压制叠前大角度道集干涉的提频方法
【专利摘要】本发明提供一种压制叠前大角度道集干涉的提频方法，包括：步骤1，面向叠前共成像点道集，分析资料随入射角增大的频变特征；步骤2，正演叠前共成像点道集干涉调谐机理和分角度道集叠加特征；步骤3，推导地层的层间干涉引起的周期陷频条件；步骤4，正演模拟超出地震资料频带的假陷频特征；步骤5，基于同源性构建防假频的角度数据匹配因子方程；步骤6，求解匹配因子，作用于大角度数据压制干涉调谐效应；步骤7，叠加处理后的叠前共成像点道集，完成对地震资料的拓频、提频。该压制叠前大角度道集干涉的提频方法使叠加成像资料频带有效拓宽、主频提高，克服传统方法在叠加成像资料上拓频、提频可能产生的假频和子波形变问题。
【专利说明】
压制叠前大角度道集干涉的提频方法
技术领域
[0001]本发明涉及地球物理勘探地震资料处理技术领域，特别是涉及到一种压制叠前大角度道集干涉的提频方法。
【背景技术】
[0002]我国陆相沉积储层具有厚度相对较薄、空间变化大的特点，会导致地震波在其中的传播发生薄互层的干涉效应。为提高薄互层储层的识别精度，最为重要的解决方法就是拓宽地震资料频带、提高数据主频。针对成像的叠后地震数据，目前常用的处理手段有Q滤波、拓频、分频等拓宽频带和提高主频的方法。Kjartansson (1979)提出反Q滤波针对地震波的传播随走时的增大，高频能量洗手衰减和相位畸变的问题，补偿地震波的振幅和相位，从而提高地震资料的主频，王捃等(2008)、张固澜等(2014)、余振等(2009)提出方法的改进。孙夕平等(2010 )、陈双全等(2015)应用拓频方法提高地震分辨率，该方法是将地震信号的波长压缩，从而达到拓宽地震资料的频带和提高地震数据主频的效果。余鹏等(2006)、杨贵祥等(2006)应用分频方法提高地震分辨率，该方法通过频谱分解，提取高频信息来实现提高地震资料频率的效果。这些方法对于提高薄互层的识别精度都发挥了一定的作用，但在资料的保真性方面还有待深究。成像的叠后地震数据是由共成像点道集叠加而成，其质量直接决定了叠后地震数据的品质。共成像点道集随着入射角度的增大，地震反射特征逐渐由高频向低频转变，大角度道集的薄互层干涉效应越发明显，这很大程度上影响了叠加后的地震资料的品质。大角度道集干涉调谐作用使得道集叠加成像资料的子波变形、频带变窄、主频降低、分辨率大幅降低。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种在压制大角度道集干涉调谐后，再叠加成像，叠加成像资料的子波特征和频带能够保持小角度道集特征，从而使叠加成像资料频带有效拓宽、主频提高的压制叠前大角度道集干涉的提频方法。
[0004]本发明的目的可通过如下技术措施来实现:压制叠前大角度道集干涉的提频方法，该压制叠前大角度道集干涉的提频方法包括:步骤1，面向叠前共成像点道集，分析资料随入射角增大的频变特征;步骤2，正演叠前共成像点道集干涉调谐机理和分角度道集叠加特征;步骤3，推导地层的层间干涉引起的周期陷频条件;步骤4，正演模拟超出地震资料频带的假陷频特征;步骤5，基于同源性构建防假频的角度数据匹配因子方程;步骤6，求解匹配因子，作用于大角度数据压制干涉调谐效应;步骤7，叠加处理后的叠前共成像点道集，完成对地震资料的拓频、提频。
[0005]本发明的目的还可通过如下技术措施来实现:
[0006]在步骤I中，叠前共成像点道集的同相轴对应着地下某反射点的反射信息，随着入射角度的不断增大，地层顶底相应反射点对应的同相轴被压缩在一个更狭窄的时窗范围内，从而造成调谐效应越来越明显，当时间厚度小于四分之一波长时，地层的顶底界面将无法在叠前共成像点道集上分辨开来。
