CN106932824A - 陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法，属于勘探地震信号处理领域，涉及陆地地震资料层间多次波的自适应预测和压制方法。该方法在叠前CMP道集通过采用虚同相轴方法，实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制；包括输入数据准备过程、构建参考道过程和压制多次波过程。本发明方法通过动校正去除由于炮检点分布带来的与偏移距有关的旅行时，方法对炮检点分布没有要求；通过将二维或三维数据降维成一维数据，提高计算效率；通过加权叠加得到参考道，提高系统的抗噪性。
Description
技术领域
本发明属于勘探地震信号处理领域，涉及陆地地震资料层间多次波的自适应预测和压制方法，在地震叠前共中心点(CMP)道集数据中应用虚同相轴方法，实现陆地地震资料的层间多次波的预测和压制。
背景技术
多次波是叠前地震资料中的常见相关噪声，在海洋地震勘探和许多深层陆地勘探中都很发育。常用地震数据成像技术都是基于一次反射波信号的假设，由于多次波不满足该成像条件，被视为相干噪音，常常会影响勘探目的层位产生的一次波的振幅、相位和频率，并产生构造假象掩盖深部地层的真实构造，降低地震成像结果的可靠性和信噪比。所以如何对多次波进行有效压制和消除，对油气藏的有效勘探开发具有重要的研究意义[1]。
多次波可以分为表面多次波和层间多次波。表面多次波是一种产生于地表反射的多次波，广泛存在海洋数据中，具有很强的振幅，目前对于表面多次波压制的研究已经较为成熟。层间多次波则是产生于地下地层之间多次反射的多次波，存在于深部陆地和部分海洋勘探数据中，由于至少在地层间反射三次，会具有比一次波小得多的振幅，只有在地下两个强反射界面产生的层间多次波才相对容易被观测到[2]，这样，预测和压制层间多次波比表面多次波更加困难。随着陆地勘探逐渐由浅到深，由简单构造到复杂构造，如盐丘高速体、高倾角构造、碳酸盐岩缝洞储集体等，层间多次波的压制也越来越受到重视。相比海洋勘探，陆地资料信噪比更低，其中的层间多次波压制更具挑战，尤其对中国西部地区具有复杂地表条件的陆地地震资料，鲜有好的层间多次波压制效果。
在多次波的成像和压制方法中，多次波的预测是关键步骤。常用的多次波预测方法可以分为滤波类和预测相减类。
滤波类方法通过将地震数据从时间-空间域数学变换到其他数据域，如f-x域，f-k域，Radon域等，利用在该数据域中多次波与一次波的不同特征，即在该数据域中具有不同的分布位置，对多次波和一次波进行分离，并保留一次波成分，再反变换回时间-空间域，达到多次波压制的目的。其他滤波类方法包括预测反褶积[3]，聚束滤波类方法[4]。滤波类多次波分离方法效 率高且计算成本低，但精度不高，不适用于一次波和多次波可区分性不明显的情况。
预测相减类方法是将预测到的多次波通过自适应相减的方法从地震记录中减去达到压制多次波的目的，其中数据驱动类的预测相减类方法对地下先验信息要求少。以下是几种较为常用的方法：(1)波场延拓法通过地表接收的波场反向延拓到地下，得到地下某个位置的波场，可依据偏移速度得到地下速度，用于压制海上数据的地表和层间多次波[5]；(2)SRME(surface-related multiple elimination，地表相关多次波压制法)是基于反馈迭代类的方法，用于压制表面多次波，是通过对输入数据的自褶积运算，得到不同阶数多次波的预测响应，n次褶积得到n阶的多次波预测响应，将全部预测响应从原始地震数据中减去即得到压制多次波后的数据[6]；(3)虚同相轴方法由Ikelle提出，通过构建虚同相轴，将产生的多次波的向下反射点从地下移到地表，实现多次波的预测，自上而下选取地层，进行多次波预测和自适应相减即实现全部层间多次波的压制[7][11]，其优势在于它是数据驱动，不依赖初始速度模型，与反馈环迭代类方法相比较计算量减小。此外，还有基于散射理论的逆散射级数法和基于单边自聚焦系统的Marchenko方程法，都可以用于多次波的预测和压制。
