減小OVT片尺度的技術(shù)及應(yīng)用

瞿長(zhǎng)青,王東奎,王忠軍,馬建波,竇安迪

(中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司物探研究院,河南濮陽(yáng)457001)

近年來(lái),隨著地震勘探目標(biāo)愈趨復(fù)雜、地質(zhì)要求不斷提高,寬方位高密度地震勘探逐漸成為地震勘探的發(fā)展方向,作為面向?qū)挿轿坏卣鹳Y料的處理方法之一,OVT域地震資料處理越來(lái)越受到關(guān)注。

OVT(offset vector tile)通常被翻譯成炮檢距向量片,又稱為共偏移距向量(common offset vector,COV)。OVT概念最早由VERMEER[1]在研究十字排列最小數(shù)據(jù)集時(shí)提出,因?yàn)镺VT道集具有相近的偏移距和方位角,所以O(shè)VT道集也稱為共偏移距共方位角道集,OVT是十字排列道集內(nèi)的一個(gè)數(shù)據(jù)子集。在每一個(gè)十字排列上按照炮線距和檢波線距來(lái)劃分OVT片,每個(gè)OVT片都是沿炮線有限范圍內(nèi)的炮點(diǎn)和沿檢波線有限范圍內(nèi)的檢波點(diǎn)構(gòu)成,OVT具有限定范圍的偏移距和方位角[2]。將具有相同編號(hào)的OVT片組成OVT道集,這個(gè)OVT道集是均勻的,是覆蓋全工區(qū)的一次覆蓋。OVT道集的個(gè)數(shù)與滿覆蓋次數(shù)相等。

因?yàn)镺VT道集由具有大致相同的炮檢距和方位角的地震道組成,而且延伸到整個(gè)工區(qū),是覆蓋整個(gè)工區(qū)的單次覆蓋數(shù)據(jù)體,因而可以獨(dú)立疊前偏移成像,偏移結(jié)果可以保存方位角和偏移距信息,適用于方位角分析,總的來(lái)說(shuō),OVT域處理具有如下優(yōu)勢(shì):①OVT道集是目前唯一能延伸到整個(gè)工區(qū)的單次覆蓋數(shù)據(jù)集;②OVT道集一致性較好,可真實(shí)保留原始數(shù)據(jù)采集特征;③OVT偏移后近、中、遠(yuǎn)道能量一致,振幅特征好,有利于反演;④OVT道集具有炮檢互換性;⑤OVT域偏移后能保留方位角信息。

雖然OVT域處理具有諸多優(yōu)勢(shì),但其對(duì)原始采集資料的要求較高,理論上講,每一個(gè)OVT片都具有相近偏移距和方位角,不過(guò)這是基于野外采集資料時(shí)的炮線距和接收線距較小的情況,但當(dāng)前地震資料處理所面對(duì)的地震資料,特別是老資料重處理,原始地震資料炮線距和接收線距較大,即OVT片尺度較大,造成一個(gè)OVT片內(nèi)的偏移距和方位角范圍也較大,由此勢(shì)必影響一個(gè)OVT片內(nèi)偏移距和方位角的一致性,從而影響最終OVT域處理效果,這極大地限制了OVT域處理技術(shù)的推廣應(yīng)用。針對(duì)如何進(jìn)一步提高OVT域處理效果,邵文潮等[3]通過(guò)研究OVT域處理技術(shù)在塔河地區(qū)的應(yīng)用,提出在采集炮線距和檢波線距設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮OVT域偏移后最小偏移距(最小入射角)的大小。田忠斌等[4]研究了OVT域處理技術(shù)在沁水盆地深部煤層氣勘探中的應(yīng)用,通過(guò)優(yōu)化OVT道集分選、OVT域五維插值等技術(shù)手段,提高OVT域處理效果。印興耀等[5]系統(tǒng)論述了OVT域地震資料五維解釋的理論基礎(chǔ)。段文勝等[6]采用匹配追蹤傅里葉插值技術(shù),在五維數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)了基于原始觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)重構(gòu),解決了大范圍數(shù)據(jù)的不規(guī)則采樣問(wèn)題。孫苗苗等[7]研究了基于曲波域稀疏約束的OVT域地震數(shù)據(jù)去噪方法,提高了OVT域處理剖面的信噪比。李博[8]通過(guò)分選OVT域數(shù)據(jù)的排列特征,提出了一種基于非規(guī)則傅里葉變換的最小平方反演數(shù)據(jù)重建技術(shù)及實(shí)施流程。王偉等[9]通過(guò)實(shí)際工區(qū)應(yīng)用,研究了五維規(guī)則化技術(shù)及應(yīng)用效果。夏亞良等[10]研究了OVT域方位各向異性技術(shù)在中非花崗巖裂縫預(yù)測(cè)中的應(yīng)用,驗(yàn)證了方位各向異性井震聯(lián)合花崗巖裂縫預(yù)測(cè)方法的可靠性。袁剛等[11]研究了OVT域偏移道集的校平方法。

