第51卷第4期 地球物理学报 Vo1.51,No.4 2008年7月 CHINESE J0URNAL 0F GE0PHYSICS July,2008 赵伟,葛艳.利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质Q值.地球物理学报,2008,51(4):1202 ̄1208 Zhao W,Ge Y.Estimation of Q from VSP data with zero offset in wavelet domain.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2008, 51(4):1202~1208 利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质Q值 赵 伟 ,葛 艳 1中国石油大学(北京),北京102249 2中国海洋石油研究中心技术研究部,北京100027 3西安交通大学电子与信息工程学院波动与信息研究所,西安710049 摘要讨论了地震子波为一般零相位子波情况下,利用零偏移距垂直地震剖面(VsP)资料在时一频域计算Q值 方法.以Morlet小波为基本小波,基于单程波传播理论,在地震子波为一般的零相位子波情况下,推导出了在时~ 频域计算Q值的公式.通过对横坐标作恰当的非线性变换后,该公式在形式上与地震子波为脉冲时的计算公式类 似.文中采用VSP正演记录,验证了本文提出的方法的正确性.文中还讨论了在时一频域恰当地选择有效频带,降低 反射波对Q值计算结果影响的方法. 关键词介质Q值,垂直地震剖面,小波变换 文章编号0001—5733(2008}04-1202—07 中图分类号P631 收稿日期2007-05-11,2008-03-10收修定稿 Estimation of Q from VSP data with zero offset in wavelet domain ZHA0 Wei ¨。GE Yan。 1 Faculty of Natural Resources and Information Techonology,University of Petroleum,Beijing 102249,China 2 Technology Research Dept、,CNOOC Research Center,Beijing 100027,China 3 Wave and Information Institute,School of Electronic and Information Engineering,Xi'an Jiaotong University,xi an 710049,China Abstract This paper is devoted to the estimation of Q-factor in dispersive medium from zero offset VSP data in the wavelet domain.Suppose that the source signature can be approximated by a wavelet with zero—phase,we obtain a formula with which one can calculate the Q-factor from VSP data in the wavelet domain.By taking a proper coordinate frame transform,our formula has a similar form with the counterpart for the source signature to be pulse.By using the method on synthetic VSP data,we estimate the Q which are nearly the same as model parameters.In addition our method can decrease the effect from near reflector. Keywords Q-factor,VSP,Wavelet transform 的衰减比低频成分快,使得反射信号的主频降低,有 1 引 言 效频带变窄,因而降低了地震资料的分辨率.若能估 计出介质的Q值,利用反Q滤波,可使反射资料的 影响地震资料分辨率的一个重要因素就是地层 振幅衰减得到补偿,从而提高地震资料的分辨率. 的吸收衰减效应Ⅲ,这种效应可以用地层品质因子 介质的Q值,不仅可用于提高地震资料分辨 (Q值)来定量描述,地震波在地下传播时,高频成分 率,而且可用于直接找油气,特别是用于直接找气, 基金项目 国家863计划项目(2OO6AAO9A1O2)资助. 作者简介赵伟,男,1963年生,高级工程师,主要从事海洋石油地球物理勘探理论与方法研究.E—mail:zhaowei@cnooc.tom.