专利名称：采集和处理海洋地震数据以提取和使用上行和下行波场的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及海洋地震数据采集和数据处理的领域。更具体地说，本发明涉及 用于设计和开动海洋震源、并用于处理此类数据的方法，其中，能提取并相长地相加源发射 的上行和下行波场。
背景技术：
在地震勘探中，通过在陆地表面附近将声能传递到陆地中，并且检测从地下岩层 的不同层之间的边界反射的声能，采集地震数据。在对于边界的相邻层之间声阻抗中存在 差异时声能被反射。解释表示检测到的声能的信号以推断地下岩层结构的组成和结构。在海洋地震勘探中，例如气枪或气枪阵列的地震能源一般用于将声能传递到水底 以下的地层中。一般在气枪或阵列由船牵引时在水中的选定深度开动气枪或阵列。相同或 不同的船在水中牵引称为“拖缆(streamer)”的一个或多个地震传感器电缆。通常，拖缆沿 其中牵引拖缆的方向在船后延伸。一般情况下，拖缆包括在电缆上沿电缆间隔开的已知位 置安置的多个水听器。如本领域已知的，水听器是生成对应于水压或水中压力的时间梯度 (dp/dt)的光或电信号的传感器。牵引一个或多个拖缆的船一般情况下包括记录设备以做 出水听器响应检测到的声能而生成的信号的记录(相对于时间来编索引)。如上所述，信号 的记录经处理以推断执行地震勘测的位置下方的陆地地层的结构和组成。海洋地震数据包括限制推断地下岩层的结构和组成的精确度的效应。称为震源虚 反射现象(source ghosting)的此效应是由于与水面上方的空气相比、水具有大不相同压 力波的传播速度和密度而引起的。震源虚反射现象能理解如下。在开动气枪或气枪阵列 时，声能一般从气枪或阵列向外辐射。一半的能量向下传送，其中它穿过水底，并且进入地 下岩层。另一半声能从气枪或阵列向上传送，并且大部分此能量从水面反射，它因此而向下 传送。反射的声能将在时间上延迟，并且在相位上也将与直接向下传播的声能偏移大约180 度。表面反射的向下传送的声能通常称为“虚反射”信号。虚反射信号干扰直接向下传播 的波�。谄荡囊恍┎糠种性斐上喑じ扇牛谄荡钠渌糠种性斐上嘞扇�。这在频谱 中造成在频率中相等间隔的一系列陷波(notch)，包括在零频率(OHz)的陷波。如本领域所 公知的，检测到的声信号中这些陷波的频率与安置气枪或气枪阵列所在的深度有关。震源 虚反射现象的效应一般称为“震源虚反射(source ghost)”。源发射的地震能量由于几何扩展、传输损耗和吸收而随传播距离衰减。更高频率 能量的吸收速率大于更低频率能量是本领域中公知的。因此，对于深穿透，合乎需要的是使 在较低频率的源发射的能量最大化。由于震源虚反射在OHz具有陷波，因此，它限制低频带端中的能量。这可通过在更大的深度来牵引源而改进。然而，这造成在频谱中在更低频率 发生虚反射陷波，并因此限制更浅目标的高分辨率成像所需的频谱的高频部分。此外，在使 用气枪作为地震能源时，枪的基本频率随深度的增加而增加。因此，在由于震源虚反射而将 气枪牵引得更深时，低频率端中能量的增加被气枪的基本频率中的增加所抵消。当使用气枪时跨带宽增加源发射的信号水平的传统方式是增加气枪释放的空气 的总体积和/或增加操作压力。然而，能为每个点(spot)释放的空气的最大体积和最大气 压受可用源设备和供气系统限制。要改变此方面能够是成本极高的，而且耗时。此外，增加 源强度可对海洋生物有影响。因此，最大化源发射的信号的使用可具有很大的价值，并且降 低增加源发射的能量水平的需要。通过从源提取向上(虚反射的)和直接向下传播的波�。� 震源虚反射的效应被消除，并且所有虚反射陷波周围的信号被增强，包括在OHz的陷波。这 些分离的波场也能在时移到海面或使用已知源深度的共同参考深度，随后通过将180度相 移应用到虚反射的信号，它们能相长地汇总在一起。以此方式，利用了从源发射的几乎所有 能量，这因此几乎将对于给定能源的主能量水平翻倍。