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地震资料高分辨处理方法研究


西安石油大学本科毕业设计(论文)

地震资料高分辨处理方法研究
摘 要:随着油气勘探开发的不断深入,勘探目标的地质条件变的越来越复杂, 勘探深度不断增加,为了获得更加准确的地质信息,我们需要进一步研究地震 资料提高分辨率的方法。从而让我们更好的了解地下地质体,地质构造和地下 岩体性质,不但提高了勘探的精度而且比钻井技术更加经济。本次毕业设计主 要研究

各种反褶积原理(包括预测反褶积,地表一致性反褶积) ,谱白化原理以 及反Q滤波的原理,基于此原理用 promax软件对给定工区地震资料进行提高分 辨率的处理。本文针对给定工区地震数据进行了各种提高分辨率的处理,并进 行效果对比。 关键词:地震勘探;分辨率;反褶积;谱白化;反Q滤波

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High Resolution Reismic Data Processing Method Research
Abstract:With the continuous deepening of exploration and development of oil and gas, geological exploration targets become more and more complex, the exploration depth increasing, in order to obtain the geological information more accurately, we need further research to improve the resolution of seismic data method. So let us better understand underground geological body, geological structure and rock mass properties, not only improves the exploration precision and drilling technology is more economical than. This graduation design mainly studies various deconvolution principle (including the predictive deconvolution, surface consistent deconvolution), spectrum whitening and the principle of inverse Q filtering, based on this principle, using promax software for a given seismic data of high resolution processing. In this paper, for a given seismic data for a variety of high resolution processing, and the results were compared. Keywords: seismic exploration; resolution; deconvolution; spectrum whitening; inverse Q filtering

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1.1 1.2 1.3



第一章 绪论................................................................................................................ 1 地震资料处理背景 ....................................................................................... 1 地震数据处理发展历程 ............................................................................... 1 地震信号提高分辨率方法研究现状及意义 ............................................... 2 1.3.1 1.3.2 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 2.1 研究现状 ............................................................................................. 2 研究意义 ............................................................................................. 3 分辨率的含义 ..................................................................................... 3 影响地震资料分辨率的因素 ............................................................. 4 子波分辨率 ......................................................................................... 5 振幅处理 ............................................................................................. 6 叠前噪音压制 ..................................................................................... 6 静校正与交互速度分析 ..................................................................... 6 反褶积 ................................................................................................. 7

地震信号分辨率理论 ................................................................................... 3

高分辨率处理技术要点 ............................................................................... 6

第二章 反褶积提高地震信号分辨率........................................................................ 8 地震记录褶积模型 ....................................................................................... 8 2.1.1 2.1.2 2.2 2.3 地震子波描述 ..................................................................................... 8 地震褶积模型 ..................................................................................... 9

反褶积提高地震分辨率 ............................................................................. 11 典型反褶积算法 ......................................................................................... 11 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 地表一致性反褶积 ........................................................................... 11 预测反褶积 ....................................................................................... 13 反 Q 滤波 .......................................................................................... 14 时变谱白化 ....................................................................................... 15

2.4 3.1 3.2

反褶积提高地震分辨率局限性 ................................................................. 16 地震资料高分辨率处理前的准备工作 ..................................................... 18 叠前地震资料高分辨率处理分析 ............................................................. 23 3.2.1 3.2.2 预测反褶积 ....................................................................................... 24 地表一致性反褶积 ........................................................................... 26 时变谱白化 ....................................................................................... 29

第三章 实际数据分析研究...................................................................................... 18

3.3

叠后地震资料高分辨率处理分析 ............................................................. 29 3.3.1

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3.3.2 反 Q 滤波 ........................................................................................... 30 3.4 4.1 4.2 相关方法组合分析研究 ............................................................................. 32 结论 ............................................................................................................. 34 进一步工作方向 ......................................................................................... 35 第四章 结论与展望.................................................................................................. 34

参考文献...................................................................................................................... 35 致谢.............................................................................................................................. 37

II

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第一章
1.1 地震资料处理背景

绪论

油气资源是社会的工业粮食,是国民经济的命脉。随着我国经济的飞速发 展,对油气的需求与日俱增。油气大多都是埋藏在地表以下,获取准确的地下 油气藏分布信息在油气田开发过程中起着先导作用。 长期以来,为了获取地质构造和矿产分布信息,人们发明了三类方法:地 质法;物探法;钻探法。物探法是一种间接法,其中之一的地震物理勘探法是 查明地质构造最有效的方法。地震勘探所依据的是岩石的弹性,其基本工作方 法是在地表布置测线,在浅井中用炸药震源人工激发地震波,地震波向下传 播,当遇到弹性不同的分界面时,就发生反射或折射。人们在测线的一些点上用 专门的仪器记录地震波,得到地震记录。由于接收的地震波经过了地下地层介 质的改造,就带有与地质构造,地层岩性等有关的各种信息,诸如时间能量、 速度、频率等。从地震记录中提取这些信息,就有可能推断解释地质构造的形 态,含油气地层的分布等信息[1-2]。 地震物理勘探主要分三个步骤:野外数据采集,室内资料处理,地震资料 解释。野外工作主要任务是采集有效的地震数据;室内地震处理是中间环节, 对原始地震资料作解编、滤波、校正、反褶积等处理,以得到高精度的地质信 息;地震资料解释主要是通过对处理后的地震资料的研究,分析获取地下地质 构造和油气矿资源的分布信息[3]。 提高地震分辨率,获取反射系数是地震数据处理的主要任务之一。提高地 震信号分辨率在岩性划分和地震层位分析方面上都很有意义。高分辨率地震技 术是在构造复杂地区进行地震详查确定小幅度构造,小断层和表层构造的有效 手段。这对于我国目前油气田勘探有着重要意义,一方面是由于我国的地质构 造特点,另一方面,东部油田也已进入深挖细找阶段。地震勘探的高分辨率处理 已成为油田勘探和开发的目标之一[4]。

