VSP地震数据瞬时角度谱计算方法及系统与流程

本发明涉及地震数据处理领域，具体涉及一种vsp地震数据瞬时角度谱计算方法及系统。

背景技术：

vsp地震资料数据分析是vsp资料处理的重要前提，对于vsp资料而言，精确的井下检波器定位是波场分离效果好坏的关键，因为vsp资料在采集过程中井下的每一个三分量检波器都不是固定的，而是会有不同方向的转动。vsp资料包含了很多波场信息，例如纵波、转换波、上行波和下行波等，而且每一种波场都具有特定的地质意义，所以精细的波场分离目的是为vsp资料处理的下一步，即各向异性参数的提取、速度建模以及偏移成像等提供支持和帮助，并改善最终的结果。检波器的定位和三分量合成是精确波场分离的前提。

对vsp地震资料的检波器定位，确定三分量的夹角，有利于获得更好、更准确的三分量合成数据。为后续的精确的波场分离、各向异性参数的提取、偏移成像得到更加合理的成像剖面提供良好的前提条件，也为井地联合解释以及反演提供了依据。但是现有的检波器定位与三分量合成采用的是基于初至波的方法。此方法需要拾取每一道记录的初至时间，并且对于接下来的三分量合成过程，对于每一个检波器都是“一视同仁”，即按照一个统一角度进行旋转合成。这样在合成后的r分量中会保留一些残余的sv波，没有完全的消除转换波，而只剩下需要处理的纵波，影响后续的上下行波场分离进而影响资料的处理效果。因此，期待一种处理方法以提高三分量合成精度。

技术实现要素：

本发明提出了一种vsp地震数据瞬时角度谱计算方法及系统，该方法改进了传统的基于初至信息进行三分量合成造成合成后的纵波分量包含残留的转换波信息的弊端，基于vsp沿层或者单道资料进行瞬时角度谱的计算，进而利用计算的角度谱进行三分量合成。

本发明一方面提出一种vsp地震数据瞬时角度谱计算方法，包括：

步骤1：将三分量检波器的水平分量(x,y)转换到已知坐标系内，已知坐标系由表示，其中，表示h方向的单位矢量，表示z方向的单位矢量，h表示直达p波振动方向在水平面内的投影方向；

步骤2：根据vsp地震数据中地下反射波的振动方向与h方向之间的夹角θ(h)建立新坐标系其中：

步骤3：基于所述新坐标系，计算所述vsp地震数据对应的瞬时角度谱。

优选地，对于任意的角度θi(h)，vsp波场由公式(13)表示：

w(θi(h))＝x(t)cos(θi(h))+z(t)sin(θi(h))(13)

其中：w(θi(h))表示vsp波场；x(t)表示vsp地震数据的水平分量；z(t)表示vsp地震数据的垂直分量。

优选地，所述瞬时角度谱由公式(14)表示：

其中，ew(θi(h))表示波场能量，即瞬时角度谱；t1表示计算时窗的起始时间；t2表示计算时窗的截止时间。

优选地，所述vsp地震数据为沿层获得的vsp地震数据。

优选地，所述vsp地震数据为单道vsp地震数据。

本发明另一方面提供一种vsp地震数据瞬时角度谱计算系统，包括：

存储器，存储有计算机可执行指令；

处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：

步骤1：将三分量检波器的水平分量(x,y)转换到已知坐标系内，已知坐标系由表示，其中，表示h方向的单位矢量，表示z方向的单位矢量，h表示直达p波振动方向在水平面内的投影方向；

步骤2：根据vsp地震数据中地下反射波的振动方向与h方向之间的夹角θ(h)建立新坐标系其中：

步骤3：基于所述新坐标系，计算所述vsp地震数据对应的瞬时角度谱。

优选地，对于任意的角度θi(h)，vsp波场由公式(13)表示：

w(θi(h))＝x(t)cos(θi(h))+z(t)sin(θi(h))(13)

其中：w(θi(h))表示vsp波场；x(t)表示vsp地震数据的水平分量；z(t)表示vsp地震数据的垂直分量。

优选地，所述瞬时角度谱由公式(14)表示：

其中，ew(θi(h))表示波场能量，即瞬时角度谱；t1表示计算时窗的起始时间；t2表示计算时窗的截止时间。

优选地，所述vsp地震数据为沿层获得的vsp地震数据。

优选地，所述vsp地震数据为单道vsp地震数据。

本发明的有益效果在于：利用vsp资料采集过程中不同检波器的旋转角度不同，改进传统的基于初至信息进行三分量合成造成合成后的纵波分量包含残留的转换波信息的弊端，基于vsp沿层或者单道资料进行瞬时角度谱的计算，进而利用计算的瞬时角度谱进行三分量合成，提高三分量合成的精度，为后续的分析处理工作提供良好基础，便于后续处理获得良好效果。

本发明的装置和方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示根据现有技术的三分量vsp采集示意图；

图2显示根据本发明示例性实施例的一种vsp地震数据瞬时角度谱计算方法的流程图；

图3和图4分别显示根据本发明示例性实施例的瞬时角度谱计算结果。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

传统的极化滤波方法对于极化角的计算是基于初至信息，也就是所说的直达波的传播方向，因此，传统方法在观测角度不同的vsp资料的时候，易受到上行p-p反射波、p-sv反射波等规律性较差的反射波的影响，导致波场分离不彻底，存在残余的p-sv波能量。

图1显示了根据现有技术的三分量vsp采集示意图，如图1所示，假定三分量检波器的水平分量(x,y)转换到以hp为参考的已知坐标系，此时，假定hp方向的单位矢量为z方向的单位矢量为则相同震源相同三分量检波器接收的任意波场可表示为公式(1)：

