基于接收阵列的地震波束形成方法

摘要

本发明涉及一种基于接收阵列的地震波束形成方法。针对常规可控震源地震数据集U，使用延时参数τ，与波束形成控制参数n，利用波束形成方法合成定向地震数据集V1；若数据集V1的信噪比满足采集数据质量要求，处理结束；若数据集V1信噪比仍然很低，针对数据集V1做二次波束形成处理，可得到定向地震数据集V2；依此类推，直到合成满足信噪比要求的定向地震波数据Vopt。与现有技术相比：一是只需采用单个可控震源完成数据采集，采集过程简单，采集成本远低于阵列震源；二是与基于单震源的定向照明采集技术相比，在改善信噪比方面能力大幅提高；三是在不改变可控震源输出力情况下，可大幅度提高地震勘探深度，尤其适用于背景噪声较强，难以得到高信噪比数据的层状地质体。

权利要求

1.一种基于接收阵列的地震波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：a、在勘探区域，设计可控震源地震测线，采用等偏移距观测方法，即每一炮点记录的最大、最小炮检距保持不变，记录道数不变，道间距不变；

b、每次炮点移动距离为道间距的整数倍 ，设道间距为 ，则炮点距为 ；

c、按设定炮点距在该测线上移动炮点，保持偏移距不变，取得多炮地震记录，为炮点序号， 为第 炮记录， 为总炮数，令当前可处理的单炮记录数 ；

d、将取得的多炮地震记录分组：分组方法如下，设波束形成控制参数为 ， 通常取为大于2的奇数，在记录集 上定义 个子集 ，其中 ， ，因此 ；任一子集 ，代表一个地震记录分组，包含以第 个炮点为中心的相邻个单炮点记录，即 ， 此时 ， ；

e、针对每个地震记录分组，采用波束形成技术，分别合成一炮定向地震记录，具体方法如下：以第 个炮点为例，选择数据集 ，可合成第 炮定向地震记录；对 的个相邻炮点记录依次等间隔延时,即 延时 ， 延时，…， 延时为0， 延时 ，…， 延时 ，上述延时操作中， 之前的记录延时时间为负，相当于对记录在时间方向前移； 之后的记录延时时间为正，相当于对记录在时间方向后移，设 内的记录延时后形成的新记录集为 ，将内的全部记录叠加在一起，可得到第 炮定向地震记录 ，步骤e是每一次波束形成的处理过程；

f、采用步骤e，可合成定向地震记录集 ，其中 含 炮数据，记为

，其中 ， ； 为一次波束形成获取的定向地

震记录集，该数据对应具有方向性的地震波场，单次波束形成方法能改善地震数据信噪比；

数据集 对应的信噪比如果能够满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则继续执行步骤g；

g、对 重新赋初值，令初值为 ；对 重新赋初值，初值等于 ；

h、将 视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数 与延时参数 使用与一次波束形成处理相同的参数；经过再次波束形成处理得到的地震数据集记为 ，称为二次波束形成地震记录集，该数据信噪比较单次波束形成数据集 进一步提高；数据集 对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则继续执行步骤i；

i、对 重新赋初值，令初值为 ；对 重新赋初值，初值等于 ；

j、将 视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数 与延时参数 使用与一次波束形成处理相同的参数，经过本次波束形成处理得到的地震数据集记为 ，称为三次波束形成地震记录集，该数据信噪比较二次波束形成数据集 进一步提高；数据集 对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则可继续执行四次、五次……以致更多次的波束形成处理，直到数据信噪比已满足勘探需求为止。

说明书

基于接收阵列的地震波束形成方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种地球物理数据的处理方法，尤其是可控震源地震数据的预处理方法。背景技术：

[0002] 现有的可控震源地震勘探方法，由于对环境的无破坏性，在地震勘探中受到越加广泛的关注。

[0003] CN1560650公开了一种《相控可控震源系统》，

[0004] CN1560651公开了一种《相控阵地震勘探方法》，

[0005] CN101320095公开了一种《单震源定向照明地震信号合成方法》，

[0006] CN101339252《基于单震源的定向照明地震勘探方法》；可控震源地震勘探存在的主要问题是震源能量弱，背景噪声强，因此接收数据的信噪比较低，勘探深度浅。为了改善采集数据质量，可采用波束形成方法，形成方向性地震波。波束形成方法可在震源端实现，也可在接收端实现。在忽略噪声情况下，二者是等价的。源端的波束形成方法称为相控震源方法，该方法要求使用具有相位控制功能的震源系统，而且对各震源的一致性要求严格。发明内容：

