基于压缩感知的地震勘探方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于压缩感知的地震勘探方法，所述方法包含：获取待勘探项目的项目需求，根据项目需求获得预存的对应观测系统；对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点，以所述激发点和所述接收点作为所述观测系统的输出数据；通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据；对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据，并根据规则的地震数据计算获得油气储层信息。

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，在地球物理勘探过程中，尤其涉及一种基于压缩感知的地震勘探方法及装置。

背景技术

Shannon/Nyquist采样定理指出，当采样频率大于模拟信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号能够不失真的恢复出模拟信号。Shannon/Nyquist采样定理作为模拟信号和数字信号之间的桥梁，几十年来一直支撑并引导着现代信号处理各个领域的技术发展，地震勘探技术同样是基于Shannon/Nyquist采样定理一种信号处理技术，并不断向前发展。

近年来，在地震勘探中，为了得到更高成像质量的剖面，广泛应用的是宽频、宽方位和高密度的地震勘探技术，即“两宽一高”地震勘探技术，“两宽一高”技术带来的问题是海量地震数据的采集、存储成本的大幅上升。因此，如何在不降低成像质量的情况下，降低勘探成本成为业内亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种完整的基于压缩感知地震勘探方法及装置，以有效降低地震勘探成本。

为达上述目的，本发明所提供的基于压缩感知的地震勘探方法，具体包含：获取待勘探项目的项目需求，根据项目需求获得预存的对应观测系统；对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点，以所述激发点和所述接收点作为所述观测系统的输出数据；通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据；对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据，并根据规则的地震数据计算获得油气储层信息。

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据还包含：对所述地震数据进行静校正和/或强噪声衰减处理。

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，根据项目需求获得预存的对应观测系统中所述观测系统包含：接收线数、接收线距、接收点数、接收点距、激发线数、激发线距、激发点数、激发点距以及接收和激发的起始位置。

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点包含：根据所述项目需求获得预设的接收点和激发点的欠采样比例因子；通过预定稀疏性约束长度将接收线和激发线分别为多个长度为预定稀疏性约束长度的子集；根据所述接收点和激发点的欠采样比例因子与所述子集获得不规则化后的接收点和激发点。

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据包含：将检波器布设于接收点，通过可控震源或爆炸物于激发点激发，并利用记录仪采集记录激发的地震数据。

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据包含：通过最优化法求解以下公式，将所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据：

min||x||

在上式中s.t.表示约束条件，b不规则的地震数据，x为稀疏向量，Φ为观测矩阵，C

在上述基于压缩感知的地震勘探方法中，优选的，根据规则的地震数据计算获得油气储层信息包含：根据规则的地震数据计算获得叠加或偏移剖面；根据所述叠加或偏移剖面计算获得油气储层信息。

本发明还提供一种基于压缩感知的地震勘探装置，所述装置包含分析模块、处理模块、采集模块和计算模块；所述分析模块用于获取待勘探项目的项目需求，根据项目需求获得预存的对应观测系统；所述处理模块用于对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点，以所述激发点和所述接收点作为所述观测系统的输出数据；所述采集模块用于通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据；所述计算模块用于对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据，并根据规则的地震数据计算获得油气储层信息。

在上述基于压缩感知的地震勘探装置中，优选的，所述采集模块还包含预处理模块，所述预处理模块用于对所述地震数据进行静校正和/或强噪声衰减处理。

在上述基于压缩感知的地震勘探装置中，优选的，所述处理模块还包含：根据所述项目需求获得预设的接收点和激发点的欠采样比例因子；通过预定稀疏性约束长度将接收线和激发线分别为多个长度为预定稀疏性约束长度的子集；根据所述接收点和激发点的欠采样比例因子与所述子集获得不规则化后的接收点和激发点。

