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地震数据图象处理及反演技术研究 捅要 地震数据图象处理技术是一门边缘技术，它是数据处理与图象处理的结合，对 于地球物理研究具有较深远的影响，多年来成功的经验表明，水平叠加是提高信噪比 的有效手段。而信噪比的高低直接影响分辨率。但是由于动校正和静校正不可能毫无 误差，因此图象的同相叠加、信号增强等图象处理的关键技术在地震数据处理中得到 广泛的应用，合理地使用各种去噪手段、改善信噪比谱是提高精度、展宽有效频带的 关键。 。 反演技术研究特别是岩性参数反演的研究，能较准确的同时反演出速度，密度 及波阻抗剖面，因而具有较广泛的应用前景。 本文通过试验手段，针对辽河资料的特点，以现有的o m e g a 处理软件为基础， 对高分辨图象处理技术进行研究。其具体内容包括： ( 1 ) 、提高信噪比处理方法研究。 ( 2 ) 、同相叠加方法研究。 ( 3 ) 、拓宽频带方法研究。 并用软件工程学的方法，研制出一套对以过井测井数据为约束条件，利用解释 的岩性模型，在一定的合理的参数变化范围内，通过反复修改初始模型，以使模型 所产生的合成记录与实际地震记录最佳拟合，从而求出一个具有较高分辨率的地层 模型的软件模块。具有以下明显的优点： ( 1 ) 基于的岩性初始模型为他的基本约束条件，使岩性参数反演的结果限制 在地震资料数据的合理范围之内，增强了解的稳定性。 ( 2 对初始模型的细分层相当于对地震数据高频成分作了一定的补偿，从而 使岩性参数反演所依据的信息频带范围展宽，加大了信息量。 ( 3 ) 采用多道处理技术，对随机噪音进行了压制，增强了解的抗干扰能力。 ( 4 ) 迭代始终朝着均方根误差减少的方向进行，解的稳定性得到了保证。 ( 5 ) 岩性反演剖面的分辨率更高，但成层性相对较差。 ( 6 ) 密度剖面能反映砂泥岩的差异，所以密度的反演为岩性预测及储层预测 提供了新的手段。 到目前为止，岩性参数反演在生产上还没有得到广泛应用，本文所提出的方法 需要在实际应用中进一步检验。 关键词：地震数据；图象处玛岩性参魏反瀛模型 地震数据图象处理及反演技术研究 a b s t r a c t s e i s m i cd a t ai m a g em a n i p u l a t i o ni sa ne d g e t e c h n o l o g y i ti sc o m b i n e s e i s m i cd a t a p r o c e s s i n gw i t hi m a g em a n i p u l a t i o n ，i ti sp r o v i d e dw it h r a t h e r f a r r e a c h i n g e f f e c tf o r p h y s i c a lg e o g r a p h y f o rm a n yy e a r s s u c c e s s f u le x p e r i e n c ei n d i c a t e ：s t a c ki sa v a i l a b i l i t ym e a n st oi m p r o v e s i g n a t o n o i s er a t e ，h i g hs i g n a l t o n o i s e r a t e d i r e c t l y a f f e c t d i s t i n g u is hr a t i o a n i m a t i o n t e c h n i q u eo fi m a g em a n i p u l a t i o ns u c ha ss t a c k i np h a s eo fi m a g e ，s i g n a ls w e l l i n ga n ds oo n ，h a sb e e nf a r r a n g i n ga p p l l e d i ns e i s m i ed a t ap r o c e s s i n g s e i s m i c l i t h o l o g i cm o d e l i n g m o d e ls e a r c hc a n e x a c t l y i n v e r s e v e l o c i t y ，d e n s i t y ，a c o u s t i ci m p e d a n c ep r o f il e ，i t i s p r o v i d e d w i t h f a r r a n g i n ga p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di np h y s i c a lg e o g r a p h y t h i sp a p e rs t u d yh i g hd i s t i n g u i s hi m a g em a n i p u l a t i o nt e c h n i q u eu s i n g e x a m i n a t i o nm e a n