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物探与化探, 2018, 42(6): 1245-1252 doi: 10.11720/wtyht.2018.0053

方法研究·信息处理·仪器研制

地震数据炮域规则化方法研究及应用

许璐

中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院,江苏 南京 211103

Research on the regularization method for seismic data in shot domain

XU Lu

SINOPEC Geophysical Research Institute,Nanjing 211103,China

收稿日期: 2018-01-29   修回日期: 2018-07-3   网络出版日期: 2018-12-05

基金资助: 国家科技重大专项.  2017YFB0202904

Received: 2018-01-29   Revised: 2018-07-3   Online: 2018-12-05

作者简介 About authors

许璐(1985-),男,硕士,2012年毕业于中国地质大学(北京),主要从事地震波传播与偏移成像相关研究工作。Email:xulu.swty@sinopec.com 。

摘要

叠前深度逆时偏移成像技术是目前处理复杂高陡构造成像的有效方法之一,作为一种高精度的炮域波动方程偏移方法,需要规则采集的高质量炮集数据作为输入。受复杂地质条件的限制,实际采集到的地震数据在空间方向往往是稀疏不规则采样的,存在严重的空间假频和噪声干扰,不满足炮域偏移算法对数据的要求。为了提高逆时偏移成像精度,笔者开展了叠前地震数据炮域规则化方法研究,依据偏移距和方位角将炮集数据分选为OVT(offset vector tile)道集,在OVT域进行地震数据全波数带的迭代加权反假频插值,再基于几何观测系统中炮检点坐标映射关系,从OVT域插值结果中提取规则化后的炮集数据并应用于逆时偏移成像。实际资料的应用结果表明对地震数据进行叠前炮域规则化处理可以有效提高逆时偏移的成像精度。

关键词: OVT域 ; 规则化 ; 反频谱泄 ; 反假频 ; 逆时偏移

Abstract

Reverse time migration based on two-way wave equation is an effective method to deal with steeply dipping structures and complicated velocity models.As a method of wave equation migration,the data required to be input are regularly sampled shot gathers.However,the field acquisition is limited by complex geological conditions and the actual seismic data are usually irregularly and sparsely sampled along the spatial direction,and there is a serious spatial aliasing phenomenon,which affects the accuracy of migration.In this paper,the prestack seismic data regularization technique is proposed for reverse time migration,which is based on the correlation of data in the OVT (Offset Vector Tile) domain to realize the iterative anti-aliasing interpolation for the full wave number band of data.It has the advantages of spectral anti-leakage,anti-aliasing and anti-noise.By mapping the coordinates of the shot gathers from the geometric system,the regularized shot gathers are obtained from OVT domain interpolation results,and applied to the reverse time migration.The application results of real data show that the technology can effectively improve the precision of reverse time migration while saving the cost of acquisition.

Keywords: OVT domain ; regularization ; spectral antileakage ; anti-aliasing ; reverse time migration

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本文引用格式

许璐. 地震数据炮域规则化方法研究及应用. 物探与化探[J], 2018, 42(6): 1245-1252 doi:10.11720/wtyht.2018.0053

XU Lu. Research on the regularization method for seismic data in shot domain. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2018, 42(6): 1245-1252 doi:10.11720/wtyht.2018.0053

0 引言

实际野外地震数据采集过程中受采集成本以及复杂地表条件的限制,地震数据在空间方向往往是稀疏不规则采样的,不规则采集数据会造成地下响应信息的缺失从而影响偏移成像的质量。针对地震数据的规则化问题,国内外学者开展了深入研究如Spitz等[1]研究了f-x域单步预测滤波插值算法,利用数据的低频部分实现对高频的去假频插值;Jakubowicz等[2]利用sin函数进行地震道插值与数据重建;Kao等[3]讨论了含假频的非均匀采样地震数据插值方法;Gulunay等[4]提出了广义f-k域地震数据插值方法;Duijndam等[5]研究了基于非均匀傅里叶变换的不规则地震数据重建方法,能适应于任意不规则采集数据;Liu等[6]提出的MWNI(minimum weighted norm interpolation)方法假设地震数据采样是随机的并从反问题出发来对带限地震信号进行规则化处理;Xu等[7]针对不规则采集存在的频谱泄 问题,提出了反泄 傅里叶变换(antileakage Fourier transform,ALFT)规则化算法;Abma等[8]将反假频凸集投影(projection onto convex sets,POCS)方法从图像处理领域引入到地震数据规则化处理,该方法是一种基于傅里叶变换的迭代阈值插值方法;在国内,许多学者也进行了针对性研究,推动了稀疏不规则采集地震数据重建技术的发展[9,10,11,12,13,14,15]

