 的这种追踪分量。 第二章井中地震三分量偏振分析基本理论 设有线性偏振信号，可写出其在偏振方向的投影为： x ( f ) = b l x l ( t ) + b 2 x 2 ( t ) + b 3 x 3 ( t ) ( 2 1 0 ) 式中： 么= g l c o s0 也= 9 2c o s ks i n o 6 3 = 9 3s i n # s i n 0 ( 2 1 1 ) 秒和妒是球坐标系中确定偏振方向的偏离垂线的倾斜角和水平面内的方位角( 图 2 8 ) ；、9 2 和9 3 是反映检波器在增益方面和灵敏度方面差异的系数；五、屯和而是 直角坐标系中信号的三个分量。待求同相轴( 该线性偏振信号) 的追踪分量定义为相邻 道上与x 互相关最大的信号分量。显然可以看出，这种追踪分量即考虑到每个记录位置 上波的偏振方向，又考虑到了各个记录位置之间波的传播方向( 或同相轴的连续性) 。 加尔彼林指明追踪分量的两个特点； ( 1 ) 某特定地震同相轴的追踪分量与其它同相轴的追踪分量的方向，在空间上是 分离的； ( 2 ) 构制所有道上检测的波的综合旅行时曲线，根据此旅行时曲线识别主要的波， 测定其视速度和传播方向； ( 3 ) 对于同时在几个相邻道上出现的每个波，选择能使每个点上波为最佳的地震 记录，组成综合的追踪分量的地震记录。 p p c 数字处理的内容与模拟处理类似，苏联曾在b e s m 一4 m 数字电子计算机上建立一 个名为p o l y a r i z a t s i y a 的p p c 处理系统，包括两个子系统，是偏振相关子系统，一 是偏振分析子系统，参看加尔彼林的专著。 乞一淞 图2 8 线性偏振信号在偶振方向的投影 1 6 长安大学硕士学位论文 2 1 3 斜井三分量检波器坐标系与旋转后坐标系的关系1 设斜井中三分量检波器所记录的三分量分别为c l ，c 2 ，巳( c 3 分量表示沿井轨迹 方向) ( 图2 9 ( a ) ) 。首先将三分量旋转到u v w 直角坐标系中( 图2 9 ( b ) ) ，则可得 - s i n 秒 c o s 秒 o 蚓 ( 2 1 2 ) 下面考虑u v w 坐标系与x y z 坐标系之间的关系。在x y z 坐标系中( 图2 9 ( c ) ) ，设u 轴的方向余弦为( a ，吼，i ) ，v 轴的方向余弦为( p 2 ，q 2 ，r 2 ) ，w 轴的方向余弦为 ( 见，q 3 ，石) ，则 1r a 埘：捌 在三分量检波器旋转定向后的直角坐标系中( 图2 9 ( d ) ) 可得 式中 毒 厶 i 鸭i = 心j a x 甜 0 删 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中：a x = 一；妙= 蜘一y s ；a d = 板芩矿而； ( ，) 表示炮点s 在x y z 直角坐标系中坐标；( ，y r ，) 表示检波点r 在x y z 直角坐标系中坐标。由式( 3 ) 可得 h 删 1 7 ( 2 1 5 ) p p s 1 )洫0 c s 。l = 1j y w 2 2 耽吼吃 乞 o 0 o 垒鲥 缸一m妙一从。 乞五鸭珥 易加耽阮碍 。，l 第二章并中地震三分盈偏摄分析基奉理论 将式( 2 1 2 ) 代入式( 21 3 ) 、式( 2 1 4 ) 代入式( 2i 5 ) 得 则 i m i 州2 ”bl 码”：码j q e 2 岛 z 五正 品岛岛 p lp 2p 3 g lq z