CN110261905B - 基于倾角控制的复值相干微断层识别方法 - Google Patents

基于倾角控制的复值相干微断层识别方法 Download PDF

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CN110261905B CN201910572782.9A CN201910572782A CN110261905B CN 110261905 B CN110261905 B CN 110261905B CN 201910572782 A CN201910572782 A CN 201910572782A CN 110261905 B CN110261905 B CN 110261905B
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Abstract

本发明提供一种基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，该基于倾角控制的复值相干微断层识别方法包括：步骤1，对原始地震记录应用地层倾角公式，得到地层倾角数据；步骤2，使用局部复值相关算子处理模型道数据体，计算并输出相关系数体和相移数据；步骤3，使用相关系数数据和倾角数据，计算并输出沿倾角约束的相关系数数据；步骤4，通过对比相关系数属性变化特征，研究和分析地质目标‑微断层的地震信号响应特征。该基于倾角控制的复值相干微断层识别方法不依赖在倾角扫描等复杂运算，便可以同时提供用于相干分析的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，显示出比传统相干算法更高效。

Description

基于倾角控制的复值相干微断层识别方法
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种基于倾角控制的复值相干微断层识别方法。
背景技术
由于前期处理技术的限制和地质任务要求的局限性，低序级断层在早期并不是研究的重点，随着开发程度的加大，低序级断层识别显得尤为重要，它影响着油藏边界的识别和储量计算等，然而目前的地震资料低序级断层成像并不是很好，也没有进行精细刻画，常因地震资料的断面不清晰、断点不干脆和噪声较重而造成解释或预测结果的错误，难以满足精细解释需求，因此需要研究提高断层识别度的处理技术，增强低序级断层的识别能力。
针对我国东部高勘探程度的陆相盆地，地层、岩性、复杂潜山等隐蔽油气藏比例已经达到80％以上，勘探难度越来越大，这其中复杂的低序级断层识别是重要工作之一。对于低序级断层的勘探难点，主要是断面不清晰、断层多解性强，小断层识别不准困难等，因此提高地震资料本身断层刻画能力尤为关键。当微断层边界不清晰不易识别时，又如何进行有效描述呢？
目前工业界普遍采用基于实信号的C1～C3相干算法进行地震信号边缘检测，需要进行相似性扫描或迭代求解等复杂计算，且只能提供单一的相关系数属性。近年来，国内许多学者在C1～C3算法的基础上进行了许多改进工作，如结合小波多尺度分析、地层倾向和方位特征、高阶统计量、倾角扫描以及波达方向估计聚焦成像技术等进行地震信号边缘检测，但很少有学者关注从复地震道出发，利用复值相关的思想去提取相干体和相移属性。在国外，Taner等首先提出了复地震道互相关算法，并讨论了相关振幅与信号能量比和相似性之间的关系；Doherty等利用复值自相关法计算瞬时频率和地层倾角；Marfurt利用复地震道稳定地估计了三维地震数据的倾角和方位角，并且提出了分窗口复值协方差的概念。在文献的基础上，Browaeys利用复地震道瞬时相位，提出了局部复值相关算法，可计算相邻两地震道之间的局部相关系数和相移值。该算法较简洁，回避了传统地震相干类算法的相似性扫描、倾角扫描或迭代求解等复杂运算，但只介绍了二维地震数据单道局部复值相关算法，并未进一步分析存在的问题和三维算法。
也有学者从复地震道出发，利用复值相关的思想去提取相干体和相移属性，但一般算法较简洁，多用二维地震数据单道局部复值相关算法，并未进一步分析存在的问题，其三维算法回避了传统地震相干类算法的相似性扫描、倾角扫描或迭代求解等复杂运算，没有解决倾斜地层中断裂准确追踪识别的难题。因为实际地质目标体往往存在一定倾角和方位角，在以数据驱动为特点的属性计算、层位自动追踪、断层自动检测中，如果不考虑实际地层的倾角和方位角，计算或追踪的精度可能会受到严重影响，甚至产生错误的结果.只有沿地层反射倾角方向进行追踪对比或扫描计算，才能获得更加准确的地质目标信息，这个过程即为倾角控制。