目前，SRME和逆散射级数法都已经形成商业化模块，对海上多次波取得了较好压制效果，针对深部陆地工区的层间多次波仍难以取得明显压制效果，尤其是中国西部地区复杂地表条件工区的陆地地资料，深部层间多次波的压制更是极大的挑战，已有的应用实例大部分停留在叠后处理水平，这要求地层接近水平，且地下构造相对简单。而且，相对叠后资料，叠前资料的多次波压制结果可用于改善速度分析、叠前属性分析、反演解释等，以及改善叠前偏移的效果。然而，难以在叠前数据实现层间多次波的预测主要有以下几个原因：(1)对于陆地地震资料，叠前道集的信噪比极低，影响多次比预测的准确性；(2)预测相减类方法，如SRME和虚同相轴法，要求使用规则化的数据，且要求足够密集的炮检点分布，但复杂地表条件的观测系统往往难以满足这些要求。
参考文献：
[1]Yilmaz,Seismic data analysis:processing,inversion,andinterpretation of seismic data.Society of Exploration Geophysicists.2001.
[2]Verschuur,D.J.Seismic multiple removal techniques–past,present andfuture(Revised Edition).EAGE.2013.
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[11]吴静,吴志强,胡天跃等.基于构建虚同相轴压制地震层间多次波.地球物理学报.2013,56(3):985–994.
发明内容
针对以上技术问题，本发明提出了在地震叠前CMP道集应用虚同相轴方法实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制的方法，并在中国西部地区的实际陆地地震资料中取得较好的层间多次波压制效果。本发明输入数据为经过动校正的叠前地震道集，通过同相轴追踪、参考道构建、虚同相轴方法、多次波预测和自适应相减，由此实现叠前陆地资料层间多次波的压制。
本发明的核心是：在叠前CMP-偏移距域，对经过准确动校正的数据逐道应用虚同相轴方法预测多次波，由于动校正将各观测点的旅行时修正为各点的法向反射时间，即在CMP-偏移距域每一道都是自激自收的地震记录，这样使得二维或三维数据等价于降维成一维数据进行处理，并且压制多次波后得到的仍是叠前资料。本发明方法通过动校正去除由于炮检点 分布带来的与偏移距有关的旅行时，方法对炮检点分布没有要求；通过将二维或三维数据降维成一维数据，提高计算效率；通过加权叠加得到参考道，提高系统的抗噪性。相比叠后处理方法，本发明能保护和提供更多有用的信息，有利于下一步的资料处理和解释。
本发明提供的技术方案如下：
陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法，该方法在叠前CMP道集应用虚同相轴方法，实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制；包含以下步骤(图1)：
A.输入数据准备：
A1.对原始地震数据做常规地震初步处理，得到准确动校正后的道集；
A2.根据数据道头中的CMP号和偏移距将上述动校正后的道集重排至CMP-偏移距域，即按照CMP号从小到大排列，相同CMP号的道集按偏移距从小到大排列；
B.参考道构建：对叠前CMP道集做加权叠加，得到高信噪比的参考道；
