CN104199093A - 基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，其包括以下步骤：1)输入三维叠后地震数据体；2)利用广义S变换对三维叠后地震数据体的逐道地震信号计算时频分布，并计算时频谱的振幅及其瞬时谱振幅的包络；3)计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数；4)利用参考瞬时谱函数计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数；5)利用瞬时谱自加权系数对地震信号的瞬时谱进行加权处理，形成地震分辨率增强后的新的三维叠后数据体，即得到地震分辨率增强的地震信号。本发明可以广泛应用于石油地震勘探数据处理与解释中。

Description

基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法

技术领域

本发明涉及石油地震勘探数据处理与解释领域，特别是关于一种基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法。

背景技术

利用地震信号提取地层层序变化特征、地层反射界面位置及其厚度是油气地球物理勘探的重要内容。地震信号可以看成是地震子波通过大地滤波后加上噪声形成的，因此，它是在时间和空间上同时变化的地震子波、地层反射系数和噪声等信息的综合反映，这为利用地震信号提取地层反射位置及其横向变化、地层的厚度等信息提供了信息来源。地震信号频谱相当于地层反射系数谱被地震子波谱带通滤波的结果，它体现了地层反射系数和地震子波的共同作用，但是地震子波的带通滤波效应客观上降低了地震信号的分辨率。由于地震信号在地层中传播时，会发生显著的衰减和频散，尤其是信号高频成分衰减更剧烈，使地震子波谱的主频变低，频带变窄，频谱畸变，导致利用地震信号分辨地层，尤其是探测薄地层的能力受限。因此，压制震源子波对地震信号频谱的这种带通滤波效应，对于提高地震信号分辨率具有重要意义。

现有技术中提高地震信号分辨率的方法很多，例如：1)反褶积(或反滤波)类的方法，它是通过求取反地震子波，建立反滤波器，以压缩地震子波，提高地震数据垂向分辨率的处理方法，具体实现方法有脉冲反褶积、预测反褶积、最小平方法反褶积和同态反褶积等；2)谱白化处理，它是一种拓宽地震信号频谱的方法，通过在有限的分频带内进行纯振幅滤波，外推此频带之外的频率成分，达到扩展频带的目的；3)反Q滤波，它考虑了地震子波在地下介质中传播造成的高频吸收，通过对这种高频能量吸收进行补偿，达到提高分辨率的目的。

由于地下地质情况复杂、地层横向变化大、地震子波存在频散和衰减，以及地震调谐等因素的影响，地震子波本身存在的时变和空变特性，单纯提高地震子波的主频或拓展地震频带的方法虽然能够使地震剖面上的反射同相轴变窄、反射波形的时间延续减小，同相轴的数量增加，但是常常会同时伴有反射假象，出现与真实地层反射界面无关的反射旁瓣效应，难以真实地提高地震资料的分辨率，使高分辨率处理的资料存在明显的不确定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过对地震信号时频域能量进行自适应加权，压制原始地震子波的带通滤波效应，增强地震分辨率、指示薄储层且突出细微地震反射结构的基于时频域能量自适应加权的地震分辨率增强方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，其包括以下步骤：1)输入三维叠后地震数据体；2)利用广义S变换对三维叠后地震数据体的逐道地震信号计算时频分布，并计算时频谱的振幅及其瞬时谱振幅的包络；3)计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)；4)利用参考瞬时谱函数S_ref(t,f)计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数C_weight(t,f)；5)利用瞬时谱自加权系数C_weight(t,f)对地震信号的瞬时谱进行加权处理，形成地震分辨率增强后的新的三维叠后数据体，即得到地震分辨率增强的地震信号。

所述步骤3)计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)：

$S_{\mathrm{ref}}(t,f)=\left\{\begin{array}{cc}{A}_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_L^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_L^2}}& f\&le;f_L\\ A_m\left(t\right)& f_L<f\&le;f_H\\ A_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_H^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_H^2}}& f>f_H\end{array}\right.$

式中，f_L加权低频频率、f_H加权高频频率、A_m(t)为地震信号的时频谱振幅的瞬时谱峰值。

所述步骤4)利用参考瞬时谱函数S_ref(t,f)计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数C_weight(t,f)：

