CN103630932A - 一种地震数据分形保幅方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震数据分形保幅方法，其包括以下步骤：1）针对拓频前的地震数据体X₀和拓频后的地震数据体Y，采用带通算子B_i分别相应提取它们的局部频段信息，记为B_iX₀和B_iY，i=1,2,3…M，不同的i代表不同的带通频段；2）基于地震信号局部频段成分与整体的特征存在的相似性，在每一对数据体B_iX₀和B_iY之间分别建立保幅关系，并相应提取局部保幅因子Φ_i；3）对所述步骤2）提取的多个局部保幅因子Φ_i进行平滑和组合处理，得到整体保幅因子Φ；4）采用整体保幅因子Φ作用于数据体Y，对全频段信号Y实现误差精度允许范围内的保幅。本发明可以广泛应用于对拓频后的地震数据进行振幅保真处理，进一步为后续地震资料岩性反演和高精度解释提供高保真数据。

Description

一种地震数据分形保幅方法

技术领域

本发明涉及油气地震勘探领域中叠前及叠后地震数据高保真方法，特别是一种关于对拓频后的地震数据进行振幅保真处理，进而为后续地震资料岩性反演和高精度解释提供高保真数据的地震数据分形保幅方法。

背景技术

地震数据振幅保真是地震勘探领域处理的重点和难点，恢复地震数据的真实振幅对于岩性成像、储层预测等尤其重要。保幅通常分为两个概念：1、对数据采集和前期处理过程中因地层吸收衰减、去噪技术等因素造成的振幅变化进行振幅恢复；2、地震数据经过高分辨率处理后，展宽频带的保幅处理。

现有技术中针对第二种情况关于地震数据拓频后的振幅保真问题，传统的做法是将高分辨率处理后的宽频信号能量保幅到处理前的窄频能量水平。事实上，这种做法一定程度上破坏了地震数据的真实振幅，包括原有频段的振幅信息，相位信息也存在一定的损伤。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种地震数据分形保幅方法，能够更好地恢复全频段振幅和相位信息，为后续地震资料处理和解释提供高品质资料。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种地震数据分形保幅方法，其包括以下步骤：1）针对拓频前的地震数据体X₀和拓频后的地震数据体Y，采用带通算子B_i分别相应提取它们的局部频段信息，记为B_iX₀和B_iY，i=1,2,3…M，不同的i代表不同的带通频段；2）基于地震信号局部频段成分与整体的特征存在的相似性，在每一对数据体B_iX₀和B_iY之间分别建立保幅关系，并相应提取局部保幅因子Φ_i；3）对所述步骤2）提取的多个局部保幅因子Φ_i进行平滑和组合处理，得到整体保幅因子Φ：

Φ＝f(Φ₁,Φ₂,…,Φ_M)

式中，f为平滑组合算子；4）采用整体保幅因子Φ作用于数据体Y，对全频段信号Y实现误差精度允许范围内的保幅，即满足：||ΦY-X||₂＜ε，ε为信号保幅的精度。

所述步骤2）中的局部保幅因子Φ_i：

${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{H_i\left(B_i{X}_0\right)}{H_i\left(B_{i}Y\right)+\mathrm{\δ}}$

Φ_i(B_iY)＝B_iX₀

式中，B_i为带通算子，H_i为包络算子，i=1,2,3，…，M，δ为白噪因子。

所述步骤3）采用两种中值滤波方法中的一种对局部保幅因子Φ_i进行平滑，滤除奇异点值噪音；两种中值滤波方法具体滤波方式分别为：①假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，若

$x_i>m\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j)$

判定x_i为奇异值点，对该点重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j}\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k$

式中，m为奇异倍数，j∈N^*；②假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，直接对各点进行重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j+1}\underset{k=i-j}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j).$

所述步骤3）采用两种组合方式中的一种对局部保幅因子Φ_i进行组合，得到整体保幅因子Ф；两组组合方式分别为：①保幅因子Φ是各频段保幅因子的算术加权平均：

$\mathrm{\&Phi;}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{\mathrm{\&Phi;}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}$

②保幅因子Φ是各频段保幅因子的指数加权平均

$\mathrm{\&Phi;}={\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{{\mathrm{\&Phi;}}_i}^{a_i}\right)}^{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}}$