si no m e o ap r o c e s s i n g s o f t w a r e 1 s t u d ya d v a n c i n gs i g n a l t o - n o i s er a t e 2 s t u d ys t a c k i n gi np h a s e 3 s t u d yd e v e l o p i n gf r e q u e n c y u s i n gm e t h o do fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gs c i e n c e ，r e s e a r c has o f t w a r eo f s e i s m i cl i t h o l o g i cm o d e l i n g ，i tu s el a y e r i n t e r p r e t e da n dw e l ld a t a ，d o n o t c h a n gp a r a m e t e r o ft e r r a n ei n d e t e r m i n a t e r a n g ，d o n o t r e p e a t m o d i f i c a t i o no fm o d e lp a r a m e t e ru n t i li ti sb e s ts i m i l a r i t yt h a tb e t w e e n s e i s m i cd a t aa n ds y n t h e t i cd a t a t h i ss o f t w a r ei se x c e l l e n c e ： 1 l i t h o l o g yp a r a m e t e rr a n g ei nr e a s o n ，t h e r ei ss t a b i l i t yr e s u l t 2 s u p p r e s sr a n d o mn o i s e ，s w e l l i n ga n t i j a m m i n g sa b i l i t y 3 i n v e r s i n gr e s u l tb e t t e rt a l l yw i t hw e l ld a t a 4 i n v e r s i n gs y n t h e t i cp r o f i l eb e t t e rt a l l yw i t hs e i s m i ep r o f i l e 5 s e i s m i c l i t h o l o g y m o d e l i n gi n v e r s i n g r e s u l t sh a v e h i g h e r d i s t i n g u i s h i n gr a t et h a no t h e r k e yw o r d s ：s e is m i cd a t a ；i m a g er l l a n i p u l a t i o n i i t h o i o g yp a r a m e t e r ；i n v e r s e ；m o d e i 2 地震数据图象处理及反演技术研究 o 绪论 o 1 图象工程及地震数据处理技术概况 o 1 1 图象工程概况 计算机图象技术可追踪到1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机的诞生，但在5 0 年代计 算机主要用于数值计算，满足不了处理大数据量的要求。在6 0 年代，第3 代计算机的 研制成功，以及快速傅里叶变换算法的发现和应用，使得对图象的某些计算得以实现， 从而逐步开始利用计算机对图象进行加工处理利用。在7 0 年代，图象技术有了长足 的进展，而且图象处理的专著 r o s e n f e l d1 9 7 6 1 也得以出版。在8 0 年代，各种硬件的 发展使得人们不仅能处理2 - d 图象而且开始处理3 - d 图象，许多能获取3 d 图象的设 备和处理分析3 - d 图象的系统研制成功，图象技术得到广泛的应用。9 0 年代，图象 技术已逐步涉及到人们生活和社会发展的各个方面。展望2 1 世纪，图象技术必将得 到进一步的发展和应用i l 】。 o 1 2 地震数据处理技术概况 数字信号处理用数字或序列表示信号，处理这些序列，用以估计信号的特征参数， 有着悠久的历史，在各个不同的领域，如生物医学工程、声学、声纳、雷达、地震科 学、数据通信、核子科学等领域充分显示出其重要性【2 】。 地震资料数据处理，是用计算机处理和分析野外地震勘探所取得的原始资料，地 震资料数据处理技术是随着数理统计理论、图象工程、计算机科学以及地震勘探方法 的发展而发展起来的，然而它的契机要追溯到第二次世界大战，其突出的技术进步是 雷达，但噪声妨碍了雷达的应用，因此在噪声条件下检测信号的理论进行了较深入的 研究，从而诞生了信息学，图象工程学，5 0 年代开始在地震勘探中的研究应用，数字 计算机技术的迅速发展使大规模的计算工作在经济上可以接受，电子计算机对地震勘 探的最大影响在数据处理方面，通过采用数字记录和高速数字计算机发挥了数字处理 的很大潜力。 