CN103907032A - 采用基于相关性的层叠的地震成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的系统和方法通过使用基于局部部分图像和基准图像之间的相似度的部分图像层叠加权来提供增强的地震图像。至少一些方法实施例包括获得勘测区域的部分图像以及层叠这些部分图像以产生基准图像。然后这些部分图像被重新组合以形成增强的图像，其中重新组合包括：测量在每个点处的该基准图像与每个部分图像的相似性；并从部分图像中的相应值的加权组合中确定每个点处的增强图像值，该加权组合将从该点处的基准图像的相似性中推导出的权重用至每个部分图像。

Description

采用基于相关性的层叠的地震成像系统和方法

背景技术

地震学用于需要地质信息的勘探、考古研究、以及工程项目。勘探地震学提供数据，当该数据与其它可用的地球物理、井眼、和地质数据结合使用时可提供关于岩石类型结构、的分布和它们的含量的信息。这样的信息很大程度地有助于水、地热储层、以及诸如烃和矿石之类的矿床的勘察。多数石油公司依赖于勘探地震学以选择在其中钻探探索性油井的井址。

传统的地震学采用人工产生的地震波来绘制地下结构。地震波从源头向下传播至地壳并从地下结构之间的边界处被反射。地表接收机检测并记录经反射的地震波以供将来分析。尽管对从所记录的信号的一些直接检验经常可感知一些大型结构，但必须处理所记录的信号以移除失真并展现地下图像的更精细的细节。

典型地，来自每个冲击(即，源的每次激发)的所记录的信号被处理以形成基于深度的地下部分图像。这些部分图像一般彼此具有很大程度的重叠性，提供大量的冗余以及通过“层叠”这些部分图像来改进图像信噪比的机会。层叠传统地意味着对重叠的各部分图像值求平均。噪声在各部分图像部分图像之间一般没有相关性，因此求平均操作一般使噪声抵消，尤其是在其中可从十个或更多个部分图像的平均值推导出最终图像的每个部分的情形下。然而，在许多情形下，最终图像仍然具有不期望的残留噪声量。

附图简述

因此，在附图和下面的说明书中公开了具体的地震成像系统和方法实施例，它们采用基于相关性的层叠从而至少部分地解决这个问题。在附图中：

图1示出一说明性海上地震勘测环境的侧视图；

图2示出一说明性海上地震勘测环境的俯视图；

图3示出一说明性中点图案；

图4示出一说明性地震勘测记录系统；

图5示出说明性的一组轨迹；

图6示出三维的说明性数据体；

图7示出说明性地震成像方法的流程图；

图8示出一说明性非线性加权函数；

图9A-9B比较说明性的层叠图像；以及

图10示出一说明性成像系统。

然而应当理解，这里的附图和详细说明中给出的具体实施例不对本公开构成限制，相反，它们提供本领域内技术人员理解由所附权利要求书的范围给出的实施例涵盖的替代形式、等效物、和修改的基础。

具体实施方式

所公开的系统和方法在诸如这里参照图1-6描述的海上地震勘测的背景下得到最好的理解。在海上，地震勘测船100如图1所示地部署一列拖缆110。每条拖缆110随着船向前移动(沿箭头102的方向)拖在船100后面，并且每条拖缆包括多个均匀间隔的接收机114。每条拖缆110可进一步包括各可编程定位设备118，所述可编程定位设备118操纵拖缆使其与船的路径具有一工作偏移距离(见图2)并下至表面104下的期望工作深度(图1)。

拖缆110可高达几公里长并一般被构造为长度为25-100米的区段，具有多组均匀间隔的接收机。每条拖缆110包括电缆或光缆，用于将接收机114和船100上的地震设备互连。数据在接收机114附近被数字化并通过缆线以7(或更多)百万比特数据每秒的速率被发送至船100。

如图1所示，地震勘测船100也可牵引一个或多个源112。源112可以是振动源或脉冲源，诸如气枪阵列、水枪、或爆炸物。最常用于海上地震学的接收机114是压电水听器，但是已知并可使用其它传感器。在船100上的数据获取设备获取地震勘测数据，并在许多情形下控制源和接收机的操作。

