CN110879415B - 一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及系统，该方法包括：通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；对震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；并结合预设的成像条件得到成像值。该系统包括：波场构建单元，用于通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；波场分解单元，用于通过波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；成像单元，用于利用上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值。本发明可有效避免因互相关造成的低波数噪声污染，利于成像质量的提高。
Description
技术领域
本发明属于地震资料叠前深度偏移成像技术领域，具体涉及一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及系统。
背景技术
逆时偏移是基于双程波动方程理论发展起来的一种叠前偏移成像技术，其不局限于高频近似，不受倾角限制，能够实现诸如反射波、绕射波、回转波、棱柱波等多种波型的偏移归位，适应于复杂构造的偏移成像。
然而，目前大多数逆时偏移算子均基于理想的各向同性介质假设，不能有效解决因实际地下介质粘滞特性造成的地震波振幅衰减和相位畸变等问题；此外，当采用互相关类成像条件时，常规逆时偏移成像遭受严重的低波数噪声污染，不利于复杂构造的精细刻画。
随着勘探技术的发展，业界对成像质量的重视化程度越来越高。针对常规逆时偏移无法有效解决实际地下介质粘滞特性引发的地震波振幅衰减和相位畸变问题以及常规互相关成像条件导致的低波数噪音污染问题亟待解决。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及系统，其借助解耦的分数阶粘声控制方程，实现了振幅特性和相位特性解耦表征，同时克服了传统分数阶粘声控制方程计算分数阶导数项所需的大量内存问题。另一方面，借助希尔伯特变换，实现了震源波场和检波波场的上下行波分解，可优选源检波场上下行波实现互相关成像，克服了传统逆时偏移因采用常规互相关成像条件引入低波数噪音污染的问题。
本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法，包括：
S1、通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；
S2、对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；
S3、利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值。
在本发明的一个实施例中，所述分数阶粘声波动方程，
其中，x＝(x,y,z)为坐标矢量，p为压力值，b1和b2为控制参数；
将b1和b2均设置为1，得到所述震源波场；
将b1设置为1，b2均设置为-1，得到所述检波波场。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中通过引入希尔伯特变换，实现对所述震源波场和检波波场的波场分解。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中，所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值，Ht和Hz分别表示时间方向和空间方向的希尔伯特变换。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S3的成像值为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值。
本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移系统，包括：
波场构建单元，用于通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；
波场分解单元，与所述波场构建单元相连，用于对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；
成像单元，与所述波场分解单元相连，用于利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值。
在本发明的一个实施例中，所述分数阶粘声波动方程，
其中，x＝(x,y,z)为坐标矢量，p为压力值，b1和b2为控制参数；
将b1和b2均设置为1，得到所述震源波场；
将b1设置为1，b2均设置为-1，得到所述检波波场。