1.2 地震数据处理发展历程
地震数据处理的发展过程与石油、天然气地震勘探的发展历程密切相关。 自从20世纪20年代初期出现反射波地震勘探以来,石油天然气地震勘探经历了 三个发展阶段[5]。 第一个阶段(约1920年至1958年)位光点地震勘探阶段。在这个阶段利用 光点地震仪进行野外地震数据采集,野外地震记录以光点振动记录在照相纸上 的形式进行记录。室内地震数据处理极为简单,根据记录的反射波时距曲线计

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算波的传播速度,再根据波的旅行时和速度计算反射界面的深度和倾角确定反 射界面的位置和形态,最后绘制反射界面的构造图。这个阶段的勘探对象以简 单的构造油气藏为主。 第二阶段(约1985年至 1968年)为模拟磁带地震勘探阶段。在这个阶段利 用模拟磁带地震仪进行野外地震数据采集,野外地震记录以模拟磁带记录形式 记录在模拟磁带上。室内地震数据处理将野外模拟磁带在模拟磁带回放仪上回 放并进行模拟信号处理,可以进行模拟滤波和叠加处理。地震处理剖面的质量 比第一阶段有了明显的提高,地震勘探的能力也得到显著的增强。这个阶段的 勘探对象以较复杂的构造油气藏为主。 第三阶段(约1968年至今)为数字地震勘探阶段。进入20世纪60年代后, 随着数字计算机的出现和飞速发展,地震勘探也进入了数字地震勘探阶段。在 这个阶段利用数字地震仪在野外进行数字地震采集,野外地震记录以数字磁带 记录方式记录在野外数字磁带上。室内地震数据处理将野外数字磁带回放后, 输入数字计算机进行数字处理。由于数字计算机的飞速发展、大内存和海量磁 盘存储及数字处理的高度灵活性使地震数据处理得到飞速的发展。

1.3 地震信号提高分辨率方法研究现状及意义
1.3.1 研究现状 提高地震勘探分辨率是一项系统工程。目前采用的高分辨率采集、严格野 外施工、提高炮点/检波点测量定位精度、提高静校正精度、高分辨处理等已 经取得了很大成效。反褶积作为提高叠后数据分辨率的重要手段,国内外研究 人员进行了深入的研究。提出了很多反褶积的实用算法,如脉冲反褶积、预测 反褶积、最小熵反褶积、同态反褶积、均值范数反褶积等等,这些反褶积方法 各有各的使用领域。 与测井资料相比,地面地震资料的横向分辨率远高于测井,而垂向分辨率 远低于测井。在井中地球物理观测中,检波器在井中,一方面由于避开了低降 速带对高频的吸收,得到了频带较宽的地震信号;另一方面,通过不同深度的 连 续 观 测 , 可 以 计 算 精 确 的 参 数 。 与 地 面 地 震 相 比 , VSP(verticl seismicprofile)、井间地震覆盖面积较小,介于测井与地面地震之间,其垂向分 辨率也介于测井与地面地震之间。近年来, VSP、井间地震等井中地球物理技 术的发展和广泛应用,使得利用地面地震、 VSP、井问、测井等资料进行联合 采集、处理和反演成为可能。因此,在现有资料的基础上,地面地震与 VSP或 井间地震相结合是提高分辨率的重要途径之一。 国外,Stewart,R.R和Disiena,J.P 1989年提出利用VSPL06对地面地震 资料进行高频补偿的思想,并进行初步试验。但此后国外并没有对这一思想进
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行进一步的研究和探讨,也未见实际效果。 国内方面,王紫娟、刘德威等 1995年完成了利用VSP,LOG对地面地震资 料进行高频补偿的实际资料处理,但未见非常理想的效果。 1.3.2 研究意义 随着石油勘探开发的不断深入,油气勘探目标以构造勘探为主逐渐进入以 岩性勘探为主。岩性圈闭的勘探难度大,对地震数据的分辨率提出了更高的要 求。作为高分辨率地震勘的一个环节,高分辨率地震数据处理非常重要。高保 真的高分辨率地震数据是薄互层油气藏地震属性分析和储层预测的基础。

1.4 地震信号分辨率理论
1.4.1 分辨率的含义 提高地震分辨率是地震勘探的永恒主题 ,提高地震资料分辨率,获取反射 系数是地震资料处理的主要任务之一。在资料处理中,获取高分辨率、高信噪 比的资料是处理的根本宗旨,也是我们为之而努力的目标。那么什么是分辨 率,而又如何获得高分辨率的资料呢? 日常生活中的分辨能力是指区分两个靠近物体的能力,通常以绝对值表 示。度量分辨率能力的强弱通常有两种表示方式:一是距离表示,分辨的垂向 距离或横向范围越小,则分辨能力越强;二是时间表示,在地震时间剖面上, 相邻地层时间间隔越小,则分辨能力越强。地震勘探上的“分辨率”,是指地震 子波对地层薄层厚度的最大区分能力。地震记录分辨率包括横向分辨率和纵向 分辨率。本文中,仅指纵向分辨率。 根据“鲁滨逊 ”地震记录数学模型 [6],地震记录仪所采集到的地震记录是地 震子波和地层反射系数的褶积再加噪音构成,即:
x (t ) ? b(t ) ? ? (t ) ? n(t )

(1-1)

其中, x(t ) 一采集到的原始地震信号,即地震记录;

b(t ) 一地震子波,它是由野外人工放炮所形成的尖脉冲经过检波仪
器,大地表层,地层深处等多次滤波所形成的;

