非零偏VSP多波波場分離方法

丁拼搏，李錄明，鄧穎華

(成都理工大學 “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059)

非零偏VSP多波波場分離方法

丁拼搏，李錄明，鄧穎華

(成都理工大學 “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059)

這里研究了中值濾波法在波場分離中的應用，分析了中值濾波中參數的選擇對分離效果的影響，并應用中值濾波法分離上行波、下行波。同時，對VSP中縱波、橫波的偏振方向進行了分析，利用上行波、下行波振幅矢量關系對VSP記錄進行縱波、橫波分離，得到良好的分離效果。理論模型處理結果表明，應用中值濾波分離上行波、下行波，再利用偏振關系分離縱波、橫波，可以得到較為滿意的VSP上行縱波記錄和橫波記錄，分離后的記錄是VSP反射波成像的基礎。

波場分離;非零偏VSP;多波;中值濾波;偏振分析

0 前言

由于VSP資料包含了十分豐富的波場信息及其特殊的作用，目前非零偏及三維VSP多波勘探是發展的方向。相對地面地震，在非零偏VSP勘探中，將三分量檢波器置于地下井中，能同時接收到下行直達縱波、橫波和上行反射縱波、橫波。在VSP資料中，上行波和下行波互相交織在一起，縱波、橫波相互重疊在一起，因此在VSP資料處理中，有效地分離上行波和下行波，以及分離縱波和橫波，是一項基本且重要的任務。作者在本文先利用中值濾波法分離上行波、下行波，再利用偏振分析方法分離P波和S波，得到了良好的縱波、橫波記錄。

1 VSP波場分離原理

1.1 分離上行波、下行波的中值濾波方法

中值濾波是一種非線性濾波，在地震資料處理中，特別適用于噪聲特性不很了解或者噪聲與信號頻譜范圍重疊的情況，同時它不需要變換坐標系，波場信息的畸變程度不大。因此，中值濾波是分離VSP上行波、下行波最有效的方法之一。

中值濾波的數學原理是:假設待處理數據序列為Xi(i=1，2，…，m)，取中值濾波的長度為 N(N一般取奇數)，則中值濾波的運算過程為:

(1)取以第 j點為中心的 N 個樣點值 Xj－(n－1)/2、…、Xj、…、Xj+(n－1)/2(X 的下標是順序變化)。

(2)對這N個樣點數，按X數值大小進行重新排序。

(3)取重新排序的N個數據中心位置的樣點值，作為該點的中值濾波輸出。

利用中值濾波法，對VSP資料進行上行波、下行波場分離的步驟如下:

(1)靜態時移與排齊。將VSP各道數據按照各自初至時間，校正到某一相同時間，使下行波同相軸在某一時間方向排齊成水平狀。

(2)對每一時間樣點，沿道序方向進行中值濾波。這時排齊的下行波得到增強，而傾斜方向的上行波大大削弱。

(3)將中值濾波的結果，按原來的時移時間反向時移。

(4)從初始數據中減去下行波，得到上行波，完成VSP上行波、下行波波場分離。

在利用中值濾波進行波場分離時，應當注意以下兩個問題:

(1)參數問題。跨度是中值濾波的一個重要參數。跨度N的選取，取決于需平滑的同相軸偏離所選方向的傾斜度，傾斜度越大，N的值應越大，否則達不到衰減傾斜同相軸的目的。同時，選擇的跨度越大，會增大數據重排的工作量，降低計算效率。因此應當選取一個兼顧效果和效率的合適的跨度值進行中值濾波。

(2)邊界效應。數據邊界效應是地震資料處理中的關鍵因素之一。在中值濾波中，需利用前、后共N道的值(前、后道數一致)，在計算邊界值時，道數不足所選濾波跨度，就會產生邊界效應。作者所選取的方法是在讀取數據道時，采用變跨度N的方法減小邊界效應帶來的影響。

1.2 分離縱波、橫波的偏振分解方法

設VSP二分量記錄AH(h，t)和AZ(z，t)，對它們進行上行波、下行波分離之后，得到水平分量上行波、下行波 AHD(h，t)、AHU(h，t)和垂直分量上行波、下行波AZD(z，t)、AZU(z，t)。如果是VSP資料為三分量記錄，則需要將兩個水平分量X分量和Y分量合成為一個水平分量H分量，再進行上行波、下行波和縱波、橫波的分離。

在VSP資料中，P波與S波的振幅矢量關系不同，根據波動理論，縱波引起的質點振動方向與波傳播方向一致，橫波引起的質點振動方向與波的傳播方向垂直。

首先考慮下行波的情況，下行波的振幅矢量關系如圖1(a)所示。從圖1(a)中可以看出，下行縱波的矢量振動集中在第一、三象限，下行橫波的矢量振動集中在第二、四象限，如圖2(a)所示。即:

