地震数据常用显示方式解析

王秋成,郭 敏,王建锋,接铭丽,杜清波,任艳永,马 竹

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司采集技术中心 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震勘探中地震波记录的是检波器震动情况,地震波振幅的强弱反映检波器震动幅度的大小,地震波中初至波通常在地表传播,衰减比较小,振幅较强。从地下传回的地震波随着波传播时间的增大振幅有逐渐变小的趋势。地震波频率的高低体现了检波器震动频率,油气地震勘探的有效信号频率通常在几赫兹到100 Hz左右。单炮数据显示是地震采集现场最常用的质控工具,能直接反映单炮记录数据品质的好坏[1-2]。地震数据显示工具是对记录地震波的显示,为了能更好地适应人眼的视角需求,地震数据显示软件中通常有多种显示方式[3-7]。由于现场技术人员通常对单炮数据显示机理不是很了解,对显示方式参数的选取也比较困惑,通常采用一种默认的显示方式,这必然导致有些单炮数据的细节显示不够清晰。地震数据显示方式主要有单道均衡、多道均衡、固定增益、自动增益控制(AGC)4种,每种显示方式都有各自的应用场景[8-11]。这几种显示方式在地震处理软件中可以作为处理模块应用,在地震数据显示中对数据进行处理后再显示,并不进行数据输出。本文从地震数据显示的基本原理出发,介绍了4种显示方式和3种均衡因子的计算方法,以及在地震采集现场每种显示方式的应用实例。

1 地震数据显示方式

1.1 单道均衡

单道均衡显示是地震采集现场最常用的显示方式,此种显示方式最大的特点是将各道数据都均衡到同一水平,单炮记录上远近偏移距各道能量没有明显差异,在时间方向上,从初至附近向下随着时间的增加能量逐渐变弱。

单道均衡显示中需要每一道计算一个均衡因子,再将单炮记录实际采样点值归一化进行显示。计算均衡因子的方法主要有均方根、平均值、最大值3种方法。

(1)均方根法单道均衡

对于均方根均衡因子的计算,首先计算单道的均方根值,见式(1)。

(1)

式(1)中:SRMS为某一单道数据的均方根值;di为地震数据的采样点值,i从1到N;N为单道数据的采样点数。

为了便于采样点的显示,将单道采样点值进行归一化处理,见式(2)。

(2)

式(2)中:Ai为归一化采样点值,归一化最大值FMax=SRMS,归一化最小值FMin=-SRMS,SRMS由式(1)计算得到。

(2)平均值法单道均衡

平均值法均衡因子计算中的平均值计算见式(3)。

(3)

式(3)中:SAVE为单道的采样点绝对值计算得到的平均值;N为单道数据的采样点数。

单道平均值法均衡因子采样点值由式(2)计算得到,式中归一化最大值FMax=SAVE,归一化最小值FMin=-SAVE,SAVE由式(3)计算得到。

(3)最大值法单道均衡

求取单道数据采样点值的最大值dMax和最小值dMin,FMax=dMax,FMin=dMin,代入式(2)得到最大值法单道均衡后的采样点值。

1.2 多道均衡

多道均衡显示方式在地震采集现场也是一种比较常见的显示方式,此种显示方式特点是在不同偏移距上,随着偏移距的增大能量逐渐变弱,在时间上随着时间的增加能量也会随之变弱。

多道均衡显示方式下,每一炮计算一个均衡因子,计算这个均衡因子采用的数据可以是整个炮集数据,也可以采用其中的一个或几个排列来计算,计算均衡因子的方法有均方根、平均值、最大值3种方法。具体计算公式可以参考单道均衡的计算公式。

1.3 固定增益

固定增益显示方式最大的特点是单炮记录不仅在偏移距、时间方向上存在能量变化,在不同炮集之间也可以体现出能量变化,方便对比各炮能量的激发情况。

固定增益显示中均衡因子是一个固定值,均衡因子采用式(2)计算得到,式中FMax=Value,FMin=-Value,Value可以是给定的一个正数,也可以通过炮集计算得到,例如通过炮集数据计算得到的均方根值、平均值,或最大值都可以作为Value值。

1.4 自动增益控制(AGC)

自动增益控制经常应用于地震数据处理中,但在地震采集中也是一个很常用的显示工具。自动增益控制显示方式对单炮数据无论是在时间还是偏移距方向都有削强补弱的功能,对于地震反射同相轴有很好的增强显示作用,为了更好地体现地震采集有效信号信息,在纸质显示单炮数据时常常采用自动增益控制(AGC)显示方式来打印。

(4)

(5)

式(5)中:Ai为自动增益后的采样点值,di为单炮数据的原始采样点值。

单炮数据采样点值经过自动增益控制(AGC)处理后,还需要进行归一化才能进行显示,均衡因子的计算方法参考单道均衡中均方根、平均值、最大值3种方法计算得到。

从自动增益控制(AGC)算法中可以看出,由于每个采样点的增益因子是单独计算得到,经过自动增益控制(AGC)显示后,单炮数据在时间和偏移距方向的能量差异都会被削弱,且随着增益时窗的减小增益效果越强。