式中，a_i为权值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明从分形保幅理论出发，依据地震振幅是剖面主频和油气的函数、信号局部频带间的局部保幅因子与全频段信号间的保幅因子存在相似性这一特征，求取地震资料部分频段信息之间的局部保幅因子，并对局部保幅因子进行平滑和组合，从而得到信号整体间的保幅映射关系，整体保幅映射关系对信号局部成分进行保幅的同时，能够实现其它频率成分的保真处理，而信号局部成分保幅的合理性，通过测井资料进行约束，从而保证保幅因子的最优化特性。2、本发明的分形保幅方法与常规保幅方法效果对比分析，常规保幅方法是在信号X1和信号X2之间直接建立保幅关系，即将X2的瞬时能量保幅到X1的瞬时能量水平，对若干实际资料处理结果表明，本发明的分形保幅方法能够很好地恢复地震信号的振幅，在频率域中振幅和相位的恢复效果均优于常规方法。本发明可以广泛应用于对拓频后的地震数据进行振幅保真处理，进一步为后续地震资料岩性反演和高精度解释提供高保真数据。

附图说明

图1是本发明的地震数据分形保幅方法流程示意图；

图2A是本发明实施例1真振幅原始信号和增益信号示意图，图2B是原始信号和增益信号的低频信号示意图；

图3A是低频成分之间的保幅因子示意图，图3B是原始信号和保幅信号示意图；

图4A是保幅信号与原始信号之间的相对误差示意图，图4B是原始信号和保幅信号的振幅频谱示意图；

图5A是本发明实施例2中模型信号的常规保幅信号与原始信号示意图，图5B是两者的绝对误差示意图；

图6是原始信号与常规保幅的振幅谱效果对比示意图；

图7A是常规保幅信号与原始信号的相位谱对比示意图，图7B是分形保幅信号与原始信号的相位谱对比示意图；

图8是本发明实施例3叠前道集井旁道与井上资料对比，常规保幅和分形保幅1和分形保幅2的效果对比示意图；

图9A是本发明局部保幅因子示意图，图9B是中值滤波结果示意图；

图10是本发明实施例4的保幅前地震剖面示意图；

图11是本发明实施例4的保幅后地震剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

假设某一真振幅地震信号为X，提取其低频成分X₀，对X₀经若干次处理后得到信号Y：

Y＝P₁P₂…P_NX₀

式中，P_i（i=1,2,3，…N）为地震数据处理中每次处理的算子，Y是X₀经常规处理（例如扩散补偿、静校正和动校正等）以及高分辨率处理而得，Y的频谱带宽大致等于X的带宽。一般地，Y的振幅变化以及强度与X有很大的差异，如何将Y保幅到X是本发明的创新之处。

如图1所示，本发明的地震数据分形保幅方法，包括以下步骤：

1、针对拓频前的地震数据体X₀和拓频后的地震数据体Y，采用带通算子B_i分别相应提取它们的局部频段信息，记为B_iX₀和B_iY，i=1,2,3…M，不同的i代表不同的带通频段，其中地震数据体是地震勘探采集的三维数据。

2、基于地震信号局部频段成分与整体的特征存在一定的相似性，在每一对数据体B_iX₀和B_iY之间分别建立保幅关系，并相应提取局部保幅因子Φ_i：

${\mathrm{\&Phi;}}_i=\frac{H_i\left(B_i{X}_0\right)}{H_i\left(B_{i}Y\right)+\mathrm{\&delta;}}$

Φ_i(B_iY)＝B_iX₀

式中，B_i为带通算子，Φ_i为局部保幅因子，H_i为包络算子，i=1,2,3，…，M，δ为白噪因子。

3、对步骤2提取的多个局部保幅因子Φ_i进行平滑和组合处理，得到整体保幅因子Ф：

Φ＝f(Φ₁,Φ₂,…,Φ_M)

式中，f为平滑组合算子。

3.1）本发明可以分别采用两种中值滤波方法对局部保幅因子Φ_i进行平滑，滤除奇异点值噪音，两种中值滤波方法具体滤波方式分别为：

①假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，若

$x_i>m\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j)$

判定x_i为奇异值点，对该点重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j}\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k$

式中，m为奇异倍数，j∈N^*。但是不限于此，对于变化复杂的数列，奇异点值判断方式和重赋值方式可以根据实际需要适当更改。

②假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，可以直接对各点进行重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j+1}\underset{k=i-j}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j)$

滤波方式①中奇异倍数m的选取，需要对信号作测试，主观误差较大，但是能够很好地压制明显的奇异点；滤波方式②是对信号整体的平滑，适用于奇异倍数m难以确定的情况，稳定性较高，可以根据实际需要进行选择使用。

3.2）本发明可以采用两种组合方式分别对局部保幅因子Φ_i进行组合，得到整体保幅因子Φ，两组组合方式分别为：

①保幅因子Φ是各频段保幅因子的算术加权平均：

$\mathrm{\&Phi;}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{\mathrm{\&Phi;}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}$

