CN105814456A - 用于复杂地下的地震成像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的系统和方法可以包括生成部分图像道集(12)，基于频率相关的相位信息对准部分图像道集中的每个(14)，以创建对准的部分图像道集，以及堆叠对准的部分图像道集(16)，以产生地下的地震图像。

Description

用于复杂地下的地震成像的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及用于处理地震数据，特别是用于改进(诸如欠照明的区域中)复杂地下体的地震成像的方法和系统。

背景技术

利用地震数据的帮助可以有效地完成油气藏的勘探和开发，地震数据必须被适当地处理以允许对地下特征进行解释。一般地，地震数据是通过使用活性地震源将地震能量注入地下，地震能量接着被地下特征折射和/或反射并记录在地震接收器获得的。

当地下是复杂的，诸如在断层区域或具有大的地震速度差异的区域中，地震能量可以以防止能量到达地下的部分的方式被反射和/或折射。在一些情况下，地震能量的相位可能被打乱，使得使用堆叠改进成像的尝试失败。这被称为欠照明。由于欠照明，常规地震成像方法将会在地下的部分中产生具有微弱或不存在的地震事件的阴影区。

需要用于对其中欠照明的复杂地质区域中的地下进行成像的改进的方法和系统。

发明内容

本文中描述的是针对用于在欠照明的区域中进行地震成像的计算机实现的方法的各种方式的实现。

公开了一种用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的计算机实现的方法。该方法包括在计算机处理器处，接收代表感兴趣的复杂地下体的地震数据集；经由计算机处理器，从地震数据集生成部分图像道集；经由计算机处理器，基于频率相关的相位信息对准部分图像道集中的每个，以创建对准的部分图像道集；以及堆叠对准的部分图像道集，以产生地下的地震图像。

在另一实施例中，公开了一种计算机系统，该计算机系统包括用于实现感兴趣的复杂地下体的地震成像的方法的数据源或存储设备、至少一个计算机处理器和用户界面。

在又一个实施例中，公开了一种制造物品，该制造物品包括在其上具有计算机可读代码的计算机可读介质，该计算机可读代码被配置为实现用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的方法。

以上发明内容部分被提供是为了以简化的形式介绍概念的选择，所述概念下面在具体实施方式部分中被进一步描述。该发明内容并不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中提及的任何或所有缺点的实现。

附图说明

本发明的这些和其它特征对于下面的描述、权利要求和附图将变得更好理解，其中：

图1是说明根据本发明的实施例的方法的流程图；

图2示出了本发明的一个实施例的简单示例；

图3示出了本发明的实施例与常规结果比较的结果；

图4示出了本发明的实施例与常规结果比较的另一结果；

图5示出了本发明的实施例与常规结果比较的另一结果；

图6示出了本发明的实施例与常规结果比较的另一结果；

图7示出了本发明的实施例与常规结果比较的另一结果；以及

图8示意性地说明了用于执行根据本发明的实施例的方法的系统。

具体实施方式

本发明可在由计算机执行的系统和计算机方法的一般上下文中描述和实现。这种计算机可执行指令可以包括可用于执行特定任务和处理抽象数据类型的程序、例程、对象、组件、数据结构和计算机软件技术。可以用不同的语言编码本发明的软件实现，以应用在各种计算平台和环境中。将会理解的是，本发明的范围和基本原则不限于任何特定的计算机软件技术。

此外，本领域技术人员将理解，使用硬件和软件配置中的任何一个或它们的组合可以实践本发明，硬件和软件配置包括但不限于具有单和/或多处理器计算机、手持设备、平板设备、可编程消费电子设备、微型计算机、大型计算机等的系统。本发明还可以在分布式计算环境中实践，其中通过经由一个或多个数据通信网络链接的服务器或其它处理设备执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以被定位在包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质两者中。

