一种解耦弹性波逆时偏移方法、系统及应用

1.本发明属于勘探地震学数据处理技术领域，尤其涉及一种解耦弹性波逆时偏移方法、系统及应用。


背景技术：

2.目前，在多波多分量勘探地震数据处理中，弹性波逆时偏移是当前成像精度最高的一种偏移方法。但由于其使用双程波信息进行波场延拓，在盐丘、断块、逆冲断层等复杂区域往往产生较强的低频噪音和偏移假象，降低了偏移结果的空间分辨率和成像信噪比，严重影响了后续地震解释的精度。此外，传统弹性波成像方法通常不采用纵横波场分离，直接使用延拓后的横向和垂向波场分量进行互相关成像，这使得成像结果的物理意义不明确，且容易造成严重的纵横波串扰噪音。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.(1)现有多波多分量弹性波逆时偏移方法，由于通过求解双程波动方程进行波场延拓，在盐丘、断块、逆冲断层等复杂区域往往产生较强的低频噪音和偏移假象，降低了成像分辨率和信噪比，严重影响了后续地震解释的精度。
5.(2)传统弹性波成像方法通常不进行纵横波场分离，直接使用延拓后横向和垂向弹性波场分量进行互相关成像，这使得成像结果的物理意义不明确，且容易造成严重的纵横波串扰噪音。
6.解决以上问题及缺陷的难度为：
7.(1)针对弹性波逆时偏移中出现的低频噪音，常规的处理方式为先使用弹性波逆时偏移获得带有低频噪音的成像结果，然后使用叠后拉普拉斯高通滤波器滤除低频噪音，该处理流程容易造成滤波后的成像结果相位畸变，并且成像振幅不准确。而直接在波场延拓和应用成像条件中，去除这些低频噪音的成像处理方法研究较少。
8.(2)为减少弹性波成像中纵横波串扰噪音，需要在应用成像条件之前，对延拓后的震源和检波点波场进行纵横波分离，使用简单的亥姆霍兹分解虽然可以提取纯纵波和纯横波波场，但同时也造成了分离后的波场相位和振幅与原始波场不一致，导致最终的成像振幅不准确。
9.解决以上问题及缺陷的意义为：
10.(1)本发明专利将针对弹性波逆时偏移低频噪音这一问题，通过震源和检波点波场线性组合构建一种全新的阻抗敏感核函数，并使用该敏感核函数计算零延迟互相关成像条件，以达到在成像过程中直接去除低频噪音的效果，该技术方法能够大幅提升弹性波逆时偏移结果的成像信噪比和空间分辨率。
11.(2)此外，本发明提出了一种新型真振幅矢量波亥姆霍兹波场分解方法，与常规简单标量亥姆霍兹分解相比，该方法首先通过求解泊松方程获得辅助波场，然后对辅助波场应用两次散度和旋度运算，获得分离的真振幅矢量纯纵波和纯横波波场，这一技术方法可显著改善弹性波逆时偏移成像振幅的保真性。


技术实现要素：

12.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解耦弹性波逆时偏移理论方法、处理算法和技术流程，尤其涉及一种基于矢量亥姆霍兹分解和阻抗敏感核成像条件的解耦弹性波逆时偏移理论方法、高效算法和处理流程，旨在解决弹性波逆时偏移中低频噪音和纵横波串扰假象问题。
13.本发明是这样实现的，一种解耦弹性波逆时偏移方法，所述解耦弹性波逆时偏移方法包括：获取输入地震记录、地震子波、密度及速度模型；通过求解弹性波波动方程，获得震源和检波点延拓波场；使用矢量亥姆霍兹分解进行波场分离，获得分离的真振幅的纯纵(p)波和纯横(s)波矢量波场；使用弹性波阻抗敏感核函数计算成像条件，获得高精度pp和ps成像结果；叠加所有炮集成像结果，获得最终的偏移成像剖面。
14.进一步，所述解耦弹性波逆时偏移方法包括以下步骤：
15.步骤一，获取输入数据；其中，所述输入数据包括：纵波偏移速度模型v
p
(x)、横波偏移速度模型v
s
(x)、密度模型ρ(x)、震源函数子波f(t)、多波多分量观测数据d(x
r
,t)，为后续波场延拓提供模型和地震数据基础；
16.步骤二，根据输入的震源子波f(t)、密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)和横波速度模型v
s
(x)，通过求解一阶速度
‑
应力弹性波动方程，计算震源一侧延拓的矢量波场u
s
(x,t)，为后续波场分离和应用成像条件提供所需的震源波场；
