книги из ГПНТБ / Цифровая обработка сейсмических данных

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ

и п р о с т р а н с т в е н н о - в р е м е н н о й ф и л ь т р а ц и и з а п и с е й ; д а н а т е о р и я расчета весовых ф у н к ц и й р а з н о о б р а з н ы х ц и ф р о в ы х ф и л ь т р о в — п о л о с о в ы х , о б р а т н ы х (в том числе д е р е в е р б е р а ц и о н н ы х , п р о г н о ­ с т и ч е с к и х , к о р р е к т и р у ю щ и х ) , в е е р н ы х . К р а т к о о п и с а н ы п р и е м ы

А в т о р ы : Е . А . К о з л о в , Г . Н . Г о г о н е н к о в , Б . Л . Л е р н е р , И . А . М у ш и н , В . И . М е ш б е й , Н . И . К л и м о в и ч , И . И . Я н к о в с к и й

© Издательство « Н е д р а » , 1973

ВВЕДЕНИЕ

Перед советскими геологами и геофизиками поставлены грандиозные задачи по обеспечению роста минерально-сырьевой базы нашей страны, в частности, запасов нефти и газа. Для решения этих задач необходимо повышать геологическую эффективность геофизических работ, ибо в условиях быстрого роста изученности территории СССР

с каждым годом приходится решать все более сложные и многообраз­ ные геологические задачи в районах со все более сложными сейсмо­ логическими условиями.

В настоящее время одним из главных направлений повышения эффективности геофизических работ является внедрение цифровой регистрации и обработки данных сейсморазведки, остающейся основ­ ным поисковым методом геофизического комплекса.

Цифровая обработка данных сейсморазведки разделяется на несколько этапов: фильтрация и введение статических и кинематиче­ ских поправок; выделение и прослеживание осей синфазностей регулярных волн; определение эффективных скоростей и т. д. С точки зрения оптимальности получаемых результатов такой под­ ход нельзя назвать наилучшим [13]. Предпочтительнее было бы не поэтапное решение задачи, а построение единого алгоритма, позво­ ляющего получать окончательный результат, например простран­ ственные координаты и конфигурацию геологических объектов, содержащих разведываемое полезное ископаемое, исходя непосред­ ственно из первичных материалов. Однако построение единых алго­

риалом для которой являются аналоговые или цифровые полевые

писей, вычисление, введение и коррекцию статических и кинемати­

мических горизонтов, расшифровка природы волн, построение от­ ражающих горизонтов и структурных карт, выбор точек заложения скважин — будем относить к интерпретации.

Деление всего процесса на предварительную обработку и интер­ претацию является условным. В процессе построения временного разреза могут использоваться отдельные интерпретационные про­ цедуры (например, прослеживание опорных волн с целью коррекции

статических поправок, выделение волн и определение закона уЭф (t) при подборе кинематических поправок). Однако такое деление удобно, так как оно отражает различие целей обработки на каждом из этапов.

Предварительная обработка может рассматриваться как подго­ товка материала к интерпретации. Цель предварительной обработки сводится к максимально возможному повышению отношения сиг­ нал/помеха и обеспечению качественного соответствия, визуального сходства результативного материала — временного или глубинного разрезов — с исследуемым строением недр. Все это облегчает после­ дующую интерпретацию материалов.

Предварительная обработка как самостоятельное направление выделилась сравнительно недавно в связи с появлением воспроизво­ димой записи и аналоговых обрабатывающих машин. При невоспро­ изводимой, осциллографической регистрации регулировка ампли­ туд, фильтрация и смешение осуществлялись непосредственно в про­ цессе регистрации. В случае неудачного выбора параметров АРУ, фильтров и т. п. исправление записей было невозможно. Поправки в сейсмограммы не вводились, и единственной процедурой предвари­ тельной обработки, осуществляемой после регистрации, могла счи­ таться лишь маркировка сейсмограмм.

С появлением магнитной регистрации возникла возможность воспроизведения записи на разных фильтрациях, с разными пара­ метрами АРУ и смешения. Однако обособление предварительной обработки произошло лишь с появлением аналоговых машин типа ПСЗ и «Луч», позволяющих вводить статические и кинематические поправки и строить временные разрезы методами отклонений, пере­ менной плотности и переменной ширины.

Гораздо раньше, задолго до появления магнитной записи в СССР

и за рубежом, процедуры предварительной обработки сейсмограмм были реализованы в нашей стране Л. А. Рябинкиным и его сотрудни­ ками как часть комплекса операций, входящих в метод РНП [52, 67, 68]. Этот комплекс уже с 1950 года включал по существу все основные процедуры современного процесса предварительной обра­ ботки: регулировку амплитуд, фильтрацию, в том числе высокоча­ стотную, суммирование с разновременными регулируемыми задерж­ ками, построение результативных материалов — суммолент. Этот комплекс в настоящее время по теоретической обоснованности и практическому совершенству ряда операций превосходит ком­ плексы, ориентированные на построение временных разрезов. Однако специальное освещение метода РНП не входит в нашу задачу; по этому вопросу имеется множество других публикаций [45, 64, 67—70].

