本发明是关于一种用垂直地震剖面技术进行地震勘探的方法，更详细地说，是关于一种处理地震数据信号以便在垂直地震剖面图上区分下行波地震事件与上行波地震事件的方法。所谓垂直地震剖面技术，是由安置在钻井中不同深度处的地震波探测器探测置于地面或靠近地面的地震能源所发出的声波，并根据该声波产生表示声波的电信号，再将这些电信号按探测器所处的深度次序排成的阵列形式记录下来。 地震勘探一般采用一地震能源和一系列置于关键位置并使其可以接收地震波的地震探测器。地震能源可以是一种能将一系列冲击或机械振动传送到地面的设备，在靠近地面处的爆炸力极强炸药、或其它能产生地震波能量的装置。由此在地下所产生的声波（包括那些为地层界面所反射的声波在内）为地震探测器所探测并转换成表示声波的电信号。根据这些电信号可以推导出与地层结构有关的资料数据。
在勘测垂直地震剖面时，各地震探测器系安置在钻孔（例如钻井）的不同深度处，各探测器根据从地震能源接收的能量发出的信号则按探测器所处深度的次序在单独的显示器上记录和排成阵列。从该显示可以看到各信号迹线之间地相关性，经分析和说明可以提供有关地质基体结构的资料。但由于探测器所收到的地震能量中所包含的分量及表示该分量的电信号的复杂性，往往给信号分析过程带来了极大困难。这些分量一般包括表示从能源传来直接到达的波场的下行分量、其它来自地震能量在探测器上方的地层中经过多次反射的下行分量、来自为探测器下方各地层或结构界面所反射的地震能量的上行分量、和各种寄生波。
鉴于为我们提供的最有用的资料和我们最关心的是上行分量和表示它们从各地层界面反射情况的传送时间，因此迄今人们已创造了一系列可在现场操作和处理数据的方法，其目的是增强探测器信号中的上行分量，同时使下行分量的干扰影响减到最小程度。用于区分在探测器信号中地震波行程的两相反方向的现行方法多数都假设调整信号迹线中诸第一个中断点的时间位移也可用以调整所希望的上行地震波事件。但这种假设只有当上行事行是获自水平反射器且探测器信号是来自位于竖向钻孔中能源偏移为零（即，震源系尽量安置得靠近钻孔而不是偏离钻孔）的探测器时，才是绝对正确的。特别是，现行技术在补偿“倾角”反射器和用以鉴别地质结构（例如远离钻井处的断层或盐丘）的偏移垂直地震剖面勘测方面，效果有限。此外目前使用的多通道“倾角”滤波器需要有两个以上的探测器信号，从这些信号来提取所希望获得的资料。
本发明书所介绍的新式滤波方法不需要预处理来调整地震信号迹线中的地震事件，而且可用于各式各样几何条件，包括震源是偏离钻井的垂直地震剖面勘测在内的各种用途。此外还可能借助于双迹线滤波的方法来减少探测垂直地震剖面所需用的接收机深度标高的数目，从而降低探测费用。
本发明是关于一种用垂直地震剖面技术进行地震勘探的方法，即，由安置在钻孔不同深度的地震探测器探测置于地面或靠近地面的地震能源所发出的地震波能量，并根据该地震波能量产生表示地震波能量的电信号，再将这些电信号按探测器所处的深度次序记录成垂直地震剖面列阵，并加以处理以便将上行地震波事件与下行地震波事件区分开来。该方法包括以下步骤：将来自钻井毗邻标高的一对探测器信号混合成和数信号，从该对探测器中较高一个的信号减去另一个探测器的信号以得出差值信号，对该差值信号进行积分以得出积分信号，计算振幅定标校正值并将其加到积分信号上以估算出适合于该探测器对之间中点的探测器深度的大致抵达时间，再从和数迹线减去振幅校正积分迹线，从而增加到达探测器时上行的地震事件的振幅，并衰减到达探测器时下行的地震事件。将上述步骤两个两个地连续应用到垂直地震剖面图的所有信号上以改变垂直地震剖面图，使上行事件相对于下行事件增强。在本方法的另一个保持下行事件不变的修改方案中，时间校正信号是加到和数信号上而不是从和数信号减去时间校正信号。