C.采用虚同相轴方法压制多次波：自上而下依次选取每一层地下反射层(地层)w，执行步骤C1～C4：
C1.数据切割：记来自地层w的反射波旅行时为tw，将参考道切割成仅包含来自地层w的反射波的数据Rupper(t)和旅行时大于tw的数据Rlower(t)。对叠前CMP道集做相同切割，即切割成仅包含来自地层w的反射波的数据Gupper(t)和旅行时大于tw的数据Glower(t)；
C2.在叠前CMP道集中，利用Rupper(t)与每道的Glower(t)做互相关，构建虚同相轴数据Gvir(t)；
C3.利用Gvir(t)褶积Glower(t)，重构与地层w有关的层间多次波，作为预测得到的多次波数据；
C4.利用多道最小二乘匹配滤波方法将预测的层间多次波与叠前CMP道集中的多次波做振幅和相位的匹配，再将经匹配后的多次波从叠前CMP道集中减去；即完成该地层的层间多次波的压制。
C5.自上而下依次选取第1至n层地下反射层，重复C1-C4的步骤，完成全部地层的层间多次波的压制。
本发明的有益效果是：
已有的传统虚同相轴法是在动校正前的共炮点域或共检波点域实现的，要求具备足够密集的炮检点分布和足够宽的孔径范围。而本发明提供的方法是在动校正后的CMP-偏移距域实现的，即对经过准确动校正的数据逐道应用虚同相轴方法预测多次波。本发明的优点在于：
(一)本发明方法中，由于炮检点分布带来的与偏移距有关的旅行时已经通过动校正去除，因此，本发明方法对炮检点分布没有要求；
(二)本发明方法将二维或三维数据降维成一维数据，运算量大大减少，提高计算效率；
(三)本发明通过加权叠加得到参考道，能够提高系统的抗噪性。
附图说明
图1是本发明提供的陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法的流程框图。
图2是虚同相轴法预测层间多次波示意图；
其中，w1～w4为地层；实线、虚线分别表示旅行时为正、负的射线路径；灰色线段代表在互相关和褶积中共用的射线路径；w2为选取的地层；(a)为互相关构建虚同相轴；(b)为虚同相轴数据与一次波记录褶积预测与w2有关的层间多次波；(c)为虚同相轴数据与另一组一次波褶积预测层间多次波。
图3是用于产生包含层间多次波的数据的二维度水平层状模型示意图；
其中，地表为吸收边界，因此不产生表面多次波；图中星号标示位于地表的炮点位置，检波点也位于地表。
图4是本发明实施例应用虚同相轴法的合成数据示例；
其中，合成数据通过图3模型的正演得到，大箭头(灰色)指示一次反射波，小箭头(黑色)指示多次波；(a)为原始数据；(b)为预测的与第1层反射界面有关的层间多次波；(c)为自适应相减(b)中层间多次波的结果；(d)为预测的与第2层反射界面有关的层间多次波；(e)为自适应相减(d)中层间多次波的结果。
图5是本发明实施例中处理中国西部地区实际陆地地震资料的结果；
其中，实线椭圆标示多次波发育的位置，虚线椭圆标示一次反射波经过多次波压制后被凸显的区域；(a)为原始道集；(b)为在近偏移距通过本发明方法预测的层间多次波；(c)为自适应相减(b)中预测的多次波的结果；(d)为Radon变换压制多次波。
图6是本发明实施例中处理中国西部地区实际陆地地震资料的时间叠加剖面结果；
其中，椭圆标示层间多次波被压制的位置，有效反射实现归位；实线标示了CMP等于50的位置。(a)为未压制多次波；(b)为Radon变换压制多次波；(c)为采用本发明方法压制多次波后的剖面；(d)为本发明方法预测的多次波叠加得到的剖面。
图7是本发明实施例中CMP等于50处的叠加速度谱对比；
