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    基于反演的穩(wěn)定高效衰減補(bǔ)償方法

    2014-09-25 02:16:16王本鋒陳小宏李景葉陳增保劉國昌
    地球物理學(xué)報(bào) 2014年4期
    關(guān)鍵詞:反射系數(shù)振幅增益

    王本鋒,陳小宏,李景葉,陳增保,劉國昌

    1中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249 2中國石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249

    1 引言

    通過衰減補(bǔ)償獲得高分辨的地震資料,有利于地層或巖性解釋,提高油氣藏檢測(cè)或儲(chǔ)層反演的精度,是地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一.地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí),由于地下介質(zhì)的黏滯性以及非均勻性,經(jīng)歷了大地的Q值濾波過程,使得子波的高頻成分迅速衰減,垂向分辨率降低(Hargreaves and Calvert,1991;Varela etal.,1993).很多衰減模型都可以用來描述地震波的衰減過程,Toverud和Ursin(2005)利用零偏VSP數(shù)據(jù)比較了八種不同的衰減模型,效果相當(dāng),但是最常用的衰減頻散模型為Kolsky-Futterman模型.基于該模型,Wang(2002,2006)在波場延拓的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了具有大地濾波效應(yīng)的衰減補(bǔ)償公式以及正Q濾波公式;Wang(2011)在爆炸反射面的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了正Q濾波公式;Zhang和Ulrych(2007)利用貝葉斯理論和最小二乘反演策略,實(shí)現(xiàn)了衰減補(bǔ)償過程,得到了高分辨率的反射系數(shù)序列.

    反Q濾波過程可看成逆波場延拓或偏移的過程,消除大地Q值濾波的影響.相位校正是無條件穩(wěn)定的過程,但振幅補(bǔ)償具有不穩(wěn)定性,可以用振幅增益限制或其他穩(wěn)定性方法解決.Hale(1991)指出,在反Q濾波過程中,波場的直接顯式外推方法不穩(wěn)定,能量隨著深度的增加呈指數(shù)增加;隱式外推方法一定程度上是穩(wěn)定的,但是計(jì)算量大,效率低,難以向多維推廣,因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定的顯式外推方法成為關(guān)鍵問題.Hargreaves(1992)分析比較了一些簡單的反Q濾波方法,為利用濾波器的相似性質(zhì)實(shí)現(xiàn)反Q濾波奠定基礎(chǔ).趙建勛和倪克森(1992)借鑒串聯(lián)偏移的思想,將常Q算法推廣到深變Q模型;將串聯(lián)頻散補(bǔ)償算法與限幅補(bǔ)償算法相結(jié)合,更好地改善地震資料的分辨率.Wang(2002,2006)在波場延拓的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了反Q濾波公式,由于振幅補(bǔ)償?shù)牟环€(wěn)定性,提出了增益限制以及穩(wěn)定性方法;Yan和Liu(2009)將該穩(wěn)定性方法推廣到轉(zhuǎn)換波中,實(shí)現(xiàn)了疊前反射縱波以及PS轉(zhuǎn)換波的反Q濾波,但是該穩(wěn)定性方法對(duì)高頻成分沒有起到補(bǔ)償作用,以致在Q值較小時(shí),不能起到很好的補(bǔ)償作用.余振等(2009)對(duì)反Q濾波方法進(jìn)行了詳細(xì)研究,根據(jù)其實(shí)現(xiàn)形式將其分為三類:用級(jí)數(shù)展開作近似高頻補(bǔ)償?shù)姆碤濾波方法、基于波場延拓的反Q濾波方法以及其他的反Q濾波方法,并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析.Wang(2011)在爆炸反射面的基礎(chǔ)上,利用正Q濾波公式,借鑒反演的思想實(shí)現(xiàn)了地震記錄的衰減補(bǔ)償;忽略子波的影響進(jìn)行求解,即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)倪^程,但物理解釋困難.Zhang和Ulrych(2007)利用貝葉斯理論和最小二乘反演策略,實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)倪^程,得到了高分辨率反射系數(shù)序列,但是它只是利用時(shí)變子波與反射系數(shù)進(jìn)行褶積得到地震記錄,由于此方法涉及子波的提取過程,若子波提取不準(zhǔn),其誤差會(huì)影響反射系數(shù)反演的精度.姚振興等(2003)研究了深度域衰減補(bǔ)償方法,因?yàn)樯疃扔虻卣鹌拭媸鞘偷卣鹂碧降淖罱K成果.