图1是钻井所贯穿的地层剖面和地面上的地震能源发射出来为安置在钻井中特定深度的地震探测器所接收的地震波波程的几何图形的示意图。
图2是表示在钻井中依次安置渐深的地震探测器在不同时间内所收到的地震波的探测器信号的垂直地震剖面影像，其中各探测器信号系对应于各探测器的深度在水平方向上成直线排列，图中示出了直接到达各探测器的声波和从各探测器下方的地层界面反射回来的声波的各种形状。
图3是图2垂直地震剖面中信号迹线10和11的再现图形，其中各迹线均在水平方向上且上下排列地显示着。
图4与图3类似，是表示成对信号迹线10和11的和数和差值的和数信号迹线和差值信号迹线，以及表示差值信号迹线的积分的第三信号迹线（即积分迹线）的显示图。
图5是从和数迹线减去积分迹线获得的第一信号迹线，和从积分迹线与和数迹线相加获得的第二信号迹线的显示图。
图6是将本发明的方法的顺次各步骤应用于图2的垂直地震剖面中的所有信号（每次两条迹线）之后从图2的垂直地震剖面得出的垂直地震剖面。
图7是本发明为滤清从探测垂直地震剖面中得出的探测器信号所用系统的方框图。
图8是趋近为安置在钻井中两毗邻标高的地震探测器所确定的轴线的一个入射波的声线路径几何形状的示意图。
图9是表示本发明滤波方法的方向振幅响应R（θ，θ0）作为入射角函数的极坐标曲线图，其中直接到达的声波与图7的接收机对所确定的轴线成0°度入射角到达。
图10是本发明滤波方法的方向振幅响应R（θ，θ0）作为入射角函数的极坐标曲线图，其中直接到达的声波与图7的接收机对所确定的轴线成30度入射角到达。
图11是本发明滤波方法的方向振幅响应R（θ，θ0）作为入射角函数的极坐标曲线图，其中直接到达的声波与图7的接收机对所确定的轴线成60度入射角到达。
现在更详细地参看各附图。图1例示了为获取垂直地震剖面而进行的地震勘探的一般设备布置示意图。从图中可以看到，钻机11处在已在地层15、16、17中的钻井13上方的位置。钻井13的深度可任意规定，但一般延伸到几千英尺。地震波传感器或探测器19（有时叫做地震检波器）用电缆21悬挂在钻井13中地层15与16的界面22和地层16与17的界面23上方的预定深度处。电缆21绕在装设在钻机11上或安置在靠近钻井13地面另一处的电缆盘24上，将探测器19所产生的电信号传送到地面设备25，以便加以记录和处理。这类设备一般包括精确指示探测器19的深度用的装置（图中未示出）。
如图1所示，地震波源34安置在地面33上且偏离钻井13。地震波源在图1中是画成能投下重物、使地面产生一系列撞击的投载装置34，但应该理解的是，其它各种能产生地震波的装置（例如振动器或爆破性炸药）都可用以代替投载装置。
工作时，地震波由地面33上的投载装置34所引起的撞击产生。这些波在下面的地层中传播，并由探测器19加以检测，探测器19则由一个锚定件（图中未示出）固定在钻井13的壁上，使探测器与钻井适宜接收地震波能量的壁接触。这种锚定件可参看美国专利4，397，004。地震检波器19根据对地震波能量的检测产生表示冲击在其上的地震波的电信号，此信号再经由电缆21传送到装在地面设备25中的电磁记录器中。图1中所示的是只有一个探测器19，但不言而喻，在电缆21上沿垂直方向上可以每隔一段距离悬挂多个这类探测器，使其与钻井壁接触，并使这些探测器的信号经由多根电缆21传送到记录设备上，记录设备可以是任何适于以可重现的形式记录各地震检波器输出信号的普通多迹线记录器。
