（计算机应用技术专业论文）地震资料解释系统中若干问题的研究.pdf

论文题目：地震资料解释系统中若干问题的研究专业：计算机应用技术硕士生：q ：-涛( 签名)至涛指导教师：张群会( 签名) j 葶纽摘要地震资料解释是地球物理工作中一个非常重要的环节，是将地震资料转化为地质语言的重要步骤，关系到地震资料能否充分发挥其地质效果。现今的地震资料解释已不仅仅满足于常规的构造解释，而是更倾向于以地震信息为主，借助先进解释技术，开展储层特征综合分析、油气藏分布规律等更深层次的研究。基于此，本文研究了地震资料解释中的一些先进技术和方法，并对其进行了改进，使地震资料的解释更加准确合理。本文的重点内容如下：首先是相干体技术。相干体技术是近年发展起来的一项功能强大的地震属性解释新技术，主要应用于地质构造、沉积环境的解释和隐蔽性油气藏的勘探开发等领域。本文首先研究并总结了相干体的三代算法，之后对它们的效果进行了对比和分析，针对第三代相干体算法效率低的问题，把超道技术和r a y l e i g h 商加速法引入到第三代相干体算法的计算中，实验表明，该方法在保持第三代相干效果的前提下，提高了运算速度。其次是相干体切片的滤波。相干体切片常被用于进行断层和岩性的变化解释，其质量直接关系到断层解释的效果，因而提高该切片的质量至关重要。本文在总结传统滤波方法的基础上，针对相干体切片的特征，应用了边缘保持滤波方法，并对其进行了改进，采用了一种新的分析模板。实验表明，该方法不仅能很好地滤除相干切片上的噪声，同时也能较好地保持断层边缘。最后是地震剖面的滤波。在地震数据体剖面中，地震反射同相轴的识别和追踪是非常重要的步骤，要识别和追踪出反射同相轴，就要求地震剖面具有较高的质量，即高信噪比和高分辨率。本文针对地震剖面所具有的特征，应用了基于偏微分方程的滤波方法，先详细研究了p m 模型和j w e i c k e r t 模型的滤波效果，然后在此基础上，针对j w e i c k e r t模型出现的虚假条纹现象，提出了其改进模型。经过比较发现，该改进模型能够较好地消除虚假条纹并较好地保护边缘纹理。关键词：地震资料解释；相干体技术；边缘保持滤波；偏微分方程滤波；相干切片研究类型：应用研究s u b j e c t：s t u d yo ns e v e r a lp r o b l e m so fs e i s m i cd a t ai n t e r p r e t a t i o ns y s t e ms p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yn a m e：w a n gt a oi n s t r u c t o r ：z h a n gq u n h u ia b s t r a c t( s i g n a t u r e )( s i g n a t u r e )t h ei n t e r p r e t a t i o no fs e i s m i cd a t ai sav e r yi m p o r t a n ts t e pi nt h ew o r ko fg e o p h y s i c sa sw e l la sa l li m p o r t a n tp r o c e s st ot r a n s f o r mt h es e i s m i cd a t ai n t og e o l o g i c a ll a n g u a g e i tr e l a t e st ow h e t h e rt h es e i s m i cd a t ac o u l dp e r f o r mi t s e l fe f f e c t i v e l y n o w a d a y s ，t h ei n t e r p r e t a t i o no fs e i s m i cd a t ai sn o to n l yc o n f i n e dt or o u t i n es t r u c t u r ei n t e r p r e t a t i o n ，b u tm o r ed e p e n d so ns e i s m i ci n f o r m a t i o n ，u s i n ga d v a n c e di n t e r p r e t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，d e v e l o p i n gf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fl a y e r sc h a r a c t e r i s t i c s ，o i la n dg a s sd i s t r i b u t i n gr u l e s ，a n ds oo n b a s e do nt h i s ，i nt h i sp a p e r , w es t u d ya n di m p r o v es e r e v a lt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d