其中，椭圆标示多次波能量团位置；(a)为未压制多次波；(b)为Radon变换压制多次波；(c)为采用本发明方法压制多次波；图中表明，实线椭圆标示的两个明显的层间多次波能量团被很好压制，而Radon变换难以对其压制。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供的方法是一种地震叠前CMP道集应用虚同相轴方法，能够实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制，该方法在中国西部地区的实际陆地地震资料中取得较好的层间多次波压制效果。本发明输入数据为经过动校正的叠前地震道集，通过同相轴追踪、参考道构建、虚同相轴方法、多次波预测和自适应相减，由此实现叠前陆地资料层间多次波的压制。
图1是本发明提供的陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法的流程框图；在叠前CMP道集中应用虚同相轴法实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制的方法包含以下步骤：
A.输入数据准备：
A1.对原始地震数据做常规初步处理，包括野外噪声压制，地滚波压制，表面多次波压制，振幅补偿，反褶积和速度分析，最后得到准确动校正后的数据。针对不同陆地地震资料，应设计有针对性的处理流程。
A2.根据数据道头中的CMP号和偏移距将上述动校正后的数据道集重排至CMP-偏移距域，即按照CMP号从小到大排列，相同CMP号的道集按偏移距从小到大排列；
B.参考道构建：对叠前CMP道集做加权叠加得到高信噪比的参考道。
本发明通过计算叠前道集与参考道间的相似度作为权重函数用于加权叠加，减小误差较大道集在叠加中的权重，提高叠加道集的信噪比，从而获取高信噪比的参考道。具体实现过程如下：
通过式1得到加权叠加的参考道：
其中，Ti(t)为叠前CMP道集中的第i道；t为旅行时；Wi为第i道记录的权重函数；S(t)为加权叠加得到的参考道。权重函数Wi由相似度确定：
X＝Ti(t) (式2)
其中，ρXY为X和Y之间的相关系数，即其中E(.)表示求取数学期望，ρXY反映了两道记录间的相似度，X为叠前CMP道集中的第i道，Y为等权重叠加得到的道集。设置阈值ε，当相似系数小于ε时，说明该道记录对最终叠加结果的贡献很小，可能是坏道或信噪比极低的道集，此时将该道权重置为零，减小其对叠加结果的不利影响。
C.虚同相轴方法：
最早由Ikelle提出，其思路是基于克希霍夫积分表示定理，将地下反射层产生信号的基准面重置至自由表面，再利用以自由地表为基准面的散射信号预测层间多次波。在该方法中，虚同相轴记录相当于波场延拓算子，作用在原始地震数据上，与其他多次波预测方法在本质上类似，只是选取了不同形式的延拓算子，如SRME利用原始数据本身进行延拓。虚同相轴方法的具体数学表达式可参见文献[7]。
以下说明虚同相轴法的物理过程，分两步如下：
(1)如图2，来自层位w2和w3的反射波进行互相关运算，互相关运算实现旅行时相减的过程，图2a中的灰色线段标示的两组反射波共用射线路径对应的旅行时相互抵消，因此构建地层w2和w3之间的虚同相轴记录，物理意义是在地层w2处的虚拟震源为源点在地表接收的虚拟地震记录(即不是真实观测到的地震记录)，其中虚线代表旅行时为负的射线路径，因此该虚源记录的发震时刻需要提前虚线路径对应的旅行时。这一过程实现了将地表某点激发的地震记录通过基准面重置得到地下某点激发的地震记录。由于虚同相轴记录包含旅行时为 负的路径，因此需要使用互相关运算，这一步与常用的SRME使用褶积运算有所区别[10]。选取不同地层的反射波可以得到不同地层间的虚同相轴记录。
(2)进一步将虚同相轴记录与原始地震记录进行褶积运算预测层间多次波。如图2b，对地层w3的反射波和w2和w3之间的虚同相轴记录做褶积运算，褶积运算实现旅行时相加，灰色线段标示的共用射线路径对应的正负号相反的旅行时被抵消，预测了地层w2和w3间的一组层间多次波。如图2c，对不同地层w4，同样可以预测w2和w3间的一组层间多次波。同理，使用w2和w3间的虚同相轴记录与原始数据褶积，可以预测出全部与地层w2有关的层间多次波。
