CN113126150B - 基于单程波动方程的增强地震成像的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于地震处理的方法，包括：接收在地下区域中的多个地震接收器和多个地震震源处采集的地震数据，所述地震数据包含地震波形；基于所述地下区域的地震速度和密度模型，生成在多个对应的传播时间步处的多个全波场；以及对所述多个全波场应用波场滤波器，得到多个经滤波的波场。所述多个全波场中的每一个在所有方向上传播。另一方面，所述多个经滤波的波场中的每一个在目标方向中或与目标方向相反地衰减。所述目标方向由用户选择。
Description
技术领域
本公开总体上涉及一种用于收集和处理地震数据以及地震采集设计的方法。更具体地说，本公开提供了用于基于单程波动方程的增强波场滤波的方法和设备。
背景技术
地震学用于需要地质信息的勘探、考古研究和工程项目。勘探地震技术广泛用于油气勘探行业中，以便识别地质岩层的前景和类型。为了对地质区域进行地震勘测，应基于最佳的地震采集系统来采集地震数据，该系统定义了所有爆炸的震源和接收器位置。利用地震数据以及地震处理和成像技术，可以生成地质区域的地下图像以进行解释。
将地震波向下发送到地下，并通过称为地震检波器的地震波接收器来记录从地下岩层中反射回地表的地震波，由此来进行地震勘测。地震波是由能量震源产生的，例如陆地上的小炸药震源或可控震源，或海洋环境中的气枪或振动器震源。多个能量震源和接收器设置在感兴趣的地质构造上方的地球表面的附近的不同位置处。地震勘测由大量的单个地震记录或地震道数据组成，它们可以产生近乎连续的地下构造剖面。
通过分析记录在这些地震道中的地震波从地下岩层反射并返回到地面所花费的时间，地球物理学家可以绘制地下岩层和异常的图像，并预测在何处可能捕获到足够数量的石油或天然气藏以用于勘探开发。沿着地球表面上的一条直线可以进行二维(2D)地震勘测，对其的分析可以创建一个二维纵切片图像，类似于在该直线下方穿过地球的垂直图像切片。在三维(3D)勘测中，震源位置和记录位置以近似网格的图案分布。对3D数据的分析可以显示勘测区域下方的地下地质的3D立体图像。
将地震道数据映射到地下界面的过程称为偏移成像。偏移成像采集地震剖面，将反射同相轴移回到其在地下界面处的原始位置。逆时偏移(RTM)是一种偏移成像方法，其中反射地震道数据在时域中反转，作为每一个地震检波器处的震源时间历史。这些地震检波器现在充当地震能量的来源，波场反向传播到地下介质中。基于双程波动方程的RTM已成为一种标准成像算法，用于具有强速度变化和陡倾角的复杂构造的挑战性成像区域。RTM的图像通过对震源波场和接收器波场进行零延迟互相关而生成。然而，由于广角潜波和来自尖锐界面的反向散射能量所引起的干扰，它经常在浅部和靠近界面处产生强烈的低波数伪影，并具有急剧的阻抗变化。
创建RTM角度道集是绘制反射幅度及地下张开角度的过程。可以对角度道集进行处理，以部分地清除干扰噪声(例如上述噪声)，并在堆叠之前补偿速度缺陷，以生成改进的RTM图像。可以从使用Poynting矢量或光流算法计算出的波传播方向中计算RTM角度道集。尽管可能存在多种定向方法，但是这两种技术通常会为每个空间点选择一个方向，以便提高效率。在强干扰波场(例如，广角潜波和来自相邻尖锐界面的强反向散射波场)导致选择传播方向的反射变差的情况下，会发生较大的方向误差。
尽管某些后成像滤波或静音方法对于抑制RTM图像中的伪像的效果很好，但是那些抑制波场域或应用成像条件期间的干扰事件的算法也是有效的。Fletcher等人于2005年提出了通过应用方向阻尼项到修正的非反射波方程(其需要选择所关注的边界)中来消除噪声。Liu等人于2007年和2011年提出了一种基于相关性的成像条件来消除噪声，其中将震源和接收器波场中的傅立叶系数的一半静音。它在应用成像条件的期间实施。Whitmore和Crawley于2012年应用了逆散射成像条件，该条件是两个图像的加权和，其中一个是梯度图像，另一个是时间导数图像。权重函数通常取决于角度。它也可以实施用于生成RTM角度道集，代价是生成两个角度道集。但是，以上方法均不能提供所需的震源或接收器波场，其中可以进一步评估传播方向以用于各种目的。
因此，需要一种增强的波场滤波技术，该技术可扩展到所有计算域并能在宽广的角度范围内提高性能，同时在计算上便宜并且易于应用。
发明内容