目前,逆时偏移是复杂构造高精度成像中最精确的方法之一,通过直接求解双程波波动方程,精确地描述了波场的传播特征,理论上可以利用全波场的信息对地下构造进行精确成像,并且突破了倾角对成像的限制,适用于高陡构造以及纵、横向速度变化较为剧烈情况下的偏移成像问题[16,17,18,19,20],在实际生产中得到广泛应用。逆时偏移作为一种炮域波动方程偏移,其算法要求输入数据是规则采集、照明均匀的炮集数据。现有常规地震数据规则化方法由于缺少炮检点的坐标信息,不能实现规则化后炮集数据的有效提取,限制了常规地震数据规则化技术在逆时偏移等炮域偏移方法中的应用。陈可洋等[21]分析了稀疏炮集对逆时偏移成像质量的影响,并对频率—空间域三维插值前后逆时偏移结果进行了效果分析,并指出目前针对炮域规则化及其在逆时偏移中的应用研究较少。文中构建了一种适用于叠前地震数据炮域规则化方法的技术流程,首先基于偏移距和方位角将地震数据分选为OVT道集,由于OVT道集具有相同的偏移距和方位角,相对于常规道集其具有更高的相似性,能提高数据插值的精度和可靠性;然后在OVT域进行地震数据全波数带迭代加权的反假频插值处理;最后基于几何观测系统中炮检点坐标映射关系,从OVT域插值结果中提取规则化后的炮集数据并应用于逆时偏移成像,该方法具有反频谱泄 、反假频、抗噪声的优势。实际资料应用结果表明该方法可以有效提高逆时偏移的成像精度。

1 方法原理

1.1 地震数据的不规则采样

随着“两宽一高”地震采集技术的发展使得地震数据量陡增,一方面密集采样的数据有利于更准确地获得地下结构信息,另一方面受复杂地表条件的限制,造成地震数据在空间方向的稀疏不规则采样,不满足地震数据处理和成像方法对地震数据空间规则性的要求。实际采集到的地震数据可以认为是完整采样数据的稀疏表达:

dobs=Rd,

其中:dobs为实际采集地震数据,d为理想的完整数据,R为稀疏矩阵,地震数据的重建就是由稀疏不规则采集数据dobs恢复d的过程。

由奈奎斯特采样定理可知,若式(1)表达的是规则采样的带限信号,则sinc函数的基函数满足正交条件,可以利用sinc函数实现信号的精准重建[12]。而不规则采样数据破坏了Fourier基函数的正交性,使得某个频率成分的Fourier系数泄 到其他频率成分上,造成理想频谱中零值处出现了非零值,影响了数据精确谱的估计,这种由于空间不规则采样产生的现象称之为频谱泄 现象。同时,不规则地震数据还会引起空间假频,并且随着缺失道比例的增加,数据中的噪声干扰也会越来越严重。针对不规则采样数据中存在的问题,为了提高常规逆时偏移成像精度,需要对不规则地震数据进行炮域的规则化处理。

1.2 OVT域迭代加权反假频插值方法

OVT的概念最早由Vermeer等[22]提出,在十字排列观测系统中炮线和检波线划分得到OVT单元,所有具有相同偏移距和方位角的OVT单元构成OVT道集,每个OVT道集理论上为覆盖整个工区的单次覆盖数据体。由于OVT道集中每道具有近似相等的偏移距和方位角,因此OVT道集具有很好的相似性,利用这种相似性能有效提高数据重建的精度和可靠性。Abma等[13]将POCS方法从图像处理领域引入到地震数据的插值处理中取得了良好的应用效果。笔者基于常规POCS算法实现了地震数据OVT域的全波数带迭代加权反假频插值方法,由于保留了每个频率波数成分的有效信号,保护了数据中弱信号不受损失;再通过几何观测系统中炮检点坐标映射关系,将OVT域插值结果输出为规则化后的炮集数据并应用于逆时偏移成像。

