四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法及系统

摘要

本发明涉及一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法及系统。该方法包括：从野外采集的原始地震数据中提取直达信号并在空间上进行渐变；根据渐变后的直达波和初始齐次速度模型，得到合成直达波；根据所述合成直达波，估计匹配滤波器；对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器；将所述更新后的匹配滤波器应用于直达波场，得到滤波后的直达波场；对滤波后的直达波场执行VS干涉计算，并对每个虚拟震源进行VS干涉计算，得到VS干涉结果；根据VS干涉结果，构建干涉基准面。本发明能够解决复杂近地表情况下光照受限和污染VS响应的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及四维地震干涉校正领域，特别是涉及一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法及系统。

背景技术

干涉虚拟震源(VS)重影将下行波与相应的上行波进行交叉相关，将地表震源道集的记录转换为掩埋接收位置的虚拟道集，可以提高地震重复性和图像质量。然而，利用地球物理方法对在沙漠环境中的陆上油气田进行检测是一个巨大的挑战。地面4D地震数据通常信噪比低，且成本较高，全埋藏地震记录系统不适用于覆盖重要区域。另一种方法是使用浅埋接收器和表面振动器获取数据，以提高重复性。根据近地表的复杂性，埋深可以从几米到几十米不等。

虚拟震源法(VS)的目的是在对覆岩速度和近地表变化知之甚少的情况下，生成用于监测复杂覆岩下的图像。VS方法的理论与地震干涉法密切相关，因为它将下行波与上行(反射)地震波相互关联，以检索反射响应，然后将地表震源记录重测到埋藏的接收位置。更重要的是，通过校正4D噪声(如近地表日、季节性天气周期引起的噪声)以及采集几何和炮检耦合的微小变化，预计重影将提高延时测量的重复性。

在实际工作中，通常不满足两边照明的光源覆盖率和VS后足够采样的假设。因此，陆上地震数据需要专门的预处理来恢复覆盖范围，这样依旧可以利用重新绘制来进行有效地工作。后来人们提出了多维反褶积(MDD)方法，通过对下行波场和上行波场进行反褶积来减小上覆岩层的影响。尽管如此，该方法在强异质近地表区域或者缺乏多组分采集时，上下分离极为困难。它产生的结果比简单的非VS处理具有更低的信噪比(SNR)。

发明内容

本发明的目的是提供一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法及系统，能够解决复杂近地表情况下光照受限和污染VS响应的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法，包括：

从野外采集的原始地震数据中提取直达信号并在空间上进行渐变处理；

根据渐变后的直达波和初始齐次速度模型，得到合成直达波；

根据所述合成直达波，估计匹配滤波器；

对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器；

将所述更新后的匹配滤波器应用于直达波场，得到滤波后的直达波场；

对所述滤波后的直达波场执行VS干涉计算，并对每个虚拟震源进行VS干涉计算，得到VS干涉结果；

根据所述VS干涉结果，构建干涉基准面。

可选地，所述根据合成直达波，估计匹配滤波器，具体包括：

根据合成直达波，得到二维f-k谱；

根据二维f-k谱，估计匹配滤波器。

可选地，所述对匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器，具体包括：

根据齐次速度模型对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器。

一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建系统，包括：

空间渐变模块，用于从野外采集的原始地震数据中提取直达信号并在空间上进行渐变；

直达波合成模块，用于根据渐变后的直达波和初始齐次速度模型，得到合成直达波；

匹配滤波器估计模块，用于根据所述合成直达波，估计匹配滤波器；

匹配滤波器更新模块，用于对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器；

直达波场滤波模块，用于将所述更新后的匹配滤波器应用于直达波场，得到滤波后的直达波场；

VS干涉结果计算模块，用于对所述滤波后的直达波场执行VS干涉计算，并对每个虚拟震源进行VS干涉计算，得到VS干涉结果；

干涉基准面构建模块，用于根据所述VS干涉结果，构建干涉基准面。

可选地，所述匹配滤波器估计模块，具体包括：

二维f-k谱确定单元，用于根据所述合成直达波，得到二维f-k谱；

匹配滤波器估计单元，用于根据所述二维f-k谱，估计匹配滤波器。

可选地，所述匹配滤波器更新模块，具体包括：

匹配滤波器更新单元，用于根据齐次速度模型对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明对于较大横向速度差的覆盖层，通过平滑来自各个VS的估计速度或联合估计来自相邻接收机的匹配滤波器，能够得到帮助整个阵列实现稳定的匹配滤波器。

