CN110596758B - 一种地震信号低频能量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震信号低频能量补偿方法，包括如下步骤：(1)接收震源激发的地震数据中的振幅信息；(2)将步骤(1)得到的振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；(3)基于振幅频谱的频谱特性，确定补偿算子；(4)利用所述补偿算子对步骤(2)中的振幅频谱进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据。本发明还涉及利用上述方法的装置。本发明能够较好的补偿地震信号中的低频信息，其算法稳定性较好，在补偿低频有效信号的同时对其他频段的信号进行有效的保护，同时在补偿时很好的保持了高频信号和低频信号的自然特性。

Description

一种地震信号低频能量补偿方法

技术领域

本发明涉及地震数据处理技术领域，具体涉及一种地震信号低频能量补偿方法。

背景技术

低频信号较高频信号穿透地层的能力更强，利用低频分量最大的潜力之一是改进速度模型，改进的速度模型将有助于高频成像。首先，盐下速度分析需要可识别的叠前信号，叠前数据通常比叠加数据质量差，提高低频信号质量将有助于速度分析。其次，低频有助于在数据质量差的地区识别盐体底部，并有利于在数据质量好的地区得到较好的拾取。再次，一些更具潜力的波动方程反演算法要求有稳定的低频。地震数据经过低频处理并采用低频属性解释后得到的成果与实际钻探的吻合程度更高。

国外主要地球物理服技术服务公司以装备和采集处理技术为核心形成了各自的品牌技术：西方地球物理公司以UniQ和MD技术以及强大的处理解释技术配套形成了其陆上地震勘探特色技术，在复杂区提高成像精度，改善数据品质，获得更精细的储层特征等方面已被广泛应用，CGGVeritas以Sercel508TM仪器和“EmphaSeisTM”等配套技术为核心形成了其陆上地震勘探特色技术系列“Broadband Land”。EmphaSeis陆上宽频采集方案能够获得高分辨率宽频子波，地震波穿透力更强，成像更清晰，改善了单分量和多分量储层特征描述的质量。扫描信号剖面显示出低频能量的细微增大，在振幅谱上可以清楚地看到这些低频成分有助于深层的信号恢复，提高信号的连续性和相干性。

潜山成像常见的采集技术就是调整激发深度，增加药量或组合激发。但是，选取激发深度的标准就是表层调查的速度层，这个标准与激发岩性、激发效果存在一定的误差。因此，国内关于潜山内幕的勘探侧重在低频信息的保护和低频信息的补偿方面，因为低频信息具有较强的穿透能力，能够传播更远的距离，近年来备受重视。

在应用方面，利用低频信息改善膏岩区的地震成像、提高高速玄武岩屏蔽下的界面的成像质量、在江汉平原旧沼湖区应用低频信息弥补了资料的空白区等，对于复杂区和深层目标区的地震勘探，低频信息的作用及重要性已得到了证实。技术发展趋势是低频采集装备的研发和推广应用，如低频可控震源能够获得1.5-96Hz的宽频信号，数据处理中提高低频段数据的信噪比，保护低频信号，获得更宽频的数据，对潜山及其内幕成像极为有利。

CN105116443A公开了一种低频信号的能量补偿方法及装置，该技术以激发子波的振幅谱为基础，生成补偿系数，并利用所述补偿系数和所述原始地震记录子波的振幅谱构建出展宽指数，从而可以利用带修正项的指数展宽补偿算法对所述原始地震记录子波的振幅谱进行补偿，最终得到补偿后的地震记录子波的振幅谱。但该技术对于频率边界的展宽存在局部异常，稳定性较差。

CN 105182405A公开了一种频率域低频补偿扫描信号的设计方法，该技术通过瞬时扫描频率与重锤位移以及泵流量限制关系，设计出低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线；对低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线进行变换，求取低频段可控震源的最佳出力A(f)；给定常规时频曲线f(t)；按照扫描持续时间与震源出力的关系进行补偿，求出各个瞬时频率所对应的时间长度，按照所求取的时间长度对扫描信号的扫描时间进行重新分配，得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)；将上面得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)进行反变换求取时频函数F(t),并将频率域的最佳出力A(f)根据t(f)曲线换算到时间域A(t)；通过对时频函数F(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。该技术主要应用于可控震源数据采集，对于一般的地震信号采集方式不适用。

