第7卷第2期 2010年4月 工程 球物理季赧 CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICS Vo1.7,No.2 Apr.,2010 文章编号:1672—794O(2O1O)O2一O190—07 doi:10.3969/j.issn.1672—7940.2010.02.012 基于小波域从叠前地震数据提取 地层品质因子Q 袁恩辉,顾汉明 (中国地质大学地球物理与空问信息学院,武汉430074) 摘 要:结合小波理论,利用地震波在黏弹性介质中的吸收衰减传播规律,在小波域以修正的复Morlet小波 为基本小波,实现了从叠前炮集和共中心点道集地震数据,提取等效地层品质因子,然后通过剥层法估算层品 质因子。文中采用地面地震正演记录和实际海上地震资料试算,验证了本文提出的方法的正确性.结果表 明,方法正确可行,可靠有效,最后提出改善效果的措施和实际应用中应注意的问题。 关键词:品质因子;共中心点道集;小波变换;均方根品质因子;层品质因子 中图分类号:P631 文献标识码:A 收稿日期:2olo一04一o6 Estimation of Quality Factor Q from Pre--stack Seismic Data in Wavelet Domain Yuan Enhui, Gu Hanming (The Institute of Geophysics&Geomatics.China University of Geosciences,Wuhan 430074,China) Abstract:This paper uses an energy attenuation formula of seismic waves in the wavelet scale domain from the wavelet theory and seismic wave propagation equation in an elastic medium.And subsequently a formula is obtained through which can calculate the factor in the wavelet domain.Using the amended complex Morlet wavelet as analyzing wavelets,a new method for estimating Q—factors from CMP gathers and shot gathers in the wavelet domain is adopted to estimates the Q—factors with Iayer—stripping approach.By synthetic seismic record and real sea seismic data,‘we estimate the Q which are nearly the same as model parameter and proved the method we adopted is correct.Desired results have been a— chieved.The final recommendations on improvement measures and the practical application of results shoUld be attention. Key words:quality factors;CMP gathers; wavelet transformation;mean。——square ——root quality factors;interval quality factors 波在其中传播时,介质中质点振动的能量因质点 1 引 言 间摩擦等作用,有一部分转化为热能。波前扩散、 地层吸收和散射使得地震波能量随着传播距离的 实际地层介质是粘弹性非均质性介质,地震 增加而迅速衰减,特别是地层对地震波的高频成 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号:2009CB219403)资助。 作者简介:袁恩辉(1975一),男,工程师。硕士研究生,主要从事油气地球物理方法研究和油气储层预测。E--mail:yuaneh@163.com 顾汉明(1963一)・男,教授,博士生导师,主要从事地球物理勘探及资料处理解释的教学与研究。 第2期 袁恩辉等:基于小波域从叠前地震数据提取地层品质因子Q 191 分的吸收,越到深处,对高频成分的吸收越厉害, 振幅按指数规律衰减,使地震波的深部分辨率降 2.2小波尺度域能量衰减方程 对粘弹性介质中地震波传播方程进行连续小 波变换,小波采用(9)式的修正Morlet小波,就可 以得到小波尺度域中的能量衰减密度方程,有关 低,地震子波的振幅谱和相位谱产生畸变。