本公开提供了一种用于地震处理的方法。该方法包括步骤：接收在地下区域中的多个地震接收器和多个地震震源处采集的地震数据，所述地震数据包含地震波形；基于所述地下区域的地震速度和密度模型，生成在多个对应的传播时间步处的多个全波场；以及对所述多个全波场应用波场滤波器，得到多个经滤波的波场。
此外，所述多个全波场中的每一个在所有方向上传播。另一方面，所述多个经滤波的波场中的每一个在目标方向中或与目标方向相反地衰减。所述目标方向由用户选择。
在一个实施例中，所述多个经滤波的波场中的每一个的时间导数包括对应全波场的时间导数与目标方向上的波函数和对应全波场的空间梯度之积之间的差值的一半。
在另一个实施例中，所述经滤波的波场的时间导数表示为：
其中，||.||代表L2范数；r是一个连续加权系数，定义为：
其中，符号α是0到1之间的预设值。
本公开还提供了一种计算设备，即计算机。该计算设备具有一个或多个处理器，以及包括一个或多个非暂时性计算机可读介质的存储系统，该计算机可读介质存储有指令，当由一个或多个处理器中的至少一个执行时，该指令能引起计算系统执行操作。
这些操作包括包括步骤：接收在地下区域中的多个地震接收器和多个地震震源处采集的地震数据，所述地震数据包含地震波形；基于所述地下区域的地震速度和密度模型，生成在多个对应的传播时间步处的多个全波场；以及对所述多个全波场应用波场滤波器，得到多个经滤波的波场。
此外，所述多个全波场中的每一个在所有方向上传播。另一方面，所述多个经滤波的波场中的每一个在目标方向中或与目标方向相反地衰减。所述目标方向由用户选择。
在一个实施例中，所述多个经滤波的波场中的每一个的时间导数包括对应全波场的时间导数与目标方向上的波函数和对应全波场的空间梯度之积之间的差值的一半。
在另一个实施例中，所述经滤波的波场的时间导数表示为：
其中，||.||代表L2范数；r是一个连续加权系数，定义为：
其中，符号α是0到1之间的预设值。
本公开还提供了一种非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质存储有指令，当由计算设备的一个或多个处理器执行时，所存储的指令能引起计算系统执行操作。
这些操作包括包括步骤：接收在地下区域中的多个地震接收器和多个地震震源处采集的地震数据，所述地震数据包含地震波形；基于所述地下区域的地震速度和密度模型，生成在多个对应的传播时间步处的多个全波场；以及对所述多个全波场应用波场滤波器，得到多个经滤波的波场。
附图说明
图1是地震勘测设备和程序的示意图。
图2是钻机及其操作的示意图。
图3示出了根据本公开的一个实施例的用于地震处理的方法的流程图。
图4是3D盐模型的2D图示。
图5显示了0.4秒、1秒和2秒时的波场快照。
图6显示了在应用了根据本公开的一个实施例的增强波场滤波之后的与图5相同的快照。
图7显示了在应用了根据本公开的另一个实施例的增强波场滤波之后的与图5相同的快照。
具体实施方式
本公开提供了一种涉及多步骤的方法，该方法可以在一般的系统和可由计算机执行的计算机方法的环境下描述和实现。这种计算机可执行指令可以包括程序、例程、对象、组件、数据结构，以及可用于执行特定任务和处理抽象数据类型的计算机软件技术。本公开的软件实现可以用不同的语言编码，以用于在各种计算平台和环境中的应用。可以理解的是，本公开的范围和基本原理不限于任何特定的计算机软件技术。
此外，本领域技术人员可以理解，可以使用硬件和软件配置中的任何一种或组合来实践本公开，包括但不限于具有单个和/或多个计算机处理器的系统、手持式设备、可编程消费电子产品、小型计算机、大型计算机等。本公开还可以在分布式计算环境中实践，在分布式计算环境中，任务由通过一个或多个数据通信网络链接的服务器或其他处理设备来执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括内存存储设备的本地和远程计算机存储介质中。
附图和以下描述仅通过说明的方式涉及本公开的实施例。应当注意，从下面的讨论中，本文公开的结构和方法的替代实施示例将容易地被认为是可以采用的可行替代，而不背离所要求保护的公开的原理。
参照附图，将描述本公开的实施例。各种实施例可以以多种方式实现，包括例如作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机实现的方法)、装置、非暂时性计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面、Web门户，或者有形地固定在非暂时性计算机可读内存中的数据结构。下面讨论本公开的几个实施例。附图仅示出了本公开的典型实施例，因此不应认为是对其范围和广度的限制。
