反褶积处理方法.docx
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1、反褶积处理方法论文提要反褶积即反滤波是常用的地震资料处理方法。反褶积的目的是由地震数据恢复反射 系数。反滤波的作用主要是压缩地震反射脉冲的长度,提高反射地震记录的分辨能力, 并进一步估计地下反射界面的反射系数。这不仅是常规地震资料处理所需要的,而且是 对直接找油找气的亮点技术和岩性研究的地层地震学的地震资料处理尤为重要。另外, 反滤波还可以清除短周期鸣震和多次波等干扰波。当前地震资料处理解释已经基本实现了数据化、自动化,我国各大解释公司、研究 所、高等院校都已有了较为先进数字化处理软件,在处理数字化的地震数据时表现出了 很好的速度性和准确性。反褶积可分为确定性反褶积和估计性反褶积两种。目前常用
2、的 反褶积有最小平方反褶积、预测反褶积、同态反褶积、地表一致性反褶积、最大熵反褶 积、变模反褶积、Q反褶积等等;特殊的反褶积有Noah反褶积、最小信息反褶积等。正文一、反褶积(一)研究目的和意义1、研究目的(1)弄清各种反褶积处理方法的原理。(2)弄清反褶积处理模块的参数意义。(3)掌握地震资料数字处理的基本流程及处理方法。(4)完善反褶积方法,提高地震资料处理的分辨率,保持信噪比,振幅均匀化。2、研究意义反褶积是地震资料数字处理流程中最关键的一环,也是提高地震勘探分辨率最有效 的方法。一个处理流程包括许多处理步骤。而每一个处理步骤又要涉及到好几个处理模 块。一个处理流程通常由预处理、叠前处理
3、和叠后处理三部分组成。其中反褶积是最重 要的一个部分,如图1所示。反褶积的目的就是为了分离子波和反射系数序列。子波就像无线电中的载波,反射 系数序列就像无线电中的声波。只有消除高频载波才能提取声波。子波在地层中传播, 携带着反射系数序列这种有用的地质信息返回地面,只有消除子波才能恢复反射系数序 列的本来面目。反射系数序列中有波阻抗随时间变化的信息,这就提供了速度和密度随 时间变化的信息,随之就可得到地层、岩性及构造在地下中间分布的信息。在有利条件 下还可得到岩石孔隙率、渗透率、孔隙流体性质(油、气、水)乃至地层压力的信息。 反褶积提高了分辨率,拓展了频带,保持了信噪比。图1地震资料数字处理流程
4、图(二)反褶积的局限性、国内外现状和发展趋势1、反褶积的局限性(1)结果与目的背离反褶积的目的是由地震数据恢复反射系数。作用主要是压缩地震反射脉冲的长 度,提高反射地震记录的分辨能力,并进一步估计地下反射界面的反射系数。一般的确 定性反褶积子波估计并不准确,达不到准确估计反射系数的效果。而估计性反褶积就只 能是拓宽频带,提高一些分辨率而已。这就出现了一个有趣的现象反褶积背离了它的初 衷,将提取反射系数的任务退化为只是提高分辨率了。(2)频带的限制地震道是限带的,而期望输出反射系数序列是宽带的,要从限带输入中得出宽 带输出是一个极大的矛盾,就是说要得到反射系数脉冲序列几乎是不可能的。(3)提高了
5、分辨率降低了信噪比实际上地震记录中不可能没有噪音。经反褶积后,只有在靠近反褶积算子振幅负峰 的很小频段内,噪音振幅谱才会降低,而在其两侧噪音迅速提高,信噪比降低更多,情 况恶化了。为了滤去信噪比恶化的频段,要专门设计一个滤波算子。(4)反褶积早被反演理论所超越2、国内外现状及发展趋势目前常用的反褶积有最小平方反褶积、预测反褶积、同态反褶积、地表一致性反褶 积、最大熵反褶积、变模反褶积、。反褶积等等;特殊的反褶积有Noah反褶积、最小信 息反褶积、Kalman反褶积等。反褶积方法有许多局限性和缺陷,这一方面限制了反褶积的发展,另一方面也促使 人们来弥补,使反褶积方法仍不断有所发展。发展的方向大致
6、有如下五个:一是对最小 平方方法及变模法的前提进行修改,突破已有的限制;二是改进具体的算法,使之更稳 定,更唯一,更快速;三是发展子波整形技术,直接为提高信噪比,保真度、一致性及 分辨率服务;四是提高子波估计水平及质量,为子波反褶积提供更确定的前提;五是发 展全新的概念,建立新的目标函数和判别准则。基于上面反褶积发展的五个方向,反褶积的新进展有:(1)为摆脱相位限制,提出了混合相位最小平方反褶积。(2)为摆脱反射系数序列是白噪的假设,提出了非白反褶积,约瑟夫反褶积及蓝 色补偿反褶积。(3)为弥补地震道的限带性质,提出了限带脉冲反褶积及广义正向迭代反褶积。(4)为了提高估计反褶积算子中所需的自相
