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CN107505665B - 一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法 - Google Patents

一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法 Download PDF

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CN107505665B CN201710553015.4A CN201710553015A CN107505665B CN 107505665 B CN107505665 B CN 107505665B CN 201710553015 A CN201710553015 A CN 201710553015A CN 107505665 B CN107505665 B CN 107505665B
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China University of Mining and Technology CUMT
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Shaanxi Coal Geology Group Co ltd
China University of Mining and Technology CUMT
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Abstract

本发明公开了一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，包括以下步骤：首先在研究区中的地震剖面上识别、追踪目的层所对应的反射波同相轴；其次确定研究区地震道信号傅里叶变换的参数；再次选取正常地层所对应的地震道为标准道，所述标准道的地面震动信号记为f(t)，计算其频率域响应F(ω)；选取中心频率分别为ω1和ω2的钟形窗，计算ω2和ω1的频率域响应比一ξ；然后对于非标准地震道，依次计算其时间域地面震动信号f'(t)的频率域响应F'(ω)；选取中心频率分别为ω1和ω2的钟形窗，计算ω2和ω1的频率域响应比二ξ'；最后对于研究区内的所有地震道，计算ξ'与ξ的差占ξ的百分比η，η的大小即指示目的层的异常强弱。优点：方法科学、简捷；结果定量、直观。