式(1)是一个欠定方程,可以利用阀值逐渐减小的迭代方式进行求解,设傅里叶变换为F,则其迭代格式为:

di+1=(I-RTR)FTτiFdi+d0,

式中,d0=RTdobs为迭代初始值。为了避免频谱泄 以得到精确的频谱估计,Xu等[12]提出了反频谱泄 的傅里叶变换算法(ALFT),地震数据非规则采样单频率成分k的傅里叶正、反变换为:

f˙(k)=1ΔXlNΔxlf(xl)e-2πikxl,fk(xl)=f˙(k)e2πikxl

其中, ΔX=Δxl,f˙(k)为频率频率成分k的傅里叶变换系数,fk(xl)为频率成分k的傅里叶变换系数对时间采样点xl的贡献。为了在迭代求解过程中压制频谱泄 现象,需要对频谱能量依次从大到小进行处理来消除频谱泄 对精确谱估计造成的影响,实现Fourier基函数的重正交。其迭代过程为:利用式(3)对原始数据进行傅里叶变换得到f-k域数据d(f,k);设定当前迭代条件下的阀值τi,将频谱振幅小于阀值的成分置零,对重置后的频谱进行空间方向的傅里叶反变换得到频率域重建后数据drec(f,x),将drec(f,x)中已采样数据用原始数据d(f,x)替换,则原始采样处数据保持不变而未采样处数据则被重建,得到更新数据体di(f,x);降低阀值,对所有频率成分重复以上步骤进行多次迭代,直至满足迭代次数或误差终止条件。

常规POCS规则化算法计算量巨大,不能满足实际大规模生产需求,为了减少计算量,常规方法只在一定频带范围内进行数据重建,忽略了弱反射信息能量,不利于复杂断裂构造成像的精细刻画。为了充分利用地震数据中所有信息进行数据重建,笔者在全频带波数范围内对振幅积分能量进行分析从而确定优势频带,同时依据迭代次数对全波数带进行分组,以此来确定每次迭代的衰减阀值τi,避免了常规算法中由于阀值确定不当造成的弱有效信号的损失,这对于提高复杂探区微幅构造和小断裂成像质量具有重要意义。按照振幅能量积分从大到小设定线性衰减阀值,其表达式为:

τiter(f,k)=τmax(f,k)-τmax(f,k)-τmin(f,k)nter-1iter,

其中:τmax(f,k)、τmin(f,k)为依据振幅能量积分确定的最大和最小阀值, τiter(f,k)为当前频率第iter次迭代的波数域阀值,nter为总迭代次数。另外,为了压制假频对波数谱的干扰,对波数域进行加权以提高算法的反假频能力,加权后的反变换公式为:

drec(f,x)=1NKi=0nterm=0mφ(f,km)τi(f,km)d(f,k)e2πikmdk,
φ(f,km)=A(f0,k0)G(f-f0,km-k0)

φ(f,km)为频率波数域加权算子,G(f-f0,km-k0)为滑动高斯窗函数。对所有频率成分迭代结果利用式(5)进行反变换,得到最终频率空间域的插值结果,然后在时间方向进行反傅里叶变换得到插值后的OVT道集。由于几何观测系统中包含了所有炮检点的坐标信息,基于炮检点几何坐标映射关系,将所有插值后的OVT道集中来自同一炮集的数据依据偏移距大小进行分选,得到规则化后的炮数据,并作为逆时偏移的输入数据。叠前数据炮域规则化处理流程与算法流程分别如图1图2所示。

图1

图1   处理流程


图2

图2   算法流程


为了验证本文算法的有效性,进行了数值模型试算。如图3a所示为原始完整模型数据,对其进行随机抽稀,得到空间不规则采样数据如图3b所示。将图3b道集视为一个OVT道集利用本文方法进行插值处理,重建得到的数据结果如图3c所示,与图3a对比可知缺失道被很好地重建,数据同相轴连续性变好。原始数据与重建数据间的误差如图3d所示,其误差值为原始数据的1%左右。模型试算结果表明本文方法对不规则数据具有较好的重建效果和计算精度。

