СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ОТРАЖЕННЫХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН
METHOD OF DYNAMIC CORRECTION OF REFLECTED WAVES WITH USE OF REFRACTED WAVES

ВОЛН ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общем, настоящее изобретение относится к способам обработки сейсмической записи и может быть использовано в процессе коррекции динамических характеристик отраженных волн за неоднородность условий возбуждения и регистрации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При обработке сейсмических материалов важно скомпенсировать влияние неоднородности условий возбуждения и регистрации, искажающее сейсмический импульс, при этом сохранив действие глубинных факторов. Известна работа [3], в которой для достижения единственности решения задачи разделения глубинных и поверхностных факторов поля преломленных волн используют соотношения, полученные в работе [2]. Задействованные соотношения между преломленными волнами требуют, чтобы в одной и той же точке сейсмического профиля поверхностные условия оказывали одинаковое воздействие как на возбуждение сигнала, так и на его регистрацию. На практике в наземной сейсморазведке это условие не выполняется в связи с тем, что значительное воздействие на возбуждение сигнала оказывают условия заложения заряда во взрывной скважине, а качество регистрации сигнала во многом зависит от характера сцепления регистрирующего устройства с землей.
Известен способ пересчета головных волн [1, 5, 6], в котором также используют соотношения, полученные в работе [2], для выделения из сейсмической записи преломленных волн и построения сейсмических разрезов по преломленным волнам (в этих работах преломленные волны называют головными, предполагая, что эти волны скользят вдоль границы преломления). Реализуемый в этом способе пересчет преломленных волн не позволяет разделить волновое поле на глубинные и поверхностные факторы, а лишь пересчитывает волновое поле преломленных волн из одной точки наблюдения в другую. Поэтому возможное применение этого способа при обработке отраженных волн неэффективно.
Однако науке неизвестен способ, в котором поверхностные и глубинные факторы определяют по преломленным волнам, а применяют их при обработке отраженных волн.
Характеристика прототипа
Прототипом предложенного изобретения выступает способ, описанный в патенте США 5173879 «Surface-consistent minimum-phase deconvolution». К совпадающим существенным признакам относится необходимость представления сейсмической записи в виде математической модели, которая в трехфакторном виде оказывается единой как для прототипа, так и для настоящего изобретения.
В качестве отличительных признаков выступает тип используемых в модели волн. В прототипе рассматривают модель отраженных волн, пренебрегая зависимостью амплитуды отражения в зависимости от угла падения волны. В настоящем способе используют трехфакторную модель преломленных волн и вычисление параметров модели выполняют по выделенным из сейсмической записи преломленным волнам.
В прототипе рассматривают следующую математическую модель, предполагая, что геометрическое расхождение для отраженных волн введено корректно:
S
R
R
S
S
S
R
R
S
R
Где f(ω, x, x) - логарифм амплитудного спектра сейсмической трассы, зарегистрированной в пункте приема (ПП) x и связанной с пунктом возбуждения (ПВ) x; a(ω, x) - фактор условий возбуждения, содержащий логарифм амплитудного спектра сигнала источника в окрестности ПВ x и характеристику условий возбуждения; b(ω, x) - фактор условий регистрации, включающий логарифм АЧХ приемника и характеристику условий регистрации в окрестности ПП x;  - логарифм амплитудного спектра импульсной характеристики среды, относящейся к общей глубинной точке (ОГТ)  (структурный фактор); p(ω, x-x) - логарифм амплитудного спектра удаления источник-приемник (фактор удаления); ω - частота. Каждую сейсмическую трассу представляют в виде модели (1) и составляют систему линейных уравнений, которую решают методом Гаусса-Зейделя или методом наименьших квадратов. Решив систему уравнений, используют поверхностные факторы для расчета обратного фильтра, который сворачивают с соответствующей сейсмической трассой.
Критика прототипа
У составленной системы уравнений ранг матрицы оказывается меньше количества неизвестных и для регулярной системы наблюдений с шагом ПВ равным шагу ПП при достаточном количестве ПВ и ПП дефект матрицы равен девяти [7], что обуславливает вырожденность такой матрицы. Как известно, вырожденные матрицы обладают нуль многообразием, и системы уравнений с вырожденными матрицами имеют множество решений.