为了对地下结构成像，源112发出地震波116，该地震波116穿透海底108并在其中声阻变化处(例如边界106)被部分地反射。反射波由接收机114所检测。已从源112行进至地下结构并回到接收机114的地震波116被记录为因变于时间并经受各处理技术以提供地下结构的图像。经处理的地震勘测数据也可展示地下层的多种其它有用的特性，例如流体界面、气孔、以及应力和断裂取向。

图2示出拖着一组拖缆110和两个源112的地震勘测船100的俯视图(不按比例)。随着船100向前移动，可用所谓的触发器模式来交替地触发这两个源。可编程定位设备被用来提供拖缆之间大致均匀的间隔。在后面的讨论中考虑接收机202的所选子集。

图3示出对于两次冲击的说明性的源和接收机位置的俯视图。对于第一次冲击，在位置302处触发一个源，并且接收机阵列的所选子集位于位置304(以虚线表示)处。对于第二次冲击，在位置306处触发一个源，并且接收机阵列的说明性部分位于位置308(以实线表示)处。假设一旦反射地下结构是水平，到达12个接收机中的每一个的地震波就从源和接收机位置之间的中点下面的位置反射。由此，第一次冲击从12个中点308(用具有垂直阴影线的虚轮廓线表示)下面产生反射，而第二次冲击从12个中点310(用具有水平阴影线的实线轮廓表示)下面产生反射。

作为一个示例，向量312说明地震能量从冲击302向中点314的传播，并且等长的向量316表示传播至接收机位置的经反射的地震能量。对于第二次冲击306，向量318、320示出类似传播路径。注意，中点314是多次冲击“命中”的中点之一，由此使得当来自冲击的信息被处理并组合时可从这些区域得到更多信号能量。地震勘测(对于陆地和海两者)一般被设计成提供均匀分布的中点网格，其中对于每个中点具有相当高的平均命中计数。

图4示出一说明性地震勘测记录系统，该系统具有耦合至总线402以向勘测船100上的数据记录电路406传送数字信号的接收机114。定位信息和其它参数传感器404也耦合至数据记录电路406以使数据记录电路存储对于解释所记录数据有用的附加信息。说明性地，这样的附加信息可包括阵列取向信息和速度信息。

通用目的数字数据处理系统408被图示为耦合至数据记录电路406，并进一步被图示为经由总线402耦合至定位设备410和地震源112。处理系统408配置记录电路406、定位设备410、和地震源112的操作。记录电路406从接收机114获取高速数据流（多个）至诸如光盘或磁盘存储阵列之类的非易失性存储介质。定位设备410(包括可编程换向器和深度控制器)控制接收机114和源112的位置。

图4的地震记录系统可包括这里未特别示出的附加组件。例如，每条拖缆110可具有用于耦合至数据记录电路的独立总线402。处理系统408包括用户接口，该用户接口具有图形显示器和键盘或用于接收用户输入的其它方法，并且该用户接口可进一步包括用于将所存储的地震勘测数据传送至中央计算设施的网络接口，该设施具有用于处理地震勘测数据的强大计算资源。

图5示出由接收机114检测和采样到的地震轨迹。每条轨迹具有相关的源位置和接收机位置、以及指示地震波能量的因变于时间的一些测量值(例如位移、速度、加速度、压力)，并且它们可在可编程采样速率下以高分辨率(例如24比特)被数字化。这样的轨迹可以不同的方式被分组，当如此分组时，它们被称为“集合”。例如，“共同中点集合”是在所定义的区域内具有中点的一组轨迹。“冲击集合”是对于地震源的单次激发所记录的一组轨迹。“多冲击集合”是一组冲击集合，它经常包括沿海上地震勘测中的航线所记录的所有轨迹。

当维持在图5的格式时，所记录的地震勘测数据几乎无用。尽管可在展示大规模地下结构的图中逐边地绘出多种所记录的波形，但这些结构是失真的并且甚至无法被看到更精细的结构。因此，对数据进行处理以在两个或三个空间维度上创建地下图像，诸如图6所示的数据值的三维阵列。