? (t ) 一地层反射系数,地质学上把大地分为若干层,每一层对声波
有着不同的反射能力并用相应的反射系数表示;

n(t ) 一各种加性噪声干扰。
地震检波仪采集地震信号的对应流程:野外人工放炮,产生 “野子波”,它 是一个尖脉冲,野子波穿透地层向大地深处传去。在传播的过程中,遇到不同 地层界面时,发生反射、折射及透射。反射部分的能量传回地表被检波仪器接 收,代表某一地层,透射部分的能量继续向下传播,依次类推,形成了地震记 录。
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野子波由于与地层的摩擦,发生了反射,折射,透射等,能量逐渐减小, 由刚开始的尖脉冲,逐渐变成了“地震子波”。 实际上,对地震分辨率的概念,几十年来一直存在不少争议[7-8],为使问题 不过于复杂,精确的定义采用运动特性描述下的分辨率概念:地震子波b(t)在相 邻两个地质界面上反射,相互干涉叠加后,通过两个子波主峰能量所能区分的最 小时间差或最小薄层厚度。同一地震资料相同时窗内,不同分辨率示意图如图 1-1,1-2所示。

图1-1 低分辨率地震记录

图1-2 高分辨率地震记录

1.4.2 影响地震资料分辨率的因素 1.4.2.1 噪音
由于地下地质情况、采集因素、环境噪声等因素影响,野外采集的地震资 料会夹杂各种各样的噪声,如异常振幅 (包括野值、尖脉冲、高能干扰、 50Hz 工业电等) 、规则噪声 (包括面波、声波、多次折射、倾斜干扰等 ) 、随机噪声 等。这些噪声都会给地震资料处理带来不良影响。 (1)影响资料的信噪比,特别是高频信息的信噪比,因噪音的存在而损失 严重,造成地震资料有效频带变窄,降低了地震资料的分辨率。 (2)影响反褶积因子,造成反褶积不能很好地统计子波,使反褶积效果变 差,达不到压缩子波、拓宽频带、提高分辨率的目的。 (3)影响速度拾取,造成动、静校正误差,使得静校正量求取不准,资料不 能同相叠加,信噪比降低的同时降低资料分辨率。

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1.4.2.2 大地滤波作用 地震波在传播过程中,由于地层的吸收效应,经大地滤波后,其能量衰减 严重,在相同的传播条件下,高频成分能量衰减速度比低频成分能量衰减速度 快,所以,随着深度的增加,地震波的高频成分逐渐减少。 1.4.2.3 信号不同相 由于地表的起伏和低降速带速度、厚度的变化,导致来自同一反射层的地 震信号波形不齐,存在一定的时差。因此,叠加在一起不仅降低资料的信噪 比,而且严重影响分辨率。 1.4.2.4 大炮检距的影响 大炮检距勘探对提高中深层资料信噪比有很大益处,但大炮检距数据对分辨 率却有很大影响。 (1) 大炮检距资料地震波传播路径过长,地震信息高频成分损失严重,使 资料高频成分的信噪比降低,降低主频,从而降低资料分辨率。 (2) 随着地震波传播时间的增大,子波的延续时间变长,大炮检距数据相 邻反射的到达时间差减小。使相邻反射的分辨能力降低[3 ] 。 (3) 大炮检距增大,覆盖次数增加,资料信噪比提高的同时,分辨率因叠 加效应而降低。 (4) 随着大炮检距的增大,动校拉伸增大,反射信号向低频端移动,使资 料分辨率降低。 1.4.3 子波分辨率 地震子波的分辫率即地震子波对相邻地层界面的分辨能力。它与地震子波 的延续长度有关。要将两个相邻地层界面分开,地震子波的延续长度越短越 好,即地震子波的延续长度越大则子波的分辨率越差,地震子波的延续长度越 小则对应子波的分辨率越高;或者说地震子波的分辨率与子波包络的形态有 关,子波包络瘦则其分辨率就高,子波包络胖则其分辨率就低。 地震子波从理论上有零相位子波,最小相位子波,混合相位子波和最大相 位子波。最小相位子波、最大相位子波、混合相位子波是物理可实现子波,是 单边子波。零相位子波是双边子波,为物理不可实现子波。 从时域而言,子波延长度越小分辨率越高,即越向尖脉冲方向逼近,分辨 率越高;同等延长度条件下,零相位子波的分辨率最高,最小相位子波其次, 混合相位子波次之,最大相位子波分辨率最差。 从频域看,影响子波分辨率的因素有子波频宽和相位谱。 子波绝对频宽,即带通子波频谱的上下限频率之差。频宽越宽,分辨率越 高。

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子波的相位谱。同振幅谱条件下,零相位子波在同一振幅谱的所有子波中 峰值最高,对应地层界面最准确,分辫率最高,最小相位子波,混合相位子波 和最大相位子波依次降低。 关于子波分辨率的定量计算公式,Widness等人对子波的分辨率做了定量分 析[10]。在时域中,子波分辨率为峰值能量与总能量的比值: (1-2)

p?
??

bm 2 E

其中,总能量 E ?

? 的乘积。可见,当子波为冲激函数时,子波的分辨率为最大,其值为 1 ? 。

??

? b (t )dt ? ?g ? b
2

2

k

,即为所有采样点的能量之和与采样间隔

1.5 高分辨率处理技术要点
1.5.1 振幅处理 振幅处理是高分辨率处理的一项重要内容,它既能使振幅得到有效恢复, 又能改善资料的横向一致性,为后续的反褶积处理奠定良好的基础。对工区地 震测线跨度大、横向振幅不一致的野外原始资料,采用地表一致性振幅补偿技 术,可以有效地补偿炮点、检波点、共中心点、偏移距等各分量上的振幅差 异。 1.5.2 叠前噪音压制 对一般的地震资料而言,高频端的噪音相对突出,而高频信号对高分辨率 处理又是至关重要的,因此压制叠前噪音是高分辨率处理的重要环节。 面波压制是在利用面波的频率特性和线性特征识别出面波后,采用减去法 达到压制面波的目的。同单纯的滤波方法相比,该方法充分保留不具有线性特 征的低频有效信号,而且压制效果也比单纯的滤波方法好。 对于高能干扰及随机干扰,采用多道识别、单道压制的方法,使其得到有 效的衰减。由于噪音在不同的频段、不同的时间段有不同的特征,所以采用分 频、分时的压制方法效果更好。如果参数选择合理,也可以使相干噪音得到压 制。该方法使处理后的叠加剖面波形自然,无畸变,保留了原始资料的原有特 征。 1.5.3 静校正与交互速度分析 地震资料的高频信号对静校正反应敏感,在地表高程起伏较大或低、降速 带横向变化大的地区,常规的高程静校正方法不能满足高分辨率处理的需要, 应采用初至折射波静校正方法,对全区进行初至波拾取、统一计算,在反演出 地下低、降速带的厚度和速度场后,求出各炮点、检波点的静校正量,从而提 高静校正的精度。