观测图1中从震源34所发出的地震能量的线程时应该注意的是，有些地震波能量往下行进且直接到达探测器19，如线程41所示，这通常是探测器19所要检测的第一种地震事件。但可能也会有磁到探测器19时向下行进的其它地震事件。其中一个这类地震事件（如线程43所示）可以是表示射到地层界面22而为该界面所反射从而在界面22与地面33之间回荡的一部分地震能量的多次反射波。此外，有些为界面22所反射并上叱?5表示的地震波能量往上去碰到探测器19上，这是探测器19要检测的第一种上行地震事件。
但，下行磁到界面22的地震波能量并不完全为界面22所反射，有些地震波能量继续下行，为界面22下面的其它地层界面，例如界面23，所反射。线程47所表示的地震波能量的第二种反射往上走磁到探测器19，这是要检测的第二种上行事件。当然还可能有更多个表示来自更低地层反射的这类上行地震波，为使说明简单明了，图1中没有表示出这些地震波。
图2是接收机深度和行波时间在合成的垂直地震剖面显示中的示意图，显示了与图1中的线程有关的地震事件出现在垂直地震剖面的情况。剖面中的各竖向迹线对应于钻井中单个探测器所发送的记录下来的电信号，整个51条迹线是来自钻井中依次降低的51个深度处的探测器的记录信号。但还应该理解的是，垂直地震剖面还可以用设在钻井中的51个探测器应用单个能源产生的地震能量来获取，或应用投载装置的一连串冲击来获取，这时依次在钻井中更深的深度处安置一个或一个以上的探测器，供接收能量之用。
在图2的垂直地震剖面中，剖面上的下行事件是来自地震能源的直接到达波和在能源下方的第一地层中回荡着的多次反射波，上行事件则是地震能量从两个地层界面的反射部分。这些事件以信号振幅的突然增加或信号幅度的峰值形式出现在迹线上，且在垂直地震剖面中，这些振幅在剖面迹线上的变化系作为剖面的倾斜特征处置的。应该指出的是，表示下行到达波的振幅变化是以排列成若干行的形式出现，该诸行与表示上行反射部分的到达的信号振幅变化的诸行方向相反，这是垂直地震剖面的典型现象，其中地层中地震波行程的各种相反方向导致显示上的反向倾斜现象。
鉴于用垂直地震剖面勘测法进行的勘探牵涉到对不同地层反射水平线的探测，因而首先需要关心的是上行波的检测和分析问题。因此为了改善信噪比和更好地辨别各上行波，需要对所收集到的信号进行滤波。因此该滤波过程最好能对垂直地震剖面中的下行事件起到抑制作用。
下面就图2的垂直地震剖面的迹线10和11说明本发明的滤波过程。这些迹线已选得使不希望有的多次和第二次反射部分彼此互相干扰，即它们在第一个迹线上相长地相加，而在第二个迹线上彼此抵消。尽管有此干扰，但可以看出本发明的方法仍能恰当地区分这两种事件。
图3中，精确地再现了图2的迹线10和11，只是为说明起见，按水平取向绘制。观察图3可以看出，头两个事件在各迹线上的小波波形是在一个尾流之后来一个尖峰。次两个事件（对应于图2的垂直地震剖面的第二次和多次反射部分）彼此互相干扰，在第一个迹线（迹线10）上形成不同的波形（尾流-峰-尾流），在第二个迹线（迹线11）上彼此完全抵消。
该方法的第一步是从原迹线10和11的和数和差值形成两个新信号。这些新信号在图4中用信号迹线S0和（S1-S2）表示。观察这些迹线可以看出，和数或平均迹线S0的波形与原迹线10和11的极其相似。但在差值迹线（S1-S2）上出现的事件各小波具有不同的形状，即各小波大致移相了90度，而且更重要的是，可以看到上行事件与下行事件之间在极性上发生了变化。因此应该指出的是，在和数迹线上的头两个事件-一个是我们所希望的，另一个是我们所不希望的，看起来完全相同，至于差值迹线，就这同样两个事件而论，其中一个相对于另一个来说是倒转了。
