一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法及系统

1.本发明涉及地质勘探技术领域，特别是涉及一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法及系统。


背景技术：

2.非常规地层中往往富集有丰富的地质资源。目前，国内外相继开展了非常规地层的勘探与开发的研究。然而，非常规地层的岩性复杂、致密、非均质性强，造成压裂实施困难，弄清非常规地层中的裂隙、孔洞等微构造至关重要。远探测声波成像测井可以探测井周数十米内的裂缝、孔洞型储层的地层信息，为非常规地层精细描述提供新的高精度识别手段，如何远探测声波成像测井进行非常规地层的井周构造评价是一项前景广阔且极具挑战的工作。
3.远探测声波测井对于评价非常规地层井旁构造信息有着重要的意义，但是远探测声波测井成像方法主要以反射波为主，对于绕射波的分离与成像研究不足。由于绕射波本身能量较弱，且随着传播时间的延续，振幅衰减较快，而远探测声波数据中井眼模式波、反射波、转换波能量较强，容易掩盖能量较弱的绕射波场，使得绕射波研究具有极大的挑战性。因此，如何将能量较弱的绕射波从能量较强的镜面反射波中分离出来是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法及系统。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法，包括：
7.基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据；
8.对所述绕射波信号数据分别进行高精度走时估计和倾角域走时校正，得到绕射波成像数据。
9.优选地，还包括：
10.在得到分离后的绕射波信号数据过程中，根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化。
11.优选地，还包括：
12.采用二维交错网格有限差分与复频移完全匹配层吸收边界的方法对所述绕射波成像数据进行数值模拟，得到模拟结果。
13.优选地，所述基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据，包括：
14.针对所述反射数据和所述绕射数据中的时间域叠前或叠后数据进行傅里叶变换，
在频率域构建hankel矩阵；
15.基于奇异值分解技术对所述hankel矩阵进行有效分解；
16.结合奇异值曲线曲率计算公式，估计反射波和绕射波秩的阈值；
17.通过秩减算法重构绕射波hankel矩阵；
18.根据重构的绕射波hankel矩阵得到所述绕射波信号数据。
19.优选地，所述根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化，包括：
20.对所述奇异值曲线进行平滑和曲率计算，得到奇异值曲线曲率模型；
21.根据所述奇异值曲线曲率模型确定所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩的位置。
22.一种远探测声波测井绕射波分离与成像系统，包括：
23.分离模块，用于基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据；
24.反射模块，用于对所述绕射波信号数据分别进行高精度走时估计和倾角域走时校正，得到绕射波成像数据。
25.优选地，还包括：
26.优化模块，用于在得到分离后的绕射波信号数据过程中，根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化。
27.优选地，还包括：
28.验证模块，用于采用二维交错网格有限差分与复频移完全匹配层吸收边界的方法对所述绕射波成像数据进行数值模拟，得到模拟结果。
29.优选地，所述分离模块具体包括：
30.矩阵构建单元，用于针对所述反射数据和所述绕射数据中的时间域叠前或叠后数据进行傅里叶变换，在频率域构建hankel矩阵；
31.分解单元，用于基于奇异值分解技术对所述hankel矩阵进行有效分解；
32.估算单元，用于结合奇异值曲线曲率计算公式，估计反射波和绕射波秩的阈值；
33.重构单元，用于通过秩减算法重构绕射波hankel矩阵；
34.分离单元，用于根据重构的绕射波hankel矩阵得到所述绕射波信号数据。
