CN105891882A - 一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法，包括以下步骤：S1：在基于裂缝网络介质模型基础上用Hilbert变换计算复地震道；S2：计算复地震道的瞬时包络、瞬时相位和瞬时频率；S3：找到包络最大值及其对应的时间位置，得到Morlet小波振幅的估计值；S4：计算相应时间处的瞬时相位和瞬时频率，得到裂缝介质最优化匹配Morlet小波相位角和主频的估计值；S5：从原地震道中减去上述确定的Morlet小波的实部；S6：重复步骤S1至S5，直到剩余的地震道幅度小于给定的阈值为止。本发明的有益效果在于，提供一种自适应性好、抗噪性强且时间和频率分辨率可控性好的基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法。

Description

一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法

技术领域

本发明涉及一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法。

背景技术

地震勘探一直是降低油气勘探风险和采油成本的主要方法。自上世纪80年代开始，研究如何利用地震资料定量检测裂缝油气藏逐渐为世界各大石油公司所重视。到20世纪90年代后期，学术界和工业界基本达成共识，利用地震资料(包括纵波和横波)可以有效地预测裂缝的走向和相对分布规律，在裂缝检测方法上，横波勘探的效果应该比纵波好，但是难度较大，如震源破坏性强、信噪比低、记录长、静校正困难、成本高等。尽管如此，因为横波携带更多的裂缝信息，在条件允许情况下，多波多分量勘探还是应为首选。

地震裂缝检测的基本方法之一是利用地震各向异性所引起的横波分裂和纵波方位属性变化来确定裂缝的走向和密度。Crampin等(1977)用反射率法制作了三分量合成地震记录，观察到了横波分裂现象，并通过横波分裂研究指出：裂缝诱导的各向异性可能是地壳中各向异性的主要原因。这种观点也得到了Thomsen的支持。在20世纪80年代之前，针对各向异性的研究一直处于相对较冷阶段。McCollum和Snell，Weatherby等，Ricker，White和Sengbush、Postma相继观察到了地震各向异性的实际存在。Postma(1955)阐述了单层厚度明显小于地震波波长的薄层周期性组合(简称PTL)可以等效为具有垂直对称轴的横向各向同性介质(简称为VTI)。在这一理论的指导下，增加了勘探地震家对各向异性的兴趣，因为形成油气藏的除基层外通常是分层的沉积岩。Bruggeman首次指出层状固体大都具有VTI各向异性，确定VTI各向异性需要5个参数，可以认为，他就是周期性薄层(PTL)模型的理论奠基人。Stoneley研究了陆棚结构中地震各向异性的意义。Krey和Hellig(1956)研究了VTI薄层状各向异性介质中反射波的传播规律。Backkus提出了弱各向异性介质中速度与岩性关系的公式。Crampin从面波频散中发现了各向异性的证据，此后他还深入地研究了地震面波在多层各向异性介质中的传播特性。

国内在裂隙与各向异性研究方面，起步较晚，但地震学和地震勘探工作者对各向异性给予了高度重视并开展工作，发展较快。陈颙等利用物理模型分析裂隙介质中的横波分裂；冯德益讨论了裂隙双相各向异性介质中Christoffel方程；徐果明研究了横向各向同性介质中的传播矩阵及应用；何樵登等进行二维与三维横向各向同性介质(EDA和PTL)中地震波的传播规律和正、反演方面的研究；席道瑛、陈琳研究了岩样的各向异性；张碧星，王克协对各向异性双相介质中多极源声波测井进行了理论研究；姚陈等研究了反射率法合成技术；董敏煜等研究了EDA裂隙介质各向异性的差分模拟法；徐中信、张中杰提出在各向异性介质中利用弹性参数进行岩性勘探的设想；贺振华从岩石物理的角度对各向异性特别是裂缝诱导的各向异性介质进行了深入的研究。

