CN112099083B - 一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统，该方法包括：获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。本发明实施例通过引入高阶统计分析实现有效信号地双谱估计，进而通过双谱谱比对数地平面拟合实现品质因子地求取，从而削弱随机噪声地影响，提高品质因子估计的稳定性及精度。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统。
背景技术
品质因子Q描述了地下介质的粘滞性特征，即由于介质颗粒摩擦、不可逆热传导、晶体不完整性以及孔隙流体流动等作用地综合影响，地震波在传播过程中发生衰减，主要体现在：1、耗散效应，即能量衰减特性，表现为地震波的振幅减小，具体到单频成分，高频分量的振幅衰减程度要强于低频分量；2、频散效应，即相变特性，表现为高频分量的传播速度快于低频分量，导致地震波的相位特征发生变化。这两种效应综合在一起，在地震资料中表现为随着时间地增加，有效信号的能量及主频逐渐减小，从而影响了深部资料的信噪比及分辨率。
为了消除品质因子的影响，提高深部资料有效信号的质量，在品质因子已知的条件下，反Q滤波处理是常用的技术手段。因此，地层品质因子地准确获取是问题解决的关键。目前品质因子地求解主要有两种手段：1、实验室测量，针对地下岩心，在不同的温度、压力、流体等条件下，采用物理手段测量品质因子，这种方式得到的品质因子精度较高，但由于岩心数量地限制，往往只能得到地层品质因子的有限离散点，难以获取较宽深度范围内品质因子地连续变化；2、基于实际地震资料地品质因子估计，采用这种方式，可以获取满足资料处理及解释要求的品质因子序列，但精度容易受到地震资料信噪比地影响。通常可用的资料包括地面地震资料、垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile，简称VSP)资料以及微测井资料，其中，VSP资料由于具有较高的信噪比以及较深的采集深度，成为求取品质因子最常用的地震资料。
到目前为止，发展了多种品质因子估计方法，包括振幅衰减、上升时间、子波模拟、解析信号、波形匹配、谱模拟、振幅谱比、质心频移和峰值频移等方法，分别从时间域和Fourier频率域中力求实现品质因子地可靠求取，其中后三种方法在实际中得到了广泛应用，但求解精度及稳定性有待进一步提高。因此，现在亟需一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，包括：
获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；
在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；
计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
进一步地，所述方法还包括：
对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行去噪和几何扩散补偿。
进一步地，所述在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱，包括：
基于高斯分布随机信号的高阶累积量为零，消除高斯噪声对下行波场的影响，得到含噪地震波的双谱。
进一步地，所述计算含噪地震波的双谱为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，为无噪波形的三阶累积量。
进一步地，所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，包括：
基于所述双谱和Fourier谱之间的关系，计算t+Δt时刻和t时刻之间的双谱振幅谱关系为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，t和Δt表示时间。
进一步地，所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，t和Δt表示时间。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于双谱谱比对数的品质因子估计系统，包括：
数据解析模块，用于获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；
双谱计算模块，用于在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；
品质因子估计模块，用于计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法及系统，通过引入高阶统计分析实现有效信号地双谱估计，进而通过双谱谱比对数地平面拟合实现品质因子地求取，从而削弱随机噪声地影响，提高品质因子估计的稳定性及精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的粘弹性零偏VSP下行直达波示意图；
图3为本发明实施例提供的无噪资料品质因子以及含噪资料品质因子估计结果；
图4为本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，包括：
步骤101，获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；
步骤102，在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；
步骤103，计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