[0007]在步骤2中，地层的时间厚度随着入射角的增加而减小；当入射角较小时，叠前角度域道集能够清晰的分辨出砂体的顶底界面，随着入射角度的不断增加，砂体顶底对应的地震反射波逐渐靠拢，最终变成一个波形，将不同角度道集叠加后，小角度叠加数据分辨率最高，大角度叠加数据的分辨率最低，全角度叠加数据的分辨率居中；由于调谐效应的影响导致大角度数据频谱向低频移动，进而引起角度数据之间的分辨率存在显著的差异，对于同一个地质体，当地层顶底厚度相对较小时，在不同的角度道集上其顶底反射特征会发生较为显著的变化;大角度数据和小角度数据来自地下同一个点的反射，借助数据的同源性，利用小角度数据恢复大角度数据缺失的高频信息，提高叠前共成像点道集和最终叠加地震数据的质量。
[0008]在步骤3中，设计一个三层模型，每层纵波速度和密度分别为Ct1、Ρ1，α2、ρ#ρα3、p3，模型中间夹层顶部时间为τ-t，底部对应的时间为τ+t，夹层的时间厚度为△ t = 2τ ;
[0009]当地震波f(x)垂直入射时，夹层顶底反射波相互干涉，形成反射波总波场s:
[0010]s = si(t_T)+s2(t+T) (8)
[0011 ]其中Si为夹层顶反射波场，S2为夹层底反射波场；
[0012]写成子波w与反射系数序列r的褶积形式:
[0013]s=w*[r(t-T)+r(t+T) ] (9)
[0014]将其转换到频率域，并求取总波场的功率谱:
[0015]S( ω ) =ff( ω ) {ri exp[-1 ω (t-τ)]+r2 exp[_i ω (t+τ)]} (10)
[0016]S*( ω )S( ω ) = I W( ω ) 12{ (ri+r2)2-4rir2sin2( ω τ)} (11)
[0017]其中ri和r2分别为夹层顶底反射系数，ω为频率；
[0018]假设夹层顶底反射系数为:π= -Γ2 = -r，则总波场为:
[0019]S*( ω )S( ω )=-4r2|ff( ω ) |2sin2( ωτ) (12)
[0020]当时间厚度与角频率的关系满足:At= 2nV?，η = 1，2，3，…时，功率谱出现零值点，对应频率为:f = n/At，n = l，2，3，...，这种在振幅谱上周期出现的零值点称为陷频点。[0021 ]在步骤4中，地层越薄，陷频点对应频率越大，估算地层厚度所需的高频信息越多；地震数据本身具有的陷频为有效信息，在处理过程中保留数据中的固有陷频信息，同时避免引入假陷频，应限定在原始频带范围内拓展资料的频率。
[0022]在步骤5中，首先构建大角度地震数据和小角度地震数据之间匹配误差的目标函数，然后通过求解该目标函数得到一个匹配因子，最后利用该匹配因子补偿大角度数据。
[0023]在步骤5中，构建的目标函数J为:
[0024]J=min I |T(FSfar-S_r) I 12+yR(F) (13)
[0025]其中，Sfar为大角度地震数据，S_r为小角度地震数据，F为匹配因子，T为稳定窗函数，μ是正则项权值，R(F)为正则约束项。
[0026]在步骤6中，基于上述目标函数，选取零相位振幅谱子波作为输入数据，令待求的匹配因子的二范数作为正则约束项，并对目标函数求导即可得到互均衡化因子F:
[0027]F= [ (TSfar)T(TSfar)+yI ]_1 [(TSfar)T(TSnear) ] (14)
[0028]其中I为正则化特征矩阵；
[0029]对计算得到的角度地震数据互均衡化因子进行零相位处理，将最终得到的因子作用到大角度叠加数据，得到校正后的地震数据。
[0030]本发明中的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，依据叠前共成像点道集特征和资料叠加成像流程，依据数据同源性，构建大角度数据与小角度数据匹配关系方程，求解匹配因子并应用于压制大角度数据的干涉调谐效应。在压制大角度道集干涉调谐后，再叠加成像，叠加成像资料的子波特征和频带能够保持小角度道集特征。从而使叠加成像资料频带有效拓宽、主频提高。本发明在叠前共成像点道集上压制大角度数据的干涉调谐作用，叠前共成像点道集数据叠加不会产生由大角度数据的干涉调谐产生的累加效应，避免了传统方法引起子波变形、频带变窄、分辨率降低问题。地震数据既具有较高的保真度，也具有较高的分辨率。
