CN109738951B - 一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法，属于地震勘探领域，具体包括以下步骤：首先采用地震同相轴追踪技术获取不同地层对应的同相轴，然后基于该同相轴实现地震同相轴子波谱的提取；对于地震记录中的每一个同相轴，分别利用期望子波谱与所提取同相轴的子波谱生成期望子波谱修正因子，并将同一地震道上不同同相轴的期望子波谱修正因子组合得到整个地震道的反褶积因子，最终基于反褶积因子实现反褶积计算过程。本发明方法可以很好地提取不同地层对应的地震同相轴子波谱，并结合不同地层的特征实现有针对性的反褶积处理，使地震记录分辨率更高，更能适用高分辨率地震勘探的需要，为后续地震勘探的处理及反演解释工作奠定良好的基础。

Description

一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法

技术领域

本发明属于地震勘探领域，具体涉及一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法。

背景技术

在地震资料处理中，反褶积是最常用和最重要的处理方法之一，它可以用于叠前，也可以用于叠后，主要作用是压缩地震子波，将子波与反射系数相分离，由此提高地震资料的纵向分辨率，从而提高资料解释的精度，为油田精细勘探和开发提供处理方法。因此，地震勘探工作者多年来一直致力于改进反褶积处理方法，促使反褶积技术方面得到了较快发展。

目前反褶积的方法有许多种，常规的地震资料的反褶积处理方法有：最小平方反褶积、预测反褶积、子波整形反褶积、同态反褶积、地表一致性反褶积和最小熵反褶积等。其主要思想是主要通过求取或者假设一个与地震资料相符的地震子波，根据该子波计算出它的逆子波，即可求出地层反射系数，相当于震源脉冲经过大地滤波器作用的逆过程。这些反褶积方法在特定条件下简单易行，能够实现地震勘探资料分辨率的提高，但其也存在一定的局限性和缺陷，如现有反褶积方法多假设地震子波已知和地震子波具有时不变特性，即假设浅、深层均为同一子波。而实际上地震子波经过地层衰减后，其在浅层表现为高频，而在深层表现为低频，因此传统的方法无法反映真实的子波变化。

为了提高实际地震资料中的反褶积处理效果，已有学者提出时变反褶积的方法。其主要思想是在地震剖面时间方向上选取不同的时窗，在每一个时窗内认为地震子波是时不变的，这样在时间轴上滑动窗口可以得到一系列的时变地震子波。但该方法仅限于在地震剖面上所划分的不同时窗内进行子波提取和反褶积处理，不能对整个地震道进行综合处理，计算效率低；当地层水平方向变化剧烈时，同一时窗内可能包含多个地层的信息，这种通过在给定时窗内提取地震子波的方法难以有效反映不同地层的子波特性，其难以保证不同地层对应同相轴的反褶积处理效果均令人满意。

为了改善反褶积处理的效果，需要提出能够真正适应地震同相轴时变和空变特性的提取方法，使之能够满足地震反褶积处理的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法。在地震反褶积处理过程中，由于同相轴具有时变和空变的特征，导致基于时窗内进行反褶积处理的方法难以有效反映不同地层的特性。因此可基于地震同相轴追踪技术在叠加速度谱上搜索与同相轴对应的能量团并进行对应同相轴的提取，然后对各个同相轴分别计算其期望子波谱修正因子并插值组合成整个地震道的反褶积因子，最终基于反褶积因子进行反褶积处理，这将是一种行之有效的地震反褶积处理手段。

本发明采取以下技术方案：

一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法，具体步骤如下：

1)设置人工震源产生地震波，在地表上通过检波器接收反射地震波，得到地震记录d(x,t)，其中x表示水平方向偏移距，t表示时间方向；根据公式(1)得到同相加权后的地震记录叠加速度谱

式中，E(v,τ)为地震记录叠加速度谱，n为接收道号，1≤n≤N，N表示总的接收道数；x_n为第n个地震道的水平方向偏移距，b(v,τ)为同相加权因子，τ表示偏移距时，v表示叠加速度；b(v,τ)的计算公式为

