时间域预处理流程-页岩气地震勘探技术

地震信号处理在数字地震的发展中占有相当重要的地位，下面就介绍地震数字处理的基本内容。地震勘探资料数字处理的任务就是改造野外地震资料并从中提取有关地质信息，为地震勘探的地质解释提供可靠资料。地震勘探资料数字处理工作是在配备有数字电子计算机、地震勘探资料处理软件系统和有关仪器设备的计算站中完成的。地震勘探资料处理软件系统是由许多模块组成的，每个模块都用于一个具体的处理任务。人们灵活地调用各个模块以组成各种地震勘探资料数字处理的流程。任何一种流程都是由预处理、若干个实质性处理模块和显示三部分组成的。如图3—19所示是常规的地震勘探资料数字处理流程图。

下面以这个流程为中心，简单介绍一些概念和方法。

1.预处理

预处理的目的是把野外磁带上的数据变得更适应于进行后面的逐项处理。预处理的结果往往重新记录在另外的磁带上。对数字磁带记录所进行的预处理包括：解编、真振幅恢复、不正常炮和不正常道的处理、切除、抽道集、提高地震记录信噪比、分辨率的处理和一些修饰处理。由于地震记录输入、输出计算机时的数据排列方式与处理时要求的排列方式不同，所以在预处理中需要通过解编把数据重新排列。其实解编就是矩阵的转置。

图3—19　常规地震数据处理流程

观测系统：模拟野外，定义一个相对坐标系，将野外的激发点、接收点的实际位置放到这个相对的坐标系中。

置道头：观测系统定义完成后，可以根据定义的观测系统，计算出各个需要的道头字的值并放入地震数据的道头中。当道头置入了内容后，我们任取一道都可以从道头中了解到这一道属于哪一炮、哪一道，CMP号是多少，炮检距是多少，炮点静校正量、检波点静校正量是多少等。

不正常炮是指废炮或者缺炮。为了免除不正常炮记录对处理的影响，避免记录对应关系的混乱，在输入时把它们作为哑炮处理。目前，要求在记录输入计算机之前给出不正常炮的炮号。通过这项处理，把它们在计算机中对应的内存单元充零。不正常道指不正常工作道以及极性接反的道。目前一般要求在处理前给出这些道对应的炮号、道号。通过这项处理把不能正常工作的道所对应的数据充零，把极性接反的道所对应的数据符号颠倒过来。

地震记录的初至部分和尾部往往存在一些对于处理和解释有害的波。应该把它们“切除”，即把相应的数据充零。抽道集是把地震记录按某种原则进行排列，以便于进行某些处理。

2.动静校正与倾角时差校正

野外地震记录上的反射波波至时间不仅取决于反射面的构造，而且与观测时的炮检距以及地表因素有关。

1）静校正

静校正：利用测得的表层参数或利用地震数据计算静校正量，对地震道进行时间校正，以消除地形、风化层等表层因素变化对地震波旅行时间的影响。静校正是实现共中心点叠加的一项最主要的基础工作。它直接影响叠加效果，决定叠加剖面的信噪比和垂向分辨率，同时又影响叠加速度分析的质量。

静校正方法有：

（1）高程静校正；

（2）微测井静校正——利用微测井得到的表层厚度、速度信息，计算静校正量；

（3）初至折射波法；

（4）微测井（模型法）低频+初至折射波法高频。

由于低、降速带厚度往往测不准，并有地震波在表层传播时，射线路径是垂直的假设等因素，使得野外一次静校正后不能完全消除表层因素的影响，仍残存着剩余的静校正量。提取表层影响的剩余静校正量并加以校正的过程，称为剩余静校正。剩余静校正量不能由野外实测资料求得，只能用统计方法由地震记录中提取，故也称为自动统计静校正。

2）动校正

动校正，就是消除炮检距对于反射波波至时间的影响，获得能大致反映地下反射界面形态的时间剖面的一种处理方法。它是多次叠加和地震勘探地质解释的基础。在地表条件比较复杂的地区，为了获得高质量的时间剖面必须经过静校正处理。动校正的目的是消除正常时差的影响，使同一点反射信息的反射同相轴拉平，为共中心点叠加提供基础数据。

动校拉伸畸变：动校正前，远道的信息较近道少，浅层的远道只有几个采样点，甚至没有。但动校正后，远、近道的采样点数是相同的，多出来的样点只能靠波形拉伸产生。实际处理中解决拉伸畸变的直接办法就是切除。