17.步骤三，根据输入的密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)、横波速度模型v
s
(x)和观测数据d(x
r
,t)，通过求解弹性波动方程，计算检波点矢量延拓波场u
r
(x,t)，为后续波场分离和应用成像条件提供所需的检波点波场；
18.步骤四，采用矢量亥姆霍兹分解对延拓的震源和检波点波场进行纵横波分离，提取矢量纯纵波和纯横波波场，这一创新性处理步骤能够消除纵波和横波在成像结果中的串扰噪音，改善成像质量，并使得成像结果具有明确的物理意义；
19.步骤五，获得分离后的震源和检波点波场后，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行互相关成像，获得pp和ps成像结果，该创新性处理步骤能够在应用成像条件时自动移除成像结果中的低频噪音，改善成像的信噪比和分辨率；
20.步骤六，将所有炮集的成像结果相加，获得最终的偏移成像剖面，并使用震源照明改善深部成像振幅的均衡性。
21.进一步，步骤二中，所述一阶速度
‑
应力弹性波动方程的形式为：
[0022][0023]
其中，x是成像空间位置，x
s
为震源位置，t为波场传播时间，u
s
＝[u
s,x u
s,y u
s,z
]
t
为震源偏振速度波场，σ
s
＝[σ
s,xx σ
s,yy σ
s,zz σ
s,xy σ
s,xz σ
s,yz
]
t
为震源应力波场，t为转置符号，δ为克罗内克函数。l为偏导数矩阵，c(x)为参数矩阵，具有如下表达式：
[0024][0025][0026]
进一步，步骤三中，所述弹性波动方程的表达式为：
[0027][0028]
其中，x
r
为检波点位置，l为偏导数矩阵，c(x)为参数矩阵，表达式为：
[0029][0030][0031]
进一步，步骤四中，所述采用矢量亥姆霍兹分解对震源和检波点波场进行纵横波分离，具有如下表达式：
[0032][0033]
其中，为梯度运算，为散度运算，为旋度运算，为分离后的纵波震源
波场，为的横波震源波场，为的纵波检波点波场，为的横波检波点波场。w
s
和w
r
为辅助矢量波场，可通过求解如下泊松方程获得：
[0034][0035]
其中，δ为拉普拉斯算子。
[0036]
进一步，步骤五中，所述获得分离后的震源和检波点波场后，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行互相关成像，获得pp和ps成像结果，具有如下表达式：
[0037][0038]
其中，为剪切模量，为体积模量，i为单位矩阵。
[0039]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的解耦弹性波逆时偏移方法的解耦弹性波逆时偏移系统，所述解耦弹性波逆时偏移系统包括：
[0040]
输入数据获取模块，用于获取输入数据；其中，所述输入数据包括：纵波偏移速度模型v
p
(x)、横波偏移速度模型v
s
(x)、密度模型ρ(x)、震源函数子波f(t)、多波多分量观测数据d(x
r
,t)；
[0041]
震源矢量延拓波场计算模块，用于根据输入的震源子波f(t)、密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)和横波速度模型v
s
(x)，通过求解一阶速度
‑
应力弹性波动方程，计算震源矢量延拓波场u
s
(x,t)；
[0042]
检波点矢量延拓波场计算模块，用于根据输入的密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)、横波速度模型v
s
(x)和观测数据d(x
r
,t)，通过求解弹性波动方程，计算检波点矢量延拓波场u
r
(x,t)；
[0043]
纵横波分离模块，用于采用矢量亥姆霍兹分解对震源和检波点波场进行纵横波分离；
[0044]
成像结果获取模块，用于获得分离后的震源和检波点波场后，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行互相关成像，获得pp和ps成像结果；
[0045]
