地震勘探信号时频分析方法对比与应用分析

针对地震勘探信号,对非平稳信号时频分析几种适效方法:短时Fourier变换、小波变换、S变换、Wigner分布、平滑伪Wigner分布、锥形核时频分布、AOK(adaptive optimum kernel,自适应最优核函数)分布等进行对比与应用研究.在阐明各种方法基本原理的基础上,进行数值分析与应用研究.首先对非平稳地震勘探模拟信号进行试算及时频属性提取,结合各类方法的信号表示理论,在时频局部化的精度和交叉项抑制等方面对计算结果进行对比分析;进一步应用于实际二维地震数据,提取瞬时频率和瞬时带宽等时频属性,进行比较研究.研究表明:对于地震勘探信号,就本文涉及的几种时频分析方法而言,AOK分布是时频局部化精度最高、交叉项抑制最好、时频匹配最优的方法,值得在地震勘探信号分析和地震属性提取、频谱分解等应用中深入研究和应用.     

典型振动信号时-频分析方法研究

首先对比较简单的单分量信号和多分量信号进行时-频分析,对比了不同时-频分析方法(STFT、WD、Hilbert时-频谱分析、连续小波分析)的分析精度。结果表明对单分量信号和可以分解为若干单分量信号叠加的多分量信号,Hilbert时-频谱分析精度最好,WD和STFT次之,连续小波变换的精度最差;由于Hilbert时-频谱分析和WD方法要求信号为单分量信号或可以分解为若干单分量的信号,故其不适用于复杂信号的时-频分析;对多分量信号,STFT时-频谱较连续小波时-频谱精度高些。需要指出的是,当使用STFT方法时,取不同的窗参数,STFT的时-频分析精度相差很大,必须使用合适的窗参数,以取得较好的分析效果。此外还对El Centro波的两水平分量和人工合成的地震动进行了时-频分析,虽然STFT的时间分辨率和频率分辨率存在矛盾,但它对信号的适应性最强,对复杂信号的时-频分析精度一般可以满足需要,而连续小波变换进行信号的时-频分析时,时-频分辨精度最差,且对于大于30Hz的频率分量,随频率的增加,时-频分析的效果和精度迅速变差,说明小波变换并不适合于做时-频分析,尤其对于高频信号,用连续小波变换得到的时-频谱图看起来很粗糙,而且很难准确解释。进一步对比了真实地震动和人工地震动的时-频分布,认为用胡聿贤教授合成人工地震动的方法合成的地震动在时-频域上的分布和真实地震动相似。     

局域波分解及其在地震信号时频分析中的应用

讨论非平稳、非线性局域波信号分解方法的物理意义和自适应性，数值实现三种局域波分解算法，研究局域波分解在地震信号时频分析中的应用方法和实践.通过Hilbert变换得到地震信号时频分布特征，与Fourier变换谱物理意义不同.采用一定的计算策略，改善瞬时频率计算精度，突出瞬时频率属性的物理意义；将局域波分解同Wigner分布结合，计算地震信号基于局域波分解的Wigner分布，抑制交叉项.模型和实际地震数据试算结果表明实现算法的正确性和有效性.研究表明：在地震信号时频分析中采用局域波分解求Hilbert谱具有自适应性，时域和频域的分辨率也较高；而基于局域波分解的地震信号Wigner分布，保留Wigner分布优良特性，抑制交叉项方法简单易实现；局域波分解方法适合处理地震信号，值得进一步研究和推广.     

瞬变电磁场资料的联合时-频分析解释

本文充分利用瞬变电磁（TEM）信号包含的信息,采用联合时-频分析方法解释了TEM资料。文章选取了Wigner-Ville分布和Gabor展开的联合时-频分布（或表示）,将一维时间域信号拓展到时-频二维平面上,不仅将不同地电断面的响应成功地分开来,而且所显示的信号特征与地层电性结构之间有着明确的物理意义,从时间和频率两个方面同时描述了瞬变涡流场在地层中的激发和衰减的过程。利用时间窗数据和频率窗数据所进行的联合时-频反演,缩小了拟合差,提高了定量解释精度。     

英买力地区复合潜山的地层分布及意义

英买力地区复合潜山构造非常复杂,采用地震相与地震多属性聚类分析技术时潜山不同岩性进行了识别和有效区分,明确了白垩系下伏地层的分布范围和意义,特别是侏罗系的分布直接导致潜山油气的漏失.同时利用地震多属性聚类方法对复合潜山储层发育进行预测,有利储层主要分布在上寒武统白云岩潜山、英买7以北下奥陶统灰质云岩潜山以及志留系柯坪塔格组沥青砂岩段.     