st om a k et h ei n t e r p r e t a t i o no fs e i s m i cd a t am o r ea c c u r a t e t h ek e yp o i n t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri sat e n t a t i v es t u d yo ft h ec o h e r e n c ec u b et e c h n o l o g y s e i s m i cc o h e r e n c ec u b et e c h n o l o g yi sar e m a r k a b l ys i m p l ey e tp o w e r f u ln e wt e c h n o l o g yo fs e i s m i ca t t r i b u t ea n a l y s i sw h i c hi sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i ti sm a i n l yu s e di nt h ei n t e r p r e t a t i o no fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n ds e d i m e n t a r ye n v i r o n m e n t ，t h ee x p l o r a t i o no fh i d d e no i la n dg a sr e s e r v e s ，a n ds oo n t h i sp a p e rf i r s t l yr e s e a r c h e sa n ds u m m a r i z e st h et h r e eg e n e r a t i o na l g o r i t h m so fc o h e r e n c ec u b et e c h n o l o g y , t h e nc o m p a r e sa n da n a l y z e st h e i re f f e c t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl o we f f i c i e n c yo fc 3 ，an e wc o h e r e n c ya l g o r i t h mb a s e do ns u p e rt r a c et e c h n o l o g ya n dr a y l e i g hq u o t i e n ta c c e l e r a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h ec a l c u l a t i o no fc 3 e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o dc a np r e s e r v et h ee f f e c to fc 3a sw e l la si m p r o v et h ec o m p u t i n gs p e e d b e s i d e s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef i l t e r i n go fc o h e r e n c ec u b es l i c e t h i ss l i c ei so f t e nu s e dt oi n t e r p r e tt h ev a r i a t i o no ff a u l t sa n dl i t h o l o g y i t sq u a l i t yd i r e c t l yr e l a t e st ot h er e s u l to ff a u l ti n t e r p r e t a t i o n ，s oi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs l i c ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , s e v e r a lt y p i c a li m a g ed e n o i s i n ga p p r o a c h e sa r ea p p l i e d i nv i e wo ft h ef e a t u r e so fc o h e r e n c ec u b es l i c e ，w eu s et h ee p sm e t h o dh e r eo nt h ef o u n d a t i o no fs e v e r a l 订a d i t i o n a lm e t h o d s ，a n dt h e ni m p r o v ei tb yu s i n gan e wa