偏移成像剖面获取模块，用于将所有炮集的成像结果相加，获得最终的偏移成像剖面，并使用震源照明改善深部成像振幅的均衡性。
[0046]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0047]
获取输入地震记录、地震子波、密度及速度模型；通过求解弹性波波动方程，获得震源和检波点延拓波场；使用矢量亥姆霍兹分解进行波场分离，获得分离的保幅的纯纵(p)
波和纯横(s)波矢量波场；使用弹性波阻抗敏感核函数计算成像条件，获得高精度pp和ps成像结果；叠加所有炮集成像结果，获得最终的偏移成像剖面。
[0048]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0049]
获取输入地震记录、地震子波、密度及速度模型；通过求解弹性波波动方程，获得震源和检波点延拓波场；使用矢量亥姆霍兹分解进行波场分离，获得分离的保幅的纯纵(p)波和纯横(s)波矢量波场；使用弹性波阻抗敏感核函数计算成像条件，获得高精度pp和ps成像结果；叠加所有炮集成像结果，获得最终的偏移成像剖面。
[0050]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的解耦弹性波逆时偏移系统。
[0051]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的解耦弹性波逆时偏移方法，首先使用矢量亥姆霍兹分解进行波场分离，获得保幅的纯纵(p)波和纯横(s)波矢量波场，然后使用弹性波阻抗敏感核函数计算成像条件，获得高精度pp和ps成像结果。
[0052]
基于本发明的方案，获取输入的地震数据、震源子波及模型参数之后，通过求解弹性波场方程获得延拓的震源和检波点矢量波场，然后使用矢量亥姆霍兹分解进行纵横波场分离，获得震源和检波点p波和s波矢量波场，最后使用基于弹性阻抗敏感核的成像条件进行互相关成像，得到最终的成像结果。与现有弹性波逆时偏移成像技术相比，本发明的技术方法采用矢量亥姆霍兹分解，可获得真振幅的纯p波场和s波场分离结果，进而避免偏移剖面中的串扰噪音，改善成像质量；此外，该技术方法使用弹性阻抗敏感核函数计算成像条件，可以很好的避免逆时偏移中出现的背景噪音，提高成像分辨率和信噪比，以辅助高精度纵横波联合地震解释。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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。
[0054]
图1是本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移方法流程图。
[0055]
图2是本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移方法原理图。
[0056]
图3是本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移系统结构框图；
[0057]
图中：1、输入数据获取模块；2、震源矢量延拓波场计算模块；3、检波点矢量延拓波场计算模块；4、纵横波分离模块；5、成像结果获取模块；6、偏移成像剖面获取模块。
[0058]
图4是本发明实施例提供的纵波速度模型v
p
(x)的示意图。
[0059]
图5是本发明实施例提供的横波速度模型v
s
(x)的示意图。
[0060]
图6是本发明实施例提供的传统基于散度和旋度波场分离和传统互相关成像条件的弹性波逆时偏移pp成像结果示意图。
[0061]
图7是本发明实施例提供的传统基于散度和旋度波场分离和传统互相关成像条件的弹性波逆时偏移ps成像结果示意图。
[0062]
图8是本发明实施例提供的基于矢量亥姆霍兹分解和传统互相关成像条件的弹性波逆时偏移pp成像结果示意图。
[0063]
图9是本发明实施例提供的基于矢量亥姆霍兹分解和传统互相关成像条件的弹性波逆时偏移ps成像结果示意图。
[0064]
图10是本发明实施例提供的基于矢量亥姆霍兹分解和阻抗敏感核成像条件的解耦弹性波逆时偏移pp成像结果示意图。
[0065]
