專利名稱：處理地震數(shù)據(jù)信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理地震數(shù)據(jù)信號(hào)的方法。
收集地震數(shù)據(jù)是為了分析地下，特別是用于碳?xì)浠衔锏目碧?。用于分析海底結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可在陸地上收集，或使用航海船只在水上收集。為了獲得數(shù)據(jù)，要提供可能包括爆炸(在陸地上)或壓縮空氣脈沖(在海洋)的地震源。由地表以下各種地層反射的信號(hào)稱為痕跡，并由大量的一般是數(shù)百個(gè)傳感器諸如陸上地聽器和海洋水中水聽器檢測(cè)。對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行記錄并分析結(jié)果，以便推斷地表之下的地層構(gòu)成的指示。然后這種指示可用來估計(jì)碳?xì)浠衔锍练e的可能性。
然而，地表之下地層的物理構(gòu)成并不總是很好表明地下地質(zhì)學(xué)特征，因而不能如所希望的那樣精確估計(jì)碳?xì)浠衔锍练e的可能性。
本發(fā)明的目的是要提供處理和分析地震數(shù)據(jù)信號(hào)一種改進(jìn)的方法。
根據(jù)本發(fā)明提供了處理由特定地下特征反射的地震數(shù)據(jù)信號(hào)的方法，該方法包括根據(jù)一系列正交多項(xiàng)式通過分解反射信號(hào)分析地震數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜，并推導(dǎo)表征地下特征的反射率的一系列多項(xiàng)式系數(shù)。
本發(fā)明提供了來自具體的地下特征，例如地層或?qū)游?，反射的信?hào)的頻譜分解。在地層的情形下，這提供了聲響(volume)反射率的定量化(聲響反射率頻譜或VRS)。由于按付立葉變換的頻譜分解在地震信號(hào)的頻譜分析中不夠精確，故對(duì)正交基進(jìn)行頻譜分解。這樣作的原因在于，待分析的信號(hào)是在短時(shí)間窗口存在的，并且付立葉分析中使用的正弦波的無限性導(dǎo)致不希望有的窗口效應(yīng)和旁瓣。
所描述的是作為一組特殊的切比雪夫(Chebyshev)多項(xiàng)式組的特定的正交多項(xiàng)式組，但是其它各種的正交多項(xiàng)式(換言之，不同的多項(xiàng)式基)也可使用。
在其它場(chǎng)合使用了正交多項(xiàng)式函數(shù)，用于生成接收的數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)表示。例如歐洲專利申請(qǐng)No.EP 0216609 A2，Seislith Development透露了使用正交多項(xiàng)式函數(shù)把反射系數(shù)表示為偏移距離的函數(shù)的方法，作為用于使反射波振幅與校正的源檢測(cè)器偏移數(shù)據(jù)定量相關(guān)的方法的一部分。
在頻譜分解之前，可以再次對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以保證在所研究的地層的每一點(diǎn)的相等樣本數(shù)(時(shí)間或距離)而不考慮每一位置其相對(duì)厚度。
對(duì)正交基的這一頻譜分解還可用于先驗(yàn)的或設(shè)想的地震數(shù)據(jù)，例如鉆井記錄和從彈性模型推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。然后這一設(shè)想的數(shù)據(jù)(或先驗(yàn)知識(shí))可以同觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便進(jìn)一步表征觀測(cè)數(shù)據(jù)。這對(duì)傳輸效應(yīng)、球面擴(kuò)散及非彈性衰減提供了基于模型的補(bǔ)償。為了更精確地表征測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)提供了最佳匹配的設(shè)想數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動(dòng)以提供更好的匹配。
