利用零偏移VSP 资料估计介质品质因子方法研究

利用零偏移VSP 资料估计介质品质因子方法研究内容摘要：

地 　球 　物 　理 　学 　报 第 50 卷 第 4 期 2007 年 7 月 CHINESE 　JOURNAL 　OF 　GEOPHYSICS Vol. 50 , No. 4 Jul. , 2007 高静怀 ,杨森林 . 利用零偏移 VSP 资料估计介质品质因子方法研究 . 地球物理学报 ,2007 ,50 (4) :1198～1209 Gao J H , Yang S L. On the method of quality factors estimation from zero2offset VSP data. Chinese J . Geophys . (in Chinese) ,2007 ,50 (4) : 1198～1209 利用零偏移 VSP 资料估计介质品质因子方法研究 高静怀 ,杨森林 西安交通大学电子与信息工程学院波动与信息研究所 ,西安 　710049 摘 　要 　利用峰值频率移动法估算零偏 VSP 资料的品质因子 Q . 该方法用 Ricker 子波和匹配地震子波分别逼近零 相位和混合相位的震源子波 ,得到了峰值频率移动法估计 Q 值的公式 . 进而针对常规方法估计的地震子波峰值频 率精度不高的问题 ,提出了估计地震子波峰值频率的特征结构法 . 通过合成零偏 VSP 资料的仿真试验 ,验证了峰值 频率移动法估计 Q 值的正确性 . 仿真结果表明 ,与快速 Fourier 变换和 Burg 最大熵方法相比较 ,特征结构法得到的 峰值频率和 Q 值精度高一些 . 仿真结果也表明 ,用峰值频率移动法估计 Q 值时需要选取恰当的子波参数 ,否则影 响 Q 值估计的精度 . 关键词 　品质因子 ,峰值频率 ,衰减 ,匹配地震子波 文章编号 　0001 - 5733 (2007) 04 - 1198 - 12 中图分类号 　P631 ,P315 收稿日期 2006 - 09 - 05 ,2007 - 03 - 24 收修定稿 On the method of quality factors estimation from zero2offset VSP data GAO Jing2Huai , YANG Sen2Lin Institute of Wave and Information , School of Electronic and Information Engineering , Xi ’an Jiaotong University , Xi ’an 710049 , China Abstract 　Quality factors of zero2offset VSP data are estimated by peak frequency shift ( PFS) method. The approach employs Ricker wavelet and matching seismic wavelet to approximate zero2phase source wavelet and mixed2phase source wavelet respectively , and formulas for Q2values estimation with PFS method are obtained. Moreover , focusing on the problem that peak frequencies of seismic wavelets calculated by common methods are imprecise , eigen2struct ( ES) method for estimating peak frequencies of seismic wavelets is proposed. The validity of PFS method for Q2values estimation is verified through simulation of synthetic zero2offset VSP data. Results indicate that peak frequencies and Q2values derived from ES method are more precise than those derived from methods of fast Fourier transform and Burgπs maximum entropy. Results also make clear that Q2values estimation with PFS method needs to choose appropriate parameters of wavelet , or precision of Q2values estimation will be affected. Keywords 　Quality factor ( Q) , Peak frequency , Attenuation , Matching seismic wavelet (MSW) 1 　引 　言 能量的衰减随着传播距离的增加而增加 , 地震波的 幅度和相位都会发生变化 . 