    反Q濾波的過程需要知道Q的信息,常規(guī)的Q值提取方法有頻譜比法、上升時(shí)間法等(Zhang and Ulrych,2007);趙偉和葛艷(2008)在小波域利用零偏移距VSP資料對(duì)Q值提取進(jìn)行了分析.由于Q值求取困難,但其可利用Gabor變換,通過非穩(wěn)態(tài)反褶積提高地震記錄的分辨率,避開求取Q值的過程,直接求取反射系數(shù),得到高分辨的地震資料(Margrave etal.,2011).但是它要求子波以及衰減函數(shù)都是最小相位的,而實(shí)際資料一般為混合相位,假設(shè)偏離實(shí)際,會(huì)導(dǎo)致其在實(shí)際資料處理中失效.

    本文基于波場延拓正Q濾波公式,借鑒反演的思想,實(shí)現(xiàn)地震記錄的衰減補(bǔ)償,最終得到高分辨的地震記錄.由于反問題求解是一個(gè)不穩(wěn)定的問題,這也詮釋了衰減補(bǔ)償是一個(gè)不穩(wěn)定的過程;反問題的求解可通過正則化方法進(jìn)行,最終得到補(bǔ)償后的地震記錄.該過程避免了常規(guī)反Q濾波方法振幅補(bǔ)償不穩(wěn)定的缺陷,改善了振幅增益限制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法對(duì)Q值較小時(shí)欠補(bǔ)償?shù)木窒?

    2 方法原理

    在波場延拓的基礎(chǔ)上,Wang(2002)推導(dǎo)了反Q濾波公式,

    式中的兩個(gè)指數(shù)項(xiàng)分別為對(duì)振幅以及相位的校正項(xiàng).振幅校正項(xiàng)隨著時(shí)間和頻率的增加呈指數(shù)增加,這是導(dǎo)致振幅補(bǔ)償不穩(wěn)定的原因.鑒于其不穩(wěn)定性,Wang提出了增益限制方法和穩(wěn)定性方法,限制對(duì)高頻信號(hào)的補(bǔ)償.設(shè)振幅補(bǔ)償項(xiàng)為

    則增益限制方法對(duì)該補(bǔ)償項(xiàng)修改為

    整理公式(1),再利用其遞推關(guān)系式得

    比較穩(wěn)定反Q濾波方法與振幅增益限制方法,對(duì)無噪數(shù)據(jù),兩種方法都能對(duì)衰減的記錄起到穩(wěn)定化補(bǔ)償?shù)淖饔?,但在Q值較小的情況下,均表現(xiàn)為補(bǔ)償不足;對(duì)含噪數(shù)據(jù),增益限制會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況,穩(wěn)定的反Q濾波方法的補(bǔ)償效果表現(xiàn)為欠補(bǔ)償.

    鑒于振幅增益限制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法對(duì)Q較小情況下補(bǔ)償不足的缺陷,本文結(jié)合Wang(2011)以及Zhang和Ulrych(2007)的思想,基于正Q濾波公式,利用反演的策略,實(shí)現(xiàn)地震記

    錄的衰減補(bǔ)償.具有大地吸收效應(yīng)的正Q濾波公式為(Wang,2008)

    由于地震數(shù)據(jù)的帶限性,一般在有效頻帶內(nèi)求出有效頻率成分.公式(9)可離散化寫成方程組的形式,如公式(10)所示,

    其中,S為衰減的地震記錄,為實(shí)值序列;A 為包含衰減信息的復(fù)值矩陣;U為有效頻帶內(nèi)未衰減的地震記錄的頻譜,為復(fù)數(shù)序列.將方程(10)轉(zhuǎn)化為實(shí)值方程,如公式(11)所示,

    簡記為

    其中,d=S, L= [Re(A),-Im(A)], m=[Re(U);Im(U)].由于地震數(shù)據(jù)頻帶有限以及噪聲的污染,方程(12)的求解是不適定的.為此,考慮到地震數(shù)據(jù)頻譜的光滑性,采用正則化策略以及L2范數(shù)約束,構(gòu)建目標(biāo)泛函如下:

    其中,μ為正則化因子,D可以取為單位算子、一階微分算子或二階微分算子,其對(duì)應(yīng)的解方程為

    通過求解得到未衰減的地震記錄的頻譜,再經(jīng)傅里葉逆變換,得到補(bǔ)償后的地震記錄.若已知子波的信息,可利用反褶積技術(shù),得到高分辨的反射系數(shù)序列.