此外，用于与计算机处理器一起使用的制造物品(诸如CD、预记录盘或其它等价设备)可以包括有形计算机程序存储介质和在其上记录的程序装置，用于引导计算机处理器促进本发明的实现和实践。这种设备和制造物品也落在本发明的精神和范围内。

现在参考附图，将描述本发明的实施例。可以通过许多方式，包括例如，作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机实现的方法)、装置、计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面、网站门户、或有形地固定在计算机可读存储器中的数据结构来实现本发明。下面讨论本发明的多个实施例。附图仅说明了本发明的典型实施例，并且因此不被认为限制本发明的范围和宽度。

本发明涉及欠照明的区域中的地震成像。本发明的一个实施例在图1中被示出为方法100。在操作10处，获取地震数据集。该地震数据集代表感兴趣的地下体。它可以是记录的数据或合成数据。它可以是海洋数据集或陆地数据集。操作10可以涉及实际的地震勘测或者可以是从源(诸如数据存储设备(例如硬盘驱动器))读取或接收地震数据的过程。地震数据是已经行进通过感兴趣的地下体的地震能量的记录，并且包括用于各种源和接收器组合的幅度和相位信息两者。

在操作12处，生成部分图像道集。这可以例如通过逆时偏移，基尔霍夫(Kirchhoff)、波束或单向波动方程偏移完成，或者在针对全波形反演的梯度计算、或基于光线或波动方程的断层成像或偏移速度分析中完成。针对这些成像/反演方法中的任何一个，可以产生3-D图像，所述3-D图像具有作为时间或深度的第一轴，以地理空间(例如共深度点位置、x位置等)的第二轴，以及表示感兴趣的部分图像数据集(即共炮、共接收器、共表面偏移距、地下偏移距、地下互相关时间、地下反射角、或任意其它合适的部分图像集)的第三轴。部分图像被成像，并且对应于部分图像的道被根据由上述第二地球物理空间轴确定的共图像位置并排显示，以形成适用于部分成像数据集的道集，诸如角道集、表面偏移距道集、地下偏移距道集等。

在其中地下是复杂的区域中，可能地是出现在部分图像道集中的事件将是微弱的和/或未对准的，使得给定的事件的最大幅度不会出现在部分图像道集中的所有道上恰好相同的时间或深度处。这可以由于地震能量遇到高对比度边界(例如沉积物/盐)而发生。当该能量以不同的入射角遇到边界时，它可以以不同的方式被反射、折射、并且可以使其相位更改。用于地震成像的常规方法通常沿着部分图像轴对3-D图像进行堆叠(求和)。在欠照明的区域中，堆叠将会导致图像退化或不当形成的图像。

再次参照图1，在操作14处，部分图像道集基于频率相关的相位信息被对准。这可以以多方式被完成，例如利用目标函数优化或匹配至示范道(pilottrace)。

目标函数优化可以例如被设计为通过相位对准最大化堆叠能量。这可以从简单的堆叠计算开始来完成：

$s\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\left(t\right)$

其中s(t)是作为时间的函数的堆叠道，并且f_i(t)是被求和在一起的道。该堆叠能量目标函数J为：

$J=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{\left(s\right(t\left)\right)}^2$

注意的是，这里的求和是随着时间t的。

尽管地震数据被以时间记录，但将它变换成频率是简单的事情，例如通过傅里叶变换：

$f_i\left(t\right)=\underset{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Σ}}{\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)e^{i\mathrm{\ω}t}$

并且频域道可以被分离成幅度项a和相位项p：

${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=a_i\left(\mathrm{\ω}\right)p_i\left(\mathrm{\ω}\right).$

幅度项和相位项可以被代入堆叠能量目标函数J：

$J=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{\left(s\right(t\left)\right)}^2=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\left(t\right)f_j\left(t\right)$

$J=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\α}}_j\left(\mathrm{\ω}\right)p_i\left(\mathrm{\ω}\right)p_j\left(\mathrm{\ω}\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})t}$