研究、 估算和补偿地下介质对地震波的吸收是叠前地震 资料处理的关键,它对提高地震成像精度、合理地 解释AvO效应和正确地反演介质物理属性等都 是极其重要的。它能明显地提高地震资料的分辨 推导过程可以参阅文献1-63,这里直接给出公式: E(cc,,z):2a√_c一 U( ,0) P , --(oa—m) /r (5) 率,特别是中深部资料的分辨率,而要做好补偿, 式中 (2>0)为地震波传播距离,【,( ,O)为 一0 关键在于准确地估算地层品质因子。 关于估算品质因子(Q值)的方法,以前的学 者都做了大量的研究,主要有频谱比法,质心频移 法等,但大都借助于傅里叶变换,具有傅里叶变换 固有的缺陷限制。由于小波变换具有良好的局部 化性质,具有傅里叶变换所不具有的优势,很快 就被引入地震资料的处理中,在前人研究的基础 上,本文提出在小波域采用类似“频谱比”的方法, 由叠前炮集和CMP道集估算Q值。需要注意的 是,这里的“频率”与尺度有关,不是直接傅里叶变 换中的频率, 2理论基础 2.1连续小波变换的定义 连续小波变换实信号,(f)对于解析小波(£) 的连续小波变换为 (硼 ,)( ):J口 f ,㈤ ( ) (1) 式中£为时间,窗函数 ( )称为母小波,其上 面的短横“一”表示取复数共轭(下同),参数口,b 分别为尺度因子和平移因子,(叫 ,)(口,6)称为 小波变换系数.母小波 ( )的傅氏变换为 (0), 母小波应当是绝对可积及平方可积,它满足允许 条件 Jr * I∞l d∞<+∞ (2) 本文选择复数型小波的Morlet小波: (£)一T:- / P拥 P一 。 (3) 式中7n为调制频率, ≥5,为了使小波与地震子 波的波形特征相接近,可对Morlet小波进行修 正,得到修正后的Morlet小波 (f)=丌_ / ‘8一‘ ‘/。 (4) 式中C为调幅因子,它控制了小波函数的长度,参 数的具体选择见文献Esl。 时的震源波场,c(oJ)为相速度。 对角频率,假设震源子波为理想的脉冲源,即 己,(cc,,0)。=1,且忽略由频散效应引起的衰减,可 以推导出小波尺度域能量衰减公式 Ed:c P (6) 式中Ea为尺度能量.由于品质因子Q》1,选取 合适的C,使得C2/Q a 足够小,忽略上式中的平 方项,则式(6)简化成 E=f一 (7) 如果在t 时刻的尺度能量谱为E。 ,在t 时 刻的尺度能量谱为E ,则可以得到 El一 :一 C (8) 对式(8)取对数,然后可用一条直线拟合, 其斜率是有效品质因子的函数。利用该式估计的 Q值是地层的等效品质因子Q值,要求取单套地 层的Q值,有 —Q 一 Q口, 。+ Q (9)… 式中,QD,,,Q 分别是反射时间t。,t。时刻的等 效品质因子,Q。为t。与t 之间的品质因子. 接着可以采取剥层法,再利用张长军提出的 方法,采用类似于层速度分析的方法,得出计算层 Q值的公式如下 (10) 式中,Q 是层i在不同偏移距计算的Q值的平 均,t。. 是反射界面i的零偏移距旅行时。 3正演模型计算 3.1水平地质模型的炮集模拟记录计算 图1是设计的吸收衰减地质模型,模拟海上 地震勘探,模型参数如表1所示。图2是利用粘 弹性波动方程模拟产生的单炮记录,采用和野外 一致的观测系统参数进行模拟,雷克子波主频 192 工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics) ∞ O O O O 第7卷 l l 1 l 0 45Hz,检波器间距为30m,炮间距120m,最小偏 移距60m,排列长度3600m,在海面以下10m处 0.2 激发,网格10m×10m。 0.4 表1模型参数 0.6 Table 1 Model parameters 0.8 介质 m 品质因子Q 舶 厦 1 ‘ 留 I.2 I.4 I.∞ 6 ∞:。∞ 如 x/m 1.8 2 5O lOO 15O 频率f/Hz 图4炮集记录第63道及其小波时频谱 图1地质模型 Fig.4 A trace 63 of shot gathers and the Fig.1 Example of four--layer model time-frequency distribution 图2是正演模拟产生的地震记录,图3是经 过球面扩散补偿,动校正后的炮集记录,图4是 经过动校正后的炮集记录,图3中第53道数据的 时域波形,采用前面提到的修正的Morlet小波作 为母小波,对该道信号进行小波变换,在小波域 计算得到的尺度振幅包络剖面(图4右图)。其中 调制频率优一100,c一30.(下面的数值试验中, 点号 都采用同样的小波参数),尺度和频率有一定对应 关系,本文已将尺度换算成了对应的频率。 图2单炮地震记录 Fig.2 Shot gathers 图5是进行线性回归估计算第1层Q值时, 拟合选取的“伪尺度”(时间/尺度)范围为4~6 (图5(a)),对应的频率为60 ̄90Hz(图5(b)),利 用公式(8)估计Q值,得到反射时间t 一Oms到t。 