基于S变换的振动信号时频特征分析

利用S变换方法对山西南部测震台网记录的振动事件波形进行时频特征分析。结果表明,不同台站记录的振动事件波形特征差异较大,一般单波峰最大能量持续时间较短,衰减较快;双波峰或者三个波峰以上的能量持续时间较长且频率分布范围较大;接收振动波形信号时间不同的台站,能量未出现明显的衰减,除波列能量的频率分布范围和持续时间不同外,其他无显著差异。     

希尔伯特—黄变换在地震信号时频分析中的应用研究

将希尔伯特—黄变换(HHT)应用于天然地震信号处理中,通过对天然地震波信号进行HHT时频分析,获得该信号的三维Hilbert时频谱、边际谱、瞬时能量谱和Hilbert能量谱。通过分析,可以看出HHT方法能敏感地提取到地震波信号随时间和频率动态变化的不同阶段的主要特征,其图像清晰,能够反映能量突变点信息,其时频局部定位能力较强。边际谱、瞬时能量谱和Hilbert能量谱能提取出地震波信号其他新的特性,可对信号的时频分析起到补充作用。结果表明,HHT方法能准确描述地震信号的非线性时变特征,是地震信号时频分析的有效工具。     

压制地震勘探随机噪声的分段时频峰值滤波方法

提高勘探资料信噪比是地震勘探的主要内容之一.本项研究利用短时能量将记录分成能量均衡的若干段,获得减少尺度变换误差的分段时频峰值滤波方法,并运用端点拓展和与地震信号特征匹配的多级时窗参数改进时频峰值滤波精度.理论模型和共炮点资料处理结果表明,分段时频峰值滤波很好地消除了尺度变化误差引起的信号波形阶梯状畸变,能够在压制强随...     

常用时频分析方法在数字地震波特征量分析中的应用

地震波属于非平稳信号,传统的傅立叶变换因缺乏信号局域性的信息而无法对非平衡信号进行全面描述.对此时频分析是有力的分析工具.本文简介了短时傅立叶变换(STFT)、S变换、CWD分布、ZAM分布四种时频分析方法,通过对算例及实际地震信号的分析,总结出这四种时频分析方法在分辨地震波中的应用效果及优缺点.     

STFT与WVD在地震波时频分析中的应用

地震波是一种非平稳信号,传统的傅里叶变换已不适用,时频分析方法能在时间—频率域给出非平稳信号不同时刻的频率分布特征。Wigner-Ville分布(WVD)对非平稳信号具有较好的时频聚集性,但因其为双线性变换,会产生严重的交叉干扰项。短时傅里叶变换(STFT)是一种线性变换,不存在交叉项干扰,但时频聚集性较差。考虑到二者优点,在对地震波进行时频分析时,采用短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布的联合算法,既有效抑制了Wigner-Ville分布交叉项干扰,又保持了较高的时频聚集性。通过3种方法,对模拟信号和实际数据处理结果进行对比分析,发现联合算法对获取地震波信号的时频特征和纵波到时检测,具有更好效果。     

Hilbert-Huang变换在提取阵列声波信号动力特性中的应用

阵列声波信号是典型的非线性、非平稳信号,其动力特性的量化提取对于进行地层结构构造分析提供了必要的基础资料.而Hilbert-Huang变换(HHT)是一种处理非线性、非平稳信号的新方法.它通过经验模态分解(EMD)将信号分解为有限个固有模态函数(IMF),并对每个固有模态函数进行Hilbert变换得到Hilbert谱.本文将这种方法应用于阵列声波信号动力特性的提取,有效地获得了信号能量的时频分布,瞬时能量、Hilbert能量、最大振幅对应的时频分布等动力特性,显示了HHT的优势以及对于进一步实现地层结构构造分析的重要意义.     

Reservoir information extraction using a fractional fourier transform and a smooth pseudo Wigner-Ville distribution

Currently, it is difficult for people to express signal information simultaneously in the time and frequency domains when analyzing acoustic logging signals using a simple-time or frequency-domain method. It is difficult to use a single type of time-frequency analysis method, which affects the feasibility of acoustic logging signal analysis. In order to solve these problems, in this paper, a fractional Fourier transform and smooth pseudo Wigner-Ville distribution (SPWD) were combined and used to analyze array acoustic logging signals. The time-frequency distribution of signals with the variation of orders of fractional Fourier transform was obtained, and the characteristics of the time-frequency distribution of different reservoirs under different orders were summarized. Because of the rotational characteristics of the fractional Fourier transform, the rotation speed of the cross terms was faster than those of primary waves, shear waves, Stoneley waves, and pseudo Rayleigh waves. By choosing different orders for different reservoirs according to the actual circumstances, the cross terms were separated from the four kinds of waves. In this manner, we could extract reservoir information by studying the characteristics of partial waves. Actual logging data showed that the method outlined in this paper greatly weakened cross-term interference and enhanced the ability to identify partial wave signals.     