本文在OVT域處理階段,聯(lián)合應(yīng)用五維插值加密檢波線技術(shù)和基于對(duì)折法的OVT片優(yōu)化技術(shù),使OVT片尺度減小一倍,減小OVT道集內(nèi)偏移距和方位角范圍,增強(qiáng)了OVT道集偏移距和方位角屬性的一致性,提高OVT域處理效果。

1 方法技術(shù)

1.1 五維插值技術(shù)

常規(guī)三維數(shù)據(jù)插值主要在共中心點(diǎn)域進(jìn)行重構(gòu),只能針對(duì)偏移距或者方位角中的一個(gè)維度進(jìn)行處理,不能同時(shí)針對(duì)偏移距和方位角進(jìn)行處理[12],而五維空間的數(shù)據(jù)插值同時(shí)考慮到時(shí)間、空間、偏移距和方位角變化等,確保了疊前數(shù)據(jù)隨偏移距和方位角的相對(duì)保持振幅[13]。

五維插值基于空間真實(shí)坐標(biāo),充分利用數(shù)據(jù)的五個(gè)維度信息,在炮檢域加密炮線、炮點(diǎn)、檢波線和檢波點(diǎn),可在一定程度上彌補(bǔ)地震數(shù)據(jù)采集不足的問(wèn)題。五維插值算法實(shí)際上是求解一個(gè)大型的反問(wèn)題,正問(wèn)題可以用下式表達(dá):

d=Tx

(1)

式中:x是理想充分采樣的五維數(shù)據(jù)體;d是實(shí)際地震記錄的波場(chǎng);T是采樣算子。采樣算子將理想充分采樣的五維數(shù)據(jù)體映射到實(shí)際數(shù)據(jù)。實(shí)際求解時(shí),它同時(shí)在五維空間執(zhí)行正向不規(guī)則傅里葉變換,以建立頻率域的數(shù)據(jù)。反變換是一個(gè)欠定方程,通過(guò)最小目標(biāo)函數(shù)求解:

J=‖d-Tx‖2+λ‖x‖1

(2)

式中:‖x‖1為L(zhǎng)1范式;λ為正則化系數(shù)(λ≥0)。

L1范式可以產(chǎn)生比較稀疏的解,具備一定的特征選擇的能力,對(duì)高維特征空間進(jìn)行求解時(shí)比較有用,五維插值的求解問(wèn)題實(shí)際就是求解方程(2),使J最小,正則化系數(shù)λ的選擇主要基于原始地震數(shù)據(jù)的噪聲水平,在實(shí)際處理過(guò)程中需要對(duì)原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,一般選取5%～30%。

本次五維插值處理主要基于傅里葉重構(gòu)技術(shù),數(shù)據(jù)處理時(shí)充分利用數(shù)據(jù)的5個(gè)維度信息,在炮檢域加密檢波線。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,對(duì)頻率-空間域的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,采用迭代算法,每一次迭代從冗余空間中選取一個(gè)傅里葉分量。首先利用內(nèi)積運(yùn)算尋找能量最大的頻率成分,然后將該成分?jǐn)?shù)據(jù)減掉得到更新后的數(shù)據(jù),利用該數(shù)據(jù)再去求下一個(gè)最大能量的頻率成分,如此反復(fù),直至得到所有的頻率成分為止,從而得到無(wú)頻譜泄漏的所有頻率成分,然后再進(jìn)行反變換,得到規(guī)則化后的地震數(shù)據(jù)。

