基于接收阵列的地震波束形成方法

摘要

本发明涉及一种基于接收阵列的地震波束形成方法。针对常规可控震源地震数据集U，使用延时参数τ，与波束形成控制参数n，利用波束形成方法合成定向地震数据集V

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地球物理数据的处理方法，尤其是可控震源地震数据的预处 理方法。

背景技术：

现有的可控震源地震勘探方法，由于对环境的无破坏性，在地震勘探中受到 越加广泛的关注。

CN1560650公开了一种《相控可控震源系统》，

CN1560651公开了一种《相控阵地震勘探方法》，

CN101320095公开了一种《单震源定向照明地震信号合成方法》，

CN101339252《基于单震源的定向照明地震勘探方法》；可控震源地震勘探存 在的主要问题是震源能量弱，背景噪声强，因此接收数据的信噪比较低，勘探深 度浅。为了改善采集数据质量，可采用波束形成方法，形成方向性地震波。波束 形成方法可在震源端实现，也可在接收端实现。在忽略噪声情况下，二者是等价 的。源端的波束形成方法称为相控震源方法，该方法要求使用具有相位控制功能 的震源系统，而且对各震源的一致性要求严格。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于接收阵列的地震波束 形成方法。

利用波束形成方法合成定向地震波数据，大幅度提高目的反射层地震数据信 噪比或者大幅度提高可控震源地震勘探深度。

基于接收阵列的地震波束形成方法，是针对共偏移距的多炮可控震源地震数 据，利用波束形成技术，采用时域叠加方法，在接收端合成定向地震波数据。主 要思想如下：针对常规可控震源地震数据集U，使用延时参数τ，与波束形成控 制参数n，利用波束形成方法合成定向地震数据集V₁；如果数据集V₁的信噪比满 足采集数据质量要求，处理结束；如果数据集V₁的信噪比仍然很低，针对数据集 V₁，做二次波束形成处理，可得到定向地震数据集V₂；依此类推……，可合成满 足信噪比要求的定向地震波数据V_opt。定向地震波方向由延时参数控制。合理控 制定向地震波方向，可使目标体的反射波信号信噪比显著增强。对解决强噪声地 质区域及倾斜地质体勘探具有突出的实质性特点和显著的进步。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于接收阵列的地震波束形成方法，包括下列顺序和步骤：

a、在勘探区域，设计可控震源地震测线，并采用等偏移距观测方法，即每 一炮点记录的最大、最小炮检距保持不变，记录道数不变，道间距不变；

b、每次炮点移动距离为道间距的整数倍N，不妨设道间距为Δx，则炮点距 为N×Δx；

c、按设定炮点距在该测线上移动炮点，保持偏移距不变，取得多炮地震记 录U＝{R₁，R₂，...，R_i，...，R_N}，i为炮点序号，R_i为第i炮记录，N为总炮数，令当 前可处理的单炮记录数n＝N；

d、将取得的多炮地震记录分组。分组方法如下，设波束形成控制参数为m， m通常取为大于2的奇数。在记录集U上定义p个子集U_i，U_i+1，...，U_j，其中 因此p＝j-i+1。任一子集U_w，代表一个地震记录分 组，包含以第w个炮点为中心的相邻m个单炮点记录，即 U_w＝{R_b，R_b+1，...，R_w，R_w+1，...R_e}，此时

e、针对每个地震记录分组，采用波束形成技术，分别合成一炮定向地震记录。 具体方法如下：以第w个炮点为例，选择数据集U_w，可合成第w炮定向地震记 录。对U_w的M＝e-b+1个相邻炮点记录依次等间隔延时，即R_b延时(b-w)τ， R_b+1延时(b+1-w)τ，…，R_w延时为0，R_w+1延时τ，…，R_e延时(e-w)τ。上述 延时操作中，R_w之前的记录延时时间为负，相当于对记录在时间方向前移；R_w之后的记录延时时间为正，相当于对记录在时间方向后移。不妨设U_w内的记录 延时后形成的新记录集为u_w＝{r_b，r_b+1，...，r_w，r_w+1，...r_e}。将u_w内的全部记录叠加在一 起，可得到第w炮定向地震记录p_w；

f、采用步骤e，可合成定向地震记录集V₁，其中V₁含n-(m-1)炮数据，记 为V₁＝{p_j，p_j+1....p_k-1，p_k}，其中V₁为一次波束形成 获取的定向地震记录集，该数据对应具有方向性的地震波场，单次波束形成方法 可改善地震数据信噪比；数据集V₁对应的信噪比如果能够满足地震勘探采集数据 质量要求，处理过程结束，否则继续执行步骤g；

g、对U重新赋初值，令初值为V₁；对n重新赋初值，初值等于n-(m-1)；

h、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束 形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选 择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过再次波束形成处理得到的 地震数据集记为V₂，称为二次波束形成地震记录集，该数据信噪比较单次波束形 成数据集V₁进一步提高；数据集V₂对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量 要求，处理过程结束，否则继续执行步骤i；

i、对U重新赋初值，令初值为V₂；对n重新赋初值，初值等于n-2×(m-1)；

j、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束 形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选 择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过本次波束形成处理得到的 地震数据集记为V₃，称为三次波束形成地震记录集，该数据信噪比较二次波束形 成数据集V₂进一步提高；数据集V₃对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质 量要求，处理过程结束，否则可继续执行四次、五次……以致更多次的波束形成 处理，直到数据信噪比已满足勘探需求为止。