图11是本发明实施例提供的基于矢量亥姆霍兹分解和阻抗敏感核成像条件的解耦弹性波逆时偏移ps成像结果示意图。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0067]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解耦弹性波逆时偏移方法、高效算法和处理流程，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0068]
如图1所示，本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移方法包括以下步骤：
[0069]
s101，获取输入地震记录、地震子波、密度及速度模型；
[0070]
s102，通过求解弹性波波动方程，获得震源和检波点延拓波场；
[0071]
s103，使用矢量亥姆霍兹分解，获得分离的真振幅纯纵波和纯横波波场；
[0072]
s104，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行偏移成像；
[0073]
s105，叠加所有炮集成像结果，获得最终的偏移成像剖面。
[0074]
本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移方法原理图如图2所示。
[0075]
如图3所示，本发明实施例提供的解耦弹性波逆时偏移系统包括：
[0076]
输入数据获取模块1，用于获取输入数据；其中，所述输入数据包括：纵波偏移速度模型v
p
(x)、横波偏移速度模型v
s
(x)、密度模型ρ(x)、震源函数子波f(t)、多波多分量观测数据d(x
r
,t)，这些输入为后续波场计算和偏移成像提高模型和数据基础；
[0077]
震源矢量延拓波场计算模块2，用于根据输入的震源子波f(t)、密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)和横波速度模型v
s
(x)，采用点源激发方式，通过求解一阶速度
‑
应力弹性波动方程，计算震源矢量延拓波场u
s
(x,t)；
[0078]
检波点矢量延拓波场计算模块3，用于根据输入的密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)、横波速度模型v
s
(x)和观测数据d(x
r
,t)，通过求解弹性波动方程，计算检波点矢量延拓波场u
r
(x,t)；
[0079]
纵横波分离模块4，采用矢量亥姆霍兹分解对震源和检波点波场进行纵横波分离，该创新型技术步骤能够获得真振幅纯纵波和纯横波矢量波场，保证成像结果的振幅有效性并避免纵横波串扰噪音；
[0080]
成像结果获取模块5，用于获得分离后的震源和检波点波场后，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行互相关成像，该创新型处理步骤能够在应用成像条件时自动移除低频噪音，获得高信噪比和高分辨率pp和ps成像结果；
[0081]
偏移成像剖面获取模块6，用于将所有炮集的成像结果相加，获得最终的偏移成像
剖面，并使用震源照明改善深部成像振幅的均衡性。
[0082]
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0083]
实施例1
[0084]
本发明为解决弹性波逆时偏移中低频噪音和纵横波串扰假象问题，本发明提出了一种基于矢量亥姆霍兹分解和阻抗敏感核成像条件的解耦弹性逆时偏移成像方法。该发明首先使用矢量亥姆霍兹分解进行波场分离，获得保幅的纯纵(p)波和纯横(s)波矢量波场，然后使用弹性波阻抗敏感核函数计算成像条件，获得高精度pp和ps成像结果。
[0085]
本发明基于阻抗敏感核的解耦弹性逆时偏移成像方法，包括：
[0086]
(1)获取输入数据，所述输入数据包括：纵波偏移速度模型v
p
(x)、横波偏移速度模型v
s
(x)、密度模型ρ(x)、震源函数子波f(t)、多波多分量观测数据d(x
r
,t)。
[0087]
(2)根据输入的震源子波f(t)、密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)和横波速度模型v