    另外,也可直接反演得到補(bǔ)償后的地震記錄.由公式(9)得

    將公式(15)離散化,得矩陣的形式,

    其中,u1是衰減的地震記錄,為實(shí)值序列;A是與衰減有關(guān)的復(fù)值矩陣;B是與傅里葉變換有關(guān)的復(fù)值矩陣;u2是未衰減的原始地震記錄,為實(shí)值序列.將方程(16)改寫為實(shí)值方程,

    其中,L2=Re(AB).由于地震數(shù)據(jù)頻帶有限以及噪聲的污染,方程(17)的求解是不適定的.為此,考慮到地震數(shù)據(jù)的光滑性,采用正則化策略以及L2范數(shù)約束,構(gòu)建目標(biāo)泛函如下:

    其中,μ為正則化因子,D可以取為單位算子、一階微分算子或二階微分算子.其對(duì)應(yīng)的解方程為

    通過求解方程(19),可直接得到補(bǔ)償后的地震記錄.

    對(duì)比公式(14)與公式(19),公式(14)中待求解的參數(shù)為地震記錄的有效頻率分量,而公式(19)中待求解的參數(shù)為地震記錄時(shí)間序列,相當(dāng)于全頻段的信息,計(jì)算量較大;且高頻成分易被噪聲干擾,不易處理.因此本文僅采用公式(14)對(duì)衰減問題進(jìn)行分析求解,得到有效頻帶內(nèi)的頻譜,再利用傅里葉逆變換得到未衰減的地震記錄.

    3 數(shù)值算例

    首先,對(duì)稀疏反射系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn).設(shè)地下有5個(gè)反射界面,分別位于200ms、600ms、1000ms、1400ms、1800ms處,利用雷克子波(主頻20Hz,采樣率為2ms),首先合成無衰減的地震記錄;其次,在Q值分別為400、200、100、50、25的情況下合成衰減的地震記錄,如圖1所示.

    圖1 (a)無衰減地震記錄;(b)不同Q值對(duì)應(yīng)的衰減記錄Fig.1 (a)Seismic record without attenuation;(b)Attenuated record with different Qvalues

    圖2 (a)振幅增益限制方法以及(b)穩(wěn)定化反Q濾波方法補(bǔ)償結(jié)果Fig.2 Compensated results by the(a)gain-limited method and(b)stabilized inverse Qmethod

    由圖1b可以看出,隨著Q值的減小,波衰減越快;傳播時(shí)間越長,波形畸變?cè)絽柡?首先利用振幅增益限制方法以及穩(wěn)定化的反Q濾波方法分別對(duì)衰減地震記錄進(jìn)行補(bǔ)償,結(jié)果如圖2a、2b所示;再利用本文方法對(duì)衰減地震記錄進(jìn)行補(bǔ)償,D取為單位矩陣,求得阻尼最小二乘解,得到補(bǔ)償后的地震記錄如圖3所示,另外D也可取為一階微分算子或二階微分算子.

    圖3 本文方法補(bǔ)償結(jié)果Fig.3 Compensated results by the proposed method

    由圖2a、2b可以看出,在無噪聲時(shí),增益限制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法均能對(duì)衰減地震記錄進(jìn)行穩(wěn)定性補(bǔ)償,但在傳播時(shí)間較長以及Q值較小時(shí),均不同程度地表現(xiàn)出補(bǔ)償不足;比較圖2a、2b可知,穩(wěn)定的反Q濾波方法補(bǔ)償結(jié)果相對(duì)較好.本文方法只利用正Q濾波公式,借鑒反演的策略實(shí)現(xiàn)衰減補(bǔ)償?shù)玫降挠涗洠瑢?duì)振幅和相位進(jìn)行了很好的校正,彌補(bǔ)了振幅增益限制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法對(duì)Q值較小時(shí)欠補(bǔ)償?shù)娜毕?該模型結(jié)果闡釋了該方法的穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點(diǎn).

    為了驗(yàn)證本文方法的抗噪性,對(duì)含弱隨機(jī)噪聲的地震記錄進(jìn)行處理.每道噪聲的最大振幅與信號(hào)的最大振幅比為2%,由于噪聲水平較小,在圖上幾乎觀察不到.含噪記錄、振幅增益限制方法補(bǔ)償結(jié)果、穩(wěn)定的反Q濾波方法補(bǔ)償結(jié)果以及本文方法補(bǔ)償結(jié)果如圖4所示.

    由圖4可以看出,振幅增益控制方法在Q值較小時(shí),振幅補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)放大了噪聲,出現(xiàn)了數(shù)值不穩(wěn)定的情形;穩(wěn)定的反Q濾波方法對(duì)噪聲有一定的適應(yīng)性,相對(duì)振幅增益控制方法,穩(wěn)定的反Q濾波方法的實(shí)用性更強(qiáng),但Q值較小時(shí)表現(xiàn)為欠補(bǔ)償.本文方法對(duì)含噪地震記錄能進(jìn)行較好的補(bǔ)償,補(bǔ)償結(jié)果優(yōu)于振幅增益控制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法.其關(guān)鍵在于正則化因子μ的選擇,噪聲水平較大時(shí),選擇較大的μ,會(huì)提高穩(wěn)定性,但是會(huì)降低補(bǔ)償效果,反之亦然.實(shí)際資料處理中,可通過反復(fù)試驗(yàn),最終確定μ的取值.