在上述基于压缩感知的地震勘探装置中，优选的，所述计算模块还包含：通过最优化法求解以下公式，将所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据：

min||x||

在上式中s.t.表示约束条件，b不规则的地震数据，x为稀疏向量，Φ为观测矩阵，C

在上述基于压缩感知的地震勘探装置中，优选的，所述计算模块还包含：根据规则的地震数据计算获得叠加或偏移剖面；根据所述叠加或偏移剖面计算获得油气储层信息。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明的有益技术效果在于：(1)降低勘探成本。在野外采集资料的过程中，应用较少的野外勘探设备进行稀疏采样，完成与常规地震勘探方法相当的勘探效果，从而降低勘探成本；(2)扩大勘探面积。在设备投入和勘探网格不变的情况下，通过扩大勘探区域，利用稀疏采样完成野外资料采集，从而达到在不增加勘探成本的情况下，扩大勘探面积的目的。(3)提高地震勘探的空间分辨率。在不增加勘探成本的情况下，通过缩小炮检点网格，利用稀疏采样完成野外资料采集，从而达到在不增加勘探成本的情况下，提高地震勘探空间分辨率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1A为本发明一实施例所提供的基于压缩感知地震勘探方法的流程示意图；

图1B为本发明一实施例所提供的基于压缩感知地震勘探方法的原理流程图；

图2为本发明一实施例所提供的常规观测系统检测示意图；

图3为本发明一实施例所提供的稀疏性约束的非规则观测系统检测示意图；

图4为本发明一实施例所提供的非规则观测系统的单炮记录示意图；

图5为本发明一实施例所提供的重构后的单炮记录示意图；

图6为本发明一实施例所提供的处理后的剖面示意图；

图7为本发明一实施例所提供的基于压缩感知地震勘探装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1A所示，本发明所提供的基于压缩感知的地震勘探方法，具体包含：S101获取待勘探项目的项目需求，根据项目需求获得预存的对应观测系统；S102对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点，以所述激发点和所述接收点作为所述观测系统的输出数据；S103通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据；S104对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据，并根据规则的地震数据计算获得油气储层信息。以此，将压缩感知理论引入到地震勘探技术中，使在不降低成像质量的情况下，有效降低勘探成本成为可能。值得说明的是，压缩感知理论突破了Shannon/Nyquist采样理论，它指出对稀疏的或可压缩的信号，采用线性随机观测的方法，获取少量的观测数据，再利用非线性的优化计算方法可以精确地重构信号。本发明利用压缩感知理论，进行特殊方式的非规则采样，与常规采集相比，得到的是更少的非规则地震数据，即实现压缩采样，降低勘探成本，然后通过非线性的优化计算方法精确地重构规则的地震数据，达到与常规勘探相当的成像质量。

在上述实施例中，根据项目需求获得预存的对应观测系统中所述观测系统包含：接收线数、接收线距、接收点数、接收点距、激发线数、激发线距、激发点数、激发点距以及接收和激发的起始位置。当然，实际工作中，也可根据勘探项目需求，确定采用压缩感知地震勘探技术的需求是降低成本、扩大勘探面积或提高空间分辨率；例如：根据项目的需求，设计常规规则网格的观测系统，包括确定接收线数、接收线距、接收点数、接收点距、激发线数、激发线距、激发点数、激发点距以及接收和激发的起始位置等；如果项目需求是降低成本，则常规地震勘探观测系统不需改变；如果是扩大勘探面积，需要根据勘探区域，需要在原观测系统的基础上，增加布设激发线和接收线；如果是提高空间分辨率，则需要缩小激发点距、激发线距，接收点距、接收线距，重新布设炮检点；其后，通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据可包含：将检波器布设于接收点，通过可控震源或爆炸物于激发点激发，并利用记录仪采集记录激发的地震数据。

在本发明一实施例中，通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据之后还需对所述地震数据做预处理，具体可包含：对所述地震数据进行静校正和/或强噪声衰减处理等。当然，实际工作中因数据要求不同，本领域相关技术人员也可根据实际需要对所述地震数据做适应性预处理，本发明在此不做过多限制。

