CN109143362A - 基于共散射角道集的散射波分离方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于共散射角道集的散射波分离方法，该方法包括：通过共散射角偏移将数据偏移到散射角域，生成共散射角道集；根据反射波和散射波在共散射角道集中的不同响应特征分离散射波和反射波。通过本发明的方法，能够在分离反射波的前提下，可以很好的保存散射波，从而提高了散射波的识别能力，进而增强了缝洞储层的分辨能力。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，更具体地，涉及地震资料处理范畴的地震偏移成像领域，涉及基于共散射角道集的散射波分离方法。
背景技术
地震散射波总是与小尺度的地质现象相关联，在碳酸盐岩储层中小尺度的缝洞是重要的油气储集空间，使用分离的散射波单独成像有利于这种储集体的识别和勘探。
散射波的研究存在诸多困难，首先散射波的传播不同于反射波，没有明确的方向，表现为较强的发散性，因此，散射波具有以下两个特点，一个是不利于识别，没有明确的同相轴；另一个就是能量不集中，往往被其他强能量的波(如反射波、面波)所压制。因此，国外有学者提出应该将散射波从反射波中分离出来，单独成像研究。
散射波成像包含的范围很广，目前的研究仅仅着眼于规律性较强的绕射波分离成像。传统的绕射波场分离只是在叠后剖面上分离“串珠状”反射，精度和准度受到很大制约。Landa等人于1998年提出了D-section的概念，提出用绕射波来检测局部非均质性。Vermeulen等人于2006提出通过相干异常的方法来分离断点的绕射波。与此同时，Taner等人提出在平面波震源下绕射波场与平面波场的差别，并主张用Radon变换分离绕射波。Landa等人于2008年正式提出了倾角域绕射波场分离的概念。在此基础上白英哲等人又做了大量的研究工作，推导了不同维数下绕射波与反射波的倾角域响应，将倾角域成像推广到三维，并提出了反射波广义Radon谱的概念。在此同时Klokov等人提出了一套新的类Radon变换的倾角域绕射波场分离方法，并开始了对断棱绕射的讨论。总体来说，国内外对于散射波分离成像的研究还很不完善，不论是理论还是应用都有较多的研究空间。
发明内容
本发明提出一种共散射角偏移技术，通过该技术生成共散射角道集，根据反射波和散射波在该道集中的不同响应特征实现散射波和反射波的分离。
根据本发明的一个方面，提供一种基于共散射角道集的散射波分离方法，该方法包括：
通过共散射角偏移将数据偏移到散射角域，生成共散射角道集；
根据反射波和散射波在共散射角道集中的不同响应特征分离散射波和反射波。
进一步地，通过以下公式生成共散射角道集：
其中，G表示共散射角道集，是散射入射角，是散射反射角，是空间坐标，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，t是时间，tmax是最大传播时间，Smin和Smax最小和最大炮号，σ是小的实数。
进一步地，通过波动方程形成波场传播系统，计算正传波场和反传波场：
其中，PD是正传波场，PU是反传波场，S是震源函数，D是观测数据，c是传播速度，z是成像深度。
进一步地，根据正传波场和反传波场求取正传波场和反传波场的坡印廷矢量，
其中，和是正传波场和反传波场的坡印廷矢量。
可选地，通过傅里叶变换法求取正传波场和反传波场的波数，傅里叶变换为：
其中，FT[·]表示傅里叶变换，和分别表示正传波场和反传波场的傅里叶变换，(x,y,z)表空间坐标，(kSx,kSy,kSz)和(kRx,kRy,kRz)分别表示正传波场和反传波场的波数。
进一步地，通过以下公式求取散射角：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，kSx、kSy和kSz分别为入射射线方向的三个分量，kRx、kRy和kRz分别为反射射线方向的三个分量。
可选地，将傅里叶变换后的波场和重排到散射角域，得到和将重排后的波场变换回空间域得到带有角度信息的空间波场：
进一步地，利用反褶积成像条件作为保幅成像条件进行扩展，引入带有角度的波场进行成像，生成所述共散射角道集，反褶积成像条件表达式为：