有益效果：经试验，本发明公开的基于接收阵列的地震波束形成方法适于背 景噪声较强，难以得到高信噪比数据的地震勘探环境，与现有的单震源、相控震 源及常规定向照明地震信号相比，基于接收阵列的地震波束形成方法对地震信号 信噪比改善更为显著。与相控震源方法相比，本发明具有需要震源数目少，工作 成本低，控制简单的优点，且克服了由于多激震器不一致造成的相控地震效果质 量变差问题。与单震源、常规定向照明地震方法相比，本发明对地震数据质量 改善明显，并能显著加强地震勘探深度。

该方法的优势在于三方面。一是只需采用单个可控震源完成数据采集，因此 采集过程简单，采集成本远低于阵列震源技术；二是与基于单震源的定向照明采 集技术相比，在改善信噪比方面能力大幅提高；三是在不改变可控震源输出力情 况下，可大幅度提高地震勘探深度。本发明尤其适用于背景噪声较强，难以得到 高信噪比数据的层状地下介质情况。本方法适用于任何可控震源地震

附图说明：

图1为基于接收阵列的地震一次波束形成方法示意图

具体实施方式：

基于接收阵列的地震波束形成方法，是在地震勘探系统的接收端多次应用波 束形成方法，利用空域滤波手段，提取目标层反射地震波信号。采集的地震波主 波束方向由每一次波束形成过程的延时参数控制。合理控制定向地震波方向，可 使目标体的反射波信号信噪比最强。

在每一次波束形成处理过程，波束方向参数都可以变化，但在实际过程中， 建议采用同一方向，即采用相同的延时参数。每次数据采集时，炮点距可根据预 定的水平叠加覆盖次数选取，原则上炮点距设为道间距的整数倍。

在本实施例中以m＝3，炮检距＝道间距为例说明，二次波束形成处理为例说 明，但基于接收阵列的地震波束形成方法的应用不受实例给出的参数限制。

基于接收阵列的地震波束形成方法，包括下列顺序和步骤：

a、在勘探区域，设计可控震源地震测线，并采用等偏移距观测方法，即每 一炮点记录的最大、最小炮检距保持不变，记录道数不变，道间距不变；

b、每次炮点移动距离为道间距的整数倍N，不妨设道间距为Δx，则炮点距 为N×Δx；

c、按设定炮点距在该测线上移动炮点，保持偏移距不变，取得多炮地震记 录U＝{R₁，R₂，...，R_i，...，R_N}，i为炮点序号，R_i为第i炮记录，N为总炮数，令当 前可处理的单炮记录数n＝N；

d、将取得的多炮地震记录分组。分组方法如下，设波束形成控制参数为m， m通常取为大于2的奇数。在记录集U上定义p个子集U_i，U_i+1，...，U_j，其中 因此p＝j-i+1。任一子集U_w，代表一个地震记录分 组，包含以第w个炮点为中心的相邻m个单炮点记录，即 U_w＝{R_b，R_b+1，...，R_w，R_w+1，...R_e}，此时

e、针对每个地震记录分组，采用波束形成技术，分别合成一炮定向地震记录。 具体方法如下：以第w个炮点为例，选择数据集U_w，可合成第w炮定向地震记 录。对U_w的M＝e-b+1个相邻炮点记录依次等间隔延时，即R_b延时(b-w)τ， R_b+1延时(b+1-w)τ，…，R_w延时为0，R_w+1延时τ，…，R_e延时(e-w)τ。上述 延时操作中，R_w之前的记录延时时间为负，相当于对记录在时间方向前移；R_w之后的记录延时时间为正，相当于对记录在时间方向后移。不妨设U_w内的记录 延时后形成的新记录集为u_w＝{r_b，r_b+1，...，r_w，r_w+1，...r_e}。将u_w内的全部记录叠加在一 起，可得到第w炮定向地震记录p_w；

f、采用步骤e，可合成定向地震记录集V₁，其中V₁含n-(m-1)炮数据，记 为V₁＝{p_j，p_j+1....p_k-1，p_k}，其中V₁为一次波束形成 获取的定向地震记录集，该数据对应具有方向性的地震波场，单次波束形成方法 可改善地震数据信噪比；当数据集V₁对应的信噪比如果不能满足地震勘探采集数 据质量要求，继续执行步骤g；

g、对U重新赋初值，令初值为V₁；对n重新赋初值，初值等于n-(m-1)；

h、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束 形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选 择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过再次波束形成处理得到的 地震数据集记为V₂，称为二次波束形成地震记录集，该数据信噪比较单次波束形 成数据集V₁进一步提高；若数据集V₂对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质 量要求，处理过程结束，此时完成基于接收阵列的二次波束形成处理结束。

i、波束形成参数选取方法

基于接收阵列的波束形成涉及的延时参数与接收地震波主波束方向存在 如下关系

$\tau =\frac{{d\sin \theta }_{\max }}{v}$(公式1)

其中炮点距d＝N×Δx，v为目标体上覆介质的平均速度。

令

β＝-2πfτ，“-”表示按炮点顺序各单炮记录依次延时，f代表地震波中心 频率。采用延时参数τ，经波束形成处理，可得到地震波场方向因子

$F_a\left(\theta \right)=\frac{f_a\left(\theta \right)}{n}=\frac{1}{n}\frac{\sin \frac{\psi }{2}}{\sin \frac{\psi }{2}}=\frac{1}{n}\frac{\sin \left[\frac{n}{2}(\mathrm{kd}\sin \theta +\beta )\right]}{\sin \left[\frac{1}{2}(\mathrm{kd}\sin \theta +\beta )\right]}$(公式2)

其中θ为观测方向的法向夹角，F_a(θ)反映了不同方向上地震波场强变化规 律，由公式(1)和(2)可知，地震波主波束方向为

θ_max＝arcsin(τ×v/d)    (公式3)