在本发明实施例中，首先会获取零偏VSP全波场资料，从而对其进行波场分离得到下行波场；然后，在下行波场中求取其中的下行直达波，从而根据下行直达波计算三阶谱，也就是本发明实施例中的双谱；最后，计算相邻道双谱谱比的对数，从而估计出层间品质因子。
本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，通过引入高阶统计分析实现有效信号地双谱估计，进而通过双谱谱比对数地平面拟合实现品质因子地求取，从而削弱随机噪声地影响，提高品质因子估计的稳定性及精度。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行去噪和几何扩散补偿。
在本发明实施例中，需要对得到的初始数据进行数据预处理，具体包括去噪和几何扩散补偿等操作。
在上述实施例的基础上，所述在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱，包括：
基于高斯分布随机信号的高阶累积量为零，消除高斯噪声对下行波场的影响，得到含噪地震波的双谱。
在上述实施例的基础上，所述计算含噪地震波的双谱为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，为无噪波形的三阶累积量。
具体地，在地层吸收衰减效应地影响下，传播过程中的地震波可以表示为：
其中，t和Δt表示时间，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，U(t,ω)表示位于t时刻、频率为ω的地震波的单频分量，u(t)表示t时刻地震波的时间域波形，n(Δt)表示噪声，i表示虚数单位。
进一步地，在本发明实施例中，公式中的第一个指数项表示振幅衰减，第二个指数项表示相位变化。由于ω/ωh<1，γ<<1，因此考虑到问题求解的方便，可以忽略振幅衰减项中的(ω/ωh)-γ。
当公式中的噪声呈高斯分布时，为了消除其影响，计算地震信号的三阶累积量：
其中，τ1和τ2分别表示延迟量，c3u、和c3n分别表示含噪波形、无噪波形和高斯噪声的三阶累积量。由于高斯分布随机信号的高阶累积量为零，即中c3n(τ1,τ2)＝0，因此：
从而得到含噪地震波的三阶谱，即双谱：
在上述实施例的基础上，所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，包括：
基于所述双谱和Fourier谱之间的关系，计算t+Δt时刻和t时刻之间的双谱振幅谱关系为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，t和Δt表示时间。
具体地，考虑到双谱与Fourier谱之间的关系：
其中，N表示信号的长度，*表示共轭运算。通过对公式两侧取振幅谱，并忽略系数项，则得到：
Bu,amp(ω1,ω2)＝Uamp(ω1)Uamp(ω2)Uamp(ω1+ω2)；
其中，下标amp表示振幅谱。由公式可知，t+Δt时刻和t时刻之间的Fourier振幅谱关系为：
因此，t+Δt时刻和t时刻之间的双谱振幅谱关系为：
在上述实施例的基础上，所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱的谱比对数，估计层间品质因子为：
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，t和Δt表示时间。
在本发明实施例中，即为基于双谱谱比对数的品质因子求解表达式，其表示关于频率ω1和ω2的平面，通过最小二乘拟合即可求取平面斜率-Δt/Q，进而获得地震波在传播时间Δt内所穿过地层的平均Q值。
具体地，本发明实施例以Ricker子波为例，设定其初始时刻为零相位、主频为30Hz，通过对Ricker子波波形图以及对应的双谱振幅谱图进行分析可知，该子波在品质因子为50的均匀地层中传播了50ms后，经过了地层的吸收衰减效应，波形发生了变化，具体表现为振幅变小，并且时间域波形由对称变成了非对称，即相位特征由零相位变成了非零相位；进一步地，对Ricker子波对应的非零相位图以及对应的双谱振幅谱图进行分析可知，将Ricker子波的衰减后与衰减前的双谱振幅谱按照双谱谱比对数，即可得到双谱谱比对数与频率ω1和ω2之间的关系。具体地，在本发明实施例中，对双谱谱比对数与频率之间的关系进行分析，双频率域中的具有一定斜率的平面，通过最小二乘拟合得到平面的斜率为-Δt/Q＝-0.001，由于Δt＝0.05s，即可求得地层的品质因子Q＝50。
进一步地，本发明实施例提供了一种用于粘弹性零偏VSP正演模拟的速度模型和品质因子模型，速度模型和品质因子模型均设定为6层，每层厚度200m，层内为均匀介质，其中，速度模型的变化范围为500m/s～2000m/s，品质因子模型相应的变化范围为20～120。炮点坐标为(25m,0m)，检波点横坐标为25m，纵坐标从100m变化到1200m，间距为5m。
进一步地，基于上述实施例中的模型参数，进行粘弹性零偏VSP正演模拟，分别得到全波场正演模拟结果和对应的下行波场，全波场对应的上行波场以及下行直达波初至，图2为本发明实施例提供的粘弹性零偏VSP下行直达波，其中，下行波场中的直达波是品质因子求解所要利用的数据。通过在下行波场中拾取初至时间，获取各道直达波，在此基础上计算地层品质因子。图3为本发明实施例提供的无噪资料品质因子以及含噪资料品质因子估计结果，其中，在图3中，(a)为无噪资料的计算结果，可以看到估计值与真实值具有较好的吻合度，(b)为含噪资料的计算结果，其中噪声能量占有效信号能量的0.3％，可以看到，当品质因子较小时，由于地震波衰减较为剧烈，波形变化占主要成分，品质因子估计结果的精度和稳定性较高，而随着品质因子的增大，地震波衰减程度变小，此时噪声成分逐渐显现出来，从而造成品质因子估计结果与真实值有所偏离，但整体来看，品质因子估计结果与真实值的误差在可控范围之内。