在 M. Egan 等人的"Full deghosting of OBC data with over/undersource acquisition，， (2007 Annual Meeting, San Antonio, TX, Societyof Exploration Geophysicists)中描述了技术领域中已知的用于提取震源虚反射的一种技术。Egan等人 的出版物中描述的技术包括在水中的第一深度牵引第一地震能源，并且在水中的第二深度 牵引第二地震能源。源是气枪或气枪阵列。第二源也在第一源后的选定距离处牵引。开动 第一源，并记录对应于第一源的开动的地震信号。在牵引船(towing vessel)已经移动以 使得第二源安置在与第一源在其开动时大致相同的大地位置(geodetic position)后，开 动第二源，并且再次记录地震信号。使用Egan等人的出版物中更完全描述的技术，获得“去 虚反射的(deghosted)”地震数据集。与上面引用的Egan等人的出版物中描述的上方/下方(over/under)源技术有关 的主要问题之一是与常规源开动技术相比，点位置的数量是一半，从而造成覆盖倍数(fold coverage)是一半。如果地震检波器(receiver)在船后面牵引，并且因此从点到点而移动， 则与此技术有关的另一问题是当在开动不同深度处的源的时间之间检波器移动了相当大 的距离。要保持如常规海洋地震采集中的覆盖倍数和点位置的数量，并且将开动在不同深 度的源时检波器位置中的差别最小化，具有用于提取震源虚反射、允许在每个点记录的记 录期间开动在不同深度牵引的源的方法是合乎需要的。颁发给S. Vaage的并与本发明共同被拥有的美国专利6882938中描述了本领域中 已知的用于在每个点记录的记录期间开动多个源的一种技术。在所述技术中，以相对于地 震记录的开始的选定可变时间延迟来开动多个源。在校正开动该源的已知时间延迟后，能 通过使用某些域中来自一个源的信号的相干性，提取每个单独源发射的波场。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于采集和处理海洋地震信号以从震地震能源提取 上行和下行波场的方法包括在水体中的不同深度和大致在相对于地震勘探船(seismic vessel)的相同纵向位置部署至少两个海洋地震能源。这些地震能源以从点记录到点记录 变化的已知时间延迟来开动。同时记录来自每个源的地震信号。从记录的地震信号来提取对应于每个源的地震能量。使用从其提取的地震能量，为每个源提取上行和下行波场。该 方法还包括校正在不同深度牵引的所述源的特征(signature)中的差别，或者设计在不同 深度牵弓I的源，使得它们具有几乎相同的特征。根据本发明的另一方面，一种用于海洋地震勘测的方法使用来自地震能源的分离 的上行和下行波场。分离的上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。上行 或下行波场之一在相位上偏移180度。最后，汇总这些修改的上行和下行波场。根据本发明的另一方面，一种用于使用在不同深度和大致在相同的源大地位置操 作的至少两个地震能源的海洋地震勘测的方法包括从记录的信号分离来自每个源的能量。 从分离的能量提取对应于每个源的上行和下行波场。来自每个源的分离的上行和下行波场 被传播到水面和共同参考深度的至少一个。传播的波场之一在相位上偏移180度。汇总相 移的传播的波场。从下面的描述和随附权利要求，将明白本发明的其它方面和优点。
图1在截面中示出采集地震数据以显示地震能源的示例布置。图2示出采集地震数据的平面图以显示地震检波器拖缆的示例布置。图3示出根据本发明的示范过程的流程图。图4示出单个地震源的谱输出和根据本发明操作的组合地震源的谱输出的示例。