35.优选地，所述优化模块具体包括：
36.计算单元，用于对所述奇异值曲线进行平滑和曲率计算，得到奇异值曲线曲率模型；
37.确定单元，根据所述奇异值曲线曲率模型确定所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩的位置。
38.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
39.本发明提供了一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法及系统，方法包括：基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据；对所述绕射波信号数据分别进行高精度走时估计和倾角域走时校正，得到绕射波成像数据。本发明能够基于多道奇异分析，研究低秩约束下的绕射波分离方法，解决在声波波场反射波能量较强情况下绕射波分离难题，使得分离的绕射波具有波形一致性和完整性；其次，利
用绕射波极性和振幅等动力学特征，研究二维角度域绕射波动力学成像机制，提高绕射波成像分辨率。
附图说明
40.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明提供的实施例中的方法流程图。
具体实施方式
42.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，所描述的实施例仅仅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做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。
43.本发明的目的是提供一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法及系统，能够解决在声波波场反射波能量较强情况下绕射波分离难题，使得分离的绕射波具有波形一致性和完整性，并提高绕射波成像分辨率。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.图1为本发明提供的实施例中的方法流程图和技术路线示意图，如图1所示，本发明提供了一种远探测声波测井绕射波分离与成像方法，包括：
46.步骤100：基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据；
47.步骤200：对所述绕射波信号数据分别进行高精度走时估计和倾角域走时校正，得到绕射波成像数据。
48.本实施例首先基于多道奇异分析，研究低秩约束下的绕射波分离方法，解决在声波波场反射波能量较强情况下绕射波分离难题，使得分离的绕射波具有波形一致性和完整性；其次，利用绕射波极性和振幅等动力学特征，研究二维角度域绕射波动力学成像机制，提高绕射波成像分辨率；最后，开展数值模拟实验与非常规地层(例如干热岩)测井实际资料应用，验证方法的可靠性。
49.优选地，所述步骤100包括：
50.针对所述反射数据和所述绕射数据中的时间域叠前或叠后数据进行傅里叶变换，在频率域构建hankel矩阵；
51.基于奇异值分解技术对所述hankel矩阵进行有效分解；
52.结合奇异值曲线曲率计算公式，估计反射波和绕射波秩的阈值；
53.通过秩减算法重构绕射波hankel矩阵；
54.根据重构的绕射波hankel矩阵得到所述绕射波信号数据。
55.具体的，本实施例中的第一个步骤为低秩约束秩减分离，目前存在的方法，如pwd
滤波法，crs波前属性法，大多数仅考虑了反射波和绕射波的运动学差异，忽视了动力学差异，不利于绕射波成像。运动学特征：反射波遵守斯奈尔定律，绕射波遵守惠更斯原理，因此反射波一般表现为线性特征，而绕射波一般表现为双曲特征，二者呈现出完全不同的运动学特征。动力学特征：反射波是元绕射波场经过多次干涉叠加形成的具有较高能量的波场，而绕射波场由二次震源产生，一般其能量比反射波能量弱一至两个数量级。基于mssa的绕射波高质量分离技术流程：
56.a.针对时间域叠前或叠后数据进行傅里叶变换，在频率域构建hankel矩阵；
57.b.基于奇异值分解(svd)技术对hankel矩阵进行有效分解；
58.c.结合奇异值曲线曲率计算公式，估计反射波和绕射波秩的阈值；
59.d.利用秩减算子(截断svd)，通过秩减算法重构绕射波hankel矩阵；