o 1 3 地震反演技术概况 地震反演技术起源于物理学，它是地震资料处理中的一个重要组成部分，1 8 7 7 年， l o r dr a y l e i g h 首次研究了物理学上的反问题，此后，由于在量子物理学中引入了 s c h r o d i n g e r 方程，反演问题的应用范围大为扩大。多年来，许多一般的反演问题都已 公式化，其中较为优秀的是g e l f a n d 和l e v i t a n 的谱方法，他们导出的积分方程称为 g e l f a n d l e v i t a n 方程；g a p i n a t h 和s o n d h i ( 1 9 7 1 ) ，b u r r i d g e ( 1 9 8 0 ) c o r r o l 和s a n t o s a ( 1 9 8 1 ) 的声波反演的积分特性曲线法等等【3 1 。 近年来，地球物理中反演问题的研究取得了重大突破。其中，c o h e n 和b l e i s t e i n 开拓性的研究起r 主要作用。他们于1 9 7 7 年将物理学和应用数学反演散射理论引入 地震数据图象处理及反演技术研究 地震勘探中，导出了声波、弹性波及电磁波的积分方程解，并j 二4 7 届s e g 年会上将 其应用于地震勘探的一维速度反演，这就是大家所熟悉的b o r n 反演方法。r a z ( 1 9 8 1 ) 为了解决b o r n 反演误差随深度的累积现象，提出了另一类基于b r e m m e r 模型的反演 算法，并可推广到多维情况。反演理论在医学( c t ) ，曲线拟合，卫星导航等多方面己 获广泛应用【“。 我国地震资料数据处理初始于本世纪4 0 年代，6 0 年代，中国处于被封锁状态， 因此我国开展地震资料数据处理工作起步较晚，7 0 年代中后期及8 0 年代初期，进行 的是模拟数据处理技术，8 0 年代中后期才进入大规模的数字采集、处理技术【5 】，在长 期的石油勘探开发实践中，目前我国已形成了一套完整的从勘探的数据采集、数据处 理、资料解释和开发技术，地震资料数据处理技术在全部实现地震装备数字化的基础 上，初步解决了高分辩率地震采集、处理两个环节的关键技术，并攻克了全三维处理 和叠前二维、叠前三维深度偏移处理技术，研制开发了具有我国独立版权和当代先进 功能的地震资料处理和解释软件及岩性反演系统，使我国地震勘探技术接近世界先进 水平。 0 2 图象工程、地震数据处理及岩性模拟技术的概念 图象工程是将数学、光学等基础学科的基本原理，结合在图象应用中积累的技术 经验而发展起来的，图象工程的概念是在1 9 8 2 年提出来的，主要包括有关图象的理 论技术，对图象数据的分析管理以及各种应用，但在其后并未得到广泛的应用和响应， 现在重新使用的这个概念，是将图象工程看着一个对整个图象领域进行研究应用的新 学科，图象工程的内容非常多，根据抽象程度和研究方法可分为三个层次，即图象处 理、图象分析、图象理解。换句话说，图象工程是既有联系又有区别的图象处理、图 象分析、图象理解三者的有机结合【1 】。 地震资料数据处理的战略及结果强烈的受野外采集参数的影响，它给地震工作提 供冗余度以提高信号质量。对于今天的地震数据处理，是在试图加强信号，检测有效 波，从检测的信号中提取地下地质体的几何形态和物理性质的参数，其目的是压制随 机的和规则的干扰，以最大的分辩率在地震剖面上显示反射波，同时，检测地震速度、 振幅和波形等有用的参数，以利于地震资料的解释。 岩性模拟技术是8 0 年代初，g e l f a n d 等提出的，后经西方地球物理公司研究成功，他 的原理是7 0 年代末开始发展起来的地震模拟技术，由于地震反射过程的复杂性，地震资 料解释不是单一的，因此需要根据已知的测井资料或地质资料，按照可能的地层岩性组 合假设地层厚度、密度、速度，建立一种地震模型并作出相应的理论地震记录道，用 他去与实际的地震时间剖面记录道相比，并不断地调整模型的地层厚度、密度及速度 等参数的猜想值，直到理论记录道与实际记录道波形和走时呈最佳拟合为止。这时经 过调整的地层岩性剖面模型也就是地层岩性解释结果，它是一种用模拟来实现的地震 地麓数据曰象处理及反演技术研究 波长反演的方法。尤其对于薄层储集层而言，要直接从地震剖面反射资料得到可靠的 岩性信息就更加困难，而同时利用地震测井及地质资料，再加上经验与分析，地震岩 性模拟技术就成为岩性解释与储层描述的重要手段。 0 3 地震数据图象处理及岩性反演技术的现状 图象工程一般由三部分组成，即图象的采集、图象的分毒斤处理、图象数理解，两 对于图象的分析处理是图象工程中较为重要的一步，图象的分析和处理都是在计算机 上进行的，他包括图象变换、图象增强及图象恢复与重建等技术，这些技术在地震资 料处理中用的非常广泛。在地震资料处理中，一张剖面就是一幅黑白的图片，对剖面 的处理就象对图片的处理样，需要有美的感觉，优美的线条，真实的地质面貌。 地震勘探工程也由三部分组成，即地震资料的采集、地震资料的处理、地震资料 的解释。地震资料处理是地震勘探工程中利用计算机处理较集中的一步，也是地震勘 探工程中技术较为密集的步。