因此，如何优化算法，在补偿低频有效信号的同时保持高频信号和低频信号的自然特性，以满足低频地震勘探的需求是当前地震勘探中亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地震信号低频能量补偿方法，该方法采用描述非白噪物性的参数，即变形系数来补偿低频成分，对低频补偿的应用效果更自然。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地震信号低频能量补偿方法，包括如下步骤：

(5)接收源激发的地震数据中的振幅信息；

(6)将步骤(1)得到的振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

(7)基于振幅频谱的频谱特性，确定补偿算子；

(8)利用所述补偿算子对步骤(2)中的振幅频谱进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据。

优选地，步骤(3)包括如下步骤：

4)确定振幅频谱的频谱特性；

5)确定补偿算子的取值范围；

6)对补偿算子进行修正处理。

优选地，步骤1)中的频谱特性公式为：

其中，A(w)为频谱，η为变形系数，ω＝2πf，ω为圆频率，f为频率，单位：Hz。

优选地，对η进行筛选，η的绝对值小于1。

优选地，对补偿算子进行修正处理包括，令：

m＝η^k

n＝(1-η)^q

对频谱特性公式进行修正，m替代η，n替代1-η，其中k和q为指数校正参数。

本发明还提供了一种地震信号低频能量补偿装置，包括：

振幅信息获取模块，用于接收源激发的地震数据中的振幅信息；

数据转换模块，用于对振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

补偿算子获取模块，用于确定补偿算子；

数据补偿模块，利用补偿算子对输入数据进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据。

优选地，补偿算子获取模块还包括：

频谱特性获取模块，用于确定振幅频谱的频谱计算；

补偿算子获取模块，用于计算获得补偿算子的取值；

补偿算子修正模块，用于对补偿算子进行修正处理。

本发明提供的一种地震信号低频能量补偿方法及装置，能够较好的补偿地震信号中的低频信息，其算法稳定性较好，在补偿低频有效信号的同时对其他频段的信号进行有效的保护，同时在补偿时很好的保持了高频信号和低频信号的自然特性。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1中测试脉冲在没有低频能量补偿条件下的脉冲图谱；

图1(b)至图1(e)为本发明实施例1在不同补偿参数条件下的脉冲图谱；

图2为本发明实施例1中在不同补偿参数条件下的脉冲振幅谱；

图3(a)为本发明实施例2中合成记录测试在没有低频能量补偿条件下的脉冲图谱；

图3(b)至图3(e)为本发明实施例2在不同补偿参数条件下的脉冲图谱；

图4为本发明实施例2中在不同补偿参数条件下的脉冲振幅谱；

图5(a)为本发明实施例3原始单炮记录图谱；

图5(b)至图5(e)为本发明实施例3在不同补偿参数条件下单炮记录图谱；

图6为本发明实施例3中在不同补偿参数条件下的脉冲振幅谱；

图7为本发明实施例4中补偿前的地震剖面成像示意图；

图8为本发明实施例4中补偿后的地震剖面成像示意图。

具体实施方式

参照说明书附图，本部分详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

一种地震信号低频能量补偿方法，包括如下步骤：

(1)接收源激发的地震数据中的振幅信息；

(2)将步骤(1)得到的振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

(3)基于振幅频谱的频谱特性，确定补偿算子：

在地震数据处理中，通常的假设是地下界面的反射系数是白噪声，当地震子波已知时，通过反褶积处理可获得反射系数序列。但实际生产中往往难以获取地震子波，而真实的一次波反射系数不是白噪的(功率谱不是统计平稳的)，而是有色的，即缺乏低频成分。

因此，可采用一个白噪序列rw(t)和一个非白噪序列rnw(t)的褶积来表示反射系数，即：

r(t)＝r_w(t)*r_nw(t) (1)

r(t)的功率谱的低频端可以用斜坡fⁿ恰当地表示(0.5<n<1.5)，当到达某一特定频率之后功率谱才变成接近平稳。Walden给出一个简单的参数化方法，并证明了单极和单零模型可以满意地拟合一次波反射序列。

