用於分離向上和向下傳播的壓力和垂直速度場的方法
2023-06-09 00:40:26
專利名稱：用於分離向上和向下傳播的壓力和垂直速度場的方法
技術領域：
本發明大體涉及地球物理勘探的領域。更具體地說，本發明涉及對雙傳感器海洋地震拖纜數據進行成像的領域。
背景技術：
在石油和天然氣工業中，地球物理勘探一般用於協助搜索並且評估地表下 (subsurface)地球地層。地球物理勘探技術帶來地球地表下結構的知識，這對於找尋並且提取有價值的礦物資源(尤其是例如石油和天然氣之類的碳氫化合物沉積物來說)是有用的。地球物理勘探的一種公知技術是地震勘測。在基於陸地的地震勘測中，地震信號產生在地球表面上或其附近，並且然後下行進進入地球地表下。在海洋地震勘測中，地震信號也可以下行通過覆蓋地球地表下的水體。地震能量源用於生成地震信號，地震信號在傳播進入地球之後至少部分地被地表下地震反射器所反射。這些地震反射器典型地是具有不同彈性特性(具體說來是聲波速度和巖石密度，它們在界面處導致聲阻抗的差異)的各種地下地層之間的界面。反射的地震能量在地球表面處或其附近、在覆蓋水體中、或者在礦孔中的已知深度處由地震傳感器(也稱為地震接收機)檢測。地震傳感器根據檢測到的地震能量產生信號，典型地是電信號或光信號，其被記錄以用於進一步處理。在執行地震勘測中所獲得的表示地球地表下的結果所得地震數據被處理，以產生與所勘測的區域中的地表下地球地層的特性以及地質構造相關的信息。處理後的地震數據被處理，以用於顯示並且分析這些地表下地層的潛在碳氫化合物含量。地震數據處理的目的是從地震數據提取關於地下地層的儘可能多的信息，以便足以對地表下地質進行成像。 為了標識存在找到石油聚集的可能性的地球地表下中的位置，大量金錢耗費在收集、處理並且解釋地震數據上。從所記錄的地震數據構建對感興趣的地下地球層進行限定的反射器表面的過程提供了深度或時間上的地球圖像。地球地表下的結構的圖像得以產生，以便使得解釋器能夠選擇石油聚集的可能性最大的位置。為了驗證石油的存在性，必須鑽井。鑽井來確定石油沉積物是否存在是極度昂貴且耗時的任務。為此，存在改進地震數據的處理和顯示的持續需要，從而產生無論是由計算機還是由人來進行解釋都將改進解釋器之能力的地球地表下的結構的圖像，以評估石油聚集存在於地球地表下中特定位置處的可能性。用於在陸地地震勘測中生成地震信號的適當地震源可以包括爆炸物或振動器 (vibrator)。海洋地震勘測典型地採用艦船所拖拽並且被周期性激勵以生成聲學波場的潛水地震源。生成波場的地震源可以是若干類型的，包括小型爆炸物裝料、電火花或電弧、海洋振動器、並且典型地是槍。地震源槍可以是水槍、蒸汽槍、並且最典型地是氣槍。典型地， 海洋地震源不是由單一源元件組成，而是由空間上分布的源元件陣列組成。這種布置對於氣槍(當前最常見的海洋地震源形式)尤其如此。
適當類型的地震傳感器典型地包括微粒速度傳感器(尤其是在陸地勘測中)以及水壓力傳感器(尤其是在海洋勘測中)。有時，微粒位移傳感器、微粒加速傳感器或壓力梯度傳感器用來代替微粒速度傳感器，或者除了微粒速度傳感器之外還使用微粒位移傳感器、 微粒加速傳感器或壓力梯度傳感器。微粒速度傳感器和水壓力傳感器在本領域中通常分別稱為地震檢波器(geophone)和水中地震檢波器(hydrophone)。地震傳感器可以由自身來部署，但更通常的是按傳感器陣列來部署。此外，壓力傳感器和微粒運動傳感器可以在海洋勘測中部署在一起，按配對或陣列配對而並置排列(collocate)。在典型的海洋地震勘測中，地震勘測船典型地以大約5哩/小時在水表面上行進， 並且包含地震採集設備，例如導航控制器，地震源控制器、地震傳感器控制器、以及記錄設備。地震源控制設備使得地震船在水體中拖拽的地震源在所選擇的時間處激勵。地震拖纜 (也稱為地震纜線)是由拖拽地震源的地震勘測船或另一地震勘測艦船在水體中拖拽的伸長的纜線狀結構。典型地，多個地震拖纜被拖拽於地震船後面。地震拖纜包含傳感器，以用於檢測地震源所發起並且從反射界面反射的反射波場。傳統上，地震拖纜包含諸如水中地震檢波器的壓力傳感器，但除了水中地震檢波器之外，還已經提出了包含水微粒速度傳感器(例如地震檢波器)或微粒加速傳感器(例如加速計)的地震拖纜。壓力傳感器和微粒運動傳感器部署得緊密靠近，沿著地震纜線按配對或陣列配對而並置排列。使地震檢波器和水中地震檢波器共同定位的替換是具有足夠空間密度的傳感器，以便由地震檢波器和水中地震檢波器記錄的各個波場可以被內插或外推以在相同位置處產生兩個波場信號。在反射波到達拖纜纜線之後，波繼續傳播到水表面處的水/空氣界面，波從此處向下反射，並且再次由拖纜纜線中的水中地震檢波器檢測。水表面是一種良好的反射器，並且水表面處的反射係數在量級上近乎為1 (unity)且對於壓力信號符號為負。在表面處反射的波因而將相對於向上傳播的波相移180度。接收機所記錄的向下傳播波一般被稱為表面反射或「幻影」信號。因為表面反射的緣故，水表面猶如過濾器，其在所記錄的信號中產生譜凹陷，使得難以記錄所選帶寬之外的數據。