一种三分量VSP波场分离方法

摘要

本发明利用三分量VSP记录上不同波场具有不同偏振方向和不同传播方向的特点，采用两步法实现不同波场的高保真分离。首先通过基于射线追踪的偏振滤波实现部分分离，把复杂波场记录分离为简单波场记录；然后利用简单波场记录中不同波场传播方向相反的特点，通过方向滤波实现波场的完全分离。用本发明进行三分量VSP波场分离具有高保真的优点，适合于各种高精度VSP处理。

说明书

技术领域

本发明利用不同波场的偏振方向和传播方向之差，通过射线追踪、偏振滤波和方向滤波的结合，实现三分量波场记录中不同波场的高保真分离，属于地震数字信号处理领域。

背景技术

现有三分量VSP波场分离方法，如中值滤波、速度滤波、F-K滤波等方法都属于多道滤波方法，存在混波、低频化、波形畸变等缺陷；对分离后的波场成像和信息提取存在不利影响。

发明内容

针对现有三分量VSP波场分离方法的不足，本发明通过基于射线追踪的偏振滤波和方向滤波相结合，实现三分量VSP记录中不同波场的高保真分离。

两步法三分量VSP波场分离的基本原理和步骤：

基本原理是从不同波场的偏振方向和传播方向之差异着手，通过基于射线追踪的偏振滤波和方向滤波的结合，实现不同波场的高保真分离。

基本过程分为两步(图1)，首先通过基于射线追踪的偏振滤波，把复杂波场(包含下行纵波、下行横波和上行纵波、上行横波)分解为简单波场(只包含下行纵波和上行横波，或只包含上行纵波和下行横波)；然后根据简单波场中不同波的传播方向截然相反的特点，进行方向滤波，最终达到波场分离的目的。

(1)基于射线追踪的偏振滤波原理和实现方法

如图2所示，在有偏VSP条件下，下行波射线以角度θ入射检波器，纵波波场矢量Up对检波器垂直分量和径向分量的贡献分别是：

Upz＝Up·Cosθ，(1)

Upx＝Up·Sinθ；(2)

横波(SV波)波场矢量Us对检波器垂直分量和径向分量的贡献分别是：

Usz＝Us·Sinθ，(3)

Usx＝Us·Cosθ。(4)

只要入射角θ不为零，检波器垂直分量和水平分量记录到的波场就不是纯纵波或纯横波。如果我们将检波器的坐标旋XOZ转到X₁OZ₁，即令旋转后的检波器坐标之Z轴与入射线平行(我们称X₁OZ₁为下行波射线坐标)，则Z分量只含纵波，而X分量只含横波，即纵横波是分离的。在野外采集中，这一点是绝对做不到的，不仅是设备工艺问题，更主要的是因为随着检波器下井深度的不同，入射角θ在不停地变化。但在室内处理中，我们可以通过坐标旋转变换实现。如图3所示，旋转后，Z₁、X₁方向上的波场分别为：

Uz1＝Upz·Cosθ+Upx·Sinθ-Usz·Cosθ+Usx·Sinθ， (5)

Ux1＝-Upz·Sinθ+Upx·Cosθ+Usz·Sinθ+Usx·Cosθ，(6)

将(1)、(2)、(3)、(4)式带入(5)、(6)式，则得：

Uz1＝Up·Cosθ·Cosθ+Up·Sinθ·Sinθ-Us ·Sinθ·Cosθ+Us·Cosθ·Sinθ

   ＝Up；                                          (7)

Ux1＝-Up·Cosθ·Sinθ+Up·Sinθ·Cosθ+Us·Sinθ·Sinθ+Us·Cosθ·Cosθ

   ＝Us                                     (8)

