CN104076395B - 基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法是，利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处能量(即镜面能量)的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息，提高反射波成像质量和横向连续性。本发明的方法可提高反射波成像质量和横向连续性，可保留丰富的波场信息，不容易产生成像假象，还可利用反射波场，可获得横向连续性更突出的地震成像结果。

Description

基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法。

背景技术

受地下地质构造的影响，地震波在传播过程中必然发生反射和绕射，常规偏移与叠加技术常将两种波场混为一谈而直接进行叠加，不仅丢失了丰富的波场信息，也容易产生成像假象。近年来提出的绕射波场分离技术，主要在于利用倾角域共反射点道集(简称倾角道集)中绕射波和反射波在同相轴在几何形态上的明显差别单独分离出绕射波场进行成像，这对于识别一些断裂构造、次生缝洞型碳酸盐岩储层具有重要意义。

在介绍本发明之前，有必要对倾角域地震偏移体系进行说明。偏移的过程实际上是一个由采集坐标系向成像坐标系的映射过程。因此在偏移生成倾角道集的过程中，最重要的就是要通过各采集坐标系参数来求取倾角。计算倾角的方法主要有两种，一种是基于射线旅行时的方法，另一种是基于波场傅里叶变换的方法。这两种方法分别对应于Kirchhoff偏移和波动方程偏移。其中，基于射线旅行时的Kirchhoff偏移因其计算效率高而受到广泛重视。倾角域偏移最重要的步骤是计算倾角，基于射线的方法通过射线追踪，往往可以提供射线参数或者射线旅行时。射线参数本身包含角度信息，只要通过几何关系换算，就可以得到倾角信息。如果射线追踪方法不能得到射线参数，只能得到射线旅行时，也可以通过程函方程

${(\▿\mathrm{\τ})}^2=\frac{1}{v^2}---\left(1\right)$

式中，

τ为射线旅行时，

v为该点处的速度；

进而导出射线参数同旅行时的关系

通过旅行时的空间导数从而计算射线参数p。射线追踪可以提供某一观测系统下地下各个位置的旅行时和一些其他的角度信息，通过这些信息可以换算倾角。假设在射线系统中，和分别为炮点和检波点到成像点处的两条射线的射线参数。当射线追踪方法不能提供射线参数时，根据式(2)，和可以通过下式来换算炮点和检波点射线参数

式中，

τ_s,τ_r是炮点和检波点到地下各成像点的旅行时场。

根据斯奈尔定律，在地下一点处的反射界面应该垂直于入射线和反射线的角平分线，而射线在成像点处的方向正好由射线参数矢量所指示。入射线和反射线的射线参数矢量的大小相等，均等于速度的倒数，由矢量叠加的平行四边形法则可知，矢量合成的平行四边形为一菱形，其和矢量的方向正好为入射线和反射线的角平分线的方向。因此，入射和反射射线参数的矢量和，即总的射线参数事实上就是该成像点处的反射界面的法向量。其表达形式为

式中，

与分别为炮点和检波点到成像点处的两条射线参数；

为总射线参数。

由于总射线参数为该位置处的界面法向量，由立体几何的知识可以轻松换算出界面的倾角和倾向。设px,py和pz为的三个分量，则倾角和倾向可以由下式计算

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{\sqrt{p_x^2+p_y^2}}{p_2}---\left(6\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{p_y}{p_x}---\left(7\right)$

通过上述公式求得倾角和倾向，带入Kirchhoff偏移公式，即可得到倾角域的偏移公式(忽略时间导数和加权因子)

式中，

u为观测数据，

是二维成像域地面坐标，

z是深度坐标，

α和β分别为倾角和倾向，

R是偏移输出的倾角域数据，

ξ1和ξ2分别是二维采集地面坐标。

当观测方式为共炮点观测时，ξ1和ξ2分别代表炮点和检波点的地面坐标，当观测方式为共中心点时，ξ1和ξ2分别代表中心点坐标和炮检距矢量，其他观测方式与此类似。在倾角道集上反射波同相轴表现为向上开口的曲线或曲面，而绕射波同相轴则表现为水平直线或平面。受地下地质构造的影响，地震波在传播过程中必然发生反射和绕射，常规偏移与叠加方法常将两种波场混为一谈而直接进行叠加，不仅丢失了丰富的波场信息，也容易产生成像假象。而绕射波场分离技术重点在于利用绕射波信息成像以突出不连续的绕射体而对反射波场利用却有所忽视。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一方面是绕射波场研究中以倾角道集为主，对镜面能量道集认识和利用明显不足；另一方面，在绕射波信息应用方面以压制绕射影响突出突变点为主，而忽视了对其反方向—压制绕射影响、突出横向连续性方面的研究。