Предварительная обработка с помощью аналоговых машин позво­ лила реализовать почти все основные идеи и способы повышения отношения сигнал/помеха и резко повысить возможности приспособ­ ления параметров таких процедур, как АРУ, фильтрация и т. п., к конкретным особенностям зарегистрированного первичного мате­ риала. Однако вскоре обнаружились существенные недостатки аналоговой реализации этих процедур. Аналоговая машина — доро-

4

гостоящее устройство, от разработки до серийного производства которого проходит 5—7 лет. Она создается под определенные, заранее выбранные алгоритмы, причем эти алгоритмы должны быть сравнительно простыми и содержать минимальное количество логи­ ческих операций. Эти ограничения не распространяются на универ­ сальные цифровые ЭВМ, что и предопределило переход от аналоговой

кцифровой обработке материалов.

Вчем же специфика обработки с помощью ЭВМ? Не уступая ана­ логовым машинам в быстродействии (а в последнее время — превос­ ходя их), ЭВМ внесли коренное, качественное отличие в обработку

изменения самих используемых устройств.

Создать машинный алгоритм какой-либо операции — значит прежде всего формализовать ее, исключить субъективный, творче­ ский элемент. Передавая формализованные операции машине, чело­ век получает возможность в своей деятельности больше времени отда­ вать творческому поиску, сосредоточивать внимание на решении все новых проблем обработки.

В СССР развитие методов цифровой обработки в значительной мере базировалось на разработках в области теории интерферен­ ционного приема, выполненных в течение пятидесятых — начала шестидесятых годов школой Л. А. Рябинкина [45, 52, 64, 67, 68], а также Ф. М. Гольцманом и его сотрудниками [14—19].

Начатые в 1959 году во ВНИИГеофизике работы по цифровой фильтрации сейсмических записей были затем приостановлены в связи с отсутствием специализированных вводных и выводных устройств, и вплоть до 1966—1968 гг. в основном развивалась теория интерпретации данных сейсморазведки (и других геофизических методов) на ЭВМ.

Перечислим наиболее важные работы этого периода. В начале шестидесятых годов С. Л. Перельманом [54] предложен и широко применен способ выравнивания наблюдений, основанный на прин­ ципе средневзвешенного.

34, 35]. В 1968 г. А. К. Яновским были выполнены важные теорети­ ческие исследования в области корреляционных методов обработки сейсмограмм. Введенная им модель сейсмических записей [88] позво­ лила обосновать оптимальные частотные характеристики фильтрации и исследовать возможности оценки временных сдвигов между трас­ сами, необходимой для коррекции статических поправок и просле-

5

живания осей синфазностей волн. Особое место занимают работы Ф. М. Гольцмана и его последователей в области создания оптималь­ ных методов обработки материала, в которых процедуры предвари­ тельной обработки, как правило, не обособлены в самостоятельные операции. Среди этих работ следует особо отметить алгоритмы выде­ ления волн путем их поочередного вычитания с последовательным уточнением параметров [17], интерпретации по методу общей глу­ бинной площадки [16, 19], оптимальной интерпретации сейсмо­ грамм (О. Г. Кутьина [37]) и др.

За рубежом наиболее значительные исследования в области тео­ рии цифровой обработки были выполнены Робинсоном (теория вре­ менных рядов в приложениях к сейсморазведке, обратная и прогно­ стическая фильтрация [109, 110]); Гэлбрейтом, Уиггинсом, Фостером, Сецгбушем, Уотсоном, Шнайдером, Принсом, Джайлсом (много­ канальная оптимальная фильтрация, настроенная на подавление нере­ гулярных и регулярных помех, в том числе многократных волн [95, 96, Ш , 114]); Кюнетцом, Фурманом (различные виды фильтрации, в частности обратная [100, 103]); Шнайдером, Бэкусом [114], Гаротта, Мишоном [97]; (коррекция статических и кинематических поправок при обработке данных ОГТ); Мейергофом (расчет цифровых фильтров с крутыми срезами [105] и др.).

В 1968—1969 годах в связи с появлением высокоскоростных устройств ввода — вывода были созданы первые комплексы программ ОС-1 [31] и КЦ ОГТ-1 [87] предварительной обработки. Они были ориентированы в основном на обработку аналоговых сейсмограмм ОГТ, поэтому наибольшее внимание уделялось подбору скоростей путем регулируемого направленного суммирования, вводу поправок и суммированию по методу ОГТ. Были созданы и другие комплексы [4, 6, 30, 47—50, 62, 63, 78], первые результаты опробования кото­ рых подтвердили их высокую эффективность. В дальнейшем эти комплексы быстро совершенствовались. На смену ОС-1 и КЦ ОГТ-1 пришли их новые модификации, разработанные Г. И. Феллер,

A. В. Поповой, Н. А. Таруниной, П. Г. Гильберштейном, С. А. Капланом, Б. А. Вейцманом, В. Г. Щербой, Г. Г. Табаковым, Ю. Г. Ан­ типиным, а также авторами настоящей работы. В этих комплек­ сах использовались практически все известные к тому времени способы цифровой обработки, включая обратную и корректиру­ ющую фильтрацию (Г. Н. Гогоненков, И. К. Кондратьев, Л. И. Ко­ ган, В. С. Исаев. Ю. Г. Антипин), автоматическую коррекцию статических и кинематических поправок (Е. А. Козлов, И. А. Мушин,

B. И. Мешбей), Д-преобразование сейсмических записей (Ю. В. Ти­ мошин, В. И. Мешбей), ретрокорреляционную обработку (И. А. Му­ шин, В. М. Погожев, Б. К. Фролов), вычитание пакетов волн (Е. А. Козлов) и т. п.