地震数据处理中傅立叶变换是地震资料分析的基本组 成部分，傅立叶变换几乎用于处理的每一个阶段。一个地震道就是一个给定的时间序 列，可以用一组具有不同的振幅值、频率及相位的波来唯一描述，他可以用傅立叶正 变换得到；地震道也可以分解为各个频率成分，可以用傅立叶反变换得到。地震数据 处理现在按其采集不同可分为二维处理、三维处理、v s p 处理；按其目的不同可分为 常归处理和包括岩性反演在内的特殊处理。 地震数据图象处理技术在工程地震、煤田及浅油层方面已经取得了较好的成效， 近年来高分辨率地震勘探在海上勘探中也取得了一些突破。图1 1 是某气田的一条高 分辨率地震削面，采用0 5 毫秒采样，在1 z 秒为1 3 0 赫兹；1 4 秒为主要含气目的 层，主频为1 0 0 赫兹至1 2 0 赫兹：1 8 秒处主频为8 0 赫兹。地质现象十分清楚，中央 部分是气侵上拱的奇特现象。 图1 1 菜气田的高分辨率地震剖面 ( f i g u r e1 1 s o n l e g a s f i e l dh i g hd i s t i n g u i s hs e t s m i cp r o f i i i n g ) 地震数据图象处理及反演技术研究 在我国的大陆地区也先后开展了高分辨率地震勘探，大庆、胜利、青海、江汉等 油田都先后在一些地区开展了地震勘探高分辨率攻关试验，在一些地区取得了明显效 果，地震资料的分辨率有了大幅度的提高。 与此同时，室内高分辨率处理工作也有了很大进展，研究出了一系列提高信噪比 和分辨率的新方法，形成了以噪声压制、同相叠加、展宽频带等高分辨率图象处理技 术，在常规的老资料处理和新资料精细处理中获得丰硕成果。我国也在近几十年的探 索中，研制出了一套适合我国资料特点咐高分辨率处理技术，如两步法反褶积、多项 式拟合、地表一致性相位校正等。这些新技术在实际高分辨率地震处理中证明是行之 有效的。 与其他油田相比，辽河的高分辨率采集起步较晚，9 9 年初，才完成了第一块三维 高分辨率采集任务。在此之前，只进行了一些常规采集资料的高分辨率处理研究工作， 积累了一些经验。尽管高分辨率资料处理研究已经进行多年，但现在仍然处在探索阶 段，还没有形成一套完整技术系列，新的技术不断涌现。因此，只有针对不同地区资 料的特点，采用不同的处理手段，才会取得预期成果。 地震岩性反演技术是地震资料处理中为了确定地下物理结构及模型参数而提出 的。目前许多反演方法虽然在理论上已经比较成熟，但离应用于实际资料( 尤其是有 噪声的数据) 的处理仍有一段距离，在此同时，许多适于简化的模型( 如层状介质) 的 反演方法则在实际工作中获得应用，如动态反褶积、最小二乘方反演、广义反演等。 目前，地震反演方法不外乎常规反演和岩性反演。常规反演方法对于确定岩性和孔隙 度特征以及储集层中各地层的有关岩性问题，常遇到许多不利条件。而岩性反演可以 得到岩性参数和地震资料之间的任意正演模型，并通过正演模型与地震道的比较，得 出最终的地下地质模型参数“3 。 0 4 本文研究内容 本文分为两部分：地震数据高分辨率图象处理技术研究和岩性反演技术研究。 在第一部分，我们将主要利用试验手段，针对辽河资料的特点，以现有的处理软 件为基础，对高分辨图象处理技术进行研究。其具体内容包括： ( 1 ) 、提高信噪比处理方法研究。 ( 2 ) 、同相叠加方法研究。 ( 3 ) 、拓宽频带方法研究。 通过对以上技术的研究，形成针对辽河凹陷特点的高分辨率处理技术系列，以使 该技术能在全区推广。 在第二部分中，详细介绍地震岩性反演技术，它是地震资料处理中为r 确定地下 物理结构及模型参数而提出的。地震反演方法有常规反演和岩性反演。常规反演方法 对于确定岩性和孔隙度特征以及储集层中各地层的有关岩性问题，常遇到许多不利条 4 地震数据图象处理及反演技术研究 件。而岩性反演可以得到岩性参数和最终的地下地质模型，对模型参数的图象反演研 究，为地震资料的综合解释提供了更为可靠的成果。 岩性反演的具体内容是：用软件工程学的方法，编制出一套对以过井测井数据为约束条件， 利用解释的岩性模型，在一定的合理的参数变化范围内，通过反复修改初始模型，以使模型所产 生的合成记录与实际地震记录最佳拟合，从而求出一个具有较高分辨率的地层模型的软件模块。 5 地震数据图象处理及反演技术研究 1 地震资料图像高分辩率处理技术 地震资料高分辩率图像处理在我国已经进行了几十年的探索，经过不断实践，研 制出了一系列提高信噪比和分辨率的新方法。在实际高分辩率地震资料处理中起到关 键作用。 高分辨率图像处理的任务是获得比原始记录更高的分辨率，但处理结果的分辨率 低于原始记录的情况也并不罕见。其基本原因是在处理中对改进图像信号高频成分信 噪比重视不够。原始记录上图像信号高频成分很弱，信噪比也较低，处理中需要用有 利于提高信噪比的方法。在叠加过程中，高频成分对时间误差比较敏感，需要更高精 度的校正。在展宽信号频带方面，也希望有更精确可靠的方法。 1 1 影响分辨率的基本因素 地震勘探分辨率可分为纵向分辨率和横向分辨率，高分辨率勘探中主要研究的是 纵向分辨率。 在地震勘探中要使两个地震波完全分开，必须使两个子波脉冲包络完全分开，因 为如果两个子波的包络连在一起，必然形成相互干涉，于是这两个波的振幅、频率、 自相关以及各种参数量都变得含糊不清。