反變換可以將數(shù)據(jù)輸出到一個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格上,即所謂的全規(guī)則化,也可只沿需要填補(bǔ)的炮檢線位置,生成新的數(shù)據(jù),該方法需要保留原始數(shù)據(jù),而不是完全被全規(guī)則化的數(shù)據(jù)所取代,在原始數(shù)據(jù)很稀疏或?qū)?shù)據(jù)規(guī)則化的保真性有更多關(guān)注時(shí)采用。因?yàn)椴逯诞吘故乔范▎?wèn)題,不確定性始終存在,它依賴于算法對(duì)波場(chǎng)描述的精度[13]。

1.2 基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)

OVT道集具有良好的炮檢互換性,所謂炮檢互換性,是指在相似的大地耦合條件下,從位置A激發(fā)的炮點(diǎn)到位置B接收的檢波點(diǎn)地震道與從位置B激發(fā)的炮點(diǎn)到位置A接收的地震道相同(圖1,圖中淺藍(lán)色區(qū)域分別為兩個(gè)十字排列的一次覆蓋區(qū)域,黃色方塊為兩個(gè)十字排列重疊覆蓋區(qū)),即在相同位置進(jìn)行炮檢點(diǎn)互換,由于炮檢點(diǎn)旅行時(shí)的和相等,認(rèn)為地震道可以互換,而且不改變偏移距及方位角信息[13]。對(duì)于觀測(cè)系統(tǒng)滿覆蓋區(qū)的2次覆蓋數(shù)據(jù)體,可以由坐標(biāo)對(duì)稱的OVT構(gòu)成,從中也能觀測(cè)到OVT的互補(bǔ)性,某個(gè)十字排列的炮點(diǎn)軸可以和另一個(gè)十字排列的檢波點(diǎn)軸形成一個(gè)新的十字排列數(shù)據(jù),反之亦然。

圖1 炮檢互換原理

基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)是對(duì)兩個(gè)十字排列重疊區(qū)域可以互換的兩個(gè)OVT片,先將其中一個(gè)OVT片以十字排列中心點(diǎn)沿檢波線方向旋轉(zhuǎn)180°,然后重疊在一起,沿OVT片中心線順著檢波線(炮線)方向進(jìn)行對(duì)折,以實(shí)現(xiàn)將檢波線(炮線)方向OVT片尺度減小一半的目的(圖2和圖3)。

圖2 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折前(a)、后(b)(第一象限)

圖3 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折前(a)、后(b)(第三象限)

當(dāng)然,此種方法也存在一定弊端,即當(dāng)兩個(gè)可互換的OVT片在平面上并不完全重合時(shí),會(huì)帶來(lái)空白面元的問(wèn)題(圖4和圖5),雖然空白面元部分主要集中在不滿次覆蓋區(qū),但空白面元的范圍尺度能達(dá)到半個(gè)偏移距,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)予以關(guān)注。

圖4 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折前分布a 第一象限; b 第三象限

圖5 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折后分布a 第一象限; b 第三象限

2 實(shí)際應(yīng)用

通常情況下,野外采集時(shí)檢波線布設(shè)相對(duì)規(guī)則,所以插值的精度較炮線高,本次研究采用基于五維插值的檢波線加密技術(shù),只對(duì)檢波線進(jìn)行加密。研究區(qū)原始檢波線距和炮線距均為360m,即OVT片尺度大小為720m×720m,通過(guò)五維插值將檢波線加密一倍,使接收線距變?yōu)?80m,即炮線方向尺度減小了一半,OVT片尺度變成360m×720m。從圖6可以看出,經(jīng)過(guò)五維插值后,檢波線加密了一倍,原來(lái)布設(shè)不規(guī)則的檢波線變得規(guī)則,同時(shí)檢波線加密后,原來(lái)OVT片內(nèi)的采集空洞得到有效彌補(bǔ)(圖7)。