7、关数据质量,提出了约束迭代谱反褶 积。(5)为了改善最小熵反褶积的效果,除前述的一些方法外还有:最佳滞后最小熵 反褶积及包络敏感反褶积。(6)为了提高预测反褶积的效果,提出了波动方程反褶积,速度域反褶积及频率 域预测反褶积。(7)为改进可控震源反褶积的效果,提出了不相关可控震源反褶积方法。(8)直接利用子波整形来解决问题的有子波均衡法。(9)一种全新的发展是用人工神经网络作最小方差反褶积。二、反褶积处理方法原理一个记录地震道的最简单的模型是:S(t)=W(t)*r(t)+n(t)( 1)式中,W(t)是地震子波,r(t)是反射系数,n(t)是附加噪声,而S(t)是地震信号。 它是双程旅行时t的
8、函数。实践中,此信号是经过采样获得的。信号样本可分别地用向 量S,W,r和n表示。反褶积的目的是从给定的一个观测结果S中恢复反射系数r。为了做到这点,要先 估算出W。在某些方法中它是与r同时估算的,而在另外一些方法中却假设它为已知的。最普通的反褶积方法是反滤波。它具有这一性质,即反褶积后的反射系数其频带是 有限的。这种带限的后果是不能清晰地分辨反射界面,这就会给详细解释带来严重问题。 为了克服带限的不良响应,提出了各种各样的反滤波方法。(一)脉冲/预测反褶积该模块用维纳-莱文森最小二乘法来设计并应用脉冲/预测反褶积算子,作为一个选 件,可以纯相位或纯振幅模式来应用它。当预测步长为1个样点时,预
9、测反褶积就是脉 冲反褶积,因此在某些应用系统中,这两个数学模型被合并在一个模块之中。1、脉冲反褶积脉冲反褶积一般属于叠前处理手段,是生产实践中最常用的也是最基本的一种反褶 积方法,它的期望输出8,是一个尖脉冲,即(2)1当r = 0时8 T,t 0 当r主0时在常规处理流程中,原始记录输入以后,做一个高通滤波,压制很强的面波干扰, 紧接着就是脉冲反褶积。因此,它还是一个处理初期使用的基本模块。一般情况下,程 序设计给用户安排反褶积因子长度、相关时窗长度、白噪系数这几个处理参数,这些参 数直接控制着反褶积的处理效果,通常要通过实验来进行选择,而且要根据剖面的具体 情况进行时变和空变。如果我们认为
10、,地震数据道七是由地震子波bf和反射系数%褶积而成,即x = b *&(3)那么,为了消除bt对分辨率的影响,我们可以设计一个反滤波因子彳,使其a *b = 8(4)把a,作用在七上,就可得到反射系数序列匕:a *x = a *b *g =8 *g =g(5)t t t t t t t t只能得到a,的一个近似解而不能得到精确的解。用匕表示近似解所产生的误差,用E表示总的误差能量。那么有(6)(7)e = b * a 8E 二二 2 =Z b * a 8 2 tt t ttt据最小平方的设计思想,是要使误差能量E取最小值。因此我们求E对a*的偏导数, 并令其等于零,就可得到最小平方反褶积求解反
11、因子的基本方程组: R b (l-气)a = % (l)l = 0,1,2,., nt = 0,1,2,., n式中,R为子波气的自相关函数;R&为期望输出8,与子波的互相关函数。考虑脉冲反褶积的期望输出8,形式,方程组(8)右端的具体形式。如果认为bf是 物理可实现的,即当t 0称为预测时间或预测步长,实际输出是: t +Tc * b =芸c bs=0输出误差为:(13)=bt +t-E cbtss=0(14)总的误差能量E为:E =2 (b点 cb )2t+ts tst=8s=0求取c = (c0, c,c ),使E达到最小值。普=2 2(bt+t2 cb 2jt=ss=0=(2)2b b
12、 22cb b =0t +t tjs ts tjt = 8t=8 s =0Cj要满足:所以以孔(s-j) - c, = % (t + j)j = 0,1,2,n -1(15)(16)与b褶积可得从而引入相应s =0上式就是最小平方预测滤波方程组,解方程组可得预测滤波因子c tb 。实际使用时,我们同样使用记录的自相关,来代替子波的自相关t +t的假设条件。到此为止,我们完成了预测反褶积的第一步:预测滤波。第二步实现预测反褶积。求出ct以后,有两种途径来实现预测反褶积,一种是求预 测道,然后从记录道中减去;而另一种途径是,组成反滤波因子,直接求反褶积输出道。(1) 求预测道法这是比较常用的一种方
13、法,有了c以后,用c与数据道x进行褶积,得到一个预测 ttt道,然后整道延迟一个T,再从数据道中减去,就得到了预测反褶积的最终输出道。数 据道与预测道相减时,要考虑它们之间的能量关系,一般是分时窗求均方根振幅比,使 预测道的数据振幅,时延以后在同一时间上,与数据道的振幅有同样的水平。时窗不能 太小,整道有3至5个时窗即可。(2) 直接求反褶积输出道从预测的观点出发,反褶积的输出是预测误差,根据(14)式我们可以直接写出反 滤波因子彳的具体形式:a = G,0,0, 0,-c ,-c ,.,c)(16)式可写成Toeplitz矩阵形式:巴(0) Rxx:Rxx R(0) :Rxx(m)-七(m1
