基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制方法

摘要

一种基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制方法，包括：获取转换波勘探的径向分量与切向分量的地震记录数据并存储，通过傅氏变换方式将时间域地震记录数据变换到频率域；根据径向分量与切向分量的内在关系，建立快波偏振方位和快慢波时延随频率变化的关系，通过建立后的关系对转换后的频率域横波信号，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异性参数。本发明解决了通过地面的水平两分量地震记录数据获取地下裂缝与频率相关的各向异性参数的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及地震勘测领域，尤其涉及一种基于地面地震数据获取地下裂 缝信息的控制方法。

背景技术

快慢波分离技术是多波处理的一项关键技术，利用快横波偏振方向和快 慢波时延可以预测裂缝发育方位和发育密度。传统的快慢波分离方法一般都 是在时域进行，没有考虑到各向异性参数与频率的相关性。为了研究地震资 料中各向异性参数与频率的关系，前人通常使用分段滤波后在时域反演的传 统方法，这种做法无法建立各向异性参数与频率的直观联系，而且容易导致 较大的误差。

在方位各向异性介质中，当横波的偏振方向与各向异性主轴方向不一致 时，会发生横波分裂现象。所谓横波分裂，就是沿横波的每一条射线路径都 可以分裂为两种偏振波，它们具有不同的偏振方向、传播速度和衰减速率， 并且在后续的各向异性介质中传播时保持这种特性。具体地，当横波在定向 直立裂缝系地层中传播时，初始横波将分裂成两个偏振方向相互正交的偏振 横波，一个是平行于裂缝走向偏振的快横波，用S1表示；另一个是垂直于 裂缝走向偏振的慢横波，用S2表示。快、慢横波的传播到时差也称分裂时 差，正比于穿过的裂缝层厚度和裂缝密度。

经过多年的理论研究和实践证明，方位各向异性是广泛存在的，常与裂 缝有关且伴有横波分裂现象。对于碳酸盐岩地区，裂缝控制着渗透率，并与 油气的聚集与运移密切相关。因此，利用横波分裂研究碳酸盐岩裂缝显得非 常重要。基于横波分裂原理，人们先后发展了多种快慢波分离方法，当前传 统方法都是在时域内进行快慢波分离，没有考虑到各向异性参数与频率的相 关性。事实上，不同尺度的裂缝往往会导致不同频率成分的波形产生横波分 裂等各向异性现象。为了研究各向异性参数与频率的关系，传统做法是首先 进行分段滤波，然后在时域内提取横波分裂参数。这种分析方法无法提供横 波分裂参数与频率在每一个频率点处的直观联系，而且，由于横波分裂产生 的时差通常都在毫秒量级，上述滤波处理产生的时间差可能大于时间延迟本 身。因此当前又提出一种分析多分量VSP数据与频率相关的横波分裂参数提 取算法，能够针对单个频率直接提取横波分裂参数。但是，该算法主要用于 正交横波震源激发得到的四分量VSP测井数据的处理，然而实际勘探获得的 多波数据主要为地面多分量地震记录，并且VSP测井资料的空间局限性过大， 而地震资料提取各向异性参数则具有良好的空间连续性。因此，必须提出一 种基于地面多分量地震记录，从地震记录数据中获取地下裂缝关于与频率相 关的各向异性参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于地面地震数据获取地下裂 缝信息的控制方法，解决了通过地面的水平两分量地震记录数据获取地下裂 缝与频率相关的各向异性参数的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于地面地震数据获取地下裂缝 信息的控制方法，包括：获取转换波勘探的径向分量与切向分量的地震记录 数据并存储，通过傅氏变换方式将时间域的地震记录数据变换到频率域的地 震记录数据；

根据径向分量与切向分量的内在关系，建立快波偏振方位和快慢波时延 随频率变化的关系，通过建立的关系对转换后的频率域横波信号，在预设的 频率范围获取每一个频率点对应的各向异性参数并存储，完成通过地面地震 数据获取地下裂缝密度和方位信息。