描述非白噪物性的参数η可以用标准的技术估计。由于应用了最小延迟表示，因此||η||估值应小于1。这样，r_nw(t)的Z变换可写成：

其中η为变形系数，可以根据地区资料经验地给出。

当反射系数不满足白噪时，常规的脉冲反褶积和预测反褶积都具有一定的缺点，因为此时地震道的自相关不是我们所期望的子波的自相关，而是子波的自相关和反射系数非白噪成份自相关的褶积。无噪声地震道的表达式可写成：

x＝r_w*r_nw*b_t (3)

式中假设子波bt是时间域的子波，是最小相位的。于是，地震道的自相关为：

式中，C^x各为地震道的自相关，

为反射系数非白噪成份自相关，C^b为子波的自相关。

估算的白噪化反褶积算子g为：

用式(5)与式(3)褶积得到：

即输出的反褶积结果只包含了反射系数序列的白噪部分。

根据式(3)和式(5)，经过反褶积后的地震道为：

然后，应用正向算子rnw，得到：

y＝y*r_nw＝r_w*r_nw (6)

这样，得到的结果中既包含了反射系数的白噪成分，也包含了反射系数的非白噪成分。

下一步，确定补偿算子的频率特性公式：

式中，

A(w)为频谱，η为变形系数，ω＝2πf，ω为园频率，f为频率，单位：Hz。

其中ω为圆频率，上式关于ω的一次微分为：

由上式可以看出，选择合适的η值，该算子对低频成分有增强作用。

同时，从式(8)中可以确定，η的绝对值应小于1。

公式(7)中η为单一变量，当η选择不当时，会出现算子不稳定的情况。

进一步地，为了将上述理论更方便地应用于地震记录中的低频成分补偿，获得一个频率特性光滑的短算子，我们将系数η修正，约束算子的不稳定性，令：

m＝η^k

n＝(1-η)^q (10)

对频谱特性公式进行修正，m替代η，n替代1-η。

其中k和q为指数校正参数。根据输入数据中的频率分布情况，选择k和q，能够对低频部分的能量进行补偿，调整k和q，决定了数据中低频补偿的程度。

这样公式(2)(7)(8)中系数η可以通过参数k和q来修正，以便增强补偿算子的稳定性，使得算子的频谱高阶光滑，能够更灵活地调整数据中的频率成分，对低频能量进行适度的补偿。

当k，q>1时,对低频成分的补偿比较温和；

当k，q<1时，对低频的能量补偿较强；

k，q的调整为非线性关系，需要根据输入数据的频率成分，通过试验获得最佳的匹配。

(4)利用所述补偿算子对步骤(2)中的振幅频谱进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据。

本发明还提供了一种地震信号低频能量补偿装置，包括：

振幅信息获取模块，用于接收源激发的地震数据中的振幅信息；

数据转换模块，用于对振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

补偿算子获取模块，用于确定补偿算子；

其中，补偿算子获取模块还包括：

频谱特性获取模块，用于确定振幅频谱的频谱计算；

补偿算子获取模块，用于计算获得补偿算子的取值；

补偿算子修正模块，用于对补偿算子进行修正处理。

数据补偿模块，利用补偿算子对输入数据进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据。

接下来，结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

脉冲测试分析

脉冲测试是验证数学算法正确性最基本的方法。采用本发明上述低频能量补偿方法对脉冲测试结果进行分析，图1(a)为测试的未进行低频能量补偿的脉冲图谱，图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)分别是不同算子的补偿结果图，图2本发明实施例1中在不同补偿参数条件下的脉冲振幅谱。

通过应用本方法，补偿后频谱(图2)的低频能量(特别是20Hz以下)得到明显增强，频谱图上对应的符号分别为(b)(c)(d)(e),低频能量逐渐增强。

实施例2

合成记录测试分析

图3(a)为设计的合成记录，不同频率的能量基本均匀，应用不同参数的算子对合成记录进行低频补偿，结果见图3(b)(c)(d)(e)。图4为对应的振幅谱，对比可知，本方法保留了所设计的反射系数的相对变化规律，补偿了低频成分，突出了界面反射的能量。