地下图像表示整个勘测区域的一些地震属性，一般具有均匀尺寸单元的网格，对于每个单元确定数据值。可表示多个地震属性，且在一些实施例中，每个单元可具有多个数据值以表示多个地震属性。合适的地震属性的示例包括反射性、声阻、声速、和密度。均匀的网格数据格式有助于其本身用于计算机分析和视觉渲染。

在这种背景下，我们转向图7，图7是说明性地震成像方法的流程图。所说明的方法可被实现为存储在通用目的计算机(例如计算机408(图4))或能够访问所记录的地震数据的中央计算设施的存储器中的软件。处理器对软件的执行可配置计算机以执行给定的操作，尽管不一定以给出的严格顺序执行。

在框702中，计算机从存储中获得地震勘测数据。由于数据体，数据可渐进地被取回和处理，例如，每次一个冲击集合。

在框704，计算机获得勘测区域的速度模型，即在感兴趣区域中每个点处的地震速度的指示。速度模型可从地震勘测数据中推导出。例如参见Jon F.Claerbout的Fundamentals of Geophysical Data Processing(地球物理数据处理的原理)，246-56页，该文献通过引用被结合至此。可选地，可至少部分地从其它源推导出速度体，例如钻井日志、之前的勘测、和/或分析员的专业判断。地震轨迹的最初层叠和分析通常展示了感兴趣区域内的地下结构的至少粗轮廓，该粗轮廓可用来建立速度模型。另外，诸如断层偏移速度分析(TMVA)之类的技术能使基于共同图像集合中的深度失配来精炼该速度模型。TMVA技术的原理在1995年由T.Nemeth作出的UTAM年中报告“Tomographic Migration Velocity Analysis on a SaltModel(盐模型上的断层偏移速度分析)”中有描述。一些系统可开始于任意速度模型并依赖TMVA以推导出更合适的速度模型。

轨迹集合表示在接收机阵列位置处观察到的波场。这种观察，与速度模型结合，证明了使用波动方程来外推整个勘测区域的波场(即，“偏移”)是正当的。许多偏移技术是已知的并可在框706中由计算机使用以从轨迹集合中获得一系列部分图像。这个过程的原理在1985年牛津Blackwell科学出版社的Jon F.Claerbout所著的“Imaging the Earth’s Interior(地球内部的成像)”的章节1中有描述。文献中已经提出了许多基于波动方程的偏移技术，并可被用来获得部分图像。

该部分图像可被表达为：

P(i_x,i_y,i_z,i_p),

其中i_p是从1至N的索引，部分图像的数量。空间索引i_x、i_y、i_z标识x、y和z维度的网格坐标。在给定网格坐标上的部分图像值表示一些地震属性，诸如，如所反射的能量的强度。在框708，部分图像被层叠以形成基准图像：

$R(i_x,i_y,i_z)=\frac{1}{N}\underset{i_p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}P(i_x,i_y,i_z,i_p).$

注意，这是最初的基准图像。基准图像可在下面描述的方法的之后迭代中被更新。在任何情形下，在框710中，可将任选的增强操作施加基准图像。该增强可被设计成衰减相对于地下特征的噪声。说明性增强技术包括FXY去卷积、带通滤波器、和低通滤波器。

在框712，每个部分图像与基准图像组合以确定相似掩模（mask），即在部分图像的每个点处，该部分图像与基准图像的相似处的测量。存在多种合适的测量。例如，可按照相关系数的形式来计算相似掩模，比如：

$c(i_x,i_y,i_z,i_p)=\frac{S\left[P(i_x,i_y,i_z,i_p)R(i_x,i_y,i_z,)\right]}{\sqrt{S\left[P^2(i_x,i_y,i_z,i_p)\right]S\left[R^2(i_x,i_y,i_z,)\right]}},$