其中，I是像，PD和PU分别是正传波场和反传波场。
进一步地，通过入射反射线共面，分布于法线两侧，并且入射角等于反射角三个判别准则，获得切除角度，通过沿所述切除角度进行切除，实现消除反射波，保留散射波。
进一步地，利用三个判别准则，获得切除角度包括：
1)入射反射线和法线共面，有：
2)入射角等于反射角，有：
cosθs cosθd+sinθs sinθd cos(φs-φd)
＝cosθr cosθd+sinθr sinθd cos(φr-φd)
3)入射角和反射角位于法线两侧，有：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，θd和φd分别是界面倾角和倾角方位角。
本方法提出了一种散射角域成像的概念，发明了共散射角偏移成像技术以及基于共散射角道集的散射波分离技术。通过本发明，将原本混叠在一起的反射波和散射波分离。由于散射波与碳酸盐岩缝洞储层有着紧密的联系，因此，本方法分离出的散射波成像结果对于这种缝洞储层的识别和发现有着重要意义，进而对碳酸盐岩的油气勘探有着积极的作用。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为散射波和反射波的形成机理和传播模式的不同示意图。
图2为散射波和反射波在入射角和反射角上的区别示意图。
图3为三维空间散射角定义角度关系示意图。
图4为成像点处的矢量关系图。
图5为单个水平平面在倾角域的响应图。
图6为图5所示响应曲面的平面灰度图。
图7为单一散射点在倾角域的响应图。
图8为包含异常散射体的速度模型。
图9为图8所示模型的两个正演单炮。
图10(a)-10(d)为图8所示模型散射波和全波场剖面和道集的对比图。
图11(a)-11(c)为图8所示模型中心位置(x＝3000m)的共散射角道集。
图12为断点散射模型。
图13(a)-13(d)为图12所示模型散射波和全波场剖面和道集的对比图。
图14(a)-14(d)为中国西部典型缝洞储层模型。
图15(a)-15(j)为图14所示模型散射波和全波场剖面的对比图。
图16为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
中国西部塔里木盆地油气资源丰富，其中碳酸盐岩缝洞型储层是最主要的油气目标区。但由于这类储层反射结构复杂，小尺度非均质体(溶洞)与断裂发育，表现在地震响应上就是波场特征非常复杂。碳酸盐岩发育区的小裂缝和小溶洞，其尺度小于或是等于地震波的波长，是地下的主要散射源，当地震波传播到这类散射源的时候不会遵循反射定律，而是发生向四面八方传播的散射现象。因此，用单一的反射理论或基于反射波的成像技术，很难得到理想的缝洞成像结果。
散射波成像方法基于散射理论，可以对四面八方传播的波进行聚焦，有利于散射波的分离成像，有助于对于小尺度非均质体的识别，也就是碳酸盐岩溶蚀孔洞的识别，有利于碳酸盐岩缝洞型储层的勘探开发和增储上产的需求。在东部探区，断块油藏是主要的勘探目标，断棱往往会产生大量的散射波，传统成像方法往往不能很好的利用散射波，导致断点成像不清晰，而使用散射波成像技术可以有效的使断点成像，甚至可以分离断面波，这对于东部断块油藏的勘探开发也有很大帮助。因此，研究开发与蔽油气藏、岩性油气藏和天然气勘探相适应的散射波分离成像技术，对于进一步降低勘探成本、提高新老油田的油气采收率，以及保障我国油气工业的可持续发展等都具有重要意义。
根据本发明的一个方面，提供一种基于共散射角道集的散射波分离方法，该方法包括：
通过共散射角偏移将数据偏移到散射角域，生成共散射角道集；
根据反射波和散射波在共散射角道集中的不同响应特征分离散射波和反射波。
共散射角偏移的作用是将数据偏移到散射角域，形成共散射角道集。其核心内容是散射角的求取。
要实现共散射角偏移成像，就要在现今的共反射角成像的基础上进行扩展。同场的共反射角偏移中的反射角定义为入射射线和反射射线的夹角的一半，也就是总是假设入射角等于反射角，这对于反射的情况是合理的，但是对于散射的情况，入射波入射后会像四周发散(如图1所示)，也就没有反射界面的概念，而且散射现象也不会满足反射定律。在这种情况下，必须对原有的反射角的概念进行扩展，不再要求入射角等于反射角(如图2所示)，定义更为广义的散射角的概念。