通过应用本方法，补偿后频谱的低频能量(图4)(特别是20Hz以下)得到明显增强，频谱图上对应的符号分别为(b)(c)(d)(e),低频能量逐渐增强。

实施例3

原始单炮记录测试

地震勘探在采集过程中，由于检波器和仪器接收的频带范围不是全通的，往往是为了避开面波和强低频干扰，防止记录超调，在低频端设计了限制，一般是缺乏低频能量。而地震反射波波的低频成分具有很强的穿透能力，更有利于潜山面及其潜山内幕的成像。

图5(a)为原始单炮记录，图5(b)(c)(d)(e)为用不同参数对数据进行低频补偿的结果。随着低频成分的丰富，中深层反射波的能量逐渐增强，潜山面及下覆地层的反射特征清晰。图6为原始单炮及低频补偿后数据的振幅谱。分析不同的参数，可见在补偿低频反射波的同时，低频面波的能量也加强，因此通过调整补偿参数，可以获得满意的补偿效果。

通过应用本方法，补偿后频谱的低频能量(图6)(特别是20Hz以下)得到明显增强，频谱图上对应的符号分别为(b)(c)(d)(e),低频能量逐渐增强。

实施例4

地震剖面补偿测试

本发明属于单道处理，可以用于地震数据的叠前和叠后低频补偿，参数选择灵活，应用方便。能够根据基础数据的能量分布特点选择补偿参数，得到补偿算子后应用于全数据。

图7和图8为补偿前后的地震剖面，是偏移结果。补偿前，数据的频带较窄，浅、中、深层的频率基本一致，剖面中深层的波组特征不够突出，信噪比较低；经过低频补偿后，潜山及其内幕的成像特征增强，特别是1.5s以下中层潜山面以下的地层反射波和断面反射波信噪比高，3.5s处的深层界面接触关系清晰，更易于识别和解释。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地震信号低频能量补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)接收震源激发的地震数据中的振幅信息；

(2)将步骤(1)得到的振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

(3)基于振幅频谱的频谱特性，确定补偿算子；

(4)利用所述补偿算子对步骤(2)中的振幅频谱进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据；

步骤(3)包括如下步骤：

1)确定振幅频谱的频谱特性；

2)确定补偿算子的取值范围；

3)对补偿算子进行修正处理；

步骤1)中的频谱特性公式为：

其中，A(w)为频谱，η为变形系数，ω＝2πf，ω为圆频率，f为频率，单位：Hz；

对补偿算子进行修正处理包括，令：

m＝η^k

n＝(1-η)^q

对频谱特性公式进行修正，m替代η，n替代1-η，其中k和q为指数校正参数；根据输入数据中的频率分布情况，选择k和q，能够对低频部分的能量进行补偿，调整k和q，决定了数据中低频补偿的程度。

2.根据权利要求1所述的一种地震信号低频能量补偿方法，其特征在于，对η进行筛选，η的绝对值小于1。

3.一种地震信号低频能量补偿装置，其特征在于，包括：

振幅信息获取模块，用于接收源激发的地震数据中的振幅信息；

数据转换模块，用于对振幅信息进行傅里叶变换，得到振幅频谱；

补偿算子获取模块，用于确定补偿算子；

数据补偿模块，利用补偿算子对输入数据进行褶积处理，得到低频能量补偿后的地震数据；

补偿算子获取模块还包括：

频谱特性获取模块，用于确定振幅频谱的频谱计算；

补偿算子获取模块，用于计算获得补偿算子的取值；

补偿算子修正模块，用于对补偿算子进行修正处理；

频谱特性公式为：

其中，A(w)为频谱，η为变形系数，ω＝2πf，ω为圆频率，f为频率，单位：Hz；

对补偿算子进行修正处理包括，令：

m＝η^k

n＝(1-η)^q

对频谱特性公式进行修正，m替代η，n替代1-η，其中k和q为指数校正参数；根据输入数据中的频率分布情况，选择k和q，能够对低频部分的能量进行补偿，调整k和q，决定了数据中低频补偿的程度。

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