进入90年代后，阴可和杨慧珠(1997)研究了各向异性介质中的AVO，分析了横向各向同性和方位各向异性的成因，讨论了AVO属性关系以及在实际资料应用中的相关问题。朱培民等(2001)研究了用纵波AVO数据反演储层裂缝密度参数，讨论了弹性参数、各向异性系数和裂缝参数之间的关系，导出了利用AVO反演裂缝密度的基本方程。Yongyi Li等(2001)对HTI介质中的方位AVO反演(AVOZI)进行了系统的研究。朱成宏等(2002)利用裂缝介质的速度椭圆特征提出了以全方位自适应扫描技术为基础的层间速度椭圆参数反演分析技术并应用于实际资料。为了改进RVA(振幅随方位角变化)、VVA(速度随方位角变化)等方法分辨率和稳定性的不足，曲寿利(2001)提出了波阻抗随方位角变化(IPVA)的方法，并应用于罗家湾泥岩储层裂缝预测中，取得与井吻合的裂缝预测效果。为了避免受资料信噪比和地震子波的影响，张公社(2004)提出了非线性动力学参数随方位角变化(PFVA)的方法，同样在罗家湾泥岩储层裂缝预测中取得可靠效果。Guan Luping等(2006)采用AVAZ技术预测裂缝方位和裂缝密度，并将这一技术应用于塔河油田缝洞体系的描述。Wang Jiushuan等(2008)利用宽方位P波地震资料进行AVO分析，有效刻画了裂缝方位和密度。Zhang Zhirang等(2009)利用P波方位各向异性属性进行裂缝检测，实现了渤海湾地区古生界潜山油气藏的描述。

相对于砂岩储层，碳酸盐岩储层表现出更强的非均质性和地震各向异性，无论是储层的地质特征，还是地震反射的波场特征都与砂岩储层具有明显的区别。碳酸盐岩缝洞储层地震各向异性分析和处理技术国内尚处于起步阶段，从测井评价到地震技术都没有形成有效的技术流程，尤其应用多波资料通过地震衰减各向异性检测储层裂缝及流体，以满足勘探开发生产的急需，国内尚无先例。地震衰减各向异性裂缝、流体识别技术等方面，国内基本属于空白，因此，有必要进一步开展应用研究，填补这些空白。

开展裂缝储层的研究对非常规油气藏和碳酸盐岩油气藏的勘探和开发具有十分重要的意义。常规叠后几何属性能够对断层级别的大裂缝及断裂带进行预测，对小裂缝预测需要开展叠前方位各向异性研究。常规的叠前方位属性如方位AVO梯度、方位振幅、方位速度衰减等对小裂缝尺度不敏感，不能很好的预测优势裂缝尺度。而方位频率衰减属性对裂缝尺度敏感，能够很好的预测对产能有贡献的优势裂缝。因此开展高分辨率的叠前方位频谱分解，是预测小裂缝的关键技术。

谱分解的核心技术是地震信号的时频分析技术，寻找能够精确刻画地震信号时频特征的方法是研究的重点。由于裂缝系统的几何外形分布和内部介质与流体密度分布的不同，其对应的调谐频率是不一样的，因此对不同频率分量的地震信号的反应也不同。特定的地质体和裂缝发育网络具有特定的时频表征。常规的谱分解技术已经不能满足裂缝储层分频需要。短时傅里叶变换(STFT)时频分辨率由窗函数的长度决定，而不同的时窗长度将会产生较大的差别，为应用带来困难。小波变换(WT)以其多分辨率的特点得到了广泛的应用，但其是在时间-尺度平面上展开的时频分布，尺度与频率之间的关系难以理解。小波变换在高频处有较好的时间分辨率，在低频处有较好的频率分辨率，但中频到高频这个频率段小波变换不能获得较好的频率分辨率。为了克服短时傅里叶变换和小波变换的缺陷，提高信号的时频分辨率和精度，1993年，St.Cphane和G.Mallat等人提出了匹配追踪的概念。由于它的自适应的分解特点，能够提供较好的时间、频率分辨率。因此，基于匹配追踪的谱分解方法可以更准确地刻画地震信号的时频特征，高分辨率特征能够满足小裂缝刻画预测精度。Liu等人先后提出了基于Ricker子波和Morlet小波匹配算法，选用Morlet小波作为时频原子，主要是因为Morlet小波与地震子波具有相似性，可以通过Morlet伸缩、频移和调制来匹配实际地震数据，得到较好的分解结果。为了避免寻找最佳匹配子波时所需的大量相关运算，提高计算速度，本次研究技术采用基于裂缝时频表征的一种简化的寻找最佳匹配子波的方法，即认为复地震道振幅达到最大时子波与地震信号匹配最佳，用这个时刻的瞬时参数来确定匹配子波。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供一种自适应性好、抗噪性强且时间和频率分辨率可控性好的基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法。