60.e.根据重构的绕射波hankel矩阵，重构时间域高质量绕射波信号数据。
61.①
多道奇异谱分析(mssa)波场信号一般具有低秩性质，基于信号的线性性质和能量强度，以奇异值和奇异向量的相识表达信号，秩的大小与线性信号的个数紧密相关。假设df表示频域数据，则其在某一频率w0时，可表示为：
[0062][0063]
hankel矩阵构建：
[0064]
数据分解：
[0065]
其中，ωr为信号奇异值，ωn为噪音奇异值。
[0066]
信号分离：
[0067]
②
mssa绕射波分离反射波信号在共偏移距或叠后域中表现为线性形态，且具有较强的能量，而绕射波表现为双曲形态，能量较弱，为基于mssa的绕射波分离奠定理论基础。
[0068]
数学模型：d＝dr+dd+dn。
[0069]
反射绕射数据分解：
[0070]
其中，ωr为反射波奇异值，ωd为反射波奇异值，ωn为噪音奇异值。
[0071]
绕射波分离：
[0072]
优选地，还包括：
[0073]
在得到分离后的绕射波信号数据过程中，根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化。
[0074]
具体的，本实施例中秩的优选为在绕射波分离过程中，反射波信号的秩估计对于分离结果具有直接影响。由于奇异值与线性信号的能量直接相关，因此奇异值在阈值附近会发生急剧变化，即反射波的秩r1将出现在奇异值曲线最大曲率处，反射波+绕射波的秩r2阈值会出现在曲线第二大曲率处。
[0075]
平滑后的奇异值曲线：l＝[s1，s2，
…
sn]。
[0076]
奇异值曲线曲率计算：
[0077]
进一步地，本实施例中高精度绕射波成像包括两个步骤，具体如下：
[0078]
①
高精度走时估计：慢度矢量是射线追踪走时计算的关键参数，传统的走时计算通过低阶taylor展开估计单个各向异性参数，进而估计慢度矢量，但是低阶展开导致走时估计精度不足，不利于高精度成像。因此，采用高阶taylor展开可有效提高走时估计精度，提高成像效果。
[0079]
低阶taylor展开：
[0080][0081]
高阶taylor展开：
[0082][0083][0084]
②
倾角域走时校正常规校正公式中关键参数ξ表示观测成像点和地下绕射点水平距离与绕射点深度的比值，在实际情况下，很难判断和已知地下绕射点的位置，ξ是一个无法获取的地质信息参数。假设地下每一点都是小尺度绕射点所在位置，形式上更加简单，且相关参数减少，更具有实际应用价值和推广性。
[0085][0086]
优选地，还包括：
[0087]
采用二维交错网格有限差分与复频移完全匹配层吸收边界的方法对所述绕射波成像数据进行数值模拟，得到模拟结果。
[0088]
具体的，采用二维交错网格有限差分方法与复频移完全匹配层吸收边界，实现远探测声波测井在不同纵深、不同尺度和填充物的微构造非常规地层中的数值模拟，检验绕射波分离与角度域动力学成像方法。
[0089]
本实施例中还公开了上述技术方案的可行性分析，包括三部分内容，具体如下：
[0090]
(1)绕射波分离方法可行性分析目前大多数绕射波分离方法，都是以反射波和绕射波的运动学差异为分离基础，忽略了其动力学特征差异。在叠后域中，反射波一般可以被看作为平面波入射，同相轴表现为线性形态，而绕射波为非平面波入射，表现为双曲线形
态，二者表现出完全不同的运动学性质。利用其运动学特征差异压制反射波场，分离绕射波场。但反射波和绕射波作为地质体的波场响应，携带了表征地质体的丰富地质信息，除运动学信息外，其振幅和相位等动力学信息对于研究地质体构造和岩性等特征具有重要作用。此外，由于绕射波自身所携带能量较弱，容易受其他波场信息或噪声影响，仅考虑波场的运动学特征，不利于绕射波的准确成像。基于低秩约束的绕射波分离方法，考虑了反射波和绕射波场的运动学和动力学全波场特征差异，利用多道奇异谱分析(mssa)实现绕射波场的高质量分离。由于反射波和绕射波同相轴形态的运动学特征差异，以及反射波和绕射波能量动力学特征差异，导致其在奇异谱上具有不同的空间分布。通过分析信号能量与奇异值之间的相互联系，利用奇异谱的曲率差异进行阈值优选，仅考虑绕射波奇异值和奇异向量对绕射波信号进行重构，可获得高质量的绕射波场。
[0091]