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 赵 伟等:利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质Q值 这方面已有很多成功的实例 J. 利用反射地震资料求取品质因子最常用的方法 是谱比值法 ],由于这种方法依赖于诸多因素,如 时窗类型和长度、线性回归时所选择的频率范围等, 导致谱比值法不稳定.尽管人们对谱比值法提出了 多种改进方法,但这种方法仍然只适用于大套地层 (Ig层)的品质因子估计,即空间分辨率较低,难以满 足储层分析中的要求 ]. 2002年,Zhang等 把地震数据处理中计算 层速度的思想引入到Q值估算中,提出了由叠前 CMP道集估算Q值的方法,它的主要思想是,假定 地震子波可以用Ricker子波来近似,利用峰值频率 的变化来估算地层的Q值.但这种方法同谱比值法 类似,仍存在加窗的问题. 小波变换具有良好的局部化性质_g],已在地震 资料处理中得到广泛应用 “].早在1983年, Taner就提出了地震子波为脉冲时,在时一频域估算 Q值的思想口 ,但他并未研究实际算法.李宏兵 等_6 研究了地震子波为脉冲时在小波域估算Q值 的方法.然而,由于他们假定地震子波为脉冲,而实 际地震子波一般并非如此,这使得该方法用于实际 资料误差较大.本文针对垂直地震剖面(VSP)观测 资料,研究地震子波为一般的零相位子波情况下,在 时一频域计算介质Q值的方法. 2 方法原理 2.1 连续小波变换的定义 能量有限实信号_厂(£)相对于解析小波g(£)的 连续小波变换_g 定义为 )一 √l n 1 ’ 一 )g(、 ) “ (1) 其中t为时间,g(£)称为母小波,其上面的横线“一” 表示取复数共轭,参数n,b分别称为尺度因子和平 移因子,wig;门(6,n)称为小波变换系数.母小波 g(£)的傅氏变换记为C( ),要求母小波是绝对可积 及平方可积的,并且满足如下容许性条件: Jf I ∞ ll ll dU <T\ 一-。。.・ (\ /2) 实际应用中可根据具体要求选取恰当的母小 波,本文采用Morlet小波作为母小波,其定义如下: g(£)一exp(iot—t。/2), (3) 这里 为调制频率,a>5.33. 2.2地震子波为脉冲 当地震子波为脉冲时,对于如图1所示的模型, 假设A、B界面分别为所研究目的层的顶、底界面, A界面处地震子波记为S。(£),经时间T后传至B 界面,此处地震子波记为S (£),把它们分别变换到 L A r) 71/s 1 r B Sl(r) 图l原理示意图 Fig.1 A sketch diagram of the principle of the method 小波域,依次得到 [g;S。](6,n)和wig;S ](6,n), 在每个尺度分别求它们的模相对于b的最大值,记 为1 wig ](n)l 和1 wig;ST](n)l ,可得到 如下关系式_4]: l“ ln wig ST;](n)l …一 一旦2Qa = Tw一2Q’, (4) 由此进行线性回归便可以估算出Q值. 2.3地震子波为一般的零相位子波 一般的零相位地震子波在频域可表示为 加] F0( )一e一‘一1)Z/r, (5) 这里 表示地震子波的视频率,r为能量衰减率.同 上文,假设A、B界面分别为所研究目的层的顶、底 界面,A界面处地震子波记为S。(£),经时间T后传 至B界面,此处地震子波记为S (£),对S0(£)和S (£)分 别进行小波变换,结果依次记为 [g;S。](b,n)和 [g;S ](b,n),在每个尺度下对变量b分别求得 它们的振幅谱的峰值,记为1 wig ](n)l…和 1wig;ST](n)l…,可以证明,在震源子波为(5)式 的情况下,时一频域(或时间一尺度域)Q值计算公式 为(推导见附录) n = , ㈤ (6)式中 aft上 17一_ , (7) 2 f +n。1 以17为自变量进行线性回归便可以估算出Q值.对 比(6)与(4)式,两者形式相似,差别在于当地震子波 为非脉冲时,不能直接使用频率,而代之以参数2叩. 维普资讯 http://www.cqvip.com
