地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (1): 306-310   PDF    
非刚性匹配技术在地震资料一致性处理中的应用
熊艳梅, 徐春梅, 邬达理, 张瑶, 蒋波     
中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院, 南京 211103
摘要:受地震勘探资料的采集施工方法、地表激发接收条件、复杂的地下传播介质等因素的影响会导致同一区块同一地层反射波组的频率、波形不同,静校正不彻底、速度不准会导致剩余时差,动校正拉伸会导致波形畸变,通常在常规一致性处理后的CMP/CRP道集数据仍然存在一些不一致性问题,会影响资料潜力的发挥,资料的一致性处理对处理成果品质的提高起到至关重要的作用,尤其是在多块三维连片处理、时延地震处理、过渡带探区资料处理、叠前反演处理、高分辨率处理、高精度成像处理等方面均对资料的一致性提出了更高的要求.针对该现实问题,介绍了依赖于图像的相似和有局部光滑变形(或位移)场的非刚性匹配处理技术.该技术在常规一致性处理的基础上,首先将叠前数据分选成炮检距数据,优选部分炮检距数据形成模型,然后对每一炮检距数据逐一与模型进行非刚性匹配,实现数据的一致性处理.给出了实际资料非刚性匹配一致性处理的效果,证实了该技术在提高数据的一致性、改善数据处理成果品质、保持分辨率不降低和振幅保真方面具有一定的优势.因此,该技术可适用于时延地震匹配处理、叠前角道集拉平、叠前CMP/CRP道集拉平、振幅随角度变化(AVA)处理、PS波与PP波同相轴匹配处理等.
关键词非刚性    匹配    数据处理    一致性    剩余时差    振幅    
Application of non-rigid matching technique in consistency processing of seismic data
XIONG Yan-mei , XU Chun-mei , WU Da-li , ZHANG Yao , JIANG Bo     
SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China
Abstract: Various acquisition methods, shooting and receiving conditions, complex subsurface propagation medium lead to different frequency and wave pattern of the reflection wave group from the same formation, inadequate static correction and inaccurate velocity generate residual moveout, and NMO stretch causes wave pattern distortion; therefore, the CMP/CRP gathers usually exists inconsistency problem after conventional consistency processing, which will impact to dig the potential of the data. Consistency processing is one of the key steps to improve the quality of seismic data processing. Merging processing, time-lapse seismic, transitional zone joint processing, prestack inversion and high-resolution & high-precision imaging requires higher consistency of seismic data. Due to the strict requirements of consistency processing in high-precision seismic exploration, the non-rigid matching technology is introduced including its principles, characteristics and implementation, which relies on the similar images and a locally smooth deformation (or displacement) field for matching, to solve problems such as incomplete elimination of residual moveout of CMP/CRP gathers after normal consistency processing. On the basis of conventional preprocessing, firstly, the prestack seismic data is sorted into offset data, and partial offset data is optimized to form model; then, every single offset data is carried out non-rigid matching with model to realize consistency processing. Further application of the non-rigid matching consistency technology in real data reveals its superiority in improving the quality of seismic data and resolution preservation. Therefore, the technique is applicable for time-lapse matching processing, prestack angle gather flattening, prestack CMP/CRP gather flattening, AVA processing, event matching processing of PP wave and PS wave.
Key words: non-rigid     matching     data processing     consistency     residual moveout     amplitude    
0 引言

随着地震勘探的不断深入,复杂近地表的地震勘探活动越来越多.在野外采集中由于受地表条件的限制,经常会需要使用不同的震源激发和检波器接收.地表激发接收条件的不一致会导致同一区块地震记录的子波存在一定的差异,表现在地震数据上就是同相轴的不一致性 (云美厚等,2006).

随着多块三维连片处理、时延地震处理、过渡带探区资料处理的普及,不同年代施工、不同采集方法、不同地表条件的小工区地震资料往往需要集中起来处理.由于采集因素不同,各块三维数据之间往往存在明显差异.提高地震资料的一致性成为这类资料处理的关键环节,甚至是决定性环节 (庄东海等,1999云美厚等,2006吴琼等,2008裴江云等,2011郭念民和吴国忱,2012).