瑞利( r a y l e g i n ) 准则指出：“一个反射波 的分辨率极限是四分之一波长。”瑞利所使用的是零相位子波，而地震上的子波多种 多样。因此，地震勘探的分辨率应小于四分之一波长“1 。 纵向分辨率与子波特征有关，而子波一般是未知的。因此，在实际工作中往往不 用子波，而用子波振幅谱宽度来衡量分辨率。通常用记录的振幅谱可近似地代替子波 的振幅谱。这是因为反射系数序列的振幅谱是近于白色的，也就是每个频率成份的幅 度大致相等。又因为记录的振幅谱等于反射系数序列的振幅谱与子波振幅谱的乘积， 所以，记录的振幅谱与子波的振幅谱只差一个比例因子。 总的来说，在子波零相位的条件下，振幅谱宽度和分辨率有如下关系： ( 1 ) 振幅谱绝对宽度越大，则子波越短，即分辨率越高。 ( 2 ) 振幅谱绝对宽度不变，则无论主频如何，分辨率不变。 ( 3 ) 振幅谱绝对宽度不变，主频越高相对宽度越小，也就是子波相位数越多， 分辨率与主频无关。 ( 4 ) 振幅谱相对宽度不变，则子波相位数不变，此时，主频越高，绝对宽度就 越大，分辨率也越高。 因此，决定分辨率的是振幅谱绝对宽度，相对宽度决定子波的相位数，与分辨率 没有直接关系”。 在实际地震勘探中，好的分辨率不能光看绝对频宽，还要看所占的频段在哪里。 不同的频率成份有不同的用处，缺了哪一部分都不成。要查明地下5 m 到3 0 m 厚的砂 6 地震数据图象处理及反演技术研究 层，最重要的频段是l o 一1 6 0 h z ，对于查明大套灰岩顶部的台阶状波阻抗的情况，低 频成份十分重要。分辨率与频宽数值愈大愈好，这句话不错，但是并不能光看频宽数 值愈大愈好，要注意不要丢掉低频成份。那种丢掉低频成份的，表面看来主频较高的 分辨率是假分辨率。 地震分辨率一般和相位有关，在振幅谱相同的情况下，零相位子波的分辨能力最 高。 实际的地震资料是有噪音的，有的记录的信噪比还比较低。记录的振幅谱是由信 号和噪音振幅谱联合作用的结果。这里说的联合作用不是二者之和，因为信号和噪音 的相位谱一般不同。如果二者同相，则记录振幅谱是信号和噪音振幅谱之和；如果二 者相反，则记录振幅谱是二者振幅谱之差。一般情况下，信号振幅谱的宽度常小于记 录振幅谱的宽度。我们不能由记录振幅谱的宽度来直接衡量分辨率。在记录振幅谱上， 一般不能看出哪个频率成份代表信号，哪个频率成份代表噪音，只有某些特定的频率 可以识别。 分辨率与信噪比有关，因此要了解信号与噪音的分布范围。可以采用带通滤波扫 描的方法，直接显示出每个频带的信噪比高低。或者从频率波数二维谱上了解信号的 振幅谱宽度。信号与噪音在频率域上不能分开，但在波数上是能分开的。 w i d e s s 把有噪声时的分辨率定义成： p = 式中s ( f ) 和n ( f ) 分别为信号和噪音的振幅谱。当没有噪声时分辨率最高。噪声 越高，分辨能力越低。 地震波在向下传播时，随着传播距离或传播时间的增大，地震波的视频率逐渐降 低。这就是说高频成份比低频成份有较大的损失。这是因为地震波通过介质时，一部 分能量转化为热，这个过程称为吸收和衰减。地震波每传播一个波长的距离，能量损 失的程度可认为是固定的，它与介质的物理性质有关。这种物理性质称为品质因数， 用符号o 表示。地震波由多种频率成份组成，高频成份波长短，低频成份波长长。对 于一个固定的传播距离来说，可能相当于低频成份的很少的几个波长，但相当于高频 成份很多个波长。因此，高频成份衰减得多，低频成份衰减得少。一般来说，衰减有 如下规律： ( 1 ) 、传播距离越大，衰减越多。衰减与传播距离是指数关系。 ( 2 ) 、频率越商，衰减越快，频率与衰减是指数关系。 ( 3 ) 、q 值越小，衰减越多。衰减与q1 的关系也是指数关系，q “是品质因数 的倒数，称为损耗因数。 同时，地震波向下传播的过程中，子波的相位也发生了变化。介质就象滤波器一 7 地震数据图象处理及反演技术研究 样，改造子波的振幅谱和相位谱。一般认为，这个滤波器的相位特征是最小相位的。 绝大多数地震工区表层都有低速层，一般厚度不大，但有些地区也有很厚的低速 层。 地震波通过表层和通过深层一样，都会发生衰减。但表层影响要比深层严重得多。 表层速度很低，因此，在表层很厚的地区，对高频衰减起主要作用的是表层。即使表 层厚度不大，它对衰减也起重要的作用。同时，表层厚度和速度在横向上常有显著的 变化。表层的变化将引起不同记录道的子波不一致。层问多次波反射也改造子波形状， 从而影响了分辨率。 另外，倾斜层的道间时差对应的相位差与频率成正比，高频成分容易有空间假频 问题。为了保证偏移质量，道内插是高分辨率不可缺少的手段。 针对这些要求，在图像处理中利用现有的o m e g a 处理系统中，有针对性的研究出 一系列处理方法，在实践中进行行之有效的处理。下面简要介绍辽河原始资料的分析 情况： ( 1 ) 原始单炮情况： 图1 1 1 炮集噪声分析 ( f i g u r e l 1 1n o i s ea n a l y s ei ns h o tg a t h e r ) 噪音：原始单炮中存在的主要干扰有面波、5 0 h z 工业电、异常大振幅和一些废炮。 