丁拼搏，李录明，邓颖华

(成都理工大学 “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059)

非零偏VSP多波波场分离方法

丁拼搏，李录明，邓颖华

(成都理工大学 “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059)

这里研究了中值滤波法在波场分离中的应用，分析了中值滤波中参数的选择对分离效果的影响，并应用中值滤波法分离上行波、下行波。同时，对VSP中纵波、横波的偏振方向进行了分析，利用上行波、下行波振幅矢量关系对VSP记录进行纵波、横波分离，得到良好的分离效果。理论模型处理结果表明，应用中值滤波分离上行波、下行波，再利用偏振关系分离纵波、横波，可以得到较为满意的VSP上行纵波记录和横波记录，分离后的记录是VSP反射波成像的基础。

波场分离;非零偏VSP;多波;中值滤波;偏振分析

0 前言

由于VSP资料包含了十分丰富的波场信息及其特殊的作用，目前非零偏及三维VSP多波勘探是发展的方向。相对地面地震，在非零偏VSP勘探中，将三分量检波器置于地下井中，能同时接收到下行直达纵波、横波和上行反射纵波、横波。在VSP资料中，上行波和下行波互相交织在一起，纵波、横波相互重叠在一起，因此在VSP资料处理中，有效地分离上行波和下行波，以及分离纵波和横波，是一项基本且重要的任务。作者在本文先利用中值滤波法分离上行波、下行波，再利用偏振分析方法分离P波和S波，得到了良好的纵波、横波记录。

1 VSP波场分离原理

1.1 分离上行波、下行波的中值滤波方法

中值滤波是一种非线性滤波，在地震资料处理中，特别适用于噪声特性不很了解或者噪声与信号频谱范围重叠的情况，同时它不需要变换坐标系，波场信息的畸变程度不大。因此，中值滤波是分离VSP上行波、下行波最有效的方法之一。

中值滤波的数学原理是:假设待处理数据序列为Xi(i=1，2，…，m)，取中值滤波的长度为 N(N一般取奇数)，则中值滤波的运算过程为:

(1)取以第 j点为中心的 N 个样点值 Xj－(n－1)/2、…、Xj、…、Xj+(n－1)/2(X 的下标是顺序变化)。

(2)对这N个样点数，按X数值大小进行重新排序。

(3)取重新排序的N个数据中心位置的样点值，作为该点的中值滤波输出。

利用中值滤波法，对VSP资料进行上行波、下行波场分离的步骤如下:

(1)静态时移与排齐。将VSP各道数据按照各自初至时间，校正到某一相同时间，使下行波同相轴在某一时间方向排齐成水平状。

(2)对每一时间样点，沿道序方向进行中值滤波。这时排齐的下行波得到增强，而倾斜方向的上行波大大削弱。

(3)将中值滤波的结果，按原来的时移时间反向时移。

(4)从初始数据中减去下行波，得到上行波，完成VSP上行波、下行波波场分离。

在利用中值滤波进行波场分离时，应当注意以下两个问题:

(1)参数问题。跨度是中值滤波的一个重要参数。跨度N的选取，取决于需平滑的同相轴偏离所选方向的倾斜度，倾斜度越大，N的值应越大，否则达不到衰减倾斜同相轴的目的。同时，选择的跨度越大，会增大数据重排的工作量，降低计算效率。因此应当选取一个兼顾效果和效率的合适的跨度值进行中值滤波。

(2)边界效应。数据边界效应是地震资料处理中的关键因素之一。在中值滤波中，需利用前、后共N道的值(前、后道数一致)，在计算边界值时，道数不足所选滤波跨度，就会产生边界效应。作者所选取的方法是在读取数据道时，采用变跨度N的方法减小边界效应带来的影响。

1.2 分离纵波、横波的偏振分解方法

设VSP二分量记录AH(h，t)和AZ(z，t)，对它们进行上行波、下行波分离之后，得到水平分量上行波、下行波 AHD(h，t)、AHU(h，t)和垂直分量上行波、下行波AZD(z，t)、AZU(z，t)。如果是VSP资料为三分量记录，则需要将两个水平分量X分量和Y分量合成为一个水平分量H分量，再进行上行波、下行波和纵波、横波的分离。

在VSP资料中，P波与S波的振幅矢量关系不同，根据波动理论，纵波引起的质点振动方向与波传播方向一致，横波引起的质点振动方向与波的传播方向垂直。

首先考虑下行波的情况，下行波的振幅矢量关系如图1(a)所示。从图1(a)中可以看出，下行纵波的矢量振动集中在第一、三象限，下行横波的矢量振动集中在第二、四象限，如图2(a)所示。即:

式中 AHD(h，t)和AZD(z，t)分别表示H分量下行波和Z分量下行波，当下行波的H分量和Z分量同相时，即为纵波;当下行波的H分量和Z分量反相时，即为横波。

同理，考虑上行波的情况，上行波的振幅矢量关系如图1(b)所示，上行纵波的矢量振动集中在第二、四象限，而上行横波的矢量振动集中在第一、三象限，如图2(b)所示。

即:

式中 AHU(h，t)和AZU(z，t)分别表示H分量上行波和Z分量上行波。当上行波的H分量与Z分量同相时，即为横波;当上行波的H分量和Z分量反相时，即为纵波。

图1 VSP上行、下行波振幅矢量关系图Fig． 1 VSP up and down wave amplitude vector

图2 VSP上行、下行波中纵横波振幅矢量关系图Fig． 2 P and S wave amplitude vector in VSP up and downwave

图3 VSP记录中某道的振幅矢量对比图Fig． 3 Amplitude vector comparison in VSP data

图3 是从某VSP记录中，抽取的某一道的二分量数据，进行上行波、下行波分离后的振幅矢量对比图。从图3中可以看出，在下行波中，纵波在水平分量和垂直分量中的相位相同，横波在水平分量和垂直分量中的相位相反;而上行波中纵波在水平分量和垂直分量中的相位相反，而横波在水平分量和垂直分量中的相位相同，这说明了利用式(1)和式(2)分离纵波、横波的正确性和可行性。

由式(1)可以把下行波分离成下行纵波和下行横波，由式(2)可以把上行波分离成上行纵波和上行横波。以上分离出的P波和S波，都各包含了X分量和Z分量，根据矢量的旋转合成，可以得到各波型的矢量振幅。

从式(1)和式(2)可以看出，必须针对上行波或者下行波进行纵波、横波的分离，所以，必须用上述的中值滤波法将原始VSP资料进行上行波、下行波分离，再利用偏振分析对分离后的上行波、下行波进行处理。整个波场分离的数据流程如图4所示。

2 理论模型记录实验

作者在本文利用射线追踪方法合成理论VSP地震记录，然后用上述方法对VSP记录进行波场分离。理论地质模型为三维任意起伏介质斜井VSP模型，模型介质参数和示意图如下页图5所示。

图6(见下页)是上述地质模型的Z分量正演记录和H分量正演记录。

利用中值滤波法对H分量进行上行波、下行波的分离，得到图7(见下页)的H分量上行波、下行波记录。

对Z分量进行上行波、下行波分离，得到图8(见后面)的Z分量上行波、下行波记录。

图4 VSP多波波场分离流程图Fig． 4 Flow chart of VSP multi wave wavefield separation

从图8中可以看出，中值滤波法对上行波、下行波波形的能量特征保存的较为完整，上行波、下行波分离得较为干净彻底，分离效果较为理想。

在以上工作的基础上，利用偏振分析，对上述记录进行纵波、横波的分离，得到图9(见后面)的P波记录和S波记录，纵波、横波振幅有一定的损失，但是在可以接受的范围之内，波形的畸变程度较轻，保留了较好的振幅、波形信息，从而为后续的处理工作和岩性解释提供了良好的纵波、横波资料。

图5 理论地质模型参数和示意图Fig． 5 Theoretical model parameters

图6 理论模型射线追踪正演记录Fig． 6 Theoretical model iterate ray path tracing data

图7 H分量分离出的上、下行波Fig． 7 Up and down wave of horizontal component

图8 Z分量分离出的上、下行波Fig． 8 Up and down wave of vertical component

图9 纵横波分离得出的P、S记录Fig． 9 P and S wave after wavefield separation

3 结论

波场分离是多波多分量地震资料处理中很重要的基础工作。作者在本文研究了中值滤波法的原理方法及在波场分离中的应用;探讨了中值滤波参数的选择问题;分析了VSP上行波、下行波中纵波、横波的偏振特性，给出了利用纵波、横波在偏振特性上的差异进行纵波、横波分离的方法，并总结了VSP波场分离的具体流程和算法。最后，对三维任意起伏介质中斜井VSP模型的理论记录进行了试验，得出了良好的纵波、横波记录，证明了本文方法的可靠性和有效性。

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P631.4

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1001—1749(2011)05—0477—06

国家重大专项(2008ZX05024－01)

2011－04－20 改回日期:2011－05－30

丁拼搏(1988－)，安徽宿州人，硕士，主要从事地球物理数据处理方面的研究。