專利名稱：用于由雙傳感器海上地震信號確定地層品質因數(shù)的方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及海上地震數(shù)據(jù)采集和處理的領域。更具體地，本發(fā)明涉及用于處
理海上地震信號以確定地表下巖層的某些特征的方法。
背景技術：
在本領域中，已知地震勘探用于確定地球表面下巖層的構造和聲學性質。地震勘 探一般包括以選擇的圖案在地球表面上布置地震傳感器的陣列，以及有選擇地起動位于地 震傳感器附近的地震能量源。該能量源可以是爆炸物、振動器，或者在例如湖泊或海洋之類 的水體中執(zhí)行地震勘探的情況下，是一個或多個氣槍或水槍。 從該源發(fā)出的地震能量穿過地表下巖層直到它到達地層的聲學阻抗邊界。聲學阻 抗邊界典型地發(fā)生在地層的成分和/或機械性質改變之處。這樣的邊界通常被稱為"地層 邊界"。在地層邊界處，一些地震能量被反射回地球表面。該反射的能量可以由布置在表面 上的一個或多個地震傳感器檢測。本領域中巳知的地震信號處理把確定地面下的地層邊界 的深度和地理位置作為許多目標之一。由地震能量到地層邊界和回到表面處的傳感器的傳 播時間來推斷地層邊界的深度和位置。 在海洋及其它水體中執(zhí)行地震勘探("海上地震勘探")以確定水底之下的巖層 的構造和聲學性質。本領域中巳知的海上地震勘探系統(tǒng)包括牽引一個或多個地震能量源的 船和牽引一個或多個"拖纜(streamer)"的相同的或不同的船。拖纜是由船牽引的電纜中 的地震傳感器的陣列。通常，地震勘探船將牽引被配置為以選擇的圖案彼此隔開選擇的橫 向距離的多個這樣的拖纜，以使得能夠相對完全確定三維的地質構造。通常，拖纜中的傳感 器是壓力響應傳感器，例如水聽器。近年來，拖纜已經被設計為包括壓力響應傳感器和粒子 運動響應傳感器兩者。在一些以前的拖纜中，基本上并置(collocate)壓力響應傳感器和 運動響應傳感器。在Tenghamn等人的并且轉讓給本發(fā)明的受讓人的分支機構的美國專利 No. 7， 239， 577中描述了一種被稱為"雙傳感器"拖纜的這樣的拖纜。 所關注的地表下地層的一個特征是所謂的"品質因數(shù)"。品質因數(shù)是地震能量的隨 頻率衰減的度量，也就是說，地震能量頻率和特定地層的衰減率之間的關系的度量。品質因 數(shù)已經用作碳氫化合物的存在的直接指示，以及其它用途。地震波的衰減的估計可以與地 震數(shù)據(jù)解釋領域中的層速度的估計同樣重要。地震波的衰減的估計提供巖石學(巖石礦物 成分)和儲層特性(巖石孔空間流體含量、流體成分、流體壓力和巖石滲透率到流體流動) 的另外的透視。 使用海上地震信號來估計品質因數(shù)已經證明是困難的，因為海上地震信號對地 震能量從水表面的反射導致的退化敏感。這樣的反射可能有害地與檢測的從所關注的地 表下特征反射的上行地震信號干擾。地震能量的頻譜通常在被稱為"虛反射缺口 (ghost notch)"的帶內衰減。虛反射缺口的存在使得隨頻率衰減的解釋變得困難并且有誤差。
繼續(xù)需要用于由海上地震數(shù)據(jù)估計地表下地層的品質因數(shù)的技術。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種用于估計地層品質因數(shù)的方法包括確定使用在水體 中的選擇深度處布置的并置壓力響應傳感器和運動響應傳感器記錄的地震信號的上行壓 力波場。上行波場具有通過組合壓力響應的信號和運動響應的信號而衰減的水表面虛反射 的頻譜效應。通過確定上行壓力波場中的第一地震事件和第二地震事件之間的振幅頻譜差 來確定品質因數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于地震勘探的方法包括在水體中的隔開的位置 處布置多個并置的壓力響應地震傳感器和運動響應地震傳感器。