3）倾角时差校正

倾角时差校正的必要性有以下两点。

（1）反射界面倾斜时，道集中同层反射信号并不是精确地来自同一个点，而是反射点发生了沿反射界面向上方向的离散。

（2）当不同倾角的倾斜界面同时存在时，在地震记录中，反射界面相互交叉。根据速度分析可知，叠加速度与倾角有关。此时两个反射同相轴的交点处的叠加速度是不同的，而实际提取速度时，同一点同一个反射时间只能使用一个速度，因此，只能舍弃其中的一个速度。速度被舍弃的反射同相轴叠加后能量被削弱，另一个反射同相轴能量被加强。

3.速度谱、频谱和相关分析

速度谱和频谱处理的目的是从地震记录中提取地震波的速度和频谱信息。这些信息不仅为其他处理提供了参数，而且能直接用于资料解释。速度是地震勘探的重要资料。动校正、偏移、时深转换等处理都以它为参数，它还可以直接用来进行地质构造以及地层岩性的解释。以往求取速度的手段只有地震测井、声波测井、由观测到的时距曲线计算速度。由于共中心点多次叠加方法的问世及计算机在地震勘探上的应用，出现了速度谱。用它可以方便地进行速度分析，获得丰富、准确的叠加速度资料。

地震勘探所得到的记录中包含有效波和干扰波，这些波之间在频谱特征上存在很大差别。为了解有效波和干扰波的频谱分布范围，需要对随时间变化的地震记录信号进行傅里叶变换，得到随频率变化的振幅和相位的函数（地震记录的频谱—振幅谱和相位谱）。对地震波形函数进行傅里叶变换求取频谱的过程叫作频谱分析。

参数提取与分析的目的是为了寻找在地震数据处理中用的最佳处理参数及地震信息，如频谱分析、速度分析、相关分析等。这类数字处理还可为校正与偏移及各种滤波等处理提供速度和频率信息，并可以自成系统处理出相应的成果图件，如频谱、速度谱，通过相关分析进行相关滤波等。

一个地震道所接收到的振动图形 f （t）包含有效波s（t）和干扰波n（t）两部分，即 f （t）＝s（t）+n（t）。要对信号进行频谱分析，只要对其进行傅里叶变换求其频谱 f （ω）。对于地震信号，可看作是非周期函数的连续谱。具体计算时，需对地震信号 f （t）按Δt采样间隔离散采样，得到时间序列 f （nΔt），共有M个离散值。

为更好地了解有效信号和干扰噪声的频谱范围，可分别选取信号和随机噪声时窗进行频谱分析。为分析浅层和中深层信号的频谱，可从浅至深不同时间处选取时窗进行频谱分析。

有效波与面波、微震等干扰波在频谱上存在很大差异，利用频率滤波可以压制这些干扰波。但有些波与有效波的频谱重叠较宽，如多次波、声波等，采用频率滤波不能有效地压制这些波。

地震波的相关性是指它们之间的相似程度及其内部联系的紧密程度。地震勘探中相关运算可作为线性滤波的手段，另外相关更多的是用于地震信息的提取，例如自动剩余静校正中用互相关求取道间时差，所以要进行相关分析。(www.xing528.com)

4.数字滤波

地震记录上的有效波与干扰波往往在频率、波数或者视速度方面存在差异，数字滤波是利用这些差异来提高记录信噪比的数字处理方法。

由于大地的滤波作用，在一般的反射地震记录上，每个反射波不是一个尖脉冲，而是延续几十毫秒的波。地下反射界面有时只相距几十米甚至几米，它们对应的反射波到达时间仅相差几十毫秒，甚至几毫秒。在记录上，这些反射界面对应的反射波彼此干涉，难以分辨。大地的滤波作用降低了反射地震记录的分辨率。反滤波是压缩反射波延续度，可提高地震记录纵向分辨率的数字处理方法。它还可以用来压制多次波。数字滤波与反滤波都是地震勘探资料数字处理的重要内容。它们叠加前、后都可以使用。常规处理的核心是校正和叠加处理，它们可将野外获得的记录处理成能直接用于地质解释的水平叠加时间剖面。由于野外数据采集过程中不可避免地存在许多干扰，地震有效信息被它们所掩盖，因此必须对资料进行提高信噪比的数字滤波处理。

目前突出有效波、压制干扰波的数字滤波，仍然是根据有效波和干扰波的频谱特性和视速度特征方面的差异，利用频率滤波和二维视速度滤波来区分它们。由于频率滤波只需对单道数据进行运算，故称为一维频率滤波。根据视速度差异设计的频波域滤波需同时处理多道数据，故又称为二维视速度滤波。

一个原始信号通过某一装置后变为一个新信号的过程称为滤波。原始信号称为输入，新信号称为输出，该装置则叫作滤波器。当一个信号输入滤波器后，输入信号中的某些频率成分受到较大的损耗，这种输出和输入信号的相应关系，就是滤波器特性的体现。