地球物理学报(Chinese J.Geophys.) 我们用(4)式来估算Q值.图2a是两层介质VSP合 3模型算例 当地震子波为脉冲,利用式(4),可以通过线性 回归的方法对地层衰减因子Q进行估算,且无论是 成记录中第二层两道数据的时域波形,这里震源采 用一般零相位子波,主频取为30Hz,该合成记录中 第二层Q值为100,检波器间距为20 m,图2b是利 用第72道及第77道数据通过式(4)估算出的Q 对于单层还是多层介质中VSP记录,都可以得到比 较准确的Q值估算结果.然而实际地震资料中地震 值,计算出的Q值为125.8307,与模型中给定的Q 值的相对误差为0.2583;图2c是利用第72道数据及 第77道数据通过式(6)估算Q值的结果,计算出的Q 子波一般不是脉冲,所以这种方法的假设条件与实 际不符.下面通过例子加以说明. 值为108.6223,与模型中给定的Q值的相对误差为 假设实际地震资料中地震子波为零相位子波, 0.0862. 72 ,\ ; iV :: :: 捌 77 八 ; V ; O 2o0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Yms 图2两种方法估计的Q值 (a)正演VSP记录中两道数据的时域波形;(b)利用正文中(4)式估算Q值;(c)利用本文 提出的方法(即正文中的(6)式)估算Q值,t为地震子波的走时. Fig.2 Q-factor estimation with two methods (a)TWO traces(72 and 77)of synthetic VSP data;(b)Q—factor estimation using pulse to approximate source wavelet;(c) factor estimation with our method,t is the travel time of seismic wavelet. 该算例结果表明,当地震子波为非脉冲时,采 Q值,可以得到几乎相同的结果(误差平均值小于 用(4)式计算出的Q值误差较大,这时利用本文给 10 量级),即我们提出的方法估算单层VSP记录 出的公式估算的Q值与实际符合较好. 中的Q值,与模型中给定的Q值很好地吻合. 下面讨论采用本文提出公式(6)计算Q值时尺 下面讨论多层模型情况.本文仅以双层模型为 度因子的选择方法.这里假设震源子波的频域形式为 例来讨论.图4a是一双层模型中合成VSP记录中 Fn( )=e-(一 …30) ̄/10000, (8) 第一层中两道数据的时域波形,该记录中第一层的 利用Ganlay等提出的方法¨l ]制作合成VSP记录. Q值为30,地层厚度为1200 m,检波器间距为20 首先讨论单层模型算例,图3a是一单层VSP m,图4b、图4c依次是第38道和43道数据的小波 记录中两道数据的时域波形,该记录的Q值为60, 变换的模,图4d是利用(6)式在全频带进行线性 检波器间距为20 m,图3b及图3c依次是第80和 拟合,求得的Q值为6.6698,与模型中给定的Q值 第85道数据的小波变换的模,图3d是利用式(6)计 的相对误差为0.7777,误差较大.我们对此进行分 算Q值的结果,求得的Q值为55.2616,与模型中 析:对于双层模型来说,第一层中的地震记录包括了 给定的Q值的相对误差为0.0790. 下行波以及界面反射上来的上行波,利用(6)式计算 对于单层VSP记录,任意选取两道数据来估算 Q值时,需要首先将地震记录变换到时一频域,在时一 维普资讯 http://www.cqvip.com
赵伟等:利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质Q值(a)IVv802004006008001000mst/120014001600180020007060(b)706050(C)5040NN工电40302010030士啦蠡《霞霍爿蚓阳∞∞警枢槲吞20100窨篷5001000mt/s15002000500100015002000f啊t/ms图(a)正3单层模型算例;演VSP记录中两道数据的时域波形;(b)第80道数据的频率振幅包络剖面道数据的频率振幅包络剖面;(d)线性回归图..(c)第85Fig)Two3Exampletaofonelayermodelenctraces(80and85)ofsyntheticVSPdatr:(b)The85;timefrequreydisiontroibutioncof.trace8(c)Tbetimefrequencydisibutionoftrace(d)LineargressfQfator(a)Il八V几V:10200400600800100012001400160018002000t/ms706050N(b)(c】403020100工套鼎簧窖丑划警磐婚雷。h鐾5001000t/ms150020005001000mt/s15002000fI九图演VSP记录中两道数据的时域波形;(b)第775双层模型算例(第二层)道数据的频率振幅包络剖面;(c)第82道数据的频率振幅包络剖面;(d)线性回归巨维普资讯 http://www.cqvip.com