现在将详细参考本公开的几个实施例，其示例在附图中示出。应注意的是，在适用之处，附图中使用相同或相似的附图标记来相同或相似的功能。这些附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。本领域的技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开所描述的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。
图1提供了由勘测工具(例如地震卡车101或井中的炸药震源)所执行的用以测量地下岩层的特性的勘测操作的简化示意图。地震卡车可以配备地震振动器，爆炸震源可以是炸药源，其产生一系列声音振动103。
由震源产生的声音振动从诸如地层110的地下特征层位反射。一组声音振动被诸如位于地球表面上的地震检波器102的传感器所接收。地震检波器102将数据转发给计算机(未示出)，该计算机生成地震数据输出。该计算机可以位于地震卡车101或另一个便携式或固定的平台上。
也可以通过将改进的有线工具(未示出)部署到井104中而在井104中进行地震勘测。改进的有线工具可以具有爆炸性的、放射性的、电的或声能的能源，其将信号发送和/或接收到周围的地下岩层中。有线工具例如可操作地连接到图1中的地震检波器102和地震卡车101中的计算机上。使用有线工具进行地震勘测的一项独特优势是，能量源可以部署在井104的各个深度处，这是对地面地震检波器102所收集的数据的补充。
图2是显示出井场处的石油钻井系统的示意图。在图2中，钻井系统200具有竖立在地球表面(显示为地面)上方的井架201。然而，钻井系统可以设在任何其他表面(例如水)上。方钻杆202将钻柱203驱动到钻孔205中。钻柱203的下部是井底钻具(BHA)204，其包括安装有随钻测量(MWD)系统(MWD组件)209的非磁性钻铤208、随钻测井(LWD)仪器210、井下电动机211、近钻头测量子组件207、钻头206，等等。
在钻探操作期间，钻井系统200可以在旋转模式下操作，在该模式下，钻柱203通过旋转台或行进块中的电动机(即顶部驱动器)从地面旋转。钻井系统200也可以在滑动模式下操作，其中钻柱203不从地面旋转，而是由旋转钻头到井下的井下马达211驱动。钻井泥浆从泥浆坑212通过钻柱203泵送至钻头206，并注入到钻柱203与井眼205的壁之间的环空中。钻井泥浆将钻屑从井中向上运至地表。
在一个或多个实施例中，MWD系统(MWD组件)209可包括脉冲发生器子组件、脉冲发生器驱动器子组件、电池子组件、中央存储单元、主板、电源子组件、方向模块子组件，以及其他传感器板。在一些实施例中，这些设备中的一些可以位于BHA 204的其他区域中。
非磁性钻铤208具有MWD系统209，其包括用于测量倾斜度、方位角、井眼轨迹等的一组工具。在非磁性钻铤208中或者在钻柱203中的其他位置处还包括LWD仪器210，例如中子孔隙度测量工具和密度测量工具，其包含测量诸如孔隙率和密度之类的地层性质的传感器。仪器可以电气式或无线式耦合在一起，由电池组或由钻井泥浆驱动的发电机供电。可以通过泥浆脉冲遥测系统、电磁传输或其他通信系统将收集到的所有信息传输到地面。
测量子组件207可以设置在井下电动机211与钻头206之间，以使用各种传感器来测量地层电阻率，伽马射线和井眼轨迹。数据可以通过嵌入在井下马达211中的电缆传输到MWD或其他通信设备。井下马达211可以连接到弯曲的壳体，其在表面处可从1°至3°调节，优选地调节至4°。由于弯曲的壳体中的轻微弯曲，钻头206可以钻出弯曲的轨迹。
除了钻井工具之外，传感器还布置在钻井系统中的各种其他位置中。它们测量钻井参数，例如钻头重量、钻头扭矩、压力、温度、流速、成分、转速和/或现场作业的其他参数。收集传感器采集的数据，以进行分析或其他处理。数据可以收集在一个或多个数据库中，和/或在现场或现场外传输。数据可以是历史数据、实时数据或其组合。实时数据可以实时使用，或存储以供以后使用。数据也可以与历史数据或其他输入组合，以进行进一步分析。数据可以存储在单独的数据库中，也可以合并到单个数据库中。
地面单元(未示出)可以位于井场和/或远程位置。它包含一台或多台计算机以及收发器，用于与钻井工具和/或异地作业以及与其他地面或井下传感器进行通信。例如，地面单元可以向钻孔工具发送命令，并从钻孔工具处接收数据。它还可以收集在钻井操作期间生成的数据并产生数据输出，然后可以将其存储在地面单元中或远程存储或传输。基于该分析，地面单元可以中继命令或执行命令到一个或多个控制器，以促动钻井系统中的机构，例如控制钻井方向、钻压、泵速或其他参数。这些调整可以基于计算机协议自动进行，和/或由操作员手动进行。