式中，λ为表示阶数的整数，λ≥2，且λ的值越大b(v,τ)的分辨率越高；L表示计算时窗内的样点间隔数；C为避免分母为零的常数，通常取值为地震记录平均振幅的0.01～0.001；经(1)式计算后，d(x,t)中叠加速度值v₀、零偏移距时τ₀的双曲线同相轴，将在地震记录叠加速度谱E(v,τ)上形成以(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量；

2)应用叠加能量极值追踪方法求出地震记录叠加速度谱E(v,τ)上以各(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量的分布范围，并搜索出其真实极值点位置，根据该点的坐标(v₀,τ₀)拟合出(x,t)域中的相应同相轴，即其所经各道的旅行时t_n为

利用上式(3)即可追踪出地震记录d(x,t)中的不同时刻的同相轴；

3)对步骤2)中提取出的同相轴，根据各同相轴所经地震道的旅行时t_n，n为道号，则可在各地震道中以t_n为中心截取一个能够包含整个同相轴宽度的短时窗长度l的记录段，即

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，满足0≤t≤l；由于S(n,t)包含的是以t_n为中心的记录段，使得各道记录沿起点位置“对齐”，则其中的目标地震波同相轴呈现为水平状态；

4)根据步骤3)提取的同相轴S(n,t)求出其振幅谱

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，ω为圆频率，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，n为道号；假设反射系数白噪，则通过取平均的方法消除反射系数的影响，进而得到目标同相轴的子波谱，即

其中，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，N表示总的接收道数，W(ω)表示目标同相轴子波谱；基于子波谱中心频率F_m、带宽因子γ、谱白化宽度μ、低频端斜坡因子Ls与高频端斜坡因子Hs参数设计期望子波谱Q(ω)，Q(ω)的表达式为：

式中F_m表示期望子波谱中心频率，F_m的取值不小于浅层同相轴主频；γ表示期望子波谱带宽因子，0≤γ≤1；μ表示期望子波谱的谱白化宽度，0≤μ≤1；Ls表示低频端斜坡因子，0≤Ls≤1；Hs表示高频端斜坡因子，0≤Hs≤1；

利用期望子波谱Q(ω)与目标同相轴的子波谱W(ω)生成期望子波谱修正因子F(ω)，计算表达式为：

式中F(ω)表示期望子波谱修正因子，ε为白噪因子，取期望子波谱Q(ω)平均值的0.01～0.001；

5)利用傅里叶反变换将各同相轴对应的F(ω)变换回时间域，得到多道同相轴记录e(n,t)所对应的时间域期望子波谱修正因子，进而可获得时间域期望子波谱修正因子在原始地震记录中的对应位置，即旅行时满足公式(3)；由于野外地震记录中包含多个同相轴，因此求出各同相轴所对应的期望子波谱修正因子后，在每一个地震接收道上通过插值的方法将各同相轴对应的期望子波谱修正因子进行组合，得到当前地震接收道的各个样点处的反褶积因子最终通过基于反褶积因子的褶积运算实现反褶积计算过程，即