为此我们发明了一种新的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以同时提供用于相干分析的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，显示出比传统相干算法更高效的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，该基于倾角控制的复值相干微断层识别方法包括：步骤1，对原始地震记录应用地层倾角公式，得到地层倾角数据；步骤2，使用局部复值相关算子处理模型道数据体，计算并输出相关系数体和相移数据；步骤3，使用相关系数数据和倾角数据，计算并输出沿倾角约束的相关系数数据；步骤4，通过对比相关系数属性变化特征，研究和分析地质目标-微断层的地震信号响应特征。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，以复数道分析法为参考，首先从瞬时频率的定义出发：
Figure BDA0002109945410000031
其中：
Figure BDA0002109945410000032
瞬时相位；u(x,t)为地震波形剖面；uH(x,t)为其Hilbert变换；
同理，得到u(x,t)在x方向的波数kx，
公式
Figure BDA0002109945410000033
其中：kx为u(x,t)测线x方向波数；
Figure BDA0002109945410000034
其中：θ为u(x,t)测线x方向视倾角；同理可得测线y方向的视倾角。
在步骤2中，令实地震道s(t)对应的复地震道为
Figure BDA0002109945410000035
其中：h(t)为s(t)的希尔伯特变换；θ(t)为地震信号的瞬时相位；令瞬时相位θ(t)对应的规范化复地震道为
Figure BDA0002109945410000036
为计算局部复值相关，设定一时间长度为T的滑动矩形时窗，则滑动时窗T内的平均瞬时相位
Figure BDA0002109945410000037
满足关系式
Figure BDA0002109945410000038
其中：符号<·>T表示对时间长度为T的滑动矩形时窗内的数据求算术平均；模量R代表时窗内信号Z(T)的强度；则定义该滑动时窗内数据的方差为
Figure BDA0002109945410000039
上角*表示取共轭；由此，定义两复时间序列
Figure BDA0002109945410000041
和
Figure BDA0002109945410000042
在同一滑动时窗T内的零延迟复值相关系数为
Figure BDA0002109945410000043
其中φ∈(-π，π]是第k道信号相对第j道信号在该滑动时窗内的平均相移量；以复值相关系数ρ的模量|р|≤1作为相关系数，且有
Figure BDA0002109945410000044
为了更好地刻画小断距断层和小倾角地层的相移属性，保持地层倾斜程度(视倾角)同相移值的一一对应关系，需要将φ变换到第Ⅰ、Ⅳ象限，即使得φ在角度域满足|φ|<90°，其变换公式为
φ＝arctan[tan(φ)]×180°/π (10)
显然，当两信号完全不相关时，其相关系数|ρ|→0，相对相移φ是一个未定数，不代表相邻两道之间的地层接触关系；反之，当两个形态相同的信号只存在时移时，即瞬时相位只差一个常数φd＝θk－θj，代表平行倾斜地层，得到
Figure BDA0002109945410000045
Rk＝Rj
Figure BDA0002109945410000046
则相关系数|ρ|→0，相对相移为φ→φd。
在步骤2中，若滑动时窗沿时间轴逐点移动，将求取的相关系数和相移值置于滑动时窗的中心位置，则形成类似于相干体的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，通过对比、解释这两种属性，提高地震解释的准确性和可信度。
在步骤3中，将局部复值相关从单道推广到多道，用相邻多道加权平均形成模型道代替原始道，然后利用相邻模型道求相关替代直接利用原始道求复值相关，根据模型道倾角变化形成新的复值相关，得到与地层倾角变化有关的相移属性；二维地震数据的多道局部复值相关计算公式为：
