专利名称：分开波型的地震采集方法
技术领域：
本发明一般涉及陆地、海底和井眼设备中的地震勘探的领域，并且尤其涉及地震数据的采集方法。具体而言，本发明是地震采集方法，其通过使用选择性响应波传播的期望波型的或具有波型依赖性响应的传感器，分离或区分各种地震能量波型。该方法也可使用能够引发单个波型或波型组的源，可以以期望的方式使单个波型或波型组的能量分布不同。采集的数据可用于确定地下的结构和物理性质。
背景技术：
地震能量源产生的波场已知是复杂的。这对于自然震源(例如，地震)、以及包括在商用地震勘探中使用的那些的人工震源是这样。地震波场是复杂的，因为地球具有波传播的许多波型。而且，地球的不均匀的、非均质的和其他复杂的特点使得任何单个波型的行为复杂化，并且诱发波型转换。每种波型具有不同的物理特点并且可提供关于地球的具体信息。通常提及的两类波型是体波，其是传播通过介质主体的波；和界面波，其是沿着边界传播的波。体波的例子是P-波(也称为压缩波或纵波)和S-波(也称为剪切波或横波)。P-波和S-波是两个不同的波型。界面波(当界面是地球的表面时也称为表面波或地滚波)的例子包括瑞利波、洛夫波和肖尔特波(Scholte wave)。井眼也可具有通常称为管波或斯通利波的界面波类型。在该文中，地球中波传播的波型称为“地震能量波型”、“能量波型”或简单称为“波型”。“波型分开(mode separation) ”是将一种波型或ー组波型与另一波型或其他多个波型区分开的过程。如为了烃勘探的目的进行的地震勘探主要兴趣在于来自地球地下(例如，来自地震反射层)的反向散射体波。通常根据源、反向散射层(或反射层)位置和传感器之间的波传播的波型描述反向散射体波。例如，从源移动至反射层并且从反射层移动至传感器的纵波称为PP-波。反射的剪切波也可从相同的入射纵波产生。该波称为PS-波。从源移动至反射层，接着移动至传感器的剪切波称为SS-波。尽管在地震采集中典型地记录许多波型，但是其通常仅仅是期望的单个反向散射体波。期望的反向散射体波接着用于获得关于地球的地下结构、阻抗、储层流体等信息。商用地震实践可描述为两个部分；第一部分是地震数据采集或简单地“地震采集”。第二部分是地震数据处理，或简单地“地震处理”。地震采集涉及測量地球的地震响应的行为。其使用源(或爆炸)激发地球中的地震波，和传感器(或接收器)以测量由该源激发的地震波。地震采集的结果是由来自在大量位置的传感器的测量的记录组成的地震数据集。分别对在大量位置中的每ー个位置的一个或多个源做记录。地震处理使用地震数据集以确定关于地下比如结构、阻抗等的信息。其包括比如成像和反演的过程。常规的地震采集是基于全方向的压カ场(例如，水听器)和/或平移运动(例如，听地器或加速度计)的记录。水听器布置在流体介质中，其能够仅仅接收(host)压缩波。在该情况下，仅仅压缩波遇到水听器，所以在该情况下水听器不用于分开波型。听地器和加速度计通常部署在地球的表面上，其能够接收许多波型。因为平移运动是所有波型的特点，所以平移运动在单个站的局部化測量不能区分波型。进ー步的复杂因素是常规的震源(脉冲的和振动的)产生多重波型。分成具体波型的能量是不受控制的，通常在非期望的波型中具有更多的能量并且在期望的波型中具有较少的能量。结果是采集的数据集增加(populated with)许多波型。常规的地震处理典型地包括数种任务。ー个主要的任务是从在地震采集中记录的许多其他波型中分离出期望的波型，比如反向散射体波。该过程可称为波型分开，尽管通常称为噪声衰减的数个步骤之一。典型地，期望的反向散射体波是PP-波，但是也可以是其他反向散射体波比如PS-或SS-波。如果期望的波型相对其他波型具有强振幅，那么波型分开处理可能不是必须的。较小振幅波型可作为与期望的波型一起存在的可接受的错误或噪声留在数据中。如果其他波型与期望的波型的振幅相当或更大，那么可能需要波型分开处理。