Важной особенностью этих комплексов является высокая степень их автоматизации, обеспечивающая технологичную обработку больших массивов сейсмической информации по разнообразным, легко совершенствуемым и заменяемым программам. Сравнительно

6

сложные алгоритмы и специфическая организация этих комплексов в сочетании с высокой точностью представления и преобразования исходных материалов и определили основные преимущества цифровой обработки перед аналоговой. Несмотря на несовершенство исполь­ зуемых ЭВМ, объемы цифровой обработки данных сейсморазведки начали быстро возрастать.

Тенденции дальнейшего совершенствования математического обес­ печения цифровой обработки выражаются в создании все более эффективных алгоритмов, включающих элементы самонастройки и самоуправления, а также дальнейшее повышение технологичности обработки путем создания систем, в которых техническое и матема­ тическое обеспечение, а также организация работ тесно связаны между собой и обеспечивают максимальную производительность обра­ ботки за счет сокращения ручных операций, автоматического выявле­ ния ошибок задания параметров обработки и т. п.

Очевидно, что к настоящему времени возможности, заложенные в современных ЭВМ, использованы еще далеко не полностью. Однако уже сейчас цифровая обработка существенно отличается от анало­ говой, она требует иной организации работ и, главное, основательной подготовки кадров интерпретаторов. Настоящая книга, по мнению авторов, будет способствовать решению этой большой и важной задачи.

Книга предназначена для широких кругов геофизиков-сейсмораз­ ведчиков, занимающихся обработкой материалов, — технических ру­ ководителей, интерпретаторов, вычислителей. Она может быть по­ лезна для студентов геофизических специальностей вузов и технику­ мов. В ней с максимальной простотой изложены математические ос­ новы цифровой обработки и проанализированы модели сейсмической записи. При написании книги ставилась задача дать систематическое изложение алгоритмов обработки в их взаимосвязи, а также кратко охарактеризовать необходимое техническое обеспечение и специфику организации работ.

Техника программирования не описывается; по этому вопросу имеется обширная специальная литература. Рассмотрение вопросов создания программ сводится к характеристике особенностей организа­ ции наиболее технологичных отечественных комплексов их.

Специальное техническое обеспечение цифровой обработки (ус­ тройства ввода — вывода и некоторая другая специализированная аппаратура) описано лишь в той мере, в какой это необходимо для понимания основного материала — математического обеспечения цифровой обработки. Описанию алгоритмов обработки предпосланы краткое изложение математических основ цифровой обработки и общая характеристика модели сейсмической записи. Описание отдельных операций обработки дано в той последовательности, в ка­ кой они обычно применяются; эта последовательность и определяет структуру монографии в целом. При изложении материала матема­ тические тонкости опускались ради простоты и доступности освеще­ ния физического смысла описываемых процедур обработки.

7

Глава 1

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗАПИСЕЙ

Переход от аналоговой обработки к цифровой значительно расширил круг математических понятий и представлений, к которым должен обращаться геофизик при решении теоретических и практических задач обработки. Комплекс этих понятий включает в себя некоторые разделы теории временных рядов, алгебры матриц, корреляционного анализа, преобразования Фурье, теории операторов и т. п.

В настоящей главе из этих разделов подобраны те основные поня­ тия и соотношения, с которыми приходится сталкиваться особенно часто при создании и использовании алгоритмов цифровой обработки.

Ц И Ф Р О В Ы Е З А П И С И К А К В Р Е М Е Н Н Ы Е П О С Л Е Д О В А Т Е Л Ь Н О С Т И

Получаемая с помощью аналоговой аппаратуры запись каждой сейсмической трассы представляет собой функцию непрерывного

в любой заданный момент отсчета. Запись трассы сейсмограммы, сде­ ланная способом отклонений, является примером графического изо­ бражения такой функции.

Цифровая сейсмическая запись, в отличие от аналоговой, предста­ вляет собой функцию дискретного времени. Это означает, что непре­ рывные измерение и регистрация сейсмического сигнала заменяются отсчетами значений сигнала и записью этих значений только в отдель­ ные дискретные моменты времени, разделенные равными временными промежутками At. Величина At носит название интервала временного квантования записей, или шага дискретности.

Пусть запись одной трассы сейсмограммы началась в некоторый

Подобная последовательность называется временной последова­ тельностью (или временным рядом), поскольку составляющие ее

9