在上述步骤S102中对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点可包含：根据所述项目需求获得预设的接收点和激发点的欠采样比例因子；通过预定稀疏性约束长度将接收线和激发线分别为多个长度为预定稀疏性约束长度的子集；根据所述接收点和激发点的欠采样比例因子与所述子集获得不规则化后的接收点和激发点。在该实施例中，其主体设计原理如下：

(1)根据勘探需求确定接收点的欠采样比例因子P；

(2)假设某条具有N个接收点的接收线，可以表示为：

X＝{x(1)，x(2)，...，x(N)}；

(3)给出稀疏性约束长度L，将X分成若干个长度为L的子集S，对每个子集Si,根据欠采样比例因子，确定采样位置，则该子集的实际接收点为：

其中，h(m)随机保留M个接收点位置，0表示空掉的接收点；

(4)激发点的不规则方法与上述方法相同；

(5)将不规则化后的激发点和接收点输出为观测系统文件。

亦即，根据所述接收点和激发点的欠采样比例因子与所述子集，并通过下述公式确定采样位置，获得不规则化后的接收点和激发点；

其中，y等于h[m]为采样函数，f表示接收点和激发点，m表示第m个子区，j接收点或激发点的位置序号；r表示一个随机变量，mod表示求余数，r

在上述步骤S104中对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据包含：通过最优化法求解以下公式，将所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据：

min||x||

在上式中s.t.表示约束条件，b不规则的地震数据，x为稀疏向量，Φ为观测矩阵，C

实际工作中，对预处理后的不规则地震数据进行重构，将其恢复为规则的地震数据，重构方法为：

(1)将重构过程看作一个线性问题，

b＝Ax

其中b不规则的地震数据，A为欠定矩阵或感知矩阵，x为稀疏向量，此公式也可以写为：

b＝ΦC

其中Φ为观测矩阵，C

(2)采用最优化方法求解此方程，得到x

min||x||

(3)最终得到规则化的地震数据

d＝C

在上述实施例中，根据规则的地震数据计算获得油气储层信息包含：根据规则的地震数据计算获得叠加或偏移剖面；根据所述叠加或偏移剖面计算获得油气储层信息；亦即，对重构后的规则地震数据进行处理，得到偏移剖面，然后对偏移剖面进行综合解释，以获得油气储层信息。

为更清楚的说明本发明所提供的上述基于压缩感知的地震勘探方法，以下通过整体举例，对上述各实施例做完整说明：

本发明所提供的基于压缩感知的地震勘探方法具体可包含：确定勘探需求；常规地震勘探观测系统设计；稀疏性约束的不规则观测系统优化设计；野外地震资料采集与实施；地震资料预处理；基于研所感知的不规则地震数据规则化重构；地震资料成像处理及地震资料综合解释这七步；其中，所述的确定勘探需求，是根据勘探项目情况，确定采用压缩感知地震勘探技术的需求是降低成本、扩大勘探面积或提高空间分辨率；上述各步骤的具体含义及实施方式如下：

1、确定项目需求。根据勘探项目情况，确定采用压缩感知地震勘探技术的需求是降低成本、扩大勘探面积或提高空间分辨率。

2、布设常规观测系统。图2是根据项目需求，设计的常规地震勘探观测系统，包括确定接收线数、接收线距、接收点数、接收点距、激发线数、激发线距、激发点数、激发点距以及接收和激发的起始位置等。

如果是降低成本，只需按图1B的流程继续实施即可；如果是扩大勘探面积，需要根据勘探区域，需要在原观测系统的基础上，增加布设激发线和接收线；如果是提高空间分辨率，则需要缩小激发点距、激发线距，接收点距、接收线距，重新布设炮检点。