本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選特性在所附權(quán)利要求中列出。
現(xiàn)在參照附圖通過例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，其中

圖1表示使用航海船只收集地震數(shù)據(jù)的示意圖，圖2表示地層內(nèi)樣本位置數(shù)，圖3表示具有非均勻厚度地層中重新采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)的垂直剖面圖，及圖4表示地震數(shù)據(jù)痕跡，重構(gòu)的痕跡，及來自重構(gòu)痕跡的極值。
圖1表示正在進(jìn)行的地震勘查簡(jiǎn)化的示意圖，這來自中是在水上。船只12在水中航行拖著水聽器電纜12。電纜12沿著其縱長(zhǎng)間隔攜帶著大量的水聽器(未示出)。水聽器電纜可由水聽器陣列代替，換言之即二維分布的水聽器。為了收集地震數(shù)據(jù)，在船只上提供脈沖信號(hào)14，該信號(hào)指向海底。將從海床及海床下的地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量的反射。為了簡(jiǎn)化這里只示出來自海床16和地震層20、24及28主要的反射18、22、26和30。
收集的地震數(shù)據(jù)信號(hào)已經(jīng)施加了預(yù)處理。這將包括“遷移”，其中對(duì)非均勻反射層校正反射信號(hào)。并包括“疊加”，其中把從給定的點(diǎn)返回的信號(hào)在調(diào)節(jié)之后組合起來允許檢測(cè)在不同的傳感的反射信號(hào)及通過不同結(jié)構(gòu)的在不同深度的不同聲波速度。這些預(yù)處理技術(shù)是地震分析技術(shù)中熟知的，并在這里不進(jìn)一步討論。此外，在勘查區(qū)域上通過自動(dòng)波前跟蹤器連續(xù)跟蹤反射信號(hào)的波前。然后可使用反射頻譜分解。
波前跟蹤和預(yù)處理的信號(hào)被認(rèn)為是以下的形式(或反射函數(shù))r＝r(x，y，t)對(duì)于特定的波前，其中x，y＝零痕跡指數(shù)或位置坐標(biāo)t＝遷移行進(jìn)時(shí)間(遷移深度坐標(biāo))，及r＝反射信號(hào)的反射振幅這樣以多個(gè)三維坐標(biāo)提供反射振幅信號(hào)的振幅。圖2示出在給定的點(diǎn)(x，y)層位16和層位20之間的多個(gè)時(shí)間(深度)坐標(biāo)t0，t1，t2，…tN。已知先有技術(shù)的安排是使用這一數(shù)據(jù)識(shí)別各層(層位)之間的邊界，而這是以某種方式表征了地下的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在希望把一層內(nèi)的反射率定量化，并為此希望推導(dǎo)地震數(shù)據(jù)的頻譜分析。
使用熟知的付立葉分析的地震數(shù)據(jù)的頻譜分析不能滿足要求。付立葉分析所依賴的正弦和余弦波的無限性及要分析的地震信號(hào)暫短的持續(xù)性的結(jié)果是窗口效應(yīng)或旁瓣，這使分析失真。根據(jù)本發(fā)明的分析通過信號(hào)的頻譜分析無需使用付立葉變換而避免了這一困難。
為了進(jìn)行頻譜分析，近似沿時(shí)間(或深度)軸的反射信號(hào)的反射振幅。在這一例子中，這是使用正交多項(xiàng)式在最小二來的意義上進(jìn)行的。雖然可使用其它的正交多項(xiàng)式，但一組這樣的正交多項(xiàng)式可以是一組以下特定的切比雪夫(Chebyshev)多項(xiàng)式{Pm，N}。
P0.N＝1P1,N=1-2tN]]>P2,N=1-6tN+6t(t-1)N(N-1)]]>P3,N=1-12tN+30t(t-1)N(N-1)-20t(t-1)(t-2)N(N-1)(N-2)]]>P4,N=1-20tN+90t(t-1)N(N-1)-140(t-1)(t-2)N(N-1)(N-2)+70t(t-1)(t-2)(t-3)N(N-1)(N-2)(N-3)]]>一般來說Pm,N(t)=Σi=0m(-1)imim+iit(t-1)(t-2)···(t-i+1)N(N-1)(N-2)···(N-i+1)]]>其中