在選擇的時間在水體中起 動地震能量源。記錄由并置的傳感器響應地震能量產生的信號。上行壓力波場被確定為具 有通過組合來自于多個并置的傳感器中的每一個的并置的壓力響應信號和運動響應信號 而衰減的水表面虛反射的頻譜效應。通過確定上行壓力波場中的第一地震事件和第二地震 事件之間的振幅頻譜差來估計水體的底部之下的地層的品質因數(shù)。 通過下面說明書和所附的權利要求書，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將變得明顯。


圖1顯示獲得地震數(shù)據(jù)以用于根據(jù)本發(fā)明的方法的示例。
圖2顯示處理雙傳感器數(shù)據(jù)的流程圖。 圖3顯示在7m深度處牽引的典型海上地震源的振幅頻譜，具有在8m深度處正入 射記錄的信號，以及來自于相同的海上地震源、具有除去接收器虛反射的濾波效應的信號 的振幅頻譜。 圖4顯示在圖2所示的振幅頻譜上的地表下地層的濾波的效應。 圖5A和5B分別顯示同時獲得的上行壓力場和總壓力場信號的歸一化振幅頻譜。
具體實施例方式
圖1顯示可以用于根據(jù)本發(fā)明的方法的獲得海上地震數(shù)據(jù)的示例。地震勘探船 101沿著要被勘探的地表下的一部分103上面的水體102的表面108移動。在水底部104 之下，地表下的該部分103包含位于上邊界106和下邊界107之間的所關注的巖層(例如 層105)。地震勘探船101在其上已經布置有地震采集控制設備，被總體指定在109。地震 采集控制設備109包括(沒有分開顯示)導航控制、地震能量源控制、地震傳感器控制和信 號記錄設備，所有這些設備可以是本領域中已知類型的設備。 地震采集控制設備109引起由地震勘探船IOI(或由不同的船)在水體102中牽 引的地震源IIO在選擇的時間起動。地震源IIO可以是地震采集領域中公知的任何類型， 包括氣槍或水槍，或者特別是氣槍陣列。 一個或多個地震拖纜111還在水體102中由地震 勘探船IOI(或者由不同的船)牽引，以檢測地震源110發(fā)出的并且從環(huán)境中的分界面反射 的聲波場。盡管為了說明的目的圖1中僅僅示出了一個地震拖纜lll，但是通常在地震勘 探船101之后牽引多個橫向間隔開的地震拖纜111。地震拖纜111包含傳感器以檢測由地 震源110發(fā)出的反射波場。在本示例中，地震拖纜111包含例如水聽器112的壓力響應傳 感器以及例如地聽器113的水粒子運動響應傳感器。水聽器112和地聽器113通常沿著地 震拖纜111以一定間隔成對地共同位于傳感器陣列中。但是，傳感器112U13的種類和它們沿著地震拖纜111的具體位置不意為是對本發(fā)明的范圍的限制。將清楚地理解，壓力響 應傳感器可以是產生與在水中的壓力或它的時間梯度相關的信號的任何類型的設備。相應 地，運動響應傳感器可以是響應于運動、加速度或速度的任何設備。這樣的設備的非限制示 例包括速度感傳器(地聽器)和加速度計。 每次地震源110起動時，聲波場以球形擴展波前傳播。在這里通過垂直于波前的 光線路徑來示出波前的傳播。由光線路徑114指定的向上傳播的波場將在水面108處反射 離開水-空氣分界面，然后如光線路徑115所示地向下傳播，其中可以由地震拖纜lll中的 水聽器112和地聽器113檢測波場。如光線路徑115這樣的從水面108的反射不包含關于 所關注的地表下地層的有用信息。但是，這樣的表面反射(亦稱虛反射)擔當與地震源110 的起動具有時間延遲的二級地震源。 光線路徑116中向下傳播的波場將在水底部104處反射離開地-水分界面，然后 如光線路徑117所示地向上傳播，其中可以由水聽器112和地聽器113檢測波場。