地震处理中的通用实践是通过衰减、过滤或以其他方式排除地震数据中非期望的波型来分离出期望的波型。为了使该策略成功，非期望的波型必须以ー些方式可以与期望的波型分开。例如，如果期望的波型和非期望的波型(ー种或多种)占据不同的频率带，那么通带过滤可分开波型。也可通过ー个或多个空间域(共炮点、共接收器、共中心点、共炮检距、共方位角等)中它们在源和传感器之间的移动时间、视速度、空间频率、或其他特点或特点的组合分开波型。分开波型的地震处理技术并不总是有效的。可存在许多原因，但是一般归纳为将波型完全彼此分开所需条件很少被满足的问题。例如，如果地球结构是复杂的而不是平面分层的，PP-波占据更宽范围的视速度和空间频率。以ー些方式不能良好分离的波型不能通过处理分开。折衷办法是接受通过排除或衰减部分期望的波型以及非期望的波型(ー种或多种)造成的ー些信息的损失，或接受部分非期望的波型(ー种或多种)作为与期望的波型一起存在的噪声或误差。地震处理中波型分开的问题的ー个例子通过在地球的表面的界面波(表面波或地滚波)说明。地滚波通常在商用陆地地震勘探中遇到。其振幅典型地强于其他波型。为充分衰减地滚波，空间取样波场必须足以避免期望波型的频率带内的混频(alias)。陆地地震勘探传统上使用由均匀的空间间隔分开的传感器站收集地震数据。对于3D地震勘探，沿测线的(inline)空间间隔通常小于跨越测线(crossline)的空间间隔。典型的沿测线的传感器站间隔为6. 25至300米。典型的跨越测线传感器间隔为50至400米。通常使用的沿测线和跨越测线的传感器站间隔产生每平方千米160至800个传感器站的传感器站密度。

图1是2D共炮点道集，其中对于部分2D测线，传感器站间隔从5米降低至1. 25米。在该图中明显的唯一能量是界面能，其使用5米传感器站间距被高度混频。使用1. 25米传感器站间距为更多的频率消除空间混频并且允许计算正确的能量视速度。消除空间混频允许该非期望的能量波型通过传统的地震数据处理方法进行充分分离并且衰减。I至3米等级的传感器站空间间隔通常使界面波与许多期望的波型分离，尤其对于典型的地震频率带并且当地球是平面分层的吋。对于具有均匀的沿测线和跨越测线的传感器站间隔的3D勘探，I米的传感器站间隔每平方千米将需要一百万个传感器。増加传感器站间隔至3米，每平方千米将需要超过10万个传感器站。考虑3D地震传播典型地覆盖6至20平方千米，这些小的传感器站间隔将需要数百万个有效的传感器站。即使下面的装置可靠性将支撑大的传感器站数量，运转成本和环境影响将是不可接受的，并且数据量将是无法承受的大。地震采集采用数种方法以帮助实现波型分开的目标。源和接收器阵列通常用于排除非期望的空间频率的初始目的。但是，阵列不能明确区分波型；而是，它们过滤所有的波型，并且因此不能实现波型分开。如果非期望的波型(ー种或多种)排他地由被阵列排除的空间频率构成，而期望的波型(ー种或多种)排他地由经过阵列的空间频率构成，阵列可帮助波型分开。但是，该条件很少完全满足。期望的波型(ー种或多种)经常由宽范围的空间频率构成，尤其当地球结构复杂时。而且，阵列内静力学和其他非理想方面具有显著加宽期望的波型(ー种或多种)的空间频率量的作用。因此，已知阵列也充分衰减期望的波型(ー种或多种)，尤其在更高的频率吋。地震采集也使用多分量方法以帮助实现波型分开的目标。多分量海上采集通常由 压缩波海上源比如气枪或海上振荡器和包括水听器和平移运动传感器(听地器或加速器)的海底电缆构成。包括水听器和測量垂直平移的运动传感器的海底电缆的使用通常称为ニ分量，或2C采集。包括水听器和測量垂直的和两个正交的垂直水平平移的运动传感器的海底电缆的使用通常称为四分量，或4C采集。多分量陆地采集通常由常规的陆地源比如掩埋的炸药或垂直平移的振动源构成，但是使用測量垂直的和两个正交的水平平移的运动传感器(听地器或加速器)。