本发明在具体实施中，利用合成地震资料验证虚同相轴法预测层间多次波的正确性。使用图3所示的1.5维速度模型，密度为2000kg/m3，地表为吸收边界，因此该模型不产生自由表面多次波，通过有限差分声波正演得到合成地震资料。图4展示了应用虚同相轴法的结果，大的灰色箭头指示三组一次反射波，小的黑色箭头指示全部层间多次波。图4b为对第1层地层对应的地震记录应用虚同相轴法预测的层间多次波，图4c为自适应相减的结果，图4d和4e为对第2层地层的层间多次波预测和压制的结果，看到能量较强的层间多次波都被很好地压制，且没有损伤有效波信号。该实例验证了虚同相轴法预测层间多次波的正确性。
现有常规的虚同相轴法在动校正前的共炮点域或共检波点域实现，为求取两点间的地震波信号，需要利用这两点周围一定孔径范围内的炮检点地震数据，并进行积分运算，同时要求足够密集的炮检点分布和足够宽的孔径范围保证积分精度(如文献[7]所记载)。这对于二维或三维的数据处理，会产生巨大运算量，并且在复杂地表地区难以保证规则且密集的炮检点分布。
为解决这些问题，本发明对经过动校正的叠前地震资料在CMP-偏移距域实现虚同相轴法。由于精确的动校正将相同CMP对应的地震数据校正为该CMP点自激自发的地震数据，因此二维或三维地震数据降维成一维数据，一维数据应用虚同相轴法仅通过自身即可预测层间多次波，不需要周边炮检点的数据参与运算，大大减少了运算量，且不要求炮检点密集规则分排布。同时为提高系统的抗噪性和稳定性，通过加权叠加得到高信噪比参考道，并与每个叠前道集进行互相关和褶积运算。
本发明方法对经过动校正的叠前地震资料在CMP-偏移距域实现虚同相轴法，具体实现过程如下：
C1.数据切割：记来自地层w的反射波旅行时为tw，将参考道切割成仅包含来自地层w的反射波的数据Rupper(t)和旅行时大于tw的数据Rlower(t)。对叠前CMP道集做相同切割，即切割成仅包含来自地层w的反射波的数据Gupper(t)和旅行时大于tw的数据Glower(t)；
C2.在叠前CMP道集中，利用Rupper(t)与每道的Glower(t)做互相关，构建虚同相轴数据Gvir(t)，互相关公式如式3：
其中，t和τ都表示时间；C3.利用Gvir(t)褶积Glower(t)，预测与地层w1有关的层间多次波，褶积公式如下：
其中，GIM(t)为预测的层间多次波；
C4.利用多道最小二乘匹配滤波方法将预测的层间多次波与叠前CMP道集中的多次波做振幅和相位的匹配，再将经匹配后的多次波从叠前数据中减去，即完成该地层的层间多次波的压制。多道最小二乘匹配滤波法基于2范数准则，在多次波减去后的一次波2范数最小意义下估计滤波因子实现匹配，文献[11]记载了具体实现过程；
C5.继续自上而下选取地层w2至wN，重复C1-C4的步骤，完成全部层间多次波的压制。
应用本发明提供的方法，对中国西部地区实际陆地地震资料压制层间多次波。图5为CMP-偏移距域的结果，实线椭圆标示了多次波位置，虚线椭圆标示一次反射波经过多次波压制后被凸显的区域(图5a)，在近偏移距位置通过本专利系统预测层间多次波(图5b)，自适应相减后可以更好地凸显有效反射波(图5c)，相比之下，商业软件常用的Radon变换难以取得好的压制效果(图5d)，因该数据中的层间多次波和一次反射波具有极其接近的视速度和频率属性。图6给出了叠加剖面的结果对比，椭圆标示层间多次波被压制的位置，实线标示了CMP等于50的位置，图7展示了该CMP处的叠加速度谱对比。