2、本发明不需要大量的人工操作，获得一致的地震质量。

3、本发明通过迭代匹配滤波，有效地校正了直达波场的畸变辐射方向，在成像和可重复性方面取得了良好的改善，显著降低了使用埋置接收器的陆上延时测量的不可重复性，减少了近地表对地震资料的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法流程图；

图2为本发明四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建系统结构图；

图3为与近地表复杂性相关的不均匀角度覆盖和多波模式污染的示意图；

图4为二维原始下行波场(左)及其二维FK谱图(右)；

图5为时间窗和空间相关滤波后的下行波场(左)及其二维FK谱图(右)；

图6为初始模型的目标波场(左)及其第一次迭代时的FK谱图(右)；

图7为应用第一次迭代估计的匹配滤波器后的下行波场(左)及其FK谱图(右)；

图8为第二次迭代后基于更新模型的目标波场(左)及其FK谱图(右)；

图9为应用第二次迭代估计的匹配滤波器后的最终下行波场(左)及其FK谱图(右)；

图10为原始下行波场的三维表示(左)及其三维FK谱图(右)；

图11为空间渐变和选通后的下行波场(左)及其FK谱图(右)；

图12为第一次迭代后由初始均匀模型(左)及其FK谱生成的目标波场图(右)；

图13为第一次迭代后匹配滤波产生的更新下行波场(左)及其FK谱图(右)；

图14为更新的同质模型(左)及其FK谱在第二次迭代后生成的目标波场图(右)；

图15为匹配滤波器第二次迭代后产生的最终下行波场(左)及其FK谱图(右)；

图16为VS示意图；

图17为CMP的VS炮集图；

图18为所有13个调查的一个CMP跟踪；

图19折线图显示使用现场数据示例中的四个处理流计算的NRMS。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法及系统，能够解决复杂近地表情况下光照受限和污染VS响应的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

以地震勘探方法为主体的油气地球物理勘探技术，是油气发现和增储上产的主要技术手段。随着全球经济和社会发展对能源需求的不断增长，油气勘探开发的程度不断提高，难度不断加大，提高地震重复性和信噪比成为重要手段。为了解决复杂近地表情况下光照受限和污染VS响应的问题，本发明的主要目的是提供一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法。该方法实质上是对下行波场中的直达波进行滤波，以改善污染响应。它补偿了光照的不均匀性，获得各向同性与辐射方向图的重复数据。最终降低了人为频率偏差，提高了地震重复性和图像质量。

VS干涉将来自同一震源的地震响应进行互相关，并对来自同一震源的地震响应求和：

其中

方程1也可以用矢量表示法(黑体字母)，在频域中表示：

V(r

(2)

其中上标h和ω分别表示厄米(或复共轭转置)和角频率。V(r

上面的矢量表达式不仅简洁，而且得到了与从源到接收器的格林函数对应的接收波场模式，即VS处的辐射模式。

此外，复杂的覆盖层引入了地表多次波、近地表混响和其他波模式，它们都会污染直达波。具体地说，每个上行和下行波场由多个波模式组成：

D(r

U(r

其中(D

下面讨论如何通过将原始波场的辐射模式变为为接近模型的辐射模式，来有效地抑制与直达相关的照明不均性和噪声分量下行直达P波场。

为了降低接受的限制，先前的研究表明，对直达信号进行时间窗化和空间滤波，以近似于单模波和正则化源，可以减少VS伪影。前人发现通过在表面选择适当的射程，可以控制放射方向并使其朝着所需照明的方向发展。证明了VS数据可以通过与估计的振幅辐射模式解卷积来改进。更重要的是，他们证明了VS仍然可以准确地预测参考响应的相位，尽管覆盖层导致了不正确的辐射模式。