При исследовании рассматриваемой матрицы было установлено, что вектора нуль многообразия, описываются полиномиальными функциями [9]. Исследовав форму векторов нуль-многообразия, было предложено дополнить систему уравнений посредством введения ограничений на искомые параметры [4, 8]. Таким образом если, например, вектора нуль-многообразия описывается только линейной составляющей, то из решения устраняют линейную компоненту решения, даже если в действительности на местности имеет место быть линейный тренд поверхностных факторов.
Иногда рассматривают трехфакторную модель среды, принимая при этом структурный фактор модели за постоянное значение. В этом случае дефект матрицы уменьшается. В описании прототипа изобретения указано, что даже в случае четырехфакторной модели реализуемый этом прототипе способ предполагает независимость амплитуды отражения сигнала от угла падения луча на отражающую границу. При этом науке известно о сложном характере отражения сигнала в зависимости от угла падения волны на отражающую границу [8]. На основании вышесказанного следует, что с помощью четырехфакторной модели и, тем более, с помощью трехфакторной модели невозможно корректно описать изменение динамических характеристик отраженных волн. На практике это приводит к неправильному разделению поля отраженных волн на глубинные и поверхностные факторы, что в результате отрицательно сказывается на этапе динамической интерпретации.
Так как известная четырехфакторная модель (1) описывает изменение динамических характеристик именно отраженных волн, то при переходе этой модели в трехфакторную (в предположении о постоянстве структурного фактора), модель по-прежнему используется применительно к отраженным волнам, поэтому в расчетах оперируют динамическими характеристиками отраженных волн, что подтверждает новизну предлагаемого способа.
Сложность поправки за геометрическое расхождение отраженных волн, которая рассчитывается эмпирически и требует знаний о глубинном строении (в простейшем случае знаний о средних скоростях), также относится к недостаткам существующего способа. Некорректный учет геометрического расхождения ведет к большему несоответствию математической модели и наблюденных данных.
В предлагаемом способе рассматривается трехфакторная модель преломленных волн. Так как преломленные и отраженные волны возбуждаются и регистрируются единым для каждой сейсмической трассы источником и приемником, то рассчитанные по преломленным волнам поверхностные факторы оказывают схожее влияние и на отраженные волны. Отсутствие структурного фактора у преломленных волн и простота учета геометрического расхождения, которое в простейшем случае может быть рассчитано без дополнительных знаний о глубинном строении, обуславливают хорошее соответствие математической модели наблюденным данным, что является безусловным преимуществом настоящего изобретения.
Задача настоящего изобретения состоит в создании способа, позволяющего в процессе обработки отраженных волн корректно рассчитать и скомпенсировать влияние неоднородности условий возбуждения и регистрации.
Техническим результатом настоящего изобретения является корректный расчет и компенсация влияния неоднородности условий возбуждения и регистрации на динамические характеристики отраженных волн. Технический результат достигается тем, что влияние неоднородности условий возбуждения и регистрации рассчитывают по преломленным волнам с использованием трехфакторной математической модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложен способ коррекции динамических характеристик отраженных волн за неоднородность условий возбуждения и регистрации.
По сейсмической записи выделяют преломленные волны и вводят поправку за геометрическое расхождение для преломленных волн. Определяют диапазон удалений источник-приемник в котором наилучшим образом проявлены преломленные волны. Выделенные преломленные волны переводят в частотную область посредством прямого преобразования Фурье. Составляют систему уравнений, матрица которой соответствует расположению пунктов возбуждения и пунктов приема на местности, а также удалению источник-приемник. Правая часть системы уравнений представлена в виде амплитудных спектров выделенных преломленных волн. Для каждой частоты отдельно решают систему уравнений. С помощью найденных параметров модели рассчитывают необходимый обратный фильтр, который сворачивают с соответствующей сейсмической трассой, используемой для дальнейшего получения сейсмического разреза по отраженным волнам. В итоге влияние поверхностных факторов приводят к единому уровню.
При необходимости корректируют амплитуду сейсмической записи. Для этого решают систему уравнений, у которой правая часть состоит из среднеквадратических значений амплитуд выделенных преломленных волн. Затем каждую сейсмическую трассу корректируют таким образом, чтобы привести влияние поверхностных факторов к единому уровню.
К существенным признакам настоящего изобретения относится то, что разделение факторов на поверхностные и глубинные производят по преломленным волнам с введенной поправкой за геометрическое расхождение для преломленных волн, но используют рассчитанные факторы при обработке отраженных волн.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающими изображениями демонстрируется пример получения результата высокого качества при использовании настоящего изобретения, а также поясняется сущность изобретения. Представленные иллюстрации относятся к одному сейсмическому профилю, который включает 594 пункта возбуждения.