其可以使用Δ函数的属性被简化为

J＝∑_i,j∑_ωa_i(ω)a_j(-ω)p_i(ω)p_j(-ω)。

如前面所解释的，当地震能量遇到复杂地质时，它的相位以频率相关的方式被改变。为了相对于相位的改变最大化堆叠能量，目标函数的梯度被计算：

$\frac{\∂J}{\∂p_k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{a}_i\left(\mathrm{\ω}\right)a_j\left(\mathrm{\ω}\right)\left({\mathrm{\δ}}_{ik}{p}_j^{*}\right(\mathrm{\ω})+p_i(\mathrm{\ω}\left)\frac{\∂p_j^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂p_k}\right)$

其可以使用相位的导数属性被简化：

$\frac{\∂}{\∂p_k}\left(p_j^{*}\right(\mathrm{\ω}\left)\right)=\frac{\∂}{\∂p_k}\frac{1}{p_j\left(\mathrm{\ω}\right)}=-\frac{{\mathrm{\δ}}_{jk}}{p_k^2\left(\mathrm{\ω}\right)}$

以获得梯度，当梯度被设置等于零时其将改变相位以找到最佳的解决方案：

$\frac{\∂J}{\∂p_k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i\left(\mathrm{\ω}\right)a_k\left(\mathrm{\ω}\right)\left(p_i^{*}\right(\mathrm{\ω})-\frac{p_i\left(\mathrm{\ω}\right)}{p_k^2\left(\mathrm{\ω}\right)})$

通过将根据本梯度方程的相位的改变应用到针对特定频率的数据，跨部分图像道集的数据的相位可以被对准。在该方法的实施例中，傅立叶变换和相位对准被在时间中的数据重叠窗口中完成，使得对准是局部的。然后使用已知为避免较高频率中的周期跳跃(cycle-skipping)的方法分离地完成针对每个频率的对准。然后每个部分图像窗口的逆傅立叶变换被进行，对准的道然后被重新组合。

在另一实施例中，对准可以通过与示范道对准来执行。例如，示范道可以通过沿者偏移距或角度轴堆叠部分图像道集来创建。堆叠可以是常规的求和、S/N堆叠、或卡尔曼(Kalman)滤波器堆叠。本领域技术人员将理解的是，存在落入本发明的范围内的用于生成示范道的其它方法。然后，部分图像道集的每个道可以与示范道相关，并且相关函数的最大包络可以用于对道进行相移。可以针对小深度或时间窗口执行相关。该方法可以使用相关函数的希尔伯特(Hilbert)变换。最大包络的时间/深度移位和相位旋转被用于对准每个道。由于对准可以是频率相关的，所以可以期望执行示范道和部分图像道集中的道中的每个的S变换，从而导致接着可以进行交叉相关并用于确定适当的深度/时间移位的时间-频率道。在应用移位后，将使用逆S变换。该过程可以接着被重复，直到对准是最佳的。

在数学术语中，可以如下解释使用示范道的实施例。在典型的堆叠过程中，用N个道(Χ_i(t)，i＝1，2，……，N)开始，示范道M(t)可以通过如下公式被构建

$M\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{X}_i\left(t\right),$

其中求和是随着道号的，并且求和在每个时间样本处完成。为了优化堆叠能量并且将该过程扩展到频率相关的道对准，选择具有适当锥度的部分图像道上的给定时间样本周围的小时间窗口以及傅里叶变换以给出时间-频率数据M(t，f)和X_i(t，f)。本领域技术人员将理解，存在各种方式来实现这一结果，包括通过示例的方式而非限制的S变换。

针对各时间样本窗口，并且针对每个频率范围，我们假设在部分图像道与示范道之间存在时移τ(t，f)和相移b(t，f)。使用如下的道及其希尔伯特变换，示范道与部分图像道之间的相移可以应用在时域中。示范道与部分图像道之间的相移可以被表示为