本发明不仅考虑了先前工作中所述的源几何结构的不足，而且还考虑了与近地表相关的不均匀角度覆盖和多波模式污染。该方法包括迭代步骤来构造和应用匹配滤波器，以获得理想的三维直达下行波幅谱。估计各向同性辐射方向图的最简单方法是计算均匀模型中直达P波的格林函数。这个同质模型是为每一个VS独立建立的，它的形状是一个圆柱体，从埋在地下的接收器到地表，以源为半径。所得到的光谱可以看作是表面点源在远场的理想辐射模式的近似值。在与反射波相关之前，通过对直达P波到达的最佳逼近，可以增强与更干净的直达P波相关的正确图像，同时抑制近地表引起的伪影。整个工作流程保留了先前工作所建议的信号相位，其辐射模式校正随后提高了VS质量。基本假设是直达P波到达仍然在选通早到波中占主导地位。图3为与近地表复杂性相关的不均匀角度覆盖和多波模式污染的示意图。由图3可知，两个地表源，与VS的距离相同，产生两个直达波，并由掩埋接收器记录。直线射线路径分成一组分段射线，导致角度覆盖不相等。此外，表面多次波、近地表混响也被引入污染直达波。近地表的复杂性严重影响了覆盖层下的VS照明，即使是在完美采集的情况下。

图1为本发明四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法流程图。如图1所示，一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建方法包括：

步骤101：从野外采集的原始地震数据中提取直达信号并在空间上进行渐变。

提取直达信号并在空间上进行渐变。地震数据为共接收道集，在每个VS位置，直达波在非常小的偏移范围(<30m)内选择，并在时间上独立地加窗。对到达点进行空间渐变，以加权偏移范围内输入源记录道的贡献，从而满足远场和平稳相位近似的要求。递减是通过应用以下二维高斯加权函数在VS位置居中来构造的。图4为二维原始下行波场(左)及其二维FK谱图(右)。图5为时间窗和空间相关滤波后的下行波场(左)及其二维FK谱图(右)。

式中，R是震源阵列孔径，r是震源r

步骤102：根据渐变后的直达波和初始齐次速度模型，得到合成直达波。

将连接源和接收器的直线射线的长度除以自动拾取的起始到达。输出是每个源-接收器对的速度估计值。然后将每个VS上方的局部初始模型导出为计算速度的平均值。利用该模型，利用步骤101得到的空间渐变后的直达波生成的直达波合成数据(格林函数)计算如下：

其中D

步骤103：根据所述合成直达波，估计匹配滤波器，具体包括：

步骤1031：根据所述合成直达波，得到二维f-k谱；

步骤1032：根据所述二维f-k谱，估计匹配滤波器；

根据合成数据计算二维f-k谱

式中，k和w分别为波数和角频率，T表示直达下行波场的总记录时间。符号上方的波浪号表示f-k域中的量，方程8可以在频域中重写：

其中

估计匹配滤波器，使滤波后的记录波场与建模的波场相匹配。在f-k域中设计了一个代价函数，使野外数据的辐射模式与模拟合成数据的辐射模式相匹配，如下：

式中，

这是一个迭代过程，因为

步骤104：对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器，具体包括：

根据齐次速度模型对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器。

更新齐次速度模型。进行迭代更新的均匀覆盖层模型与匹配滤波器结合进行更新。速度模型通过求解相同的最小成本函数方程10进行更新，但匹配滤波器设置为从上一次迭代中获得的值，并在慢度上进行优化：