为了解决上述技术问题，本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法是，利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处能量(即镜面能量)的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息，提高反射波成像质量和横向连续性。

具体步骤如下：

2、根据权利要求1所述的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤1：借助Kirchhoff叠前时间偏移输出倾角域角道集与镜面能量道集；

步骤2：对获取的镜面能量道集预处理和分析，分析有效倾角范围；

步骤3：对有效倾角范围内的镜面能量道集进行频率-波数域滤波处理，保留其相对平坦处的镜面能量；

步骤4：采用高通滤波滤除低频能量背景并进行三维小步长平滑，突出镜面能量的聚焦性；

步骤5：以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，产生成像结果。

利用镜面能量出现在相对平坦位置上的规律，采用频率-波数域频率-波数滤波、高通滤波及三维小步长平滑的技术组合实现镜面能量的自动提取，并以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，压制绕射波影响而突出反射信息，获得横向连续性更突出的地震成像结果。

本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本技术方案由于采用了利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处能量(即镜面能量)的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息的技术手段，所以，可提高反射波成像质量和横向连续性，可保留丰富的波场信息，不容易产生成像假象，还可利用反射波场。

2、本技术方案由于采用了利用镜面能量出现在相对平坦位置上的规律，采用频率-波数域滤波、高通滤波及三维小步长平滑的技术组合实现镜面能量的自动提取，并以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，压制绕射波影响而突出反射信息的技术手段，所以，可获得横向连续性更突出的地震成像结果。

本发明所提供的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法的基本原理如下：

在此给出倾角域道集的另外一种等价数学形式

I_v(M,v₁,v₂)=∫K_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)H²sinγ₁dγ₁dγ₂(10)

K_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)=W_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)·L(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)(11)

类似地，H²代表倾斜校正因子，K_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)是积分核。W_v代表照明度均衡化因子。在方向域，反射波呈现向上开口的抛物线形态，而绕射波则水平。在公式(19)的基础上，可以进一步形成能量道集为

$E_v(M,v_1,v_2)={\∫K}_v^2(M,v_1,v_2,{\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2)H^4\sin {\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{d\γ}}_1{\mathrm{d\γ}}_2---\left(12\right)$

在能量道集和方向域输出道集的基础上，最终可建立镜面能量谱道集

$f_{\mathrm{spec}}(M,v_1,v_2)=\frac{1}{N(M,v_1,v_2)}\·\frac{I_v^2(M,v_1,v_2)}{E_V(M,v_1,v_2)}---\left(13\right)$

地下真实反射界面在倾角-方位道集及镜面能量道集上有强烈的能量显示，这对于确定反射界面的方位和倾角有重要的指示作用。于此同时，利用真实界面所对应的强能量实现叠加成像，在提高成像横向连续性质量与信噪比方面有重要意义。

本发明的核心在于利用滤波组合技术实现镜面能量的快速、准确提取。首先根据区域地质资料确定地层倾角大小，限定在镜面能量谱道集中的处理倾角范围，加快计算速度。在此基础上进行频率-波数变换，根据反射面镜面能量特征相对平坦，其对应视速度相对较高的特征在频率-波数域中保留较高视速度之后进行逆频率-波数变换就基本有效保留了镜面能量特征。不过，实际处理发现频率-波数滤波之后通常会有大量的低频能量剩余，对后续利用镜面能量带来不利影响，为此借助高通滤波进一步提纯和保护镜面能量特征。在之后处理中，对获取的镜面能量按照采样点、方位角和倾角组成三维数据体进行三维小步长平滑，突出镜面能量聚集性和纵向连续性。以提取的镜面能量作为权重对绕射波场进行加权叠加，可以显著降低绕射影响，明显提高地震偏移成像的横向连续性。