因為表面反射的影響，所記錄的信號中的某些頻率得以放大，而某些頻率被衰減。諸如地震檢波器之類的微粒運動傳感器具有方向敏感性，而諸如水中地震檢波器之類的壓力傳感器不具有。因此，由緊密定位在一起的地震檢波器和水中地震檢波器檢測的向上行進的波場信號將是同相的，而向下行進的波場信號將被記錄為異相180度。已提出了使用該相差來降低由表面反射所引起的譜凹陷的各種技術。用於消幻影的傳統技術通常包括組合壓力和垂直微粒速度波場以將壓力或垂直微粒速度波場之一分離成向上行進的和向下行進的波場分量。典型地通過組合壓力波場和垂直微粒速度波場的測量來獲得向上行進的和向下行進的壓力波場。例如，通過從經過縮放的垂直速度場減去壓力波場來給出向上行進的壓力波場。該縮放包括傳感器處的密度和局部水速除以所測量的事件的入射角的餘弦。除以入射角的餘弦將向上行進的垂直速度波場轉換成全方向波場，其在乘以局部水阻抗之後在絕對值上等於所測量的壓力波場。符號是-1，因為垂直速度波場的向上傳播與垂直速度傳感器的傳統取向反向。最常規地，在頻率-波數域中應用所需要的與入射角相關的縮放，其中表示一個平面波的波場的每個頻率-波數分量被對應的因子縮放。該方法取決於在成直線和成交叉線兩個方向上密集採樣的數據。儘管成直線的採樣在拖拽的拖纜地震數據採集中通常是足夠密集的，但是成交叉線的採樣常常不密集。可以通過根據掃描空間-時間域中的局部相干事件的低頻內容確定所需的角度來將該密集的採樣假定放寬到某一程度。然而，仍期望處理完全角度範圍的全地震帶寬的解決方案。因此，需要一種在不需要尤其成交叉線的方向上的密度空間採樣的情況下，並且在不需要知道入射角的情況下，將壓力或垂直速度場分離成向上行進的波場分量和向下行進的波場分量的方法。
發明內容
本發明是一種用於將在所拖拽的拖纜中測量的壓力和垂直速度場分離成向上行進的波場和向下行進的波場的方法。可編程計算機被用來執行下述內容。獲得所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及兩個所測量的正交水平速度場。根據水聲阻抗、所測量的壓力場和水平速度場來確定縮放因子。將所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一與由縮放因子縮放的所測量的垂直速度場和由縮放因子縮放的所測量的壓力場的其中之一組合，以便生成向上行進的和向下行進的壓力和速度波場的其中之一。
通過參照以下詳細描述和附圖，可以更容易地理解本發明及其優點，其中 圖1是示出速度矢量及其笛卡爾分量的幾何圖2是示出用於確定向上行進的和向下行進的壓力和速度波場的本發明的一個實施例的流程圖3是示出用於確定向上行進的壓力波場的本發明的一個實施例的流程圖； 圖4是示出用於確定向上行進的速度波場的本發明的一個實施例的流程圖； 圖5是示出用於確定向上行進的壓力波場的本發明的另一個實施例的流程圖；以及圖6是示出用於確定向上行進的速度波場的本發明的另一個實施例的流程圖。雖然將結合本發明優選實施例來描述本發明，但應理解，本發明不限於此。反之， 本發明意欲覆蓋可以包括於所附權利要求所限定的本發明的範圍內的所有替換、修改以及等同。
具體實施例方式本發明是一種用於在海洋環境中將壓力和垂直速度場分離成向上行進的和向下行進的波場的方法。在多分量拖拽的拖纜中測量壓力場、垂直速度場、以及兩個正交的水平速度場。根據水聲阻抗、兩個所測量的水平速度場、以及所測量的壓力場來計算用於將在每個多分量位置處的壓力場和垂直速度場分離所需的縮放因子。通過包括兩個所測量的水平速度場，躲避了在波場分離中知道入射角。這導致獨立地在每個多分量傳感器站處在空間時間域中的本地分解並且因此放寬了密集空間採樣假設。可選地可以在保存水平速度場和壓力場之間的比的處理步驟之後應用本發明的波場分離。微粒運動傳感器典型地是微粒速度傳感器，但是其它微粒運動傳感器(包括微粒加速傳感器)可以被用來代替雙傳感器拖纜中的微粒速度傳感器。微粒速度傳感器通常在本領域中稱為地震檢波器，並且微粒加速傳感器通常在本領域中稱為加速計。將利用採用地震檢波器的實施例來描述本發明，但是該傳感器選擇僅是為了簡化說明並且不意圖成為本發明的約束。諸如地震檢波器之類的微粒運動傳感器具有方向敏感性(按照常規，在垂直+ζ方向上具有正偏轉)，而諸如水中地震檢波器之類的壓力傳感器不具有。壓力傳感器是全方向的。在平靜的水表面處的水/空氣界面是地震波的極好反射器，並且因此水表面處的反射係數在幅度上近似為1，並且對於壓力信號符號為負。因此，從水表面反射的向下傳播的波場將相對於向上傳播的波場相移180度。相應地，由緊密定位在一起的地震檢波器和水中地震檢波器檢測的向上行進的波場信號分量將被記錄為異相180度，而向下行進的波場信號分量將被記錄為同相的，與海洋表面狀況無關。在本發明的該說明中不使用的交替符號常規中，向上行進的波場信號分量將被記錄為同相的，而向下行進的波場信號分量將被記錄為異相180度。儘管水中地震檢波器全方向地記錄總波場，但垂直地震檢波器(如通常在地震處理中所利用的)僅單方向地記錄波場的垂直分量。對於發生向下垂直傳播的信號來說，波場的垂直分量將僅等於總波場。如果θ是信號波陣面與傳感器取向之間的入射角，則按照常規垂直向上傳播由入射角θ =0來定義。因此，在傳統技術中，所記錄的垂直地震檢波器的信號Vz、地震事件的入射角θ需要被調整以與所記錄的水中地震檢波器的壓力波場P匹配。該調整典型地通過在空間-時間域中由適當的振幅縮放因子(例如如下因子)來縮放垂直地震檢波器信號Vz來完成