建立初始模型后，通过方程7中Ricker小波列表的三维解析格林函数，可以从方程12迭代更新慢度：

其中χ

步骤105：将所述更新后的匹配滤波器应用于直达波场，得到滤波后的直达波场。

通过几次迭代，

V(r

为了了解基于辐射模式的匹配滤波的效果，考虑方程11中匹配滤波器解的稳态版本：

稳态模型近似于

那么很容易证明这一点：

将方程式17乘以

将式18代入式2中得：

这表明，在f-k域中，基于辐射方向图的匹配滤波的影响可以看作是在与模型化的直达波场

步骤106：对所述滤波后的直达波场执行VS干涉计算，并对每个虚拟震源进行VS干涉计算，得到VS干涉结果。

步骤107：根据所述VS干涉结果，构建干涉基准面。

图2为本发明四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建系统结构图。如图2所示，一种四维地震中辐射模式校正的干涉基准面重建系统包括：

空间渐变模块201，用于从野外采集的原始地震数据中提取直达信号并在空间上进行渐变。

直达波合成模块202，用于根据渐变后的直达波和初始齐次速度模型，得到合成直达波。

匹配滤波器估计模块203，用于根据所述合成直达波，估计匹配滤波器。

匹配滤波器更新模块204，用于对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器。

直达波场滤波模块205，用于将所述更新后的匹配滤波器应用于直达波场，得到滤波后的直达波场。

VS干涉结果计算模块206，用于对所述滤波后的直达波场执行VS干涉计算，并对每个虚拟震源进行VS干涉计算，得到VS干涉结果。

干涉基准面构建模块207，用于根据所述VS干涉结果，构建干涉基准面。

所述匹配滤波器估计模块203，具体包括：

二维f-k谱确定单元，用于根据所述合成直达波，得到二维f-k谱。

匹配滤波器估计单元，用于根据所述二维f-k谱，估计匹配滤波器。

所述匹配滤波器更新模块204，具体包括：

匹配滤波器更新单元，用于根据齐次速度模型对所述匹配滤波器进行更新，得到更新后的匹配滤波器。

本发明提出的方法在沙特阿拉伯的一个陆上油田进行了13次重复的二维勘探应用。在19个月的时间里前六次调查(S1-S6)是在3个月的时间内收集的，然后，在17个月的休息时间后，在一周的时间内收集了另外七次调查(S7-S13)。所有的测量都是用Mertz 26型震源装置进行的，大多数炮点重复测量的精度都在1m以上。并安装了一条由80个接收站组成的二维测线，检波器和水听器固定在各个垂直钻孔中，间隔30m，接收器位于地表以下50m深处。密集的三维区域拍摄(7.5米的直线和7.5米的交叉线)进行了有效的线性和散射噪声去除，并在输出和位置上获得最佳照明。相应的偏移量从0米到2400米不等，近地表砂层厚度从几米到几十米不等。地质学层面，不同层间的速度差比较大，覆盖目标反射器在大约2000米深度。近地表砂层厚度从几米到几十米不等。厚砂覆盖的近地表被认为是地震资料质量较差的地区。在近地表以下，存在简单的层状地质，相关反射面倾角小于5°。在大约2000m深的目标反射器上覆盖了大量速度反差的层。

利用初始近地表齐次模型，利用从零炮检距记录中提取的子波应用方程7生成合成数据。为了进行4D地震监测，我们选取了35hz时小波s(t)的主频ω，以匹配目标储层信号的有效带宽。首先自动选取近炮检距(<30m)初至波的旅行时间，并将速度v设定为每个信源接收对的平均计算速度。常数Q值是从附近的声波测井资料中估计出来的。在这种情况下，选择v＝1081m/s和Q＝46的初始值作为地表源到地下接收器之间的模型。