其中S[x]是平滑算符，例如：

$S\left[f(i_x,i_y,i_z)\right]=\underset{j_x=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_y=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_z=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}k(j_x,j_y,j_z)f(i_x+j_x,i_y+j_y,i_z+j_z),$

其中±l是求和极限且k()是求和窗内的平滑权重。在一具体实施例中，平滑算符具有梯形权重轮廓（trapezoidal weight profile），但也可使用其它轮廓。平滑权重优选地被归一化，例如：

$\underset{j_x=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_y=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_z=-l}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{k}^2(j_x,j_y,j_z)=1$

相似性的另一说明性测量是相似度(semblance)，即：

不管选择哪种相似度测量，它都被用作推导一组相似掩模w(i_x,i_y,i_z,i_p)的基础。可建立非线性关系以强调部分图像和与基准图像具有中度-强烈相似度的那些方面。作为一个示例：

$w(i_x,i_y,i_z,i_p)\left\{\begin{array}{cc}{c}^b(i_x,i_y,i_z,i_p)\{\frac{3}{a^2}{c}^2(i_x,i_y,i_z,i_p)-\frac{2}{a^3}{c}^3(i_x,i_y,i_z,i_p)\}& \mathrm{ifa}>c(i_x,i_y,i_z,i_p)\\ c^b(i_x,i_y,i_z,i_p)& \mathrm{ifa}\≤c(i_x,i_y,i_z,i_p)\end{array}\right.$

图8中示出对于a=0.2、b=0.3的该函数的图。

在框714，系统将相似掩模施加至部分图像以获得增强的图像：

$E(i_x,i_y,i_z)=\frac{1}{N}\underset{i_p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w(i_x,i_y,i_z,i_p)P(i_x,i_y,i_z,i_p).$

相似掩模去强调那些不对层叠图像以有意义方式作出贡献的部分图像区域，由此减少图像中的噪声水平。图9A示出通过3D层叠图像体的说明性2D切片，该2D切片充当初始基准图像。图9B示出使用前述方法的一次迭代推导出的说明性增强的图像体的相应切片。注意，图像中的背景“混乱”显著减少。

在框718，系统判定成像处理是否结束，且如果未结束，则系统重复框710-718，其中来自框714的增强图像被视为新的基准图像。可以各种方式实现此举。例如，系统可判定是否已发生框710-718预定次数的迭代，或者是否已经过预定量的时间。系统可将增强的图像与基准图像比较以观察是否已发生收敛。或者，系统可例如通过估算噪声水平、以及确定是否已达到一阈值，而获得图像质量的测量。作为又一示例，系统可向用户显示该图像并提供选项以执行另一次迭代。

一旦系统判定成像完成，则存储增强的图像以供接下来的成像和/或分析软件的将来使用。系统也可向用户显示增强图像的表示以供分析。数据可表示为地下结构的2D或3D图像。

如前面提到的，可构想可以软件形式来实现图7中所示的操作，该软件可被存储在计算机存储器中、在长期存储介质中、和便携式信息存储介质中。要注意，图7的说明性方法作为阐述性辅助被提供。在实践中，图7所示的各操作可以不同顺序执行并且不一定是按顺序的。例如，地震数据处理可显著受益于并行化。在一些处理方法实施例中，来自不同的勘测区的数据可被独立地处理。在其它实施例中，操作可以是“流水线的”，以使各图像区域通过所示顺序的操作被找到和增强，即便这些操作全都是同时发生的。附加的操作可被添加至该说明性方法和/或所示的若干操作可被省去。

图10示出用于执行地震数据处理的说明性计算机系统900，地震数据处理包括使用基于相似度的层叠的地震成像。个人工作站902经由局域网(LAN)904耦合至一个或多个多处理器计算机906，这些多处理器计算机906继而则经由LAN耦合至一个或多个共享的存储单元908。个人工作站902充当与处理系统的用户接口，能使用户将勘测数据加载到系统中，从而取回和查看来自系统的图像数据并从而配置和监视处理系统的操作。个人工作站902可采取台式计算机的形式，该台式计算机具有图形地显示勘测区域的勘测数据和图像的图形显示器，以及能使用户移动文件并执行处理软件的键盘。