8 地震数据图象处理及反演技术研究 ( 2 ) 频率情况 l i 珏1j j姚l 48 | | f lj ii | i ，一 ：i 1 1 1 4 蝌峨、- _ 一 图ll t2 时问8 0 0 - 2 0 0 0 毫秒频谱 ( f i g u r e1 1 2f i - e q u e n c e i n8 0 0 2 0 0 0m s ) 一 】 j氐 ? 帆 o5 0 图1 1 3 时间2 0 0 0 3 5 0 0 毫秒( 面波区) 频谱 ( f i g u r e1 1 3f r e q u e n c ei n2 0 0 0 - 3 5 0 0m s ( g r o u n dr o l lw a v e sz o n e ) ) 图1 1 4 时间2 0 0 0 - 3 5 0 0 毫秒( 非面波区) 频谱 ( f i g u r e1 14 f r e q u e n c ei n 2 0 0 0 3 5 0 0m s ( o u to f g r o u n dr o l lw a v e sz o n e ) ) 频率 通过频谱分析，原始资料浅层有效频带较宽，深层有效频带较窄，浅层主 频为2 5 3 5 h z 之间，潜山下部的主频为1 0 - 2 0 h z 之间。从面波的频谱图中可以看出， 面波的能量很强。 地震数据图象处理及反演技术研究 ( 3 ) 能量情况： 图1 1 5 炮集能量分析 ( f i g u r e l 1 5e n e r g ya n a l y s ei ns h o tg a t h e r ) 能量：从左图可以看出，不同炮检距的振幅能量不同，衰减的程度不同，近炮检 距振幅衰减较慢，深层能量衰减少；中、远炮检距处的振幅能量衰减较快，深层能量 弱。从右图可以看出，不同的单炮之间由于采集因素的影响，存在着很大的能量差异。 从以上的分析可知，原始单炮在不同的深度、不同的炮、同一炮不同的道都存在着 能量、频率的差异，在单炮上规则噪声及不规则噪声都大量存在，影响着单炮的整体 质量。 1 2 图像信号增强技术n 一， 1 2 1f x 域预测滤波 f x 域预测滤波假设有若干信号，各自有不同的倾角和振幅及波形，但每个信号 的倾角、振幅和波形无横向变化。由原始数据可以统计出每个频率的空间预测算子， 应用此算子得到的预测结果可显著衰减噪声。这种方法允许存在多个信号，可在复杂 干涉带中增强信号。 设一个信号的道间时差为t ，若第1 道的频谱为： x ，( c o ) = s ( 国) ( 1 2 1 ) 则第1 + 1 道的频谱为： x 。( ) = s ( c o ) e ( 1 2 2 ) 因此预测算子为口7 1 0 地震数据图象处理及反演技术研究 当有n 个信号，其道问时差为z - 。( k = 1 2 ) ，第1 道的频谱为： x 。( 甜)s 。) x 。p ) = s 。( ) p 一“ k = 1 此时预测算子的z 变换为： n e ( ：) = n ( 1 一p ”7 。) 预测算子有： 4 ( z ) = 口。z 形式，且 a c z ) = 1 一e ( z ) 在一个m 道的数据窗内对各个频率成分求预测算子， 成功率： ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) ( 1 2 6 ) ( 1 2 7 ) 取m 2 l ，要求预测误差 q = ”丕- , 1 1 培1l 。口豇 ) x 础 ) 一x n ) | 2 + ”掣嵯。巩 ) x 椰劬) 一x n p ) 旷 ( 1 2 8 ) 1 2 2 分频信号加强 不同频率成分有不同的信噪比，为达到尽可能提高分辨率的目的，对不同频率成 分需要分别对待。 最大分辨能力滤波所能达到的分辨率与每个频率成分的信噪比有关，任何频率成 分信噪比的改进，都对提高分辨率有好处。但进一步分析表明，不同信噪比的频率成 分对分辨率的贡献不同，并且不同信噪比的频率成分的信噪比改进对提高分辨率的作 用也不同。 信噪比很高的频率成分，对分辨率有很大贡献。但这种频率成分的信噪比改善并 不会对提高分辨率有多大帮助。信噪比很低的频率成分，对分辨率的贡献很小。这种 频率成分的信噪比改善，可使其对分辨率的贡献成比例地增加。但由于它的贡献基数 很小，即使有成倍增加，还是作用不大。而信噪比在l 左右的频率成分，信噪比改善 对分辨率益处较大，这是我们改善信噪比的重点。可以针对不同的频段采用不同去嗓 处理。 是大分辨能力滤波可达到的分辨能力为： 地震数据图象处理及反演技术研究 p 鼎矽厶s 2 + 2 令每个频率成分的信噪振幅比： 价器 于是 肚 1r j，o + v j ( 1 2 9 ) 通过噪音衰减处理，使每个频率：的信噪比提高，( ) ，此时分辨能力提高 批毒帅2 尚州) ， m2 蚴 1 2 3r n a 去噪技术 二维r n a 以其理论上的严密性和实际效果上的显著性在地震资料数字处理中得到 了广泛应用。在二维r n a 去噪技术基础上，发展得到了三维r n a 技术( 1 9 9 2 ) ，即h ， 域预测去噪技术。如果进一步扩展到叠前使用，即成为拟四维r n a ( 蹦踞域) 预测 技术，将其应用在三维叠前地震数据中，应该能收到良好的效果。本方法正是基于这 样的认识，假设地震记录的有效波在f 髓域上具有可预测性，而随机噪声无此特性。 