附图说明

图1是倾角道集和镜面能量谱道集示意图。其中，(a)为实际倾角道集，(b)为镜面能量谱道集。

图2是提取镜面能量的过程示意图。其中，(a)为频率-波数滤波后的镜面能量、(b)为高通滤波后的镜面能量、(c)为突出聚集性后的最终镜面能量。

图3是传统成像剖面结果与基于本发明的成像结果对比图。其中，(a)为传统成像剖面结果，(b)为基于本发明的成像结果。

图4是目标层处传统成像与基于本发明的成像对比图。其中，(a)为目标层处传统成像结果，(b)为基于本发明的成像结果(b)。

图5是传统成像结果沿层均方根振幅切片与本发明的沿层均方根振幅切片对比。其中，(a)为目标层的传统成像结果沿层均方根振幅切片,(b)为本发明的沿层均方根振幅切片。

图6是本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法作进一步的详细

描述。

如图1所示，实际处理中产生的倾角道集(包含6个方位角和20个倾角)，在倾角道集上反射波呈现向上开口的抛物线特征。图1b为在倾角域偏移中与倾角道集同时产生的镜面能量谱道集(见公式13)，在镜面能量谱中地下真实反射界面对应的倾角和方位角处能量值更突出也更集中。不过，镜面能量谱道集中存在大量噪声和其他干扰，只有有效滤除这些干扰信息提纯镜面能量特征才能被后续加权叠加成像所利用。这正是本发明的基本出发点。

如图2所示，首先鉴于地下反射点处的镜面能量分布相对平坦的特征，首先运用频率-波数滤波去除视速度较小的干扰噪声等，实现对镜面能量的初步提取。以图1为例，频率-波数滤波之后的镜面能量道集为图2a所示，尽管此时镜面能量特征得到初步显示，但频率-波数滤波会造成大量低频能量残余。为此，在第二步处理中采用高通滤波消除低频干扰，结果如图2b所示，镜面能量特征进一步突出。为增强镜面能量的纵向连续性和横向平滑特征，在第三步处理中按采样点、倾角和方位角进行三维能量平滑以增强能量聚集性特征，最终形成的镜面能量特征如图2c所示。图2c中镜面能量呈现一定倾斜特征，这与研究区内的小角度倾斜地层特征相吻合。

如图3所示，传统叠加技术把绕射波和反射波混为一谈，统一执行叠加，影响准确成像。本发明最大特点在于压制绕射波影响以突出反射波进行成像，与传统成像方法相比，横向连续性明显增强，受绕射波场影响严重的反射特征得以呈现，这对于地层层序及相带划分有革命性的意义。图3中传统成像结果(图3a)与本发明成像结果(图3b)对比结果，再次证实了这种优势。值得一提的是，在4180ms附近传统成像结果的波形特征不明显，由于缺少明确定义其反演结果在学术界通常称为“内幕弱阻抗”，不利于后续解释。相比之下，图3b中本发明在压制绕射波影响后，此处的真实反射波形得以展现。

如图4所示，为了突出本发明在地层及地质解释中的重要启示作用，在此列出在我国西部碳酸盐岩储层中应用成果。对深部储层勘探而言，上覆地层构造和岩性突变等产生绕射波场会严重影响深部储层的反射特征，制约解释工作的进行。如图4a所示，传统成像结果中鹰山组反射特征经常出现混乱特征，致使横向连续性不佳。利用本发明技术实现镜面能量加权叠加后，深部储层真实的反射特征得到清晰展现。为了进一步加强说明性，图5中给出了传统成像(图5a)与本发明成像方法(图5b)的鹰山组沿层均方根振幅对比。对比显示，传统方法的振幅切片充满噪声，难见地层规律，而本发明则清晰展现了该地层的地质特征，且这些地质特征与鹰山组储层台地相沉积的地质背景相吻合。

如图6所示，本实施方式的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法是，利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处能量(即镜面能量)的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息，提高反射波成像质量和横向连续性。

具体步骤如下：

2、根据权利要求1所述的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤1：借助Kirchhoff叠前时间偏移输出倾角域角道集与镜面能量道集；

步骤2：对获取的镜面能量道集预处理和分析，分析有效倾角范围；

步骤3：对有效倾角范围内的镜面能量道集进行频率-波数域滤波处理，保留其相对平坦处的镜面能量；

步骤4：采用高通滤波滤除低频能量背景并进行三维小步长平滑，突出镜面能量的聚焦性；

步骤5：以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，产生成像结果。

利用镜面能量出现在相对平坦位置上的规律，采用频率-波数滤波、高通滤波及三维小步长平滑的技术组合实现镜面能量的自动提取，并以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，压制绕射波影响而突出反射信息，获得横向连续性更突出的地震成像结果。

本发明的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法与现有技术相比具有以下有益效果。1、本实施方式由于采用了利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处能量(即镜面能量)的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息的技术手段，所以，可提高反射波成像质量和横向连续性，可保留丰富的波场信息，不容易产生成像假象，还可利用反射波场。

2、本实施方式由于采用了利用镜面能量出现在相对平坦位置上的规律，采用频率-波数滤波、高通滤波及三维小步长平滑的技术组合实现镜面能量的自动提取，并以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，压制绕射波影响而突出反射信息的技术手段，所以，可获得横向连续性更突出的地震成像结果