数字滤波可以在时间域内进行，也可以在频率域内进行。频率域滤波的表示方法是把地震信号分解成各种不同频率成分的信号，让它们通过滤波器，然后观测各种不同频率的信号在振幅和相位上的变化。这种随频率的变化关系称为滤波器的“频率特性”或“频率响应”。例如，振幅随频率的变化关系，称振幅频率特性；相位随频率的变化关系，称相位频率特性。

时间域内滤波特性的表示方法，是把一个单位脉冲通过滤波器，然后观测滤波器对单位脉冲的影响。滤波器的输出称为滤波器的“脉冲响应”，又称为“时间特性”或“滤波因子”。

脉冲响应是一个振幅随时间变化的函数，它的傅里叶变换就是滤波器的频率响应。对滤波器的描述可用脉冲响应，也可用频率响应，它们都是等价的。当输入信号为有限，输出信号也为有限时，这种滤波器就是稳定的。

5.去噪处理

去噪处理贯穿于整个地震资料处理过程，在处理的很多步骤都可以针对不同的中间成果采用相同或不同的去噪技术，简要介绍如下。

1）叠前噪声压制

干扰波严重影响叠加剖面的效果。因此，必须在叠前对各种干扰波进行去除，为后续资料处理打好基础。常见的地震资料干扰有：面波、折射波、直达波、多次波、50 Hz工业电干扰以及高能随机干扰等多种情况。不同的干扰波有其不同的特点和产生的原因，根据干扰波与一次反射波性质（如频率、相位、视速度等）上的不同，把干扰波和有效波分离，从而达到干扰波的去除，提高地震资料叠加效果。如图3—20所示为去除线性干扰噪声前后的单炮记录对比图。

图3—20　去除线性干扰噪声前后的单炮记录对比

2）叠后噪声压制

叠后噪声压制的原因和目的如下。

（1）虽然叠前进行了各种噪声压制，但对于一些能量相对较弱的噪声，仍难以识别和彻底压制，因此，叠加地震记录中仍然会有一些噪声存在，需要进一步压制，从而进一步提高地震记录的信噪比，也可以为进一步提高地震记录的分辨率奠定基础。

（2）经过叠后提高分辨率处理的剖面，会使一些高频噪声的能量抬升，降低地震资料的信噪比。因此，需要对高频噪声进一步压制。

（3）某些低信噪比资料，叠加后的地震记录难以追踪解释，需要提高信噪比，增强连续性，以满足解释的需要。

常用的叠后噪声压制方法有很多种，这里只介绍常用的四种。

（1）随机噪声衰减——提取可预测的线性同相轴，分离出噪声，达到提高信噪比的目的。

（2）F—K域滤波——主要用于压制线性相干干扰。在F—K域中，线性相干干扰分布比较集中，范围较小，可以将其切除，达到压制线性相干干扰的目的。类似的还有F—X域滤波等。

（3）多项式拟合——基于地震道数据有横向相干性的原理，假设地震记录同相轴时间横向变化可用一高次多项式表示，沿同相轴时间变化的各道振幅变化也可以用一待定系数的多项式表示。首先通过多项式拟合，求出地震信号的同相轴时间、标准波形和振幅加权系数，然后将它们组合成拟合地震道。

（4）径向滤波——在定义的倾角范围和道数内，通过时移求出最大相关值所对应的倾角，然后沿这个倾角对相邻道加权求和，从而增强该倾角范围内的相干同相轴，虚弱随机噪声和倾角范围以外的同相轴，提高地震记录的信噪比。

6.反褶积

反褶积也称反滤波，是将反射波处理成孤立的波，有抑制多次反射的作用。由于反射波被处理成孤立的波，有可能使分辨率提高。反褶积的效果取决于时窗长度和滤波长度，这两个参数也由有代表性的CDP集合试验确定。如图3—21所示是反褶积处理效果示意图。

图3—21　反褶积处理效果

实际上，由于吸收作用，地震激发的尖脉冲会变成一定延续时间的地震子波。地震子波到达地面同一接收点时将不能分开，相互叠加，形成复波，即实际反射地震记录。如地面某点接收的地震记录写成褶积形式为：

上式表明：实际地震记录是反射系数与地震子波的褶积。反褶积的目的是为了压缩地震波的时间长度，提高分辨率，从实际反射记录中去掉大地滤波器的作用，使之变为理想的地震记录。其关键是设计反滤波因子a（t），确定地震子波b（t）。

反滤波数学表达式为：

式中，b（t）×a（t）＝δ（t），x（t）是实际的反射地震记录。