Фиг. 1 - схема распространения преломленной волны и отраженной.
Фиг. 2 - пример сейсмической записи с введенной поправкой за геометрическое расхождение для отраженных волн в сортировке общего пункта возбуждения (ОПВ).
Фиг. 3 - пример сейсмической записи с введенной поправкой за геометрическое расхождение для отраженных волн в сортировке общего пункта приема (ОПП).
Фиг. 4 - пример сейсмической записи с введенной поправкой за геометрическое расхождение для отраженных волн в сортировке общей глубинной точки (ОГТ).
Фиг. 5 - пример выделенных преломленных волн с введенной поправкой за геометрическое расхождение для преломленных волн.
Фиг. 6 - план сейсмических наблюдений.
Фиг. 7А-7С - результат разложения поля преломленных волн с введенной поправкой за геометрическое расхождение для преломленных волн на фактор условий возбуждения, фактор условий регистрации и фактор удаления соответственно (представлены в логарифмическом масштабе).
Фиг. 8 - результат компенсации влияния неоднородности условий возбуждения и регистрации сейсмической записи, изображенной на фиг. 2.
Фиг. 9 - результат компенсации влияния неоднородности условий возбуждения и регистрации сейсмической записи, изображенной на фиг. 3.
Фиг. 10 - результат компенсации влияния неоднородности условий возбуждения и регистрации сейсмической записи, изображенной на фиг. 4
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описание осуществления изобретения приводится на примере наземной сейсморазведки 2D, однако предлагаемый способ может быть применен к данным морской, донной и другим видам сейсморазведки с многократным перекрытием как 2D съемок так и 3D и др.
S
R
1
2
Основная идея настоящего изобретения заключается в том, что неоднородность условий возбуждения и регистрации одинаково сказывается как на преломленных, так и на отраженных волнах. На фиг. 1 схематически пунктирными линиями показаны траектории распространения преломленной и отраженной волны в двухслойной модели среды, при чем преломленная волна распространяется по пути 1-2-3-4, а отраженная по пути 1-5-6-7-4. x и x означают положение пункта возбуждения и пункта приема соответственно, V и V скорость в слое выше границе преломления и ниже ее соответственно. Траектория распространения преломленной волны в верхнем слое (отрезки 1-2 и 3-4 на фиг. 1) близка к траектории распространения отраженной волны в этом же слое (отрезки 1-5 и 7-4 на фиг. 1). Это свойство широко применяется при расчете статических поправок по преломленным волнам. В настоящем изобретении это же свойство используется для динамической коррекции отраженных волн, в результате чего компенсируется эффект, оказываемый на динамические характеристики волны выше границы преломления.
На первом этапе для сейсмической записи, полученной по методу отраженных волн общей глубинной точки (MOB ОГТ), определяют диапазон удалений источник-приемник, на котором наилучшим образом проявлены преломленные волны и производят их выделение. Для выделенных преломленных волн вводят поправку за геометрическое расхождение для преломленных волн. Выделение преломленных волн может быть осуществлено посредством пикировки преломленной волны с последующим заданием временного окна анализа. Поправка за геометрическое расхождение может быть рассчитана по следующей формуле:
S
R
0
1
Где k(X, X) - поправка за геометрическое расхождение, которая умножается на амплитуды выделенных преломленных волн, t - «время пробега» при продолжении годографа преломленной волны в точку с нулевым удалением, V - средняя скорость до границы преломления. Информация о скорости и времени пробега может быть получена на этапе расчета априорной статики. В простейшем случае, при малой глубине залегания преломляющей границы, первое слагаемое в формуле (2) может быть опущено.
Пример сейсмической записи с введенной поправкой за геометрическое расхождение для отраженных волн в сортировке общего пункта возбуждения (ОПВ), общего пункта приема (ОПП), общей глубинной точки (ОГТ) представлены соответственно на фиг. 2-4, на которых видно, что динамические характеристики всех типов волн меняются в зависимости от положения источников и приемников, то есть являются поверхностно-согласованными.