Figure BDA0002109945410000051
其中：ρi代表第i道位置对应的局部复值相关系数；M为二维数据地震道数；算子ρ(·，·)为式(8)代表的局部复值相关运算；
Figure BDA0002109945410000052
和
Figure BDA0002109945410000053
分别代表第i道位置处的两相邻模型道，即：
Figure BDA0002109945410000054
Figure BDA0002109945410000055
0＜wp，wp-1，…，wo 0＜1，取P＝1或2，P＝1代表三相邻道局部复值相关，P＝2代表五相邻道局部复值相关。
在步骤3中，通过计算相邻地震道的互相关函数来反映同相轴的不连续性，这种算法需要有三道参与计算，三维地震数据先分成沿测线方向和垂直测线方向两个方向独立进行，然后按式(8)分别求得沿主测线即Inline方向的相关系数|ρx|和相移φx以及沿联络测线即Crossline方向的相关系数|ρy|和相移φy，然后计算沿视倾角(θx,θy)方向的复相关值pij为
Figure BDA0002109945410000056
pij(i＝1,2....)为第i道的互相关量；(θx,θy)分别为x和y方向上的相邻地震道之间的相移量，
在步骤4中，生成适应地层产状变化的相关系数属性-视倾角约束的复相关值，该值大，表明地层连续性好；该值小，表明地层连续性差，发育有不整合面、断层这些接触关系；遍历整个数据体，生成复相关属性三维数据体，其中每个点都与原三维地震数据体相对应，因此通过该属性体的特征，反映出地质目标-微断层和不整合面的分布特征和发育程度。
本发明中的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，是一种利用相邻地震道的复相关值来表征地层连续性的方法。方法原理上超越了传统相干算法的范畴，引入沿视倾角方向的复相关值来度量地震道的横向变化；在不同计算参数下，计算结果在宏观上趋于一致，表明算法的稳定性，尤其是本算法不依赖在倾角扫描等复杂运算，便可以同时提供用于相干分析的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，显示出比传统相干算法更高效。
附图说明
图1为本发明的一具体实施例中二维数据五道局部复值相关计算过程的示意图；
图2为本发明的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法的一具体实施例的流程图；
图3为本发明的一具体实施例中原始地震Inl ine817方向剖面的示意图；
图4为本发明的一具体实施例中视倾角Inl ine817方向剖面的示意图；
图5为本发明的一具体实施例中时窗长度25个样点，6相邻道生成模型道的示意图；
图6为本发明的一具体实施例中原始相干Inl ine817方向剖面的示意图；
图7为本发明的一具体实施例中基于倾角控制的复值相干Inl ine817方向剖面的示意图；
图8为本发明的一具体实施例中原始复值相干属性切片的示意图；
图9为本发明的一具体实施例中基于倾角控制的复值相干属性切片的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图2所示，图2为本发明的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法的流程图。
步骤101：对原始地震记录应用地层倾角公式，得到地层倾角数据。
本方法以复数道分析法为参考，首先从瞬时频率的定义出发：
Figure BDA0002109945410000071
其中：
Figure BDA0002109945410000072
瞬时相位；u(x,t)为地震波形剖面；uH(x,t)为其Hilbert变换。
同理，我们可以得到u(x,t)在x方向的波数kx，
公式
Figure BDA0002109945410000073
其中：kx为u(x,t)测线x方向波数；
Figure BDA0002109945410000074
其中：θ为u(x,t)测线x方向视倾角。
同理可得测线y方向的视倾角。
步骤102：使用局部复值相关算子处理模型道数据体，计算并输出相关系数体和相移数据。