因此本方法需要对波形进行校正，具体的作法是将差值信号进行积分以得出其积分信号，如图4的积分迹线I所示。再对该积分信号进行幅值比例校正，接着从和数信号减去该积分差值信号。该减法步骤事实上使上行事件的幅值增加一倍，同时抵消了下行事件，从图5中的信号迹线（S-I）不难看出这一点。有时，下行事件的到达可能是值得考虑的问题，在这种情况下，可以通过将积分信号和和数信号（I和S）相加来获取合成信号迹线（S+I），如图5所示。对图5的任一个迹线来说，分离后各事件的到达时间适用于接收机对之间中点的深度。此外，经滤波的信号迹线上剩余的不需用事件的数量是接收机间距和地震小波的一个函数。
本发明的滤波方法极理想地适用于垂直地震剖面的处理，但有可能应用于需要有倾角滤波器的场合。本发明的方法可用于所希望和所不希望的事件在反方向上倾斜的场合，也可加以改变使得倾斜情况出现在各相反方向上。举例说，可令表面波相对于反射能量移动以便抑制表面波。
上面谈过，在进行从和数迹线S减去积分迹线I的步骤之前通常需要对积分信号迹线进行幅值比例校正。当然如果时间的分隔是已知的话，这可以从声波测井记录或从垂直地震剖面的各头一个中断点获得，这个校正是能够精确加以规定的。尽管如此，这种定标过程可以在减法之前对各迹线进行幂平衡而完成。
这里介绍大致精确估算时延比例因数的方法。
在探测垂直地震剖面的过程中，设S1和S2为在钻井中两毗邻标高（标高1和标高2）处测得的信号。又设在该毗邻标高中点处已测出的信号用S0表示。若T为声波在该中点与S1和S2探测标高之间行进时的时延，则假设速度层是恒定的，于是有：
S0＝u（t）+d（t） （1）
S1＝u（t-T）+d（t+T） （2）
S2＝u（t+T）+d（t-T） （3）
其中u（t）和d（t）是在中点标高处的上行波场和下行波场。
然后将S1和S2展开成泰勒级数，其中，为使各接收机间隔较小，保留T中的一次项，于是得出：
S1＝u-T+d+T（4）
S2＝u+T+d-T（5）
其中点号表示对t的微分。
于是S1和S2的平均值为：
S＝（S1+S2）/2＝u+d （6）
S1和S2的差值为：
S2-S1＝2T-2T（7）
差值的积分为：
I＝2T（u-d） （8）
方程（8）中的d其系数之所以为负是由于两波场行进的方向相反所致。系数2是由T的定义-中点与标高1或2之间的时延得来的，即标高1与标高2之间的时延为2T。
将I除以2T。（其中T为某任意常数），将得出的结果加S，就得到下式：
I2TO+ S=2T(u-d)2TO+(u+d)或I2TO+ S=(1+TTO)u+(1-TTO) d ……（9）]]>
因此，显然从方程（9）中表示的S与I的组合可确定u和d。下行波场可通过设定To＝T加以消除以求出u。不然也可以通过设定To＝-T消除上行波场以求出d。
从波场第一次到达两探测器的时间差可确定T，因为该差值表示在两探测器之间的行波时间。将此行波时间除以2于是等于T。下面简单介绍更为灵疃匀蝗范═的方法。从方程（6）、（7）和（8）可以求出S和I的幂为：
PS＝Pu+Pd+2φo（u，d） （10）
PI＝4T2〔Pu+Pd-2φo（u，d）〕 （11）
其中φo（u，d）为上行波场和下行波场的零滞后互相关函数。鉴于上行波场和下行波场在某给定时间内是不相关的，因而φo（u，d）＝0。再将方程（11）除以方程（10），得出下式：
4T2＝PI/P3（12）
因此，不难从方程（12）中求出的T提供了两标高之间时延的估算值，该估算不是基于某一单值，而是表示整个迹线位移的平均值。因此这种估算值比只从波的第一次到达确定的估算结果要好。