图3

图3   模型数据算法测试

a—原始数据;b—不规则数据;c—重建数据;d—重建数据误差


2 应用实例

为了验证该方法对实际数据的应用效果,对某三维工区实际数据进行了应用处理。如图4左所示,由于地表采集条件的限制,炮点在空间呈不规则分布,地震数据为不规则采集炮数据,不规则数据将严重影响地震数据预处理以及偏移成像的处理效果。利用本文方法对该三维实际数据进行叠前数据炮域规则化处理,规则化后炮点观测系统呈规则分布如图4右所示,实现了数据的插值重建。图5为处理前后覆盖次数属性分布图,规则化后覆盖次数的均匀性得到改善,提高了数据对偏移成像算法的适应性。

图4

图4   规则化处理前(左)后(右)炮点分布


图5

图5   规则化处理前(左)后(右)覆盖次数


对原始数据进行偏移距和方位角的分选得到OVT道集如图6左所示,由于原始实际数据中方位角和偏移距的限制,插值前OVT道集并非为理想的覆盖整个工区的单次覆盖数据体,面元中存在不规则的缺道现象,造成工区覆盖次数不均匀。利用本文方法对OVT道集进行数据插值后如图6右所示,缺失的地震数据得到重建,原始数据中同相轴得到保持且连续性变好。图7、8分别为规则化前后炮集与动校正后的共中心点道集,重建数据中近、远端偏移距信息更丰富,信噪比也得到提升,有利于提高不同构造形态的成像质量。图9为规则化处理前后叠加剖面对比,如图9右所示浅层有效信号信噪比得到提高,在CDP为2 100,时间5 s左右,原始叠加剖面中存在的倾斜线性干扰也得到压制。对规则化前后炮集分别进行逆时偏移成像,偏移结果对比如图10~11所示。由于利用了数据的全波数频带进行规则化处理,保护了数据中的微弱信号,如图10所示规则化后CDP为1 300,深度3.0~3.5 km范围内的小断裂成像更清晰;图11中偏移剖面信噪比和连续性都得到明显改善。实际数据应用结果表明本文方法为逆时偏移提供了覆盖次数和照明更均匀的炮集数据,对提高逆时偏移成像精度具有实用意义。

图6

图6   规则化处理前(左)后(右)OVT道集


图7

图7   规则化处理前(左)后(右)炮集


图8

图8   规则化处理前(左)后(右)共中心点道集


图9

图9   规则化处理前(左)后(右)叠加剖面效果对比


图10

图10   规则化处理前(左)后(右)偏移结果1对比


图11

图11   规则化前(左)后(右)偏移结果2对比


3 结论

笔者通过地震数据炮域规则化处理,为逆时偏移提供了规则采集的偏移数据,实际数据应用结果表明本方法具有较好的应用效果和实用性,并取得了以下认识和结论:

1)在OVT域进行数据规则化处理,提高了地震数据的相关性,缺失地震数据得到重建的同时原始数据中同相轴得到保持,表明OVT处理提高了数据重建的精度和可靠性;

2)利用地震数据的全波数带进行数据重建,避免了波数阈值选取不当对有效信号的损伤,保护了地震数据中的弱信号,对于提高小断裂构造成像质量具有重要意义;

3)基于炮检点几何坐标映射关系实现规则炮集的提取,满足了逆时偏移算法对输入数据的要求。规则化处理后,偏移剖面中同相轴的连续性和信噪比都得到明显改善。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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Seismic data regularization, which spatially transforms irregularly sampled acquired data to regularly sampled data, is a long-standing problem in seismic data processing. Data regularization can be implemented using Fourier theory by using a method that estimates the spatial frequency content on an irregularly sampled grid. The data can then be reconstructed on any desired grid. Difficulties arise from the nonorthogonality of the global Fourier basis functions on an irregular grid, which results in the problem of spectral leakage: energy from one Fourier coefficient leaks onto others. We investigate the nonorthogonality of the Fourier basis on an irregularly sampled grid and propose a technique called antileakage Fourier transform to overcome the spectral leakage. In the antileakage Fourier transform, we first solve for the most energetic Fourier coefficient, assuming that it causes the most severe leakage. To attenuate all aliases and the leakage of this component onto other Fourier coefficients, the data component corresponding to this most energetic Fourier coefficient is subtracted from the original input on the irregular grid. We then use this new input to solve for the next Fourier coefficient, repeating the procedure until all Fourier coefficients are estimated. This procedure is equivalent to reorthogonalizing the global Fourier basis on an irregularly sampled grid. We demonstrate the robustness and effectiveness of this technique with successful applications to both synthetic and real data examples.

