两宽一高”地震勘探面向更为复杂的油藏描述,反演成像成了必要的技术手段,但数据中的噪声会严重影响地震波反演成像的质量,因此针对“两宽一高”地震数据研发有效且实用的去噪方法十分必要。在Bayes估计理论框架下,当信号满足线性(可预测性)假设且噪声满足高斯分布时,在均方误差或最小平方误差最小准则下估计最佳预测滤波器可进行有效滤波。同时随着地震数据维度的升高,高维信号的空间结构信息更丰富,因此在高维数据空间设计滤波器能够更有效地提高滤波器的信号预测能力,并且更好地压制噪声。首先将基于AR(自回归)模型的f-x域预测滤波器(前向预测滤波器和后向预测滤波器)修改为Wiener中心预测滤波器;然后在最小二乘意义下对高维地震数据进行多级Hankel矩阵排布构建法方程;再求解法方程得到Wiener中心预测滤波器,最后实现高维地震数据的Wiener中心预测滤波。为满足高维数据的局部线性假设,对复杂波场的地震数据,采用局部取窗的方式进行Wiener中心预测滤波去噪。合成理论数据和实际数据的测试结果说明该方法能够在地震数据中存在弱线性同相轴、振幅值缓慢变化以及信噪比相对较低的情况下较好地压制随机噪声,提高数据的信噪比,故该方法具有较强的实用性。
地震数据的信噪比是地震波反演成像算法收敛性和结果精度的重要制约因素。基于线性信号模型的最佳预测滤波方法和基于随机信号概率分布特征的统计滤波方法是两种典型的滤波方法。重点讨论了地震数据统计滤波方法,基于实测数据的统计特征(或概率分布),在局部信号缓变的假设下,设计了各种高斯加权滤波器和中值类滤波器。高维空间中的地震信号具有显著的结构特征,为满足信号缓变的假设,需要发展沿着信号结构方向的高维统计滤波器。分析了邻域滤波器、双边滤波器、非局部均值滤波器三类各向异性高斯(加权)滤波器的设计思想。在非局部均值滤波算法的基础上设计了自适应搜索窗的非局部均值滤波方法,该方法采用局部数据窗的相关算法检测出滤波点附近的信号结构特征,依据地震数据变化自适应地改变非局部均值滤波器中的搜索窗。理论模型的数据测试表明,相比于固定搜索窗的非局部均值滤波算法,自适应搜索窗的非局部均值滤波方法能够在压制随机噪声的同时更好地保护有效地震信号。
多次波压制是提高地震数据品质与成像结果分辨率的重要手段之一,浅海环境给多次波压制引入了额外的难点。浅海环境中主要的多次波是水体相关多次波,由于海底海面路径短,且海面、海底都是强反射界面,因此该类多次波周期短、能量强,对有效波的干扰严重,采用常规多次波压制方法不能将其很好地压制。提出了针对浅水多次波的有效压制方法:将多次波的产生与压制用线性编码解码系统进行描述,即将上行波在水层震荡产生多次波的过程视为编码过程,将剥离多次波的过程视为解码过程,并从线性系统求解角度给出了平面波域多次波压制算法。首先将水体相关多次波的预测转移到局部平面波域,利用稀疏τ-p变换减弱了采样不规则、近偏移距缺失造成的影响;然后利用射线理论描述水体介质中的地震波传播,高效生成多次波模型;最后在τ-p域进行匹配相减,并利用一次波与多次波的视速度差异,提高匹配精度。利用浅海OBC数据和拖缆数据验证了方法的有效性和实用性,通过对比压制浅水多次波前后的地震剖面和自相关结果,展示了方法压制浅水多次波的效果和应用前景。
无论是高精度的构造成像,还是高保真的针对岩性油藏的成像,都越来越依赖于有一个准确的浅中层速度模型(含各向异性和Q值参数模型)。随着“两宽一高”地震数据采集技术的进步,透射波相较于反射波信噪比更高,参数反演更自动化,因此利用透射波信息进行浅中层参数估计得到了特别的重视。首先从层析成像的理论框架出发,系统地论述了波动方程层析、波束层析以及射线层析的异同,剖析了参数迭代公式中各项的含义,认为层析正问题、地震数据的预条件以及模型的正则化是利用透射波旅行时层析成像方法挖掘“两宽一高”地震数据信息时应注意的几个核心问题。然后,重点介绍了加权地震走时的含义及其基于瞬时走时信息的自动化拾取策略。最后,简述了Beam束层析成像算法理论及其对观测系统的适应性,提出了MPI+OpenMP的策略缓解海量地震数据带来的存储与计算压力。海上实际地震资料的处理结果说明了透射波旅行时Beam层析处理流程在“两宽一高”地震数据处理中的可行性。