具体实施例方式图1在截面视图中示出根据本发明的用于采集地震数据的示例布置。地震勘测船 10沿例如湖泊或海洋的水体11的表面IlA移动。船10 —般包括概要地在12示出并为方 便起见而称为“记录系统”的设备。记录系统12可包括用于选择性开动地震能源14、16 (下 面解释)的装置(未分开示出)，以用于开动和记录由传感器或检波器20响应传递到水11 中并由此传递到水底13下的岩层19、21中的地震能量而生成的信号(下面解释)，以及用 于随时确定船10、地震能源14、16及多个地震传感器或检波器20中每个地震传感器或检波 器的大地位置。船10示出在牵引两个地震能源14、16。地震能源14、16能够是任何类型的海洋 能源，包括但不限于气枪和水枪或此类能源的阵列。在图1所示的示例中，源14、16大致在 船10后的相同距离和在水11中的不同深度被牵引。在其它示例中，源14、16可由不同船 (未示出)牵引，或者可以在固定位置中(假设深度是不同的，如图1中所示)。因此，使勘 测船10牵引源14、16并不是对本发明的范围的限制。船10还示为牵引地震拖缆18。然而，本发明一般涉及能源，并且因此可与任何配 置中的任何类型的牵引地震拖缆、海底电缆、钻孔中部署的传感器等一起使用，以及可与包 括但不限于压力传感器、压力时间梯度传感器、速度传感器、加速计等任何类型的接收传感 器或它们的任何组合一起使用。在图1中布置的操作期间，在相对于地震记录的开始的第一延迟时间之后选定的 时间，采集系统12开动地震能源的第一个源，如源14。来自第一源14的能量如在24所示 从其向外传送。一些能量向下传送，其中，这些能量在声阻抗边界、例如水底13和在不同岩层19、21之间的边界15、17反射。为了图示的的清晰，图1中仅示出水底反射。来自第一 源14的能量的上行部分如图1中所示从水面IlA反射。记录系统12配置成在相对于地震 数据记录开始的第二选定时间延迟的结束时，或者备选地在第一源14的开动之后或之前 的选定时间后开动第二地震能源，例如，源16。如图1中在22所示，从第二源16向外传送 的能量与来自第一源14的能量沿类似的路径移动。在本发明中，具有上述时间延迟的第一 和第二地震能源的每次开动可称为“开火顺序(firing sequence) 时间延迟以已知的随 机、半随机或系统性方式从开火顺序到开火顺序而变化。一般情况下，时间延迟小于一秒， 但也可以更长。用于源的开火的时间延迟在每个开火顺序中不同也是重要的。开火第一源 与第二源之间的时间延迟中的差别也应该以已知方式来变化，该方式可以是随机、半随机 或系统性的。图2在平面图中显示图1的布置以示出牵引多个横向间隔开的拖缆18。使用本领 域公知类型的牵引设备23，能将拖缆18保持在其相对于船10的相对横向和纵向位置中。 图2中还示出的是，第一源14和第二源16能横向移位(和/或在其它示例中纵向移位)以 在源14、16是气枪或其阵列的情况下避免在水11中已经从第一源14驱散空气影响从第二 源16向上传送地震能量。横向和/或纵向移位设想为只有几米，以便源14、16提供的能量 相当于源14、16处于相同的垂直平面中和船后相同的纵向距离、或换而言之基本上在相同 的大地位置时将发生的能量。通过避免在开动时已经在第二源16上方驱散空气，水面(图 1中的11A)的效应将(在对于水深度进行调整后)大致与其在第一源(图1中的14)上的 效应相同。当船10、源14、16及拖缆18在水11中移动时，对于多个开火顺序重复上面解释的 源开动和信号记录。记录系统12为每个开火顺序进行的信号记录可称为“点记录”，并且每 个此类点记录将为每个检波器20包括对应于由第一源14和第二源16产生的地震能量的信号。现在将参照图3中的流程图来解释根据本发明的一个示例方法。在100，开动第一 源(图1中的14)。此类开动可使用相对于地震信号记录的开始的时间延迟来执行。在102，可以在具有不同时间延迟的多个开火顺序中开动第二源(图1中的16)。 第一源与第二源的开动之间的时间延迟需要从开火顺序到开火顺序地变化，并且可以为负 值，使得第二源的开动可先于第一源的开动。使用相对于记录时间的可变时间延迟的第一 和第二源的上述开火可对于多个开火顺序来重复。对于每个此类开火顺序，如在104所示， 并且也如上所解释，每个拖缆中的检波器测量信号。同样如上所解释的，记录系统(图1中 的12)可在每个开火顺序中进行检波器产生的信号的记录。