(7)、(8)式说明，接收坐标旋转后，Z分量只含纵波，X分量只含横波。

同理，如果按着上行波对检波器的入射角θ将检波器坐标旋转到上行波射线坐标的位置，则Z分量中只含有上行纵波，不含上行横波，X分量中只含上行横波，不含上行纵波。

从以上分析可知，只要我们知道了我们所需要的波(下行波或上行波)对检波器的入射角，我们就能将相应的纵波、横波分开。剩下的问题就是如何确定入射角θ的问题。确定入射角，我们自然想到了射线追踪，由于VSP可以得到良好的速度模型，似乎问题不难解决。但是，这里我们一定要注意到，射线追踪是在高频近似的条件下才成立的，所谓高频近似，实际上就是要求层厚远远大于波长，即厚层层状模型。在计算走时时对这个条件的要求并不是很苛刻，但在计算射线方向时必须严格遵守层厚远远大于波长的条件，因为实际物理过程中，地震波能量在薄层状介质中传播，不可能频繁改变方向，即在薄层状介质中不能用射线追踪计算波的传播方向。实际上，对于我们偏振滤波而言，平均速度和直射线理论就是很好的近似。

虽然上行波和下行波都采用公式(5)、(6)进行偏振滤波，但因获取入射角θ的方法不同，而有不同的实现方法。

下行波的传播路径比较简单，无论是纵波、转换波还是多次波，都可看作从激发点出发，直接射向井中检波器，故采用直线近似；并且对同一个检波器道而言，即使时间不同，θ也不变。通过偏振滤波获取下行波场的实现方法比较简单，包括以下三步：

(a)采用以下公式计算下行波的在某一深度处的入射角

θ＝atan(x/h)，

式中θ既是下行波对检波器的入射角，也是坐标旋转角，x为激发点到井口的距离，h为检波器下井深度。

(b)将θ代入(5)、(6)两式，对相应深度处检波器道的所有时间采样点进行坐标旋转。

(c)循环(a)(b)，对所有深度处检波器道进行处理，即完成下行波的提取。

上行波的提取比较麻烦。上行波属于反射波，在VSP的观测条件下，其入射、反射路径是不对称的，因此同一个接收点(即同一道记录)不同时间处的波场不但来自不同的深度，也来自不同的偏移距；这就意味着即使同一道记录，不同时间处上行波对检波器的入射角是不同的。不同归不同，但这种变化是连续的，因此我们没有必要为每一个时间采样计算上行波入射角。我们的方法是，在目的层以上，按着一定的深度间隔计算上行波的旅行时和对检波器的入射角，然后通过内插确定各采样点处上行波对检波器的入射角。最后利用(5)、(6)式进行坐标旋转，把实际记录数据变换到虚拟的上行波射线坐标。上行波提取的具体步骤是：

a)对同一口井的零偏VSP资料，进行初至拾取，计算层速度，并建立井周速度模型。

b)对每一个记录道，计算该道以下所有检波器深度处之反射界面的上行波对本深度处检波器的入射角，以及到本检波器的旅行时。入射角及旅行时的计算可以采用厚层层状模型，也可以采用平均速度模型(即：下行波采用地面到反射界面的平均速度，上行波采用检波器到反射界面的平均速度)。采用厚层层状模型时，利用现有的射线追踪方法计算入射角和旅行时；采用平均速度模型时，利用直射线方法计算入射角和旅行时。

c)利用上述计算得到的一系列时间-角度对，在时间方向做线性内插，得到本记录道中所有有效时间采样处的上行波入射角。目的层以下(无观测点、无速度模型)所有采样点的上行波入射角取目的层上行波的入射角。

d)将上一步得到的各采样点的上行波入射角，带入公式(5)、(6)，计算该道所有时间采样点处旋转后的波场值，旋转后的检波器坐标之Z轴与出射线平行(X₁OZ₁为上行波射线坐标)，Z分量只含纵波，而X分量只含横波，即纵横波是分离的；

e)重复b)到d)得到所有记录道的旋转结果，即将接收点坐标旋转到上行波射线坐标的结果，其上，上行波得到最大加强，并实现了上行纵波与上行横波的分离。

(2)方向滤波的原理和实现方法

上述讨论中，我们忽略了一个基本事实，即每一个分量的记录中，既包含上行波场，也包含下行波场。因此，当我们将检波器坐标旋转至下行波射线坐标时，虽然实现了下行纵波和下行横波的分离，但依然有少量的上行波混于其中。通常，下行纵波中，混有上行横波(SV波)；下行横波中混有上行纵波。同理，当我们将检波器坐标旋转至上行波射线坐标时，虽然实现了上行纵波和上行横波的分离，但还有下行波混于其中：上行纵波中混有下行横波(SV波)，上行横波中混有下行纵波。因此，偏振滤波后，必须紧接着做方向滤波，才能实现所有不同波场的完全分离。