一784ms处,即地震波在海水中传播吸收衰减的 品质因子Q=509.45,与实际海水很少的吸收衰 减情况比较吻合,但达不到理论给定的20000。 图6是进行线性回归估计算第1层Q值时, 拟合选取的“伪尺度”(时间/尺度)范围(图6(a)) 在整个频带范围(图6(b))内的分布,从中可以看 点号 出尺度振幅包络对数曲线直线反映了模拟的地震 图3经过动校正后的炮集记录 波在海水还是有吸收衰减的,而且符合高频衰减 Fig.3 Shot gathers after NMO 的快,低频衰减的慢的吸收衰减规律。 : 第2期 瓣靛苍删 一 一 一 一 一籁靛 栏 籁茛盛删箍 袁恩辉等:基于小波域从叠前地震数据提取地层品质因子Q 一一 一 一一 一瓣窝 哪媪 193 4 5 6 7 8 " 96 、 ~, 1 、、! \● 、 — 、 \ —、 (a) 计算结果Q=5O9.4541 (b) 图5线性回归 Fig.5 Linear regression of Q factor _ 、 。.. 』 .. - …一’翟r … (a) (b) 图6线性回归 Fig.6 Linear regression of Q factor 下面是对该CMP道集进行计算,提取的品 质因子(表2),从中可以看出,估算的结果与实际 模型给定的理论值吻合得比较好。 计算结果如表2。 表2计算得到品质因子与地质模型参数对比 Table 2 Quality factor calculated by comparison with the geological model parameters 3.2起伏地质模型的CMP模拟记录计算 图7是设计的带吸收衰减起伏地质模型,模 拟海上地震勘探,模型参数、地层Q值、地层密 度、各层速度如表1所示。图8是利用粘弹性波 动方程模拟产生的单炮记录,采用和野外一致的 观测系统参数进行模拟,其中激发震源采用雷克 子波主频5OHz,检波器间距为30m,炮间距 120m,最小偏移距60m,排列长度3600rn,在海面 以下5m处激发,网格lOre×lOm。 表3模型参数 Table 3 Model parameters x/m O 量I 2 图7地质模型 Fig.7 Example of four—layer model 0.O0 0.O0 0.25 O.25 0.50 0.5O ∞ 0.75 O.75 1.O0 1.O0 1.25 1.25 1.50 1.50 1.75 1.75 点号 图8单炮地震记录 Fig.8 Shot gathers 图8是正演模拟产生的地震记录,图9(a)是 edp号为510 ̄514的共中心点道集速度谱,图9 (b)是共中心点510道集,图9(c)是CMP510中 第八道数据的时域波形,采用前面提到的修正的 Morlet小波作为母小波,对其进行小波变换,在 小波域计算的尺度振幅包络剖面。 工程地球物理学报(chi??竺 !::!! ! 竺! :!:竺!!竺!!竺竺 ———— 194 C CL^u 正 集 墓 畦 地 F 速 度 第卟 八 数 、J b 口 q M 陂 蝶划 顺 螽43・8 表4计算得到品质因子与地质模型参数 Table 4 Quality ̄actor calculaled p m 。 with the geological 捉43.6 警 嘲43.4 43. 43 度Ⅱ 0度 小 振 。晏 波 幅 时 A 燕 窝 甾 嘲 越 魁 艚 刹 面 4海上实际资料计算 图10线性回归 Fig.10 Linear regressi。n。f Q factor 振 图11海上单炮记录 Fig.11 Shot gathers 第2期 袁恩辉等:基于小波域从叠前地震数据提取地层品质因子Q 195 图12海上CMP道集 Fig.12 CMP gathers 海洋实际信号 小波时频图 望 厘 蓄 1 F 1 _ r I j | '|| r -葺i } 3 ji r 5O lOO l5O 频率flHz 图13海上CMP道集第63道及其小波时频谱 Fig.13 CMP gathers and the time--frequency distribution of trace 63 图14是进行线性回归估计算第1层Q值 时,拟合选取的“伪尺度”(时间/尺度)范围为20 ~25,对应的频率为145~185Hz,(海上地震采 集加高切为206Hz)进行线性拟合Q值的结果。 利用公式(8)估计Q值,得到反射时间t =0ms 到t:一2219ms处,即地震波在海水中传播吸收衰 减的品质因子Q=1297.62,与实际海水吸收衰 籁 韶 捌 疆 time/a (a) 图14 线性回归 Fig.14 Linear regression of Q factor 、\k 、 -: { 、 q ‘、~ 卜 time/a (a) 图15 线性回归 Fig.15 Linear regression of Q factor 减很少的情况比较吻合。 