3、设计稀疏性约束的不规则观测观测系统。图3是稀疏性约束的不规则观测观测系统，具体不规则观测系统优化设计方法为：

1)根据勘探需求确定接收点的欠采样比例因子P＝50％，

2)假设某条具有N个接收点的接收线，可以表示为X＝{x(1)，x(2)，...，x(N)}

3)给出稀疏性约束长度L＝6，表示约束长度为6个激发点或接收点，将X分成若干个长度为L的子集S，对每个子集Si,根据欠采样比例因子，确定采样位置，则该子集的实际接收点为：

其中，h(m)随机保留M个接收点位置，0表示空掉的接收点。

4)激发点的不规则方法与上述方法相同。

5)将不规则化后的激发点和接收点输出为观测系统文件。

4、野外地震资料采集与实施，是根据设计的不规则观测系统进行野外资料采集，将检波器布设于接收点，采用可控震源或者炸药，在激发点位置进行激发，同时有记录仪器进行记录激发的地震数据。图4是采样不规则观测系统接收到单炮地震记录。

5、地震资料预处理，是对记录的不规则地震数据进行预处理，预处理包括但不限于静校正、强噪声衰减等步骤。

6、不规则地震数据重构，是对预处理后的不规则地震数据进行重构，将其恢复为规则的地震数据，图5是对不规则地震数据数据重构后的规则单炮记录，具体重构方法为：

(1)将重构过程看作一个线性问题，

b＝Ax

其中b不规则的地震数据，A为欠定矩阵或感知矩阵，x为稀疏向量，此公式也可以写为：

b＝ΦC

其中Φ为观测矩阵，C

(2)采用最优化方法求解此方程，得到x

min||x||

(3)最终得到规则化的地震数据

d＝C

7、地震资料成像处理及地震资料综合解释，是对重构后的规则地震数据进行处理，得到叠加或偏移剖面，然后对偏移剖面进行综合解释，以获得油气储层信息；图6是对重构数据处理后的叠加剖面，可以对其进行综合解释，

请参考图7所示，本发明还提供一种基于压缩感知的地震勘探装置，所述装置包含分析模块、处理模块、采集模块和计算模块；所述分析模块用于获取待勘探项目的项目需求，根据项目需求获得预存的对应观测系统；所述处理模块用于对所述观测系统进行稀疏性约束获得不规则化后的激发点和接收点，以所述激发点和所述接收点作为所述观测系统的输出数据；所述采集模块用于通过所述观测系统于所述待勘探项目对应区域采集激发产生的地震数据；所述计算模块用于对所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据，并根据规则的地震数据计算获得油气储层信息。

在上述本发明一实施例中，所述采集模块还包含预处理模块，所述预处理模块用于对所述地震数据进行静校正和/或强噪声衰减处理。所述处理模块还包含：根据所述项目需求获得预设的接收点和激发点的欠采样比例因子；通过预定稀疏性约束长度将接收线和激发线分别为多个长度为预定稀疏性约束长度的子集；根据所述接收点和激发点的欠采样比例因子与所述子集获得不规则化后的接收点和激发点。所述计算模块还包含：通过最优化法求解以下公式，将所述地震数据进行数据重构恢复为规则的地震数据：

min||x||

在上式中s.t.表示约束条件，b不规则的地震数据，x为稀疏向量，Φ为观测矩阵，C

在上述实施例中，所述计算模块还包含：根据规则的地震数据计算获得叠加或偏移剖面；根据所述叠加或偏移剖面计算获得油气储层信息。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明的有益技术效果在于：(1)降低勘探成本。在野外采集资料的过程中，应用较少的野外勘探设备进行稀疏采样，完成与常规地震勘探方法相当的勘探效果，从而降低勘探成本；(2)扩大勘探面积。在设备投入和勘探网格不变的情况下，通过扩大勘探区域，利用稀疏采样完成野外资料采集，从而达到在不增加勘探成本的情况下，扩大勘探面积的目的。(3)提高地震勘探的空间分辨率。在不增加勘探成本的情况下，通过缩小炮检点网格，利用稀疏采样完成野外资料采集，从而达到在不增加勘探成本的情况下，提高地震勘探空间分辨率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。