CN112925013A - 基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，包括四步：从地震数据中估计地震子波w(t)；使用频谱拓宽因子a(ω)拓宽数据频谱W(ω)到

基于上一步得到的两个频谱计算传导滤波算子H(ω)；最后，使用传导滤波算子H(ω)处理整个地震数据。本发明从地震子波入手进行处理与压缩，达到全频带延拓处理的目的，以有效提高地震数据的分辨率，并同时对处理后的数据具有很高的保真度。

Description

基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法

技术领域

本发明属于地震资料数据处理的技术领域，尤其涉及一种基于全频带延拓保真的地震数 据高分辨率处理方法。

背景技术

在油气勘探领域，地震数据高分辨率处理方法及技术，一直是该领域研究中的一个重要 的研究方向，众多学者针对该问题开展研究，形成一系列的地震数据拓频方法。包括如地震 数据反褶积、谱白化方法和稀疏谱反演，以及针对地层衰减的反Q滤波方法等。

地震数据形成的基本理论模型是褶积模型，通常认为地震记录是由地震子波与地层界面 的反射系数相互褶积而形成的。在数学模型上可以表示为：

s(t)＝w(t)*r(t)+n(t) (1)

式中，s(t)为地震记录，w(t)为地震子波，r(t)为反射系数，n(t)为环境噪声信号。它们均为 时间序列t的信号。数学符号“*”为褶积运算符。地层界面形成的反射系数为尖脉冲信号，其 在频率域全频带振幅谱为1的白谱。而地震子波一般为具有固定主频的有限带宽的信号。在 信号处理与分析领域两个时间序列信号的褶积运算，相当于是频率的乘积，为一个滤波的过 程。

根据褶积模型，地震数据为具有有限带宽的地震信号，其分辨率受其主频和频带宽度的 影响。地震分辨率具有与主频相关的调谐厚度，对于地层厚度小于地震数据调谐厚度的情况， 地震资料的分辨率无法达到识别的要求。因此，对于目前的非常规页岩油气藏及具有薄互层 特征的盐间页岩油复杂油气藏的勘探与开发，常规地震资料的分辨率无法满足高精度、高分 辨率储层预测与描述的要求，需要对地震数据进行提高分辨率处理。

目前现有的提高分辨率处理主要可以分为四类。一类是基于去除地震子波的处理方法， 如反褶积、反滤波等。其方法主要是根据式(1)所示的褶积模型，通过利用地震数据本身估 算一个地震子波，求取其反子波，再进行反褶积与反滤波处理。第二类主要是根据地震数据 在频率域为反射系数振幅谱与地震子波振幅谱相乘的原理，直接进行谱拓展的处理方法，如 谱白化等。第三类提高地震数据分辨率的方法，是考虑由于地层吸收衰减引起的地震数据高 频成分衰减，通过估算得到地层吸收衰减Q值，进行反Q滤波处理提高地震数据分辨率的方 法。第四类是目前比较新的拓频处理方法，主要是基于反演的策略，将地层顶底反射系数作 为一对反射系数，并将其分成奇偶分量，通过在频率域选取部分谱进行谱反演得到反射系数 谱的方法。该方法期望直接反演得到反射系数，再与高频或宽频的地震子波进行合成提高分 辨率的方法。上述四种方法都是基于去除地震子波得到反射系数的原理，在处理过程中无法 完全消除地震数据中噪声的影响，在提高地震数据分辨率的同时，也放大了噪声的影响，导 致处理后资料出现信噪比降低、保真度降低的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处 理方法的技术方案，其特征在于在充分结合地震子波处理及谱白化的处理方法的基础上，考 虑从地震子波入手进行处理与压缩，达到高低频同时延拓处理的目的，处理后的数据在有效 提高地震数据的分辨率的同时，还具有很高的保真度，包括如下步骤：

S1)从地震数据中估计地震子波谱W(ω)，ω为角频率；

S2)使用频率拓展因子a(ω)拓宽地震子波频谱W(ω)到

S3)基于上一步得到的两个频谱计算延拓滤波算子H(ω)；

S4)使用延拓滤波算子H(ω)处理整个地震数据。

按上述方案，步骤S1)中包括如下具体内容：

频率域的地震信号可以表示为地震子波频谱W(ω)和地震反射系数频谱R(ω)的乘积，如： S(ω)＝W(ω)R(ω)＝|W(ω)|e^iψ(ω)