②保幅因子Φ是各频段保幅因子的指数加权平均

$\mathrm{\&Phi;}={\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{{\mathrm{\&Phi;}}_i}^{a_i}\right)}^{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}}$

式中，a_i为权值。

4、采用整体保幅因子Φ作用于数据体Y，可以对全频段信号Y实现误差精度允许范围内的保幅，即满足：||ΦY-X||₂＜ε，其中，ε为误差函数，表示信号保幅的精度。

上述实施例中，如果工区有井资料，可以通过井震之间的交互匹配，优化整体保幅因子的提取（为作区别，优化保幅算子记为T），如根据井上振幅信息来判断带通频段选取的合理与否，以及指导保幅因子平滑组合参数的选取等，当工区存在N口井时，每一口井都可以提取井旁道的优化保幅算子T_i（i=1,2，…，N），三维地震数据中特定道与测井的距离为d_i，那么该道的优化算子T：

$T=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_i}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_i}{T}_i$

本发明进一步从算子角度出发，分析本发明的地震数据分形保幅方法的适用条件。假设F表示信号前期处理，Φ表示信号保幅处理，B为带通滤波，真振幅宽频信号为S₁（实际中是未知量），前期处理后的信号为S₂，假定S₁和S₂频带宽度相近，存在振幅差异，已知的真振幅窄频信号为S₃（为S₁的带通成分），那么存在如下算子关系：

S₂＝F(S₁)

S₁＝Φ(S₂)

Φ＝F^-1

当带通算子B的频带落在S₁和S₃的公共频带时：

B(S₃)＝B(S₁)

则有：

B(S₃)＝B(F^-1(S₂))

当算子F^-1为近似线性算子时，可与带通算子B互换顺序

B(S₃)＝F^-1(B(S₂))＝Φ(B(S₂))

上式表明，全频段的保幅因子可以近似作为局部频带成分的保幅因子，反过来，窄频带提取的局部保幅因子可以用于全频段信号的保幅处理。基于不同尺度信号的保幅算子关系一致性这一特征，符合分形中不同尺度间相同关系的要求，因此为分形保幅。

根据实验表明，本发明的地震数据分形保幅方法能够很好地恢复信号的相对振幅，在频率域中振幅和相位的恢复效果均优于常规方法。下面通过具体实施例对本发明的地震数据分形保幅方法的恢复效果进行详细说明。

实施例1：

如图2～4所示，生成一真振幅高分辨率地震信号X0，提取其低频成分X1，对X0作自动增益控制得振幅改变后的信号X2，在实际地震数据处理中，X2是由低频信号X1经高分辨率处理后得到（如图2A和图2B所示）；对信号X1和X2进行带通滤波，提取同一频段成分，两者之间建立保幅关系，提取局部保幅因子Φ_i（不同的i对应不同的带通频段）；对多个Φ_i进行平滑和组合，得到整体保幅因子Ф，将整体保幅因子Ф作用于信号X2，即完成该信号的分形保幅处理，得到保幅信号X4（如图3A和图3B所示）。对X0和X4分别在时间域和频率域进行对比，分析保幅误差。经过本发明的分形保幅方法处理后，相邻层位的相对振幅关系与模型道原始信号的一致性较高，两者的振幅能量保持在同一水平，振荡趋势接近，相关系数达0.9821。如图4A所示，保幅信号X4与原始信号X0之间的相对误差基本控制在可接受范围以内；如图4B所示，信号不同频段成分的能量得到了较好的恢复和保持，高低频能量的走向基本保持一致。

实施例2：

为了对比本发明的分形保幅方法与常规保幅方法对地震数据的处理效果，进行实施例2的模型测试。采用常规保幅方法重新生成一组真振幅原始信号，在增益信号X2和低频信号X1之间直接建立保幅关系，分形保幅方法仍按实施例1进行，对采用常规振幅和分形振幅的分析结果为：

如图5A所示为常规保幅信号与原始信号，保幅信号与真实信号的相关系数仅为0.8341，如图5B所示为两者的绝对误差。如图6所示为分形保幅与常规保幅的振幅谱效果对比，如图7A和7B所示，常规保幅方法不仅丢失了部分能量信息，还破坏了高低频能量关系，同时对相位信息有一定的损伤，而本发明的分形保幅方法对高低频能量的保持效果较好，且几乎不损伤相位信息。

