一种地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法

摘要

本发明属于地震勘探数据处理技术领域，涉及地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法，解决地震勘探数据处理中各阶表层多次波之间无法直接分离的难题，实现对各阶表层多次波的有效利用，其结合聚焦变换的加权互相关思想和SRME的加权褶积思想，先用SRME实现一次波与各阶表层多次波整体的分离，再用正聚焦变换实现各阶表层多次波的降阶，接着用非平稳匹配滤波提取准地震记录，然后用SRME提取准地震记录中的准一次波，最后用反聚焦变换实现准一次波的升阶返回原始数据域，获取分离的各阶表层多次波，其系统提出一套合理有效的各阶表层多次波分离方法，实现各阶表层多次波的有效分离，其方法原理可靠，技术流程清晰，适用范围广。

说明书

技术领域：

本发明属于地震勘探数据处理技术领域，涉及一种地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法。

背景技术：

在海洋及部分陆地地震勘探采集的地震数据中存在发育的多次波。传统地震数据处理中，多次波通常被视为噪音，在成像前需要被去除，然而多次波也是来自地层界面的真实反射，其反射角小、传播路径长、覆盖范围广，因此，多次波的有效利用近年来已成为地球物理学家广泛关注的热点，尤其是针对表层多次波的有效利用研究更为深入，因为表层多次波能量较强,具有典型的周期性，在地表发生的多次反射会产生不同阶次的表层多次波，并且阶次越高，传播路径越长，地下覆盖范围越广，包含的地下构造信息越丰富，所以对各阶表层多次波的深入研究对于获取更为精细的地球内部构造信息具有重要的研究意义。目前，对表层多次波的有效利用主要体现在多次波成像中，通常将地震记录作为震源波场，表层多次波作为检波波场，基于传统成像方法即可实现表层多次波的成像，然而由于不同阶次的表层多次波在成像过程中相互干涉，导致成像结果中引入了大量的串扰噪音，所以该方法无法实现对各阶表层多次波的有效利用，为消除成像过程中各阶表层多次波之间的干扰，对各阶表层多次波分离方法的研究成为必须解决的难题。目前，针对各阶表层多次波的有效分离技术研究国内外尚为空白。

在现有技术中，表层相关多次波去除(即surface-related multiple elimination，以下简称SRME)方法是工业生产中广泛应用的表层多次波分离技术，SRME基于加权褶积思想，可以实现高精度的表层多次波与一次波的分离，但是该方法将各阶表层多次波视为整体，无法直接实现各阶表层多次波之间的分离；基于加权互相关思想的聚焦变换也是一种有效的表层多次波分离方法，该方法可以实现各阶表层多次波的升、降阶，但是该方法本身仍无法完成各阶表层多次波之间的分离。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法，旨在解决地震勘探数据处理中各阶表层多次波之间无法直接分离的难题，从而实现对各阶表层多次波的有效利用，获取不同阶表层多次波中包含的丰富界面信息，为更加精细的地下构造成像提供数据基础。

为了实现上述目的，本发明所述的地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法包括以下步骤：

S101：输入地震记录，利用SRME提取一次波：

对检波器采集的含表层多次波的地震记录，采用SRME方法进行一次波和表层多次波整体的分离，提取一次波；

S102：正聚焦变换获得聚焦域结果：

利用步骤S101分离的一次波构建聚焦算子，P₀表示一次波数据矩阵，反聚焦算子G用一次波数据矩阵P₀表示，正聚焦算子F则表示为反聚焦算子的逆P₀^-1，利用构建的正聚焦算子对原始地震记录进行正聚焦变换得到聚焦域结果；

S103：利用非平稳匹配滤波提取准地震记录：

利用非平稳匹配滤波方法对步骤S102得到的聚焦域结果与原始地震记录进行匹配相减，N＝1时，在聚焦域内分离并提取出由表层多次波恢复的准地震记录；N≥2时，将分离的准地震记录重新作为步骤S101的输入记录，继续执行步骤S101至步骤S103的过程，循环过程中正聚焦变换实现多次波降阶，进行第N-1次循环时，提取由≥N阶表层多次波恢复的准地震记录；

S104：利用SRME提取准一次波：

采用SRME方法提取步骤S103准地震记录中的准一次波，该步骤提取的为N阶表层多次波恢复的准一次波；

S105：N次反聚焦变换获取第N阶表层多次波：

利用反聚焦算子对步骤S104提取的准一次波进行N次反聚焦变换，其中，第n次反聚焦变换需选取第N-n次循环中步骤S102所构建的反聚焦算子(n≤N，n＝1,2,3,…)，返回原始数据域，即获取分离的第N阶表层多次波，实现各阶表层多次波的有效分离。