其中d′(x_n,t)为反褶积计算之后的地震记录。

本发明与现有技术相比的有益效果

本发明提出了一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法。由于地下地层介质的非均质性，纵、横向变化，地震子波经过不同地层衰减后，其频率、振幅和相位等特性不尽相同。较现有的反褶积处理技术而言，本发明考虑了不同地层对应的地震子波经过地层衰减和传播距离衰减后动态变化的特性，因此本发明首先采用基于叠加能量极值的地震同相轴追踪技术获取到不同地层的地震同相轴，然后提取出同相轴对应的具有时变和空变特性的地震子波谱；对于地震记录中不同地层的同相轴，分别利用期望子波谱与所提取同相轴的子波谱生成期望子波谱修正因子，在每一个地震接收道上通过插值的方法将各同相轴对应的期望子波谱修正因子进行组合，得到整个地震道的反褶积因子，最终基于该反褶积因子实现反褶积计算过程。与常规时变反褶积处理相比，基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法一方面是对整个地震道的反褶积计算，处理效率高；另一方面通过同相轴追踪方法可以在不同地震道上追踪处同一地层的同相轴并针对不同地层计算期望子波谱修正因子，能够避免常规时窗移动方法在同一地层同相轴水平方向位置变化大时选取混乱的问题。因此本发明实现更为准确的地震反褶积处理，地震记录分辨率更高，更能适用高分辨率地震勘探的需要，从而为后续地震勘探的处理及反演解释工作奠定良好的基础。

附图说明

图1为存在明显吸收衰减的原始地震记录；

图2为原始地震记录的叠加速度谱(图中1、2、3分别表示三个同相轴的叠加能量团)；

图3为采用同相轴追踪技术获得的同相轴(图中1、2、3分别表示追踪的三个同相轴；)；

图4为各个同相轴对应的子波谱(a)为图3中的同相轴1的子波谱，(b)为图3中的同相轴2的子波谱，(c)为图3中的同相轴3的子波谱；

图5为期望子波谱；

图6为基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法处理后的地震记录；

图7为基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法处理后的地震记录振幅谱。

图8为基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法处理后的地震记录振幅谱与原始地震记录各同相轴振幅谱的对比图：图中2、4、6三条线依次对应着图4中(a)、(b)、(c)3条同相轴的子波谱，1、3、5三条子波谱对应图7所示的处理后的地震记录振幅谱；(a)为图4中子波谱(a)与处理后的地震记录振幅谱对比图，(b)为图4中子波谱(b)与处理后的地震记录振幅谱对比图，(c)为图4中子波谱(c)与处理后的地震记录振幅谱对比图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图来对本发明的技术方案作进一步解释，但本发明的保护范围不受任何形式上的限制。

实施例1

地震记录是指在野外通过人工震源来激发产生地震波，地震波向地下传播，遇到地质反射界面后地震波反射向上到达地面，通过地面上布置的检波器接收并由地震记录仪器记录下来所得到的地震数据；本发明提出的一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法，其特征在于首先基于地震同相轴追踪技术获取到不同深度上同一地震同相轴的子波谱并给定期望子波谱，通过后者与前者的比值，建立期望子波谱修正因子，然后将不同同相轴的期望子波谱修正因子组合得到每个地震道的反褶积因子，最终基于反褶积因子实现反褶积计算过程。其具体实施方式如下：

1)在野外设置人工震源，在地面上通过检波器接收反射地震波，获得地震记录d(x,t)，其中x表示水平方向偏移距，t表示时间方向。根据公式(1)得到同相加权后的地震记录叠加速度谱

式中，n为接收道号，1≤n≤N，N表示总的接收道数；x_n为第n个地震道的水平方向偏移距，b(v,τ)为同相加权因子，τ表示偏移距时，v表示叠加速度。b(v,τ)的计算公式为

式中，λ为表示阶数的整数，λ≥2，且λ值越大b(v,τ)的分辨率越高；L表示计算时窗内的样点间隔数；C为避免分母为零的常数，通常取值为地震记录平均振幅的0.01～0.001；经(1)式计算后，d(x,t)中叠加速度值v₀、零偏移距时τ₀的双曲线同相轴，将在谱E(v,τ)上形成以(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量；图1显示的为存在明显吸收衰减的地震记录，图2为与地震记录对应的高分辨率叠加速度谱，其中包含已被追踪到的3个团状结构能量。

2)应用叠加能量极值追踪方法求出谱E(v,τ)上以各(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量的分布范围，并搜索出其真实极值点位置，根据该点的坐标(v₀,τ₀)拟合出(x,t)域中的相应同相轴，即其所经各道的旅行时t_n为