    圖4 (a)含噪衰減記錄;(b)增益控制補(bǔ)償方法;(c)穩(wěn)定的反Q濾波方法;(d)本文方法補(bǔ)償后的記錄Fig.4 (a)Noisy seismic records;(b)Compensated results by the gain-limited method;(c)Compensated results by the stabilized inverse Qmethod;(d)Compensated results by the proposed method

    上述討論的模型,反射系數(shù)為稀疏的,偏離實(shí)際情況,下面對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的偽反射系數(shù)序列進(jìn)行試驗(yàn),一定程度上更接近實(shí)際情況.圖5是反射系數(shù)序列以及利用雷克子波(主頻30Hz,時(shí)間采樣率為2ms)合成的無衰減的地震記錄.

    當(dāng)Q值分別取400、200、100、50、25時(shí),合成衰減地震記錄如圖6a所示,穩(wěn)定的反Q濾波方法以及本文方法對(duì)衰減地震記錄進(jìn)行補(bǔ)償,得到補(bǔ)償后的記錄如圖6b—6c所示.分析圖6可知,隨著Q值的減少以及傳播時(shí)間的增大,衰減越嚴(yán)重,且本文方法的補(bǔ)償結(jié)果優(yōu)于穩(wěn)定的反Q濾波方法.對(duì)比無衰減的地震記錄圖5b以及穩(wěn)定的反Q濾波方法圖6b和本文方法圖6c的補(bǔ)償結(jié)果可知,本文方法的精度最高,基本消除了衰減的影響;克服了傳統(tǒng)反Q濾波方法不穩(wěn)定的缺陷,彌補(bǔ)了Q值較低時(shí),穩(wěn)定的反Q濾波方法補(bǔ)償不足的局限性,其穩(wěn)定性好、精度高、補(bǔ)償效果好.

    圖5 (a)隨機(jī)反射系數(shù)序列;(b)無衰減的地震記錄Fig.5 (a)Random reflectivity series;(b)Seismic records without attenuation

    最后,將本文方法應(yīng)用于實(shí)際資料處理中,衰減補(bǔ)償前的地震記錄如圖7a所示,從圖上可以看出,地震記錄的振幅發(fā)生衰減,相位發(fā)生畸變.利用穩(wěn)定的反Q濾波方法以及本文方法對(duì)該記錄進(jìn)行補(bǔ)償;基于常Q模型(Q=100)得到衰減補(bǔ)償后的地震記錄如圖7b—7c所示,分別為穩(wěn)定的反Q濾波方法以及本文方法的補(bǔ)償結(jié)果.通過比較圖7a—7c知,地震記錄的分辨率得到提高(同相軸變細(xì)且連續(xù)),振幅得到補(bǔ)償、相位得到校正;特別是黑色圓圈以及箭頭所指位置,同相軸更加清晰且連續(xù),分辨率得到提高.圖7a—7c對(duì)應(yīng)的平均振幅譜如圖8所示,通過分析振幅譜曲線可知,補(bǔ)償后的地震記錄的振幅譜得到展寬,本文方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法均能達(dá)到提高分辨率的目的,且本文方法的補(bǔ)償效果更好.但補(bǔ)償后的歸一化振幅譜曲線低頻相對(duì)變?nèi)?,分析原因如下?/p>

    (1)由公式(9)可知,高頻相對(duì)低頻振幅值衰減較快,衰減補(bǔ)償前,峰值頻率較低,低頻為優(yōu)勢(shì)頻率;衰減補(bǔ)償后,相位得到校正、振幅得到補(bǔ)償,峰值頻率向中高頻移動(dòng)、中高頻相對(duì)低頻振幅補(bǔ)償較多,且高低頻放大不成比例;

    (2)實(shí)際Q值隨頻率變化,但本文采用常Q模型對(duì)衰減地震記錄進(jìn)行補(bǔ)償,Q值不精確也是導(dǎo)致歸一化的振幅譜低頻相對(duì)變?nèi)醯脑蛑?相對(duì)直接求解補(bǔ)償后的地震記錄而言,該方法只需求解有效頻帶內(nèi)的頻率分量,求解方程組的規(guī)模相對(duì)較小,計(jì)算效率較高,具體分析詳見討論部分.