这通常称为三分量，或3C采集。除了垂直平移振动源，水平平移振动源(Bird (2000) US 6,065, 562) (Owen (2000) US 6, 119,804)有时分别在相同的源位置使用。该方法称为九分量，或9C地震采集(Alford(1989)US 4，803，666)。多分量地震数据用于各种目的，在重要的假设下，包括近似的波型分开。但是，2C地震数据通常用于将上传播与下传播压缩波分开，其导致应用比如反虚反射和自由表面多重去除(Robertsson (2004)US 6，775，618)。上传播和下传播压缩波的分开通常称为“波场分开”。波场分开和波型分开不同在于波型分开涉及波传播的不同波型的分开，而波场分开涉及在不同方向上传播的单个波型的两个或更多个波的分开。Tenghamn(2007 US7，239，577 B2)提出通过在等浮电缆中的压カ和平移运动传感器进行2C采集。Tenghamn将压カ传感器称为“压カ梯度传感器”。这不应与本文术语“压カ梯度”的使用混淆，其意图指压カ的空间导数。Amundsen(2007，US 7，286，938)使用多分量源和接收器概括弹性介质中纵波和剪切波的上和下传播分开。3C地震数据在假设地震波是至垂直于地球的表面传播的平面波的情况下通常用于将纵波与剪切波分开；因此，纵波表现为垂直平移运动并且剪切波表现为水平平移运动。4C地震数据通常用于分开上和下传播压缩波，分开纵波和从地球地下垂直到达海底的剪切平面波的两种目的。使用9C地震数据的应用通常假设在接收器侧3C地震数据相同的条件，并且假设从源垂直发射波。由于该原因，垂直平移振动源通常称为压缩波源、纵波源、或P-波源，而水平平移振动源通常称为剪切波源或S-波源。存在许多方法用于水平平移振动源(例如，Erich (1982) US 4，327，814)。但是，无论方位如何，陆地上的平移振动源总是发射各种波型，包括P-波和S-波二者，即使在理想的均匀、均质弹性介质或半空间中。9C共炮点道集的例子显示在图2中。该图包括来自3C地震传感器的2D测线的数据，其中振动源具有最小的距离传感器测线的炮线距。当来自垂直定向的振动源的能量记录在3C地震传感器上时，在所有的分量上而不仅仅是垂直定向的传感器上测量有效能量。相应地，运动轴与3C传感器测线方向平行或垂直的水平定向的振动源在3C接收器所有的分量上产生有效能量。清楚地，平移运动振动能源的定向在3C地震传感器上产生不同的信号；而9(地震采集不唯一地隔离或排除特定能量波型的记录。Hardage(2004，US 6，831，877)和Gilmer (2003，US 6，564，150)提出源和传感器方法以对齐源和接收器的水平平移轴，以改进波型的分开。在实践中，即使用3C地震传感器和3C源，在给定传感器分量上的能量不能唯一地与波传播的给定波型关联。商用地震学默认的假设是在3C地震接收器上记录的平移运动允许地震波场充分表征。但是，存在地表运动的另外自由度，其可具有用于波型分开的信息价值。考虑地震波场由函数v(x, y, z)表示,其中V是对应于平移运动比如位移、质点速度或质点加速度的向量。垂直听地器将测量Vz，并且两个水平听地器将测量Vx和Vy以产生运动的3-分量。下式给出3个平移在3个空间方向上的9个梯度(空间导数)
权利要求
1.采集波型分开的地震数据的方法，包括记录以多个地震能量波型经过介质传播至一个或多个传感器的地震能量，其中所有的传感器优先地记录所选择的所述多个地震能量波型之一并且不探测平移运动。
2.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括旋转传感器和压力梯度传感器的至少一个。
3.权利要求2所述的方法，进一步包括使用与所述一个或多个旋转传感器或压力梯度传感器并置的一个或多个水听器。