在106，测量的信号可存储到共同检波器位置聚集(gather)或由来自不同点记录 的轨迹(trace)所组成的某一其它聚集中。共同检波器位置聚集是从点记录选择的轨迹的 集合，其中，对于每个轨迹，在相应轨迹的记录时，检波器位于大致相同的大地位置。再参照 图1，第一开火顺序可生成例如用于离船10最近的检波器20的信号(“轨迹”)。在船10 已经移动以使得沿拖缆18的下一检波器20位于与第一开火顺序时最近检波器的位置大致 相同的大地位置时，可如上所解释的在第二开火顺序中开动源14、16。在第二开火顺序中从 第二检波器20记录的轨迹将表示相对于在第一开火顺序中从第一检波器记录的轨迹的共 同检波器位置记录。由于检波器20的大地位置可在每个开火顺序中由记录系统12中的设
7备(未单独示出)来确定，因此，将处理的轨迹分类到共同检波器位置聚集中可包括选择轨 迹，其中，从其生成轨迹的检波器的大地位置大致相同。再次参照图3，在108，接收的信号可与第一源的开动时间在时间上对齐。在一些 示例中，第一源的开动时间和记录时间的开始可以相同，并且此类时间对齐可在此类示例 中不使用。例如，通过将每个共同检波器位置聚集中的每个轨迹时移每个开火顺序中第一 源相对于信号记录时间的开始的时间延迟，可执行时间对齐。已时间对齐的来自第一源的 能量随后将在检波器聚集中是相干的，而对于第二源的能量将是非相干的。在110，在要求 提取从第一源(图1中的14)产生的记录的信号的部分时，相干滤波器或其它技术可在相 对于开火第一源的时间对齐之后应用到共同检波器位置轨迹聚集。例如，在P. Akerberg ^AW "Simultaneous source separation by sparse radontransform" (2008 Annual Meeting, Las Vegas, NV, Society ofExploration Geophysicists)中描述了用于将来自 各个开动的源的信号提取到具有可变时间延迟的相同地震记录中的技术。在S. Spitz的 "Simultaneous source separation :a prediction-subtraction approach"(2008 Annual Meeting，Las Vegas, NV, Society of ExplorationGeophysicists)中描述了另一禾中技术。在112，随后可将共同检波器位置聚集时间对齐到每个开火顺序中第二源(图1中 的16)的开动时间。例如，通过将每个共同检波器位置聚集中的每个轨迹时移每个开火顺 序中的时间延迟，可执行时间对齐。在114，可在第二源时间对齐的共同点记录轨迹上执行 相干滤波或例如基本上如上参照图3中的110所解释的Akerberg等人的出版物中描述的 技术。在116，从第一源和从第二源产生的上行和下行分量信号可在所谓的“上方/下 方”处理技术中用于提取震源虚反射的效应。在本文背景部分中引用的M. Egan等人的 "Full deghosting of OBC data withover/under source acquisition，， (2007 Annual Meeting，San Antonio，TX, Society of Exploration Geophysicists)中描述了此类技术 的一个示例。在Egm等人的参考文献中描述的技术是基于在B. Posthumus的“Deghosting using a twin streamer configuration，， (52nd annualmeeting， Copenhagen， Denmark， European Association of Geoscientistsand Engineers，1990)中描述的双拖缆技术。概 述如应用于本发明的Posthumus的出版物中所述的方法，源于第一源的地震信号相对于源 于第二源的地震信号进行相位和幅度校正，并且校正的信号被相加为加权和以生成去虚反 射信号。