【附图说明】
[0031]图1为本发明的压制叠前大角度道集干涉的提频方法的一具体实施例的流程图；
[0032]图2为本发明的一具体实施例中CB293井旁叠前共成像点道集的示意图；
[0033]图3为本发明的一具体实施例中时间厚度随入射角的变化的示意图；
[0034]图4为本发明的一具体实施例中合成地震角度道集的示意图；
[0035]图5为本发明的一具体实施例中小角度与大角度数据的振幅谱的示意图；
[0036]图6为本发明的一具体实施例中三层模型的示意图；
[0037]图7为本发明的一具体实施例中地层时间厚度为25ms时地层干涉与陷频的示意图；
[0038]图8为本发明的一具体实施例中地层时间厚度为50ms时地层干涉与陷频的示意图；
[0039]图9为本发明的一具体实施例中地层干涉模型的示意图；
[0040]图10为本发明的一具体实施例中地层干涉假陷频模型的示意图；
[0041]图11为本发明的一具体实施例中过埕北84井小角度叠加数据的示意图；
[0042]图12为本发明的一具体实施例中过埕北84井处理前大角度叠加数据的示意图；
[0043]图13为本发明的一具体实施例中过埕北84井处理后大角度叠加数据的示意图；
[0044]图14为本发明的一具体实施例中过埕北84井处理前后大角度叠加数据振幅谱的示意图；
[0045]图15为本发明的一具体实施例中匹配处理前过CB293全道集叠加剖面的示意图；
[0046]图16为本发明的一具体实施例中匹配处理后过CB293全道集叠加剖面的示意图。
【具体实施方式】
[0047]为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
[0048]如图1所示，图1为本发明的压制叠前大角度道集干涉的提频方法的流程图。
[0049]步骤101:面向叠前共成像点道集，分析资料随入射角增大的频变特征；
[0050]地震叠前地震共成像点道集受调谐干涉的影响，导致地层时间厚度随着入射角的变化而变化，产生于入射角有关的频率缺失，进而引起振幅、频率、波形特征的畸变。叠前共成像点道集的同相轴对应着地下某反射点的反射信息，随着入射角度的不断增大，地层顶底相应反射点对应的同相轴被压缩在一个更狭窄的时窗范围内，从而造成调谐效应越来越明显，当时间厚度小于四分之一波长时，地层的顶底界面将无法在叠前共成像点道集上分辨开来。图2为CB293井旁道地震叠前共成像点道集，在2s处，当入射角较小时，瞬时频率较大，地层顶底能够分开;而当入射角较大时，瞬时频率较小，地层顶底界面对应的同相轴逐渐靠拢，分辨率较低。叠前共成像点道集与叠后剖面中的调谐效应产生的机理不同，叠后剖面的调谐效应是由于地层的实际厚度小于四分之一波长而导致地层在地震剖面上无法分辨，而叠前共成像点道集则是由于随着入射角度的增大，地层之间厚度减小，从而导致在入射角较大时产生明显的调谐效应。
[0051]步骤102:正演叠前共成像点道集干涉调谐机理和分角度道集叠加特征；
[0052]为了更为清晰的描述这一现象，研究其形成机理，根据研究区域目的层段地震数据的地球物理特征，设计了相应数学模型(如图3所示)，通过正演模拟叠前道集时间厚度随入射角的变化特征。
[0053 ]图3中Vp、Vs、Rho分别代表井纵波速度、横波速度和密度，各地层的具体参数如图中所示。图3描述了砂体顶底时间厚度随入射角的变化特征，从图中可以看出，地层的时间厚度随着入射角的增加而减小。由合成叠前地震角度域道集(如图4所示)可以看出，当入射角较小时，叠前角度域道集能够清晰的分辨出砂体的顶底界面;而随着入射角度的不断增加，砂体顶底对应的地震反射波逐渐靠拢，最终变成一个波形。因此，将不同角度道集叠加后，小角度叠加数据分辨率最高，大角度叠加数据的分辨率最低，全角度叠加数据的分辨率居中。图5为根据模型叠前道集合成的小角度部分叠加数据和大角度部分叠加数据频谱，通过频谱对比可以看出，由于调谐效应的影响导致大角度数据频谱向低频移动，进而引起角度数据之间的分辨率存在显著的差异。因此，对于同一个地质体，当地层顶底厚度相对较小时，在不同的角度道集上其顶底反射特征会发生较为显著的变化，其主要原因是大角度地震数据上砂体顶底界面反射波相互干涉，造成大角度数据波形变“宽”，叠加后拉低了地震资料的分辨率。