式中，θ为传播到检波器时的振动方向与垂线的夹角，hp表示直达p波振动方向在水平面内的投影方向，z方向表示垂直方向。

进一步假定直达波到达检波器时，振动方向与铅垂方向的夹角为θ0，则直达波可表示为公式(2)：

设的单位矢量为垂直方向(左手或右手)单位矢量为则坐标系与的关系为公式(3)：

即

将公式(4)变形，得到公式(5)：

将公式(5)代入(1)，对于任意波场其在新坐标系内的表达式为公式(6)：

化简后，得到公式(7)：

公式(7)即为任意波场经坐标系旋转后的表达式。

将以下公式(8)化简后可以得到公式(9)：

由公式(9)可知，直达波在新坐标系内分解在轴上、轴的投影长度为零，也就是完全实现了波场分离。

假定公式(10)成立：

通过公式推导并化简得到公式(11)：

可知与直达波传播方向垂直的波场被完全投影到轴上，也实现了完全波场分离。

当θ≠θ0且时，由公式(11)可知，此时波场在新坐标系的两个坐标轴上都有投影。由于地下不同深度地层的反射波到达检波器时θ不同，因而在新坐标系内的投影也不同。因此，传统角度计算方法不能很好的完成波场分离，必须根据反射波的θ值建立坐标系，从而实现反射波的波场分离。

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种vsp地震数据瞬时角度谱计算方法，图2显示根据本发明示例性实施例的vsp地震数据瞬时角度谱计算方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：将三分量检波器的水平分量(x,y)转换到已知坐标系内，已知坐标系由表示，其中，表示h方向的单位矢量，表示z方向(即垂直分量)的单位矢量，其中，h表示直达p波振动方向在水平面内的投影方向；

步骤2：根据vsp地震数据中地下反射波的振动方向与h方向之间的夹角θ(h)建立新坐标系其中：

其中，θ(h)表示地下反射波的振动方向与h方向之间的夹角。

θ(h)可利用vsp数据中的水平分量和垂直分量的直达波到达时间进行计算，一般是选择包含直达波到达时间在内的一个时窗及时间区间进行计算，这是本领域的现有技术。

通过公式(12)的转换，新坐标系相对于已知坐标系旋转了角度θ(h)。

步骤3：基于新坐标系计算vsp地震数据对应的瞬时角度谱。

具体地，对于任意的角度θi(h)，vsp波场可以表示为以下公式(13)：

w(θi(h))＝x(t)cos(θi(h))+z(t)sin(θi(h))(13)

式中：w(θi(h))表示vsp波场；x(t)表示vsp地震数据的水平分量；z(t)表示vsp地震数据的垂直分量。

计算某一时刻角度θi(h)所对应的波场能量，即为所求得的瞬时角度谱，如以下公式(14)所示：

式中，ew(θi(h))表示波场能量；t1表示计算时窗的起始时间；t2表示计算时窗的截止时间。

计算波场能量从而求得瞬时角度谱时，取一个时窗进行计算即可，因此在公式(14)中，从计算时窗的起始时间到计算时窗的截止时间进行积分。时窗的长度通常为一个子波的长度。

作为优选方案，vsp地震数据为沿层获得的vsp地震数据或者单道vsp地震数据。

瞬时角度谱可以绘制为二维图像。对于沿层vsp地震数据(即沿层拾取的一个层位数据，一般是直达波的初至层位数据)，瞬时角度谱所对应的二维图像的横轴表示选取的vsp地震数据的道数，纵轴表示角度，图中灰度表示相应的能量值(顺时角度)。对于单道vsp地震数据，瞬时角度谱一般需要采用滑动时窗方法进行计算，这样上述公式(14)中的t1和t2表示滑动时窗对应的起始时间和截止时间，得到的瞬时角度谱所对应的二维图像的横轴为角度，纵轴为时间。

本发明另一方面提供一种vsp地震数据瞬时角度谱计算系统，包括：

存储器，存储有计算机可执行指令；

处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：

步骤1：将三分量检波器的水平分量(x,y)转换到已知坐标系内，已知坐标系由表示，其中，表示h方向的单位矢量，表示z方向的单位矢量，h表示直达p波振动方向在水平面内的投影方向；

步骤2：根据vsp地震数据中地下反射波的振动方向与h方向之间的夹角θ(h)建立新坐标系其中：

步骤3：基于所述新坐标系，计算所述vsp地震数据对应的瞬时角度谱。

在一个示例中，对于任意的角度θi(h)，vsp波场由公式(13)表示：

w(θi(h))＝x(t)cos(θi(h))+z(t)sin(θi(h))(13)

其中：w(θi(h))表示vsp波场；x(t)表示vsp地震数据的水平分量；z(t)表示vsp地震数据的垂直分量。

在一个示例中，所述瞬时角度谱由公式(14)表示：

其中，ew(θi(h))表示波场能量，即瞬时角度谱；t1表示计算时窗的起始时间；t2表示计算时窗的截止时间。

在一个示例中，所述vsp地震数据为沿层获得的vsp地震数据。

在一个示例中，所述vsp地震数据为单道vsp地震数据。

实施例

针对某三分量检波器采集的地震反射波执行上述步骤1-3，图3显示针对沿层vsp地震数据计算的瞬时角度谱，其中横轴表示选取的vsp地震数据的道数，纵轴表示角度；图4显示针对单道vsp地震数据计算的瞬时角度谱，其中横坐标表示角度，纵坐标表示时间。从图3和4可以看出，根据本发明实施例的vsp地震数据瞬时角度谱计算方法对三分量检波器采集的数据进行了瞬时极化滤波，从而能够有效提高极化滤波波场分离精度。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。