在本发明的一个实施例中，所波场分解单元通过引入希尔伯特变换，实现对所述震源波场和检波波场的波场分解，获取所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值，Ht和Hz分别表示时间方向和空间方向的希尔伯特变换。
在本发明的一个实施例中，所述成像值为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值。
本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例中基于波场分解的粘声逆时偏移方法中的步骤。
本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及系统、计算机存储介质，基于振幅和频散特性显式表征的分数阶粘声波动方程，分别构建震源波场和检波波场，并借助希尔伯特变换，实现源检上下行波分解，随后利用归一化互相关实现成像过程。本发明所介绍方法能够在实现地下地震波场振幅补偿和相位校正的同时，可有效避免因互相关造成的低波数噪声污染，利于成像质量的提高。
附图说明
图1为本发明实施例的基于波场分解的粘声逆时偏移方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例的基于波场分解的粘声逆时偏移方法的流程示意图；
图3为本发明实施例的基于波场分解的粘声逆时偏移系统的结构示意图；
图4A为声波介质波场快照；
图4B为粘声介质仅考虑衰减特性时所得波场快照
图4C为粘声介质仅考虑频散特性时所得波场快照
图4D为粘声介质考虑耗散特性(衰减和频散特性)时所得波场快照
图4E为前述四项波场快照组合对比图
图5A为单道记录的声波-粘声介质频散特性对比图；
图5B为单道记录的声波-粘声介质衰减特性对比图；
图5C为单道记录的声波-粘声介质耗散特性对比图；
图6A为粘声全波场快照；
图6B为粘声下行波场快照；
图6C为粘声上行波场快照；
图7A为水平层状介质按常规逆时偏移方法得到的单炮偏移结果图；
图7B为水平层状介质按基于波场分解的粘声逆时偏移方法得到的单炮偏移结果图；
图8A为含气体异常体的速度模型；
图8B为含气体异常体的Q值模型；
图9为气体异常模型多炮叠加成像剖面。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法，包括步骤：
S1、通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；
在具体实施时，将速度模型作为粘声正向波场延拓的输入，得到震源波场快照(也称正向波场延拓波场快照)；将地震资料作为粘声反向波场延拓的输入，得到检波波场快照(也称反向波场延拓波场快照)。
S2、对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；
S3、利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值。
更具体地，步骤S1中，在时间-空间域中，分数阶粘声波动方程可以表示为下述公式(1)：
其中，x＝(x,y,z)为坐标矢量，p为压力值，b1和b2为控制参数，其可取0、 1或-1三个数值；γ(x)为无量纲参数，其数值范围为
为拉普拉斯算子； h(x)、t(x)、c(x)、γ(x)分别表示为下述公式(2)：
其中，Q(x)为品质因子，取值范围为(0,+∞)，当γ(x)→0时，Q(x)→∞，
时，Q(x)→0；w为圆周频率，ω0为参考圆周频率，c0为参考圆周频率处的速度，当Q(x)为零时或b1和b2同时为零时，公式(1)退化为声波波动方程；当b1＝1和b2＝1时，公式(1)为粘声控制方程；当b1＝1和b2＝0时，公式(1) 为频散控制方程；当b1＝0和b2＝1时，公式(1)为衰减控制方程；当b1＝1和b2＝-1 时，公式(1)为振幅补偿控制方程。利用公式(1)及相应的控制参数分别实现源检波场延拓。当进行震源波场延拓时，b1和b2均取为1；当进行检波波场延拓时，仅需将b2置为-1，即仅改变粘声衰减项的符号就可实现振幅精确补偿。
需要说明的是，通过对b1和b2的取值控制，可以使上述公式(1)能够实现振幅项和相位项解耦表征，可保证后续成像过程中振幅补偿和相位校正具有针对性。成像过程只有在同时考虑振幅衰减和相位频散两个效应时，才能得到高质量的成像值，声波方程是在做常规声波逆时偏移中用到，仅做对比用，本发明提出的方法采用的是粘声控制方程。
在成像过程中，常规逆时偏移采用下述公式(3)所示的互相关成像条件得到成像值，即：
上式中，S(x,t)为震源波场，R(x,t)为检波波场，二者可基于粘声控制方程分别进行震源波场延拓和检波波场延拓得到，I(x)为成像值，因逆时偏移采用双程波动方程，源检波场既包含上行波场又包含下行波场，如下公式(4)所示：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场。
当直接利用互相关成像条件时，即将公式(4)带入公式(3)，可得如下所示的公式(5)
公式(5)中的后两项将导致低波数噪音，不利于高精度成像，此外，公式 (4)中源检上、下行波场不可直接利用粘声控制方程进行波场延拓求得。