s
(x)，通过求解一阶速度
‑
应力弹性波动方程，计算震源矢量延拓波场u
s
(x,t)，所述的一阶速度
‑
应力弹性波动方程的形式为：
[0088][0089]
其中，x是成像空间位置，x
s
为震源位置，t为波场传播时间，u
s
＝[u
s,x u
s,y u
s,z
]
t
为偏振速度波场，σ
s
＝[σ
s,xx σ
s,yy σ
s,zz σ
s,xy σ
s,xz σ
s,yz
]
t
为应力波场，t为转置符号，δ为克罗内克函数。l为偏导数矩阵，c(x)为参数矩阵，具有如下表达式：
[0090][0091][0092]
(3)根据输入的密度模型ρ(x)、纵波速度模型v
p
(x)、横波速度模型v
s
(x)和观测数据d(x
r
,t)，通过求解弹性波动方程，计算检波点矢量延拓波场u
r
(x,t)，所述的弹性波动方程的表达式为：
[0093]
[0094]
其中，x
r
为检波点位置，l和c(x)与方程(2)和(3)具有相同表达式。
[0095]
(4)采用矢量亥姆霍兹分解对震源和检波点波场进行纵横波分离，具体表达式如下：
[0096][0097]
其中，为梯度运算，为散度运算，为旋度运算，为分离后的纵波震源波场，为的横波震源波场，为的纵波检波点波场，为的横波检波点波场。w
s
和w
r
为辅助矢量波场，可通过求解如下的泊松方程获得：
[0098][0099]
其中，δ为拉普拉斯算子。
[0100]
(5)获得分离后的震源和检波点波场后，使用弹性阻抗敏感核成像条件进行互相关成像，获得pp和ps成像结果，具体表达式如下：
[0101][0102]
其中，为剪切模量，为体积模量，i为单位矩阵。
[0103]
(6)将所有炮集的成像结果相加，获得最终的偏移成像剖面，并使用震源照明改善深部成像振幅的均衡性。
[0104]
本发明实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0105]
基于本发明的方案，获取输入的地震数据、震源子波及模型参数之后，通过求解弹性波场方程获得延拓的震源和检波点矢量波场，然后使用矢量亥姆霍兹分解进行纵横波场分离，获得震源和检波点p波和s波矢量波场，最后使用基于弹性阻抗敏感核的成像条件进行互相关成像，得到最终的成像结果。与现有弹性波逆时偏移成像技术相比，该技术方法采用矢量亥姆霍兹分解，可获得保幅的波场分离结果，进而避免偏移剖面中的串扰噪音，改善成像质量；此外，该技术方法使用弹性阻抗敏感核函数计算成像条件，可以很好的避免逆时偏移中出现的背景噪音，提高成像分辨率和信噪比，以辅助高精度纵横波联合地震解释。
[0106]
实施例2
[0107]
以下给出本说明是实施例在模型中的实际效果说明。
[0108]
将本发明所提供的方法应用于国际标准marmousi模型成像，取得了较理想的pp和ps成像结果。纵波速度模型(如图4所示)、横波速度模型(如图5所示)；采用3km的观测孔径，使用真实的速度模型进行全波形正演模拟，得到观测地震记录，共103个炮集数据；输入震源子波和偏移模型进行震源波场延拓，并反传观测地震记录获得检波点延拓波场，应用敏感核函数成像条件获得成像结果(如图10和图11所示)。为对比成像效果，使用常规基于旋度和散度波场分解和常规互相关成像条件的弹性波逆时偏移方法获得的成像结果如图6
‑
图7所示，使用矢量亥姆霍兹分解和常规互相关成像条件的弹性波逆时偏移方法获得的成像结果如图8
‑
图9所示。相比常规弹性波逆时偏移成像结果(如图6
‑
图9所示)，本说明书实施例的方案采用基于矢量亥姆霍兹分解和阻抗敏感核成像条件的弹性波逆时偏移，能够自动消除逆时偏移中的低频噪音，改善成像剖面分辨率和信噪比(如图10和11所示)，可大大提高后续地震解释的精度。在前述示意图中，distance对应于横坐标x，depth对应于纵坐标z。
[0109]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0110]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。