n a l y t i c a lm o d e l a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t s ，t h i sm e t h o dc a nn o to n l yf i l t e rt h en o i s ei nt h es l i c ep e r f e c t l y , b u ta l s op r e s e r v et h ee d g eo ff a u l t sv e r yw e l l f i n a l l y , i ti sc o n c e r n e dw i t ht h ef i l t e r i n go fs e i s m i cs e c t i o n i nt h es e i s m i cd a t as e c t i o n ，i d e n t i f y i n ga n dt r a c i n gt h es e i s m i cr e f l e c t i o ni n - p h a s ea x i sa r ev e r yi m p o r t a n ts t e p s i no r d e rt oa c h i e v et h e s eg o a l s ，h i g hq u a l i t yo ft h es e i s m i cs e c t i o ni sv e r yn e c e s s a r y , t h a ti st os a y , h i g hs n ra n dh i g hr e s o l u t i o na r en e e d e d i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h es e i s m i cd a t as e c t i o n ，f i l t e r i n gm e t h o d sb a s e do np a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o na r ea p p l i e dh e r e f i r s t ，t h ef i l t e r i n ge f f e c t so fp mm o d e la n dj w e i c k e r tm o d e la r es t u d i e dv e r yc a r e f u l l y t h e n ，o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u ss t u d i e s ，a na m e l i o r a t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ef a k es t r i p e sw h i c ha p p e a ri nt h em o d e lo fj w e i c k e r t a f t e rc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h i si m p r o v e dm e t h o dc a ng e tb e t t e re f f e c t so nf i l t e r i n gt h ef a k es t r i p e sa n dp r e s e r v i n gt h ec h a r a c t e ro ft e x t u r e s k e y w o r d s ：s e i s m i cd a t ai n t e r p r e t a t i o ns y s t e mc o h e r e n c ec u b et e c h n o l o g ye d g e - p r e s e r v i n gs m o o t h i n gp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o ns m o o t h i n gc o h e r e n c ec u b es l i c et h e s i s：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h要料技大学学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： i 秀日期：2 。d ? 年目弓日学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。妣n 寿：了李脾乏立伊7 年石月弓日1 绪论l 绪论1 1 选题背景及研究意义自2 1 世纪以来，地球物理领域发生了许多变化【l j 。新时期国家的快速发展及其对能源的迫切需求，将引导勘探家们对有效地球物理技术的热烈追逐。众所周知，凡是涉及油气勘探的研究工作必然是以地质和地球物理这两大研究领域为主导，而油气地球物理方法中又以地震方法 2 j 为主。