但，应该指出的是，只要T小得足以使高于泰勒级数的第一级的项可以忽略不计，由此获得的T的估算值，总是有效的。T足够小意味着各接收机彼此靠近得足以使T比存在于数据中（与最高频率有关）的最小周期小。若T成了最小周期的一大部分，则产生与“周波跳跃”类似的情况。这就是说，当比较两个具有相对时间位移的余弦波时，不可能区别大于半个周波的上移波和小于半个周波的下移波。鉴于本发明的方法是要检测出这些相对位移，因而本方法将舍弃那些波长。
综上所述可以得出这样的结论：这里所介绍的滤波方法能产生与应在两接收机之间的中点记录下来的信号近似的信号。事实上，本滤波方法将两条迹线混合，而大多数多通道滤波器则混合着若干迹线。这当然会导致每一组输入迹线失去一个迹线，同时导致新深度的规定。但由于在双迹线滤波器的正常情况下几乎没有标高模糊情况，因而在偏移垂直地震剖面勘测中更好地保留了各断层和陡峭倾斜事件。
图6显示了将本发明的方法应用于图2的合成垂直地震剖面中的所有迹线（每次两个迹线）的结果。从图6可以看到，一次应用本方法可以使上行事件相对于下行事件大为增强。事实上上行事件的幅值增大一倍，而下行事件则衰减得只能看到很小的残留部分。第二次应用本方法可以进一步提高分离效果，但通常除非倾斜差值显著否则是不需要这样做的。举例说，当出现方式变换事件时，一次使用本方法可能会排除下行P波（压缩波）能量，故为排除下行S波（剪切波）能量，可能需要第二次使用本方法。
实施上述滤波方法的系统如图7所示。获自在钻孔中垂直相隔一定距离配置的各探测器的探测信号系记录和储存在存储器60中的。存储器60是为处理一对对应于来自毗邻标高探测器信号的探测器信号S1和S2而加以控制的。该对信号也传送到分别用以求出和数信号S和差值信号（S1-S2）的加法器61和减法器62中。然后将差值信号加到产生积分信号I的积分电路63中。接着再将积分信号I传送到计算器65上，计算器65将从上述方程（12）确定的幅值比例校正加到积分信号I上。
幅值校正积分信号和和数信号传送到减法器电路67中。在减法器电路67中，从和数信号S减去幅值校正积分信号，得到输出信号S0-Itc，于是上行地震事件的幅值大大提高，而下行事件则大大衰减。然后在存储器68中记录来自减法器67的输出信号，该信号可从存储器68中加到记录器显示装置69，以便以垂直地震剖面图形式显示出来。
另一可供选择的方案，即两者配合使用，也可将和数信号S和幅值校正积分信号传送到加法器71中，在加法器71中相加以保留下行事件，得出的和数信号则储存在存储器72中。
还应该理解的是，本系统适宜处理垂直地震剖面中的所有信号，因而本发明的方法系两个两个地反复应用于剖面的全部信号迹线以便获取本发明经改进了的垂直地震剖面。本系统可与数据处理的模拟装置或数字装置配用。
需要考虑的一个重要问题是滤波器对一个以上倾斜情况的响应。因此这里将要显示，为消除某一特定下行事件而选取的时间定标系数也会使类似的下行事件衰减并提高所有上行事件。在这方面，应该指出的是，可以将定标系数T与入射波的入射角联系起来。参看图8，这是入射波与一对排列着的接收机所确定的轴线成一个角度趋近到达一接收机时的示意图。可以看出
2T＝△Zcos（θ）/V （13）
其中△Z是两标高之间的距离，V是声波在两标高区的速度，θ是行波方向与两毗邻标高处的接收机对所确定的轴线之间的夹角。往下直达轴线行进的声波对应于θ＝0°。
假设选取比例系数2T0来消除T0的下行波，因而
2T0＝△Zcos（θ0）/V，则若上行波的2T＝△Zcos（θ）/V，则从方程（9）求出的滤波器的响应曲线为：
R（θ，θ）＝1-T/T＝1-cos（θ）/cos（θ） （14）