    4 討論

    本文方法具有較好的穩(wěn)定性以及較高的精度,而且只計(jì)算有效頻帶內(nèi)的頻率分量,與直接計(jì)算未衰減的地震記錄相比具有較高的效率.分析如下:設(shè)N為地震記錄的長度,直接求解地震記錄方法,要求解的方程組的規(guī)模為N×N,本文方法只需求解規(guī)模為2 M×2 M的方程組,其中M是有效頻帶內(nèi)的頻點(diǎn)數(shù),一般情況下M<N/4.例如,dt=0.002s時(shí),則奈奎斯特頻率fn=250Hz,假設(shè)地震數(shù)據(jù)的最高頻率為fmax=120Hz,則.用高斯消去法解方程組時(shí),其計(jì)算量為,其中n為方程組的規(guī)模,從該計(jì)算量上可以看出,本文方法具有較高的效率.

    Wang(2011)基于反演的衰減補(bǔ)償,其求解的參數(shù)為反射系數(shù)序列,由上面的計(jì)算量分析可知,其計(jì)算量較大;其忽略子波的影響,即能起到補(bǔ)償?shù)淖饔?,物理成因解釋難.Zhang和Ulrych(2007)利用最小二乘的觀點(diǎn)求解反射系數(shù)序列,計(jì)算量與Wang的方法相當(dāng),但是其正演記錄為衰減子波與反射系數(shù)的褶積,它基于褶積機(jī)制,而不是接近實(shí)際的波動(dòng)方程機(jī)制;其次,子波估計(jì)不準(zhǔn)會(huì)對(duì)反射系數(shù)反演帶來誤差,影響反演的精度.本文的方法不涉及子波的問題,只起到衰減補(bǔ)償?shù)淖饔?,來提高地震記錄的分辨率,穩(wěn)定性好、精度高,且具有較高的計(jì)算效率.

    圖6 (a)不同Q值對(duì)應(yīng)的衰減地震記錄;(b)穩(wěn)定的反Q濾波方法;(c)本文方法衰減補(bǔ)償結(jié)果Fig.6 (a)Attenuated seismic records with different Qvalues;(b)Compensated records by the stabilized inverse Qmethod;(c)Compensated records by the proposed method

    本文的模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際數(shù)據(jù)處理都是在Q值已知的情況下進(jìn)行的,且Q為等效Q值.但是其可推廣到層Q以及連續(xù)變化的Q情形,再利用本文的方法進(jìn)行求解.但是,Q值的精確提取是一個(gè)比較困難的工作,Q值估計(jì)誤差會(huì)影響本文方法的處理效果,因此高精度的Q值提取方法,如基于全波形反演的Q值估計(jì)成為熱點(diǎn);再者,不直接求取Q值而實(shí)現(xiàn)提高分辨率目的的非穩(wěn)態(tài)反褶積,也逐漸成為了研究趨勢(shì).

    5 結(jié)論

    圖7 (a)補(bǔ)償前的地震記錄;(b)穩(wěn)定的反Q濾波方法;(c)本文方法補(bǔ)償后的地震記錄Fig.7 (a)Seismic records before compensation;(b)Compensated results by the stabilized inverse Qmethod;(c)Compensated records by the proposed method

    本文基于大地濾波的正Q濾波機(jī)制,借鑒反演的思想討論了一種新的衰減補(bǔ)償方法,可以得到補(bǔ)償后的地震數(shù)據(jù).該方法克服了傳統(tǒng)反Q濾波方法不穩(wěn)定的弊端,改善了振幅增益限制方法以及穩(wěn)定的反Q濾波方法補(bǔ)償不足的局限,具有穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點(diǎn);與其他直接反演地震記錄時(shí)間序列的方法相比,其只需求解有效頻帶內(nèi)的頻率成分,具有較高的效率;且該方法可以推廣到層Q以及Q值連續(xù)變化的情況,對(duì)振幅和相位同時(shí)進(jìn)行校正.模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際數(shù)據(jù)處理效果均驗(yàn)證了本文方法的有效性.

    圖8 地震剖面的平均振幅譜對(duì)比黑線對(duì)應(yīng)圖7a,藍(lán)線對(duì)應(yīng)圖7b,紅線對(duì)應(yīng)圖7c.Fig.8 Comparison of average amplitude spectra of seismic data Black line corresponds to Fig.7a;Blue line to Fig.7b;Red line to Fig.7c.

    Hale D.1991.Stable explicit depth extrapolation of seismic wavefields.Geophysics,56(11):1770-1777,doi:10.1190/1.1442989.

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