进一步地，上述方法还可包括：所述通过傅氏变换方式将时间域的地震 记录数据中变换到频率域的步骤，包括：

通过以下关系式将时间域的地震记录数据变换到频率域：

其中，地震转换波在定向直立裂缝地层中传播时，分裂形成偏振方向相 互垂直的快横波S1和慢横波S2，表示为：

其中，S是转换波分裂前的振幅；为快波偏振方位，即裂缝走向；δ是 快、慢波时间延迟；S1-S2坐标系是裂缝走向及其垂向组成的自然坐标系， R-T坐标系是由径向与切向组成的观测坐标系，R即炮点指向检波点方向， 通过坐标系转换关系，检波点接收到的径向分量R(t)和切向分量T(t)表示为：

其中，t为时间，△T是转换波所在时窗长度。

进一步地，上述方法还可包括：所述根据径向分量与切向分量的正交关 系，建立快波偏振方位和快慢波时延随频率变化的关系，通过建立后的关系 对于转换后的频率域横波信号，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的 各向异性参数的步骤，包括：

径向分量与切向分量的内在关系，如下式所示：

RE_f、IM_f分别是的实部和虚部，通过上式得到，当 f≠k/δ(k=1,2…)时，建立下述关系：

对于震源频率范围符合条件的每一个频率f的横波信号，通过建立的关 系，根据该频率点f对应的的实部RE_f的数据，获得频率f处的快 横波偏振方向；对RE_f求取平均值得到有效频率区间所有f值对应 的平均快横波偏振方向即

其中k为任意整数，在0~π区间 内，有相隔π/2的两个解，分别对应快、慢波极化方向；

通过得到的快波偏振方向得到快、慢波之间的时间差δ后进行快慢波分 离，如下所示：

并补偿慢波时差

S2(t)=S2(t+δ)；

此时将补偿时延后的快、慢波分量旋回径向和切向，消除原始地震数据 中的方位各向异性效应，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异 性参数。

进一步地，上述方法还可包括：判断获取的所述地震记录数据中若存在 多层各向异性层，且具有不同的对称轴时，则进行剥层处理。

进一步地，上述方法还可包括：所述进行剥层处理的步骤，包括： 从浅到深寻找第一层各向异性介质，求取该层的快波偏振方向和时延 δ，然后进行快慢波分离和慢波时延补偿，将该层的方位各向异性影响去除， 再对下一层执行相同操作，依此类推，直到获取目的层预设的频率范围内每 一个频率点对应的各向异性参数为止。

与现有技术相比，应用本发明，对于转换波勘探获得的水平两分量地震 记录，通过傅里叶变换将时间域的横波信号变换到频率域，根据径向分量与 切向分量的内在关系，建立了快波偏振方位和快慢波时延随频率变化的解析 表达关系，选择合适的频率范围对于每一个频率点求取各向异性参数，并舍 去受噪声影响较大的数据，就可以获得较为精确的结果。通过多层各向异性 模型的试算结果表明该方法是切实有效的，实际数据测试也取得了良好效 果。

附图说明

图1是坐标系转换关系的示意图；

图2是本发明的基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制方法的流程 图

图3是本发明的基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制装置的结构 示意图；

图4a－图4f是本发明的多层各向异性介质的剥层处理过程的示意图；

图5a－图5b是第1层偏振参数的加噪测试实验统计的示意图；

图6a－图6e是本发明的多层各向异性介质的剥层处理过程的示意图；

图7a－图7f是本发明的实际地震资料处理过程的示意图；

图8是本发明的不同地震道快波偏振方向随频率的变化趋势的示意图；

图9a是裂缝方位角的反演结果的示意图；

图9b是各向异性系数的反演结果的示意图。

具体实施方式

本发明的基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制方法在具体实现 中要通过系统中各设备之间信息交互来进行信息和/或数据的收集，并通过其 内的控制器（可以是CPU等进行控制处理信息和/或数据，本发明对此不作 任何限定），其间还可以通过各种存储器（可以是内存、硬盘或其他存储设 备）进行信息和/或数据的储存和传送，本发明对此不作任何限定。