随着地震属性反演由叠后发展到叠前,地震叠前弹性阻抗反演要求更大的入射角范围,即需要更大的偏移距范围,实现动校拉伸效应更小,这就要求在保幅条件下消除道集上的各种时差,校平同相轴,以提取正确的泊松比、AVO信息等 (王云专等,2006).

随着地震成像精度的要求越来越高,要求共中心点 (CMP) 道集或叠前偏移得到的共反射点 (CRP) 道集更加平直.另外,多方位角地震资料需要进行一致性匹配处理,以便偏移成像结果具有更好的断层阴影压制能力和更高的断层识别能力 (朱江梅等,2013).

可见,地震数据处理中波组的一致性处理是提高处理成果品质的关键.一致性处理的好坏直接关系到处理成果的信噪比、分辨率和保真度.如果不能解决好数据的一致性问题,就无法进行精细构造解释和储层反演.出于地震资料解释工作的需要,开展地震资料的一致性处理研究就显得非常重要,其现实意义和实用价值不言而喻.

1 问题的提出

由于近地表的不规则性以及低降速带影响,CMP道集中反射波经常无法满足双曲线规律.在常规流程中使用动校正及地表一致性剩余静校正方法后的道集内还存在着随时间纵向变化的剩余时差.由于地震波经过地下介质的透射、反射和吸收作用,使反射波发生时间延迟、相位畸变、振幅衰减.这些因素对各个地震道是不一样的,且往往是时变的.由于实际处理中各向异性叠前深度偏移的参数难以获得准确的值,会影响到远炮检距排列的校平,难免会存在部分排列不能完全拉平的问题 (赵玲芝等,2011).种种不一致性问题,其结果造成在共深度点道集或共反射点道集叠加时,由于各道的不一致性而影响叠加剖面的品质,使信噪比和分辨率不能得到有效提高,对叠前属性提取也会造成极为不利的影响.水平叠加技术降低分辨率是影响其应用的一个主要障碍,其根本原因在于水平叠加的两个基本前提条件 (波形一致、时间对齐) 在实践中没有得到很好的满足 (夏洪瑞等,2003).

针对不一致性问题,人们研究了许多有效的技术并在生产中得到了良好的应用效果.目前,国内外地震数据一致性处理除了采用常规的地表一致性振幅补偿、地表一致性反褶积、地表一致性剩余静校正和动校正畸变切除等处理技术 (安西峰等,2010) 外,主要处理技术还有:基于相位替换为基础的时差校正技术 (林伯香和孙建国,2001),其实质是信号的相位谱中包含了信号的到达时,通过改变相位谱来改变信号到达时;基于分形理论的初至拾取算法 (刘伊克等,2001),其实质是针对观测走时存在震源子波波形的不一致性、折射波相位反转等原因引发的初至走时拾取中的相位跳跃误差,提高观测走时数据的精度;基于数学物理模型的反射振幅一致性校正技术 (李生杰等,2002),其实质是依据模型及其实现条件使用共轭梯度方法在时间域对地震记录进行谱分解处理,校正因复杂地表条件等因素对地震反射振幅而产生的影响;基于关系公式的剩余动校正量修正技术 (苑春方等,2002),其实质是通过研究带有剩余动校正量的CMP道集内反射波接收时间与偏移距之间的关系,得到了剩余时差函数;时频域有色谱校正技术 (夏洪瑞等,2002),其实质是利用模型道法、互相关法及已知波形法给出期望的有色谱,为校正提供依据,利用小波变换的正交性来克服傅氏变换引起的频泄现象;分偏移距动校正技术 (王鑫和陈新荣,2003),其实质是根据不同的偏移距对速度响应的差异,计算并消除这种差异所造成的CMP道集内的剩余时差,使同相轴的连续性和平滑性增强;匹配滤波法处理技术 (邬达理,2004),其实质是利用近炮检距数据为模型,通过匹配滤波实现远近排列数据的一致,克服大炮检距波组的低频化现象;二步法反褶积处理技术 (王西文等,2006),其实质是先采用地表一致性反褶积, 将不同震源的频带拓宽到一个标准上,再采用相位校正反褶积, 将不同震源的数据校正到相同相位上;利用地震属性求取剩余静校正技术 (魏庚雨等,2009),其实质是首先对参加相关的道集和叠加数据进行地震属性处理,然后进行剩余时差的拾取;改进型时间域剩余动校正技术 (马永军和王季,2010),其实质是通过提取同一地震道中不同时刻采样点的剩余时差来获取时移量;基于结构自适应中值滤波器的随机噪声衰减方法 (王伟等, 2012),其实质是使滤波操作窗能够最佳匹配信号的局部结构特征,解决地震剖面的随机噪声衰减和有效信号保真的问题,在增强反射同相轴的横向一致性的同时有效保持剖面内的地层边缘和细节特征,改善地震资料的品质;基于地震图像校准的共成像点道集增强技术 (李钟晓等, 2013) 其实质是实现不同偏移距道集在时间和空间上的逐点匹配对齐,增强共成像点道集中同相轴的一致性,提高叠加结果的分辨率;基于偏移成像道集的剩余静校正方法 (徐锦承和张剑锋, 2016),其实质是通过生成随炮点和检波点位置变化的偏移道集, 由偏移道集中直接拾取炮、检点的地表一致性剩余时差,避免复杂情况下同相轴归位不准确导致的剩余时差拾取误差等等.