本发明所提供的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法的基本原理如下：

在此给出倾角域道集的另外一种等价数学形式

I_v(M,v₁,v₂)=∫K_v(M,v₁,v₂,γ1,γ₂)H²sinγ₁dγ₁dγ₂(10)

K_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)=W_v(M,v₁,v₂,γ1,γ₂)·L(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)(11)

类似地，H²代表倾斜校正因子，K_v(M,v₁,v₂,γ₁,γ₂)是积分核。W_v代表照明度均衡化因子。在方向域，反射波呈现向上开口的抛物线形态，而绕射波则水平。在公式(19)的基础上，可以进一步形成能量道集为

$E_v(M,v_1,v_2)={\∫K}_v^2(M,v_1,v_2,{\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2)H^4\sin {\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{d\γ}}_1{\mathrm{d\γ}}_2---\left(12\right)$

在能量道集和方向域输出道集的基础上，最终可建立镜面能量谱道集

$f_{\mathrm{spec}}(M,v_1,v_2)=\frac{1}{N(M,v_1,v_2)}\·\frac{I_v^2(M,v_1,v_2)}{E_V(M,v_1,v_2)}---\left(13\right)$

地下真实反射界面在倾角-方位道集及镜面能量道集上有强烈的能量显示，这对于确定反射界面的方位和倾角有重要的指示作用。于此同时，利用真实界面所对应的强能量实现叠加成像，在提高成像横向连续性质量与信噪比方面有重要意义。

本发明的核心在于利用滤波组合技术实现镜面能量的快速、准确提取。首先根据区域地质资料确定地层倾角大小，限定在镜面能量谱道集中的处理倾角范围，加快计算速度。在此基础上进行频率-波数变换，根据反射面镜面能量特征相对平坦，其对应视速度相对较高的特征在频率-波数域中保留较高视速度之后进行逆频率-波数变换就基本有效保留了镜面能量特征。不过，实际处理发现频率-波数滤波之后通常会有大量的低频能量剩余，对后续利用镜面能量带来不利影响，为此借助高通滤波进一步提纯和保护镜面能量特征。在之后处理中，对获取的镜面能量按照采样点、方位角和倾角组成三维数据体进行三维小步长平滑，突出镜面能量聚集性和纵向连续性。以提取的镜面能量作为权重对绕射波场进行加权叠加，可以显著降低绕射影响，明显提高地震偏移成像的横向连续性。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

参考文献

LandaE,KeydarS.Seismicmonitoringofdiffractionimagesfordetectionoflocalheterogeneities.Geophysics,1998,63:1093-1100.

VermeulenJ,GurevichB,UrosevicM,etal.EnhancingCoherencyanalysisforfaultdetectionandmappingusing3Ddiffractionimaging.76thSEGAnnualMeeting,2006,1108-1112.

TanerMT,FomelS,LandaE.Prestackseparationofseismicdiffractionsusingplane-wavedecomposition.76thAnnualMeeting.SEGAnnualMeeting,2006,2401-2404.

LandaE.,FomelS,ReshefM.Separationimagingandvelocityanalysisofseismicdiffractionsusingmigrateddip-anglegathers.78thSEGAnnualMeeting,2008,2176-2180.

Claims (2)

1.一种基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法，其特征在于：利用Kirchhoff叠前时间偏移框架同时输出倾角道集和能量道集，并根据地下反射面基本位于向上开口曲线的平坦底部，采用滤波组合实现对反射面处镜面能量的自动提取，并以此对倾角道集进行加权，压制绕射波场信息，提高反射波成像质量和横向连续性，该方法步骤如下：

步骤1：借助Kirchhoff叠前时间偏移输出倾角域角道集与镜面能量道集；

步骤2：对获取的镜面能量道集预处理和分析，分析有效倾角范围；

步骤3：对有效倾角范围内的镜面能量道集进行频率-波数域滤波处理，保留其相对平坦处的镜面能量；

步骤4：采用高通滤波滤除低频能量背景并进行三维小步长平滑，突出镜面能量的聚焦性；

步骤5：以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，产生成像结果。

2.根据权利要求1所述的基于滤波组合的镜面能量提取与成像方法，其特征在于：利用镜面能量出现在相对平坦位置上的规律，采用频率-波数域滤波、高通滤波及三维小步长平滑的技术组合实现镜面能量的自动提取，并以镜面能量对倾角道集进行加权叠加，压制绕射波影响而突出反射信息，获得横向连续性更突出的地震成像结果。