Пример выделенных преломленных волн с введенной поправкой за геометрическое расхождение для преломленных волн в сортировке ОПП представлен на фиг. 5. Диапазон удалений выбран от -3100 до -2400 м. и от 2400 до 3100 м. Для лучшего восприятия, на фиг. 6 преломленные волны приведены к нулевому времени с помощью кинематической поправки. При осуществлении настоящего изобретения, ввод кинематической поправки не обязателен.
С помощью прямого преобразования Фурье вычисляют амплитудные спектры выделенных преломленных волн. Используют существующую в сейсморазведке математическую модель распространения преломленных волн [2]:
S
R
R
S
S
S
S
R
S
R
R
R
Где F(ω, x, x) - комплексный спектр выделенных преломленных волн, зарегистрированных в ПП x при положении источника в ПВ x; A(ω, x) - комплексная спектральная характеристика источника в окрестности ПВ x (фактор условий возбуждения); W(ω, x, x) - комплексная спектральная характеристика среды вблизи границы преломления на интервале от x до x (фактор удаления), ассоциируемая с неупругим поглощением; B(ω, x) комплексная спектральная характеристика приемника в окрестности ПП x (фактор условий регистрации); ω - частота.
С помощью формулы (4) переходят к амплитудным спектрам:
Науке известен экспоненциальный характер неупругого поглощения энергии сейсмической волны:
Где λ - коэффициент поглощения.
С учетом выражения (5) мультипликативную модель амплитудных спектров (4) удобно переписать в виде суммы логарифмов, изменив при этом буквенные обозначения с заглавных на строчные:
Переход к логарифмической записи позволяет рассматривать линеаризованную модель.
Как правило, при оценке амплитудных спектров сейсмических волн выбирают достаточно широкие временные окна. В настоящем изобретении целесообразно применять оконное преобразование Фурье и/или сглаживать амплитудные спектры, так как зачастую наименее зашумленные преломленные волны на сейсмической записи, полученной по методу отраженных волн общей глубинной точки (MOB ОГТ), регистрируются в узком интервале времен.
Составляют систему уравнений. Матрица данной системы соответствует расположению пунктов возбуждения и пунктов приема, а также расстоянию источник-приемник.
В случае, когда запись сортирована по «ПВ - УДАЛЕНИЕ», шаг ПВ равен шагу ПП и диапазон удалений подобран таким образом, что каждому источнику соответствует три приемника, то для фланговой расстановки матрица записывается в следующем виде:
1
2
3
S
R
Где |1|, |1|, |1| - абсолютное значение удаления источник-приемник, которым для краткости записи было заменено выражение |x-x|.
В составленной матрице (7) в первых трех строках меняется положение приемника при неизменном положении источника. Затем меняется положение источника и процесс повторяется. Согласно представленной матрице (7) фактор удаления в логарифмическом масштабе характеризуется поглощением с линейной зависимостью от расстояния и постоянным коэффициентом поглощения в пределах одной ОГТ.
S
R
Стоит отметить, что в поставленной задаче важную роль играет план сейсмических наблюдений. Представленные на фиг. 2-фиг. 5 и фиг. 7-фиг. 10 материалы получены согласно плану наблюдений, изображенного на фиг. 6, где ось x означает положение пунктов возбуждения, a x положение пунктов приема. Матрица, составленная для такого плана сейсмических наблюдений, при достаточном количестве пунктов возбуждения и пунктов регистрации обладает дефектом равным одному.
Составленную систему уравнений решают методом Гаусса-Зейделя либо методом наименьших квадратов:
Где х - вектор неизвестных факторов в логарифмическом масштабе, А - составленная матрица, z - вектор, представленный логарифмом значений амплитудных спектров выделенных преломленных волн на определенной частоте. Решение находится для каждой частоты спектра.
Для повышения устойчивости решения системы уравнений следует использовать регуляризацию:
Здесь ρ - параметр регуляризации, I - единичная матрица.
Пример решения такой системы уравнений представлен на фиг. 7А-7С. При обработке отраженных волн, наиболее важными являются поверхностные факторы (фиг. 7А-7В), так как они используются для расчета обратного фильтра. Фактор удаления (фиг. 7С) характеризует поглощающие свойства среды.