用于通过上方/下方配置来分离上行和下行波场的技术在D. Monk的“Wavefield separation of twin streamerdata，，(First Break Vol. 8, No. 3,1990 年 3 月)中描述。有关上方/下方方法的以前工作专注于对水体中不同深度操作的地震检波器的 应用(参见上述记载的参考文献)。地震检波器一般在所有可应用深度具有相同的响应(幅 度和相位)。因此，在组合来自两个(或更多)深度的数据集合前无需应用响应校正。当 该方法应用到地震能源时，相同情况并不成立，因为海洋地震能源的波场基本上对静水压 力敏感，而静水压力又是源深度的函数。因此，在如应用到地震能源的上方/下方方法中， 存在需要应用的对于源响应的另外校正。注意，如果各个源响应专门设计成在源本身在不 同深度操作的情况下在选定参考深度接近一致，则此类校正将是不必要的。存在用于设计、 测量或计算震源的波场的多种已知技术，这些技术具有不同级别的精确度。能直接测量波 场或波场中的选定位置(例如，远场测量)，或者能基于源的物理模型来计算波场。还存在源监视的各种方法，这些方法使用在震源阵列上安置的各种传感器来从点到点地确定源阵 列的波场。这些方法包括Anton Ziolkowski等人提出的所谓Notionalsource方法(1982) 和例如颁发给Parkes的并与本发明共同被拥有的美国专利7218572 (Method of Seismic Source Monitoring Using ModeledSource Signatures with Calibration Function)。在116，上方/下方波场分离的结果是分离成单独波场的来自两个源的直接向下 传播的能量和上行虚反射的能量。在118，这些分离的上行和下行波场被传播到海面或基于源的已知牵引深度的任 何选定的共同参考深度。可基于已知的源深度和接收的进入波前的角度，使用角度相关的 时移来执行传播，或者在频域中执行传播时，通过线性相移来执行传播。由于海面(水面) 表示负反射系数，因此，在120随后对上行(虚反射)波场进行180度相移。最后，在122 可汇总上行和下行波场。以此方式，能相长地使用由两个源发射的大部分能量。图4示出在曲线80的相对于气枪源阵列的频率的能量输出的图形和与其对比的 在82的具有相同总体积和能量输出的类似源的能量输出的图形，其中，阵列的一半在一个 深度操作，并且阵列的另一半在不同深度操作，并且信号如上所解释地处理。由于进行来自源的上行和下行波场的相长汇总的跨频带的地震信号的显著增强， 根据本发明的方法可提供改进质量的地震图像。虽然本发明已相对于有限数量的实施例进行了描述，但受益于此公开的本领域的 技术人员将认识到，能设计不脱离如本文所公开的本发明的范围的其它实施例。因此，本发 明的范围应只受随附权利要求限制。
权利要求
一种用于采集和处理海洋地震信号以从地震能源提取上行和下行波场的方法，所述方法包括在水体中的不同深度和大致在自地震勘探船的相同纵向位置部署至少两个海洋地震能源；在多个开火顺序中开动所述地震能源的每个，每个顺序在开火每个源和地震信号记录的开始之间具有已知的不同的时间延迟；记录对应于每个开火顺序的地震信号；从所记录的地震信号来提取对应于所述源的每个源的地震能量；以及使用从其所提取的地震能量来提取上行和下行波场的至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述时间延迟在开火顺序之间以随机、半随机和系 统性方式中至少一种方式来变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中提取来自每个源的地震能量包括相对于每个源的开 火时间将所记录的信号进行时间对齐和相对于对应的时间对齐的源开火对所述时间对齐 的信号进行相干滤波。
4.如权利要求1所述的方法，还包括校正在不同深度牵引的所述源的特征中的差别。
5.如权利要求1所述的方法，还包括设计在不同深度牵引的源，使得它们具有几乎相 同的特征。
6.如权利要求1所述的方法，其中使用压力传感器、压力时间梯度响应传感器、压力深 度梯度响应传感器、质点运动响应传感器及它们的组合中至少一个来测量所述信号。
