基于層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波預(yù)測與壓制方法及其應(yīng)用

裴云龍,楊金龍,蔣 波,袁 剛

(中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

多次波與只有一次上行反射的一次波共存于地震數(shù)據(jù)中,由于多次波波場的復(fù)雜性,經(jīng)地震資料處理后仍難以獲得便于資料解釋的理想的成像結(jié)果,故在地震資料成像處理中,通常都是在偏移成像之前,將多次波當(dāng)作噪聲予以壓制。學(xué)術(shù)界將多次波劃分為兩類:一類是向下反射或散射點(diǎn)位于地表面和地下界面之間的表面相關(guān)多次波;另一類是向下反射或散射點(diǎn)位于地表面以下的地下界面之間的層間多次波[1]。復(fù)雜的火成巖或膏巖層強(qiáng)波阻抗反射界面產(chǎn)生的層間多次波使目的層反射波的振幅、頻率和相位發(fā)生畸變,在地震采集的記錄中難以識別和去除,導(dǎo)致地震成像結(jié)果的信噪比和可靠性降低,容易產(chǎn)生構(gòu)造假象,掩蓋了中深層的有利構(gòu)造,給地震資料解釋的精度、斷裂的描述和反演研究帶來十分不利的影響,增加了目標(biāo)層圈定和構(gòu)造解釋的不確定性[2-4]。目前,生產(chǎn)中常用的偏移成像算法大都假定地震記錄中僅存在一次反射波,因此,對多次波進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測和有效壓制尤為重要,是地震資料處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

長期以來,多次波壓制一直是地震資料處理技術(shù)研究的難點(diǎn),國內(nèi)外許多專家為多次波預(yù)測和壓制方法的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。目前發(fā)展的多次波壓制方法主要分為兩大類[5]:一類是基于信號理論分析處理的濾波法,其主要針對有周期性和傾角差異特點(diǎn)的多次波,將多次波和一次波分離,其中常用的技術(shù)有預(yù)測反褶積[6]、F-K變換[7]、τ-p域Radon變換[8]、聚束濾波[9]等;另一類是基于波動(dòng)方程理論的預(yù)測相減法,如波場延拓法、擴(kuò)展的地表相關(guān)多次波去除(surface related multiple elimination,SRME)法和逆散射級數(shù)方法(inverse scattering series,ISS)等[10-11]。由于陸上勘探地震數(shù)據(jù)存在振幅和頻率受近地表吸收衰減快、橫向子波不一致、多次波與一次波的旅行時(shí)和速度差異較小等問題,會(huì)影響預(yù)測濾波、F-K變換和τ-p變換壓制多次波的有效性[12-15],對層間多次波壓制效果不理想,所以濾波方法的應(yīng)用經(jīng)常受到限制。第二類多次波壓制方法考慮了多次波傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,適應(yīng)復(fù)雜的地表及地下結(jié)構(gòu),可以不考慮傾角變化、時(shí)間和速度差異,不假定地下結(jié)構(gòu),對自身數(shù)據(jù)進(jìn)行多次波預(yù)測及衰減,廣泛應(yīng)用于壓制表面多次波和層間多次波[16]。20世紀(jì)80年代波場延拓技術(shù)被用來進(jìn)行表面多次波的預(yù)測并將預(yù)測的表面多次波從地震記錄中減去,發(fā)展了利用SRME方法衰減表面多次波[1]。VERSCHUUR在SRME基礎(chǔ)上提出了基于反饋迭代的SRME方法,能夠快速去除表面多次波[1],JAKUBOWICZ[17]在此基礎(chǔ)上,提出將產(chǎn)生層間多次波的界面用來構(gòu)建一次反射波界面的方法,并將構(gòu)建的一次反射波界面作為中間相關(guān)項(xiàng),組合一系列一次反射波,然后從地面接收的原始數(shù)據(jù)中預(yù)測出層間多次波,避免了對地下模型的先驗(yàn)假設(shè)。2005年,BERKHOUT等[18]和VERSCHUUR等[19]進(jìn)一步改進(jìn)了SRME,提出基于共聚焦點(diǎn)(CFP)道集的擴(kuò)展SRME層間多次波預(yù)測方法,將SRME技術(shù)應(yīng)用到地下散射點(diǎn),實(shí)現(xiàn)層間多次波的預(yù)測[20]。吳靜等[16]通過構(gòu)建虛地震同相軸的方法預(yù)測并壓制層間多次波,在海上地震資料處理中得到了成功應(yīng)用。李仲等[21]利用構(gòu)造虛擬反射界面的方法壓制層間多次波,在四川盆地頁巖氣地震資料處理中得到了成功應(yīng)用。YU等[22]和LI等[23]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)工具壓制地震多次波,將多次波壓制中的自適應(yīng)相減技術(shù)從線性回歸問題發(fā)展成為非線性回歸問題,通過足夠數(shù)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),將呈非線性關(guān)系模擬的多次波與地震記錄更好的匹配,從而對有效波進(jìn)行更好的保護(hù)。雖然多次波預(yù)測方法取得了較大發(fā)展,比如先進(jìn)的廣義層間多次波預(yù)測和逆散射級數(shù)法預(yù)測多次波,在針對海上資料或者目的層比較淺的陸上資料應(yīng)用效果比較明顯,但還是存在某些不適應(yīng)的情況。如針對西部塔里木盆地超深層斷裂縫洞型儲層為目標(biāo)的陸上地震資料,常常會(huì)因?yàn)橛?jì)算多次波模型非常耗時(shí)及過程復(fù)雜[11],模型相減后容易損害目的層的地震響應(yīng)特征,導(dǎo)致最終應(yīng)用效果不理想,從而造成了對多次波的壓制通常要在共成像點(diǎn)道集上完成,如常用的疊后多次波壓制方法有拋物線Radon變換,傾角濾波,逆散射級數(shù)法等[24]。但針對火成巖或膏巖等特殊巖體產(chǎn)生的復(fù)雜的強(qiáng)能量層間多次波的壓制問題,上述疊后多次波壓制方法將難以通過壓制層間多次波,分離出被層間多次波干涉的一次波,獲得高品質(zhì)的成像結(jié)果。