(2)绕射波成像方法可行性分析在成像域中，反射波和绕射对于偏移速度的扰动具有不同的响应程度，反射波基本不受速度扰动的影响，表现出较弱的敏感性，而绕射波成像结果受偏移速度扰动影响较大，表现出较强的敏感性，且当偏移速度偏高或偏低时，绕射波表现出开口向下或向上的“笑脸”形态，当且仅当偏移速度准确时，绕射波才可以被完全收敛到绕射点位置。在倾角域中，反射波和绕射波具有类似于成像域的表现，最大的差别在于绕射波在倾角域和成像域中存在偏移速度误差时，同相轴的开口方向相反，有利于绕射波在倾角域和成像域中相互验证。因此，采用近似的倾角域绕射波走时校正公式，可以实现高精度绕射波成像。
[0092]
(3)远探测声波数值模拟方法可行性分析有限差分法是将偏微分方程中微分用差分来近似代替。采用的差分格式有多种，对于波动方程的数值模拟而言，差分格式有交错网格、旋转交错网格及lebedev网格，而交错网格是目前最为成熟、使用最为广泛的一种差分格式。在声波测井的数值模拟中，声波在固液界面会产生一种管波，这种波的存在对完美匹配吸收层(pml)方法提出了更高的要求。现今流行的几种pml方法有分裂式pml(spml)，多轴pml(mpml)，非分裂式pml(npml)及复频移pml(cfs-pml)。相比spml，cfs-pml能够更有效地吸收来自计算边界的反射导波；模拟时间较长时，spml会出现数值不稳定现象；当数值模拟参数相同时，cfs-pml比spml运算时间更快。在诸多pml方法中，cfs-pml是阵列声波fdtd模拟的最佳选择。因此采用二维交错网格有限差分方法与复频移完全匹配层吸收边界，能够实现远探测声波测井数值模拟并进行绕射波分离与成像方法检验。
[0093]
优选地，所述根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化，包括：
[0094]
对所述奇异值曲线进行平滑和曲率计算，得到奇异值曲线曲率模型；
[0095]
根据所述奇异值曲线曲率模型确定所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩的位置。
[0096]
本实施例还公开了一种远探测声波测井绕射波分离与成像系统，包括：
[0097]
分离模块，用于基于多道奇异分析方法对反射数据和绕射数据进行处理，得到分离后的绕射波信号数据；
[0098]
反射模块，用于对所述绕射波信号数据分别进行高精度走时估计和倾角域走时校正，得到绕射波成像数据。
[0099]
优选地，还包括：
[0100]
优化模块，用于在得到分离后的绕射波信号数据过程中，根据奇异值曲线对所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩进行优化。
[0101]
优选地，还包括：
[0102]
验证模块，用于采用二维交错网格有限差分与复频移完全匹配层吸收边界的方法对所述绕射波成像数据进行数值模拟，得到模拟结果。
[0103]
优选地，所述分离模块具体包括：
[0104]
矩阵构建单元，用于针对所述反射数据和所述绕射数据中的时间域叠前或叠后数据进行傅里叶变换，在频率域构建hankel矩阵；
[0105]
分解单元，用于基于奇异值分解技术对所述hankel矩阵进行有效分解；
[0106]
估算单元，用于结合奇异值曲线曲率计算公式，估计反射波和绕射波秩的阈值；
[0107]
重构单元，用于通过秩减算法重构绕射波hankel矩阵；
[0108]
分离单元，用于根据重构的绕射波hankel矩阵得到所述绕射波信号数据。
[0109]
优选地，所述优化模块具体包括：
[0110]
计算单元，用于对所述奇异值曲线进行平滑和曲率计算，得到奇异值曲线曲率模型；
[0111]
确定单元，根据所述奇异值曲线曲率模型确定所述反射数据的秩和所述绕射数据的秩的位置。
[0112]
本发明的有益效果如下：
[0113]
基于多道奇异分析，研究低秩约束下的绕射波分离方法，解决在声波波场反射波能量较强情况下绕射波分离难题，使得分离的绕射波具有波形一致性和完整性；其次，利用绕射波极性和振幅等动力学特征，研究二维角度域绕射波动力学成像机制，提高绕射波成像分辨率；最后，开展数值模拟实验与干热岩测井实际资料应用，验证方法的可靠性。
[0114]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0115]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。