7.如权利要求1所述的方法，还包括将来自每个源的所分离的上行和下行波场传播到 水面和共同参考深度的至少一个，将所述上行和所述下行波场之一 180度相移，并且汇总 所传播的相移的上行和下行波场。
8.如权利要求7所述的方法，其中基于已知源深度和发射角度，使用角度相关的时移， 将所提取的上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
9.如权利要求7所述的方法，其中在频域中使用角度相关的线性相移，将所提取的上 行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
10.一种用于海洋地震勘测的方法，包括从至少一个海洋地震能源发射的地震能量分离上行和下行波�。唤醋运鲋辽僖桓鲈吹乃掷氲纳闲泻拖滦胁ǔ〈サ剿婧凸餐慰忌疃鹊闹� 少一个；将所述上行和下行波场之一 180度相移；以及汇总所传播的相移的上行和下行波场。
11.如权利要求10所述的方法，其中基于已知源深度和发射角度，使用角度相关的时 移，将所分离的上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
12.如权利要求10所述的方法，其中在频域中使用角度相关的线性相移，将所分离的 上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
13.如权利要求10所述的方法，其中在将所述波场传播到水面和共同参考深度的至少 一个之前，将所分离的上行和下行波场之一 180度相移。
14.如权利要求10所述的方法，其中在180度相移前，将所述上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述地震能量由在不同深度和大致在相同的大地 位置操作的至少两个源来发射。
16.一种用于使用在不同深度和大致在相同的源大地位置操作的至少两个地震能源的 海洋地震勘测的方法，包括从记录的信号分离来自所述源的每个源的能量；从所分离的能量来分离对应于每个源的上行和下行波�。唤醋悦扛鲈吹乃掷氲纳闲泻拖滦胁ǔ〈サ剿婧凸餐慰忌疃鹊闹辽僖桓觯唤サ牟ǔ≈� 180度相移；以及汇总所相移的传播的波场。
17.如权利要求16所述的方法，其中基于已知源深度和发射角度，使用角度相关的时 移，将所分离的上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
18.如权利要求16所述的方法，其中在频域中使用角度相关的线性相移，将所分离的 上行和下行波场传播到水面和共同参考深度的至少一个。
19.如权利要求16所述的方法，其中在将所述波场传播到水面和共同参考深度的至少 一个之前，将所分离的上行和下行波场之一 180度相移。
20.如权利要求16所述的方法，其中在180度相移前，将所述上行和下行波场传播到水 面和共同参考深度的至少一个。
全文摘要
本发明名称为“采集和处理海洋地震数据以提取和使用上行和下行波场”。一种用于采集和处理海洋地震信号以从地震能源提取上行和下行波场的方法包括在水体中的不同深度部署至少两个海洋地震能源。这些地震能源以从点记录到点记录而变化的已知时间延迟来开动。同时记录来自在不同深度部署的源的地震信号。从记录的地震信号提取对应于每个源的地震能量。使用从其提取的地震能量，从在不同深度部署的源提取上行和下行波场。一种方法包括将分离的上行和下行波场传播到水面或共同参考，将上行或下行波场180度相移，并且汇总来自这些修改的上行和下行波场的信号。
文档编号G01V1/24GK101907728SQ20101020097
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月2日 优先权日2008年6月2日
发明者G·E·帕克斯, S·赫娜 申请人:Pgs地球物理公司
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