图4为本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计系统的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供了一种基于双谱谱比对数的品质因子估计系统，包括数据解析模块401、双谱计算模块402和品质因子估计模块403，其中，数据解析模块401用于获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；双谱计算模块402用于在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；品质因子估计模块403用于计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
本发明实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计系统，通过引入高阶统计分析实现有效信号地双谱估计，进而通过双谱谱比对数地平面拟合实现品质因子地求取，从而削弱随机噪声地影响，提高品质因子估计的稳定性及精度。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图5，该电子设备可以包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行如下方法：获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，例如包括：获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，其特征在于，包括：
获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；
在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；
计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子；
所述在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱，包括：
基于高斯分布随机信号的高阶累积量为零，消除高斯噪声对下行波场的影响，得到含噪地震波的双谱；
所述计算含噪地震波的双谱为：
在地层吸收衰减效应地影响下，传播过程中的地震波表示为：
ω/ωh<1，γ<<1；
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，Q表示地层品质因子，为无噪波形的三阶累积量；t和Δt表示时间；U(t,ω)表示位于t时刻、频率为ω的地震波的单频分量，u(t)表示t时刻地震波的时间域波形，n(Δt)表示高斯噪声，i表示虚数单位；τ1和τ2分别表示延迟量，c3u、/>分别表示含噪波形、无噪波形的三阶累积量；
所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，包括：
基于所述双谱和Fourier谱之间的关系，计算t+Δt时刻和t时刻之间的双谱振幅谱关系为：
其中，ω表示角频率，Bu,amp表示双谱振幅谱，Uamp表示Fourier振幅谱，t和Δt表示时间；
所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子为：
其中，ω表示角频率，t和Δt表示时间。
2.根据权利要求1所述的基于双谱谱比对数的品质因子估计方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行去噪和几何扩散补偿。
3.一种基于双谱谱比对数的品质因子估计系统，其特征在于，包括：
数据解析模块，用于获取零偏垂直地震剖面全波场数据，并对所述零偏垂直地震剖面全波场数据进行波场分离，获取下行波场；
双谱计算模块，用于在所述下行波场中求取下行直达波，并计算含噪地震波的双谱；
品质因子估计模块，用于计算相邻道所述双谱谱比的对数，并基于相邻道所述双谱谱比的对数，估计层间品质因子；
所述双谱计算模块具体用于：
基于高斯分布随机信号的高阶累积量为零，消除高斯噪声对下行波场的影响，得到含噪地震波的双谱；
所述计算含噪地震波的双谱为：
在地层吸收衰减效应地影响下，传播过程中的地震波表示为：
ω/ωh<1，γ<<1；
其中，ω表示角频率，ωh表示与截止频率相关的调节参数，γ＝(πQr)-1，Qr表示参考频率处的品质因子，Q表示地层品质因子，为无噪波形的三阶累积量；t和Δt表示时间；U(t,ω)表示位于t时刻、频率为ω的地震波的单频分量，u(t)表示t时刻地震波的时间域波形，n(Δt)表示高斯噪声，i表示虚数单位；τ1和τ2分别表示延迟量，c3u、/>分别表示含噪波形、无噪波形的三阶累积量；
所述计算相邻道所述双谱谱比的对数，包括：
基于所述双谱和Fourier谱之间的关系，计算t+Δt时刻和t时刻之间的双谱振幅谱关系为：
其中，ω表示角频率，Bu,amp表示双谱振幅谱，Uamp表示Fourier振幅谱，t和Δt表示时间；
所述品质因子估计模块通过以下表达式进行计算：
其中，ω表示角频率，t和Δt表示时间。
4.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至2任一项所述基于双谱谱比对数的品质因子估计方法的步骤。
5.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述基于双谱谱比对数的品质因子估计方法的步骤。
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