LAN904提供多处理器计算机906和个人工作站902之间的高速通信。LAN904可采取以太网的形式。

多处理器计算机（多个）906提供并行处理能力以能使地震轨迹信号到勘测区域图像的适当迅速转换。每个计算机906包括多处理器912、分布式存储器914、内部总线916、和LAN接口920。每个处理器912工作在输入数据的所分配的部分上以产生地震勘测区域的部分图像。与每个处理器912相关联的是分布式存储器模块914，该分布式存储器模块914存储转换软件和工作数据集以供处理器使用。内部总线916经由接口920提供处理器间通信以及与LAN网络的通信。不同计算机906内处理器之间的通信可由LAN904提供。

共享的存储单元908可以是大型的、独立的信息存储单元，它采用非易失性数据存储的磁盘介质。为了改进数据存取速度和可靠性，共享的存储单元908可被配置为冗余盘阵列。共享的存储单元908一开始存储来自地震勘测的最初速度数据体和冲击集合。(迭代更新的)共同角度图像集合可被暂存在共享的存储单元908上以供将来处理。响应来自工作站902的请求，可通过计算机906取回图像数据，并将其提供给工作站以转换成拟被显示给用户的图形图像。

一旦完全理解了前面的公开，许多其它的修正、等效物和替代方案对本领域内技术人员而言是明显的。旨在将下面的权利要求书解释成涵盖所有这些修正、等效物和替代方案，只要是适用的。

Claims (17)

1.一种地震成像方法，所述方法包括：

获得勘测区域的部分图像；

层叠所述部分图像以产生基准图像；以及

组合所述部分图像以形成增强的图像，其中所述组合包括：

测量在每个点的基准图像与每个所述部分图像的相似性；以及

从所述部分图像中的相应值的加权组合中确定每个点处的增强图像值，所述加权组合将从该点处的基准图像的相似性中推导出的权重用至每个部分图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

显示所述增强图像的至少一些部分的视觉显示。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包括：

在每个点周围的窗内，确定所述基准图像和所述部分图像的点积。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述窗具有梯形截止区。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述权重是通过下列步骤推导出的：

归一化所述点积；且

用非线性操作缩放经归一化的所述点积以产生所述权重。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包括：

在每个点周围的窗内，对所述基准图像和所述部分图像的相应值求和。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部分图像是冲击集合的偏移。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在测量所述基准图像与每个部分图像的相似性之前增强所述基准图像。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述增强图像视为新的基准图像，以及使用所述新的基准图像来重复所述测量和确定操作。

10.一种地震成像系统，所述系统包括：

存储地震成像软件的存储器；以及

至少一个处理器，所述处理器耦合至所述存储器以执行所述地震成像软件中的指令，用于：

获得勘测区域的部分图像；

层叠所述部分图像以产生基准图像；以及

组合所述部分图像以形成增强的图像，其中所述组合包括：

测量每个点处所述基准图像与每个部分图像的相似性；且

从所述部分图像中的相应值的加权组合中确定在每个点处的增强图像值，所述加权组合使用从该点处的所述基准图像的相似性中推导出的权重用至每个部分图像。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括：

耦合至至少一个处理器的监视器，所述软件包括用于在所述监视器上显示所述增强图像的至少一些部分的视觉表示的指令。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述测量包括：

在每个点周围的窗内，确定所述基准图像和所述部分图像的点积。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述权重是通过下列步骤推导出的：

归一化所述点积；且

用非线性操作缩放所述归一化点积以产生所述权重。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述测量包括：

在每个点周围的窗内，确定所述基准图像和所述部分图像的相似度。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述软件进一步包括通过迁移冲击集合来推导出所述部分图像的指令。

16.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述软件进一步包括在测量所述基准图像与每个部分图像的相似性之前对过滤所述基准图像的指令。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述软件进一步包括指令以将所述增强图像视为新的基准图像，以及使用所述新的基准图像来重复所述测量和确定操作。

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