首先定义虚拟散射界面，这是一个人为指定的参考平面，不要求符合反射定律，然后可以定义入射射线和反射射线同这个面的法线的夹角，定义为散射入射角和散射反射角。在三维情况下，还要指定一个虚拟散射界面上的切向量作为方位角的基准，散射入射方位角和散射反射方位角可以通过入射射线和反射射线在虚拟散射界面上的投影和指定切向量的夹角(如图3所示)。
有了上述定义，可以计算散射角。对应的几何关系如图4所示，虚拟散射界面M的法向量和切向量分别为和，入射射线方向和反射射线方向分别为和，根据定义和向量几何关系，可以推导出散射角θ和散射方位角φ的表达式：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角。为了方便起见，可以选择坐标轴作为需要的法向量和切向量，例如选取坐标轴z轴作为，坐标轴x轴作为，则(1)式可以化简为：
其中，kSx、kSy和kSz分别为入射射线方向的三个分量，kRx、kRy和kRz分别为反射射线方向的三个分量。
通过上述定义，可以推导不同地质体在共散射角域的响应。当反射界面是一个水平平面z＝z0时，可以得出其在散射角域的响应为：
其中，z0是反射界面的真实深度，z是响应深度，θs和θr分别表示散射入射角和散射反射角，通过这个响应公式可以绘制响应图像，如图5所示，这个响应曲面是一个复杂曲面，这个曲面有一个水平的底部，这个底部就是z＝z0平面。将这张曲面用平面图显示，如图6所示，通过这张图可以看出曲面底部是一条直线，这条直线的表达式是θr+θs＝0，也就是说散射入射角和散射反射大小相等方向相反，对于水平平面来说，正好满足反射定律，也就是说反射界面的散射角域响应是一个复杂曲面，曲面的底部指示其真实深度，曲面的底部为一条直线，这条直线上的角度关系满足反射定律。再来看一个散射点的情况，当存在一个散射点位于(x0,z0)，则当我们在这个点正上方观测时，即x＝x0，可以得出：
其中，z0是反射界面的真实深度，z是响应深度。可以看出，在散射点正上方观测的散射角域响应是一张水平平面(如图7所示)，指示着散射点的真实深度。这个响应与散射角无关，证明了散射波的发散性，以及各个散射角的等价性。相比于反射响应在z＝z0平面的窄带分布，散射响应在z＝z0平面全平面分布，这是两者的重要区分。
共散射角偏移的作用是将数据偏移到散射角域，形成共散射角道集。其核心内容是波场延拓过程中的散射角求取。地震偏移通过波动方程形成波场传播系统：
其中，PD是正传波场，PU是反传波场，S是震源函数，D是观测数据，c是传播速度，z是成像深度，通过上述公式可以计算出正传和反传波场，但是计算出的波场只有空间信息，没有角度信息，计算角度信息有两种常用的手段，一个是坡印廷矢量，一个是傅里叶变换法。
方法一：坡印廷矢量法
通过计算空间导数
其中，和是正传波场和反传波场的坡印廷矢量，PD和PU分别是正传波场和反传波场。通过计算坡印廷矢量，将波场的传播信息转化成了带有角度信息的数据，再根据式(1)或式(2)计算散射角和散射方位角，就完成了波传播中的散射角计算。这种方法的优点是简单快捷，但缺点是对于交叉同相轴不能很好的区分。
方法二：傅里叶变换法
傅里叶变换的本质是将波场用不同成分的平面波进行分解，其空间波数的物理意义就是传播方向，傅里叶变换可以表示为：
其中，PD和PU分别是正传波场和反传波场，FT[·]表示傅里叶变换，和分别表示正传波场和反传波场的傅里叶变换，(x,y,z)表空间坐标，(kSx,kSy,kSz)和(kRx,kRy,kRz)分别表示正传波场和反传波场的波数。通过傅里叶变换得到了表示波传播方向的波数信息，再通过式(1)或式(2)计算散射角和散射方位角，并将变换后的波场和重排到散射角域，得到和将重排后的波场变换回空间域
就得到了带有角度信息的空间波场。这种方法对角度的计算比较精准，不会产生交叉区域的混叠现象，但是计算效率较低，内存开销大。实际应用中可以根据波场的复杂程度来选择上述两种方法。
成像条件是地震成像的重要问题，成像的保幅与否很大程度上取决于成像条件的好坏。目前的公认的保幅成像条件是反褶积成像条件，其表达式为：