本发明提供了一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法，包括以下步骤：

S1：在基于裂缝网络介质模型基础上用Hilbert变换计算复地震道；

S2：计算复地震道的瞬时包络、瞬时相位和瞬时频率；

S3：找到包络最大值及其对应的时间位置，得到Morlet小波振幅的估计值；

S4：计算相应时间处的瞬时相位和瞬时频率，得到裂缝介质最优化匹配Morlet小波相位角和主频的估计值；

S5：从原地震道中减去上述确定的Morlet小波的实部；

S6：重复步骤S1至S5，直到剩余的地震道幅度小于给定的阈值为止。

本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法，该方法中使用的匹配追踪算法通过创建冗余的时频原子库，根据信号自身特点将信号在时频原子库中进行超完备展开，以实现信号的自适应分解。时频原子与信号越相似，信号的匹配追踪分解效果就越好，Morlet时频原子库是地震信号匹配追踪分解中常用的时频原子库，Morlet的小波能很好地近似实际地震子波，由于Morlet小波的时宽和带宽随着主频变化而变化，因而匹配追踪时频分布表现出良好的自适应性，但是由于Morlet时频原子库的时频分辨率固定，使得时频表征结果的时频分辨率单一，满足不了实际研究中要求时间分辨率和频率分辨率分别可控的需要，特别是在薄层以及小裂缝描述中受到了限制。在基于裂缝模型时频表征的基础上，寻求局部特征匹配最佳的Morlet小波，大大提高了实际研究中的时间和频率分辨率的可控性，提高计算速度同时满足小裂缝研究需要。

具体实施方式

下面将参照具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例的一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法，该发明提供的匹配跟踪分配方法中使用的匹配追踪算法的原理是：将非平稳信号自适应地分解为冗余字典中的一系列小波或原子的线性组合，得到信号的稀疏分解表示，由于信号稀疏表示出的优良特性，故通过匹配追踪算法可以在二维时频分布平面获得能量聚集性很高的时频空间展布特征，具体如下：

假设D为进行信号分解的过完备库，D中的元素满足D＝{gγ：γ∈Γ}且||g_γ||＝1。设信号为f(t)，g_γ0是D中与f(t)最为匹配的即内积最大的一个，则f(t)可表示为f(t)＝<f(t)，gγ0>gγ0+Rf(t)，式中Rf(t)是第一次匹配的残差，之后在过完备库D中继续寻找与Rf(t)最为匹配的一个基本函数g_γ1，则Rf(t)＝<Rf(t)，g_γ1>g_γ1+R²f(t)，式中，R²f(t)是第二次匹配后的残差，在D中对残差继续匹配，第n次匹配后Rⁿf(t)＝<Rⁿf(t)，g_γn>g_γn+Rⁿ⁺¹f(t)，将表达式进行回代，可得f(t)的分解公式g_γn＞g_γn+Rⁿf(t)，当信号空间维数有限时，可得出上式的极限形式是g_γn＞g_γn，利用上式可对地震信号进行匹配追踪谱分解，利用迭代法不断地寻找最佳匹配，直到残差低于预定阀值即可终止迭代，此即匹配追踪算法的原理。