其中，W(ω)是地震子波w(t)的频谱，R(ω)为反射系数r(t)的频谱，ω为角频率，|W(ω)|为 振幅谱，ψ(ω)为相位谱。

按上述方案，步骤S2)中包括如下具体步骤：

S21)使用拓宽因子a(ω)将原始地震子波的频谱W(ω)拉伸压缩从而达到拓频的目的，拓频 后的数据

可以表述为：

拓宽因子a(ω)是一个随角频率ω变化而变化的非线性函数。具体可以写成：

其中，ω_p为地震数据的参考峰值频率，n≥2，m≥5。应用频率拓展因子a(ω)后，地震子波 的频谱W(ω)会同时拓展到高频和低频方向；对于频率从ω_p变化到0时，拓展因子从1.0减小 到0.5，频谱向低频方向延拓；对于频率从对于频率从ω_p变化到mω_p时，拓展因子从1.0增 加到n，频谱向高频方向延拓；对于频率ω＞mω_p，拓展因子可以固定在n，频谱向高频方向 延拓。

S22)估算参考频率ω_p和常数m,n：

地震参考峰值频率ω_p等于平均频率的一半，平均频率可以通过实际地震数据光滑振幅的 能量谱来进行估算。

常数m可以通过实际地震资料有效频宽的上限来确定。假设实际地震资料的地震主频为 ω_p，地震资料的有效频宽可以表述为与主频ω_p有关的数学区间(aω_p,bω_p)，a和b均为常数， 拓宽因子a(ω)公式中大于5的整数m可以表述为m＝2b。常数n为需要向高频拓频的倍频率 数，一般选取为2～4的整数。

按上述方案，步骤S3)中包括如下具体内容：

基于L2范数求解方法构建延拓处理滤波器H(ω)，

其中，

为W(ω)共轭复数，σ²是一个正的微小值，用以稳定 反演求解。

按上述方案，步骤S3)中包括如下具体内容：

将上述传导滤波器H(ω)代入如下公式中处理整个地震数据：

本发明的有益效果是：提供了一种基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法， 可以很好地提高地震资料的分辨率，拓展地震数据中的高频及低频成份，提高分辨率后的地 震数据的信噪比高、信号保真度高，薄储层识别能力高，并且在薄互层储层预测的井震标定 效果好。

附图说明

图1为本发明一个实施例的频带延拓保真地震处理方法流程图。

图2a为本发明一个实施例的地震Berlage最小相位子波波形图。

图2b为本发明一个实施例的使用常数延拓因子2对原始子波的压缩波形图。

图3a为本发明一个实施例的使用基于频率的拓展因子压缩的子波波形图。

图3b为本发明一个实施例的地震频率带宽和中心频率的改善效果图。

图4a为本发明一个实施例的合成楔状模型数据主频为30Hz的Berlage子波波形图。

图4b为本发明一个实施例的合成楔状模型使用常数拓展因子2压缩后的地震子波剖面 图。

图4c为本发明一个实施例的使用基于频谱的拓展因子压缩的子波地震子波剖面图。

图5a为本发明一个实施例的含9层砂层的薄互层模型图。

图5b为本发明一个实施例的模型反射系数和30Hz的Berlage子波褶积生成的合成记录。

图5c为本发明一个实施例的使用常值拓展因子波压缩之后的子波图。

图5d为本发明一个实施例的使用基于频谱的拓展因子压缩的子波图。

图6a为本发明一个实施例的地震数据频谱与子波频谱的关系图。

图6b为本发明一个实施例的估算的子波图。

图7为本发明一个实施例的子波压缩前后地震剖面频谱对比图。

图8a为本发明一个实施例的拓频前井旁地震道的剖面变化及与测井曲线和层位的匹配 程度示意图。

图8b为本发明一个实施例的拓频后井旁地震道的剖面变化及与测井曲线和层位的匹配 程度示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法的技术方案，在充 分结合地震子波处理及谱白化的处理方法的基础上，考虑从地震子波入手进行处理与压缩， 达到高低频同时延拓处理的目的，处理后的数据在有效提高地震数据的分辨率的同时，还具 有很高的保真度。

理论上，傅立叶变换的拓展特性可以改善地震资料分辨率。频率域的地震信号可以表示 为地震子波频谱W(ω)和地震反射系数频谱R(ω)的乘积：

其中，W(ω)是地震子波w(t)的频谱，R(ω)为反射系数r(t)的频谱，ω为角频率，|S(ω)|为 振幅谱，ψ(ω)为相位谱。

使用拓宽因子a(ω)将原始地震子波的频谱W(ω)拉伸压缩从而达到拓频的目的，拓频后 的数据

可以表述为：

拓宽因子a(ω)是一个随角频率ω变化而变化的非线性函数。具体可以写成：

其中，ω_p为地震数据的参考峰值频率，n≥2，m≥5。应用频率拓展因子a(ω)后，地震子波 的频谱W(ω)会同时拓展到高频和低频方向；对于频率从ω_p变化到0时，拓展因子从1.0减小 到0.5，频谱向低频方向延拓；对于频率从对于频率从ω_p变化到mω_p时，拓展因子从1.0增 加到n，频谱向高频方向延拓；对于频率ω＞mω_p，拓展因子可以固定在n，频谱向高频方向 延拓。