地震资料解释通常是指根据地震方法得到的地震信息来确定地质构造形态和空间位置，推测地层岩性、厚度及层间接触关系，确定地层含油、气、煤等资源的可能性，为工作面的顺利回采提供地质保障。地震资料解释是整个地球物理勘探的核心，其精度直接影响到勘探效益。在世界范围内，经过1 0 0 多年的油气勘探，未经勘探的区域已所剩无几，比较容易找到的构造油气藏大多数已被发现，寻找新的油气田也愈加困难，这就要求人们不断探索新的勘探方法和技术，并从现有的地球物理、地质、油藏开发等资料中提取和发掘出更多新的信息进行油气的预测研究，进而提高钻探的成功率。这些新技术、新方法主要包括：地震相干体技术、地震数据滤波技术、断层解释技术等等。( 1 ) 地震相干体技术。相干体技术通过三维数据道间的相似性计算，以相干值较低的点判别反射波波形的不连续性，揭示断层、裂缝、岩性体边缘、不整合等地质现象，为解决地震勘探中的构造问题提供了有利依据。随着油气勘探难度的加大，地震资料解释的精度要求也越来越高，相干技术在精确描述油气藏方面的应用将越来越广。( 2 ) 地震数据滤波技术。地震勘探时所采集到的野外地震资料中伴随着大量的噪声，需要对其进行数字处理，从中提取相关有用信息，从而为地震勘探的地质解释提供可靠的资料。在地震勘探中，地震资料解释是一个非常重要的环节。而在解释过程中，地震剖面图和相干切片图的质量至关重要：地震剖面图。地震反射同相轴的识别和追踪是非常重要的步骤，要识别和追踪出反射同相轴，就要求地震剖面具有较高的质量，即高信噪比和高分辨率，所以在整个地震勘探中，提高地震剖面的信嗓比和分辨率是一个十分重要的问题；相干切片图。常用相干切片进行断层和岩性的变化解释，其质量直接关系到断层解释的效果，因而提高该切片的质量至关重要。( 3 ) 断层解释技术。在油田勘探中，断层解释是整个构造解释的关键，其目的是得到一个精确的含有所有断层面的3 d 图像，其结果是绘制出更精确的远景构造图和油藏图。断层解释的精确性和合理性直接影响着构造成果的精度。西安科技大学硕士学位论丈1 2 研究动态近年来，随着地震勘探、油气储层横向预测以及油气藏描述技术的应用与发展，勘探家对地震解释成果的要求也越来越高【3 1 ，面对日益复杂、隐蔽的油气藏，为提高钻探的成功率，需要把地震勘探的新技术、新方法广泛地应用到地震解释中。( 1 ) 相干体技术是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一项新的三维地震解释技术。目前，相干算法己从第代基于互相关的c l 相干体算法，第二代利用多道相似性的c 2 相干算法，发展到第三代基于特征结构的c 3 相干算法。国外l a n d m a r k ，g e o f r a m e 等软件厂商的相干算法大部分采用能量归一化后的互相关计算，国内一些研究机构主要采用第二代相干算法。从效果上讲，第三代相干算法具有分辨率高、抗噪性强的特点，但是该算法的计算量比较大、效率比较低。( 2 ) 在地震解释中，提高地震资料的分辨率是地震勘探所要解决的一项主要任务，而提高地震信号的信噪比是提高地震信号分辨率的先决条件，因为噪声的存在是提高分辨率的主要障碍。要提高地震资料的信噪比，需要去除地震资料中的随机噪声和相干噪声。传统的噪声滤除方法如中值滤波、均值滤波、高通、低通滤波、白适应加权滤波等等，虽都能在一定程度上滤除图像中的噪声，但是这些常规的方法在滤除噪声的同时，往往会损失目标图像中的高频信息，引起边缘和纹理的模糊。其原因在于：这些方法并没有考虑图像的形状特征，其平滑结果等价于传导系数为常量的热扩散方程，属于各向同性扩散。近年来，基于偏微分方程的扩散去噪技术逐渐得到重视，被广泛应用于图像去噪和图像增强等领域，其特点是将某些先验信息引入到扩散过程中，在图像去噪的同时保护甚至增强如边缘、线条等一些纹线形结构，因此被广泛应用于去噪领域。考虑到地震图像具有因同相轴形成的大量边缘，包含地质体的丰富信息，在去噪过程中必须保护所有的边缘，甚至增强边缘信息，以利于解释。因此，基于偏微分方程的扩散去噪方法应该能够适用于地震图像的去噪处理。( 3 ) 以往的断层解释是在地震反射层位解释的基础上，根据解释员的经验进行断层解释和断层组合。也就是说，解释结果与解释员的经验密切相关，有较大的随意性，这样便导致三维资料的二维化解释。近年来出现的相干体技术可以突出断层特征，从而使得对断层、特别是对小断层进行自动解释成为可能，但断层解释方法多数采用二维解释模式。这种模式不仅降低数据体的利用率，无法充分发挥相干数据体的优势，而且还影响断层解释精度，增加断层解释难度。因此，目前把相干体技术和三维解释技术结合起来，以达到真币的三维解释目的，从而减少人工因素的影响，使断层解释更真实、准确。21绪论1 3 研究内容与目标本课题的研究目标是：针对三维地震解释系统开发过程中运用的一些新技术( 包括相干体技术、地震图像的滤波技术以及断层解释技术) 进行研究和改进，以提高地震资料解释的效率和精度，使其更利于“基于w i n d o w s 平台上的三维交互式地震资料解释系统”的开发。具体研究内容包括以下几个方面：( 1 ) 研究相干数据体技术的三代算法，并对其效果进行分析比较。针对第三代相干算法效率低的问题，提出其改进算法，该改进算法主要采用超道技术来降低协方差矩阵c 的阶数、用r a y l e i g h 商加速法来快速找出c 的最大特征值。