如光線 路徑117這樣的水底部104處的反射包含有關水底部104的信息。光線路徑117是"初次" 反射的示例，也就是說，源自地下中的邊界的反射。如光線路徑116中向下傳播的波場可以 如光線路徑118所示地傳播通過水底部104，反射離開層(例如105)的層邊界(例如107)， 然后如光線路徑119所示地向上傳播。然后可以由水聽器112和地聽器113檢測向上傳播 的波場(光線路徑119)。這樣的離開層邊界107的反射包含關于關注地層105的有用信息 并且也是初次反射的示例。 聲波場將繼續(xù)反射離開例如水底部104、水面108以及層邊界106、 107的結合之 類的分界面。例如，光線路徑117中向上傳播的波場將反射離開水面108，繼續(xù)在光線路徑 120中向下傳播，可以反射離開水底部104，以及繼續(xù)又在光線路徑121中向上傳播，其中可 以由水聽器112和地聽器113檢測波場。光線路徑121是多次反射的示例，也簡單地稱為 "多次反射"，具有從分界面的多次反射。相似地，光線路徑119中向上傳播的波場將反射離 開水面108，繼續(xù)在光線路徑122中向下傳播，可以反射離開層邊界106以及繼續(xù)又在光線 路徑123中向上傳播，其中可以由水聽器112和地聽器113檢測波場。光線路徑123是多 次反射的另一個示例，也具有在地球地下中的多次反射。 為了本發(fā)明，主要涉及的光線路徑是地震能量從水聽器112和地聽器113附近的 水面的反射。這樣的反射引起由水聽器112檢測到的某些頻率的地震能量的衰減。根據(jù)本 發(fā)明的方法利用地聽器113檢測的信號來減小水聽器信號中這樣的"虛反射缺口"的影響。
為了簡化以下說明，術語"水聽器"和"地聽器"將被用作被處理的信號的種類的 簡寫說明。將清楚地理解，在下面的描述中術語"水聽器"用來意指由任何形式的壓力響應 或壓力時間梯度響應傳感器檢測的信號。相應地，"地聽器"信號用于意指由任何形式的粒 子運動響應傳感器(包括加速度計、測速計、地聽器等等)檢測的信號。
根據(jù)本發(fā)明的方法開始使用對應于該源的每次開動的記錄的水聽器和地聽器信 號。該記錄應該補償它們各自的傳感器以及記錄的信道的脈沖響應和所用的每種傳感器的 換能常數(shù)。對應于該源的特定開動的水聽器和地聽器記錄的每個這樣的記錄可以被稱為 "共射(common shot)"記錄或共射"點道集"。可以相對于地震源的開動的時間為信號記 錄編索引，并且可以由記錄的時間時的每個地震傳感器的地理位置來標識信號記錄?？梢?相對于每個地聽器檢測的地震波前的入射角來歸一化地聽器信號。例如，參見Vaage等人的并且轉讓給本發(fā)明的受讓人的分支機構的美國專利No. 7， 359， 283，其描述了這樣的歸一 化。水聽器響應基本上是全向的，并且不需要入射角的校正或歸一化。
參考圖2，在21中，概述使用地聽器和水聽器信號的示例過程的流程圖可以包括， 將水聽器和地聽器信號從空-時域變換到頻率-波數(shù)(f-k)域。在圖2的22中，對分別由 21中的域變換而變換后的水聽器和地聽器信號H(f,k)和G(f,k)校正傳感器傳遞函數(shù)之間的 相對差，該傳感器傳遞函數(shù)與時域中的傳感器脈沖響應對應。這樣的校正可以包括例如，校 正水聽器信號的振幅和相位以匹配地聽器信號、校正地聽器信號以匹配水聽器信號、或校 正兩組信號到公共基礎。校正傳感器脈沖響應中的相對差在本領域中是公知的。最后，可 以將等于水中的聲學阻抗的倒數(shù)的振幅比例應用到地聽器信號以校正壓力的振幅和粒子 速度的相對差。這樣的比例也是本領域中公知的。 在圖2的23中，對22中校正后的地聽器信號進一步校正入射角。當水聽器記錄總 的壓力波場時，垂直地聽器將僅僅記錄粒子運動波場的垂直分量。