地震资料实际处理中,各种一致性处理方法均有其适应性:有的方法是实现技术上的原因存在着一定的局限性,在经处理后的数据上仍有剩余时差存在;有的方法只校正剩余时差部分,而不考虑相位的畸变,以致使处理过的记录不能恢复到最理想的形态;有的方法的振幅保真度不够高.为了更好地解决数据的一致性问题,在大量试验处理研究的基础上,通过采用WesternGeoco公司Omega处理系统的非刚性匹配处理技术获得了较理想的处理效果.

2 非刚性匹配技术 2.1 方法原理及特点

非刚性匹配方法的原理:相似于数码摄影用到的将几张照片“缝合”到一张全景照片里.它依赖于图像的相似和有局部光滑变形 (或位移) 场匹配,非刚性术语指的是该算法的局部匹配特性.该方法的基本模式是:预先使输入的地震数据体按基准的立方体的形状分解形成体积元素 (三维象素),并将为每个象素进行位移估计,属3维处理 (Nickel和Sonneland,1999).

地震数据的动态范围较大, 而且数据有正有负.为了应用数字图像处理技术, 必须首先进行数据格式的转换.采取保持原数据结构关系及其量化精度的转换方法, 其转换模型为

(1)

式中, tm为时间采样点, 相当于图像中的行;k为测线标志, 相当于序列图像中的帧数;xn为同一测线的道标志, 每道相当于图像的每列;se(tm, xn, k) 为原地震资料在采样点 (tm, xn, k) 上的原始数据, 有正值, 也有负值;semin为原始地震数据最小值;f(m, n, k) 为转换后新的灰值图像在像素 (m, n, k) 上的数据, 无负值.

根据公式 (1) 可以将实际的叠前和叠后三维地震数据体转换成数字图像处理技术中能够使用的新的三维地震数据体 (陈凤等,2003).

非刚性匹配方法的特点和技术优势分析:

1) 由于常规的一致性处理方法,如地表一致性剩余静校正处理中只能将属于地表一致性的时差问题解决,而对于非地表一致性的时差问题则无能为力.如果采用非地表一致性剩余静校正方法,虽然可以解决一部分剩余时差问题,但由于其方法原理是基于道集中全部道记录叠加生成的模型道,只进行时差方面的校正,不能进行波形的校正.而非刚性匹配方法既能解决剩余时差问题,也能对波形进行一致性修正,且不改变振幅相对大小,有利保幅.

2) 非刚性匹配方法是基于三维像素的,故运算给出的结果更稳定可靠.

3) 非刚性匹配方法的模型道是基于近炮检距的,有利高分辨率保持,消除速度精度不够对远炮检距的时差的影响,同时也可消除动校拉伸对波形畸变的影响.

总之,该方法能使得共中心点 (CMP) 道集或叠前偏移得到的共反射点 (CRP) 道集更加平直,同一波组的波形趋于一致,且振幅保真度高.