$C_{\mathrm{weight}}(t,f)=\frac{S_{\mathrm{ref}}(t,f)}{\mathrm{ENV}(t,f)}$

式中，ENV(t,f)为地震信号的瞬时谱包络。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在时频域对地震信号的瞬时谱进行处理，同时考虑了地震子波的时变性和空变性，所以使处理后的地震资料能更好地刻画局部地层反射、层序及厚度等的变化特征。2、本发明由于采用宽频子波谱函数构建瞬时谱的自适应加权系数，使地震子波的带通滤波效应、地震衰减与频散造成的地震子波的畸变等问题同时被压制，突出了地震信号中地层反射系数的贡献率，所以使处理后的地震资料分辨率明显提高。3、本发明由于采用宽频子波谱函数对瞬时谱进行自适应加权处理时，能够同时兼顾地震信号的低频和高频段，尤其是保留和补偿了低频段的信号能量，所以使地震信号不仅主频高、频带宽，而且压制了因单纯提高主频所致的子波旁瓣问题，减少了同相轴假象。本发明可以广泛应用于石油地震勘探数据处理与解释中。

附图说明

图1是本发明合成的三层地质模型示意图，其中，横坐标为Distance(距离)，单位为m(米)，纵坐标为Depth(深度)，单位是m(米)；

图2是与图1对应的合成地震记录剖面示意图，其中，(a)是利用主频为30Hz雷克子波合成的原始地震记录剖面，(b)是利用本发明方法处理后获得的分辨率增强的地震记录剖面，横坐标均为Trace No(道号)，纵坐标为Time(时间)，单位为s(秒)；

图3是本发明实施例中某地区海上地震资料的处理结果示意图，其中，(a)为原始地震剖面示意图，(b)是利用本发明方法处理后获得的分辨率增强的地震记录剖面，横坐标均为Trace No(道号)，纵坐标为Time(时间)，单位为s(秒)；

图4是与图3对应的处理前后地震资料的频谱曲线示意图，其中，(a)是原始地震剖面(处理前)的频谱曲线，(b)是采用本发明方法处理后的分辨率增强的地震剖面的频谱曲线示意图，横坐标为Frequency(频率)，单位为Hz(赫兹)，纵坐标为Amplitude(振幅)；

图5是本发明实施例中某地区陆上地震资料的处理结果示意图，其中，(a)为原始地震剖面，(b)是利用本发明方法处理后获得的分辨率增强的地震记录剖面，横坐标均为Trace No(道号)，纵坐标为Time(时间)，单位为s(秒)。

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。

本发明的基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，包括以下步骤：

1、输入三维叠后地震数据体。

2、利用广义S变换对三维叠后地震数据体的逐道地震信号计算时频分布，并计算时频谱的振幅及其瞬时谱振幅的包络，具体过程为：

假设三维地震数据体中的一道地震信号为x(t)，基于广义S变换的时频谱分解的公式如下：

$\mathrm{TFR}(t,f)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\left[X(f+f_s)\exp (-\frac{2{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_s^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{f}^{2\mathrm{\&beta;}}})\right]\exp \left(i2\mathrm{\&pi;}{f}_{s}t\right)d{f}_s$

式中，TFR(t,f)为地震信号的瞬时谱(或时频谱)，X(f_s)表示x(t)对频率f_s的傅里叶正变换，X(f_s+f)为傅里叶正变换谱X(f_s)平移f，α和β是控制小波基函数的调节参数，一般取正值。

地震信号的时频谱振幅：

${\mathrm{TFR}}_{\mathrm{amp}}(t,f)=\sqrt{{\left\{\mathrm{Re}\right[\mathrm{TFR}(t,f)\left]\right\}}^2+{\left\{\mathrm{Im}\right[\mathrm{TFR}(t,f)\left]\right\}}^2}$

定义TFR_amp(t,f)的瞬时谱峰值为：

$A_m\left(t\right)=\underset{f}{\max }\left[{\mathrm{TFR}}_{\mathrm{amp}}(t,f)\right]$

式中，A_m(t)位于TFR_amp(t,f)的频率位置称为中心频率f_C。

计算瞬时谱振幅TFR_amp(t,f)的包络，以ENV(t,f)表示，它是以中心频率f_C为界，分别往低频方向和高频方向搜索TFR_amp(t,f)的局部极大值，然后在相邻局部极大值间进行样条插值或线性插值，从而获得整个频段的瞬时谱包络ENV(t,f)。

3、计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)

函数低频端利用主频为加权低频频率的标准地震子波谱的低频段构建，高频端则用主频为加权高频频率的标准地震子波谱的高频段构建，在加权谱带宽范围内则为地震信号瞬时谱的极大值构建，获得自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)：

$S_{\mathrm{ref}}(t,f)=\left\{\begin{array}{cc}{A}_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_L^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_L^2}}& f\&le;f_L\\ A_m\left(t\right)& f_L<f\&le;f_H\\ A_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_H^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_H^2}}& f>f_H\end{array}\right.$

式中，用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)的参数包括：中心频率f_C、加权低频频率f_L、加权高频频率f_H、加权谱带宽f_H-f_L。