本发明涉及的地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法，结合聚焦变换的加权互相关思想和SRME的加权褶积思想，首先利用SRME实现一次波与各阶表层多次波整体的分离，然后利用正聚焦变换实现各阶表层多次波的降阶，接着利用非平稳匹配滤波提取准地震记录，然后利用SRME提取准地震记录中的准一次波，最后利用反聚焦变换实现准一次波的升阶返回原始数据域，获取分离的各阶表层多次波。

本发明与现有技术相比，其利用SRME方法分离一次波的高精度优势，结合聚焦变换正反变换升降阶的灵活性，系统提出一套合理有效的各阶表层多次波分离方法，实现各阶表层多次波的有效分离，填补各阶表层多次波分离技术的空白，为实现不同阶表层多次波的有效利用及更加精细的地下构造成像提供数据基础；其方法原理可靠，技术流程清晰，适用范围广。

附图说明：

图1为本发明涉及的地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法的流程框图。

图2为本发明涉及的三层介质速度模型示意图。

图3为本发明涉及的三层介质炮记录的各阶表层多次波分离结果示意图：其中，(a)为正演的原始单炮地震记录；(b)为基于SRME分离的(a)中的一次波；(c)为(a)的正聚焦域结果；(d)为基于非平稳匹配滤波方法分离的(c)中的准地震记录；(e)为基于SRME分离的准地震记录(d)中的准一次波；(f)为对准一次波(e)进行正聚焦变换后得到的聚焦域结果；(g)为基于非平稳匹配滤波方法分离的(f)中的准地震记录；(h)为基于SRME分离的准地震记录(g)中的准一次波；(i)为对准一次波(e)进行反聚焦变换后得到的一阶表层多次波；(j)为对准一次波(h)进行二次反聚焦变换后得到的二阶表层多次波；(k)为原始数据与分离的各阶表层多次波之和的差值剖面。

图4为本发明涉及的三层介质炮记录各阶表层多次波的频率-波数谱对比示意图：其中，(a)为原始地震记录的频率-波数谱；(b)为分离的一次波的频率-波数谱；(c)为分离的一阶表层多次波的频率-波数谱；(d)为分离的二阶表层多次波的频率-波数谱。

图5为本发明涉及的复杂地质体速度场示意图。

图6为本发明涉及的复杂地质体单炮地震记录各阶表层多次波分离结果示意图：其中，(a)为原始单炮地震记录；(b)为分离的一次波；(c)为分离的一阶表层多次波；(d)为分离的二阶表层多次波；(e)为分离的三阶表层多次波；(f)为差值剖面。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法，包括以下步骤：

S101：输入地震记录，利用SRME提取一次波：

对检波器采集的含表层多次波的地震记录，采用SRME方法进行一次波和表层多次波整体的分离，提取一次波；

S102：正聚焦变换获得聚焦域结果：

利用步骤S101分离的一次波构建聚焦算子，P₀表示一次波数据矩阵，反聚焦算子G用一次波数据矩阵P₀表示，正聚焦算子F则表示为反聚焦算子的逆P₀^-1，利用构建的正聚焦算子对原始地震记录进行正聚焦变换得到聚焦域结果；

其中，数据矩阵为基于波场传播理论构建的频率域Berkhout数据矩阵,(Berkhout,A.J.,1982,Seismic migration,imaging of acoustic energy by wave field extrapolation,A:Theoretical aspects.Elsevier.(Berkhout,A.J.,1982,地震偏移，波场外推法声波成像))；

结合一次波和表层多次波数据矩阵在频率域的关系，该过程表示为：

R＝FP＝P₀^-1P＝P₀^-1(P₀+P₀AP)＝I+AP[1a]

或者

其中，P＝P₀+P₀AP＝P₀+P₀AP₀+(P₀A)²P₀+...+(P₀A)^NP₀[1c]