尽管图1和图2示出了在陆地上的油田中进行的地震勘测和钻探，然而地震勘测和石油勘探的相同原理和类似工具也可以适用于水下油田。另外，尽管图1和图2示出了在单个位置处测量的单个油田，然而油田应用可以与一个或多个油田、一个或多个加工设施和一个或多个井场的任何组合一起使用。
图3是根据本公开的一个实施例的用于地震处理的方法的流程图。方法300包括在步骤S301中从一个或多个地震源和接收器处获得地震数据，以及速度模型。地震接收器可以是一个或多个物理地震采集装置，例如地震检波器，其从地下物理层的勘测中采集。在步骤S302中，通过在零时间(T＝0)用双程波动方程的有限差分(FD)模拟来计算波场p，然后进行步骤S303，在时间T捕获波场(即拍摄快照)，时间T是从T＝0开始以dT为增量。在步骤S304中，以单程方程传播波场p，以便沿指定的传播方向衰减能量。因此，在步骤S304中对全波场p进行滤波。结果，在步骤S305中获得指定方向衰减的波场的时间导数，即滤波后的波场的时间导数。在步骤S306中，将时间戳T增加时间差dT，并且重复步骤S302至S307，直到T大于预设值Tmax。这样，获得了全波场的一系列快照以及相应数量的滤波后的波场。
在一个实施例中，步骤S301可以采用一维标量声波波动方程，即方程(1)：
其中，p表示总的波场，v表示声波速度。二阶波动方程(1)的两个解是：
p＝pl+pr (4)
其中，pl和pr分别表示左向波场和右向波场。
方程(2)到(4)可以重写为：
通过组合方程(5)和(6)，得到方程(7)
其中是方向单位矢量，或者方向余弦。方程(7)提供了沿/>(即切向)传播的波场。应注意的是，该切向由用户来确定。方程(7)对于二维或三维的情况来说也是有效的。沿着与/>相反的方向的波场可通过将方程(7)中的“-”更改为“+”来得到。
另外，方程(7)的增强版本可表示为：
其中，||.||代表L2范数；r是一个连续加权系数，定义为：
其中，α是用户定义的处于0.0到1.0之间的参数，用于控制远离方向的滤波效果。波场p的矢量是p的空间梯度。当α＝1.0时，用x/x1代替/>则方程(8)与方程(7)相同。当α较小时，通过将“±”分别更改为“+”或“-”，可以保持或过滤掉更多远离优选方向的能量。这样，滤波效果不仅限制在一个目标方向，而且可以在离开目标方向的可调角度内实施。
方程(7)或(8)表明，波场滤波器的输出是波场的时间导数。计算波场的时间导数和空间梯度的计算成本为O(N)－大O表示法，其中N代表波场模拟中的网格总数。在许多情况下，时间导数和空间梯度在每个步骤中已经可用于波场模拟，因此使用本公开的方法的计算成本较低。
图4到7显示了数值示例，其示出了本公开的方法的结果。图4显示了SEG(勘探地球物理学家学会)的3D盐模型的2D切片。模型尺寸为10km x 4km，采集点的间隔为25m。能量源位于深度Z＝1.25km和X＝2.5km。该仿真使用0.002s的时间步长，以及10Hz主频的Ricker小波。
图5分别显示了0.2s(上方图)、1.0s(中间图)和2.0s(底部图)处的全波场快照。全波场通过有限差分(FD)模拟来计算，分别在时间和空间上具有2阶和4阶精度。左图和右图相同。没有在任何方向上应用滤波，因此波在所有方向上传播。
图6和7示出了与图5相同的波场快照，但是图6和7中的快照是经过滤波的。在应用了基于方程(7)的波场滤波器后，向东(左图)和向上(右图)波场衰减，得到图6中的结果。另一方面，在应用了基于方程(8)的波场滤波器后，向东(左图)和向上(右图)的波场衰减，得到图7中的结果。特别地，在图7中，使用α＝0.25，这等效于衰减离开目标方向约80度的所有波场。图5中的全波场与图6和7中的衰减波场之间的比较表明，波场滤波器方法对于衰减沿某些方向传播的波能效果很好。特别地，方程(8)中所示的增强滤波在衰减远离目标方向的波场方面方面表现得更好。
在图像处理中，滤波后的波场快照可用于衰减由沿某些方向传播的不良波场所引起的噪声，并增强沿相反方向传播的理想波场的微弱信号。例如，如果震源波场和接收器波场的上行波场均已衰减(图7中的右图)，则逆时偏移图像将没有强烈的低波数后向散射伪影。类似地，如果保留了右向或左向的波场(图7中左图)，则可以增强具有陡倾角的复杂盐侧翼的图像。此外，具有较强的上行向后散射噪声衰减的波场对于角度分解算法(例如光流和Poynting矢量)来说更有利，以更好地定义信号的波传播方向，从而生成更可靠的逆时角度道集，以进行角度与幅度的分析。