本文提出一種層間多次波識別、預(yù)測和壓制的新思路及方法流程。首先,回顧層間多次波預(yù)測技術(shù)的基本原理,然后,通過測井資料和正演模擬分析識別確定層間多次波的來源及產(chǎn)生條件,再采用層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波預(yù)測技術(shù),對疊前道集進(jìn)行層間多次波預(yù)測,最后,采用對指定有效地層進(jìn)行保護(hù)的最小二乘自適應(yīng)匹配相減法來壓制多次波,在西部地區(qū)以碳酸鹽巖斷控縫洞體為地質(zhì)目標(biāo)的成像處理中取得了較好的應(yīng)用效果,消除了膏巖引起的假構(gòu)造影響,并得到了數(shù)值模擬正演記錄及垂直地震剖面(VSP)資料的驗(yàn)證。

1 方法技術(shù)

1.1 層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測層間多次波的方法原理

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波預(yù)測算法是JAKUBOWICZ[17]在擴(kuò)展SRME多次波壓制方法的基礎(chǔ)上提出的,他認(rèn)為擴(kuò)展SRME算法利用全波場重建激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)基準(zhǔn)面,結(jié)合基準(zhǔn)面所需要的兩個(gè)逆?zhèn)鞑ニ阕?可以通過來自于反射界面的一次反射的逆時(shí)重新構(gòu)建[1]。如圖1所示,兩個(gè)虛線箭頭可以構(gòu)成為一次反射,這樣可以逆時(shí)推算出跟產(chǎn)生多次波界面有關(guān)的一次反射的地震數(shù)據(jù),形成如圖2所示的3個(gè)一次反射,3個(gè)反射同相軸的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)都在一個(gè)面,其數(shù)據(jù)體為地震數(shù)據(jù),綠線標(biāo)示的中間反射是逆時(shí)數(shù)據(jù),為產(chǎn)生多次波的界面,通過聯(lián)合使用與產(chǎn)生多次波界面有關(guān)的一次反射的逆時(shí)數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù),然后該結(jié)果再和地震數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算就可以預(yù)測出層間多次波[17-19]。理論上,地震全波場反射SR(包括一次波和多次波)可以分解為S*R和SR*的褶積求和,在S*R和SR*組合褶積的基礎(chǔ)上與S*R*進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,壓制反射界面zn產(chǎn)生的層間多次波,然后對每一個(gè)產(chǎn)生層間多次波的反射界面進(jìn)行迭代壓制,達(dá)到壓制層間多次波的目的。因此,層間多次波壓制的實(shí)現(xiàn)過程分為兩步,第一步,將地震數(shù)據(jù)P與經(jīng)過一次迭代處理后的無多次波的一次波數(shù)據(jù)P0進(jìn)行褶積運(yùn)算,預(yù)測新的層間多次波,需要經(jīng)過i次的迭代過程,每次迭代過程中,新估算出的去除層間多次波后的數(shù)據(jù)Pn將被用作預(yù)測算子,預(yù)測層間多次波的方程可表達(dá)為:

圖1 SRME方法預(yù)測層間多次波傳播路徑示意

圖2 層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測層間多次波傳播路徑示意

(1)

第二步,通過自適應(yīng)相減方法使用匹配算子A(f)將多次波從數(shù)據(jù)中減去,即

(2)

在地震波傳播過程中,產(chǎn)生層間多次波的反射界面非常多,反射系數(shù)較小的反射界面產(chǎn)生的層間多次波對地質(zhì)目標(biāo)影響有限[25],所以,將每個(gè)反射界面產(chǎn)生的多次波Mn都預(yù)測出來運(yùn)算量非常大[11,16],處理計(jì)算量呈指數(shù)倍數(shù)增長,效率低。因而,針對地質(zhì)目標(biāo),先識別層間多次波產(chǎn)生的來源,然后再進(jìn)行針對性的多次波預(yù)測和壓制是非常有必要的。所以,本文根據(jù)擴(kuò)展SRME壓制層間多次波的算法,提出在先識別對目標(biāo)區(qū)有影響的層間多次波及其產(chǎn)生的下行反射界面位置,按照層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式,從炮記錄中對該位置的一次反射ΔPn進(jìn)行切除,將切除的數(shù)據(jù)與預(yù)測算子Pn進(jìn)行兩次地表一致性褶積,再與相應(yīng)的一次波進(jìn)行相關(guān),這樣預(yù)測的過程只涉及激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的地震數(shù)據(jù)P(z0,z0),從而可以將預(yù)測層間多次波方程推廣為預(yù)測只與層控反射界面Zn有關(guān)的基于層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波預(yù)測方程(3),即

(3)

式中:上標(biāo)H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置;Mn為預(yù)測出Zn深度處界面n所產(chǎn)生的層間多次波;ΔPn(z0,z0)表示只與Zn深度處界面n有關(guān)的一次反射;Pn-1為去除了層控界面n以上所有多次波的反射記錄。

1.2 層間多次波的壓制

層間多次波的壓制是將預(yù)測的多次波從地震數(shù)據(jù)中減去,由于預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)際地震數(shù)據(jù)無法做到完美匹配,直接相減的結(jié)果會(huì)比較差,因此,最有效的方法之一是將預(yù)測的多次波數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)性匹配,然后再從數(shù)據(jù)中減去,稱之為自適應(yīng)相減方法。目前,有多種算法來完成自適應(yīng)相減過程,包括基于匹配濾波器的算法、基于模式識別的算法、基于支持向量回歸的算法、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法、基于數(shù)據(jù)增廣編解碼卷積網(wǎng)格的算法、基于多窗口聯(lián)合優(yōu)化的算法和基于偽地震數(shù)據(jù)模式學(xué)習(xí)的算法等[26-28]。這里介紹常用的兩種方法,第1種是基于匹配濾波器算法的最小二乘自適應(yīng)濾波相減方法,對每個(gè)預(yù)測模型設(shè)計(jì)濾波器,使地震數(shù)據(jù)與濾波后的預(yù)測模型之間的振幅差異在最小二乘方程算法中最小(方程(4))。由于該方法效率高,因而被廣泛使用。對于地層構(gòu)造相對簡單、時(shí)間和空間振幅差異較小的資料一般使用該方法,但對于多次波和有效信號相互干擾時(shí),該方法不能保留有效反射波的振幅,相減后對有效波造成比較大的破壞因而效果較差。

mini mi ze‖d-f1*m1-f2*m2-f3*m3-…‖2

(4)