方程（14）的曲线当θ0＝O时的入射波如图9所示，θ0＝30°和60°时分别如图10和11所示。这些曲线中，与坐标原点的距离对应于R（θ，θ0），且波束图形极坐标曲线以半径顺次渐大的若干圆表示作为径向线所表示的入射角的函数的幅值。在各曲线图中，垂直轴线对应于钻井地震检波器的排列情况，箭头表示确定时间定标用的行波方向。在各图9、10和11中，R（θ，θ0）的曲线描出了滤波器对从所有其它各方向到达的地震波事件的响应情况。
从图9应该注意的是，正如上部箭头所表示的当θ0＝0°时，以0°角趋近接收机对轴线的声波完全被消除了，这时响应曲线画出的幅值为零。此外还应该注意的是，象反射波之类以180度角趋近接收机对的声波（如下面的箭头所示）提高了1倍。同样，以90度角趋近接收机对的声波事件（即向着接收机对轴线的宽边）同时到达两个接收机，且完全通过，表示出来的幅值等于1。
参看图10和11，上面的箭头一般可以表示地震波从偏移地震波源直接到达，下面的箭头则表示来自水平以下地层的反射波。应该注意的是，完全消除的方向总是在θ0的方向，且以180°到达的波的响应曲线R（180°-θ0，θ0）其大小总是等于2。观察图9、10和11的各曲线可以看到，从下面趋近接收机阵列的波总是增强（R＞1），而以0°左右的宽带趋近接收机阵列的波则减弱（R＜1）。
因此，应该指出的是，本发明的两迹线滤波器在倾斜角的整个宽广范围内具有良好的抑制响应。当迹线的数目少且倾斜度外移情况是非线性时正如水平断错垂直地震剖面图所描绘的那样，这一点特别有效。但若想抑制若干不同的倾斜情况时，再经过一次滤波证明是有好处的。
各种应用的实践显示，本发明的双迹线定向滤波方法能容许较差的信噪比，而且不会象粗糙的滤波器那样产生虚假成行排列情况。但鉴于本方法会提高与高度有关的低频，因此通常建议顺次采用带通滤波器和/或频谱平衡操作器。此外，由于在处理垂直地震剖面的过程中，本发明不需要选择第一起爆时间（first break time）来完成上行事件和下行事件的分离，因而本方法比起其它倾角滤波器可在较早阶段使用。
本发明不要求各接收机的间距必须一致，但间距应小得足以使其不致混淆有关的频率。若所选取的间距比起地震能量的波长大得多，则会导致小波畸变，这通常对所有的倾角滤波器都是如此的。尽管本发明的滤波方法适用于任何不易混淆的波长，但本滤波方法最好是在间距为正常间距的一半情况下使用，即，当间距小于最短波长的四分之一时效果最好。本方法已成功地应用于标高间距在10与125英尺之间的垂直地震剖面中。因此本方法可以有效应用于大多数现行的垂直地震剖面的数据组中。
本发明的方法还可用以在深度大的情况下在间距小的接收机对的位置之间进行分离，因而可大大减少探测器标高的总数，相比之下，现行方法大多数都要求对所有探测器标高之间采用小的深度间距，而且产生的标高往往比所需要的还多。大量的探测标高则往往与较高的服务费用和较长的安装时间联系在一起。此外由于本发明有可能用于探测器标高间距为十英尺的情况，因而也有可能将接机对安置在同一个下井仪中，从而给地震剖面的探测带来更大的灵活性和进一步降低成本的可能性。
从本发明的上述介绍中，值得赞赏的是，本发明的双迹线滤波法比起现行的方法来应用面更普遍。双迹线滤波器具有许多潜在的优点，即它对探测几何条件和地下地质结构的复杂性方面所赋予的限制性的假设较少，因而只要需用倾角滤波器的地方都有可能使用本方法。
还应该理解的是，如本领域技术人员所熟知的那样，在不脱离本说明书所附权利要求书中所确定的本发明范围和精神实质的前提下，在实施本发明各种方法的步骤中是可能采用另外一些技术的。