图10至图15显示了在厚沙区选定VS位置(#65)处估算下行直达波的结果。给出了野外数据处理的六个阶段，包括原始直达波、开窗和空间渐变输出、v＝1081m/s初始模型产生的目标响应、第一次迭代应用匹配滤波器后的输出，第二次迭代的v＝1487m/s更新速度产生的目标响应以及应用第二次迭代得到的匹配滤波器后的结果。在本例中，首次到达拾取提供了足够质量的速度更新，因此第二次迭代后匹配滤波器的输出已经提供了不错的结果。三维滤波的直达波场(图15)使原始输入(图10)的频谱沿内联和交叉线方向正则化。在时域上，它稳定了直达纵波的小波特性，有效地抑制了后续波的到达。

为了评估从图像质量和可重复性方面的潜在性能增益，对同一系列现场调查的掩埋接收器数据进行了三个阶段的处理。这些阶段包括噪声去除、重影和CMP叠加。在第一阶段，以分集方式对9条炮线进行交叉线求和，以衰减高振幅噪声、随机噪声和散射能量。结果得到一条单中心炮线，接收器间距为30m。然后将这些道集分类为接收器道集，利用近7.5m的炮距来减轻炮区混叠，并在两个通道中应用f-k滤波器来消除线性噪声。在第二阶段，使用第一次迭代匹配滤波器(图13)和第二次迭代匹配滤波器(图15)，分别对每个VS独立地评估了三个直达波场的估计值，包括空间渐变和窗口化(图11)。在VS处理过程中，一种基于Akaike信息准则的自动拾取算法(Zhang等人，2003)选择了第一次到达，并在60ms时间门中打开了直达波能量窗口。每个VS的三个输出记录都是从叠加在公共偏移量内的后相关道集并行获得的。其次，应用场静校正，然后进行正时差校正、逐道振幅平衡、静音和CMP叠加。计算了野外静校正，以将地表震源和埋置接收器重新定位到一个恒定高程，该高程等于整个测线的平均接收器高程。基于四个离散的600毫秒时间窗，对每个记录道独立地应用振幅平衡。CMP叠加包括算术求和，然后进行恢复缩放，从而在叠加剖面的低倍和高倍部分之间实现最佳振幅平衡。调整炮场静校正以反映每个VS的新基准面。还创建了一个非常规CMP叠加，以便与相同处理流程(但没有VS互相关级)进行比较。

图16为VS示意图，其中(a)为非虚源(non-VS)，(b)为传统VS，(c)为使用第一次迭代匹配滤波器的VS和(d)为使用第二次迭代匹配滤波器的VS。水平箭头和斜箭头分别指向目标反射体和所选浅反射体的信噪比改进处。在所有四个部分中，(d)的连续性最好。

图17为CMP的VS炮集图，其中(a)为非VS、(b)为常规VS、(c)为使用第一次迭代匹配滤波器的VS和(d)VS使用第二次迭代匹配滤波器中选取的CMP的VS炮集图。

图18为所有13个调查的一个CMP跟踪示意图，包括(a)非VS，(b)传统VS，(c)使用第一次迭代匹配滤波器的VS，和(d)使用第二次迭代匹配滤波器的VS的结果。水平箭头和斜箭头分别指向目标反射体和同一浅反射体的重复性改进处。(d)在目标层具有最佳的重复性。

本发明通过计算目标反射器周围短窗口内所有调查组合的归一化均方根(NRMS)来量化这种观察。考虑到13次调查，这代表了每个CMP处的78个NRMS值。图19显示了每种方法的NRMS值的折线图。通过显示这些不连续波场的估计结果与17个月的观测值之间的可重复性，可以显著减少这些观测值之间的差距。

1、本发明对于较大横向速度差的覆盖层，通过平滑来自各个VS的估计速度或联合估计来自相邻接收机的匹配滤波器，能够得到帮助整个阵列实现稳定的匹配滤波器。

2、本发明不需要大量的人工干预，从而获得一致的地震质量。

3、本发明迭代匹配滤波有效地校正了复测前直达波场的畸变辐射方向图，在成像和可重复性方面取得了良好的改善，显著降低了使用埋置接收器的陆上延时测量的不可重复性，减少了近地表对地震资料的影响，是向有效的陆上地震监测迈出的积极一步。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。