圖6 插值前(a)、后(b)檢波線位置

圖7 插值前(a)、后(b)OVT片分布

對(duì)比加密前后的道集數(shù)據(jù)可以看出,檢波線加密后道集的連續(xù)性得到提高(圖8),疊加剖面連續(xù)性得到改善,信噪比得到提高(圖9)。

圖8 五維插值前(a)、后(b)道集

圖9 五維插值前(a)、后(b)疊加剖面

五維插值加密檢波線后,數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)和炮道密度都提高了一倍,但由于只加密了檢波線,炮線方向的OVT片尺度減小了一半,但檢波線方向的OVT處理尺度沒有減小,與原數(shù)據(jù)一致,這樣OVT片尺度只是從原來(lái)的720m×720m變成了360m×720m,原始正方形的OVT處理尺度變成了長(zhǎng)方形的處理單元,這對(duì)OVT域處理不利。

所以在OVT片劃分階段,采用基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù),再將檢波線方向的OVT片尺度減小一半,最終實(shí)現(xiàn)將OVT片尺度從720m×720m減小到360m×360m的目的,從而減小OVT道集內(nèi)偏移距和方位角范圍,提高OVT域處理效果。

以圖10中兩個(gè)可互換的OVT片為例,基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:先將圖10a和圖10b數(shù)據(jù)分別進(jìn)行復(fù)制,并將復(fù)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行炮檢點(diǎn)坐標(biāo)互換,然后與原來(lái)的數(shù)據(jù)疊加在一起,舍去第三象限的OVT片數(shù)據(jù),只保留第一象限的OVT片數(shù)據(jù),再沿OVT片中心線順著檢波線(炮線)方向?qū)ΡＡ舻牡谝幌笙轔VT片進(jìn)行對(duì)折,從而將檢波線(炮線)方向的尺度減少一半(圖11)。可以看出,對(duì)折前后原始數(shù)據(jù)既沒有增加,也沒有減少,只是將OVT片數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新劃分,這樣對(duì)折后OVT片內(nèi)偏移距范圍和方位角范圍均得到有效減小,從對(duì)折前后OVT片記錄(圖12)可以看出,對(duì)折后一定程度上減小了OVT片缺口,這主要是因?yàn)橄嗷?duì)折的兩個(gè)OVT片數(shù)據(jù)缺口位置不一致,對(duì)折后兩者具有一定的互補(bǔ)作用。

圖10 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折前(a)、后(b)(第一象限)

圖11 兩個(gè)可互換OVT片對(duì)折前(a)、后(b)(第三象限)

圖12 對(duì)折前(a)、后(b)OVT片記錄

OVT片的大小在理論上由數(shù)據(jù)的炮線距和檢波線距決定,其大小為兩倍的炮線距乘以兩倍檢波線距,即描述一個(gè)OVT片檢波線方向的偏移距范圍為兩倍的炮線距,炮線方向的偏移范圍為兩倍的檢波線距,由幾何關(guān)系,一個(gè)OVT片內(nèi)地震道偏移距O為:

(3)

所以一個(gè)OVT片內(nèi)偏移距范圍為:

(4)

方位角φ為:

(5)

所以一個(gè)OVT片內(nèi)方位角范圍為:

(6)

其中,Ox為檢波線方向的偏移距;Oy為炮線方向的偏移距;Ls為炮線距;Lr為檢波線距;Rmin為檢波線方向最小偏移距;Rmax為檢波線方向最大偏移距;Smin為炮線方位最小偏移距;Smax為炮線方向最大偏移距。