本发明方法通过傅氏变换将横波信号变换到频率域，基于径向分量与切 向分量的内在关系，根据地面勘探多波地震资料建立了快波偏振方向和快慢 波时延随频率变化的解析表达关系，通过该关系能够直接获取每一个频率点 对应的各向异性参数。通过多层各向异性模型加噪测试表明了该方法的正确 性和可靠性，国内工区实际资料处理也取得良好效果。

地震的转换波在定向直立裂缝地层中传播时，分裂形成偏振方向相互垂 直的快横波S1和慢横波S2，可以表示为：

其中，S是转换波分裂前的振幅；为快波偏振方位，即裂缝走向；δ是 快、慢波时间延迟。S1-S2坐标系是裂缝走向及其垂向组成的自然坐标系， R-T坐标系是由径向与切向组成的观测坐标系，R即炮点指向检波点方向。 根据图1所示的坐标系转换关系，检波点接收到的径向分量和切向分量可以 表示为：

分别对R(t)、T(t)作傅里叶变换，其频率域内的表达式为：

其中，△T是转换波所在时窗长度。

由上式可知F_R(f)、F_T(f)存在以下内在关系

整理可得：

设RE_f、IM_f分别是的实部和虚部，由式（5）可知，当 f≠k/δ(k=1,2…)时，有

对于震源频率范围符合条件的每一个频率f，F_R(f)与F_T(f)都存在 上述关系。因此，只需要该频率点f对应的的实部RE_f的数据，就 可以根据式（6）求得频率f处的快横波偏振方向。如果对RE_f求取平均值 可以得到有效频率区间所有f值对应的平均快横波偏振方向即

其中k为任意整数。在0~π区间内，有相隔π/22的两个解，分别对应快、 慢波极化方向。在快波偏振方向随频率变化不大的一般情况下，上述求均值 处理可以有效地压制噪声，提高各向异性参数求取的抗噪性。将快波偏振方 向代回式（7），就可以得到快、慢波之间的时间差δ。

得到快波偏振方向和快慢波时延δ后，即可进行快慢波分离

并补偿慢波时差

S2(t)=S2(t+δ)

（10）

此时将补偿时延后的快、慢波分量旋回径向和切向，就可以消除原始地 震数据中的方位各向异性效应。若存在多层各向异性层，且具有不同的对称 轴时，必须进行剥层处理。即首先从浅到深寻找第一层各向异性介质，求取 该层的快波偏振方向和时延δ，然后进行快慢波分离和慢波时延补偿，将 该层的方位各向异性影响去除，再对下一层执行相同操作，依此类推，直到 目的层为止。在实际中可以针对多层各向异性模型使用本方法进行剥层处 理。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制方法， 包括以下步骤：

步骤210、获取转换波勘探获得的水平两分量地震记录数据并存储，通 过傅氏变换方式将时间域的地震记录数据变换到频率域；

获取转换波勘探的水平两分量（径向分量与切向分量，即R、T分量） 地震记录数据的地震记录数据。

步骤220、根据径向分量与切向分量的内在关系（可以是正交关系）， 建立快波偏振方位和快慢波时延随频率变化的关系，通过建立的关系对转换 后的频率域横波信号，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异性 参数并存储，完成通过地面地震数据获取地下裂缝密度和方位信息。

如图3所示，本发明的基于地面地震数据获取地下裂缝信息的控制装置， 包括：获取地震记录数据模块、横波信号域变换模块、建立关系模块、判断 模块及获取地下裂缝信息模块，其中，

获取地震记录数据模块，用于获取转换波勘探获得的水平两分量地震记 录数据；

横波信号域变换模块，用于通过傅氏变换方式将地震记录数据中时间域 的横波信号变换到频率域；

建立关系模块，用于根据径向分量与切向分量的正交关系，建立快波偏 振方位和快慢波时延随频率变化的关系；

判断模块，用于判断获取的所述地震记录数据中是否存在多层各向异性 层，且具有不同的对称轴，若是，则向所述获取地下裂缝信息模块发送剥层 处理命令；

获取地下裂缝信息模块，用于通过建立后的关系对于转换后的频率域横 波信号，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异性参数。