研究地层介质对地震波 　　地球属于黏弹性非均匀介质 , 地震波在地层中 传播时 ,由于地层的衰减和频散引起的吸收 ,地震波 的吸收 ,对于提高地震资料质量 , 高精度层析成像 , 反演地球物理属性和分析地下油气藏分布等都有重 [1 ] 要意义 . 基金项目 　国家自然科学基金项目 (40174032) 资助 . 作者简介 　高静怀 ,男 ,1960 年生 ,教授 ,博士生导师 ,1997 年获西安交通大学博士学位 . 主要从事复杂介质中地震波传播与成像及地震资料处 理的理论与方法等研究 . E2mail : jhgao @mail . xjtu. edu. cn 　4 期 高静怀等 : 利用零偏移 VSP 资料估计介质品质因子方法研究 1199 利用地震资料估算 Q 值的方法可分为时间域 方法 、 频率域方法及时频域方法等 . 本文不讨论时频 2 　峰值频率移动法的原理 域方 法 . 早 期 的 时 间 域 方 法 有 振 幅 衰 减 法 , 后 来 Kjartansson 在常 Q 值假设下提出了脉冲上升时间 法 [2 ] , 利用上升时间和走时的关系来估算 Q 值 . Tonn 比较了 7 种时间域 Q 值估计方法 [3 ] . 许多相关 的研究表明 ,时间域方法面临的最大问题是地震资 料振幅信息不保真 ,信噪比较低 ,主要原因是在数据 采集过程中受到许多因素的影响 , 通常难以通过数 据处理手段进行有效的校正 ,从而导致估计的 Q 值 [4 ] 精度不高 . 频率域方法有谱比法 、 频率偏移法等 ,Sams and Goldberg 利 用 谱 比 法 估 计 钻 井 资 料 的 Q 值 [5 ] , Dasgupta et al . 用谱比法估计地面反射地震资料的 Q 值 [6 ] ,Quan and Harris 提出了用质心频率法估计 Q 值 [7 ] ,Zhang Changjun and Ulrych 提出了利用峰值频 率估计共中心道集 ( CMP) 资料的 Q 值 [8 ] , 这些都取 　　由于地震波在黏弹性介质中传播时存在频散效 应 ,所以虽然经历同样的走时 ,但其高频分量的衰减 比低频分量的衰减快 . 若定义地震波频谱的极大值 对应的频率为峰值频率 , 地震波的峰值频率随着传 播时间的增加会逐步地减小 . 在垂直地震剖面中 ,检 波器置于井中 ,可以直接接收穿过地层的直达波 . 由 于地层的吸收 ,直达波的峰值频率随着深度的增加 而变化 ,从而可以研究其峰值频率的变化和 Q 值及 衰减的关系 . 零偏移 VSP 资料是指偏移距远小于检 波器深度的 VSP 资料 . 假设介质为水平层状且 Q 值 与频率无关的黏弹性介质 , 对于不同相位的震源子 波的零偏移 VSP 资料分别进行讨论 . 211 　零相位震源子波 首先假设零相位的震源子波可以用 Ricker 子波 [9 ] [10 ] 很好地近似 . Ricker 子波的振幅谱表达式为 得了很好的效果 . F( f) = 在水平层状且 Q 值与频率无关的黏弹性介质 2f 2 2 exp 2 πf m f 2 fm , ( 1) 假设下 ,本文研究了峰值频率移动法估计零偏 VSP 其中 f 为频率 , f m 为 Ricker 子波峰值频率 . 资料 Q 值的问题 . 第二部分对于零相位和混合相位 考虑单程波在黏弹性介质中传播问题 . 对于在 地下半空间单层介质中传播的一个地震波 ( 如图 1a [8 ] 所示) ,传播时间 t 后其振幅谱为 πf t ( 2) A ( f , t ) = G ( t ) F ( f ) exp , 震源子波两种情况 , 分别讨论了利用峰值频率移动 法估计零偏 VSP 资料 Q 值的基本原理 . 第三部分针 对常规方法估计的地震子波峰值频率精度较低的问 题 ,提出了估计地震子波峰值频率的特征结构法 ( ES) . 第四部分用合成零偏 VSP 记录进行仿真 , 采 用快速 Fourier 变换 、 Burg 最大熵和 ES 三种方法计 算峰值频率 , 然后用峰值频率移动法估计 Q 值 , 并 将估计结果进行了对比 . Q 其中 Q 为品质因子 , G ( t ) 是与传播和衰减无关的 因子 ( 包括几何扩散等) . 由式 ( 1) 和式 ( 2) 可得单层 介质的 Q 值为 ( 参见附录 A) πtf p f m2 ( 3) Q = , 2 2 2 fm - fp 图 1 　零偏 VSP 模型示意图 (a) 单层介质 ; (b) 多层介质 . Fig. 1 　Sketch maps of zero2offset VSP models (a) One2layer case ; (b) Multi2layer case. 地 球 物 理 学 报 ( Chinese J . Geophys. ) 1200 其中 f p 为接收的直达波的峰值频率 . A i ( f , t i ) = G ( t i ) F ( f ) exp - πf Δt k ∑Q k=1 , k Qi = i = 1 ,2 , …, N , ( 4) 其中 G ( t i ) 是与传播和衰减无关的因子 ,Δt k 和 Qk 分别表示第 k 层中地震波的走时和介质品质因子