14、):c 01l=Rxx(T ) R(t+ 1)xx:,R (m)R (m 1) R (0)LcR (t + m)xxxxxxmxx(17)(二)地表一致性反褶积以Robinson褶积模型为基础的反褶积处理仍是目前提高地震资料分辨率的主要手 段。在Robinson褶积模型中,均假定地震子波是最小相位,并且是时不变的,反射系 数是白噪的。实际地震记录一般不满足这些假设,因此直接进行常规的反褶积处理就很 难得到预期的效果。另一方面,在反褶积处理中,期望输出的选择也是影响反褶积效果 的重要因素。在流行的反褶积软件中,常用的期望输出有5脉冲、带通子波和Ricker 子波。这些子波在反褶积处理中虽然见到了
15、一定的效果,但也存在难以克服的缺陷。针 对这些问题,研究出了地表一致性俞氏子波反褶积处理技术,并在CONVEX-SPP大型并 行机上开发了地表一致性俞氏子波反褶积地震处理软件,取得了满意的处理效果。在地表一致性假设中,地震道被看成是震源算子,接受算子、反射系数算子(按CDP 排列)和与炮检距有关的算子的褶积。在对数-傅立叶域中,褶积变成求和。对于给定 的频率,其信号振幅的对数是震源、接收、构造和与炮检距有关项的和。由于我们认为, 对地表同一位置,滤波作用与地震波的入射角无关,无论是浅、中、深层反射,其滤波 作用均相同。因此,我们把实现这种反滤波功能的方法,称为“地表一致性反褶积”。本文讨论两种
16、实现地表一致性反褶积方法,它基本上代表两种不同类型的实现方 式,并且在生产实践中均已经得到应用。一种是在频率域内,谱分解法;另一种是建立 反褶积输出判别准则的时域迭代法。1、谱分解法(复谱法)利用谱分解法来实现地表一致性反褶积,主要有三大步骤,即谱分析、谱分解 和反滤波因子的应用。图2是地表一致性反褶积处理流程,图2中的B框进一步划分为 图3。地震子波数学褶积模型:s (t) = o (t) * h(t) * q (t) * r(t)(18)iji(ji) 2j(j+i) 2式中i一炮点坐标;j一检波点坐标;s订(t) i炮j道的有效波;oi(t) 一第i号震源脉冲;q (t)该道接收点响应;
17、h(传)一与偏移距有关的地层响应,该道半偏移距为h = (j-i)/2 ;r(t)该道的地层脉冲响应,即反射系数函数;(j+i) 2对上式求复谱S (沁)=O (沁)H (沁)0 沁)R (沁)(19)分解为振幅谱及相位谱:A (s) = A (s)A (s)A (s)A (s)(20)sohqr及 w (s) =v (s)wh(s)w (sW (s)(21)假设子波w(t)是最小相位的,则只需考虑振幅谱。对振幅谱求对数:ln A (s) = ln A (s) + In A (s) + In A (s) + In A (s)(22)sohqr .人 一.这是模型振幅谱的对数,实际道振幅谱A )
18、的对数与它有一个误差,这个误差能s量 E 为: E = ln A (s) - ln 么(s)2(23)ssi ,j,s即为炮点i、检波点j、频率s条件下两者之差的平方和。图2地表一致性反褶积流程图3混合相位的地表一致性反褶积流程部分使能量误差为极小的条件为:(24)dEdEdEdE两 八=0 8ln A ()8ln A ()8ln A ()8ln A ()8ln A (w) sohqr由此可求得一组正则方程,对之求解就可得到各分量的对数谱,从而可得到各分量 的振幅谱。2、时域迭代法从波形一致、能量集中出发,提出一个判别准则,通过迭代来求得最佳反褶积因子。 设地表一致性反褶积的输出为匕.,它可表
19、示成:(25)匕广 h 土,T式中,i为数据样点序号;j为CMP道集中的记录道号;h.为第j道所对应的炮点 反因子或者是所对应的接收点反因子;xij为反褶积前的输入数据。根据能量集中准则,经过一系列推导可得:(26)R (l T)h = R (t)l和t为(N,皿N)I其中,Rxx是一个Toeplitz矩阵,矩阵各元素是M个记录道的自相关加权和,七(l -T 催U -匕Xi,jXi_T,j)(27)、m1(28)u =y2 ij等式右边的列向量各元素是输入的M个记录道与这M个记录道对应的共中心点道集 的叠加道的(n-1)次方程的互相关的加权和,(29),J T - Xf ) jj即与所求的反褶
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