Description

一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法
技术领域
本发明涉及一种地层异常的地震检测方法，特别是一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法。
背景技术
在我国很多煤矿企业中，由于沉积环境和构造运动等因素的影响，其主采煤层及顶板地层的岩性存在冲刷区等地层异常。由于冲刷区等地层异常和正常地层间的岩性差异明显，异常地层的弹性模量与正常地层的弹性模量差异明显。在煤层回采时，这种弹性模量的差异可能导致地下应力场的扰动，形成应力集中区，危及煤炭回采的安全性。因此，对于煤层及其顶板地层来说，其岩性是否稳定关系到煤炭回采是否安全，至关重要。如果能够在煤炭回采前准确掌握煤层及其顶板地层的岩性异常变化，可以提前采取防治措施，降低煤炭回采过程中发生应力相关动力灾害的可能性，有利于提高煤矿等矿井生产的安全性。
对于煤层及其顶板地层异常的检测方法来说，目前使用最广泛的方法是地震属性方法和振幅随煤检距变化(AVO)方法。就地震属性方法来说，一般通过提取地震剖面中目的层反射波的振幅、频率和相位等信息预测地层异常，具有快速、高效的特点。但当地层倾斜时，所提取的反射波地震属性会受到地层埋深的影响，预测时很难区分目的层异常和埋深异常。AVO方法也是目前使用较常用的地层岩性预测方法，具有高精度的特点。但由于它的数据输入是叠前共中心点(CMP)道集，预测时的计算量远大于地震属性方法，效率较低。
对于所需要检测的煤层及其顶板地层来说，可能同时存在地层异常和埋深。如果地层埋深不同，相同的地层可能得到不同的振幅、频率和相位等地震属性。如果直接应用上述地震属性检测地层异常，可能会得出错误结论。对于某一埋深的目的层反射波来说，其不同频段的响应值相对关系基本保持不变。可以通过对比不同频段响应值之间的相对大小，检测目的层的地层异常，克服地层埋深的影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种预测真实、可靠，预测方法科学、简捷的基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，包括如下步骤：
步骤1)在研究区中的地震剖面上识别、追踪目的层所对应的反射波同相轴；
步骤2)确定研究区地震道信号傅里叶变换的参数，包括时窗大小，时窗位置和傅里叶变换样点数；
步骤3)收集研究区已有地质资料和测井曲线为参考资料，依据测井曲线交会图和岩石物理建模结果分析判断地层是否正常，选取正常地层所对应的地震道为标准道，所述标准道的地面震动信号记为f(t)，利用快速傅里叶变换计算其频率域响应F(ω)；选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率一ω1和频率二ω2的钟形窗，使频率二ω2等于地震道优势频率，即振幅最高点对应的频率，同时使频率一与频率二差的绝对值|ω2-ω1|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比一ξ＝F(ω2)/F(ω1)，其中F(ω1)为频率为ω1的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应，F(ω2)为频率为ω2的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应；
步骤4)对于非标准地震道，利用快速傅里叶变换依次计算其时间域地面震动信号f'(t)的频率域响应F'(ω)；选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率三ω3和频率四ω4的钟形窗，使频率四ω4等于非标准地震道优势频率，同时使频率三与频率四差的绝对值|ω4-ω3|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比二ξ'＝F'(ω4)/F'(ω2)，其中F'(ω3)为频率为ω3的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应，F'(ω4)为频率为ω4的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应；
步骤5)对于研究区内的所有地震道，计算η＝(ξ'-ξ)/ξ，绘制η值在研究区的等值线图，横轴纵轴分别为x，y方向的坐标，等值线图中η的大小即指示目的层的异常强弱。
优选的：步骤1)的具体方法如下：
(1)利用密度测井曲线和纵波速度测井曲线，计算反射系数测井曲线；
(2)选取地震子波，通过将地震子波与反射系数测井曲线进行褶积运算，生成合成地震记录；
(3)依据井旁地震道，通过将其与合成地震记录进行对比识别目的层反射波；
(4)利用计算机自动追踪或人机交互追踪方式追踪目的层反射波同相轴，即与各道振动相位相同的极值位置；
(5)追踪时，追踪时窗设定为目的层反射波的视周期，即地震剖面上所读取的地震波周期；
(6)追踪时，追踪相位设定为波峰或波谷或过零点。
优选的：步骤2)的具体方法如下：
(1)将时窗设定为目的层反射波的视周期；
(2)将时窗位置设定为目的层反射波同相轴；
(3)将傅里叶变换样点数设定为256或512或1024。
优选的：步骤3)中当研究区存在多个标准道时，以所有标准道的地面震动信号平均值作为标准道信号。
优选的：步骤3)中用到的快速傅里叶变换的公式如下：
F(ω)＝FFT(f(t))
其中，f(t)表示标准道地面震动信号，F(ω)表示其频率域响应。
步骤4)中用到的快速傅里叶变换的公式如下：
F'(ω)＝FFT(f'(t))
其中，f'(t)表示非标准地震道地面震动信号，F'(ω)表示其频率域响应。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.检测成果更直观，与地层异常对应性强。由于本发明的检测成果是η值在研究区的分布，η值的大小直接反映地层的异常程度。因此，检测到的η值可以直接反映地层的异常程度，可以直接用于指导矿井安全生产。
2.检测地层异常的精度更高。相对于利用地震属性直接检查地层异常来说，本方法通过计算(ξ'-ξ)/ξ，相当于求取了梯度。因此，其对于地层异常的反映更敏感，检测地层异常的精度更高。
3.检测成果的可靠性更高。由于本发明首先计算不同频率响应的比值ξ'，再和标准道不同频率响应的比值ξ对比，可以克服地层埋深对异常探测的影响。因此，探测的可靠性更高，可以直接用于指导矿井安全生产。
4.数据量小，效率更高。本发明相对于振幅随炮检距变化(AVO)方法等叠前反演方法来说，只需要用到地震剖面数据，而不是叠前共中心点(CMP)道集。因此，计算量小，效率更高。
5.本发明由于采用的窗口傅里叶变换方法，画出了η的等值线图，使基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测成为可能，具有检测方法科学、简捷，结果定量、直观、高精度的优点，完全满足矿井采区安全生产要求。
附图说明
图1为本发明的合成地震记录示意图。
图2为本发明的地震剖面中地层反射波同相轴拾取示意图。
图3为本发明的地震道频率域响应信号示意图。
图中：1、记录时间；2、地震子波；3、密度测井曲线；4、纵波速度测井曲线；5、计算的反射系数测井曲线；6、合成地震道；7、地震道道号；8、地震道波形；9、拾取的同相轴；10、振幅坐标轴；11、频率坐标轴；12、频率域响应曲线；13、中心频率为ω2的钟形窗；14、中心频率为ω1的钟形窗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法包括如下步骤：
步骤1)在研究区中的地震剖面上识别、追踪目的层所对应的反射波同相轴；