[0007] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于接收阵列的地震波束形成方法。

[0008] 利用波束形成方法合成定向地震波数据，大幅度提高目的反射层地震数据信噪比或者大幅度提高可控震源地震勘探深度。

[0009] 基于接收阵列的地震波束形成方法，是针对共偏移距的多炮可控震源地震数据，利用波束形成技术，采用时域叠加方法，在接收端合成定向地震波数据。主要思想如下：针对常规可控震源地震数据集U，使用延时参数τ，与波束形成控制参数n，利用波束形成方法合成定向地震数据集V1；如果数据集V1的信噪比满足采集数据质量要求，处理结束；如果数据集V1的信噪比仍然很低，针对数据集V1，做二次波束形成处理，可得到定向地震数据集V2；依此类推……，可合成满足信噪比要求的定向地震波数据Vopt。定向地震波方向由延时参数控制。合理控制定向地震波方向，可使目标体的反射波信号信噪比显著增强。对解决强噪声地质区域及倾斜地质体勘探具有突出的实质性特点和显著的进步。

[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0011] 基于接收阵列的地震波束形成方法，包括下列顺序和步骤：

[0012] a、在勘探区域，设计可控震源地震测线，并采用等偏移距观测方法，即每一炮点记录的最大、最小炮检距保持不变，记录道数不变，道间距不变；

[0013] b、每次炮点移动距离为道间距的整数倍N，不妨设道间距为Δx，则炮点距为N×Δx；

[0014] c、按设定炮点距在该测线上移动炮点，保持偏移距不变，取得多炮地震记录U＝{R1，R2，...，Ri，...，RN}，i为炮点序号，Ri为第i炮记录，N为总炮数，令当前可处理的单炮记录数n＝N；

[0015] d、将取得的多炮地震记录分组。分组方法如下，设波束形成控制参数为m，m通常取为大于2的奇数。在记录集U上定义p个子集Ui，Ui+1，...，Uj，其中因此p＝j-i+1。任一子集Uw，代表一个地震记录分组，包含以第w个炮点为中心的相邻m个单炮点记录，即Uw＝{Rb，Rb+1，...，Rw，Rw+1，...Re}，此时

[0016] e、针对每个地震记录分组，采用波束形成技术，分别合成一炮定向地震记录。具体方法如下：以第w个炮点为例，选择数据集Uw，可合成第w炮定向地震记录。对Uw的M＝e-b+1个相邻炮点记录依次等间隔延时，即Rb延时(b-w)τ，Rb+1延时(b+1-w)τ，…，Rw延时为0，Rw+1延时τ，…，Re延时(e-w)τ。上述延时操作中，Rw之前的记录延时时间为负，相当于对记录在时间方向前移；Rw之后的记录延时时间为正，相当于对记录在时间方向后移。不妨设Uw内的记录延时后形成的新记录集为uw＝{rb，rb+1，...，rw，rw+1，...re}。将uw内的全部记录叠加在一起，可得到第w炮定向地震记录pw；

[0017] f、采用步骤e，可合成定向地震记录集V1，其中V1含n-(m-1)炮数据，记为V1＝{pj，pj+1....pk-1，pk}，其中 V1为一次波束形成获取的定向地震记录集，该数据对应具有方向性的地震波场，单次波束形成方法可改善地震数据信噪比；数据集V1对应的信噪比如果能够满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则继续执行步骤g；

[0018] g、对U重新赋初值，令初值为V1；对n重新赋初值，初值等于n-(m-1)；

[0019] h、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过再次波束形成处理得到的地震数据集记为V2，称为二次波束形成地震记录集，该数据信噪比较单次波束形成数据集V1进一步提高；数据集V2对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则继续执行步骤i；

[0020] i、对U重新赋初值，令初值为V2；对n重新赋初值，初值等于n-2×(m-1)；

[0021] j、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过本次波束形成处理得到的地震数据集记为V3，称为三次波束形成地震记录集，该数据信噪比较二次波束形成数据集V2进一步提高；数据集V3对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，否则可继续执行四次、五次……以致更多次的波束形成处理，直到数据信噪比已满足勘探需求为止。

[0022] 有益效果：经试验，本发明公开的基于接收阵列的地震波束形成方法适于背景噪声较强，难以得到高信噪比数据的地震勘探环境，与现有的单震源、相控震源及常规定向照明地震信号相比，基于接收阵列的地震波束形成方法对地震信号信噪比改善更为显著。与相控震源方法相比，本发明具有需要震源数目少，工作成本低，控制简单的优点，且克服了由于多激震器不一致造成的相控地震效果质量变差问题。与单震源、常规定向照明地震方法相比，本发明对地震数据质量改善明显，并能显著加强地震勘探深度。

[0023] 该方法的优势在于三方面。一是只需采用单个可控震源完成数据采集，因此采集过程简单，采集成本远低于阵列震源技术；二是与基于单震源的定向照明采集技术相比，在改善信噪比方面能力大幅提高；三是在不改变可控震源输出力情况下，可大幅度提高地震勘探深度。本发明尤其适用于背景噪声较强，难以得到高信噪比数据的层状地下介质情况。本方法适用于任何可控震源地震
附图说明：