[0054]大角度数据和小角度数据来自地下同一个点的反射，如果借助数据的同源性，利用小角度数据恢复大角度数据缺失的高频信息，将有效提高叠前共成像点道集和最终叠加地震数据的质量。
[0055]步骤103:推导地层的层间干涉引起的周期陷频条件；
[0056]利用小角度数据恢复大角度数据缺失的高频信息，与其他的拓频、提频方法一样，需要注意地震数据的陷频现象，避免出现假频。地震资料的陷频现象可以分为地质引起的固有陷频和处理引入的人为陷频，谱分解估计地层时间厚度正是利用了地层干涉在地震资料中产生的陷频信息。为进一步分析陷频现象产生的原因，如图6所示，设计了一个三层模型，每层纵波速度和密度分别为αι、Ρι，α2、p2和α3、p3，模型中间夹层顶部时间为τ-t，底部对应的时间为τ+t，夹层的时间厚度为Δ? = 2τ。
[0057]当地震波f(x)垂直入射时，夹层顶底反射波相互干涉，形成反射波总波场:
[0058]s = si(t_T)+s2(t+T) (15)
[0059]写成子波w与反射系数序列r的褶积形式:
[0060]s=w*[r(t-T)+r(t+T) ] (16)
[0061]将其转换到频率域，并求取总波场的功率谱:
[0062]S(ω)=ff(ω){ri exp[-1 ω(t-τ)]+r2 exp[_iω(t+τ)]} (17)
[0063]S*( ω )S( ω ) = I W( ω ) 12{ (ri+r2)2-4rir2sin2( ω τ)} (18)
[0064]假设夹层顶底反射系数为:ri= -r2 = -r，则总波场为:
[0065]S*(o)S(o)=-4r2 Iff(Q)I2Sin2(QT) (19)
[0066]当时间厚度与角频率的关系满足:At= 2nV?，n = l，2，3，…时，功率谱出现零值点，对应频率为:f = η/ Δ t，η = I，2，3，…，这种在振幅谱上周期出现的零值点称为陷频点，其主要原因是地层顶底界面反射波的干涉作用。
[0067]步骤104:正演模拟超出地震资料频带的假陷频特征；
[0068]图7和图8直观地说明了地层时间厚度与数据振幅谱中陷频点的对应关系，图7(a)和图8(a)为时间域地震波波形，图7(b)和图8(b)为数据振幅谱，可以看到当地层时间厚度为25ms时，振幅谱中陷频点再40Hz处，时间厚度为50ms时，陷频点在20、40、60Ηζ处。地层越薄，陷频点对应频率越大，估算地层厚度所需的高频信息越多。
[0069]通过上述分析可知，地震数据本身蕴含的陷频信息是地下地层响应引起的，能够用于地层厚度估算。然而，拓宽地震资料频带的处理有可能引入假频。图9(a)展示了单界面对应的地震波波形，(b)为该数据的振幅谱。该数据的主频为20Hz，高截频到60Hz。
[0070]对图9(a)中数据做拓频处理，为过分追求高频，而将数据频带拓宽到100Hz，图9(b)为处理后的数据振幅谱，数据频带拓宽到100Hz，对应数据波形如图10(a)所示，可以看到波形中多了两个同相轴，形成假界面响应，会造成错误的地质解释。地震数据本身具有的陷频为有效信息，在处理过程中要尽量保留数据中的固有陷频信息，同时要尽可能避免引入假陷频，应限定在原始频带范围内拓展资料的频率。
[0071]步骤105:基于同源性构建防假频的角度数据匹配因子方程；
[0072]基于同源小角度数据的高频信息对大角度数据进行补偿，需要建立角度道集之间的匹配关系。首先需要构建大角度地震数据和小角度地震数据之间匹配误差的目标函数，然后通过求解该目标函数得到一个匹配因子，最后利用该匹配因子补偿大角度数据。该过程类似于反演方法，具有不适应性，为了提高目标函数求解的稳定性，需要在目标函数中引入正则化约束项，建立如下目标函数:
[0073]J=min I IT(FSfar-Snear) I 12+yR(F) (20)
[0074]其中，Sfar为大角度地震数据，S_r为小角度地震数据，F为匹配因子，T为稳定窗函数，μ是正则项权值，R(F)为正则约束项。
[0075]步骤106:求解匹配因子，作用于大角度数据压制干涉调谐效应；
[0076]基于上述目标函数，选取地震道集为输入数据，实现两种数据道与道之间的匹配，但是由于地震道集数据含有噪音以及陷频信息，会导致匹配信息的不稳定。为此，选取零相位振幅谱子波作为输入数据，地震子波既能够有效的反映地震数据的频率特征，又具有稳定的波形和频谱。令待求的匹配因子的二范数作为正则约束项，并对目标函数求导即可得到互均衡化因子:
[0077]F= [ (TSfar)T(TSfar)+yI ]_1 [ (TSfar)T(TSnear) ] (21)
[0078]为了使处理后的地震数据相位保持不变，对计算得到的角度地震数据互均衡化因子进行零相位处理。将最终得到的因子作用到大角度叠加数据，就可得到校正后的地震数据。在这一过程中，用于匹配的小角度数据是真实地震数据，匹配因子将大角度数据与之相关，不会出现超出小角度数据频谱频段的情况，没有引入假陷频。
[0079]步骤107:叠加处理后的叠前共成像点道集，完成对地震资料的拓频、提频。
[0080]对实际地震叠前数据试算，图11、图12、图13分别为过CB84井的小角度部分叠加数据、处理前的大角度部分叠加数据和处理后的大角度部分叠加数据，从图中看出，处理前的大角度数据分辨率较低，而处理后的大角度数据分辨率得到了明显的改善，与小角度部分叠加数据相当。图14为过CB84井处理前后的大角度部分叠加数据的振幅谱，通过对比可以看出处理后的大角度地震数据高频信息得到了有效的恢复，较好的保持了原有的陷频点，并未引入新的陷频。图15、图16为过CB293井处理前、后全道集叠加数据，可以看出处理后分辨率明显提高，与图11共成像点道集左边的小角度数据相当。
[0081]通过上述流程实现了地震资料保持了叠前资料小角度道集的波形、振幅特征，拓展了频带、提高了主频，效果明显。该方法与目前常用的叠后资料拓频、提频处理方法相比，具有波形、振幅保真性，没有引入假陷频，信息更加可靠。
【主权项】
1.压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，该压制叠前大角度道集干涉的提频方法包括: 步骤1，面向叠前共成像点道集，分析资料随入射角增大的频变特征； 步骤2，正演叠前共成像点道集干涉调谐机理和分角度道集叠加特征； 步骤3，推导地层的层间干涉引起的周期陷频条件； 步骤4，正演模拟超出地震资料频带的假陷频特征； 步骤5，基于同源性构建防假频的角度数据匹配因子方程； 步骤6，求解匹配因子，作用于大角度数据压制干涉调谐效应； 步骤7，叠加处理后的叠前共成像点道集，完成对地震资料的拓频、提频。2.根据权利要求1所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤I中，叠前共成像点道集的同相轴对应着地下某反射点的反射信息，随着入射角度的不断增大，地层顶底相应反射点对应的同相轴被压缩在一个更狭窄的时窗范围内，从而造成调谐效应越来越明显，当时间厚度小于四分之一波长时，地层的顶底界面将无法在叠前共成像点道集上分辨开来。3.