我国油气地震勘探目标逐渐转向小尺度(薄互层)岩性油气藏,油气地震勘探技术也逐渐向单点高密度、宽带、宽方位(“两宽一高”)地震勘探方向转变。“两宽一高”的地震数据采集为宽带波阻抗成像提供了数据基础,精确的背景(偏移)速度建模是宽带波阻抗成像必不可少的环节。在实际应用中,反射波层析反演是主要的宏观速度建模技术,典型的方法如成像道集层析或立体层析等,但它们在反演精度及计算效率方面仍存在不足之处。在数据域中,反射波时差的精确测量仍然是一个颇具挑战性的问题。为解决这一难题,从叠前地震数据的稀疏表达与特征分解出发,利用特征波场分解和包络走时定义准则,提取叠前地震数据的运动学信息,并构造了特征数据体(包含地震波的斜率、走时及子波波形)。通过分析特征波在地下的聚焦特性,提出了一种反射波残差(时差或者地下偏移距)的自动测量方法,避免了地震波振幅对反射波运动学信息拟合的影响。基于反射波残差,提出了一种特征波反射层析反演(characteristic reflection inversion,简记为CRI)方法,通过极小化反射波时差或地下偏移距实现背景速度反演。理论分析可知:反射波时差测量方法仅适用于二维模型,而地下偏移距测量方法可以适用于二维和三维模型,因而其适用性更广。在数值计算方面,反射波残差目标泛函的梯度可以用波动理论计算,也可以用射线理论近似。出于计算效率的考虑,利用射线理论计算泛函梯度并结合梯度去噪方法,实现低波数的速度更新。数值实验表明:该方法无需长偏移距观测数据或低频信息,对初始模型依赖性低、计算效率高,且整个反演流程可以实现全自动化,可以为后续的宽波数带速度建模提供较为可靠的低波数背景速度模型。
随着高性能计算机技术的快速发展和“两宽一高”采集技术的广泛应用,高分辨率、高保真的反演成像成为研究热点。首先从Bayes估计理论框架下的地震波反演成像出发,指出Bayes估计理论是地震波反演成像的基础,基于所选择波场预测器(一般为常密度标量声波方程)的波场预测残差的先验概率分布和要反演的模型参数的先验概率分布决定了模型参数的后验概率密度,后验概率密度的最大化是地震波反演成像最佳解的判定准则。在波场预测器为线性、预测误差为高斯白噪情况下,Bayes估计可在最小二乘意义下实现,并可以得到无偏和方差最小的参数估计结果。实际数据的不完备、线性化的正问题不能很好地模拟数据中的地震波场,使得数据协方差阵和模型协方差阵的引入成为必然。鉴于模型参数的正则化在反演成像中已有充分的讨论,重点讨论了加权最小二乘反演成像框架下数据协方差(逆)算子的作用,说明了数据加权处理在叠前深度偏移中的必要性。在将加权系数矩阵视为对角矩阵的基础上,提出了采用倾角扫描和动态时间规整算法确定数据加权系数,并将其应用于叠前深度偏移成像中。理论和实际数据的数值实验结果表明数据协方差(逆)算子能够有效提高偏移成像质量。
从线性化反演成像的正问题出发,讨论了体散射和面散射模式下散射波场的表达、线性化及其高频近似表征。在Bayes框架下,进一步讨论了高频近似的线性化体散射模式(ray+Born近似)以及高频近似的线性化面散射模式(ray+Kirchhoff近似)下反演成像公式及其波动方程的实现。将逆散射成像公式中波场隐式分解思想融入到ray+Kirchhoff近似下波动方程反演成像公式中,得到了改进的基于反射模式的真振幅逆时偏移(RTM)成像条件。给出的改进成像条件能够在成像过程中自动保真地消除RTM成像过程中的低波数噪声,同时,该成像条件输出的成像结果与ray+Kirchhoff近似下反演结果具有一致性。此外,还简单讨论了基于给出的成像条件的角度反射系数输出、高效稳健角度域照明补偿方法以及阻抗扰动成像方法。
岩性油气藏储层的精确描述需要宽带波阻抗的成像结果。假设已经得到准确的背景阻抗,可以采用最小二乘叠前深度偏移(LS-PSDM)估计高保真、高分辨率的反射系数,进而采用合理的深度域反演方法,将背景阻抗和宽带反射系数融合成宽带波阻抗成像结果。LS-PSDM有数据域和成像域两种求解方法。数据域LS-PSDM由于其高昂的计算代价以及较慢的收敛速率,通常不能很好地应用于实际生产中;成像域LS-PSDM的关键是估计线性算子Hessian矩阵的逆,对常规成像结果去模糊,提高成像质量。由于Hessian矩阵规模庞大,无法直接进行计算及存储,研究了成像域最小二乘叠前深度偏移Hessian矩阵逆的近似估计方法:在总变差正则化约束下求解非平稳匹配滤波算子,近似Hessian矩阵的逆。将计算得到的非平稳滤波算子直接作用到常规成像结果上,即得到成像域LS-PSDM的反演结果。该方法极大程度降低了LS-PSDM的计算代价,并且计算稳定,适用于各类偏移算子。局部Sigsbee模型以及Marmousi模型的数值试验结果表明,求得的非平稳滤波算子能够较好地实现Hessian矩阵逆的功能,得到的成像域LS-PSDM结果相较于常规偏移成像结果具有更均衡的振幅,分辨率也有一定提高。根据该方法求解成像域LS-PSDM得到的高保真、高分辨率的反射系数为宽带波阻抗成像提供了重要的数据基础。