式中，矩阵R为正聚焦变换结果，P表示地震记录，P₀AP表示各阶表层多次波数据矩阵，I表示聚焦域内一次波P₀聚焦于原点附近的点聚焦能量，A为表层加权算子；P₀AP₀表示一阶表层多次波数据矩阵，(P₀A)²P₀表示二阶表层多次波数据矩阵，(P₀A)^NP₀表示N阶表层多次波数据矩阵；式[1a]中，记P′＝AP，P′表示聚焦域内所有阶表层多次波P₀AP恢复的响应，其具有原始数据的形态，具体表现为原始数据P的加权，称之为准地震记录；式[1b]中，记P₀′＝AP₀，P₀′表示聚焦域内一阶表层多次波P₀AP₀恢复的类似一次波的响应，称之为准一次波；记P₁′＝A(P₀AP₀)，P₁′表示聚焦域内二阶表层多次波(P₀A)²P₀恢复的准一阶表层多次波；由此可见，正聚焦变换后反射波实现降阶，一次波表现为聚焦在原点附近的点聚焦能量，而多次波则恢复为原始数据的形态，其中，一阶表层多次波恢复为一次波的形态，二阶表层多次波恢复为一阶表层多次波的形态，N阶表层多次波恢复为N-1阶表层多次波的形态(N表示阶数，N＝1，2，3，...)；

S103：利用非平稳匹配滤波提取准地震记录：

利用非平稳匹配滤波方法对步骤S102得到的聚焦域结果与原始地震记录进行匹配相减，N＝1时，在聚焦域内分离并提取出由表层多次波恢复的准地震记录；N≥2时，将分离的准地震记录重新作为步骤S101的输入记录，继续执行步骤S101至步骤S103的过程，循环过程中正聚焦变换实现多次波降阶，进行第N-1次循环时，提取由≥N阶表层多次波恢复的准地震记录；

其中，基于非平稳的匹配滤波方法结合信号非平稳特征，考虑了滤波因子随空间的变化，该方法所采用的目标函数表示如下：

$E_{\min }=\left|\right|r\left(x\right)-\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_k\left(x\right)p_k\left(x\right)|{|}^2---[2]$

式中，r(x)表示地震炮记录对应的聚焦域响应，p_k(x)是炮记录空间移动序列，f_k表示滤波因子，其随空间坐标x改变而变化，可以有效避免常规方法平稳假设下分时窗处理引入的误差；

S104：利用SRME提取准一次波：

采用SRME方法提取步骤S103准地震记录中的准一次波，该步骤提取的为N阶表层多次波恢复的准一次波；

S105：N次反聚焦变换获取第N阶表层多次波：

利用反聚焦算子对步骤S104提取的准一次波进行N次反聚焦变换，其中，第n次反聚焦变换需选取第N-n次循环中步骤S102所构建的反聚焦算子(n≤N，n＝1,2,3,…)，返回原始数据域，即获取分离的第N阶表层多次波，实现各阶表层多次波的有效分离。

实施例2：

本实施例采用地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法对三层介质模型正演模拟的含表层多次波地震数据进行分离，由于本实施例正演地震记录中的表层多次波以一阶和二阶主，下面对一阶(N＝1)和二阶(N＝2)表层多次波的分离过程进行详细说明，具体步骤如下：

(1)对含表层多次波的正演炮记录采用SRME方法进行一次波和表层多次波整体的分离，提取一次波，原始单炮地震记录如图3(a)所示，由于自由表面及强反射界面的存在，在炮记录中产生了能量较强的不同阶次的表层多次波，a、b和c处箭头所指处分别表示图2所示速度模型的第一界面产生的一次波、一阶表层多次波和二阶表层多次波，一次波可以视为零阶表层多次波，如图3(b)所示，利用SRME提取的a处箭头所指的一次波与图3(a)中的b、c所指的表层多次波之间得到了有效的分离；

(2)利用步骤(1)中分离的一次波构建聚焦算子，利用构建的正聚焦算子对原始地震记录进行正聚焦变换，结果如图3(c)所示，反射波实现降阶，一次波表现为聚焦于原点附近的聚焦点，而多次波则表现为类似原始数据图3(a)的形态，其中，一阶表层多次波恢复为一次波的形态，二阶表层多次波恢复为一阶表层多次波的形态，N阶表层多次波恢复为N-1阶表层多次波的形态(N表示阶数，N＝1，2，3，...)，图3(a)中a处箭头所指的第一界面的一次波在图3(c)中聚焦于箭头a′处原点附近，b处箭头所指的一阶表层多次波在图3(c)中降阶恢复为箭头b′所指的准一次波，c处箭头所指的二阶表层多次波在图3(c)中则降阶恢复为箭头c′所指的准一阶表层多次波；