51卷^小38V‘划43’f、、『.2004006008001000m∥s12001400160018002000(b)(c)螽霹露丑粤鹫璺垩讲嚣苫篷图(a)正4双层模型算例(第一层)演VSP记录中两道数据的时域波形;(b)第38道数据的频率振幅包络剖匪;(c)第43道数据的;(频率振幅包络剖面d)线性回归图(全频带拟合).;(e)线性回m归图(高频带拟合)Fig(a4Eta;(txampleoftwolayerodeltr)Ttrwotracens(38and43)43;of,syntheticVSPdareb)Thewtime{reqyuencydise;ibutionearoitrace38;i(c)Thefrdisibutiooftrace(d)Iineargressioninheholefrequencrang(e)Linregressioninthehigh频域中低频段仙及图4c).,上行波与下行波的能量混叠(见图,5d是利用式(6)进行线性回归估算第二层Q值求,,但随着频率的升高混叠现象逐渐减弱,得的Q值为误差为0.96..8976,与模型中给定的Q值的相对,以至消失基于上述分析我们提出了相应的解决,0310在不存在反射波的情况下在该层,,方案:在利用(6)式计算Q值时的频带来拟合在后面10,,在高频端选择合适.中任意选择两道且可去较宽的频带均可以得到比较准确的估算结果(误差平均可达410。可提高估算的可靠性图4e所示为量级).个频率分量所组成的高频频带拟合Q值一的结果求得第层的Q值为0.27.6742,与模型中所结论一给Q值的相对误差为图5a0775.是上述两层模型合成VSP记录中第二层,本文在假定地震子波为下,般零相位子波情况中两道数据的时域波形该记录中第二层的Q值为i00,从单程波传播理论出发,推导出了介质Q值与、地层厚度为800m,检波器间距为20m,图5b,、小波域尺度因子(或频道的中心频率)对应尺度下图5c依次是第77和82道数据的小波变换的模图小波变换模极大值等物理参量之间的关系,在此基维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 赵伟等:利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质Q值 _ l—e ,L = l_l . 础上提出了利用VSP资料估算Q值的方法,并用 合成VSP资料验证了本文提出方法的有效性. + 7 I WEg;力( )I 一 a丁 ∞ 一 e ×e—z( r z)eT附录:地震子波为一般的零相位子波情况 下Q值计算 设震源子波的频域表达式为 A0(∞)一e-(一 1’ , (A1) F  ̄ j, (A7) 对于每个尺度因子a,为了求得1 wee;_厂](n)l…, 式(A7)对平移因子6求偏导得 这里r是常数,当在地层中传播一段时间t 后,它 曼I [ 鱼!垒 寿 的频域表达式为 (∞)一Ao(∞)e…r e /zQ, (A2) 也就是说 (∞)一e(一 1) /re・ r e一 r/zQ, (A3) Morlet小波的频域表达式为 G(∞)一e 一 , (A4) _厂(£)相对于Morlet小波的小波变换为 (6'n)= 二 (∞) ( 一身 e一( + 。+ z…) : ( e一[(÷+n 一 牟一 ]d∞×』 )E— 1 寺I ] ×e(一1 +z) , (A5) 利用』二e~ .贝Jl式(A5)可写 )一 。一( 商e z( ̄+J)eZ[ ∞ 一 4丌(÷+n ) _2( [等],’ 令 :o :o l l:o或6:£*. 因为a≠0,所以可以得到b—t 时, IWEg;_厂](6,n)l达到最大值,对于每个尺度因子a 1wE ](n I 一 √ ( e ’。 , (^A86 ) 凼为t 代表 半面坡从地面开始传到所研究层面 所用的时间,对于待分析的地层,假设波传到该层 上下界面所用的时间分别是t 和t 4-£ ,对应于 每个尺度a两界面处l WEg;_厂](n)l 的比值为 { WE黯 g ; f ](n)l一=e L寿[(\r。 + 一 一4Q 4 tl"Q/) ( + 一 ) ] : 1{丢[z( +一宅) ]). (A9) 由于Q一般为几到几百,t 和t x"一般为几毫秒到 几十毫秒,故每2和 笋两项的值很小,可以忽略不 计.所以有 l WE过 g;f ](a)l 一 一声[ ( + ,’ fA1 0) 对式(A10)两边分别取对数,可以得到 维普资讯 http://www.cqvip.com
1208 地球物理学报(Chinese JGeophys.) .51卷 ln 下面分两种情况来讨论 rw ●L一g—g [ (1)1,J一^一 1,J 当r很大时,以至于l/r ̄0时 / 一/ )n—n 一) ln 一 ’ (A12) 此时,利用线性回归即可求得品质因子Q的值.糕 (2) 当r为一般值时(即1/3的值不能忽略)训 ln 一 2(÷ )Q一“m 令式(A13)中 + r :呀, (A14) 2({ ) 即作非线性变换可得到 ln lWEg;f1丽](n)I : ,(A15) 此时,利用线性回归同样可以求得品质因子Q的 值.式(A15)即为正文中式(6). 参考文献(References) [1] 李庆忠.走向精确勘探的道路.