X(t)＝∫X(ω)exp(iωt+b)dω，

其中b是相移。这可以被改写为

X(t)＝∫X(ω)exp(iωt+b)dω

＝∫X(ω)exp(iωt)(cosb+isinb)dω＝X(t)cosb+X_H(t)sinb。

为了为特定的时间窗口和频率范围估计时移和相移，我们最大化堆叠能量E(τ，b)：

$\begin{array}{c}E(\mathrm{\τ},b)={\mathrm{\Σ}}_{t=t1}^{t2}{\left(M\right(t)+X(t+\mathrm{\τ}\left)\right)}^2,\\ ={\mathrm{\Σ}}_{t=t1}^{t2}M{\left(t\right)}^2+{\mathrm{\Σ}}_{t=t1}^{t2}X{(t+\mathrm{\τ})}^2+2{\mathrm{\Σ}}_{t=t1}^{t2}X(t+\mathrm{\τ})M\left(t\right),\end{array}$

其中，M(t)是道集中除了X(t)的所有其它道的堆叠。如可以从这个等式中看出的，为了最大化堆叠能量只需要最大化示范道与地震道X(t)之间的交叉相关。因此，估计b和τ的目标函数是最大化交叉相关S(τ，b)：

$\begin{array}{c}S(\mathrm{\τ},b)={\mathrm{\Σ}}_{t=t1}^{t2}M\left(t\right)X(t+\mathrm{\τ})\\ =R\left(\mathrm{\τ}\right)\cos b+r\left(\mathrm{\τ}\right)\sin b\end{array},$

其中τ在合适的范围中变化。R(τ)是示范道与地震道之间的真正交叉相关，并且r(τ)是R(τ)的希尔伯特变换。所以时移和相移可以从以下等式中找到

$\frac{\∂(R{\left(\mathrm{\τ}\right)}^2+r{\left(\mathrm{\τ}\right)}^2)}{\∂\mathrm{\τ}}=0,$

并且同样适用于b。这意味着可以从交叉相关函数(τ，b)的最大包络位置确定τ和b。

在对部分图像道集进行最佳对准后，它们在操作16处被堆叠。这沿部分图像轴对部分图像道集求和，部分图像轴已经被对准以改进堆叠事件的聚焦。

尽管图1中所示的本发明的实施例说明了操作以特定的顺序被执行，但这不意味着是限制性的。一些操作可以被并行或以不同的次序执行。其它处理算法也可以包括在工作流程中的各个点处。

图2示出了非常简单的单个事件合成示例。面板20、22、24、26和28示出了其中地震事件针对每个道使其相位稍微改变的五个地震道。面板S1示出了堆叠面板20、22、24、26和28中示出的道的结果。面板21、23、25、27和29示出了使用本发明的实施例对准道的结果。面板S2是面板21、23、25、27和29的堆叠。比较常规堆叠S1与来自本发明的堆叠S2，在对准被执行之后该事件在较高频率处更干净。

图3-7都示出了常规堆叠图像(上部面板)与从自本发明的实施例得到的堆叠图像(底部面板)的比较。在图3中，常规堆叠30在盐体下方特别是在区34中具有欠照明。本发明的改进堆叠32改进了区36中的图像。

在图4中，常规堆叠40在对浅部区44进行成像方面具有难度。本发明的改进堆叠42在区46中具有连续事件，包括水底。

图5是具有盐体的另一图像，所述盐体给常规堆叠50带来问题，特别是在区54中给常规堆叠50带来问题。本发明的改进堆叠52改进了贯穿盐下区域的图像，特别是区56中的图像。