其中，I是像，PD和PU分别是正传波场和反传波场，是空间坐标，t是时间，tmax是最大传播时间，Smin和Smax最小和最大炮号，σ是一个小的实数，用来防止除零错误。对这个成像条件进行扩展，引入带有角度的波场进行成像，从而得到：
其中，G表示共散射角道集，是计算出的散射入射角，是散射反射角。通过上式，就可以实现散射角域的保幅成像，并生成共散射角道集。
本研究采用图像处理中的结构张量算法来计算反射点处的局部线性与局部地层倾角。
设I为二维地震图像，二维图像I中表示空间方向信息的结构张量由图像梯度值定义，结构张量表示区域的变化方向和沿变化方向的变化量大小，地震地层纹理和断层纹理由局部各点方位信息变化关系确定。引入Gaussian函数模糊局部细节，使得结构张量突出显示区域内信号的复杂性。对二维图像，结构张量是一个2*2的矩阵：
其中，gx与gy代表地震图像沿水平方向和垂直方向的梯度，＜·＞代表二维高斯光滑滤波。针对半正定矩阵G，特征值与特征向量可由求解|G-λI|＝0得到：
λ1：最大特征值，张量能量在第一个特征张量方向v1的能量。
λ2：最小特征值，张量能量在第二个特征张量方向v2的能量。
(λ1-λ2)/λ1：线性度，反映局部方向的一致性。
特征向量描述了图像局部线性结构的方向性，针对图像的每个点，特征向量v1正交于图像的主结构方向，特征向量v2平行于图像的主结构方向。
因此，根据结构张量算法的物理意义，可以计算得到图像中任一点的局部线性性指标(λ1-λ2)/λ1与局部图像法向(即地层局部倾角方向)单位方向向量v1。值得注意的是，结构张量算法能适应低信噪比地震数据，因此，能用于稳健地拾取地下反射点与局部地层倾角。
通过之前的分析可知，散射波和反射波在散射角域的响应的区别是在其真深度平面上的能量分布范围不同，反射波是窄带分布，散射波是全平面分布。由于偏移过程中的叠加会抵消真深度以外的能量，因此，只要将真深度上窄带分布的反射能量进行压制就可以消除反射能量。反射波的窄带能量集中在满足反射定律的位置，因此只要将满足反射定律的位置计算出来就可以，在三维情况下，反射定律可以描述成：入射反射线共面分布于法线两侧，并且入射角等于反射角。由此可以得出三个标准：
1)入射反射线和法线共面，有：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，θd和φd分别是界面倾角和倾角方位角。
2)入射角等于反射角，有：
cosθs cosθd+sinθs sinθd cos(φs-φd)
＝cosθr cosθd+sinθr sinθd cos(φr-φd) (14)
3)入射角和反射角位于法线两侧，有
通过上述3个判别准则，可以获得合适的切除角度，通过沿这些角度进行切除就可以消除反射同相轴，保留散射波。
实施例
为了更好地理解本发明的方法，结合附图描述本发明的一个实施例。
图8是模拟溶洞地质现象设计的模型，其中包含直径为10m、20m、30m、40m以及50m不同尺度散射体，共有两个主要层，自上而下速度分别为3000m/s、4000m/s，散射体速度为2000m/s。这个模型的采集方式采用中间放炮，共采集151炮，每炮道数601，炮间距40m，检波点距10m，网格大小纵向和横向均为10m。正演的单炮记录如图9所示。
图10是散射波分离前后效果对比图，图10(a)为全波场剖面，图10(b)为散射波剖面，通过对比可以看出，在散射剖面上反射同相轴消除的比较干净，散射波能量几乎没有损失，通过道集对比(图10(c)全波场(d)散射波)，也可以看出本方法可以有效的消除反射波，保护散射波。
图11是中间散射点正上方观测的一个散射角道集，图11(a)是道集的完整显示，图11(b)和(c)分别是深度2000m和3000m的切片。整个道集与之前推导的散射角域响应是吻合的，反射波的散射角域响应是复杂曲面，散射波的响应是水平平面，通过切片可以看出，在真深度的位置上，反射波的能量窄带分布，集中于满足反射定律的45度线附近，而散射能量宽带分布
图12是断点散射模型，改模型包含三个层，其速度自上而下分别为1000m/s、2000m/s和3000m/s。模型的中部有一个直立断层，这个断层形成了一上一下两个断点。正演采用中间放炮的观测方式，共正演101炮，每炮401道，炮间距40m，检波点距10m，网格大小纵向和横向均为10m。