式中 AHD(h，t)和AZD(z，t)分別表示H分量下行波和Z分量下行波，當下行波的H分量和Z分量同相時，即為縱波;當下行波的H分量和Z分量反相時，即為橫波。

同理，考慮上行波的情況，上行波的振幅矢量關系如圖1(b)所示，上行縱波的矢量振動集中在第二、四象限，而上行橫波的矢量振動集中在第一、三象限，如圖2(b)所示。

即:

式中 AHU(h，t)和AZU(z，t)分別表示H分量上行波和Z分量上行波。當上行波的H分量與Z分量同相時，即為橫波;當上行波的H分量和Z分量反相時，即為縱波。

圖1 VSP上行、下行波振幅矢量關系圖Fig． 1 VSP up and down wave amplitude vector

圖2 VSP上行、下行波中縱橫波振幅矢量關系圖Fig． 2 P and S wave amplitude vector in VSP up and downwave

圖3 VSP記錄中某道的振幅矢量對比圖Fig． 3 Amplitude vector comparison in VSP data

圖3 是從某VSP記錄中，抽取的某一道的二分量數據，進行上行波、下行波分離后的振幅矢量對比圖。從圖3中可以看出，在下行波中，縱波在水平分量和垂直分量中的相位相同，橫波在水平分量和垂直分量中的相位相反;而上行波中縱波在水平分量和垂直分量中的相位相反，而橫波在水平分量和垂直分量中的相位相同，這說明了利用式(1)和式(2)分離縱波、橫波的正確性和可行性。

由式(1)可以把下行波分離成下行縱波和下行橫波，由式(2)可以把上行波分離成上行縱波和上行橫波。以上分離出的P波和S波，都各包含了X分量和Z分量，根據矢量的旋轉合成，可以得到各波型的矢量振幅。

從式(1)和式(2)可以看出，必須針對上行波或者下行波進行縱波、橫波的分離，所以，必須用上述的中值濾波法將原始VSP資料進行上行波、下行波分離，再利用偏振分析對分離后的上行波、下行波進行處理。整個波場分離的數據流程如圖4所示。

2 理論模型記錄實驗

作者在本文利用射線追蹤方法合成理論VSP地震記錄，然后用上述方法對VSP記錄進行波場分離。理論地質模型為三維任意起伏介質斜井VSP模型，模型介質參數和示意圖如下頁圖5所示。

圖6(見下頁)是上述地質模型的Z分量正演記錄和H分量正演記錄。

利用中值濾波法對H分量進行上行波、下行波的分離，得到圖7(見下頁)的H分量上行波、下行波記錄。

對Z分量進行上行波、下行波分離，得到圖8(見后面)的Z分量上行波、下行波記錄。

圖4 VSP多波波場分離流程圖Fig． 4 Flow chart of VSP multi wave wavefield separation

從圖8中可以看出，中值濾波法對上行波、下行波波形的能量特征保存的較為完整，上行波、下行波分離得較為干凈徹底，分離效果較為理想。

在以上工作的基礎上，利用偏振分析，對上述記錄進行縱波、橫波的分離，得到圖9(見后面)的P波記錄和S波記錄，縱波、橫波振幅有一定的損失，但是在可以接受的范圍之內，波形的畸變程度較輕，保留了較好的振幅、波形信息，從而為后續的處理工作和巖性解釋提供了良好的縱波、橫波資料。

圖5 理論地質模型參數和示意圖Fig． 5 Theoretical model parameters

圖6 理論模型射線追蹤正演記錄Fig． 6 Theoretical model iterate ray path tracing data

圖7 H分量分離出的上、下行波Fig． 7 Up and down wave of horizontal component

圖8 Z分量分離出的上、下行波Fig． 8 Up and down wave of vertical component

圖9 縱橫波分離得出的P、S記錄Fig． 9 P and S wave after wavefield separation

3 結論

波場分離是多波多分量地震資料處理中很重要的基礎工作。作者在本文研究了中值濾波法的原理方法及在波場分離中的應用;探討了中值濾波參數的選擇問題;分析了VSP上行波、下行波中縱波、橫波的偏振特性，給出了利用縱波、橫波在偏振特性上的差異進行縱波、橫波分離的方法，并總結了VSP波場分離的具體流程和算法。最后，對三維任意起伏介質中斜井VSP模型的理論記錄進行了試驗，得出了良好的縱波、橫波記錄，證明了本文方法的可靠性和有效性。

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1001—1749(2011)05—0477—06

國家重大專項(2008ZX05024－01)

2011－04－20 改回日期:2011－05－30

丁拼搏(1988－)，安徽宿州人，碩士，主要從事地球物理數據處理方面的研究。