在這裡，因子PC是水的聲阻抗，其中￡>是水的密度，且C是水的聲速。現在，經過縮放的垂直速度場可以適當地與壓力場組合，以給出向上行進的和向下行進的壓力場產和戶。按照常規這如下來完成
權利要求
1.一種用於將在拖拽的拖纜中測量的壓力和垂直速度場分離成向上行進的波場和向下行進的波場的方法，包括；獲得所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及兩個所測量的正交水平速度場；以及使用可編程計算機執行下述各項根據水聲阻抗、所測量的壓力場和所測量的水平速度場來確定縮放因子；以及用縮放因子來縮放所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一；以及將所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一與經過縮放的垂直速度場和經過縮放的壓力場的其中之一進行組合，從而生成向上行進的和向下行進的壓力波場和速度波場的其中之一。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述確定縮放因子以及進行縮放包括 根據所測量的速度分量\，Vy和Vz來計算速度場的幅度I ν ι ；用水聲阻抗PC來縮放速度場的幅度Ivl ；以及用經過縮放的速度場的幅度pc|v|乘以sign (Vz)0
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述組合包括從所測量的壓力場P減去帶符號的速度場的經過縮放的幅度P c sign (VZ)|V|，從而生成減法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述確定縮放因子以及進行縮放包括 利用下述縮放因子來縮放所測量的垂直速度場Vz
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述組合包括從所測量的壓力場P減去經過縮放的垂直速度場，從而生成減法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述組合包括使經過縮放的垂直速度場與所測量的壓力場P相加，從而生成加法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的壓力波場。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述確定縮放因子以及進行縮放包括 利用下述縮放因子來縮放所測量的壓力場P 其中IvzI是所測量的垂直速度場Vz的絕對值，P是水密度且C是局部水速，並且Iv 是速度場
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述組合包括 從所測量的垂直速度場Vz減去經過縮放的壓力場，從而生成減法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的速度波場。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述組合包括使經過縮放的壓力場與所測量的垂直速度場Vz相加，從而生成加法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的速度波場。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述確定縮放因子以及進行縮放包括 利用下述縮放因子來縮放所測量的垂直速度場Vz 其中Z = P C是水聲阻抗，P是水密度，C是局部水速，Vx和Vy是所測量的水平速度場，並且P是所測量的壓力場。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述組合包括從所測量的壓力場P減去經過縮放的垂直速度場，從而生成減法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述組合包括使經過縮放的垂直速度場與所測量的壓力場P相加，從而生成加法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的壓力波場。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述確定縮放因子以及進行縮放包括 利用下述縮放因子來縮放所測量的壓力場P Z其中Z = P C是水聲阻抗，P是水密度，C是局部水速，Vx和Vy是所測量的水平速度場，並且P是所測量的壓力場。