HHT的滤波特性及在声波测井波列信号处理中的应用(英文)

阵列声波信号是典型的非线性、非平稳信号,Hilbert～Huang变换（HHT）是处理非平稳信号的一种比较新的时频分析方法。通过对信号进行经验模态分解（EMD）和对瞬时频率的求解,可以获得声波信号的时一频谱。其关键技术就是进行经验模态分解,任何非平稳的信号都可以分解为有限数目并且具有一定物理意义的固有模态函数。EMD方法可以理解为以声波信号极值特征尺度为度量的时频滤波过程。滤波器充分保留了声波信号本身的非线性和非平稳特征,在声波信号的滤波和去噪中具有很大的优势。文中介绍了HHT时频滤波的实现过程,并列举了一些声波测井波列实例,说明了该方法的有效性。     

基于超级混合虚折射干涉法的阵列声波处理方法及其在套管井中的应用

在声学测井勘探时,复杂多变的测井条件(如胶结不好的套管井和随钻测井等)下的强直达干扰信号会导致地层信号的信噪比降低,使得地层有用信号的提取十分困难.本文在超级虚折射法的基础上,利用声源与接收器的互易原理,对原始波场信号进行互相关和褶积重建,并对所有可能的位形产生的信号进行叠加,将该叠加波场与超级虚折射波场进行叠加,重构出超级混合虚折射波场,使不同接收器上的折射波信噪比在超级虚折射的基础上进一步得到提高,显著提高了有用信号的信噪比,同时解决了超级虚折射近场能量不足的问题.套管井测井的理论模拟及实际处理表明,该方法可以很好地压制套管波信号、提高地层信号的信噪比.     

基于波干涉原理的套管井阵列声波处理方法及其应用

在套管井测井中,沿着钢管产生的拉伸波(即管波)在声波数据中产生很强的干扰,使得地层声速的提取十分困难.基于管波与地层声波的干涉原理,本文提出了一种声波处理方法.管波的传播特征是已知的,且管波和地层波都由同一声源激发,因此,可以用管波来改造测井声波数据.对改造后数据采用希尔伯特变换作进一步处理,得到与地层信息相关的解析信号,从该信号中即可提取出地层声速.通过对理论模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.     

含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场

应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.     

时频分析方法及在地震波谱研究中的应用

地震波是一种非平稳信号,傅立叶分析已不适合。时频分析能对非平稳信号进行分析,并给出地震波信号能量的时间-频率分布。但是在时频分析时,存在交叉干扰项,会带来一些错误的信息。本文讨论了波恩-约旦(Born-Jordan)时频分布、乔伊-威廉斯(Choi-Williams)时频分布、赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分布3者之间抑制和消除交叉干扰项的特点,认为赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分布抑制交叉干扰项的效果和时频聚集性更好,更适合于分析地震波。     

基于小波高频属性的泥页岩裂缝测井识别方法研究

近几年受地震属性分析技术的启发,出现了利用测井属性分析泥页岩裂缝油气藏的新方法.为了避免常规测井信号受到噪声干扰影响裂缝识别效果,利用小波变换的高频属性对裂缝识别展开研究.以贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组的泥页岩裂缝性油气藏为例,观察和分析野外黑色页岩露头、岩心薄片及镜下照片,总结了该地区裂缝发育特征和成因;然后着重利用研究区的测井资料,运用小波阈值去噪和小波高频属性方法对裂缝进行了识别.研究结果表明:研究区主要发育高角度剪性缝、张剪性缝、低角度滑脱缝及层间缝,采用的小波阈值去噪方法具有高信噪比和低均方差特点,在保留原始信号特点的基础上得到更加真实的信号;通过小波高频属性方法提取了声波时差信号中的高频信号,识别出了常规测井方法无法识别的泥页岩裂缝,该套方法成功在贵州岑巩页岩气裂缝识别中得到成功应用,并具有一定的借鉴意义.     

Energy of acoustic signals in a borehole

In the present article, the dependencies of the acoustic signal total energy and the energies of the wave packets of different types of the waves on the elastic parameters and permeability of rocks have been studied. We have considered traditional logging tools containing acoustical monopole source. Calculations were performed in a frequency range of dozens of kilohertz, typical for acoustic well logging. It was shown that in a typical high-velocity formation (v_s > v_f, where v_s and v_f are the velocities of the shear wave in the rock and of the compressional wave in the borehole fluid, respectively), the pseudo-Rayleigh waves, whose elastic properties depend mainly on the shear modulus of the rock, contributed significant energy to the total signal energy in the borehole. The energies of different wave packets depend on the permeability in different ways. The greatest sensitivity to permeability change has been shown by the acoustic signal total energy and the energy of the low-velocity part of the pseudo-Rayleigh wave packet. The theoretical analysis was illustrated by real sonic log data.