图13(a)和图13(b)分别是全波场和散射波成像结果对比图，从中可以看出，散射剖面上连续的反射能量已经被去除，只留下两个清晰的断点，这对断点的识别和区分有很大帮助。再对比道集(图13(c)全波场和图13(c)散射波)，在全波场道集上，散射和反射并不能区分，均表现为水平同相轴。当分离后，散射能量可以有效识别。
塔里木盆地是油气主力探区，也是缝洞储层发育的探区，这种储层往往伴随有强烈的散射波。因此，有必要建模讨论该区的问题。按照塔里木的实际情况并进行抽象，建立三维模型如图14所示，模型上部有几个低幅构造，在4000m深度下存在缝洞储层，缝洞储层的规模不同，距离上覆界面的距离也不相同，具体参数见图14(c)和图14(d)。
对上述模型实施散射波分离技术，取得结果如图15所示。通过对比可以看出，散射分离技术有效的去除了反射波，保护了散射波能量。对于小尺度的弱反射，尤其是有上覆界面反射能量压制的时候，散射波往往不能识别，但分离反射波后，散射波可以很好的保存，从而提高了散射波的识别能力，进而增强了缝洞储层的分辨能力。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种基于共散射角道集的散射波分离方法，其特征在于，该方法包括：
通过共散射角偏移将数据偏移到散射角域，生成共散射角道集；
根据反射波和散射波在共散射角道集中的不同响应特征分离散射波和反射波。
2.如权利要求1所述的散射波分离方法，其特征在于，通过以下公式生成共散射角道集：
其中，G表示共散射角道集，是散射入射角，是散射反射角，是空间坐标，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，t是时间，tmax是最大传播时间，Smin和Smax最小和最大炮号，σ是小的实数。
3.如权利要求2所述的散射波分离方法，其特征在于，通过波动方程形成波场传播系统，计算正传波场和反传波场：
其中，PD是正传波场，PU是反传波场，S是震源函数，D是观测数据，c是传播速度，z是成像深度。
4.如权利要求3所述的散射波分离方法，其特征在于，根据正传波场和反传波场求取正传波场和反传波场的坡印廷矢量，
其中，和是正传波场和反传波场的坡印廷矢量。
5.如权利要求3所述的散射波分离方法，其特征在于，通过傅里叶变换法求取正传波场和反传波场的波数，傅里叶变换为：
其中，FT[·]表示傅里叶变换，和分别表示正传波场和反传波场的傅里叶变换，(x,y,z)表空间坐标，(kSx,kSy,kSz)和(kRx,kRy,kRz)分别表示正传波场和反传波场的波数。
6.如权利要求4或5所述的散射波分离方法，其特征在于，通过以下公式求取散射角：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，kSx、kSy和kSz分别为入射射线方向的三个分量，kRx、kRy和kRz分别为反射射线方向的三个分量。
7.如权利要求6所述的散射波分离方法，其特征在于，将傅里叶变换后的波场和重排到散射角域，得到和将重排后的波场变换回空间域得到带有角度信息的空间波场：
8.如权利要求2所述的散射波分离方法，其特征在于，利用反褶积成像条件作为保幅成像条件进行扩展，引入带有角度的波场进行成像，生成所述共散射角道集，反褶积成像条件表达式为：
其中，I是像，PD和PU分别是正传波场和反传波场。
9.如权利要求1所述的散射波分离方法，其特征在于，通过入射反射线共面，分布于法线两侧，并且入射角等于反射角三个判别准则，获得切除角度，通过沿所述切除角度进行切除，实现消除反射波，保留散射波。
10.如权利要求9所述的散射波分离方法，其特征在于，利用三个判别准则，获得切除角度包括：
1)入射反射线和法线共面，有：
2)入射角等于反射角，有：
cosθs cosθd+sinθs sinθd cos(φs-φd)
＝cosθr cosθd+sinθr sinθd cos(φr-φd)
3)入射角和反射角位于法线两侧，有：
其中，θs和φs分别为散射入射角和散射入射方位角，θr和φr分别为散射反射角和散射反射方位角，θd和φd分别是界面倾角和倾角方位角。
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