4.权利要求1所述的方法，进一步包括使用优先地传播所述所选择的地震能量波型的震源以产生所述地震能量。
5.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括多分量压力梯度传感器， 其位于井眼下，测量至少两个正交的水平压力梯度分量。
6.权利要求5所述的方法，其中所述多分量压力梯度传感器沿着井眼的中心线放置， 从而记录体波而不记录在所述中心线具有零梯度的管波。
7.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括与所述压力梯度传感器并置的水听器，其中所述水听器和压力梯度传感器优先地记录压缩波，所述压力梯度传感器被定向以测量压力梯度的垂直分量，并且组合使用所述水听器和压力梯度记录以区分上行和下行波场。
8.权利要求7所述的方法，其中所述方法用于下述之一海底电缆勘探、海洋等浮电缆勘探、井眼勘探或垂直地震剖面。
9.权利要求7所述的方法，其中所述压力梯度传感器是多分量传感器，测量压力梯度的3个相互正交的分量,从而区分横向以及垂直地震波场方向。
10.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器具有两种类型，每个类型优先地记录不同的所选择的所述多个地震能量波型之一，并且其中每个类型的至少一个传感器被并直。
11.权利要求10所述的方法，其中所述两个不同的传感器类型是旋转传感器和压力梯度传感器，从而分离所述旋转传感器的测量中的剪切波波型能量并且分离所述压力梯度传感器的测量中的压缩波型能量。
12.权利要求11所述的方法，其中所述旋转传感器是多分量传感器，其测量围绕3个相互正交的轴的旋转运动。
13.权利要求4所述的方法，其中优先地传播所述所选择的地震能量波型的所述震源是赋予角动量而不是压缩的源。
14.权利要求13所述的方法，其中优先地记录所选择的地震能量波型并且不探测平移运动的所述一个或多个传感器包括旋转传感器，从而仅记录S-S体波。
15.权利要求13所述的方法，其中优先地记录所选择的地震能量波型并且不探测平移运动的所述一个或多个传感器包括压力传感器或压力梯度传感器，从而仅记录S-P体波。
16.权利要求4所述的方法，其中优先地传播所述所选择的地震能量波型的所述震源是赋予压缩而不是角动量的源。
17.权利要求16所述的方法，其中优先地记录所选择的地震能量波型并且不探测平移运动的所述一个或多个传感器包括旋转传感器，从而仅记录P-S体波。
18.权利要求16所述的方法，其中优先地记录所选择的地震能量波型并且不探测平移运动的所述一个或多个传感器包括压力传感器或压力梯度传感器，从而仅记录P-P体波。
19.用于地震数据的波型分开的基于采集的方法，其包括记录从第一震源以包括第一波型和第二波型的多个波型传播通过介质的地震能量的第一数据集；记录从第二震源以是所述第一波型的单个波型或以包括所述第一波型和所述第二波型但是在波型之间具有不同于所述第一震源的不同能量分布的多个波型传播通过介质的地震能量的第二数据集；和通过组合两个数据集分开所述第一波型和第二波型。
20.采集波型分开的地震数据的装置系统，包括震源；优先地记录所选择的地震能量波型并且不探测平移运动的一个或多个传感器。
全文摘要
通过使用优先地记录单个波型(63)的传感器，任选地与优先地传播该波型的源组合，在地震勘探数据的采集(65)中分开不同地震能量波型的方法。
文档编号G01V1/40GK103026265SQ201180036670
公开日2013年4月3日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年7月26日
发明者M·A·迈耶, C·E·克罗恩, M·L·约翰逊, M·W·诺里斯, M·沃尔什, G·文伯 申请人:埃克森美孚上游研究公司