僅僅對于垂直傳播的信 號，也即入射角等于零的信號，垂直部分等于總的粒子運動波場。對于任何其它的入射角， 需要縮放地聽器信號，例如基本上如Vaage等人的'283專利所述的。 在圖2的24中，可以由記錄的水聽器信號計算或估計地聽器信號的低頻部分。前 述也可以基本上如Vaage等人的'283專利所述地執(zhí)行。 在圖2的25中，可以通過將計算的全帶寬地聽器信號的低頻部分與在該頻譜的上 部分中測量的地聽器信號(包括一些重疊)合并來計算或估計該全帶寬地聽器信號。前述 也可以基本上如Vaage等人的'283專利所述地執(zhí)行。 在圖2的26中，將全帶寬地聽器數(shù)據(jù)集和記錄的水聽器數(shù)據(jù)集相加或相減以計算 全帶寬上行和下行波場。前述可以基本上如Vaage等人的'283專利所述地執(zhí)行。
將全帶寬地聽器信號與水聽器信號組合的結果是降低了表面虛反射的效應的上 行壓力波場。更準確地說，降低了表面虛反射的頻率濾波效應。可以解釋組合的地聽器和 水聽器信號，以確定從水面到地表下地震反射面的雙程地震能量傳播時間，例如圖1中的 104、106和107。使用這樣的雙程傳播時間，可以估計發(fā)生在兩個雙程反射時間^和t2之 間的地表下地層的地層品質因數(shù)("Q")。作為頻率的函數(shù)的地震能量的振幅與地表下地 層的衰減特性有關，如以下表達式所示
<formula>formula see original document page 6</formula>
如果上面關于Q的第二表達式的兩邊乘以頻率f ，則得到的表達式是
<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>
上述表達式是在振幅_頻率平面中的直線的方程式形式，也就是說，它具有形式
y = mf+b 其中Q是直線斜率，并且截距b(頻率為零時)等于零。因此，為了由選擇的地震事件(例如，反射時間^和t2)之間的地震數(shù)據(jù)估計地表下地層的Q，可以由兩個選擇的長 度的數(shù)據(jù)窗口計算振幅頻譜(復數(shù)頻譜的幅度)，這兩個數(shù)據(jù)窗口的每一個以兩個選擇的 地震事件(反射時間)的每一個為中心。每個時間的振幅頻譜可以由Ajf)和4(f)表示。 使用振幅頻譜，可以計算上面方程式(2)的左手邊的頻率的函數(shù)，并且可以對振幅頻譜函 數(shù)進行直線擬合(例如通過最小二乘方)。最佳擬合線的斜率是位于地震反射時間^和t2 之間的地表下地層的Q的估計。 但是，實際上，應用中所述的線性回歸從來不假定截距b是零。計算導出Q的斜率 (m)，好象存在非零值的截距b —樣，盡管從來不明確地計算截距本身?？紤]非零截距的理 由是振幅通常被不適當?shù)仄胶獠⑶乙虼肆泐l率處的光譜比值沒有抵消。還可以計算截距并 且可用于精確地校準振幅。 本領域中已知的使用僅水聽器的拖纜產生截距計算，這樣的計算被認為比斜率的 計算更不可靠，而使用僅水聽器的拖纜的計算本身就被認為是不可靠的。這里說明的通過 使用具有壓力響應傳感器和運動響應傳感器二者的拖纜以及組合該壓力和運動信號而提 供的另外的低頻內容使得截距計算基本上更可靠。因而，使用組合的壓力響應和運動響應 信號被認為提供對振幅頻譜的斜率和截距更精確的估計。前述不但提供對于Q的更好的估 計，而且提供準確地校準地震信號振幅衰減的可能。 圖3在曲線40中顯示了正入射的、在大約8米的采集深度處的在7米深處牽引 的典型海上地震源的振幅頻譜。0Hz和大約107Hz處的能量由于接近于地震源的水面反射 ("虛反射")而被抑制了。接收器虛反射在OHz和大約94Hz處產生頻譜缺口。曲線42中 也顯示了由相同的源記錄的地震信號的振幅頻譜，但是具有除去了接收器的虛反射的濾波 效應。