看到Radon变换的结果无法实现地层归位(图6b)，而本专利系统压制多次波后实现了剖面上真实地层的归位(图6c)，图6d为本文系统压制的层间多次波构成的剖面。叠加速度谱展示了类似的结果，实线椭圆标示的两个明显的层间多次波能量团被很好压制，而Radon变换难以对其压制。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种陆地地震勘探资料的降维自适应层间多次波压制方法，其特征是，所述层间多次波压制方法在叠前CMP道集通过采用虚同相轴方法，实现陆地地震资料的层间多次波预测和压制；包括输入数据准备过程、构建参考道过程和压制多次波过程；具体步骤如下：
A.输入数据准备：
A1.对原始地震数据通过常规地震初步处理，得到准确动校正后的道集；
A2.根据数据道头中的CMP号和偏移距，将上述动校正后的道集重排至CMP-偏移距域；
B.参考道构建：对叠前CMP道集做加权叠加，得到高信噪比的参考道；
C.采用虚同相轴方法压制多次波：自上而下依次选取每一层地层w，执行步骤C1～C4：
C1.进行数据切割：记来自地层w的反射波旅行时为tw，将步骤B所述参考道切割成仅包含来自地层w的反射波的数据Rupper(t)和旅行时大于tw的数据Rlower(t)；对叠前CMP道集做相同切割，得到仅包含来自地层w的反射波的数据Gupper(t)和旅行时大于tw的数据Glower(t)；
C2.在叠前CMP道集中，利用Rupper(t)与每道的Glower(t)进行互相关，构建虚同相轴数据Gvir(t)；
C3.利用Gvir(t)褶积Glower(t)，重构得到与地层w有关的层间多次波，作为预测得到的多次波数据；
C4.将步骤C3所述预测得到的多次波数据与叠前CMP道集中的多次波进行匹配，将经匹配后的多次波从叠前CMP道集中减去，即完成该地层的层间多次波的压制；
C5.自上而下依次选取第1至n层地下反射层，执行C1-C4的步骤，完成全部地层的层间多次波的压制。
2.如权利要求1所述所述层间多次波压制方法，其特征是，步骤A2所述将上述动校正后的道集重排至CMP-偏移距域，具体是按照CMP号从小到大排列，相同CMP号的道集按偏移距从小到大排列。
3.如权利要求1所述所述层间多次波压制方法，其特征是，步骤C4所述滤波具体通过文献(吴静,吴志强,胡天跃等.基于构建虚同相轴压制地震层间多次波.地球物理学报.2013,56(3):985–994)记载的多道最小二乘匹配滤波方法，将步骤C3所述预测得到的多次波数据与叠前CMP道集中的多次波做振幅和相位的匹配。
4.如权利要求1所述所述层间多次波压制方法，其特征是，步骤B通过计算叠前道集与参考道间的相似度，将所述相似度作为权重函数用于加权叠加，构建得到参考道。
5.如权利要求4所述所述层间多次波压制方法，其特征是，具体通过式1进行加权叠加得到参考道：
其中，Ti(t)为叠前CMP道集中的第i道；t为旅行时；Wi为第i道记录的权重函数；S(t)为加权叠加得到的参考道；
所述权重函数Wi通过式2表示的相似度确定：
其中，ρXY为X和Y之间的相关系数，即其中E(.)表示求取数学期望，反映两道记录间的相似度；X为叠前CMP道集中的第i道；Y为等权重叠加得到的道集；ε为设置的阈值，当ρXY相似系数小于ε时，将该道的权重置为零。
6.如权利要求1所述所述层间多次波压制方法，其特征是，步骤C2具体通过式3将Rupper(t)与每道的Glower(t)进行互相关，得到虚同相轴数据：
其中，t和τ都表示时间。
7.如权利要求1所述所述层间多次波压制方法，其特征是，步骤C3具体采用式4进行所述褶积，预测得到与地层w1有关的层间多次波：
其中，GIM(t)为预测的层间多次波；t和τ都表示时间。
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