是二項(xiàng)式系數(shù)，N是采樣點(diǎn)的數(shù)目且mi=m!i!(m-1)!]]>現(xiàn)在我們對(duì)一組觀測(cè)的地震信號(hào)或更精確地說是一組聲響反射振幅推導(dǎo)一組系數(shù){Ck}。通過在多項(xiàng)式與測(cè)量的聲響反射振幅之間進(jìn)行最小二乘擬合推導(dǎo)這些系數(shù)。為了這樣做，從信號(hào)a(t)減去各系數(shù)多項(xiàng)式乘積，對(duì)結(jié)果求平方，并對(duì)所有的t值(樣本時(shí)間或距離)求其和。這樣對(duì)于系數(shù)值{Ck}求以下的信號(hào)S的最小值S=Σi=0N[α(t)-c0P0,N(t)-c1P1,N(t)...-cmPm,N(t)]2]]>這意味著為了求S的最小值，正規(guī)方程為αSαck-2Σi=0N[(t)-c0P0,N(t)-c1P1,N(t)...-c0P0,N(t)]Pk,N(t)=0]]>
對(duì)k＝0，1，2，…，N然而由于多項(xiàng)式組是正交的，故能夠分別解出參數(shù)，這給出Σi=0N[a(t)-ckPk,N(t)]Pk,N(t)=0]]>對(duì)CK解此方程式給出ck=Σi=0Na(t)Pk,N(t)Σi=0NP2k,N(t)]]>系數(shù)組{CK}表示聲響反射振幅的頻譜分解。在數(shù)學(xué)上各項(xiàng){CK}表示用來分解信號(hào)a(t)的特征方程{PK，N}的特征值組。希望以足夠的精度獲得最小數(shù)目的系數(shù)(即k的最小值)，因?yàn)檫@將簡(jiǎn)化后繼的處理。
如果選擇充分高階多項(xiàng)式分解，則VRS多項(xiàng)式能夠無誤地表示地震采樣。這意味著如果在時(shí)間窗口有N個(gè)樣本，則N-1階的多項(xiàng)式分解將給出準(zhǔn)確無誤的樣本重構(gòu)。如果分解階數(shù)小于N-1，我們將具有一種近似(最小均值方差)。
為了使所描述的特定多項(xiàng)式組Pm，N為正交的，它們必須被等距離采樣。換言之，所考慮的地層中地震樣本的數(shù)目N對(duì)給定的地層必須均勻。對(duì)于其厚度不均勻的地層可能不是這樣的情況，但這能夠按以下方式糾正。一般來說，從它們的原始采樣率對(duì)信號(hào)再次采樣，以便在勘查區(qū)域中每一給定的(x，y)坐標(biāo)位置提供相同數(shù)目的樣本值。這樣，地層較淺部分將具有間隔更近的采樣點(diǎn)(對(duì)于時(shí)間或深度)，而在較深部分這種點(diǎn)將間隔較大。
還能夠從井交切地震聲響的地方的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算頻譜。然后這些頻譜能夠在類似于合成推導(dǎo)頻譜的分類中應(yīng)用。
詳細(xì)來說，給出如下。地層最大的厚度可通過尋找以下最大值計(jì)算
Δf(x，y)＝f2(x，y)-f1(x，y)其中地層由層位定義如下f1(x，y)＝最淺的層位(即地層的頂面)f2(x，y)＝最深的層位(即地層的底面)然后能夠從以下計(jì)算樣本點(diǎn)數(shù)N=maxΔf(x,y)Δt+1]]>其中Δt＝沿深度或時(shí)間軸的采樣率。
換言之，地層的最大厚度除以采樣率加一。需要額外的采樣點(diǎn)使得樣本點(diǎn)位于地層的兩表面。
對(duì)帶有少于N的樣本的那些(x，y)位置要進(jìn)行內(nèi)插以具有N個(gè)樣本。適當(dāng)?shù)募夹g(shù)是使用正弦內(nèi)插器，并具有七個(gè)點(diǎn)的內(nèi)插濾波器是適用的。如果需要可使用不同的內(nèi)插濾波器和/或更精確的正弦內(nèi)插器。另外，或此外，漢寧(Hanning)濾波器可用于內(nèi)插的樣本，以便補(bǔ)償內(nèi)插濾波器的有限長(zhǎng)度(濾波器截取效應(yīng))。圖3給出內(nèi)插過程的簡(jiǎn)化視圖。在地震層最寬的位置40在時(shí)間(深度)方向有五個(gè)(例如)樣本。在地震層最窄的部分44似乎只有兩三個(gè)樣本出現(xiàn)。然而在內(nèi)插之后，在包括具有中等深度位置42的地層內(nèi)的每一位置有五個(gè)樣本點(diǎn)。