利用上式即可追踪出地震记录d(x,t)中的不同时刻的同相轴；图3为采用同相轴追踪技术获得的同相轴(图中数字1、2、3对应的三条曲线分别标记了3个不同地层的同相轴)。

3)对步骤2)中提取出的同相轴，根据各同相轴所经地震道的旅行时t_n，n为道号，则可在各地震道中以t_n为中心截取一个能够包含整个同相轴宽度的短时窗长度l的记录段，即

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，满足0≤t≤l。由于S(n,t)包含的是以t_n为中心的记录段，使得各道记录沿起点位置“对齐”，则其中的目标地震波同相轴呈现为水平状态。

4)根据提取的同相轴S(n,t)可求出其振幅谱

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，ω为圆频率，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，n为道号；假设反射系数白噪，则可通过取平均的方法消除反射系数的影响，进而得到目标同相轴的子波谱，即

其中，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，N表示总的接收道数，W(ω)表示目标同相轴子波谱；图4展示了利用各同相轴数据创建的子波谱，其中(a)、(b)和(c)依次对应着图3中从上到下3条同相轴。对比图4中(a)、(b)和(c)可知，在吸收衰减作用下，真实的地震子波谱具有时变特性，浅部的同相轴对应着高频的振幅谱，而深层的同相轴则对应着低频的振幅谱。

基于子波谱中心频率、带宽因子、谱白化宽度、低频端斜坡因子与高频端斜坡因子等参数设计期望子波谱Q(ω)，Q(ω)的表达式为：

式中F_m表示期望子波谱中心频率，F_m的取值不小于浅层同相轴主频；γ表示期望子波谱带宽因子，0≤γ≤1；μ表示期望子波谱的谱白化宽度，0≤μ≤1；Ls表示低频端斜坡因子，0≤Ls≤1；Hs表示高频端斜坡因子，0≤Hs≤1；

利用期望子波谱Q(ω)与目标同相轴的子波谱W(ω)生成期望子波谱修正因子F(ω)，计算表达式为：

式中F(ω)表示期望子波谱修正因子，ε为白噪因子，通常取期望子波谱Q(ω)平均值的0.01～0.001；

在图5所示的期望子波谱图中，其中心频率与谱白化宽度分别设为35Hz和0，而带宽因子、低频端斜坡因子、高频段斜坡因子分别为0.75、0.7、0.8，然后根据图5所示的期望子波谱分别计算图4中三条同相轴的期望子波谱修正因子。

5)利用傅里叶反变换将各同相轴对应的F(ω)变换回时间域，得到多道同相轴记录e(n,t)所对应的时间域期望子波谱修正因子，进而可获得时间域期望子波谱修正因子在原始地震记录中的对应位置，即旅行时满足公式(3)。由于野外地震记录中包含多个同相轴，因此求出各同相轴所对应的期望子波谱修正因子后，在每一个地震接收道上通过插值的方法将各同相轴对应的期望子波谱修正因子进行组合，得到当前地震接收道的各个样点处的反褶积因子最终通过基于反褶积因子的褶积运算实现反褶积计算过程，即

其中d′(x_n,t)为反褶积计算之后的地震记录。

以图5为期望子波谱，基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法对图3的地震记录进行处理后地震记录如图6所示。对图6所示的地震记录进行频谱分析得到对应的振幅谱如图7所示，与图5所示的期望子波谱对比可以看出，基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法处理后的地震记录子波谱能够与之相近。图8展示了图4中各同相轴数据创建的子波谱与图7所示振幅谱的对比图，其中2、4、6三条线依次对应着图4中(a)、(b)、(c)3条同相轴的子波谱，1、3、5三条子波谱对应图7所示振幅谱。与原始同相轴子波谱相比，经本发明方法处理后，地震记录中同相轴的振幅谱带宽明显增大，由此说明处理之后的地震记录分辨率更高，更能适用高分辨率地震勘探的需要。因此本发明所述的方法能够针对不同地层的频率特征变化实现更为准确的地震反褶积处理。