利用最小平方原理，求取三维预测算子，用该预测算子对该频率成分的拟四维地震数 据体进行预测滤波，便可得到去噪之后的结果。 一般在时空域进行去噪，多是利用有效信号在空间方向具有相干性，而噪声在空 间不具相干性的原理建立起来的。对于复杂地区的地震资料，要求使用的时空窗不能 太大，同时要求地震资料要有一定的信噪比。本方法则是在一个较大的时窗范围内从 整体上分离有效信号和随机噪声，它对时窗大小和信噪比的要求相对要宽松一些。 卜z 肠预测去噪技术基于地震数据在卜z 髓域的地震有效同相轴具有可预测性。 在实际地震数据中，由于道间时差0 是未知的，可以应用最小平方原理来求取预测 算予“。 采用卜z 眩域预测技术对三维叠前地震数据进行去噪，可以更充分地利用三维叠 前地震数据，因而其去噪能力强。假设预测算子长度为厶对于p 肖域预测技术和严舯7 域预测技术，它们的去噪能力分别近似为也和；而对于卜r 昭域预测技术，其去噪 能力则可接近l 4 l 。 根据地震有效波同相轴具有可预测性，而随机干扰不具有可预测性，那么，对于 地震数据图象处理及反演技术研究 某一频率，如果信噪比高，则输出( 即预测值) 能量与输入能量近似相等；反之， 则输出能量远小于输入能量。用此信噪比值对预测值进行加权，便可使地震数据信噪 比高的频率相对加强，而信噪比低的频率成分相对减弱，从而进一步提高去噪能力。 本方法的目的不仅仅是为了提高叠加成像的效果，更主要的是为了提高叠前地震 资料的信噪比，从而为叠前的地震数据处理( 包括a v o 分析、d m o 以及叠加速度场的 建立) ，特别是叠前深度偏移处理效果的改善准备了良好的前提条件。 理论模型试算和实际资料处理都表明，。利用四维r n a 去噪是提高三维叠前地震数 据信噪比的一种行之有效的处理手段。 1 2 4 自适应低频噪声压制 原始单炮中往往存在低频干扰，尤其是面波比较发育，由于面波的主频一般较低， 所以往往采用高通滤波的方法滤除面波。但这并不是一种可取的方法，因为高通滤波 在滤除面波的同时也完全损失了有效信号的低频成分，而这种低频成分无论是对提高 分辨率还是对作波阻抗反演都是非常重要的。 通过对面波进行综合分析，可以发现，从表现的视速度、能量、频率分布范围等 方面来看，面波与有效波均存在较大的差异，因此利用时频分析的方法可以确定面波 的存在范围，并根据加权衰减来对面波进行压制。本方法利用有效波与面波在空间和 频率域的分布特征及能量衰减特性等方面的差异，利用统计分析的方法来识别和压制 面波。 该方法只压制面波，对有效信号的低频成分和其它信息保真。经实际生产应用， 适应性较强，效果比较稳定。 1 2 5 压制高畿干扰 原始地震数据中常常存在着各种各样的干扰，强能量的声波，猝发脉冲、簇状噪 声等高能干扰，给叠前多道处理( 如地表一致性振幅补偿、统计子波反褶积等) 带来 了极为严重的影响。我们知道：在各种叠前、叠后地震记录上，有效信号的分布是有 规律可循的，其能量和频率的变化相对缓慢；而强能量噪声则不同，它的横向变化规 律与有效信号有较大差异，可以利用这种差异对噪声进行衰减。 本方法采用多道识别、单道处理的筇略，对地震数据进行逐窗分析、分频对记录 的振幅综合统计，选加权中值为识别参量，识别出噪声，再进行压噪处理。本方法可 对叠前各种强能量的噪声进行压制，对不同的资料都有较好的效果。 另外，由于强能量干扰在不同的频段范围内的特征表现不同，因此本方法在实现 过程中采用了分频处理的手段。 下面是在实际资料图象处理中以上方法应用的结果对比情况。 地震数据图象处理及反演技术研究 图1 2 1 消除面波前后单炮对比 ( f i g u r e l 2 1s h o tg a t h e ra f t e rr e m o v eg r o u n dr o l lw a v e s 去噪前 去噪后 图1 2 2 消除随机噪声前后单炮对比 ( f i g u r e l 2 2s h o tg a t h e ra f t e rr e m o v er a n d o mn o i s e v s b e f o r er e m o v er a n d o mn o i s e ) 1 4 地震数据图象处理及反演技术研究 图l _ 2 3 消除噪声前叠加剖面 ( f i g u r e l 23s t a c kp r o f i l eb e f o r er e m o v en o i s e ) 图1 2 4 消除噪声后的叠加剖面 ( f i g u r e i 24s t a c kp r o f i l ea f t e rr e m o v en o i s e ) 地震数据图象处理及反演技术研究 1 3 图像数据同向叠加技术 1 3 1 高精度速度分析与高阶动校正技术“2 3 速度分析的方法是通过双曲线轨迹对整个c m p 道集叠出使信号具有最佳相干性的 速度，再提取该速度。影响速度计算精度和分辨率最重要的是其算法，目前各处理软 件的高精度速度分析与高阶动校正技术，充分考虑到大炮检距，以及介质的各向异性 引起的双曲线误差。