地震参考峰值频率w_p等于平均频率的一半，平均频率可以通过实际地震数据光滑振幅的 能量谱来进行估算。

常数m可以通过实际地震资料有效频宽的上限来确定。假设实际地震资料的地震主频为 ω_p，地震资料的有效频宽可以表述为与主频ω_p有关的数学区间(aω_p,bω_p)，a和b均为常数， 拓宽因子a(ω)公式中大于5的整数m可以表述为m＝2b。常数n为需要向高频拓频的倍频率 数，一般选取为2～4的整数。

对于实际数据的处理，流程包括实际数据的子波估计，基于子波的拓展因子的构建，以 及实际数据的处理等。

实际地震信号可以表示为与地震子波w(t)、地震反射系数r(t)和环境噪声信号的褶积n(t) 的数学模型：

s(t)＝w(t)*r(t)+n(t) (5)

“*”表示褶积算子。地层界面形成的反射系数为尖脉冲信号，其在频率域全频带振幅谱为1的 白谱。

频率域的褶积模型可以表示成：

S(ω)＝W(ω)R(ω)＝|S(ω)|e^iψ(ω) (6)

使用频谱拓展因子a(ω)拓频处理后的地震数据信号可表示：

为频率拓展后的子波频谱，对应的时间域的子波为

因此，可以推出方程：

H(ω)是频率延拓滤波器，通过表达式求出：

W是估计子波的频谱，

是拓展后的频谱。

基于L2范数求解方法构建延拓处理滤波器H(ω)，

其中，

为 W(ω)共轭复数，σ²是一个正的微小值，用以稳定反演求解。

对于本发明中合成数据和实际地震数据，σ²大小设为0.001。我们可以将滤波算子h(t)应用到 地震数据s(t)之中，生成新的地震数据

新数据的分辨率得到了提高，拓展地震数据中的 高频及低频成份，提高分辨率后的地震数据的信噪比高、信号保真度高，薄储层识别能力高， 并且在薄互层储层预测的井震标定效果好。

以地震Berlage最小相位子波为例，主频为30Hz(见图2a)。使用常数拓展因子和基于 频率的拓展因子实现子波的压缩后的对比情况如下：

使用常数延拓因子2实现对原始的30Hz子波的压缩，等效为60Hz的子波(见图2b)。可以看出压缩后的子波频带较宽，主频得到提升，说明频谱拓展是有效的。然而，规则化后的子波在0到25Hz频带内，由于频谱向高频延拓，能量较压缩前变低。

使用基于频率的拓展因子压缩的子波波形简单(见图3a)，这是由于本方法不仅拓宽了 高频部分，也拓宽了低频部分。提高地震数据的分辨率在于改善两个参数：地震频率带宽和 中心频率。图3b中清楚的展示了这两个参数的改善，因而地震分辨率得到了有效提高。

原始合成地震记录剖面和使用子波压缩后的剖面对比情况如下：

图4a是一个合成楔状模型数据，代表页岩背景下的楔状沙层，模型的子波是一个主频为 30Hz的Berlage子波。使用常数拓展因子2压缩后的地震子波，产生的剖面如图4b所示，子 波等效为一个主频为60Hz的Berlage子波。在地震解释过程中，通常用1/4的子波波长(时间 域为一个周期)来衡量地震数据分辨率。当楔状体模型的砂岩填充速度为v＝2000m/s时，30Hz 子波的分辨能力为v/4f≈17m，合成数据的复合最大振幅宽度为34m。60Hz子波分辨能力 约为8.5m，合成数据的复合最大振幅宽度为17m。另外，使用基于频谱的拓展因子，压缩的 子波波形简单，这是由于频谱也向低频方向拓展了，对应的时间地震剖面上的分辨率得到了 提高，如图4c显示，这表明60Hz子波的分辨率为8.5m，而不是上一例子中所说复合最大震 幅的17m。

使用一个含9层砂层的薄互层模型来演示这一处理流程，在这个模型中，背景页岩速度 固定为一常值，9层砂层速度较页岩高，厚度按顺序从顶到底分别为1，3，5，10，15，20，30，50和100m，速度为2000m/s(见图5a)。

为了方便识别地震数据中的反射能量变化，我们重复复制了21道数据，显示在图中5b-5d 中，图中显示的是合成记录，记录由模型反射系数和30Hz的Berlage子波褶积生成。图5b 是模型反射系数和30Hz的Berlage子波褶积生成的合成记录；图5c是使用常值拓展因子波 压缩之后的成果展示，其中常值拓展因子为2，主频从30Hz变为60Hz；图5d是使用基于频 谱的拓展因子压缩的子波。计算了各子窗口合成数据的振幅包络，显示在对应的窗口的右边。 对比振幅的包络可以说明子波拓展后分辨率得到了提高，薄层分辨能力得到了提升。