(3)利用非平稳匹配滤波方法对如图3(c)所示的聚焦域结果和如图3(a)所示的原始地震记录进行匹配滤波，利用最小二乘思想使得目标函数最小求取滤波系数，进而相减得到由表层多次波恢复的准地震记录如图3(d)所示，图3(d)与3(a)形态一致；

a、N＝1，循环0次，提取的准地震记录对应为整体表层多次波恢复的响应，下一步执行步骤(4)；

b、N＝2，循环1次，将提取的准地震记录重新作为步骤(1)的输入记录，执行步骤(1)至步骤(3)；

①利用SRME执行步骤(1)获取如图3(e)所示的准一次波；

②执行步骤(2)利用分离的准一次波构建聚焦算子，利用正聚焦算子进行正聚焦变换，结果如图3(f)所示，正聚焦变换再次实现降阶，准一次波聚焦于原点附近的点上，二阶及以上阶(N≥2)表层多次波恢复的响应表现为原始数据的形态，图3(d)中b′处箭头所指的准一次波在图3(f)中聚焦于箭头b″处原点附近，c′处箭头指示的二阶表层多次波恢复的准一阶表层多次波在图3(f)中再次降阶恢复为图3(d)中箭头c″所指的准一次波；

③执行步骤(3)进行匹配相减，提取由二阶及以上阶表层多次波恢复的准地震记录如图3(g)所示；

(4)利用SRME方法提取步骤(3)准地震记录中的准一次波,该步骤提取的为N阶表层多次波恢复的准一次波；

a、N＝1，提取的一阶表层多次波恢复的准一次波如图3(e)所示；

b、N＝2，提取的二阶表层多次波恢复的准一次波如图3(h)所示；

(5)利用反聚焦算子对步骤(4)提取的准一次波进行N次反聚焦变换，其中，第n次反聚焦变换需选取第N-n次循环中步骤(2)所构建的反聚焦算子(n≤N，n＝1,2,3,…)，返回原始数据域，即获取分离的第N阶表层多次波，实现各阶表层多次波的有效分离。

a、N＝1，需要一次反聚焦变换，第1次反聚焦变换选取第0次循环中所构建的反聚焦算子，分离的一阶表层多次波如图3(i)所示，图3(e)中b′处箭头所指的第一界面的一阶表层多次波恢复的准一次波在经一次反聚焦变换升阶后返回原始数据域即可获取b处箭头所指的一阶表层多次波；

b、N＝2，需要二次反聚焦变换，其中，第1次反聚焦变换需选取第1次循环中所构建的反聚焦算子，第2次反聚焦变换需选取第0次循环中所构建的反聚焦算子，分离的二阶表层多次波如图3(j)所示，图3(h)中c″所指的第一界面的二阶表层多次波恢复的准一次波在经两次反聚焦变换升阶后，返回原始数据域，即可获取c处箭头所指的二阶表层多次波；

由图3(b)、3(i)和3(j)中箭头a、b和c所指示的第一界面一次波、一阶表层多次波和二阶表层多次波的反射旅行时可见，第一界面产生的不同阶次的表层多次波的旅行时基本呈倍数关系递增，表明各阶表层多次波得到了有效预测；图3(k)为原始数据与一次波、一阶表层多次波及二阶表层多次波之和的差值剖面，差值剖面基本为零，仅在较大旅行时位置处残留部分能量极弱的三阶及以上阶表层多次波，因此，本实施例实现了一次波，一阶、二阶表层多次波的有效分离；

图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)分别为原始数据、一次波、一阶表层多次波和二阶表层多次波的频率-波数谱结果，由图可见，不同阶次的表层多次波在频率-波数域分布在不同的位置处且包含不同的地震信息，由此表明，采用地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法能够有效分离三层介质速度模型的各阶表层多次波。

实施例3：

本实施例采用地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法对复杂地质体的含多次波地震数据进行各阶表层多次波分离，具体结果如下：

图5为复杂地质体速度场示意图，图中可见复杂高陡地层及高速盐体，其中300m-600m处的地层用于模拟海底界面，图6为各阶表层多次波分离的结果，图6(a)为原始单炮地震记录，由图6(a)可见，地震记录中波场复杂，不同阶表层多次波能量较强且干涉交叉在一起；图6(b)、图6(c)、图6(d)和图6(e)分别为分离的一次波、一阶表层多次波、二阶表层多次波和三阶表层多次波，从不同阶表层多次波的旅行时可判断各阶表层多次波得到有效预测，图6(f)为原始数据减去分离的一次波，一阶、二阶、三阶表层多次波后的差值剖面；由图6(f)可见，残差能量较弱，各阶表层多次波得到准确的分离，由此表明，采用地震勘探数据中各阶表层多次波分离方法能够有效分离复杂地质体的各阶表层多次波。