( 2 ) 进行了地震图像的滤波。对相干切片，用传统滤波方法进行了处理。针对传统方法效果不突出的问题及相干切片的特征，本文应用了边缘保持滤波技术，并对其分析模板进行了改进，该技术是一种新的思维方式。( 3 ) 根据地震剖面图的特征，本文运用了非线性偏微分方程模型p m 和j w e i c k e r t进行滤波。针对j w e i c k e r t 模型滤波后出现的虚假条纹现象，提出了j w e i c k e r t 模型的改进模型，并进行了效果对比。( 4 ) 进行了断层解释。首先阐述了基于剖面的断层解释和相干切片的断层解释，针对这两种传统断层解释方法中三维资料的二维解释问题，介绍了两种三维断层自动解释方法：基于种子点的三维断层自动追踪方法和智能蚂蚁算法。1 4 论文组织结构本文共六章，各章节的主要内容和安排如下：第一章：绪论。首先介绍本课题的选题背景、研究意义以及研究动态，确定本次研究的主要内容和预期目标，随后对整个论文的框架结构作以简单介绍。第二章：断层解释中相干体技术。本章首先介绍相干体技术的基本原理、相干体的三代算法、三代算法综述以及它们参数的选取和应用；接着提出了第三代相干算法的改进算法；最后简要介绍了相干体技术发展的趋势。第三章：滤波技术在地震图像处理中的应用。首先用均值、中值、高通和低通滤波技术对地震剖面和相干切片进行滤波，分析了这些方法的优缺点；接着研究这两种图片的特征，介绍了一维、二维边缘保持滤波方法；最后采用改进分析模板的边缘保持滤波方法对相干切片进行了处理。第四章：基于偏微分方程的地震图像滤波技术。主要介绍了p m 模型和j w e i c k e r t模型的原理、数值解法以及对地震剖面的滤波效果，在此基础上提出j w e i c k e r t 模型的改进算法。3西安科技大学硕士学位论文第五章：断层解释。主要介绍目前断层解释中的一些经典方法，包括基于剖面的断层解释、相干体切片的断层解释、基于种子点的三维断层自动追踪方法和智能蚂蚁算法。第六章：结论。本章主要总结整个课题的完成情况，并对地震资料解释中新技术的迸一步研究作以展望。42 断层解释中相干体技术研究2 断层解释中相干体技术研究三维地震相干数据体( 即相干体) 技术是近年发展起来的一项功能强大的地震属性解释新技术，主要应用于地质构造、沉积环境的解释和隐蔽性油气藏的勘探开发等。其利用相邻地震信号的相似性来描述地层、岩性的横向非均匀性，特别是在识别断层以及了解与储集层特征密切相关的砂体展布等方面非常有效。使用该技术，解释人员可以在三维相干体切片上直接解释断层，从而可以快速认识整个区域内断裂发育和平面展布的情况，大大缩短了三维地震数据解释的周期，提高了解释的精度。2 1 相干体技术的基本原理( 1 ) 常规断层解释中存在的问题常规三维地震解释是在垂直地震剖面上进行的，它能有效地进行层位解释、断层解释和地层特征分析。如果要确定断层和地层特征的平面展布，则需要对工区内各测线进行逐条解释，然后在平面上进行人工分析、判断和组合。这种方法不仅浪费人力、机时，而且会较大的融入解释人员的主观因素。另外，对于地震剖面上特征不太明显的小断层，使用上述常规解释方法难度会更大。常规三维地震解释中，经常会使用两种振幅切片振幅时间切片和振幅沿层切片。前者是在三维数据体内沿某一固定时间的水平振幅切片，后者是沿某一解释层位的振幅平面展布切片，两者都能显示地震振幅特征。使用效果表明，振幅时间切片因切过多个层位，如果断层的走向与地层走向接近或一致时，其特征会被掩盖，难于清楚地辨别和解释；在振幅沿层切片上断层特征相对比较明显，但制作这种切片必须首先完成层位的解释，这样就会受解释人员主观因素的影响，从而可能歪曲断层特征。因此，常规三维地震解释方法已越来越不能满足当前工作的需要，1 9 9 5 年b a h o r i c h 和f a r m e r l 4 提出了相干体技术。该技术能在较短时间内准确、有效、客观地完成三维地震资料的断层解释工作，它已成为一种快速有效的三维地震资料解释新方法。( 2 ) 相干体技术的原理相干体技术的相干处理不同于常规地震资料处理，它不是对地震反射波成像，而是通过分析波形的相似性对三维数据体的不连续性进行成像。其基本原理是在偏移后的三维数据体中，对每一道每一样点求与周围数据的相干性，即计算时窗内的数据相干性，把这一结果赋予时窗中心样点，进而得到一个表征相干性的三维数据体( 即三维相干数据体) 。构造运动使地层产生断层、裂缝，在沉积过程中形成地质异常体，如河道、礁体和尖灭等地质现象，使地层产生横向不均匀现象，从而导致地震相邻道之间的反射信号发5西安科技大学硕士学位论文生变化。具体的说：在反射波法地震勘探中，由震源激发的脉冲波在向下传播过程中，遇到波阻抗分界面时，根据反射定理和透射定理，发生反射和透射，形成地震波。地震波在横向均匀的地层中传播时，由于各相邻道的激发和接收条件十分相似，反射波的传播路径与穿过地层的差别极小，故对反射波而言，同一反射层的反射波走势十分接近，同时表现在地震剖面上是极性相同，振幅、相位一致，称为波形相似。相干技术就是一种利用数学方法来突出相邻道之间地震信号的非相似性，进而达到检测断层、反映地质异常特征的平面展布的一项新技术。