圖4表示基準(zhǔn)軸46及與由基準(zhǔn)軸表示的特定的x，y位置相關(guān)的例子的地震數(shù)據(jù)痕跡48的位置。如上所討論，地震數(shù)據(jù)痕跡48一般將從改進(jìn)地震數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量的預(yù)處理步驟輸出。就此來看，地震數(shù)據(jù)痕跡48是以向圖4的底部增加的深度(按時(shí)間或距離)顯示的，并且地震振幅是作為地震數(shù)據(jù)痕跡48和基準(zhǔn)軸線46之間距離顯示的。地震數(shù)據(jù)痕跡48是以階梯函數(shù)的格式顯示，因?yàn)榇蟛糠值卣饠?shù)據(jù)是以數(shù)字形式獲得的。在特定地層內(nèi)可得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目明顯地主要依賴于地層的厚度和數(shù)據(jù)的采樣區(qū)間。
圖4還示出重構(gòu)的痕跡50，該痕跡圖示出推導(dǎo)出的多項(xiàng)式系數(shù)乘以它們各個(gè)正交多項(xiàng)式函數(shù)的和。這一重構(gòu)痕跡50表示推導(dǎo)的正交多項(xiàng)式序列如何逼近層位20和層位24之間的地震數(shù)據(jù)痕跡48。雖然增加所使用的多項(xiàng)式系數(shù)的數(shù)目將降低地震數(shù)據(jù)痕跡48與重構(gòu)痕跡50之間的差，但是一般在逼近過程中只使用5到10個(gè)之間的系數(shù)。對(duì)系數(shù)數(shù)目的限制簡(jiǎn)化了后繼的處理并消除了可能減弱與真實(shí)的地下狀態(tài)相關(guān)的高階系數(shù)。一旦對(duì)具體的數(shù)據(jù)集已經(jīng)選擇了適當(dāng)數(shù)目的系數(shù)，重要的是對(duì)數(shù)據(jù)集中其它痕跡推導(dǎo)相同數(shù)目的系數(shù)，以便允許系數(shù)值可被適當(dāng)比較。
又圖4示出構(gòu)成重構(gòu)痕跡50的局部極大和極小極值52。極值的數(shù)目、極值的符號(hào)(正或負(fù)、極大或極小)、極值的大小、和極值沿極值軸線46的位置也可直接從推導(dǎo)出的多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算。這些屬性的每一個(gè)在刻劃層位20和層位24之間的地下狀態(tài)中是有用的。
極值52表示出現(xiàn)在特定地層內(nèi)的內(nèi)部反射層，并且所透露的方法在自動(dòng)檢測(cè)地層內(nèi)的反射層時(shí)特別有用。
通過觀察推導(dǎo)出的系數(shù)系數(shù)和/或極值的數(shù)目、符號(hào)、量值和/或位置的變化，能夠間接地檢測(cè)出出現(xiàn)在地層中的地質(zhì)特性，諸如孔道或破裂，或確定其它重要地下特性的位置，諸如儲(chǔ)油層內(nèi)油/水界面的位置。建立分類規(guī)則以便允許基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的方法，使用推導(dǎo)出的地質(zhì)特征自動(dòng)識(shí)別并分離地震數(shù)據(jù)集中地質(zhì)特性及其它有用的地下項(xiàng)目。
使用推導(dǎo)出的多項(xiàng)式系數(shù)還能夠計(jì)算出其它的地震特性(或?qū)傩?。例如，能夠計(jì)算出地震數(shù)據(jù)痕跡48與重構(gòu)痕跡50之間的差的大小。這一量值能夠提供第三類可用來刻劃地震數(shù)據(jù)的屬性。
還能夠推導(dǎo)出能夠用來比較并刻劃來自測(cè)量信號(hào)的頻譜的綜合頻譜。重要的是，綜合頻譜是在與測(cè)量的頻譜(標(biāo)定為觀測(cè)數(shù)據(jù))相同的頻譜域中提供的。這種綜合頻譜可從數(shù)個(gè)關(guān)于地球假定或從由實(shí)際鉆井等表征的區(qū)域的實(shí)際測(cè)量值推導(dǎo)出。
一旦在公共頻譜域中表示出綜合頻譜和測(cè)量頻譜，則即可進(jìn)行比較以確定“最佳匹配”。最佳匹配還可按推導(dǎo)正交多項(xiàng)式系數(shù)所使用的類似的方式，從最小二乘擬合推導(dǎo)出。一旦確定了綜合最佳匹配，然后就能夠擾動(dòng)最佳匹配以產(chǎn)生綜合頻譜進(jìn)一步范圍。然后進(jìn)而比較觀測(cè)數(shù)據(jù)與擾動(dòng)綜合頻譜。能夠通過地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分類系統(tǒng)進(jìn)行綜合頻譜與觀測(cè)頻譜之間的比較。這種系統(tǒng)工作的參數(shù)由用戶定義。對(duì)給定的觀測(cè)數(shù)據(jù)集的最佳匹配指定一概率值以指出正確分類的似然率。如果觀測(cè)數(shù)據(jù)集具有屬于兩個(gè)或多個(gè)類別相等的概率，則指定它們?yōu)榭梢深悇e。沒能被指定為一類別(因?yàn)樗鼈儗?duì)所有可得的類別匹配不良)的觀測(cè)被指定為例外類別。