在图6中，常规堆叠60在深部区64中的事件方面具有困难。本发明的改进堆叠62改进了区66中的深部事件的成像。

图7贯穿常规堆叠70具有差成像。本发明的改进堆叠72改进了成像。

用于执行图1的方法100的系统800在图8中示意性地示出。该系统包括数据源/存储设备80，其可以尤其包括数据存储设备或计算机存储器。数据源/存储设备80可以包含记录的地震数据或合成地震数据。可以使得来自数据源/存储设备80的数据对处理器82(诸如可编程通用计算机)可用。处理器82被配置为执行实现方法100的计算机模块。这些计算机模块可以包括用于生成部分图像道集的图像道集模块84、用于基于频率相关的相位信息对准部分图像道集内的道的对准模块85、以及用于堆叠对准的道集的堆叠模块86。这些模块可以包括其它功能。此外，可以使用其它模块，诸如执行非线性反演的反演模块。该系统可以包括诸如用户界面89的界面组件。用户界面89可以用于显示数据和经处理的数据产物，以及允许用户在用于实现本方法的方面的选项当中进行选择。通过示例的方式而非限制，输入的地震数据、对准的道集、和/或在处理器82上计算的堆叠可以被显示在用户界面89上、存储在数据存储设备或存储器80上、或既显示又存储。

本领域技术人员认识到，部分图像道集中看到的部分图像之间的失准可以用于改变模型，以便使用各种类型的断层成像方法来缓解该失准，如例如在基于射线的部分图像断层成像中、或全波形反演中、或波动方程偏移速度分析中。在当前的本发明的说明书中，部分图像道集之间的失准信息是以频率相关的方式获取的。该专利声明任何这种频率相关的失准在使用断层成像方法中的使用以改变模型参数，该模型参数包括但不限于：速度、密度和任何各向异性参数、以及吸收，并且特别地以频率相关方式进行的或扩展模型域以包括频率的任何模型改变。

虽然在前面的说明书中，已经关于本发明的某些优选实施例对本发明进行了描述，并且许多细节已经出于说明的目的被阐述，但对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的基本原则的情况下，本发明易于更改并且本文中所描述的某些其它细节可以变化很大。此外，应该理解的是，本文中任一实施例中示出或描述的结构特征或方法步骤也可以在其它实施例中使用。

Claims (12)

1.一种用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的计算机实现的方法，所述方法包括：

a.在计算机处理器处，接收代表感兴趣的复杂地下体的地震数据集；

b.经由计算机处理器，从地震数据集生成部分图像道集；

c.经由计算机处理器，基于频率相关的相位信息对准部分图像道集中的每个，以创建对准的部分图像道集；以及

d.堆叠对准的部分图像道集，以产生地下的地震图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中对准操作是通过优化目标函数来执行的。

3.如权利要求1所述的方法，其中对准操作是使用示范道来执行的。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

a.经由计算机处理器，基于来自对准操作的信息计算频率相关的残余；以及

b.执行非线性或线性断层成像反演以确定地震模型。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述非线性反演使用目标函数和相关联的梯度和非线性优化，或Frechet导数矩阵。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述地震模型包括速度、密度、弹性或各向异性参数中的至少一个或者吸收参数。

7.如权利要求4所述的方法，其中模型参数被扩展为频率的函数。

8.如权利要求4所述的方法，其中模型参数被扩展为部分图像轴的函数。

9.如权利要求4所述的方法，还包括使用所述地震模型来识别局部异常。

10.如权利要求4所述的方法，其中非线性反演更新高对比度模型参数边界。

11.一种用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的系统，所述系统包括：

a.包含代表感兴趣的地下体的地震数据的数据源；

b.配置为执行计算机模块的计算机处理器，所述计算机模块包括：

i.用于创建部分图像道集的图像道集模块；

ii.用于基于频率相关的相位信息对准部分图像道集的对准模块；以及

iii.堆叠模块；以及

c.用户界面。

12.一种包括在其上具有计算机可读代码的非临时性计算机可读介质的制造物品，所述计算机可读代码被配置为实现用于感兴趣的复杂地下体的地震成像的方法，所述方法包括：

a.从地震数据集生成部分图像道集；

b.基于频率相关的相位信息对准部分图像道集中的每个以创建对准的部分图像道集；以及

c.堆叠对准的部分图像道集，以产生地下的地震图像。