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Simon Spitz(1989)提出的用<em>F-X</em>域预测技术实现道内插的方法,尽管有许多优点,但还是存在计算量大、精度低等一些问题。本文给出了一种新的<em>F-X</em>域实现道内插的方法,该方法是利用<em>F-X</em>域预测算子包含了所有反射波同相轴的倾角信息这一特性来实现道内插。它不必像常规方法那样扫描反射波同相轴的倾角,而且即使存在严重的空间仅频时,也可得到较好的内插效果。理论与实际资料试验的结果表明,该方法具有速度快、精度高、内插出的地震道波形自然、不受空间仅频影响等优点,但前提是要求在作道内播之前道距必须相等。

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<FONT face=Verdana>野外采集的地震数据经常存在空道或者坏道的情况,为了满足地震数据处理精度的要求,就必须首先进行插值.本文提出了一种新的地震数据插值方法:F-K偏移和反偏移插值法,该方法是通过F-K偏移和反偏移的串联使用来实现的.与其他的插值方法相比,这种插值方法的优点在于计算速度快,没有经过近似处理,精度高.F-K偏移/反偏移能够实现道插值的原理和Kirchhoff偏移/反偏移插值方法类似,也是由于数据是有限带宽的原因引起的.通过对模型的试算,可以看到F-K偏移和反偏移插值方法有着比较好的插值效果,是一种高效、准确、可行的方法.</FONT>

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地震数据重构问题是一个病态的反演问题. 本文基于地震数据在curvelet域的稀疏性, 将地震数据重构变为一个稀疏优化问题, 构造0范数的逼近函数作为目标函数, 提出了一种投影梯度求解算法. 本文还运用最近提出的分段随机采样方式进行采样, 该采样方式能够有效地控制采样间隔并且保持采样的随机性. 地震数值模拟表明, 基于0范数逼近的投影梯度法计算效率有明显的提高; 分段随机采样方式比随机欠采样有更加稳定的重构结果.

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为达到更加有效地表示地震数据的目的,仅仅将地震数据当作普通的图像数据处理是远远不够的,地震数据中蕴含的地震波的运动学特性也应作为重要因素而被考虑到.本文讨论了利用Dreamlet变换方法实现地震数据压缩的方法,并针对地震数据本身所蕴含的频散关系特性进一步提出了多尺度Dreamlet变换压缩方法.Dreamlet变换由2个一维局部谐波变换的张量积构成,它在提供地震波场时间-空间局部化性质的同时可以保留波场的运动学特性.通过对二维SEG/EAGE叠前、叠后数据的算例说明了Dreamlet变换用于地震数据压缩的有效性.利用压缩后的数据进行成像的结果更表明,与Curvelet变换方法相比,Dreamlet与多尺度Dreamlet方法可以提供更高的压缩比;在相同压缩比的条件下,使用Dreamlet与多尺度Dreamlet方法压缩重建后的数据进行成像能更好地保留成像结果中的重要结构.

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[J]. 石油物探, 2013,52(4):409-416.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2013.04.011      URL     [本文引用: 1]

为了提高叠前逆时偏移成像精度,开展了针对逆时偏移的地震资料预处理方法研究——叠前插值处理。从Marmousi理论模型出发,对模拟的理论炮集数据进行抽稀,在满足数值频散关系条件下进行叠前逆时偏移处理,计算结果表明,炮集记录道间距增大会引入线性干扰,较大程度影响了逆时偏移结果的精度和横向连续性;从实际三维地震资料数据出发,对比分析了沿检波线方向和沿检波站方向进行叠前频率-空间域三维插值前、后的数据和对应的逆时偏移结果。研究表明,未进行叠前插值处理的逆时偏移剖面存在类似于理论数据抽稀情况下的线性干扰,同相轴的连续性差;而经插值处理后,插值地震道的同相轴过渡自然无畸变,对应的逆时偏移剖面连续性明显增强,线性干扰得到有效压制。因此,叠前插值处理能够有效提高高信噪比地震工区资料的逆时偏移成像精度。

Vermeer G J O .

Creating image gathers in the absence of proper common-offset gather

[J]. Exploration Geophysics, 1998,29(4):636-642.

DOI:10.1071/eg998636      URL     [本文引用: 1]

Data acquired with the parallel geornetry can be described as a collection of common-offset gathers. Prestack migration of such data can be conveniently considered as the repeated application of the migration proces to all common-offset gathers.

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