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述組合包括從所測量的垂直速度場Vz減去經過縮放的壓力場，從而生成減法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的速度波場。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述組合包括使經過縮放的壓力場與所測量的垂直速度場Vz相加，從而生成加法結果；以及用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的速度波場。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述組合包括 應用下述等式其中λ是空間和時間變量的可逆縮放函數，Pu是向上行進的壓力波場，P是所測量的壓力場，1= Pc是水聲阻抗，P是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所測量的水平速度場，並且Vz是所測量的垂直速度場；以及從乘積λ P移除縮放函數λ。
17.根據權利要求1所述的方法，其中所述組合包括應用下述等式
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述濾波器包括正常時差疊加。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述濾波器包括偏移。
20.根據權利要求1所述的方法，其中所述組合包括 應用下述等式
21.根據權利要求1所述的方法，其中所測量的壓力和速度場包括使用Hibert變換來根據所測量的真實地震道計算復地震道。
22.根據權利要求1所述的方法，其中所述獲得和確定包括獲得所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及所測量的交叉線水平速度場；以及根據水聲阻抗、所測量的壓力場以及所測量的交叉線水平速度場來確定縮放因子。
23.一種用於將在拖拽的拖纜中測量的壓力和垂直速度場分離成向上行進的波場和向下行進的波場的設備，包括用於從計算機可讀存儲裝置檢索所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及兩個所測量的正交水平速度場的裝置；用於根據水聲阻抗、所測量的壓力場、以及所測量的水平速度場來確定縮放因子的裝置；以及用於用所述縮放因子來縮放所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一的裝置；以及用於將所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一與經過縮放的垂直速度場和經過縮放的壓力場的其中之一進行組合，從而生成向上行進的和向下行進的壓力波場和速度波場的其中之一的裝置。
24.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於確定縮放因子以及進行縮放的裝置包括用於根據所測量的速度分量Vx，Vy和Vz來計算速度場的幅度|V|的裝置； 用於用水聲阻抗P c來縮放速度場的幅度|V|的裝置；以及用於用經過縮放的速度場的幅度Pc|V|乘以sign (Vz)的裝置。
25.根據權利要求M所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於從所測量的壓力場P減去帶符號的速度場的經過縮放的幅度Pc sign (Vz) |V| ； 從而生成減法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場的裝置。
26.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於確定縮放因子以及進行縮放的裝置包括用於利用下述縮放因子來縮放所測量的垂直速度場Vz的裝置F WIT，其中P是水密度且C是局部水速，|V|是速度場V = (vx，vy，vz)的幅度，並且IvzI是所測量的垂直速度場Vz的絕對值。
27.根據權利要求沈所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於從所測量的壓力場P減去經過縮放的垂直速度場，從而生成減法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場的裝置。
28.根據權利要求沈所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括 用於使經過縮放的垂直速度場與所測量的壓力場P相加，從而生成加法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的壓力波場的裝置。