4、利用参考瞬时谱函数S_ref(t,f)计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数

计算瞬时谱自适应加权系数C_weight(t,f)：

$C_{\mathrm{weight}}(t,f)=\frac{S_{\mathrm{ref}}(t,f)}{\mathrm{ENV}(t,f)}.$

5、利用瞬时谱自加权系数C_weight(t,f)对地震信号的瞬时谱进行加权处理，形成地震分辨率增强后的新的三维叠后数据体，即得到地震分辨率增强的地震信号。

TFR_weighted(t,f)＝C_weight(t,f)×TFR(t,f)

从而获得经过了自适应加权处理的新的地震信号时频谱TFR_weighted(t,f)，并作如下变换：

$y\left(t\right)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\left[\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{\mathrm{TFR}}_{\mathrm{weighted}}(t,f)\mathrm{dt}\right]\exp \left(i2\mathrm{\&pi;ft}\right)\text{df}$

从而得到地震分辨率增强的地震信号y(t)。

下面通过具体实施例对本发明的基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法进行进一步描述。

如图1所示的人工合成的三层地质模型，其中模型中部包含三个地层(可见上下两厚层间夹一薄层)，两侧包含二个厚层，深度方向180m，横向640m，图中标注为①、②和③的地层速度分别为1450m/s、1560m/s和1670m/s，标注为②的地层为一薄层夹层，厚度约10m。

如图2所示是人工合成的三层地质模型的合成地震记录剖面图，(a)是利用图1中的速度计算的反射系数与主频为30Hz的雷克子波卷积运算所得的合成原始地震记录剖面，在图2(a)中部(第21～43道地震信号)，由于地震信号的调谐效应，仅显示为一个地层的地震反射，难以识别薄层的顶底位置。图2(b)是与图2(a)对应的，采用本发明的基于时频域能量自适应加权的地震分辨率增强方法处理后的地震分辨率增强剖面，从图2(b)中部可见，薄层顶底界面的地震反射同相轴可以完全分开，清楚地显示了薄层顶底位置及其厚度，整个剖面的反射同相轴比图2(a)更细，即时间延续度更小，分辨率更高。

如图3、图4所示，利用本发明的基于时频域能量自适应加权的地震分辨率增强方法对图3(a)的原始地震剖面处理后，得到图3(b)的地震分辨率增强剖面，从图3(b)可见，地震反射同相轴分辨能力比图3(a)明显提高，能刻画和区分更多更薄的地层，图4(b)是与图3(b)对应的频谱分析图，对比图4(a)与图4(b)，可见通过本发明的基于时频域能量自适应加权的地震分辨率增强方法处理后，地震剖面的频谱带宽明显变宽，主频显著提高。

如图5所示，利用本发明的基于时频域能量自适应加权的地震分辨率增强方法处理后的地震分辨率增强剖面，从图5(b)可见，地震反射同相轴分辨能力比图5(a)显著提高，能刻画和区分更多更薄的地层。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，其包括以下步骤：

1)输入三维叠后地震数据体；

2)利用广义S变换对三维叠后地震数据体的逐道地震信号计算时频分布，并计算时频谱的振幅及其瞬时谱振幅的包络；

3)计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)；

4)利用参考瞬时谱函数S_ref(t,f)计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数C_weight(t,f)；

5)利用瞬时谱自加权系数C_weight(t,f)对地震信号的瞬时谱进行加权处理，形成地震分辨率增强后的新的三维叠后数据体，即得到地震分辨率增强的地震信号。

2.如权利要求1所述的基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，其特征在于：所述步骤3)计算用于瞬时谱自适应加权的参考瞬时谱函数S_ref(t,f)：

$S_{\mathrm{ref}}(t,f)=\left\{\begin{array}{cc}{A}_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_L^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_L^2}}& f\&le;f_L\\ A_m\left(t\right)& f_L<f\&le;f_H\\ A_m\left(t\right)\&CenterDot;\frac{2f^2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{f}_H^3}{e}^{-\frac{f^2}{f_H^2}}& f>f_H\end{array}\right.$

式中，f_L加权低频频率、f_H加权高频频率、A_m(t)为地震信号的时频谱振幅的瞬时谱峰值。

3.如权利要求1或2所述的基于时频域能量自适应加权的地震信号分辨率增强方法，其特征在于：所述步骤4)利用参考瞬时谱函数S_ref(t,f)计算地震信号的瞬时谱自适应加权系数C_weight(t,f)：

$C_{\mathrm{weight}}(t,f)=\frac{S_{\mathrm{ref}}(t,f)}{\mathrm{ENV}(t,f)}$

式中，ENV(t,f)为地震信号的瞬时谱包络。