采用基于五維插值的檢波線加密技術(shù)將炮線方向的尺寸減小一半(720m變?yōu)?60m),然后在OVT片劃分階段,基于OVT域數(shù)據(jù)的互換原理,采用對(duì)折法優(yōu)化OVT片劃分,將檢波線方向的尺度減小一半(720m變?yōu)?60m),根據(jù)公式(4)可以計(jì)算出,原來(lái)一個(gè)OVT片偏移距范圍為720m至1018m,由于OVT片尺度減小了一半,所以偏移距范圍為360m至509m,從圖13(α1為原始OVT片方位角范圍,α2為OVT單元尺寸變小后的方位角范圍)不難看出,由于OVT尺度減小了一半,單個(gè)OVT片的方位角范圍得到了有效減小。

圖13 OVT片單元尺寸減小前、后OVT片方位角范圍

從實(shí)際資料處理前、后偏移距、方位角范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,應(yīng)用減小OVT片尺度技術(shù),使OVT片偏移距范圍得到減小,平均偏移距范圍從869m減小到435m(圖14),處理前OVT片方位角范圍為0～10°的占比21%,方位角范圍為11°～20°的占比59%,處理后OVT片方位角范圍為0～10°的占比增加到78%,方位角范圍為11°～20°的占比減小到16%(表1)。

圖14 處理前(a)、后(b)OVT片偏移距范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖15為處理前、后的蝸牛道集,可以看出,采用基于五維插值的檢波線加密技術(shù)加基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)后,蝸牛道集的連續(xù)性和信噪比均得到有效提高,方位各向異性特征與原始道集保持一致,同時(shí)經(jīng)過(guò)方位各向異性校正后,道集得到有效拉平(圖16)。

圖15 處理前(a)、后(b)蝸牛道集

圖16 處理前(a)、后(b)各向異性校正后道集

圖17為處理前、后的OVT域偏移剖面,可以看出,采用基于五維插值的檢波線加密技術(shù)加基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)后,偏移剖面信噪比和連續(xù)性得到提高,高陡構(gòu)造成像得到有效改善。同時(shí),方位各向異性校正后方位各向異性得到更好的消除,原來(lái)由于方位各向異性引起的虛假斷點(diǎn)得到有效校正,剖面成像更加真實(shí)(圖18)。

OVT片方位角范圍0～10°11°～20°21°～30°31°～40°41°～60°61°～90°處理前占比21%59%11%2%5%2%處理后占比78%16%3%1%1%1%

3 結(jié)論

OVT片的尺度取決于炮線距和檢波線距,但現(xiàn)階段的地震資料,其炮線距和檢波線距均較大,造成OVT片的尺度較大,影響了OVT域處理效果。本文研究的減小OVT片尺度的技術(shù),將五維插值技術(shù)和基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合,將原始資料的OVT片尺寸減小一倍,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了較好的應(yīng)用效果。該技術(shù)根據(jù)地震資料檢波線較規(guī)則、而炮線不規(guī)則的特點(diǎn),只采用加密檢波線的五維插值技術(shù),較常規(guī)五維插值既插檢波線又插炮線的方式,保真性更高。而基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)充分利用了OVT數(shù)據(jù)的互換性,不改變?cè)嫉卣饠?shù)據(jù),只是讓不同OVT片數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)。通過(guò)減小OVT片尺度,增強(qiáng)了OVT道集偏移距和方位角的一致性,OVT域處理效果得到顯著提升。

本文減小OVT片尺度的處理方法是基于原始數(shù)據(jù)炮線距等于檢波線距的情況,即原始OVT處理單元為正方形,如果野外原始采集數(shù)據(jù)炮線距不等于檢波線距,則需要慎重使用,同時(shí)如果單獨(dú)使用這兩種方法中的一種,需要視實(shí)際資料而定,因?yàn)閱渭兊幕谖寰S插值加密檢波線的方法只改變了OVT炮線方向的尺度,基于互換原理的對(duì)折法OVT片優(yōu)化技術(shù)只能改變OVT檢波線(炮線)方向的尺度,如果單一使用,可能會(huì)改變?cè)糘VT道集數(shù)據(jù)的對(duì)稱性,影響OVT域處理結(jié)果,具體影響還需深化研究,這也是后續(xù)作者研究的方向。