本发明在步骤S2中引入希尔伯特变换，实现源检波场上、下行波场分解，具体表达形式如下公式(6)所示：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值，Ht和Hz分别表示时间方向和空间方向的希尔伯特变换。
在步骤S3中，本发明针对粘声介质本发明引入如式(7)所示的新的成像条件，得到成像值I(x)：
如公式(7)所示，本发明优选对成像结果具有有效贡献的波场值，并采用震源波场归一化处理，可保证成像结果不受低波数噪音污染，浅层深层之间能量的均匀性，所得成像值更为接近反射率概念，利于后续处理及相关解释流程的开展。
本发明借助公式(1)并采用合适的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场，并利用公式(6)分别针对上述过程所得到的震源波场值和检波波场值实现波场分解得到上行及下行源检波场。利用公式(7)所示的成像条件进行归一化互相关得到成像值。
在具体实施时，如图2所示，可以采用以下步骤：
101、获取速度模型；
102、将速度模型作为粘声正向波场延拓的输入，并采用公式(1)并将控制参数b1和b2均置为1，实现正向波场延拓，得到震源波场：
103、采用公式(6)中与震源波场相关的波场分解公式进行计算，得到上行和下行震源波场：
111、获取地震资料；
112、将地震资料作为粘声反向波场延拓的输入，并采用公式(1)并将控制参数b1置为1，控制参数b2置为-1，实现反向波场延拓，得到检波波场
113、采用公式(6)中与检波波场相关的波场分解公式进行计算，得到上行和下行检波波场：
120、应用公式(7)所示的基于粘声介质地震波场分解的归一化互相关成像条件实现成像过程，得到成像值I(x)。
需要说明的是，上述步骤101至103可以与步骤111至113同时执行，也可以先执行步骤111至113，再执行步骤101至103。
如图3所示，本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移系统，包括：波场构建单元10、波场分解单元20以及成像单元30。
波场构建单元10用于通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；更具体地，波场构建单元10用于获取速度模型；并将速度模型作为粘声正向波场延拓的输入，采用公式(1)并将控制参数b1和b2均置为1，实现正向波场延拓，得到震源波场。波场构建单元10还用于将地震资料作为粘声反向波场延拓的输入，并采用公式(1)并将控制参数b1置为1，控制参数b2置为-1，实现反向波场延拓，得到检波波场。
波场分解单元20与所述波场构建单10元相连，用于对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；更具体地，波场分解单元20采用公式(6)进行计算，得到上行和下行震源波场以及上行和下行检波波场。
成像单元30与所述波场分解单20元相连，用于利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值。成像单元30可以应用公式(7)所示的基于粘声介质地震波场分解的归一化互相关成像条件实现成像过程，得到成像值I(x)。
本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例中基于波场分解的粘声逆时偏移方法中的步骤。
下面通过均匀介质数值模拟结果、层状介质单炮逆时偏移结果及气体异常模型多炮逆时偏移结果，进一步验证本发明能够实现粘声介质中衰减特性和频散特性的显式表征，能够有效实现粘声介质波场延拓，上下行波波场分离，并对基于互相关成像条件的常规逆时偏移中的偏移噪音及偏移假象具有良好的压制作用，有效提高了粘声逆时偏移的成像质量。
请参照图4A至4E,图4A至4E,为选用均匀介质模型并分别利用声波方程，粘声衰减控制方程，粘声频散控制方程、粘声方程进行波场数值模拟所得结果及前述方法所得结果的组合剖面，其横坐标为距离，纵坐标为深度。均匀介质模型中的速度为3010m/s，品质因子为20。图5A至5C分别为声波-频散单道记录对比图、声波-衰减单道记录对比图及声波-粘声单道记录对比图，其横坐标为sample即采样点数，纵坐标为Amplitude即振幅值。通过图4和图5对比，可见，同声波方程所得结果相比，利用粘声衰减控制方程所得结果仅呈现振幅衰减特性；利用粘声频散控制方程所得结果可见地震波相位反转现象；利用粘声方程所得结果则同时呈现振幅衰减和相位反转现象；图4和图5能够说明本方法能够实现粘声介质中衰减特性和频散特性的显式表征并能够实现粘声介质波场延拓。