[0024] 图1为基于接收阵列的地震一次波束形成方法示意图具体实施方式：

[0025] 基于接收阵列的地震波束形成方法，是在地震勘探系统的接收端多次应用波束形成方法，利用空域滤波手段，提取目标层反射地震波信号。采集的地震波主波束方向由每一次波束形成过程的延时参数控制。合理控制定向地震波方向，可使目标体的反射波信号信噪比最强。

[0026] 在每一次波束形成处理过程，波束方向参数都可以变化，但在实际过程中，建议采用同一方向，即采用相同的延时参数。每次数据采集时，炮点距可根据预定的水平叠加覆盖次数选取，原则上炮点距设为道间距的整数倍。

[0027] 在本实施例中以m＝3，炮检距＝道间距为例说明，二次波束形成处理为例说明，但基于接收阵列的地震波束形成方法的应用不受实例给出的参数限制。

[0028] 基于接收阵列的地震波束形成方法，包括下列顺序和步骤：

[0029] a、在勘探区域，设计可控震源地震测线，并采用等偏移距观测方法，即每一炮点记录的最大、最小炮检距保持不变，记录道数不变，道间距不变；

[0030] b、每次炮点移动距离为道间距的整数倍N，不妨设道间距为Δx，则炮点距为N×Δx；

[0031] c、按设定炮点距在该测线上移动炮点，保持偏移距不变，取得多炮地震记录U＝{R1，R2，...，Ri，...，RN}，i为炮点序号，Ri为第i炮记录，N为总炮数，令当前可处理的单炮记录数n＝N；

[0032] d、将取得的多炮地震记录分组。分组方法如下，设波束形成控制参数为m，m通常取为大于2的奇数。在记录集U上定义p个子集Ui，Ui+1，...，Uj，其中因此p＝j-i+1。任一子集Uw，代表一个地震记录分组，包含以第w个炮点为中心的相邻m个单炮点记录，即Uw＝{Rb，Rb+1，...，Rw，Rw+1，...Re}，此时

[0033] e、针对每个地震记录分组，采用波束形成技术，分别合成一炮定向地震记录。具体方法如下：以第w个炮点为例，选择数据集Uw，可合成第w炮定向地震记录。对Uw的M＝e-b+1个相邻炮点记录依次等间隔延时，即Rb延时(b-w)τ，Rb+1延时(b+1-w)τ，…，Rw延时为0，Rw+1延时τ，…，Re延时(e-w)τ。上述延时操作中，Rw之前的记录延时时间为负，相当于对记录在时间方向前移；Rw之后的记录延时时间为正，相当于对记录在时间方向后移。不妨设Uw内的记录延时后形成的新记录集为uw＝{rb，rb+1，...，rw，rw+1，...re}。将uw内的全部记录叠加在一起，可得到第w炮定向地震记录pw；

[0034] f、采用步骤e，可合成定向地震记录集V1，其中V1含n-(m-1)炮数据，记为V1＝{pj，pj+1....pk-1，pk}，其中 V1为一次波束形成获取的定向地震记录集，该数据对应具有方向性的地震波场，单次波束形成方法可改善地震数据信噪比；当数据集V1对应的信噪比如果不能满足地震勘探采集数据质量要求，继续执行步骤g；

[0035] g、对U重新赋初值，令初值为V1；对n重新赋初值，初值等于n-(m-1)；

[0036] h、将U视为常规地震数据，对该数据集采用上述d至f步骤，再次做波束形成处理，此次波束形成过程采用的控制参数m与延时参数τ原则上可独立选择，但建议使用与一次波束形成处理相同的参数。经过再次波束形成处理得到的地震数据集记为V2，称为二次波束形成地震记录集，该数据信噪比较单次波束形成数据集V1进一步提高；若数据集V2对应的信噪比如果满足地震勘探采集数据质量要求，处理过程结束，此时完成基于接收阵列的二次波束形成处理结束。

[0037] i、波束形成参数选取方法

[0038] 基于接收阵列的波束形成涉及的延时参数与接收地震波主波束方向存在如下关系

[0039] (公式1)

[0040] 其中炮点距d＝N×Δx，v为目标体上覆介质的平均速度。

[0041] 令

[0042] β＝-2πfτ，“-”表示按炮点顺序各单炮记录依次延时，f代表地震波中心频率。采用延时参数τ，经波束形成处理，可得到地震波场方向因子

[0043] (公式2)

[0044] 其中θ为观测方向的法向夹角，Fa(θ)反映了不同方向上地震波场强变化规律，由公式(1)和(2)可知，地震波主波束方向为

[0045] θmax＝arcsin(τ×v/d) (公式3)