也就是说，当地下存在一均匀、连续介质时，来自该界面的地震反射波在相邻地震道上具有相似的振幅、相位、频率等波形特征；但当地下存在断层、岩性突变、特殊地质体时，就会造成来自该处的地震反射波在横向上的不均匀、不连续，与来自界面连续处的地震波具有不同的波形特征。地震道之间的波形特征发生变化，进而导致局部道之间相关性的突变。相干体技术正是通过在纵向和横向上分析局部波形得出三维地震相干体的估计而生成的。相干数据体是利用相干性的计算方法，对三维地震数据体进行处理，计算相邻地震道之间的相干系数，形成只反映地震道相干性的新数据体，突出相邻道之间地震信号的差异性，使断层、相变、岩性异常体以及其他地质现象更加直观地显示出来。目前，相干体的算法主要有三代：基于相关的算法、基于相似系数的算法和基于本征结构分析的算法。2 2 相干体技术的三代算法( 1 ) 相干体第一代算法大部分相干体计算软件中的相干算法，都是基于传统的能量归一化互相关原理进行相干计算的，也称之为第一代相干算法即c l ( b a h o r i c h 和f a r m e r ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) p j ，该算法利用主测线和联络测线方向的相关系数合成主联方向的相关系数，其计算量小易于实现，但是受资料的限制大。首先定义纵测线上f 时刻、道位置在a ( x ，y ，) 和8 ( x ，y ，) 与地震道u 之间延迟为，的互相关系数c x ：c x ( ，x j ，y f ) =u ( t - r ，y f ) u ( t - r - 1 ，k m y )( 2 1 )式( 2 1 ) 中，2w 为相关时窗长度。接着下一步，再定义横测线上f 时刻、道位置在a ( x ，y ，) 和c ( x ，y 川) 与地震道u之间延迟为m 的互相关系数c y ：62 断层解释中相干体技术研究”o f ，x l ，只) 甜o f m ，t ，y “1 )c yo ，m ，t ，y ，) = f f = = - - = w = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =( 2 2 )1 材2 ( t - - z ，x f ，y f ) “2 ( t - f - m ，x ，y 件1 )yt = - - w把上面纵测线( z 延迟) 和横测线( m 延迟) 的相关系数组合起来得到相关系数c 。，为：= 、m a x c ，( t ，t ，y f ) ) ( m a x c y ，m ，薯，咒) )( 2 3 )式子中的m a x c ，( f ，x i ，y ，) 和m a x c ，( f ，m ，一，y f ) 分别表示延迟，和m 时，使q 和c ，达到最大值。也可以把两道的互相关系数的函数表示为：兰生：2 p 酊一瓦焉，咒) 一谣( f r , x j ，咒) 】i 以一f 一厶玉“，彤) 一硝p f 一，丐+ l ，彤) 】g ，薯，彤) = _ 1 呈兰，_ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一( 2 4 )1 乏) z 心一r , x t ，彤) 一花一乃兹，咒) 于 砸一f 一厶丐卅，卫) 一萌p f 一厶忑+ ，m ) ft f = 卜wc l 相干算法的最大优点就是可以分别沿三维地震数据的i n l i n e 与c r o s s l i n e 线方向计算互相关系数，计算量小易于实现。对于高质量的地震数据，时移z 和m 可分别近似计算出每道在x 和y 方向上的视时间倾角。对于含相干噪声大的地震数据，仅用两道计算的视倾角估计，干扰将是相当大的，这也正是互相关算法的局限性。( 2 ) 相干体第二代算法虽然第一代相干体算法计算比较简单，但在处理具体的噪声数据时，有一些局限性，只适应于高质量的地震资料。为了解决这些问题，k u r tj m a r f u r t 等人在1 9 9 7 年提出的第二代相干体算法( 简称c 2 ) ，有较强的抗噪能力。该算法对任意多道地震数据进行相似分析，计算其相干性。除了能在噪声环境下更稳定地计算相干性、倾角与方位角之外，在分析垂直时窗内能够限制时间数据采样点的范围大小，更好地计算地层特征的细微变化。第二代相干体算法考虑了整个数据体反射层的倾向和方位角，使得对某一方向的断层显示更清楚。特别是在垂直方向上采用了非零均值互相关算法，减少了上覆或下伏地层特征的混淆，大大提高了垂向分辨率。正如互相关发展了自动拾取初至和反射层方法一样，基于多道相似的相干体技术形成于常规速度分析和层析速度分析的基础上，它具有稳健的( t ，p ) 算法和f x 反褶积算法的固有特征。计算中，需要定义一个空间和时间的孔径，即三维数据分析时窗的大小，同时还需要在数据体的每一个数据点上定义它的方位角和倾角( 其中方位角的定义为：从标准方向的北端起，顺时针方向到直线的水平角称为该直线的方位角，方位角的取值范围为0 3 6 0 度；倾角定义为：倾斜的角度) ，方位角和倾角可以隐式地通过层拉平确定，也可以显式地通过相似倾角扫描确定。