Найденные факторы найдены в логарифмическом масштабе, поэтому находят их истинные значения с помощью возведения экспоненты в соответствующую степень. Так как в зависимости от способа решения системы уравнений, постоянная составляющая, характеризующая спектр сигнала источника, может входить либо в фактор условий возбуждения, либо в фактор условий регистрации, то предпочтительным вариантом осуществления изобретения является осреднение по всему сейсмическому профилю фактора условий возбуждения и фактора условий регистрации и для каждой сейсмической трассы определение отклонений этих факторов от осредненных значений. Найденные отклонения перемножают, результат возводят в квадрат и выполняют обратное преобразование Фурье. Так находят автокорреляционную функцию фильтра и подают ее на вход алгоритма Левинсона. В результате получают обратный фильтр, который сворачивают с соответствующей сейсмической трассой, используемой для дальнейшего получения сейсмического разреза по отраженным волнам.
В зависимости от способа нахождения обратного фильтра, коррекцию амплитуд за неоднородность условий возбуждения и регистрации выполняют отдельно от коррекции амплитудных спектров. В этом случае множитель z в формулах (8, 9) представляет собой логарифм среднеквадратических значений амплитуд выделенных преломленных волн. Решив систему уравнений (8) или (9), находят истинные значения найденных факторов с помощью возведения экспоненты в соответствующую степень. Определяют осредненное для всего сейсмического профиля значение фактора условий возбуждения и фактора условий регистрации. Амплитуду каждой сейсмической трассы корректируют пропорционально величине отклонение фактора условий возбуждения и фактора условий регистрации от осредненных значений. В итоге влияние поверхностных факторов приводят к единому уровню.
На фиг. 8-фиг. 10 представлен результат обработки сейсмической записи, изображенной на фиг. 2-фиг. 4, описанным в настоящем изобретении способом. Высокое качество компенсации влияния неоднородности условий возбуждения и регистрации достигнуты преимущественно за счет хорошего соответствия математической модели наблюденным данным, а также за счет простоты учета геометрического расхождения для преломленных волн.
В приведенном описании под словосочетанием «поверхностные факторы» понимается совокупность факторов за условия возбуждения и за условия регистрации, а под выражением «глубинные факторы» в случае трехфакторной модели подразумевается фактор удаления, в случае четырехфакторной модели подразумевается совокупность факторов удаления и структурного фактора. Это описание сделано с целью иллюстрирования и не должно истолковываться в смысле ограничения. Объем этого изобретения должен определяться исключительно формулировкой патентной формулы, которая следует ниже.
Источники информации:
1. Еманов, А.Ф. Динамический пересчет головных волн при обработке данных сейсморазведки / А.Ф.Еманов, В.С. Селезнев, Н.А. Коршик // Геология и геофизика. - 2008. - №10. - С. 1031-1045.
2. Крылов, С.В. Свойства головных волн и новые возможности автоматизации их обработки / С.В.Крылов, В.Н. Сергеев // Геология и геофизика. - 1985. - №4. - С. 92-102.
3. Митрофанов, Г.М. Исследование линеаризованной модели для головной волны в связи с задачей обработки данных КМПВ / Г.М. Митрофанов, В.Н. Сергеев // Геология и геофизика. - 1986. - №8. - С. 98-108.
4. Митрофанов, Г.М. Псевдоаприорная информация в задаче коррекции частотно-зависимой статики / Г.М. Митрофанов // Математические проблемы интерпретации данных сейсморазведки. - Новосибирск: Наука, 1988. - С. 149-168.
5. Полянский, П.О. Применение алгоритма динамического пересчета головных волн к обработке данных ОГТ (северо-западный участок опорного профиля 3-ДВ) / П.О. Полянский, А.С. Сальников, А.Ф. Еманов // Материалы Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.Н. Пузырева. - Новосибирск, 2014. - С. 238-243.
6. Селезнев, B.C. Пересчет волновых полей головных волн фильтрами Винера / В.С. Селезнев, А.Ф. Еманов // Геология и геофизика. - 1998. - №4. - С. 536-546.
7. Cambois, G. Surface-consistent deconvolution in the log / Fourier domain / G. Cambois, P.L. Stoffa // Geophysics. -1992. - vol. 57 (6). - pp. 823-840.
8. Hilterman, F.J. Amplitudes of Seismic waves - a quick look / F.J. Hilterman // Geophysics. - 1975. - v. 40, no 5. - pp. 745-762.
9. Wiggins, R.A. Residual analysis as a general linear inverse problem / R.A. Wiggins, K.L. Larner, R.D. Wisecup // Geophysics. - 1976. - vol. 41 (5). - pp. 922-938.