令实地震道s(t)对应的复地震道为
Figure BDA0002109945410000075
其中：h(t)为s(t)的希尔伯特变换；θ(t)为地震信号的瞬时相位。令瞬时相位θ(t)对应的规范化复地震道为
Figure BDA0002109945410000076
为计算局部复值相关，设定一时间长度为T的滑动矩形时窗，则滑动时窗T内的平均瞬时相位
Figure BDA0002109945410000081
满足关系式
Figure BDA0002109945410000082
其中：符号<·>T表示对时间长度为T的滑动矩形时窗内的数据求算术平均；模量R代表时窗内信号Z(T)的强度。则可定义该滑动时窗内数据的方差为
Figure BDA0002109945410000083
上角*表示取共轭。由此，定义两复时间序列
Figure BDA0002109945410000084
和
Figure BDA0002109945410000085
在同一滑动时窗T内的零延迟复值相关系数为
Figure BDA0002109945410000086
其中φ∈(-π，π]是第k道信号相对第j道信号在该滑动时窗内的(平均)相移量。以复值相关系数ρ的模量|р|≤1作为相关系数，且有
Figure BDA0002109945410000087
为了更好地刻画小断距断层和小倾角地层的相移属性，保持地层倾斜程度(视倾角)同相移值的一一对应关系，需要将φ变换到第Ⅰ、Ⅳ象限，即使得φ在角度域满足|φ|<90°，其变换公式为
φ＝arctan[tan(φ)]×180°/π (10)
显然，当两信号完全不相关时，如随机噪声与确定性光滑信号，其相关系数|ρ|→0，相对相移φ是一个未定数，不代表相邻两道之间的地层接触关系；反之，当两个形态相同的信号只存在时移时，即瞬时相位只差一个常数φd＝θk－θj(代表平行倾斜地层)，可以得到
Figure BDA0002109945410000091
Rk＝Rj
Figure BDA0002109945410000092
则相关系数|ρ|→0，相对相移为φ→φd。此外，若滑动时窗沿时间轴逐点移动，将求取的相关系数和相移值置于滑动时窗的中心位置，则形成类似于相干体的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，通过对比、解释这两种属性，可提高地震解释的准确性和可信度。
步骤103：使用相关系数数据和倾角数据，计算并输出沿倾角约束的相关系数数据。
受多道互相关和C1、C2相干算法思想的启发，本专利将局部复值相关从单道推广到多道，即用相邻多道加权平均形成模型道代替原始道，然后利用相邻模型道求相关替代直接利用原始道求复值相关，根据模型道倾角变化形成新的复值相关(图1)，得到与地层倾角变化有关的相移属性。二维地震数据的多道局部复值相关计算公式为：
Figure BDA0002109945410000093
其中：ρi代表第i道位置对应的局部复值相关系数；M为二维数据地震道数；算子ρ(·，·)为式(8)代表的局部复值相关运算；
Figure BDA0002109945410000096
和
Figure BDA0002109945410000097
分别代表第i道位置处的两相邻模型道，即：
Figure BDA0002109945410000094
Figure BDA0002109945410000095
一般地，0＜wp，wp-1，…，wo 0＜1，通常取P＝1或2，P＝1代表三相邻道局部复值相关，P＝2代表五相邻道局部复值相关。
实际运算中一般通过计算相邻地震道的互相关函数来反映同相轴的不连续性，这种算法需要有三道参与计算,三维地震数据可以先分成Inline和Crossline两个方向独立进行，然后按式(8)分别求得沿主测线(Inline)方向的相关系数|ρx|和相移φx以及沿联络测线(Crossline)方向的相关系数|ρy|和相移φy，然后计算沿视倾角(θx,θy)方向的复相关值pij为
Figure BDA0002109945410000101
pij(i＝1,2....)为第i道的互相关量；(θx,θy)分别为x和y方向上的相邻地震道之间的相移量，
步骤104：通过对比相关系数属性变化特征，研究和分析地质目标-微断层的地震信号响应特征。