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解决好剩余静校正问题对于高分辨率处理是非常重要的,由于剩余静校正 量在炮检距、炮点、检波点、共中心点等都存在横向差异,因此对于测线跨度 大的工区,需采用地表一致性剩余静校正。此外,考虑到地震信号的剩余静校 正量在不同频段、不同深度也有差异,采用分频、分时剩余静校正处理效果更 好。 要得到好的剩余静校正结果,需要提供精确的速度场。通常,速度分析要 与剩余静校正多次迭代,要求有准确、快捷的速度分析手段。采用每个分析点 速度临域内实时扫描叠加的分析方式,可以对层间弱反射进行充分地解释,从 而保证每个速度分析点速度的正确性。 1.5.4 反褶积 采用叠前地表一致性反褶积与单道反褶积组合,能使资料的频带明显拓 宽,视主频得到明显提高。然后,再进行叠后反褶积处理,使剖面的分辨率得 到进一步提高。 地表一致性反褶积不仅使分辨率得到一定提高,而且改善了资料的横向能 量一致性,在此基础上进一步拓宽频带,能较好地保持振幅的横向一致性。单 道反褶积能使分辨率得到进一步提高,频带进一步拓宽。 叠加效应将导致剖面的分辨率下降,采用叠后反褶积处理技术可以提高资 料的视主频,进而满足地震资料解释的需要。

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第二章

反褶积提高地震信号分辨率

2.1 地震记录褶积模型
2.1.1 地震子波描述 地震子波是地震记录的基本组成单位,由具有一定周期,频率,初始相位 与衰减因子组合而成的函数[13-14] b(t ) ? cp sin(? ? wt ) 其中, b(t ) 一地震子波 (2-1)

c 一子波振幅系数
p (t ) 一特定衰减函数

? 一子波的初始相位
w 一子波的频率参数
衰 减 函 数 p(t ) 根 据 衰 减 程 度 , 对 应 不 同 的 函 数 形 式 , 如 幂 指 数 函 数 p (t ) ? e ? ?t (? ? 0) 线性分段单调下降函数等;常数 c 的确定根据实际地震记录的 最大振幅值确定的。对于 ? 的不同取值,得到不同相位的子波,如零相位子 波,最小相位子波,最大相位子波和混合相位子波等。 最小相位子波和零相位子波如图2-1,图2-2所示。

图2-1 最小相位地震子波示意图

图2-2 零相位地震子波示意图

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2.1.2 地震褶积模型 原始地震记录的形成:在反射法地震勘探中,人工地震产生一个尖脉冲, 即“野子波 ”。野子波在地层介质中传播,形成地震子波。在每个地层反射界面 处,地震子波产生反射波传回地面,由地震检波仪器记录下来,形成原始地震 记录。 理想地震记录模型:理想地震记录是仅由表示反射系数的一系列尖脉冲组 成,如图2-3所示,也可以用式(2-2)描述
x(t ) ? b? (t )

(2-2)

其中, x (t ) 一原始地震记录
b 一震源脉冲幅值

? (t ) 一反射界面的地层反射系数

图2-3 理想地震记录示意图

“鲁滨逊”地震褶积模型[15]由于地层介质的滤波作用,野子波在地层介质中 传播后,变成一个有一定延续时间的时变波 b(t ) ,即地震子波。 实际地震记录 是许多地震子波叠加的结果,是地震子波和反射系数序列的褶积,即地震处理 中的重要的“鲁滨逊”地震褶积模型:
x (t ) ? b(t ) ? ? (t ) ? n(t )

(2-3)

其中, n(t ) 表示加性干扰信号。 下面用简化模型描述地震子波与反射系数褶积构成地震记录的过程。 图2-4为一地层模型示意图,含有三个等距反射界面,图 2-5 表示对应反射 系数,图2-6表示人工地震子波,最后图 2-7表示地震检波仪接受到的地震褶积 记录。

图2-4 地层反射模型示意图

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图2-5 对应反射系数

图2-6 地震子波模型

图2-7 子波与反射系数褶积记录

实际地震记录则如图2-8所示

图2-8 原始地震剖面

“鲁滨逊”褶积模型中的三个分量,子波、反射系数和噪音:
① 子波b(t)通常情况下为

b(t ) ? s (t ) ? m(t )

(2-4)

其中, s (t ) 一震源脉冲;
m(t ) 一各种滤波响应,包括炮点位置近地表滤波响应,接收点位置

地表滤波响应,以及与炮检距有关的滤波响应。 ② 反射系数ξ(t)在理想情况下通常被认为是白噪谱,即满足

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E[? (t )] ? 0 ?1, t ? s E[? ( s )? (t )] ? ? ?0, t ? s

(2-5)

③理想条件下,噪音很小,不至于干扰高分辨率处理。事实上,噪音的存 在是提高地震记录必须克服的一个障碍。 此外,模型也假设以下条件:地层是由常速的水平地层组成;震源产生的 是一个垂直入射的平面压缩波[1]。

2.2 反褶积提高地震分辨率
分辨率低的首要原因:地震记录中,地层反射波一般是延续几十毫秒的波 形。而地下反射界面一般相距几米至几十米,对应反射波到达检波仪的时间差 仅为几毫秒至几十毫秒。因此,在反射地震记录上各层反射波相互干涉重叠, 难于区分,造成了分辨率很低[16]。 处理地震资料目标之一是得到地层反射系数 ? (t ) ,而提取反射系数同时, 压缩了地震子波,提高了地震信号的纵向分辨率。 反褶积提取反射系数,频域上,拓宽其振幅谱,提高地震分辨率对应时域 上压缩地震子波至尖脉冲,相位谱零相位化[17]。 反褶积提取反射系数,提高分辨率原理流程图如图2-9所示。