其实，象中值滤波、速度滤波、F-K滤波等方法一样，方向滤波也属于多道滤波，只是在特定的滤波对象条件下(有效波与干扰波传播方向相反)，采用较少的道数或/和采用更倾向于输出道位置的加权因子，即可实现良好的波场分离。就拿我们常用的F-K滤波而言，如果我们要分离图3a所示的两个视速度相近的波W1和W2，由于二者在F-K域不能完全分开，切除其一，必伤其二，即导致混波、低频化等振幅失真现象；但如果我们要分离图3b所示的两个方向相反的波W3和W4，由于两者在F-K域分布在两个不同的象限，处于完全分离的状态，故切除其一，对其二没有任何影响。也就是说，对传播方向相反的波而言，F-K滤波器可以成为很好的方向滤波器。基于F-K变换的方向滤波实现步骤如下：

(a)对经过偏振滤波的某一上行波或下行波记录做F-K变换；

(b)如果要提取上行波，则将F-K域K值大于0的部分全部切除；如果要提取下行波，则将F-K域K值小于0的部分全部切除；

(c)做逆F-K变换，得到方向滤波结果。

本发明用于三分量VSP波场分离，能明显提高波场分离的保真度，克服了现有方法的混波、低频化和波形畸变现象。可作为高精度VSP数据处理的有效工具之一。

附图说明：

附图1两步法三分量VSP波场分离方法过程示意图。

附图2基于射线追踪的偏振滤波(下行波)原理示意图。

附图3基于F-K变换的方向滤波原理示意图。

附图4本发明应用实例。

实施例

附图1两步法三分量VSP波场分离方法过程示意图。图中Dp、Ds、Up和Us分别表示下行纵波、下行横波、上行纵波和上行横波。

经过偏振滤波步骤后，波场中保留下行纵波Dp和上行横波Us或保留下行横波Ds和上行纵波Us中的一组；

在经过两步法中的方向滤波后，可以完全将上行横波Us或下行纵波Dp分离；同样也完全将下行横波Ds或上行纵波Up从波场中剥离。

附图2基于射线追踪的偏振滤波(下行波)原理示意图。图中S表示震源，W表示井口，R表示三分量检波器，θ表示波对检波器的入射角，P表示纵波，SV表示在铅垂面内偏振的横波(三分量VSP记录中最常见、最关键的一种横波)；坐标系XOZ为三分量检波器的X、Z轴平面坐标系，坐标系X₁OZ₁为纵波和SV横波偏振面以及射线方向所决定的坐标系，又称射线坐标。

附图3基于F-K变换的方向滤波原理示意图。其中3-a为两个传播方向相同，视速度相近的波(左)，通过变换后在F-K域不能完全分离(右)；其中3-b为两个传播方向相反，视速度值相近的波(左)，通过变换后在F-K域能完全分离(右)。图中t-x坐标为时空域坐标，f-k坐标为F-K域坐标；W1、W2、W3、W4分别代表具有不同传播方向和不同视速度的地震波。

附图4本发明应用实例。左：包含下行纵波、下行横波、上行纵波、上行横波的原始波场；中：用本发明中“基于射线追踪的偏振滤波”提取的上行纵波，下行纵波和上行横波得到明显压制；右：在中图的基础上，利用本发明中的“基于F-K变换的方向滤波”提取的上行纵波，下行横波全部去除。

根据上述技术流程，发明人在Windows操作系统下利用visual C++和MFC平台开发了相应软件，并对塔河油田实际三分量VSP资料进行了波场分离处理。如附图4所示，本发明效果明显。