在一些实施例中，本文描述的任何方法可以由计算系统执行。该计算系统可以包括计算机或计算机系统，其可以是单独的计算机系统或多个分布式计算机系统。该计算机系统包括一个或多个分析模块，其被配置为根据一些实施例执行各种任务，例如本文公开的一种或多种方法。为了执行这些各种任务，分析模块独立地执行，或者与一个或多个处理器(其连接到一个或多个存储介质)协同执行。
处理器可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列，或者另一控制或计算设备。处理器可以连接到网络接口，以允许计算机系统通过数据网络与一个或多个附加的计算机系统和/或计算系统进行通信。
存储介质可以被实现为一种或多种计算机可读或机器可读的存储介质。该存储介质可以在位于一个设施中的计算机系统内，但是也可以分布在包括云在内的多个设施中。存储介质可以包括一种或多种不同形式的存储器，包括半导体存储设备，例如动态或静态随机存取存储器(DRAM或SRAM)、可擦除和可编程的只读存储器(EPROM)、电可擦除和可编程的只读存储器(EEPROM)和闪存、磁盘(例如固定盘、软盘和可移动盘)、其他磁性介质(包括磁带)、光学介质(例如光盘(CD)或数字视频磁盘(DVD))、盘，或者其他类型的光学存储设备，或其他类型的存储设备。可以在一个计算机可读或机器可读的存储介质上提供上述讨论的指令，或者可以在分布在具有可能多个节点的大型系统中的多个计算机可读或机器的可读存储介质上提供上述讨论的指令。这样的计算机可读或机器可读的存储介质被认为是物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指任何制造的单个部件或多个部件。一个或多个存储介质可以位于能运行机器可读指令的机器中，也可以位于远程站点，可以通过网络从该远程站点下载机器可读指令以执行。
应当注意，本文中公开的方法中的步骤可以通过运行信息处理设备中的一个或多个功能模块来实现，例如通用处理器或专用芯片，例如ASIC、FPGA、PLD，或其他合适的设备。这些模块、这些模块的组合和/或它们与通用硬件的组合都包括在本发明的保护范围内。
地质解释、模型和/或其他解释辅助可以以迭代的方式改进定义描述；该概念适用于本文讨论的方法。这可以包括使用基于算法的反馈环节，例如在计算设备和处和/或通过用户的人工控制，用户可以确定给定步骤、动作、模板、模型或曲线集是否足够精确，以评估所考虑的地下三维地质岩层。
尽管在前面的说明书中已经针对本公开的某些优选实施例描述了本公开，并且出于说明性的目的已经阐述了许多细节，但是对于本领域的技术人员来说明显的是，在不背离本公开的基本原理的前提下，本公开可以进行修改，并且这里描述的一些其它细节可以有较大的修改。另外，应当理解，在本文的任何一个实施例中示出或描述的结构特征或方法步骤也可以在其他实施例中使用。
Claims (3)
1.一种用于地震处理的方法，包括：
使用多个地震接收器和一个或多个地震震源进行地震勘测，以在地下区域中采集地震数据，所述地震数据包含地震波形；
基于所述地下区域的地震速度和密度模型，使用所采集的地震数据生成在多个对应的传播时间步处的多个全波场；和
对所述多个全波场应用波场滤波器，得到多个经滤波的波场，
其中，所述多个经滤波的波场中的每一个波场在目标方向或与目标方向相反的方向上被衰减，
其中，所述多个全波场中的每一个波场在所有方向上传播，
其中，所述多个经滤波的波场中的每一个波场的时间导数等于对应全波场的时间导数与目标方向上的波场函数和对应全波场的空间梯度之积之间的差值的一半，
其中，所述多个经滤波的波场中的每一个波场的时间导数表示为：
其中，||.||代表L2范数，v表示声波速度；r是一个连续加权系数，定义为：
其中，符号α是0到1之间的预设值，p表示总的波场，/>表示方向单位向量或方向余弦，t表示时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个地震接收器为地震检波器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个地震震源选自地震卡车或炸药震源。
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