实施例3：

本实施例对拓频后的叠前地震道集进行保幅处理，通过井旁道与井上资料的对比，说明本发明的分形保幅方法相对于常规保幅方法的优势，以及分形保幅中参量的选取。

如图8所示的井标定结果（从左往右分别为测井曲线、常规保幅、分形保幅1和分形保幅2）通过井上的速度和密度曲线提取反射系数，用50Hz的理论Ricker子波合成地震记录。其中，标定图中A为合成记录，图中B为井旁道保幅记录，图中C井旁道集。矩形框中的强反射层为目的煤层，在合成记录上可以看到其下有个反射层，而常规保幅结果中该层的振幅不明显，保幅效果不甚理想，井旁道与合成记录的相关系数仅为0.51。分形保幅1和2的局部保幅因子提取及平滑方式相同，不同的是整体保幅因子的组合。如图9A所示，局部保幅因子的走向趋势基本保持一致，但局部存在一定的差异，部分差异由奇异噪音引起。根据奇异性，反映它振幅的奇异性参数m确定存在困难，因此选用滤波方法②对局部保幅因子曲线进行中值滤波。如图9B所示，四个曲线的一致性更高。分形保幅1的整体保幅因子是局部保幅因子通过算术加权平均组合得到（中间频段的信噪比水平较高，权值系数较大），煤层下的反射振幅得到一定恢复，井旁道与合成记录的相关系数为0.56，较常规保幅有所提高，但某些层位的振幅信息未得到充分的恢复，如椭圆框中所示。分形保幅2的整体保幅因子是局部保幅因子通过指数加权平均组合得到，权值与算术平均相同，煤层下的反射振幅得到更好的恢复，余下层位的相对振幅信息与合成记录匹配度较好，相关系数达0.63，资料的保幅性更高。

实施例4：

本实施例将分形保幅方法应用于实际地震资料，如图10和图11所示，采用本发明的地震数据分形保幅方法的剖面波组特征自然活跃，剖面构造细节清晰，同相轴横向连续性变好，更利于后续的地震解释等工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种地震数据分形保幅方法，其包括以下步骤：

1）针对拓频前的地震数据体X₀和拓频后的地震数据体Y，采用带通算子B_i分别相应提取它们的局部频段信息，记为B_iX₀和B_iY，i=1,2,3…M，不同的i代表不同的带通频段；

2）基于地震信号局部频段成分与整体的特征存在的相似性，在每一对数据体B_iX₀和B_iY之间分别建立保幅关系，并相应提取局部保幅因子Φ_i；

3）对所述步骤2）提取的多个局部保幅因子Φ_i进行平滑和组合处理，得到整体保幅因子Φ：

Φ＝f(Φ₁,Φ₂,…,Φ_M)

式中，f为平滑组合算子；

4）采用整体保幅因子Φ作用于数据体Y，对全频段信号Y实现误差精度允许范围内的保幅，即满足：||ΦY-X||₂＜ε，ε为信号保幅的精度。

2.如权利要求1所述的一种地震数据分形保幅方法，其特征在于：所述步骤2）中的局部保幅因子Φ_i：

${\mathrm{\&Phi;}}_i=\frac{H_i\left(B_i{X}_0\right)}{H_i\left(B_{i}Y\right)+\mathrm{\&delta;}}$

Φ_i(B_iY)＝B_iX₀

式中，B_i为带通算子，H_i为包络算子，i=1,2,3，…，M，δ为白噪因子。

3.如权利要求1或2所述的一种地震数据分形保幅方法，其特征在于：所述步骤3）采用两种中值滤波方法中的一种对局部保幅因子Φ_i进行平滑，滤除奇异点值噪音；两种中值滤波方法具体滤波方式分别为：

①假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，若

$x_i>m\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j)$

判定x_i为奇异值点，对该点重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j}\underset{k=i-j,k\&NotEqual;i}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k$

式中，m为奇异倍数，j∈N^*；

②假设存在一数值序列{x₁，x₂，…，x_n}，直接对各点进行重新赋值：

$x_i=\frac{1}{2j+1}\underset{k=i-j}{\overset{i+j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k,(j<i\&le;n-j).$

4.如权利要求1或2所述的一种地震数据分形保幅方法，其特征在于：所述步骤3）采用两种组合方式中的一种对局部保幅因子Φ_i进行组合，得到整体保幅因子Ф；两组组合方式分别为：

①保幅因子Φ是各频段保幅因子的算术加权平均：

$\mathrm{\&Phi;}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{\mathrm{\&Phi;}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}$

②保幅因子Φ是各频段保幅因子的指数加权平均

$\mathrm{\&Phi;}={\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{{\mathrm{\&Phi;}}_i}^{a_i}\right)}^{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}}$

式中，a_i为权值。

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