图2-9 反褶积原理流程图

2.3 典型反褶积算法
2.3.1 地表一致性反褶积 由于地表条件的变化,常使反射波的波形和振幅发生畸变,降低了道间反 射子波的一致性。地表因素对地震记录的影响可近似认为是时不变的,并且是 地表一致性的,而与地震波的传播路径无关。地表因素对地震记录的影响可分 为炮点检波点两个方面。
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设为所求的某一炮点或栓波点的反滤波因子,则经地表一致性反滤波后的 地震记录 可以写为:
yi ? ? hk ? xi ? k
k

(2-6)

式中, xi 一滤波前炮点或共接收点道集记录。作为对输出记录一致性好坏 的衡量,这里采用多道记录相似性可变范数作为约束条件,称之为波形一致性 判别准则:
V ? ? Vm

(2-7) (2-8)
)2
2

式中

m

Vm ? Rm ? I m

Rm

? (? y ? ?? y
i j i j

ijm

(2-9)

ijm

2

Im ?

??y
i j

ijm n 2

? ? ? ?? yijm ? ? i j ?

(2-10)

m 为共炮点或共接收点的道号。

是一个描述多道记录相似性的量,对于 L次覆盖的道集记录 ( j ? 1, 2
n ? 4 时, I m 为方差模,在此只作为一种约束。

L) ,

如果各道记录一致性越好, R m 越大,如果各道的一致性越差, Rm 值越小。当 显然, V ? ?Vm 描述的是一个。衡量某一共炮点或共接收点 M 个记录所 对应的共中心点道集记录波形一致性和能量集中程度的量。通过使 V 达到极 大,可求出校正炮点或接收点地表影响的反滤波因子。 为使 V 值达到极大,将 V 对 hk 求导,并令导数为0得: ?V ?V ?? m ?0 ?hk (k ? ?N , , N ) m ?hk 由此得:
Rxx ? h ? Rxy

(2-11)

式中:矩阵 Rxx 的各元素是 M 个记录自相关的加权和;列矩阵(向量) 的 各元素是输入的 M 个记录道与其所对应的共中心点道集记录迭加道 (n ? 1) 次方

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的互相关的加权和。这些值都与输出值有关,即与所要求取的反滤波因子 h 有 关。因此(2-11)是一个高次方程组,通过迭代法可解出反滤波因子 h 。 在进行地标一致性反褶积时,以常规时差校正后的 CMP 道集记录为输入, 首先求出炮点的反滤波因子,并对输入的记录做反褶积;用经炮点的反滤波因 子滤波后的结果作为输入,求取接收点的反滤波因子,然后对记录作滤波,这 样完成炮点和接收点地标一致性处理。在使用反褶积对子波进行压缩时为了消 除地表因素造成的子波横向上的变化,一般我们首先要进行地标一致性反褶积 处理,尽可能使子波的波形和振幅达到一致,减少子波的变化对后序处理的影 响。然后再利用诸如预测反褶积,子波反褶积等对子波进行压缩,效果将更 佳。我们称这种作法为组合反褶积。经地标一致性反褶积处理后的剖面上,反 射波波形更趋于稳定。 2.3.2 预测反褶积 在地震数据处理中所用的预测反褶积是用预测的方法,根据地震记录一次 反射和干扰的信息预测出纯干扰部分,再由包括一次波和干扰的地震记录中减 去纯干扰部分,得到消除干扰后的一次反射信号,以消除一次反射后面的海上 鸣震等多次波干扰。 预测滤波根据当前值 x(t ) 和过去值 x(t ? 1) , x(t ? 2) 等推解未来某个时刻
t ? a 的值 x(t ? a) 。

一个可被测物理量由可预测部分 x1 (t ? a) 和不可预测部分 x2 (t ? a ) 构成。滤 波器脉冲响应是可预测的,输入是不可预测的。预测滤波的功能是通过设计预 测算子求取输出量中的不可预测部分。地震信号预测反褶积中,地层反射系数 假设为随机白噪谱,被认为是不可预测的。 设预测反褶积算子为 a (t ) ,则 x2 (t ? a) ? a(t ) ? x(t ) 为压缩子波后的反射系 数。实际处理时先求可预测部分 x1 (t ? a) ,即 x2 (t ? a) ? c(t ) ? x(t ) ,然后所要求 取得反射系数 x2 (t ? a) ? x(t ? a) ? c(t ) ? x(t ) ,所以关键是设计预测算子 c(t ) 。 按照误差最小平方原理求预测算子 c(t ) ,令
m ? ? ? ? ? ? x(t ? a) ? ? c(l ) x(t ? l ) ? Q ? ?? x ( t ? a ) ? x ( t ? a ) ? ? t ?0 t ?0 ? l ?0 ? T 2 T 2

(2-12)

由此,按 Q 对 c(s) 求偏导,并令其趋于零,可得

?r
l ?0

m

xx

(l ? s)c(l ) ? rxx ( s ? a), ( s ? 0,1

m; l ? 0,1

m)

(2-13)

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T

其中, rxx (l ? s ) ? ? x (t ? l )x (t ? s ), rxx (s ? a) ? ? x(t ? a) x(t ? s) 分别表示延迟时
t ?0

T

t ?0

间 1 ? s 和 s ? a 的地震记录自相关函数(地震记录自相关代替子波自相关) 。转化 成矩阵形式为 ? rxx (0), rxx (1), rxx (m) ? ? c(0) ? ? rxx (a ) ? ? ?? ? ? ? ? rxx (1), rxx (0), rxx (m ? 1) ? ? c(1) ? ? ? rxx (a ? 1) ? (2-14) ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? rxx (m), rxx (m ? 1), rxx (0) ? ? c(m) ? ? rxx (a ? m) ? 解矩阵方程,即可求出预测算子 c(t ) 。 2.3.3 反Q滤波 反Q滤波即大地吸收补偿反褶积,它从大地滤波机制出发补偿高频损失, 提高地震分辨率。 地震子波在大地传播过程中,信号的一部分能量由于摩擦等原因转换成了 热能,导致信号的主频向低频转移同时波长变长,造成了地震分辨率降低 [20]。 它和信号频率,传播距离,地层介质等有关。反 Q滤波根据信号在大地传播过 程中的“福特曼 ”衰减模型,求取反褶积因子以补偿损失掉的高频部分,从而恢 复地震纵向分辨率。 反Q滤波中的Q值为信号传播介质的品质因数,对应表达式为 E Q ? 2? ?E 表示信号传播过一个波长 ? 后,原存储能量和损失能量比值。 地震信号衰减模型:“福特曼模型”[21]如式(2-16),(2-17)
AMP( f ) ? e
?