利用网格大小为500×300的层状介质模型，模型在170米处分层，上层介质参数分别为v＝2800m/s，Q＝50，下层介质参数分别为v＝3800m/s，Q＝100，利用公式(1)所示的粘声方程进行波场数值模拟，并利用公式(6)进行上下行波分解，所得结果如图6A至6C所示，其中图6A为全波场快照，图6B为下行波场快照，图6C为上行波场快照，由此可验证本方法能够实现粘声介质中上下行波分解。图7A为利用网格大小为400×200的层状介质模型并采用常规逆时偏移方法所得结果，图7B为利用网格大小为400×200的层状介质模型并采用本发明所介绍偏移方法所得结果，图7A、7B中的模型参数分别为上层v＝2800m/s， Q＝50，下层v＝3800m/s，Q＝100，因常规逆时偏移方法不能够有效压制低波数噪声，在成像剖面中呈现“兔耳朵”现象(如图7A所示)，而本发明所介绍方法则不会出现此现象，说明本方法能够有效压制因采用互相关类成像条件而引入的低波数噪声。
图8A、8B为异常气体模型，其难点主要为强反射层下的梯状气藏。图9为利用本发明所介绍偏移方法所得的多炮(31炮)叠加成像剖面，依图可见，强反射层下的梯状气藏成像清晰，故可佐证本方法能够实现复杂介质的偏移成像，且成像精度高。
本发明提供一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法及系统、计算机存储介质，基于分数阶粘声波动方程实现正向和反向波场延拓，延拓过程中无需前序地震波场值，能够有效降低粘声介质波场延拓存储量；同时此粘声介质控制方程显式表征粘声介质衰减因子和频散因子，利于针对性振幅补偿和相位校正；此外，此方法借助希尔伯特变换，在时间-空间域中实现地震波场的分解，避免了常规频率-波数域地震波场分解中因采用傅里叶变换而带来的计算量问题，并可直接在时间-空间域中利用波场分解获得的源检上行、下行波场实现成像过程。本方法在实现粘声介质地下波场振幅相位校正的同时，能够使成像结果免受低波数噪声干扰，有效提高了成像质量，对推动高精度偏移成像的发展具有重要意义。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (8)
1.一种基于波场分解的粘声逆时偏移方法，其特征在于，包括：
S1、通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；
S2、对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；
S3、利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值；
所述步骤S3的成像值为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值。
2.如权利要求1所述基于波场分解的粘声逆时偏移方法，其特征在于，所述分数阶粘声波动方程，
其中，x＝(x,y,z)为坐标矢量，p为压力值，b1和b2为控制参数；
将b1和b2均设置为1，得到所述震源波场；
将b1设置为1，b2均设置为-1，得到所述检波波场。
3.如权利要求1所述基于波场分解的粘声逆时偏移方法，其特征在于，所述步骤S2中通过引入希尔伯特变换，实现对所述震源波场和检波波场的波场分解。
4.如权利要求1所述基于波场分解的粘声逆时偏移方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值，Ht和Hz分别表示时间方向和空间方向的希尔伯特变换。
5.一种基于波场分解的粘声逆时偏移系统，其特征在于，包括：
波场构建单元，用于通过分数阶粘声波动方程及相应的控制参数分别构建粘声介质震源波场和检波波场；
波场分解单元，与所述波场构建单元相连，用于对所述震源波场和检波波场实现波场分解得到上行及下行震源波场、上行及下行检波波场；
成像单元，与所述波场分解单元相连，用于利用所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场结合预设的成像条件得到成像值；
所述成像值为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值。
6.如权利要求5所述基于波场分解的粘声逆时偏移系统，其特征在于，所述分数阶粘声波动方程，
其中，x＝(x,y,z)为坐标矢量，p为压力值，b1和b2为控制参数；
将b1和b2均设置为1，得到所述震源波场；
将b1设置为1，b2均设置为-1，得到所述检波波场。
7.如权利要求5所述基于波场分解的粘声逆时偏移系统，其特征在于，所波场分解单元通过引入希尔伯特变换，实现对所述震源波场和检波波场的波场分解，获取所述上行及下行震源波场、上行及下行检波波场为：
其中，Sd(x,t)和Su(x,t)分别表示上行、下行震源波场值，Rd(x,t)和Ru(x,t)分别表示上行、下行检波波场值，Ht和Hz分别表示时间方向和空间方向的希尔伯特变换。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，其特征在于，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行上述权利要求1～4任一项所述的方法中的步骤。
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