本發(fā)明同樣適用于單一層位的分析。地震源將產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間有限的一脈沖或信號(hào)。這樣將在包括要研究的層位的固定的時(shí)間窗口中分析返回的地震信號(hào)。
本發(fā)明包含這里所透露任何新穎的特性或特性的組合，不論是明顯的或蘊(yùn)含的。
權(quán)利要求
1.處理由特定的地下特征反射的地震數(shù)據(jù)信號(hào)的方法，該方法包括通過根據(jù)一系列正交多項(xiàng)式分解反射信號(hào)并推導(dǎo)表征地下特性反射率的一系列多項(xiàng)式系數(shù)，分析地震數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其中地下特征包括由兩個(gè)層位定義的地層，且一系列多項(xiàng)式系數(shù)表示聲響頻譜分析。
3.權(quán)利要求1中所述的方法，其中地下特征包括一個(gè)層位。
4.以上任一權(quán)利要求所述的方法，其中正交多項(xiàng)式集包括切比雪夫(Chebyshev)多項(xiàng)式集。
5.以上任一權(quán)利要求所述的方法，還包括在所表征的地下特征與地下特征多個(gè)預(yù)定的表征之間進(jìn)行比較，其中確定所表征的特征與預(yù)定特征之間最接近的匹配。
6.權(quán)利要求5中所述的方法，其中使用最小二乘擬合確定具有對(duì)所表征的特性最接近匹配的預(yù)定的表征。
7.權(quán)利要求5或6中所述的方法，其中擾動(dòng)具有最接近匹配的預(yù)定的表征以提供至少一個(gè)進(jìn)一步的預(yù)定表征供與所表征的特征比較。
8.參照附圖基本按以上所述處理地震數(shù)據(jù)信號(hào)的方法。
9.權(quán)利要求1中所述的方法，還包括使用推導(dǎo)出的多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算地震數(shù)據(jù)信號(hào)附加的屬性。
10.權(quán)利要求9中所述的方法，其中附加的屬性包括通過對(duì)推導(dǎo)出的多項(xiàng)式系數(shù)乘以它們各自的正交多項(xiàng)式函數(shù)求和而產(chǎn)生重構(gòu)痕跡的極值的數(shù)目、符號(hào)、量值或位置。
11.權(quán)利要求9中所述的方法，還包括通過觀測(cè)推導(dǎo)的多項(xiàng)式特征或附加屬性中的變化間接測(cè)量地質(zhì)或地下特征。
12.權(quán)利要求9中所述的方法，其中附加的屬性表示地層中內(nèi)部反射物。
全文摘要
透露了一種用于以比以往更高精確度表征地球地下地層的方法。例如根據(jù)已知的技術(shù)遷移并疊加地震數(shù)據(jù)樣本,并然后進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析施加到地下特征,并例如由一對(duì)層位界定的特定的地層將受到聲響反射頻譜分析。使用正交基通過以一組正交多項(xiàng)式集借助于系數(shù)定義反射信號(hào)而進(jìn)行分析。從多項(xiàng)式系數(shù)可直接計(jì)算附加的地震特征或?qū)傩?。這些系數(shù)以高精確度表示地居的特性,并可與頻譜推導(dǎo)的先驗(yàn)進(jìn)行比較(例如綜合頻譜或先前表征的頻譜),進(jìn)而有助于測(cè)量地震數(shù)據(jù)的分析。
文檔編號(hào)G01V1/28GK1251173SQ98803457
公開日2000年4月19日 申請(qǐng)日期1998年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月20日
發(fā)明者拉斯·森尼蘭德, 博－歐拉·坦恩伯, 托馬斯·格爾曼, 奧文德·爾克, 克納特·斯丁·伯格, 古納·伯杰 申請(qǐng)人:施魯博格控股有限公司