从匹配追踪算法的原理可以看出是匹配分解算法是一种重复迭代逼近的贪婪算法，这必将导致计算量庞大。MP算法的计算量主要体现在3个方面即确定扫描原子方式的原子字典索引方式、原子的生成和信号的分解过程。匹配追踪快速算法可基于对信号的先验信息在合适的原子字典里选择适用的原子，减少原子参与计算的数目；之后对原子库进行分析在误差允许的情况下来设定合适迭代次数和阀值。

匹配追踪算法通过创建冗余的时频原子库，根据信号自身特点将信号在时频原子库中进行超完备展开，以实现信号的自适应分解。时频原子与信号越相似，信号的匹配追踪分解效果就越好，Morlet时频原子库是地震信号匹配追踪分解中常用的时频原子库。Morlet的小波能很好地近似实际地震子波。假设地震数据可以分解为Morlet小波之和，即

式中：d(t)为地震道，a为振幅，m_i为第i阶Morlet小波，其中f_m为平均频率，t_d为时间延迟，为相位角，n为噪音。表明地震信号可以看作是由带有不同参数的Morlet小波的线性组合与噪声组成。振幅a可以由复地震道包络的峰值估计得到，峰值对应的时间即为时间延迟t_d估计，对应时间处的瞬时相位可作为相位角的估计。在基于裂缝模型的时频表征基础上，对于Morlet小波，瞬时频率与平均频率f_m相等，因此可以用振幅峰值对应时间处的瞬时频率估计f_m，从而确定最佳匹配Morlet子波。基于Morlet小波匹配追踪算法的核心思想是用复地震道方法寻找最佳匹配的Morlet小波，将地震信号表示为一系列与地震信号局部特征匹配最佳的Morlet小波的组合，在此基础上计算各子波的线性时频表示(如短时傅里叶变化)并叠加，从而得到地震信号时频分辨率较高的时频分布；具体算法流程如下：

S1：在基于裂缝网络介质模型基础上用Hilbert变换计算复地震道；

S2：计算复地震道的瞬时包络、瞬时相位和瞬时频率；

S3：找到包络最大值及其对应的时间位置，得到Morlet小波振幅的估计值；

S4：计算相应时间处的瞬时相位和瞬时频率，得到裂缝介质最优化匹配Morlet小波相位角和主频的估计值；

S5：从原地震道中减去上述确定的Morlet小波的实部；

S6：重复步骤S1至S5，直到剩余的地震道幅度小于给定的阈值为止。

这样原地震道就表示为一系列与地震信号局部特征匹配最佳的Morlet小波的组合，在此基础上计算各子波的线性时频表示并叠加，由此得到的时频分布比直接对原数据做时频分析的时频分辨率高，且具有一定的抗噪性。

由于Morlet小波的时宽和带宽随着主频变化而变化，因而匹配追踪时频分布表现出良好的自适应性，但是由于Morlet时频原子库的时频分辨率固定，使得时频表征结果的时频分辨率单一，满足不了实际研究中要求时间分辨率和频率分辨率分别可控的需要，特别是在薄层以及小裂缝描述中受到了限制。在基于裂缝模型时频表征的基础上，寻求局部特征匹配最佳的Morlet小波，大大提高了实际研究中的时间和频率分辨率的可控性，提高计算速度同时满足小裂缝研究需要。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于裂缝时频表征的匹配追踪分频方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在基于裂缝网络介质模型基础上用Hilbert变换计算复地震道；

S2：计算复地震道的瞬时包络、瞬时相位和瞬时频率；

S3：找到包络最大值及其对应的时间位置，得到Morlet小波振幅的估计值；

S4：计算相应时间处的瞬时相位和瞬时频率，得到裂缝介质最优化匹配Morlet小波相位角和主频的估计值；

S5：从原地震道中减去上述确定的Morlet小波的实部；

S6：重复步骤S1至S5步，直到剩余的地震道幅度小于给定的阈值为止。