Claims (1)

1.一种基于地震同相轴子波谱的时变反褶积方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

1)设置人工震源产生地震波，在地表上通过检波器接收反射地震波，得到地震记录d(x,t)，其中x表示水平方向偏移距，t表示旅行时；根据公式(1)得到同相加权后的地震记录叠加速度谱

式中，E(v,τ)为地震记录叠加速度谱，n为接收道号，1≤n≤N，N表示总的接收道数；x_n为第n个地震道的水平方向偏移距，b(v,τ)为同相加权因子，τ表示偏移距时，v表示叠加速度；b(v,τ)的计算公式为

式中，λ为表示阶数的整数，λ≥2，且λ的值越大b(v,τ)的分辨率越高；L表示计算时窗内的样点间隔数；C为避免分母为零的常数，取值为地震记录平均振幅的0.01～0.001；经(1)式计算后，d(x,t)中叠加速度值v₀、零偏移距时τ₀的双曲线同相轴，将在地震记录叠加速度谱E(v,τ)上形成以(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量；

2)应用叠加能量极值追踪方法求出地震记录叠加速度谱E(v,τ)上以各(v₀,τ₀)为中心极值的团状结构能量的分布范围，并搜索出其真实极值点位置，根据该点的坐标(v₀,τ₀)拟合出(x,t)域中的相应同相轴，即其所经各道的旅行时t_n为

利用上式(3)即能够追踪出地震记录d(x,t)中的不同时刻的同相轴；

3)对步骤2)中提取出的同相轴，根据各同相轴所经地震道的旅行时t_n，n为道号，则在各地震道中以t_n为中心截取一个能够包含整个同相轴宽度的短时窗长度l的记录段，即

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，满足0≤t≤l；由于S(n,t)包含的是以t_n为中心的记录段，使得各道记录沿起点位置“对齐”，则其中的目标地震波同相轴呈现为水平状态；

4)根据步骤3)提取的多道同相轴记录S(n,t)求出其振幅谱

其中，S(n,t)表示多道同相轴记录，t为旅行时，ω为圆频率，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，n为道号；假设反射系数是白噪序列，则通过取平均的方法消除反射系数的影响，进而得到目标同相轴的子波谱，即

其中，A(n,ω)表示同相轴的振幅谱，N表示总的接收道数，W(ω)表示目标同相轴子波谱；基于包括子波谱中心频率F_m、带宽因子γ、谱白化宽度μ、低频端斜坡因子Ls与高频端斜坡因子Hs在内的参数设计期望子波谱Q(ω)，Q(ω)的表达式为：

式中F_m表示期望子波谱中心频率，F_m的取值不小于浅层同相轴主频；γ表示期望子波谱带宽因子，0≤γ≤1；μ表示期望子波谱的谱白化宽度，0≤μ≤1；Ls表示低频端斜坡因子，0≤Ls≤1；Hs表示高频端斜坡因子，0≤Hs≤1；

利用期望子波谱Q(ω)与目标同相轴的子波谱W(ω)生成期望子波谱修正因子，计算表达式为：

式中ε为白噪因子，取期望子波谱Q(ω)平均值的0.01～0.001；

5)利用傅里叶反变换将各同相轴对应的F(ω)变换回时间域，得到多道同相轴记录e(n,t)所对应的时间域期望子波谱修正因子，进而获得时间域期望子波谱修正因子在原始地震记录中的对应位置，即旅行时满足公式(3)；由于野外地震记录中包含多个同相轴，因此求出各同相轴所对应的期望子波谱修正因子后，在每一个地震接收道上通过插值的方法将各同相轴对应的期望子波谱修正因子进行组合，得到当前地震接收道的各个样点处的反褶积因子最终通过基于反褶积因子的褶积运算实现反褶积计算过程，即

其中d′(x_n,t)为反褶积计算之后的地震记录。