(2-15)

?t
Q

f

? ( f ) ? H ?ln ? AMP ( f ) ??
特变换。对应反吸收因子频谱为

(2-16) (2-17)

式中, AMP ( f ) 是吸收因子 p( f ) 的振幅谱, ? ( f ) 是其相位谱。 H ( f ) 是希尔伯

? ? tf ? IQ( f ) ? exp ? ? iH ( f ) ? ? Q ?

(2-18)

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地震记录反Q滤波的步骤如图2-13所示: 原始地震记录预处理

分时窗确定最佳 Q 和 t 值求取反吸收因子振幅

希尔伯特变换相位谱 确定反吸收因子频谱

应用反吸收因子

Y ( f ) ? X ( f )IQ( f )

傅立叶反变换求出补偿后 记录 y(t)
图2-13 时变反Q滤波

反 Q滤波需精确确定 Q值和保证地震信号衰减模型的准确。运用经验公式 或谱分析发多次试验确定 Q值[22]。通常情况下,在振幅衰减的同时,信号的相 位也会发生改变,类似于做振幅衰减补偿,应用福特曼模型也可以独立地对相 位进行校正。应用反Q滤波进行振幅相位独立校正,即串联反Q滤波[23]。 2.3.4 时变谱白化 时变谱白化不改变改变子波的相位谱,是一种“纯振幅 ”的滤波过程,属于 零相位反褶积。地震波传播过程中,高频成分比低频成分损失更严重。谱白化 处理通过拉平地震信号的振幅谱,即“白化”地震波振幅谱,提高地震信号的分 辨率。 谱白化将地震信号进行傅立叶变换,由时域变换到频域,再在频域范围内 进行频率补偿,然后傅立叶反变换回到时域。频域谱白化处理主要步骤:①对 原始地震记录做FFT转换到频域,② 利用极值求取振幅谱包络线;③ 平滑滤波; ④ 求取各频段不同的比例因子,⑤ 各频段乘以相应比例因子,拉平振幅谱 [24] 时 域谱白化处理更易时变控制,在时域中的处理过程: ① 窄带通滤波 设一道地震记录为 x(n?t ) , n 为采样点序号, ?t 为采样间隔, FFT 后,
x(n?t ) 的振幅谱为:
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N ?1

X (m?f ) ? ? x(n?t )e ? i 2? m?t
m ?0

(2-19)

窄带通滤波采用门式滤波,分频滤波后:
X k (m?f ) ? X (m?f ) H k (m?f )

(2-20)

其中, H k (m?f ) 为第k个滤波器。然后,对上述K个频段的信号做 IFFT转到 时域,得到:
x(n?t ) ? ? X k (m?f )ei 2? m?fn?t
m?0 M

(2-21)

② 时变增益 对每个不同频段 x(n?t ) 分成若干个时窗,求出每个时窗内的均方根
Akj ? 1 T ?R 2 ? xk (n?t ) T ? 1 n ?r

(2-22)

Akj 为第k个分频段,第j个时窗内的振幅均方根, r为时窗起始时间,T为时窗长

度,则第k个分频段第j个时窗内的地震记录要做如下增益处理:
xkj (n?t ) Akj

xkj (n?t ) ? C

(2-23)

即让相应时窗内的每一点除以该时窗内的振幅均方根并乘以增益常数,以 使得原地记录中各分频段做均衡化处理,达到白化振幅谱目的。处理后再把各 频段地震信号叠加。 2.4 反褶积提高地震分辨率局限性 反褶积方法是地震高分辨率处理的常用手段,但也存在着比较明显的缺 陷。 最小平方反褶积,预测反褶积等经典反褶积的正常步骤是①提取地震子 波,② 再求其对应反褶积因子,③ 最后用反褶积因子与原始记录相褶积,得到地 层反射系数的同时提高地震信号分辨率。然而,地震子波往往未知,精确提取 地震子波目前仍很困难[25],近似提取地震子波不可避免地带来误差。因此,对 地震模型往往作出人为假设: ① 地震子波是最小相位信号,非时空变; ② 地层反射系数为白噪谱; ③ 噪音干扰为零或很小。 假设条件大多数情况下得不到满足,限制了经典反褶积算法的处理效果。
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同态反褶积等方法避开了先求子波,不需上述人为假设,在一定程度上缓 解了矛盾。但同态反褶积中子波对数谱和反射系数对数谱大多部分重叠,并不 完全分离,所以在反演子波和反射系数时带来误差。 最小嫡反褶积利用了 “嫡 ”和最大方差范数衡量输出信号外形的简单程度, 但是最大方差模准则同时又对地震记录中的弱信号产生过多的压制,带来不可 避免的误差。 反Q滤波中,反映地震衰减情况的福特曼模型仍需进一步研究,同时在地 层衰减因子Q值的精确提取目前也是仍有一定的难度[26]。 时变谱白化中通常都存在不能对整个剖面进行有效补偿,谱白化的同时往 往破坏了原始记录的振幅关系,造成对剖面一部分补偿合适而另一部分补偿不 合适现象。 总之,反褶积方法作为常规处理手段在一定程度上能压缩子波,提高地震 分辨率,但是同时又受到各种约束条件的限制,效果受到不同程度的压制[27]。