曲線42的頻譜已經乘以2以便于比較。 圖3所示的模擬振幅頻譜被示出在圖4的44和46中，其中已經通過具有線48所 示的響應特性的土濾器(earth filter)進行了修改。 圖5A和5B分別顯示了同時獲得的上行壓力波場(圖5A中的50)和總壓力波場 (圖5B中的52)的示例振幅頻譜。前述振幅頻譜與圖4所示的模擬一致，并且表明了，振幅 相對于頻率的梯度不能容易地由總壓力場數(shù)據(jù)估計。必須除去接收器虛反射，這可以使用 來自于雙傳感器拖纜的數(shù)據(jù)來容易地執(zhí)行。 盡管已經參考有限的實施例描述了本發(fā)明，但是受益于本公開的本領域技術人員 將理解，可以設計出不脫離這里公開的本發(fā)明的范圍的其它實施例。因此，本發(fā)明的范圍應 該僅由所附的權利要求書限制。
權利要求
一種用于估計地層品質因數(shù)的方法，包括確定使用在水體中布置的并置壓力響應傳感器和運動響應傳感器記錄的地震信號的上行壓力波場，該上行壓力波場具有通過組合該壓力響應信號和運動響應信號而衰減的水面虛反射的頻譜效應；以及通過確定上行壓力波場中的第一地震事件和第二地震事件之間的振幅頻譜差來估計品質因數(shù)。
2. 如權利要求1所述的方法，其中該壓力響應傳感器包括水聽器。
3. 如權利要求1所述的方法，其中該運動響應傳感器包括地聽器。
4. 如權利要求1所述的方法，其中該第一和第二地震事件的振幅頻譜是通過對以該第一和第二地震事件的每一個為中心的選擇的長度數(shù)據(jù)窗口進行采樣確定的。
5. 如權利要求1所述的方法，其中該第一地震事件和第二地震事件是地震反射，每個發(fā)生在從地震能量源的開動時起的不同的時間。
6. 如權利要求1所述的方法，還包括確定振幅相對于頻率的線性函數(shù)的零頻率截距并且使用該截距校準地震信號振幅。
7. —種用于地震勘探的方法，包括在水體中的隔開的位置處布置多個并置的壓力響應地震傳感器和運動響應地震傳感器；在選擇的時間開動水體中的地震能量源；由該并置傳感器記錄響應于地震能量產生的信號；確定具有通過組合來自于多個并置的傳感器中的每一個的并置的壓力響應信號和運動響應信號而衰減的水表面虛反射的頻譜效應的上行壓力波場；以及通過確定上行壓力波場中的第一地震事件和第二地震事件之間的振幅頻譜差來估計水體的底部之下的地層的品質因數(shù)。
8. 如權利要求7所述的方法，其中該壓力響應傳感器包含水聽器。
9. 如權利要求7所述的方法，其中該運動響應傳感器包含地聽器。
10. 如權利要求7所述的方法，其中該第一和第二地震事件的振幅頻譜是通過對以該第一和第二地震事件的每一個為中心的選擇的長度的數(shù)據(jù)窗口進行采樣確定的。
11. 如權利要求7所述的方法，其中該第一地震事件和第二地震事件是地震反射，每個發(fā)生在從地震能量源的開動時起的不同的時間。
12. 如權利要求7所述的方法，還包括確定振幅相對于頻率的線性函數(shù)的零頻率截距并且使用該截距校準地震信號振幅。
全文摘要
用于由雙傳感器海上地震信號確定地層品質因數(shù)的方法。一種用于估計地層品質因數(shù)的方法，包括確定使用在水體中布置的并置壓力響應傳感器和運動響應傳感器記錄的地震信號的上行壓力波場，該上行壓力波場具有通過組合該壓力響應信號和運動響應信號而衰減的水面虛反射的頻譜效應。通過確定上行壓力波場中的第一地震事件和第二地震事件之間的振幅頻譜差來確定品質因數(shù)。
文檔編號G01V1/36GK101726755SQ20091017403
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權日2008年10月20日
發(fā)明者A·J·戴, G·康布瓦 申請人:Pgs地球物理公司