所述横波信号域变换模块通过傅氏变换方式将地震记录数据中时间域 的横波信号变换到频率域，是指：

所述横波信号域变换模块通过以下关系式将地震记录数据中时间域的 横波信号变换到频率域：

其中，地震的转换波在定向直立裂缝地层中传播时，分裂形成偏振方向 相互垂直的快横波S1和慢横波S2，表示为：

其中，S是转换波分裂前的振幅；为快波偏振方位，即裂缝走向；δ是 快、慢波时间延迟；S1-S2坐标系是裂缝走向及其垂向组成的自然坐标系， R-T坐标系是由径向与切向组成的观测坐标系，R即炮点指向检波点方向， 通过坐标系转换关系，检波点接收到的径向分量R(t)和切向分量T(t)表示为：

其中，t为时间，△T是转换波所在时窗长度。

所述横波信号域变换模块根据径向分量与切向分量的内在关系，建立快 波偏振方位和快慢波时延随频率变化的关系，是指：

径向分量与切向分量的内在关系，如下式所示：

RE_f、IM_f分别是的实部和虚部，通过上式得到，当 f≠k/δ(k=1,2…)时，建立下述关系：

所述获取地下裂缝信息模块通过建立后的关系对于转换后的频率域横 波信号，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异性参数，是指：

所述获取地下裂缝信息模块对于震源频率范围符合条件的每一个频率f 的横波信号，通过建立的关系，根据该频率点f对应的的实部RE_f的 数据，获得频率f处的快横波偏振方向；对RE_f求取平均值得到有 效频率区间所有f值对应的平均快横波偏振方向即

其中k为任意整数，在0~π区间 内，有相隔π/2的两个解，分别对应快、慢波极化方向；

通过得到的快波偏振方向得到快、慢波之间的时间差δ后进行快慢波分 离，如下所示：

并补偿慢波时差

S2(t)=S2(t+δ)；

此时将补偿时延后的快、慢波分量旋回径向和切向，消除原始地震数据 中的方位各向异性效应，在预设的频率范围获取每一个频率点对应的各向异 性参数。

所述获取地下裂缝信息模块，还用于收到所述判断模块发送的剥层处理 命令后，从浅到深寻找第一层各向异性介质，求取该层的快波偏振方向和 时延δ，然后进行快慢波分离和慢波时延补偿，将该层的方位各向异性影响 去除，再对下一层执行相同操作，依此类推，直到获取目的层预设的频率范 围内每一个频率点对应的各向异性参数为止。

下面通过模型测试的实例验证本方法的有效性。

为了验证方法的正确性和有效性，首先针对多层模型进行了试算。该模 型共包括4层，第1、3层为定向直立裂缝系组成的各向异性层，其裂缝走 向分别是30°、75°，快慢波分裂时差分别是5ms、15ms。褶积合成R、T两 分量地震记录，假设各向异性参数不随频率变化。

10Hz~90Hz内的取值分布，由图4b可知其值均等于ctan(2*30°)，与理论推导 一致。使用本文方法进行剥层处理，首先得到了第1层准确的快波偏振方向 和快慢波时延δ，并利用其进行快慢波分离（图4d）和慢波时延补偿，将 该层的方位各向异性影响剥除（图4e），然后再对下一层执行相同操作，依 次进行，直到全部层位的方位各向异性都被剥除（图4f）。

其中，（图4a）第1层R与T分量的振幅谱；（图4b）第1层的 实部RE_f的取值分布；（图4c）合成R、T分量，左为R分量，右为T分量； （图4d）第1层分离出的快、慢波，未补偿慢波时延，左为S1分量，右为 S2分量；（图4e）第1层被剥去；（图4f）第2层被剥去。

由于多波资料信噪比往往较低，有必要分析本方法的抗噪性。为此，对 模型数据进行加噪，加噪测试200次实验统计表明：当信噪比S/N=1时，快 波偏振方向的误差小于5°，δ的误差小于1个时间采样点，如图5所示， 图5a为第1层偏振参数的加噪测试实验统计（S/N=1）中快波偏振方向的 示意图；