北京:石油工业出版社,1993 Li Q Z.Leading for Precisie Exploration(in Chinese). Beijing:Petroleum Industry Press,1993 [2] 黄绪德.油气预测与油气藏描述一地震勘探直接找油气.南 京:江苏科学技术出版社,2003 Huang X n Oil—gas Prediction and Reservoir Description— Search Gas Directly with Seismic Exploration(in Chinese). Nanjing:Phoenix Science Press,2003 [3] 王大兴,辛可锋,李幼铭等.地层条件下砂岩含水饱和度对 波速及衰减影响的实验研究.地球物理学报,2006,49(3): 908~914 Wang D X,Xin K F,Li Y M,et a1.An experimental study of influence of water saturation on velocity and attenuation in sandstone understratum conditions.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2006,49(3):908~914 [4] Hauge P S.Measurements of attenuation from vertical seismic profiles.Geophysics,1981,46(11):1548~1558 [5] Stainsby S D,Worthington M H.Q estimation from vertical seismic profile data and anomalous variations in the North … Sea.Geophysics,1985,50(4):615~626 李宏兵,赵文智,曹宏等.小波尺度域含气储层地震波衰减 特征.地球物理学报,2004,47(5):892 ̄898 Li H B,Zhao W Z,Cao H,et a1.Characte rjstics of seismic attenuation of gas reservoirs in wavelet domain.Chinese J. Geophys.(in Chinese),2004,47(5):892~898 Zhang C,Ulrych T J.Estimaiton of quality factors-an analytical approach.CSEG Geophysics,2002 [8] Zhang C,Ulrych T J.Estimation of quality factors from CMP records.Geophysics,2002,67(5):1542~1547 [9] Mallat S.A Wavelet Tour of Signal Processing.San Diego: Academic Press。1999 ElO3 高静怀,汪文秉,朱光明等.地震资料处理中小波函数的选取 研究.地球物理学报,1996,39(3):389~397 Gao J H,Wang W B,Zhu G M,et a1.On the choice of wavelet functions for seismic data processing.Chinese J. Geophys.(in Chinese),1996,39(3):389 ̄397 [11] 高静怀,汪文秉,朱光明等.小波变换与信号瞬时特征分析. 地球物理学报,1997,40(6):821~832 Gao J H,Wang W B,Zhu G M,et a1.Wavelet transform and instantaneous attributes analysis.Chinese J.Geophys. (in Chinese),1997,40(6):821~832 [123 Taner M T.Joint Time/Frequency Analysis,Q Quality factor and Dispersion computation using Gabor-Morlet wavelet or Gabor-Morlet transform.Rock Solid Images, 1983,1~5 E133 Ganlay D C.A method for calculating synthetic seismograms which include the effects of absorption and dispertion. Geophysics,1981,46:1IO0t1107 (本文编辑汪海英)
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