其原理是： 当偏移距较大时，通常的近似时差校正公式： t2 ( 。) = t2 ( 0 ) + x2 v 2 ( 1 3 1 ) 会使远道校正不足，为使远近道都能得到合理校正，采用较为精确的正常时差校 正公式： t = t 。+ ( t0 2 + x 2 v 2 ) 脂( 1 3 2 ) 式中t ，= to ( s 一1 ) ， v2 5s v ? “5 td = t n s 这里to 是最大炮检距旅行时问，v 。是均方根速度，s 是最大炮检距校正参 数。 如果动校正误差主要由各向异性引起，那么，用通常的正常时差校正公式将使 数据校正过量，考虑各向冥性因素的比较精确的动校正公式： t 2 = t 2 。+ x 2 v 2 。- 2 f i x 4 v 2 r u st 2 0 v 2 。+ ( 1 + 2 r 1 ) x 2 ( 1 。3 3 ) 式中t 是旅行时间，t o 是零偏移距旅行时间，v 。是均方根速度，t 1 是最大偏移 距校正参数。 公式( 1 3 2 ) 、( 1 3 3 ) 加入最大偏移距校正参数后使时距曲线在垂向发生位 移。这个时移量可以通过高精度速度分折求得，然后应用于高阶动校正中。 1 3 2 图像数据分频静校正 利用反射波互相关时移估算静校正量已是常规处理方法。静校正精度对分辨率有 重要影响。 静校正量估算结果是一个时移量。如果这个时移量很精确，是没有什么问题的。 但由于各种原因t 静校正量的估算总有一些误差。而不同频率成分对静校正精度的要 求是不同的。 对于某一个频率成分来说，如果静校正误差超过l 4 周期，则这一道参与叠加不 起积极的作用而起消极的作用。这个频率成分由于这一道参与叠加m 削弱，其结果频 带宽度减小，分辨率降低。 高频成分要求更高的静校正精度。比如1 0 h z 频率的1 1 4 周期为2 5 m s ，对这个频 率来说，l o r e s 的静校正误差不是大问题。然而8 0 h z 频率的1 4 剧期只有5 m s ，3 m s 1 6 丝壁墼塑望墨丝里墨垦塑垫查堕塞一 的静校正误差就已经接近允许的极限。 用记录道( 或其某个时窗) 互相关估算静校正量时，随着相关时移的变化，相关值 变化的快慢与主频有关。主频越高，则相关值变化越快，估算的静校正量精度越高。 于是能否设想用记录的高频部分来估算静校正量? 这时要先滤去记录的低频部分，然后 再做静校正量估算【1 2 1 ”】。 但这样做会产生另一个问题。当静校正量超过主频对应的l 2 周期时。很容易产 生周波跳跃问题，即得到的最佳相关时移可能比实际的时移差一个或几个周期，得到 错误的结果。 这个问题不仅在用高频部分的记录时存在。如果静校正量的变化较大，即使不太 高的频率。时移量也可能会超过1 2 周期。 既要保证高频成分的静校正精度，又要防止周波跳跃，办法是分步静校正。 首先是利用折射波数据和地面高程数据做初步静校正。 第二步是用记录的低频部分估算相对静校正量，并进行静校正。 第三步是用记录的高频部分估算剩余静校正量，并进行静校正。 所谓低频部分和高频部分是相对概念，要根据具体情况划分，两部分可以有些重 叠，两部分的主颏相差不宜超过一倍。 由于每一步都是在上步静校正基础上对静校正的微调，所以一般不会出现周波 跳跃问题。 每一步之后，要做速度分析和动校正，为下一部提供良好的基础。这与目前经常 使用的方法类似，不同之处是在迭代过程中采用改变频带的方法。 设覆盖次数为n ，其中n 一1 道相位一致，一道相位差为西，它们的振幅相同，则 这n 道相加结果为： 广i i a = ( 一1 + c o s 柳+ ( s i n 矽) ( 1 3 4 ) 1 3 3 地表一致性相位校正n ”n m 静校正只能使叠加时各道波形主极值对齐，但表层条件的变化不仅造成时移，还 改造了波形，即子波的相位特性。因此静校正后数据对每个额率成分来说，还不链做 到同相叠加，因而不能得到理想的叠加效果，对于高频成分影响可能更为严重。地表 一致性相位校正方法可以在很大程度上解决上述这个难题，一般的静校正方法常用互 相关方法求时差，没有考虑到相位谱的变化。而t a n e r l 9 8 1 年提出的“谱分解地表一 致性校正”，也是只用振幅谱，取其对数功率谱才能分解求得炮点、检波点的各个分 量。现在的“地表一致性反褶积”程序也是这样做的，它使用g a u s s s e i d e l 方法分 解求出炮点、检波点、共中心点及共炮检距四个分量。但都忽略了炮点、枪波点的子 波相位谱的不同。地表一致性相位校正着力解决纠正相位谱的差异。该方法先将各炮 1 7 地震数据图象处理及反演技术研究 点及检波点的每个道与其对应的c d p 道集的叠加模型道作匹配滤波，以模型道为期望， 求得匹配算子。然后用统计方法分别求得各炮点及检波点的统计匹配算子，经付氏变 换后，取其相位谱来作校正。先校正炮点梗位谱。再校正检波点相位谱。第一次校正 后，再重新求叠加模型道，它更精确了。于是再求次各道匹配算子以及取其相位谱 再作校正。如此迭代几次。地表一致性相位校正方法实际上也解决了大部分静校正的 剩余时差问题，但它没有考虑振幅谱的不同。 以下是地震数据处理中利用以上技术后的剖面对比。 常规动校叠加剖面( n o r m a ll l l o v e o u ts t a c kp r o f il e ) 高阶动校叠加剖面( h i g hs t e p sl l