图5b为第1层偏振参数的加噪测试实验统计（S/N=1）中快、慢波分裂时 差δ。测试结果表明本方法具有较强的抗噪性，鲁棒性较好。为了规避频率 值f取值k/δ(k=1,2…)时实部RE_f突变造成的误差，在实际处理求取均 值之前，需要首先挖去突变点，选择RE_f平稳渐变的区间作为有效频

率区间。如图6a所示，画框区域即为需要提前挖去的突变点区域。 图6a－图6e为多层各向异性介质的剥层处理过程示意图（S/N＝3），其中 （图6a）第1层的实部A_f的取值分布；（图6b）合成R、T分量； （图6c）第1层分离出的快、慢波，未补偿慢波时差；（图6d）第1层被 剥去；（图6e）第2层被剥去。

下面进行实际煤样测试对本发明作进一步说明。

图7a-图7f为利用本方法在国内某工区的应用实例，其中，（图7a)初始 R分量；（图7b）初始T分量；（图7c）S1分量；（图7d）S2分量，未补 偿时延；（图7e）补偿方位各向异性的R分量；（图7f）补偿方位各向异 性的T分量，处理时窗以实线画框标出。

其中，图7a、图7b为经过动校正后R分量与T分量的CCP道集。由图 可见，T分量剖面中存在着与R分量剖面相同强度的横波能量，该地区地层 基本水平，因此R分量上能量的存在应与裂缝有关。目的层的反射波同相轴 在1580ms~1800ms时间段内，分析时也只对该时窗内的数据进行计算。图8 展示了数个地震道快波偏振方向随频率的变化关系，可见由于各道地震射线 的转换点和实际穿过的地层不同以及噪声的影响，快波偏振方向随频率的 变化趋势也存在差别，有时会有较大波动。因此，为了探测该层段的整体各 向异性特征，使用对不同频率的各向异性参数求均值的方法获得各道的平均 各向异性参数。

图9a为裂缝方位角的反演结果的示意图，图9b为各向异性系数的反 演结果的示意图，其中，虚线为分段滤波传统方法反演得到的裂缝方位角。

图9a为各道目的层段裂缝方位角的反演结果，将本方法反演结果与分 段滤波传统方法的反演结果进行对比，可见两者基本一致，而且本方法反演 结果的连续性要好于分段滤波传统方法。工区测井资料表明，该层位裂缝主 方位与测线的夹角约为30°，与地震资料反演结果一致，表明了本方法在实 际应用中的有效性。获得快慢波时延后，可以按照以下公式计算各向异性因 子：

$r=\frac{V_{S1}-V_{S2}}{V_{S2}}---\left(11\right)$

其中，V_S1、V_S2分别为快、慢横波速度，各向异性因子反演结果如图9b所 示。使用该层的横波分裂参数对目的层以下地层进行快慢波旋转分离和快慢 波时差补偿，结果如图7所示，可见此时T分量目的层以下的能量基本去除， 而R分量的同相轴得到明显加强，这表明该目的层是地下主要的各向异性介 质，通过方位各向异性补偿，目的层以下的方位各向异性影响基本被剥除。

各向异性参数与频率是有关的，不用尺度的裂缝往往会导致不同频率信 号产生各向异性现象。前人往往通过分段滤波后在时域内求取各向异性参数 的方法研究各向异性参数与频率的关系，这种做法效率较低，滤波容易对反 演结果产生不可估量的误差，并且无法建立各向异性参数与频率的一一对应 关系。因此，针对地面多波地震资料，基于频域内R与T两分量的内在关系， 建立了快波偏振方向和快慢波时延随频率变化的解析表达式，该方法能够建 立各向异性参数与频率的直观联系。多层各向异性加噪测试表明，当信噪比 为1时，快波偏振方向的误差小于5°，时延δ的误差小于1个时间采样点， 说明方法具有较好的鲁棒性。使用本方法对国内某工区的实际地震资料进行 处理，方位各向异性补偿结果与钻井资料均表明，本方法对该地区的裂缝主 方位进行了准确预测，指示了该方法在实际应用中的有效性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范 围应该以权利要求的保护范围为准。