7西安科技大学硕士学位论文如图2 1 所示，首先定义一个椭圆窗口( 也可用矩形窗口) ，在这个窗口中以分析点为中心，有n 道地震数据，如果分析点的坐标为( x ，y ) ，则定义相似性c ( t ，p ，q ) 为：rnn1c ( t ，p ，g ) = “( 卜p x 。一，) 】2 + 【甜( 卜p x ，一q y 。) 】2 l1 = 1t = lj ，rn1 似f p x ，一，x ，y f ) 】2 + 旷( 卜p x ，一秽，t ，y 川2 ( 2 5 )( y 轴)向图2 1 分析时窗 6 1( 以分析点为中心的椭圆分析窗口，主轴为a ，径向轴为b ，主轴方位角为优)式( 2 5 ) * - - - 维坐标( f ，p ，q ) 定义了一个t 时刻的平面，p 和q 分别代表x 和y 方向的视倾角，单位为( m s m ) ；p x ，+ q y ，代表点，p ，q ) 定义的平面内点( 一，y ，) 处与中心点时间t 的差异；上标h 表示h i l b e r t 变换或实际地震道u 的正交分量。计算分析道的相似性，甚至可以得到地震反射同相轴中过零点的稳定相干性估计。该算法可以看作是三维地震信号u ( t ，x ，y ) 的t - p 变换u ( r ，p ，q ) ，它与三维倾角滤波或道插值的最小平方拉冬变换紧密相关，即：u ( t ，p ，g ) = u t 一( 腰+ 秒a x ，y ，】( 2 6 )f通过式( 2 5 ) 可以计算多道地震道的相似性。对于某些小的相干同相轴，如在计算沿过零点追踪的同相轴的相干性时，采用式( 2 5 ) 的相似算法是不稳定的，为了避免这个问题，采用与相似性速度分析相同的技巧，求垂向上2 k + 1 个样点的平均值。因此常采用式( 2 7 ) 计算。假设时窗长度为2 w ( m s ) 或半高度k - - w a t ，则定义相干计算的平均相似性c 为：82 断层解释中相干体技术研究c ( t ，p ，g ) = 匹u ( t + k a t - p x ，一奶，而，只) 】2 “甜日( t + k a t - p x ，一q y , ，t ，只) 】2 ) l k = 一ka = li = l、|rk ，、 晰+ 一弼一咣，而，咒) 】2 + ( t + f a t 一蹦一q y , ，薯，只) 】2 ( 2 7 )ll 一鬈z = lj式( 2 7 ) 中的t 为采样间隔。式( 2 7 ) 的优越性在于可以准确地计算数据的相干性、倾角和方位角，且垂直分析时窗可以限制在几个采样点以内，从而可以精确地计算薄的、细微的地质特征的相似性。从地震剖面中可以得到最大的倾角d 一( m s m ) ，限制视倾角为：4 p 2 + 9 2 d 。麒( 2 8 )根据相似性的特点【7 1 ，当视倾角与真倾角满足式( 2 9 ) 时，相似性c ( ，p ，g ) 达到最大值，式( 2 9 ) 为： p2d 喝1 n 尹( 2 9 )【q = d c o s 妒式( 2 9 ) 中的( p ，g ) 为视倾角对；d 为地层的真倾角( m s m ) ；矽是与正x 轴( 或北) 的顺时针夹角，也就是当计算得到的视倾角能够反映真实地层时，相似性达到极值。计算时，在以( f ，p o ，q o ) 为中心的( 矩形或椭圆形) 分析平面内，根据n y q u i s t 定律确定视倾角的采样间隔，按照离散点进行计算，最后得出极值点，根据对应的视倾角对勿，砂可以求出地层的真倾角d 。m a r f u r t 等提出的沿倾角( 方位角) 计算的多道c 2 算法的抗噪能力较强，但横向分辨率较低。( 3 ) 相干体第三代算法为了提高相干算法的分辨率，g e r s z t e n k o r n 和m a r f u r t 8 】将数学中的矩阵特征结构引入到相干分析中，利用特征结构来计算相干系数，即基于特征结构的第三代相干算法( c 3 ) 。基于特征结构的相干算法本身就可以实现按一定间隔进行倾角或方位角扫描。假设所确定分析窗口内的j 道地震数据u j 的坐标3 勾( x j ，y j ) ，首先从数据体中提取分析时窗内的一组地震道数据生成样点矢量，样点矢量在分析时间t = n a t 的士m 的垂直时窗内，在由时间t 为中心的视倾角p 和q 决定的平面上，通过数据样点插值生成，每一个样点矢量组成新数据矩阵的行。再由新生成数据矩阵的列，进行自相关和互相关，生成j x j 的协方差矩阵c 为：一+ 彳c ( p ，譬) = m = l 口- m材l m 材l m9 1 2 m “l m材l m 甜2 甜2 m ”2 材l m 甜加甜2 m 材加：“j m z 4 1 m 1 j m 甜2 mt lj m 材j m9( 2 1 0 )西安科技大学硕士学位论文式( 2 1 0 ) q b ，“朋= u j ( m a t - p x j 一，) 表示某地震道沿着视倾角在t - - m a t p x - q y处的内插值。设五，0 = 1 ，2 ，j ) 是协方差矩阵c 的第j 个特征值，其中 是其最大的特征值，那么定义c ，相干算法公式描述如下：c 3p 刃卜专2 志( 2 11 )y 见，1l 乙智。j = i式子中，分母是矩阵的迹，代表了协方差矩阵的能量；分子无代表了最大特征值。