图15是进行线性回归估计算第1层Q值 时,拟合选取的“伪尺度”(时间/尺度)范围(图15 (a))在整个频带范围(图15(b))内的分布,从中 可以看出尺度振幅包络对数曲线直线反映了地震 波在海水还是有吸收衰减的,而且符合高频衰减 的快,低频衰减的慢的规律,只不过非常的少。 图16是进行线性回归估计算第7层Q值 时,拟合选取的“伪尺度”(时间/尺度)范围为2l ~3(图1 6(a)),对应的频率为7 0~1 0 0 Hz 196 工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第7卷 介质中的吸收衰减传播规律,在小波域以修正的 籁 靛 盛 一 翟 、 、 复Morlet小波为基本小波,实现了从叠前炮集和 —冉 共中心点道集地震数据,提取等效地层品质因子, 卜、 — 一 然后通过剥层法估算层品质因子。文中采用地面 地震正演记录和实际海上地震资料试算,验证了 本文提出的方法的正确性.结果表明,方法正确 可行,可靠有效,最后提出改善效果的措施和实际 应用中应注意的问题。 2)计算层Q值,沿目的反射层进行,注意选 择资料信噪较高地震资料,尽量避免多次波,严重 绕射波的影响,研究中发现这些干扰波对品质因 子的提取影响特别大,尤其是针对起伏较大的地 图16 线性回9j 层,更是如此。 Fig.1 6 Linear regression of Q factor 3)在实际计算层Q值时,要注意做好静校 正、扩散补偿,速度分析等预处理工作,在此基础 (图16(b)),进行线性拟合Q值的结果,计算得到 上进行估算Q值,效果更佳,建议在剩余静校正 第7层岩层的品质因子Q一137.2。 后进行。 对其中第66道做变换,进行了品质因子提 4)本文针对的都是厚层的地质模型,而且起 取,估算的Q值曲线如图17所示,由于该区岩性 伏曲率不太大的情况,至于薄层或者起伏很大的 主要为沉积岩类,故可以根据品质因子做大体推 地层的情况还有待于进一步的研究。 断,结果如下: 参考文献: O~2219ms,Ql=500以上,为海水;2219~ 2275ms,0.2=2O.3,为第四系海底松散物,可能以 [1]Sheriff R E,Geldart L P.Exploration Seismology 黏土之类为主的物质;2275~2540ms,Q一128.1, (Second Edition)I-M3.New York:Cambridge Uni— 该层较厚,可能为泥岩粉砂岩互层;2540 ̄2648ms, versity Press,1995. QI=50.6,以粉砂泥岩为主;2648 ̄2782ms, : [2]Hauge P S.Measurements of attenuation from verti— 27.2,粉砂质泥岩、泥岩互层为主;2782 ̄2860ms, cal seismic profilesl,J-].Geophysics,1981,46(11): 1548~1558. Q6—46.7,可能是中砂、粉砂岩互层;2860~ [3]Stains by S D,Worthington MH.Q estimation from 3329ms, 一137.2,砾状砂岩中粗砂岩等。 vertical seismic profile data and anomalous variations in the North Sea口].Geophysics,1985,50(4):615 ̄626. [43 Ricker N.The form and nature of seismic waves and the structure of seismograml,J3.Geophysics,1940,5 (4):348~366. [5]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[J].地球物理学报,1996,39(3):389 ̄397. [-63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[J].地球物理学报,2004,47(5):892 ̄898. [73高静怀,杨森林.利用零偏移VSP资料估计介质品 质因子方法研究I-J-I.地球物理学报,2007,50(4): 图17 估算的品质因子 1198~1209. Fig.1 7 Estimated values of Q factor ,183陈爱萍,邹文,刘天佑.共中心点道集中品质因子的 估计及应用I-J3.勘探地球物理进展,2004,27(1): 5 结 论 32 ̄44. [9]赵伟,葛艳.利用零偏移距VSP资料在小波域计算介质 1)本文结合小波理论,利用地震波在粘弹性 Q值D].地球物理学报,2008,51(4):1202 ̄1208.