式中:d表示地震數(shù)據(jù);f1,f2,f3表示對多次波模型設(shè)計(jì)的濾波器;m1,m2,m3表示預(yù)測的多次波模型。

第2種方法被稱為最小二乘模式匹配相減方法。將多次波模型與地震資料匹配,在時(shí)間和空間上將它們從多維頻譜中分離出來,對有效波能夠進(jìn)行一定的保護(hù),在一定程度上規(guī)避了第一種方法的缺陷,但其計(jì)算量巨大,保護(hù)所有有效波比較困難。本文引入一種對指定的有效地層進(jìn)行保護(hù)的自適應(yīng)匹配相減方法,與多次波模型設(shè)計(jì)的濾波器類似,對指定的有效地層模型設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器fp,然后與指定的有效地層模型p進(jìn)行褶積,得到去除有效地層后的地震數(shù)據(jù);同樣,對預(yù)測的多次波模型也設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器fm,將對指定的有效波保護(hù)后的地震數(shù)據(jù)與多次波模型數(shù)據(jù)相減,使得輸入地震數(shù)據(jù)和所有濾波模型數(shù)據(jù)之間的差在最小二乘意義上最小化,得出改進(jìn)的最小二乘自適應(yīng)匹配相減方法(方程(5)),解決了第2種方法計(jì)算量大等問題,對指定有效波能很好的保護(hù)。

mini mi ze‖d-fp1*p1-fp2*p2-fm1*m1-fm2*m2-fm3*m3-…‖2

(5)

式中:p1、p2表示指定需要受保護(hù)的有效地層模型。fp和fm采用最小二乘匹配濾波器算法來求解,首先將模型道在不同時(shí)間和空間間隔進(jìn)行自相關(guān),然后將模型道和匹配地震道在不同時(shí)間和空間間隔進(jìn)行互相關(guān),最后使用共軛梯度算法求解方程組:

AF=C

(6)

本文方法在實(shí)際應(yīng)用過程中,通過理論與實(shí)際資料相結(jié)合的新思路,采用三步互相驗(yàn)證方式來有效識別產(chǎn)生層間多次波的主要下行反射界面,并將其作為層控界面,再按照層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式逐層進(jìn)行層間多次波預(yù)測和壓制,提出了層間多次波識別、預(yù)測和壓制的新思路及方法流程,如圖3所示。

圖3 層間多次波識別、預(yù)測和壓制的新思路及處理流程

2 正演模擬數(shù)據(jù)測試

2.1 正演模擬數(shù)據(jù)分析形成多次波的條件

要實(shí)現(xiàn)層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波壓制,首先要找出產(chǎn)生層間多次波的地層界面,然后進(jìn)行預(yù)測和壓制。針對不同工區(qū),建立目標(biāo)區(qū)不同反射系數(shù)理論模型參數(shù)和不同參數(shù)理論模型(表1和圖4),利用地層速度和密度的差異,采用有限差分方法分別進(jìn)行全波場數(shù)值模擬和疊前偏移成像(圖5),根據(jù)理論正演模擬分析結(jié)果,統(tǒng)計(jì)多次波、一次波的振幅及其振幅比,找出形成多次波的條件,明確產(chǎn)生多次波下行界面的反射系數(shù);通過理論模型的正演記錄對多次波振幅及其與目的層一次波的振幅比隨反射系數(shù)的變化進(jìn)行分析(圖6a和圖6b),可以得出兩點(diǎn)認(rèn)識:一是隨著反射系數(shù)的增大,多次波振幅逐漸增強(qiáng);理論上,當(dāng)反射系數(shù)達(dá)到0.6左右時(shí),多次波振幅達(dá)到極值;然后隨著反射系數(shù)繼續(xù)增大,受透射的影響,多次波振幅逐漸減弱。二是當(dāng)下行界面反射系數(shù)大于0.18時(shí),層間多次波對目的層一次波影響較大。

圖4 不同參數(shù)理論模型

圖5 不同參數(shù)理論模型的疊前偏移成像剖面

圖6 多次波振幅(a)及其與一次波振幅比(b)隨反射系數(shù)變化曲線

2.2 正演模擬數(shù)據(jù)的壓制效果

為了驗(yàn)證本文多次波壓制方法的有效性,設(shè)計(jì)一個(gè)上覆地層包含強(qiáng)波阻抗膏巖體的復(fù)雜構(gòu)造正演模型(圖7a),其反射系數(shù)大于0.18,采用有限差分方法進(jìn)行全波場數(shù)值正演模擬,然后采用本文方法進(jìn)行多次波去除,并分別進(jìn)行偏移成像對比。圖7b為由圖7a 所示正演模型生成的模擬記錄經(jīng)過處理得到的偏移成像剖面。可以看出,受膏巖頂下行強(qiáng)反射界面的影響,產(chǎn)生的多次波具有很強(qiáng)的干涉效應(yīng),1.2～1.3s反射波的振幅、頻率和相位發(fā)生畸變,有明顯的假構(gòu)造。圖8對比了常規(guī)最小二乘自適應(yīng)相減多次波壓制處理方法和本文方法的效果。由圖8可見,采用本文多次波壓制方法,膏巖頂界面產(chǎn)生的多次波引起的假構(gòu)造得到消除(圖8b黃色箭頭所指),目的層成像得到恢復(fù),與常規(guī)最小二乘自適應(yīng)濾波相減方法效果(圖8a)對比,采用本文方法后目的層成像更清晰,有效地層得到保護(hù)(圖中紅色框區(qū)域),信噪比更高(圖8c和圖8d)。