实施例一

针对一实际数据进行了处理。从地震剖面中估算地震子波，图6a给出了地震数据频谱与 子波频谱的关系，估算的子波如图6b虚线所示。

利用依赖频率的子波延拓方法对地震子波进行压缩，然后利用子波压缩前后的频谱构建 压缩算子，并作用于估算的子波，用压缩算子构建的子波。压缩算子作用后子波的频谱与理 论压缩子波的频谱有一定差异，这是为了保证子波压缩算子的稳定性而引入的规则化因子引 起的差异。

将构建的子波压缩算子作用于的地震剖面，可以得到分辨率提高的地震剖面，如图7所 示。从图中可以看出处理后地震剖面频谱低频和高频部分同时得到了延拓，处理前的地震剖 面频谱，能量主要集中于6-55Hz的范围；处理后的地震剖面频谱显示能量范围约拓宽至 4-85Hz。

对比了拓频前后井旁地震道的剖面变化及与测井曲线和层位的匹配程度。从图8a(拓频 前)和图8b(拓频后)中可以看出，拓频后的井旁地震道与伽马曲线中高值有较好的对应， 如图中的蓝色箭头所指的位置。对于层位匹配对比，拓频后井旁地震道与层位相一致。

本发明提出了一个基于全频带延拓的地震子波压缩提高地震资料分辨率的方法。当地震 子波被压缩变窄的时候，地震资料的主频增加，频带展宽。本文给出的子波延拓因子是与频 率相关的，并且延拓子波具有简单的形式，所以该方法具有更强的从反射地震数据中清晰识 别薄层的能力。应用子波压缩后的高分辨率地震数据进行地震反演，就可以得到表征砂体的 高分辨率油藏信息。

Claims (5)

1.基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)从地震数据中估计地震子波谱W(ω)，ω为角频率；

S2)使用频率拓展因子a(ω)拓宽地震子波频谱W(ω)到

S3)基于上一步得到的两个频谱计算延拓滤波算子H(ω)；

S4)使用延拓滤波算子H(ω)处理整个地震数据。

2.根据权利要求1所述的基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，其特征在于，步骤S1)中包括如下具体内容：

频率域的地震信号可以表示为地震子波频谱W(ω)和地震反射系数频谱R(ω)的乘积，如：

S(ω)＝W(ω)R(ω)＝|W(ω)|e^iψ(ω)

其中，W(ω)是地震子波w(t)的频谱，R(ω)为反射系数r(t)的频谱，ω为角频率，|W(ω)|为振幅谱，ψ(ω)为相位谱。

3.根据权利要求1或2所述的基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，其特征在于，步骤S2)中包括如下具体步骤：

S21)使用拓宽因子a(ω)将原始地震子波的频谱W(ω)拉伸压缩从而达到拓频的目的，拓频后的数据

可以表述为：

拓宽因子a(ω)是一个随角频率ω变化而变化的非线性函数。具体可以写成：

其中，ω_p为地震数据的参考峰值频率，n≥2，m≥5。应用频率拓展因子a(ω)后，地震子波的频谱W(ω)会同时拓展到高频和低频方向；对于频率从ω_p变化到0时，拓展因子从1.0减小到0.5，频谱向低频方向延拓；对于频率从对于频率从ω_p变化到mω_p时，拓展因子从1.0增加到n，频谱向高频方向延拓；对于频率ω＞mω_p，拓展因子可以固定在n，频谱向高频方向延拓。

S22)估算参考频率ω_p和常数m,n：

地震参考峰值频率ω_p等于平均频率的一半，平均频率可以通过实际地震数据光滑振幅的能量谱来进行估算。

常数m可以通过实际地震资料有效频宽的上限来确定。假设实际地震资料的地震主频为ω_p，地震资料的有效频宽可以表述为与主频ω_p有关的数学区间(aω_p,bω_p)，a和b均为常数，拓宽因子a(ω)公式中大于5的整数m可以表述为m＝2b。常数n为需要向高频拓频的倍频率数，一般选取为2～4的整数。

4.根据权利要求3所述的基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，其特征在于，步骤S3)中包括如下具体内容：

基于L2范数求解方法构建延拓处理滤波器H(ω)，

其中，

为W(ω)共轭复数，σ²是一个正的微小值，用以稳定反演求解。

5.根据权利要求4所述的基于全频带延拓保真的地震数据高分辨率处理方法，其特征在于，步骤S3)中包括如下具体内容：

将上述传导滤波器H(ω)代入如下公式中处理整个地震数据：

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