由此可生成了一种适应地层产状变化的相关系数属性-视倾角约束的复相关值，该值大，表明地层连续性好；该值小，表明地层连续性差，可能发育有不整合面、断层等接触关系。遍历整个数据体，生成复相关属性三维数据体，其中每个点都与原三维地震数据体相对应，因此可通过该属性体的特征，反映出地质目标-微断层和不整合面的分布特征和发育程度。
以下为应用本发明的一具体实施例。
步骤1：对原始地震记录(图3)应用地层倾角公式(1)到(3)，得到地层倾角数据(图4)。
对原始数据体各道(纵向)进行Hilbert变换，获得正交道，同原数据体各道求瞬时相位，再对瞬时相位求微分得到瞬时频率；
同理以inline方向为例，横向(x向)进行Hilbert变换，按上述相同方法计算计算瞬时波数(注：横向为长度量纲，单位长度内周期数为波数)；
按公式(3)求得x向的视倾角，遍历得x向视倾角数据体；
同理可得y向视倾角数据体。
步骤2：使用局部复值相关算子处理模型道数据体，计算并输出复相关系数体和相移数据，公式(4)到(10)(图5)。
仍按步骤1的相同方法求取各道的瞬时相位；
遍历所有道，按照图1左图的方式，分别取当前道两侧n道(此处n＝4)叠加生成两条等效相邻道；
设定时窗长度(以100ms为例)，时窗纵向同时遍历两相邻道取点，按照公式(8)计算复相关系数和公式(9)计算相移，计算值均归于时窗中点处；
按上述流程遍历数据体，得到复相关系数体和相移数据体。
步骤3：使用相关系数数据和倾角数据，计算并输出沿倾角约束的相关系数数据，公式(11)到(14)(图7)。
取步骤1和步骤2求得的视倾角体、复相关数据体和相移数据体，按照公式(14)计算视倾角约束下的复相干系数体。
步骤4：通过对比相关系数属性变化特征，研究和分析地质目标-不整合和微断层的地震信号响应特征(图7和图9)。
从图6-9对比可以看出，基于倾角控制的复值相干处理对微断裂的识别有较好的效果。
从剖面对比(图6和图7)上看，经过倾角控制的复值相关处理后，剖面信息丰富，构造形态保持不变、信噪比有提升，剖面细节增加；从平面对比(图8和图9)，平面成像效果得到明显改善，某些原始数据上微弱的断裂响应变得更加明显，微断裂的形态更清晰，接触关系更加合理可信。

Claims (4)

1.基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，其特征在于，该基于倾角控制的复值相干微断层识别方法包括：
步骤1，对原始地震记录应用地层倾角公式，得到地层倾角数据；
步骤2，使用局部复值相关算子处理模型道数据体，计算并输出相关系数体和相移数据；
步骤3，使用相关系数数据和倾角数据，计算并输出沿倾角约束的相关系数数据；
步骤4，通过对比相关系数属性变化特征，研究和分析地质目标-微断层的地震信号响应特征；
在步骤2中，令实地震道s(t)对应的复地震道为
Figure FDA0003227348030000011
其中：h(t)为s(t)的希尔伯特变换；i为计算时窗中地震道号；θ(t)为地震信号的瞬时相位；令瞬时相位θ(t)对应的规范化复地震道为
Figure FDA0003227348030000012
为计算局部复值相关，设定一时间长度为T的滑动矩形时窗，则滑动时窗T内的平均瞬时相位
Figure FDA0003227348030000013
满足关系式
Figure FDA0003227348030000014
其中：符号<·>T表示对时间长度为T的滑动矩形时窗内的数据求算术平均；i为计算时窗中地震道号；
Figure FDA0003227348030000021
其中，бk为在定义的时窗内地震k道的方差；бj为在定义的时窗内地震j道的方差；
φ∈(-π，π]是第k道信号相对第j道信号在该滑动时窗内的平均相移量；以复值相关系数ρ的模量|р|≤1作为相关系数，且有
Figure FDA0003227348030000022
θk为地震信号在K道的瞬时相位；θj为地震信号在j道的瞬时相位；Zk为地震信号沿K道的时间序列；Zj为地震信号沿j道的时间序列；
为了更好地刻画小断距断层和小倾角地层的相移属性，保持地层倾斜程度的视倾角同相移值的一一对应关系，需要将φ变换到第Ⅰ、Ⅳ象限，即使得φ在角度域满足|φ|<90°，其变换公式为
φ＝arctan[tan(φ)]×180°/π (10)