(1)利用如图1所示的密度测井曲线和纵波速度测井曲线，计算反射系数测井曲线。
(2)选取如图1所示的地震子波，通过将地震子波与反射系数测井曲线进行褶积运算，生成如图1所示的合成地震记录。
(3)依据井旁地震道，通过将其与合成地震记录进行对比识别目的层反射波。
(4)利用计算机自动追踪或人机交互追踪方式追踪目的层反射波同相轴，即与各道振动相位相同的极值位置，如图2所示。
(5)追踪时，追踪时窗设定为目的层反射波的视周期，即地震剖面上所读取的地震波周期。
(6)追踪时，追踪相位设定为波峰或波谷或过零点。
步骤2)确定研究区地震道信号傅里叶变换的参数，包括时窗大小，时窗位置和傅里叶变换样点数；
(1)将时窗设定为目的层反射波的视周期。
(2)将时窗位置设定为目的层反射波同相轴。
(3)将傅里叶变换样点数设定为256或512或1024。
步骤3)选取正常地层所对应的地震道为标准道，所述标准道的地面震动信号记为f(t)，计算其频率域响应F(ω)。具体方法如下：
(1)收集研究区已有地质资料和测井曲线为参考资料。
(2)依据测井曲线交会图和岩石物理建模结果分析判断地层是否正常。
(3)选取正常地层所对应的地震道为标准道，所述标准道的地面震动信号记为f(t)，当研究区存在多个标准道时，以所有标准道的地面震动信号平均值作为标准道信号。
(4)利用快速傅里叶变换计算其频率域响应F(ω)，公式如下：
F(ω)＝FFT(f(t))
其中，f(t)表示标准道地面震动信号，F(ω)表示其频率域响应。
(5)选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率一ω1和频率二ω2的钟形窗，使频率二ω2等于地震道优势频率，即振幅最高点对应的频率，使频率一ω1低于或高于地震道优势频率，同时使频率一与频率二差的绝对值|ω2-ω1|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比一ξ＝F(ω2)/F(ω1)，其中F(ω1)为频率为ω1的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应，F(ω2)为频率为ω2的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应，如图3所示。
步骤4)对于非标准地震道，所述非标准地震道的地面震动信号记为f'(t)，依次计算其频率域响应F'(ω)。具体方法如下：
(1)利用快速傅里叶变换依次计算其时间域地面震动信号f'(t)的频率域响应F'(ω)，公式如下：
F'(ω)＝FFT(f'(t))
其中，f'(t)表示非标准地震道地面震动信号，F'(ω)表示其频率域响应。
(2)选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率三ω3和频率四ω4的钟形窗，使频率四ω4等于非标准地震道优势频率，使频率三ω3低于或高于非标准地震道优势频率，同时使频率三与频率四差的绝对值|ω4-ω3|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比二ξ'＝F'(ω4)/F'(ω3)，其中F'(ω3)为频率为ω3的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应，F'(ω4)为频率为ω4的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应，如图3所示。
步骤5)对于研究区内的所有地震道，计算η＝(ξ'-ξ)/ξ，绘制η值在研究区的等值线图，横轴纵轴分别为x，y方向的坐标，等值线图中η的大小即指示目的层的异常强弱，其中，ξ是每个地层有一个值，而ξ'是每一个地层中的每一个地震道有一个值。因此，η是每个地层中的每一个地震道有一个值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)在研究区中的地震剖面上识别、追踪目的层所对应的反射波同相轴；
步骤2)确定研究区地震道信号傅里叶变换的参数，包括时窗大小，时窗位置和傅里叶变换样点数；
步骤3)收集研究区已有地质资料和测井曲线为参考资料，依据测井曲线交会图和岩石物理建模结果分析判断地层是否正常，选取正常地层所对应的地震道为标准道，所述标准道的地面震动信号记为f(t)，利用快速傅里叶变换计算其频率域响应F(ω)；选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率一ω1和频率二ω2的钟形窗，使频率二ω2等于地震道优势频率，即振幅最高点对应的频率，同时使频率一与频率二差的绝对值|ω2-ω1|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比一ξ＝F(ω2)/F(ω1)，其中F(ω1)为频率为ω1的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应，F(ω2)为频率为ω2的标准道地面震动信号f(t)的频率域响应；
步骤4)对于非标准地震道，利用快速傅里叶变换依次计算其时间域地面震动信号f'(t)的频率域响应F'(ω)；选取频率域响应曲线钟形窗中心频率分别为频率三ω3和频率四ω4的钟形窗，使频率四ω4等于非标准地震道优势频率，同时使频率三与频率四差的绝对值|ω4-ω3|大于时窗宽度的一半，计算频率域响应比二ξ'＝F'(ω4)/F'(ω3)，其中F'(ω3)为频率为ω3的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应，F'(ω4)为频率为ω4的非标准地震道地面震动信号f'(t)的频率域响应；
步骤5)对于研究区内的所有地震道，计算η＝(ξ'-ξ)/ξ，绘制η值在研究区的等值线图，横轴纵轴分别为x，y方向的坐标，等值线图中η的大小即指示目的层的异常强弱。
2.根据权利要求1所述的基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，其特征在于：步骤1)的具体方法如下：
(1)利用密度测井曲线和纵波速度测井曲线，计算反射系数测井曲线；
(2)选取地震子波，通过将地震子波与反射系数测井曲线进行褶积运算，生成合成地震记录；
(3)依据井旁地震道，通过将其与合成地震记录进行对比识别目的层反射波；
(4)利用计算机自动追踪或人机交互追踪方式追踪目的层反射波同相轴，即与各道振动相位相同的极值位置；
(5)追踪时，追踪时窗设定为目的层反射波的视周期，即地震剖面上所读取的地震波周期；
(6)追踪时，追踪相位设定为波峰或波谷或过零点。
3.根据权利要求1所述的基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，其特征在于：步骤2)的具体方法如下：
(1)将时窗设定为目的层反射波的视周期；
(2)将时窗位置设定为目的层反射波同相轴；
(3)将傅里叶变换样点数设定为256或512或1024。
4.根据权利要求1所述的基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，其特征在于：步骤3)中当研究区存在多个标准道时，以所有标准道的地面震动信号平均值作为标准道信号。
5.根据权利要求1所述的基于窗口傅里叶变换的地层异常地震检测方法，其特征在于：步骤3)中用到的快速傅里叶变换的公式如下：
F(ω)＝FFT(f(t))
其中，f(t)表示标准道地面震动信号，F(ω)表示其频率域响应；
步骤4)中用到的快速傅里叶变换的公式如下：
F'(ω)＝FFT(f'(t))
其中，f'(t)表示非标准地震道地面震动信号，F'(ω)表示其频率域响应。
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