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第三章

实际数据分析研究

从本文所用工区的原始资料来看,该地区的浅层的资料的信噪比低,而目 的层(较深层)的信噪比较低。如下图所示。

图3-1 原始单炮地震记录图

从原始的地震资料上可以看出,同相轴在 2500ms 、 4000ms 、 4800ms 时比 较清晰,在2000ms之上声波干扰较大,在2881到2921道之间的面波较多。

3.1 地震资料高分辨率处理前的准备工作
在用预测反褶积,地表一致性反褶积,反 Q滤波,谱白化等具体的方法对 地震资料进行高分辨率处理之前先要做一些基础的工作这样可以使得最终的处 理效果更佳。 (1) 带通滤波处理

图 3-1-1 带通滤波地震记录图(频率 3-50-150-200Hz)

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带通滤波的作用主要是滤除干扰波提高地震记录的分辨率。 (2) 叠前去噪

图3-1-2 F-K去噪前的地震记录之F-K频谱图

图3-1-3 F-K去噪后的地震记录之F-K频谱图

做F-K去噪的参数:频率: 3 ~40Hz,速度: 3330~5500m/s,主要去除的是 面波。上面两图是去噪前后的对比图,信噪比是影响分变率的直接原因,去噪 可以去除干扰波为后续提高分辨率打基础。 (3) 观测系统定义

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就是野外采集时炮点,检波点相对位置关系的一种室内恢复,通过观测系 统定义,就可以把每一炮每一道真实的野外位置关系恢复出来,确定炮检点的 位置关系。

图 3-1-4 排列关系信息数据表

图 3-1-5 检波点信息数据表

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图 3-1-7 炮点信息数据表

(4)

线形动校正

图 3-1-8 地震资料动校正地震记录图(速度参数:4700m/s)

线形动校正主要是检查观测系统的建立是否准确,从上图可以看出观测系 统的建立是正确的。
21

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(5)

地震记录初至波拾取(图3-1-5) ,地震记录废道拾取(图3-1-6) ,地

震资料反褶积(图3-1-7).

图 3-1-9 地震记录初至波切除拾取图

地震原始数据的初至主要为直达波和折射波,而在数据处理中主要是对反 射波进行处理所以要进行初至拾取。

图 3-1-10 地震记录废道拾取图

22

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图 3-1-11 地震记录反褶积时窗图

(6)

速度分析

地震波在地下介质中的传播速度是地震数据处理和解释中非常重要的参 数。速度参数不仅关系到地震数据处理诸多环节的质量,其本身也提供了关于 地下构造和岩性的重要信息。速度分析是地震数据处理过程中至关重要的环 节,在速度准确的情况下,地震数据通过叠加和偏移处理能够较好的反映地下 构造特征,反之,可能会产生假象,甚至错误的解释结果。准确可靠的速度分 析是地震数据处理的基础。下图速度分析的最小中心CDP为50,最大为1000。

图3-1-12 地震资料速度分析图

3.2 叠前地震资料高分辨率处理分析
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反褶积的基本作用是压缩地震记录中的地震子波,同时,可以压制多次 波,因此反褶积可以提高地震的分辨率。 3.2.1 预测反褶积

图3-2-1 未做预测反褶积前地震记录图

图3-2-2 做过预测反褶积后的地震记录图

利用promax 做预测反褶积时带通滤波器的频率值为: 3-8-60-80。图3-2-1为 原始的切除废道和去噪后的示意图,图3-2-2是在图3-2-1之外再加上预测反褶积 处理后的结果示意图,从图可以看出同相轴变细地震资料的分辨率得到了明显 的提升。

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图3-2-3 反褶积之前的自相关函数图

图3-2-4 预测反褶积之后的自相关函数图

自相关函数是检验分辨率的一个标准。上面两图为反褶积前后的自相关函 数对比图。在反褶积以前,子波的旁瓣是比较多的,同相轴连续性较差;而在 反褶积之后,旁瓣变少了,同相轴连续性变好。从自相关图可看出分辨能力得 到了的提高。

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图3-2-5 反褶积前和预测反褶积之后的频谱对比

上面两组图反映的是反褶积前和反褶积之后的频谱对比图。从上图的对比 来看,反褶积之前,其频带比较窄,分辨率比较低,经过反褶积之后,频带的 得到了拓宽。经过预测反褶积之后,频谱大为拓宽,子波得到了进一步的压 缩,分辨率得到了最大程度的提高。 3.2.2 地表一致性反褶积 地表一致性反褶积的目的在于消除地表条件的变化对地震子波波形的影 响。

图3-2-6 未做地表一致性反褶积地震记录图

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图3-2-7 地表一致性反褶积后地震记录图

利用promax做地表一致性反褶积时的参数为:开始时CDP为1结束时CDP为 879。图3-2-6为原始的切除废道和去噪后的示意图,图 3-2-7是在图3-2-6之外再 加上预测反褶积处理后的结果示意图,从图可以看出同相轴变细地震资料的分 辨率得到了明显的提升。

图3-2-8 地表一致性反褶积之前的自相关示意图

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图3-2-9 地表一致性反褶积之后的自相关示意图

自相关函数是检验分辨率的一个标准。上面两图为反褶积前后的自相关函 数对比图。在反褶积以前,子波的旁瓣是比较多的,同相轴连续性较差;而在 反褶积之后,旁瓣变少了,同相轴连续性较好。从自相关图可看出其分辨能力 得到了提高。

图3-2-10 反褶积之前和地表一致性反褶积之后的频谱对比

上面两图反映的是反褶积前和反褶积之后的频谱对比图。从上图的对比来 看,反褶积之前,其频带比较窄,分辨率比较低,经过反褶积之后,频带的得 到了拓宽。经过地表一致性反褶积之后,其频谱有所拓宽,对子波的压缩也不 够。