2 各种显示方式应用效果分析

2.1 单道均衡显示方式

在单炮数据显示中,默认的显示方式通常为单道均衡显示方式,单道均衡显示能很好地显示地震单炮数据远近各道的波形特征,尤其是对于远偏移距单道数据。图1为同一单炮记录多道均衡和单道均衡显示。图1(a)采用多道均衡方式进行显示,远偏移距道由于能量比较弱,显示几乎为空白;图1(b)采用单道均衡方式进行显示,远偏移距道能很好地显示,整体单炮面貌也更为清楚。在检波器极性测试中,为了突出初至波的极性,采用单道均衡显示更为适合。为了检查地震采集单炮辅助道是否有问题,单炮辅助道集中显示中采用单道均衡也更为合适。单道均衡显示参数主要有归一化方式和比例因子,通过选择不同的归一化方式和填写比例因子的大小调整显示效果。显示振幅大小主要通过调整比例因子的大小来实现,比例因子过小,无法清楚显示地震波形特征;比例因子过大,相邻道波形重叠无法清楚显示波形特征。

2.2 多道均衡显示方式

多道均衡显示可以更好地整体展示地震波能量随时间和距离的变化规律。图2为纵波震源激发,三分量检波器接收多道均衡和单道均衡显示。

图2 纵波震源激发,三分量检波器接收多道均衡和单道均衡显示

图2中,单炮记录上相邻3道分别对应Z分量、X分量和Y分量。图2(a)为多道均衡显示方式,由于各道采用一个均衡因子进行显示,可以更好地体现各道之间的能量关系。图2(b)为单道均衡显示方式,由于各道单独进行均衡,3个分量单道数据显示的振幅基本相同。纵波激发,记录的Z分量能量最强,X和Y分量能量比较弱。多道均衡显示参数和单道均衡显示参数相同,通过选择归一化方式和填写比例因子大小来调整单炮显示效果。

2.3 固定增益显示方式

在地震采集开工试验中通常进行井深、药量或震次对比,对比各炮地震波能量强弱用固定增益显示方式较为适合。图3为在固定增益显示方式下不同单炮数据的显示结果。图3(a)单炮能量比较强,图3(b)单炮能量比较弱,两炮的能量差异比较大。如果采用单道均衡或多道均衡方式无法体现两炮之间的能量差异。在可控震源和井炮多种震源激发的工区,由于可控震源激发后的单炮是相关后的数据,和井炮激发的单炮记录采样点值不在同一数量级,如果采用固定增益显示会导致某一种类型的激发单炮显示得很不清楚,最好采用其他显示方式进行显示。固定增益参数主要是固定增益因子,增益因子的值越小,增益效果越明显,需要填写合适的值才能清楚地显示单炮地震数据波形特征。

图3 不同单炮固定增益显示

2.4 自动增益控制(AGC)显示方式

自动增益控制(AGC)显示方式能更好地突出高频弱小地震波的接收效果。图4为同一单炮记录的不同显示方式。图4(a)为单道均衡显示,由于单道采用一个均衡因子,较深地层反射同相轴不是很清楚。图4(b)为自动增益控制(AGC)显示方式,自动增益控制(AGC)时窗长度500 ms,能更好地显示深层的有效信号反射同相轴。图4(c)为自动增益控制(AGC)显示方式,自动增益控制(AGC)时窗长度100 ms,由于采用的增益时窗长度更小,自动增益效果更为明显。自动增益控制(AGC)显示方式参数为时窗长度,时窗长度越大增益效果越不明显,时窗长度越小增益效果越明显。如果采用的时窗过小,会造成地震波严重变形,呈现很多虚假信息。所以,在自动增益控制(AGC)显示方式中选择合适的时窗长度非常重要。

图4 同一单炮记录不同显示方式

3 结 论

地震数据显示是野外地震采集现场的重要质控工具,应用非常广泛。本文介绍了在地震采集现场地震单炮数据显示中常用的单道均衡、多道均衡、固定增益、自动增益控制(AGC)4种显示方式,及其在地震采集现场的应用技巧,结论如下:

1)地震单炮数据各种显示方式本身没有好坏之分,各自都有对应的应用场景。

2)单道均衡显示是最为常用的单炮数据显示方式,能很好地体现地震单炮数据的整体面貌,尤其是对于远偏移距单道数据。

3)多道均衡显示能很好地显示出单炮数据中各道之间的能量差异。

4)固定增益显示可以显示出各炮之间的激发能量强弱,但对于可控震源和井炮多种震源激发的工区,最好采用其他的显示方式。

5)自动增益控制(AGC)显示能更好地显示出深层有效信号反射同相轴,纸质显示单炮数据时常常采用AGC显示方式来打印。