显然，当两信号完全不相关时，其相关系数|ρ|→0，相对相移φ是一个未定数，不代表相邻两道之间的地层接触关系；反之，当两个形态相同的信号只存在时移时，即瞬时相位只差一个常数φd＝θk－θj，代表平行倾斜地层，得到
Figure FDA0003227348030000023
Rk＝Rj
Figure FDA0003227348030000024
Rk为地震信号沿K道的强度或者振幅；Rj为地震信号沿j道的强度或者振幅；
Figure FDA0003227348030000031
地震信号沿K道的平均瞬时相位；
Figure FDA0003227348030000032
地震信号沿j道的平均瞬时相位；
则相关系数|ρ|→0，相对相移为φ→φd；
在步骤3中，将局部复值相关从单道推广到多道，用相邻多道加权平均形成模型道代替原始道，然后利用相邻模型道求相关替代直接利用原始道求复值相关，根据模型道倾角变化形成新的复值相关，得到与地层倾角变化有关的相移属性；二维地震数据的多道局部复值相关计算公式为：
Figure FDA0003227348030000033
其中：ρi代表第i道位置对应的局部复值相关系数；M为二维数据地震道数；算子ρ(·，·)为式(8)代表的局部复值相关运算；
Figure FDA0003227348030000034
和
Figure FDA0003227348030000035
分别代表第i道位置处的两相邻模型道，即：
Figure FDA0003227348030000036
Figure FDA0003227348030000037
0＜wp，wp-1，…，wo0＜1，取P＝1或2，P＝1代表三相邻道局部复值相关，P＝2代表五相邻道局部复值相关；
wi+p-j-1为地震信号在i道与p定义的相邻道在(j-1)道处的加权系数值；wi+p-j为地震信号在i道与p定义的相邻道在j道处的加权系数值；wp为地震信号在局部p相邻道的加权系数值；wp-1为地震信号在局部(p-1)相邻道的加权系数值；wo0地震信号在初始计算道的加权系数值；
通过计算相邻地震道的互相关函数来反映同相轴的不连续性，这种算法需要有三道参与计算，三维地震数据先分成沿测线方向和垂直测线方向两个方向独立进行，然后按式(8)分别求得沿主测线即Inline方向的相关系数|ρx|和相移φx以及沿联络测线即Crossline方向的相关系数|ρy|和相移φy，然后计算沿视倾角(θx,θy)方向的复相关值pij为
Figure FDA0003227348030000041
pij为第i道的互相关量，i＝1,2....；θx，θy分别为x和y方向上的相邻地震道之间的相移量。
2.根据权利要求1所述的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，其特征在于，在步骤1中，以复数道分析法为参考，首先从瞬时频率的定义出发：
Figure FDA0003227348030000042
其中：θ(t)为地震信号的瞬时相位；u(x,t)为地震波形剖面；uH(x,t)为其Hilbert变换；
同理，得到u(x,t)在x方向的波数kx，
Figure FDA0003227348030000043
其中：kx为u(x,t)测线x方向波数；
Figure FDA0003227348030000051
其中：θ为u(x,t)测线x方向视倾角；同理可得测线y方向的视倾角；t为地震信号对应的响应时间；ω为公式(2)沿时间域t计算得到的频率。
3.根据权利要求1所述的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，其特征在于，在步骤2中，若滑动时窗沿时间轴逐点移动，将求取的相关系数和相移值置于滑动时窗的中心位置，则形成类似于相干体的相关系数属性和与地层视倾角有关的相移属性，通过对比、解释这两种属性，提高地震解释的准确性和可信度。
4.根据权利要求1所述的基于倾角控制的复值相干微断层识别方法，其特征在于，在步骤4中，生成适应地层产状变化的相关系数属性-视倾角约束的复相关值，该值大，表明地层连续性好；该值小，表明地层连续性差，发育有不整合面、断层这些接触关系；遍历整个数据体，生成复相关属性三维数据体，其中每个点都与原三维地震数据体相对应，因此通过该属性体的特征，反映出地质目标-微断层和不整合面的分布特征和发育程度。
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