圖7 正演模型(a)及其模擬記錄偏移成像剖面(b)

圖8 常規(guī)最小二乘自適應(yīng)相減多次波壓制處理方法與本文方法的效果對比

3 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.1 多次波的識別與預(yù)測

直接識別原始地震記錄的多次波非常困難,需要通過精細(xì)的疊前預(yù)處理,先解決靜校正、振幅和頻率一致性等問題,將疊前道集進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)則化,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)表面多次波和層間多次波兩種多次波的特點(diǎn),借助地震速度譜、成像剖面及道集、VSP井資料、理論正演模擬和實(shí)際地質(zhì)模型的層間多次波預(yù)測等多種資料,通過互相驗(yàn)證后才能識別。

表面多次波通?？赏ㄟ^其周期性、速度差異和成像道集聯(lián)合加以識別,如圖9所示,5.5s以下為表面多次波發(fā)育的位置。但由于層間多次波與一次波的速度和反射傾角接近(圖9a中3.5s處),在成像剖面(圖9b)和道集(圖9c)上都不易識別。

圖9 速度譜(a)、成像剖面(b)及道集(c)識別多次波

所以,本文通過互相驗(yàn)證的方式來識別層間多次波,找出影響目標(biāo)區(qū)成像的層間多次波的產(chǎn)生源頭。圖3左邊虛框給出了層間多次波識別處理流程。具體識別層間多次波的步驟包括以下三步。

1) 根據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)分析形成多次波的條件,當(dāng)下行界面反射系數(shù)大于0.18時(shí),可識別出產(chǎn)生層間多次波及其對目的層影響較大的下行反射界面。

圖10 VSP測井走廊疊加與成像剖面(a)和井分層標(biāo)定(b)聯(lián)合識別層間多次波結(jié)果

通過理論與方法三步驟的互相驗(yàn)證,可以較好地識別出層間多次波,明確其對目標(biāo)區(qū)的影響。

3.2 應(yīng)用效果分析

經(jīng)基于層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的層間多次波預(yù)測與壓制方法處理后,取得了明顯效果,基本解決了層間多次波影響奧陶系目的層的成像問題,提高了構(gòu)造、斷裂和縫洞型儲層成像精度。具體體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

3.2.1 共中心點(diǎn)(CMP)道集效果

圖12 層間多次波壓制前、后CMP道集及逐層預(yù)測的層間多次波CMP道集

3.2.2 速度譜效果

圖13 層間多次波壓制前(a)、后(b)的速度譜和道集

3.2.3 疊前偏移成像效果

圖14 本文方法壓制層間多次波前(a)、后(b)疊前偏移剖面

3.2.4 VSP井震匹配關(guān)系

3.2.5 沿層解釋相干屬性

圖16 新老處理數(shù)據(jù)體沿層的相干振幅屬性

4 結(jié)論

本文從層間多次波預(yù)測理論出發(fā),通過理論模型及其模擬記錄,來識別層間多次波,找出對目的層有影響的層間多次波產(chǎn)生來源和形成條件,提出逐層預(yù)測和壓制層間多次波的技術(shù)思路,通過層控?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來預(yù)測層間多次波,再采用能夠保護(hù)有效地層的最小二乘自適應(yīng)匹配相減技術(shù)進(jìn)行壓制。本文方法在疊前數(shù)據(jù)上進(jìn)行層間多次波的識別和壓制,較在疊后數(shù)據(jù)上能夠獲得更好的壓制效果,消除上覆地層復(fù)雜構(gòu)造下強(qiáng)反射界面產(chǎn)生的層間多次波對目的層的影響,在CMP道集、速度譜、偏移成像、井震匹配以及沿層相干屬性等方面都有明顯的改善效果,消除了假構(gòu)造,改善了成像品質(zhì),能為后期深度域速度建模、逆時(shí)偏移(RTM)或角度域成像提供更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在以超深層為地質(zhì)目標(biāo)的地震資料處理成像中有廣闊的應(yīng)用前景。