2.2 实现过程

非刚性匹配技术的应用是在预处理的基础上,首先将叠前数据分选成炮检距数据,优选部分炮检距数据形成模型,然后对每一炮检距数据逐一与模型进行非刚性匹配,实现数据的一致性处理.非刚性匹配处理技术的关键是建立高质量的模型数据,我们在实际的地震资料处理中,在大量试验的基础上,探索出了非刚性匹配处理流程 (如图 1所示),其步骤如下:

图 1 CMP/CRP道集非刚性匹配处理流程 Figure 1 Workflow of CMP/CRP non-rigid matching technique

1) 叠前数据处理包括:解编、空间属性定义、近地表静校正、去噪、振幅恢复、反褶积、CMP道集分选、速度分析、剩余静校正、叠前偏移等处理.

2) 将道集数据进行规则化、分选为共炮检距域数据.

3) 选取部分近炮检距数据叠加,建立匹配的模型数据.数据选取以不降低分辨率且具有较高信噪比为原则,一般取覆盖次数的10%~20%道记录即可.

4) 应用非刚性匹配法对每一炮检距数据逐一进行处理.

5) 将地震记录再抽回到道集,进行后续的相关处理.

3 应用效果分析

图 2给出了实际资料经过非刚性匹配处理前后的CRP道集记录,从中可以看出:非刚性匹配处理后的记录 (图 2b) 较非刚性匹配处理前的记录 (图 2a) 的一致性有明显的提高,消除了剩余时差对CRP道集的影响 (箭头所指处).

图 2 CRP道集对比图 (a) 非刚性匹配处理前; (b) 非刚性匹配处理后. Figure 2 Comparison of CRP gathers (a) Before applying non-rigid matching technique; (b) After applying non-rigid matching technique.

图 3给出了非刚性匹配处理前后的叠加剖面,可见:在没做非刚性匹配处理 (图 3a) 的情况下,剖面的品质不好;在做过非刚性匹配处理后 (图 3b) 剖面品质取得了明显改善 (箭头所指处).

图 3 偏移成像剖面对比 (a) 非刚性匹配处理前; (b) 非刚性匹配处理后. Figure 3 Comparison of PSDM sections (a) Before applying non-rigid matching technique; (b) After applying non-rigid matching technique.

图 4给出了CRP道集非刚性匹配前后波形与振幅曲线对比图,可见:在没做非刚性匹配处理的情况下,波组的波形一致性不好 (图 4a);在做过非刚性匹配处理后,波组的波形一致性取得了明显改善 (图 4c).另外,非刚性匹配处理前 (图 4b) 后 (图 4d) 的振幅曲线没有发生明显改变,振幅的强弱关系保持良好,说明非刚性匹配法的振幅保真度高.

图 4 CRP道集非刚性匹配前后波形与振幅曲线对比图 Figure 4 Comparison of waveform and amplitude (a) Waveform of CRP gathers before applying non-rigid matching technique; (b) RMS amplitude of CRP gathers before applying non-rigid matching technique; (c) Waveform of CRP gathers after applying non-rigid matching technique; (d) RMS amplitude of CRP gathers after applying non-rigid matching technique.

图 5给出了非刚性匹配处理前后偏移处理成果分别求取的频谱叠合显示,可见非刚性匹配处理后的频带较未做非刚性匹配处理的频带稍宽2 Hz,说明非刚性匹配处理在保持分辨率不降低方面也是有利的.

图 5 偏移成果数据频谱对比显示 (a) 非刚性匹配处理前 (蓝色); (b) 非刚性匹配处理后 (红色). Figure 5 Comparison of frequency spectrum of PSDM results (a) Before applying non-rigid matching technique (blue); (b) After applying non-rigid matching technique (red).
4 结束语

通过对实际资料的非刚性匹配法的处理效果对比,我们可以得到如下结论:非刚性匹配技术能有效地提高数据的一致性,且振幅保真度高,有利于提高资料处理成果的信噪比,也有利于保持分辨率不降低,是改善资料处理品质的有效处理手段之一.依据该技术的特点,该技术可适用于时延地震匹配处理、叠前角道集拉平、叠前CMP/CRP道集拉平、振幅随角度变化 (AVA) 处理、PS波与PP波同相轴匹配处理等.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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