29.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於確定縮放因子以及進行縮放的裝置包括用於利用下述縮放因子來縮放所測量的壓力場P的裝置且，pc |v|，其中IvzI是所測量的垂直速度場Vz的絕對值，P是水密度且C是局部水速，並且|v| 是速度場ν = (vx, vy, vz)的幅度。
30.根據權利要求四所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於從所測量的垂直速度場Vz減去經過縮放的壓力場，從而生成減法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的速度波場的裝置。
31.根據權利要求四所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於使經過縮放的壓力場與所測量的垂直速度場Vz相加，從而生成加法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的速度波場的裝置。
32.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於確定縮放因子以及進行縮放的裝置包括用於利用下述縮放因子來縮放所測量的垂直速度場Vz的裝置
33.根據權利要求32所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於從所測量的壓力場P減去經過縮放的垂直速度場，從而生成減法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的壓力波場的裝置。
34.根據權利要求32所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於使經過縮放的垂直速度場與所測量的壓力場P相加，從而生成加法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的壓力波場的裝置。
35.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於確定縮放因子以及進行縮放的裝置包括用於利用下述縮放因子來縮放所測量的壓力場P的裝置
36.根據權利要求35所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於從所測量的垂直速度場\減去經過縮放的壓力場，從而生成減法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述減法結果，從而生成向上行進的速度波場的裝置。
37.根據權利要求35所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於使經過縮放的壓力場與所測量的垂直速度場Vz相加，從而生成加法結果的裝置；以及用於用歸一化因子1/2乘以所述加法結果，從而生成向下行進的速度波場的裝置。
38.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於應用下述等式的裝置
39.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括用於應用下述等式的裝置
40.根據權利要求39所述的設備，其中所述濾波器包括正常時差疊加。
41.根據權利要求39所述的設備，其中所述濾波器包括偏移。
42.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於組合的裝置包括 用於應用下述等式的裝置
43.根據權利要求23所述的設備，其中所測量的壓力和速度場包括使用Hibert變換來根據所測量的實際地震道計算復地震道。
44.根據權利要求23所述的設備，其中所述用於獲得和確定的裝置包括 用於獲得所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及所測量的交叉線水平速度場的裝置；以及用於根據水聲阻抗、所測量的壓力場以及所測量的交叉線水平速度場來確定縮放因子的裝置。
全文摘要
本發明涉及一種用於分離向上和向下傳播的壓力和垂直速度場的方法。包括獲得所測量的壓力場、所測量的垂直速度場、以及兩個所測量的正交水平速度場。使用可編程計算機執行下述各項。根據水聲阻抗、所測量的壓力場和水平速度場來確定縮放因子。將所測量的壓力場和所測量的垂直速度場的其中之一與經過縮放因子縮放的所測量的垂直速度場和經過縮放因子縮放的所測量的壓力場的其中之一進行組合，從而生成向上行進的和向下行進的壓力波場和速度波場的其中之一。
文檔編號G01V1/28GK102207553SQ20111007829
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者赫娜 S., 澤爾納 W. 申請人:Pgs 地球物理公司