迹计算如下：用丁( c ) = d dc ，其中c =材砌材加，令视倾角p 和方位角q 均为零，便可得到该算法的相干值：ac 3 = c 3 ( p = 0 ，q = o )( 2 1 2 )其中g 是由g 相干算法计算出的相干值，g ) 为视倾角对。在实际的计算中，为了提高运算速度，特征值可以采用乘幂法计算，矩阵c 的迹及各元素的和可以用递推法计算。( 4 ) 相干体三代算法综述相干体实际上弱化了横向一致性的地层反映，而突出了断层或岩性边界等非一致性的反映。因此，在解释工作前期的资料浏览过程中，相干数据体用于构造解释可以提高解释效率和精度，从而减少解释周期。实际应用中可针对不同的地质目的和不同质量、不同地区的数据，采用不同的相干体算法。第一代方法采用三道相干处理，对于高品质的地震资料具有很好的检测效果，分辨率也较高，其计算量小且易于实现，但当地震资料的信噪比低时误差较大。目前，l a n d m a r k ，g e o f r a m e 等软件厂商的相干算法大部分采用能量归一化后的互相关计算；第二代方法采用多道相干处理，可对任意多道地震数据计算相干，是基于等时或沿构造层位在一定时窗内进行相干计算，其优点是稳定、抗噪性强，并且时窗长度可变，缺点是不能正确反映地层倾角：第三代方法称作特征构造，把多道地震数据组织成协方差矩阵，应用多道特征分析技术求得多道数据之间的相关性，计算倾角、方位角，在边缘检测方面有较高的分辨率，计算量比较大，不适应于陡倾角地层的计算。实际上，前两代相干体算法也可以用协方差矩阵统一起来【9 j 【1 0 】。与g 相干算法一样，对于分析时窗中的j 道数据( 如图2 2 所示) ，每道2 m + 1 个采样点，建立式( 2 1 0 ) 所示jxj 的协方差矩阵。c ，相干算法【lo j 可表述如下：1 02 断层解释中相干体技术研究舷班岛木赤】l 2仁聊式( 2 1 3 ) 中，巴( i - 1 ，2 ，3 ) 燃f fi 道的自相关量；g ( i - l ，j _ 2 ，3 ) 为第i 道和第j道的互相关量。取各视倾角对( m ，n ) 中对应的最大相干值作为该采样点的最终相干值：c i = m a x c i ( 朋，聆)( 2 1 4 )c ，相干算法可表述为：c z ( 加，甩) = 万2 lt 而 c u( 2 1 5 )其中，t r ( c ) 为协方差矩阵c 的迹；“= 【l ，1 ，l 】r ，将协方差矩阵c 进行特征分解得：c = y v r( 2 1 6 )式( 2 1 6 ) 中，为将特征值降序排列的对角矩阵。y 的列向量为对应的特征向量，即v = 【v ，v 2 ，b 】，是一个j x j 的矩阵。因为y 的列向量是一组标准正交基，向量u 可以表示为：掰= 屈嵋+ 及v 2 + + 历屹( 2 1 7 )其中，屈是u 和k 夹角的余弦，即屈= 材r v ，= c o s o j 。代入相似系数公式得：s 。= ( c o s 2b - t - 如c o s 2 岛- t - - i - 乃c o s 2e j ) t r ( c )( 2 1 8 )其中，以( i _ 1 ，2 ，j ) 为协方差矩阵c 按降序排列的特征值。从理论上讲，c 3 在分辨率和信噪比方面要优于c ，相干算法，具体推导过程如下【8 】【4 】：分辨率下面对式( 2 1 8 ) 继续推导可知道：当岛= o ，幺= 岛= = 秒，= 万2 时，e ( p ，g ) = 五t r ( c ) = c 3 。根据瑞雷商率法则，对于任何标准向量和半j 下定矩阵c ，有五u t c u 乃，其中， 和乃分别是c 的最大和最小特征值。于是可以进一步得出：c ，：矢c ：i u r c u ：尘堕坠尘堡垒! 墨鬯塑( 2 1 9 )。r ( f )2丁( c )r ( f )、7从上式可以看出，c 3 相干体的取值一般总是要比传统的相干体大。也就是说，它能更多地从原始数据体中提取出相干的成分，所以其分辨率要高。抗噪性假定噪声为随机噪声，协方差矩阵c 可以分解为有效信号和噪声两部分。c = c s - ! - c = c s - t - 仃2 i( 2 2 0 )西安科技大学硕士学位论文对于特征值而言，一般口】。认为t = 仃2j = 2 ，3 ，d ，对应噪声信号： 5 a l + 莎2 对应有效信号。代入式( 2 18 ) 化简可得：c ：= 警( 2 2 )n ：p g ：g c ，：型芒c ，即第三代相干体的抗噪性要好于第二代相干体，而第。a 1 + j o 2二代相干体要比第一代相干体好。2 3 相千体参数洗取及其应用效果2 3 1 相干体参数的选取由上面的算法原理可知，影响相干处理效果的主要参数如下：( 1 ) 相干道数的选取时窗大小是随研究对象的不同和地震波特性的不同而变化的。总的来讲参与的道数越多，噪声压制越强，但具有平均效应，突出了大断层、较大尺度的裂缝发育带，小断裂、小尺度的裂缝发育带反映不清楚。参与的道数越少，小尺度的裂缝发育带反映越清楚，但抗干扰能力越弱。所以在计算地震相干性时要根据研究地质目标的不同，来选择参与计算的相干道数。( 2 ) 相干时窗的选取相干时窗的选择一般由地震剖面上反射波视周期t 决定。较小的时窗对不连续性敏感，但受噪音影响较大，适用于高信噪比三维数据体：较大的时窗可以压制噪音，但平均效应增强，使一些微细的不连续信号更加模糊不清。因此在包括一个完