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地表一致性反褶积可以消除地表条件对资料的影响,改善资料的信噪比, 较好的解决共炮点域和共检波点域的耦合响应差异问题有效地压缩地震子波, 提高叠前资料的时间分辨率,既保证了浅中层资料的分辨率又保持了深层连续 性和整体信噪比。

3.3 叠后地震资料高分辨率处理分析
3.3.1 时变谱白化

图 3-3-1 谱白化之前的地震记录图

图 3-3-2 谱白化之后的地震记录图

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图 3-3-1 为原始的切除废道和去噪后的示意图,图 3-3-2 是在图 3-3-1 之外 再加上预测反褶积处理后的结果示意图,从图可以看出地震资料的分辨率得到 了明显的提升。

图 3-3-3 谱白化前后的频谱对比图

由上图的谱白化频谱对比图可以看出,谱白化之前的频带比较窄,分辨率 比较低,经过谱白化之后,频带的得到了拓宽。 3.3.2 反 Q 滤波

图 3-3-4 反 Q 滤波之前的地震记录图

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图 3-3-5 反 Q 滤波之后的地震记录图 由上面两图可以看出反 Q 滤波之后反射波分辨率有所提高,主要反射层的连 续性变好。从图中可以看出反 Q 之后

补偿了因地表引起的衰减。
图 3-3-3 反 Q 滤波前后的频谱图

从上图可以看出看出反 Q 滤波前后的频谱变化较明显一般随深度的增加 Q 因 子值变小,这里只做粗略研究。反 Q 滤波是一种补偿大地吸收衰减效应的技

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术,它不仅可以补偿振幅衰减频率损失,而且还可以改善记录的相位特性,从 而改善同相轴的连续性。提高弱反射波的能量和地震资料的信噪比,分辨率。 反 Q 滤波技术不仅可以用于叠后对叠加的高截滤波效应进行补偿,还可以 用于叠前为改善反褶积效果创造条件。但是地震波在传播过程中是逐步衰减 的,超过某一距离后信号能量低于噪声,反 Q 滤波补偿结果会放大噪声,导致 过度补偿,积极降低资料信噪比从而使得反 Q 滤波不稳定,尤其是在深层。反 Q 滤波补偿会随着频率和旅行时的增大而呈指数增大,因此反 Q 滤波不稳定的 影响会呈指数增大。目前精确的做好饭 Q 滤波还是有一定的难度,这是因为: 第一,从理论上讲 Q 滤波的机制尚不清楚,反 Q 滤波的数学方法也不十分严 密;第二,根据实际资料很难精确求取 Q 值;第三,反 Q 滤波所补偿的高频段 通常信噪比很低,因而只能进行部分补偿。

3.4 相关方法组合分析研究
地表一致性反褶积目的是消除地表条件的变化对地震子波波形的影响;而 谱白化目的是展宽频带,它对有限频带进行纯振幅滤波后,外推此频带之外的 频率成分,达到扩展频带的目的。所以他们的组合效果会更好。 下面用地表一致性反褶积和谱白化的组合进行高分辨率处理研究,叠前用 地表一致性反褶积叠后再用谱白化处理。

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图3-4-1 组合方法处理之前叠加剖面

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图3-4-2 组合方法处理后的叠加剖面

在用了地表一致性反褶积加谱白化处理的组合方法之后明显比用单一方法 所得到的剖面分辨率更高,反射波更加清晰而且连续性好。所以组合方法比单 一的方法效果更好。

第四章
4.1 结论

结论与展望

本文以地震信号的高分辨率处理为研究对象,先后介绍了分辨率的基本理 论及其影响因素。对几种反褶积方法详细介绍之后,重点分析了地表一致性反 褶积和预测反褶积,以及时变普白化和反 Q滤波,通过对上述内容的分析,理 解,得出以下结论: (1) 在地震资料采集方面,做好每个细节很重要,每一个步骤都会影响到分 辨率的提高。 (2) 地表一致性反褶积的目的是消除地表条件的变化对地震子波波形的影 响,主要是调整波形,对子波的压缩程度有限;而预测反褶积主要是压缩地震 子波,拓宽频谱程度都较大,提高资料的分辨率。在压缩子波和拓宽频谱方 面,预测反褶积要优于地标一致性反褶积。 (3) 谱白化处理既提高了地震资料的分辨力又保持了一定的信噪比及同相轴 的连续性。

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(4) 反Q滤波器是一个指数增加的高通滤波器,需要经过修改以改善反算子 的稳定性。可补偿振幅和频率的大地衰减效应。 (5) 在处理中,要根据实际情况,在现有理论的基础上,灵活使用各种处理 方法。

4.2 进一步工作方向
本文的研究虽然取得了一定的成功,但由于地震处理背景知识相对缺乏, 实验条件和研究时间有限等因素,课题尚有许多有待进一步深入研究的工作, 这里择其要者简述如下: 随机噪声是地震褶积模型中有机组成部分,反褶积在提高地震分辨率的同 时会放大噪声,使反演效果大大降低,在分析反褶积方法方面还需进一步研究 噪声干扰问题。本文只是用了单一的方法进行处理,在后续的研究中还可以运 用多种方法组合对地震记录进行处理研究,分析其处理效果与用单一方法的区 别。

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致谢
求学石油是我一次难忘的经历。在四年的时光里,我把主要的精力投入到 了学习中。西安石油悠久的历史,浓厚的学术氛围,严谨的校风都使我受益非 浅。在我的论文即将完成之际,由衷感谢曾给予我教导,指导,帮助和批评的 老师和同学! 首先感谢我的导师张良老师!张良老师严谨的治学态度、渊博的学识和科学 的思维方式将使我终生受益,对我今后的工作和学习将产生深远的影响。张良 老师对我学习研究上的点拨,人生道路及学习思维上的指点,生活上的热情帮 助使我牢记在心.在此向我的导师张良老师表示深深的感谢! 感谢胡桢干,卜维维等同学在我的学习中给予的无私的帮助和支持。 再次向所有帮助,关心和批评我的人们致以崇高的敬意!

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2014 年 6 月

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