根据权利要求1所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤2中，地层的时间厚度随着入射角的增加而减小；当入射角较小时，叠前角度域道集能够清晰的分辨出砂体的顶底界面，随着入射角度的不断增加，砂体顶底对应的地震反射波逐渐靠拢，最终变成一个波形，将不同角度道集叠加后，小角度叠加数据分辨率最高，大角度叠加数据的分辨率最低，全角度叠加数据的分辨率居中；由于调谐效应的影响导致大角度数据频谱向低频移动，进而引起角度数据之间的分辨率存在显著的差异，对于同一个地质体，当地层顶底厚度相对较小时，在不同的角度道集上其顶底反射特征会发生较为显著的变化；大角度数据和小角度数据来自地下同一个点的反射，借助数据的同源性，利用小角度数据恢复大角度数据缺失的高频信息，提高叠前共成像点道集和最终叠加地震数据的质量。4.根据权利要求1所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤3中，设计一个三层模型，每层纵波速度和密度分别为01、01，<12、02和€13、03，模型中间夹层顶部时间为τ-t，底部对应的时间为τ+t，夹层的时间厚度为△ t = 2τ ; 当地震波f(x)垂直入射时，夹层顶底反射波相互干涉，形成反射波总波场s: S = Sl(t-T)+S2(t+O(I) 其中S1为夹层顶反射波场，S2为夹层底反射波场； 写成子波W与反射系数序列r的褶积形式: s=w*[r(t_O+r(t+O ] (2) 将其转换到频率域，并求取总波场的功率谱: S(CO)=W(CO) {riexp[-1 ω (t-τ) ]+r2exp[-1 ω (t+τ) ]} (3) S*(co)S(co)=|W(co)| 2{ (ri+r2)2-4rir2sin2( ω τ)} (4) 其中ri和r2分别为夹层顶底反射系数，ω为频率； 假设夹层顶底反射系数为:π = T2 = -r，则总波场为: S*( ω )S( ω )=-4r2|ff( ω ) |2sin2( ωτ) (5) 当时间厚度与角频率的关系满足:At = 2ηV ω，η = I，2，3，…时，功率谱出现零值点，对应频率为:f = η/ Δ t，η = I，2，3，...，这种在振幅谱上周期出现的零值点称为陷频点。5.根据权利要求1所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤4中，地层越薄，陷频点对应频率越大，估算地层厚度所需的高频信息越多；地震数据本身具有的陷频为有效信息，在处理过程中保留数据中的固有陷频信息，同时避免引入假陷频，应限定在原始频带范围内拓展资料的频率。6.根据权利要求1所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤5中，首先构建大角度地震数据和小角度地震数据之间匹配误差的目标函数，然后通过求解该目标函数得到一个匹配因子，最后利用该匹配因子补偿大角度数据。7.根据权利要求6所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤5中，构建的目标函数J为:J = Hlin I I T(FSfar-Snear) | | 2+yR(F) (6) 其中，Sfar为大角度地震数据，S_r为小角度地震数据，F为匹配因子，T为稳定窗函数，μ是正则项权值，R(F)为正则约束项。8.根据权利要求7所述的压制叠前大角度道集干涉的提频方法，其特征在于，在步骤6中，基于上述目标函数，选取零相位振幅谱子波作为输入数据，令待求的匹配因子的二范数作为正则约束项，并对目标函数求导即可得到互均衡化因子F:F= [ (TSfar)T(TSfar)+yl]_1[(TSfar)T(TSnear) ] (7) 其中I为正则化特征矩阵； 对计算得到的角度地震数据互均衡化因子进行零相位处理，将最终得到的因子作用到大角度叠加数据，得到校正后的地震数据。
【文档编号】G01V1/30GK106033125SQ201610496021
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】张明振, 王兴谋, 石晓光, 陈先红
【申请人】中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院