倾斜横向各向同性(TTI)介质具有构造复杂、速度和各向异性参数的数量级差距大、对旅行时同时产生影响等特性,因而层析反演时不稳定且存在多解性。常规的单参数顺序反演方法计算量大,存在误差累积现象,难以建立准确的速度和各向异性参数模型。在常规TTI介质层析反演的基础上,采用理论公式将数量级相差巨大的Thomsen参数转换为数量级一致的速度参数,实现了等效参数同时反演。提出了先采用稳定性较高的顺序反演获得一定精度的参数模型,再使用精度较高的同时反演进一步提高模型精度的联合反演策略。SEG标准TTI模型数据试算和实际资料处理结果表明,联合反演策略精度高、稳定性强,具有较强的有效性和实用性,适用于复杂构造地区大规模实际资料的生产应用。
针对压缩感知下与字典学习和交替方向乘子算法(alternating direction method of multipliers,ADMM)密切相关方法存在的问题,研究并提出了一种在压缩感知理论下采用字典学习和ADMM重建地震数据的方法。首先对不完整地震数据进行字典学习,使其稀疏地表示,再根据地震道的缺失情况设计合理的采样矩阵,最后对建立的L1范数约束模型采用ADMM进行求解得到重建后的地震数据。建立了压缩感知下基于字典学习和ADMM的地震数据插值技术流程。正演模拟数据和实际数据的重建实验结果表明:与压缩感知理论下采用固定基的重建方法相比,字典学习能够自适应地对地震数据进行更优的稀疏表示。与常用的curvelet等重建算法相比,采用ADMM能够更加精确地重建地震数据。与固定基和正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,OMP)相比,在压缩感知理论下采用字典学习和ADMM重建的地震数据有更高的信噪比。
受地层调谐效应和地震数据品质等因素的影响,角度域共成像点道集(angle domain common image gathers,ADCIGs)存在不同程度的波形拉伸和随机噪声干扰。为了提高ADCIGs及其叠加剖面的成像效果,提出了基于奇异值分解的角度域去噪方法。首先对叠前偏移输出的ADCIGs进行奇异值分解,然后对奇异值进行归一化修正,采用累计贡献率的方法确定降噪阶次,从而实现角度域内的信噪分离和噪声压制。在确定降噪阶次时,采用累计贡献率的方法可以直观地判断各奇异值分量对数据的贡献,便于快速选择降噪阶次。理论模型和实际数据的测试处理结果表明,基于奇异值分解的角度域去噪方法适用于具有水平同相轴的ADCIGs,它能有效分离角度域内的随机干扰,并且能压制高角度处的频率畸变,改善大角度数据的品质。对ADCIGs进行基于奇异值分解的角度域去噪,可进一步提高该叠前道集的精度,从而有效改善角度域叠加剖面的信噪比和分辨率,也为基于叠前道集的速度分析和叠前反演提供了更为准确的数据基础。
与地震数据偏移相对应的正演方程是利用线性反演方法开展有效利用地震数据波形信息的偏移方法研究的基础。由于宏观偏移模型下的波动方程不能描述反射波的反射,因此当前反射数据偏移方法缺乏与之相对应的正演方程。为了满足能有效利用波形信息的高精度偏移成像需要,在高频近似条件下,提出了用于反射数据偏移的反射波方程。在给定宏观偏移模型的前提下,从散射理论中的波动方程出发,依据地震波长与地下散射体大小及其物理性质空间变化快慢之间的相对关系,即在高频近似条件下,局部散射体退化为在空间上具有一定延续度的反射体,散射波退化为具有局部平面波特征的反射波,推导出基于物性参数相对变化的反射波方程。针对反射率在地震反射中的广泛应用,定义物性参数相对变化沿入射波传播方向的方向导数为反射体上反射面的反射率,推导出基于反射率变化的反射波方程。根据地下介质的不同,分别给出了宏观偏移模型下基于物性参数相对变化和反射率变化的标量反射波方程、声反射波方程和弹性反射波方程。
东海西湖N区块HG组H3b段为致密砂岩储层,具有砂体厚度大、低孔、低渗及横向差异变化大等特点,致密砂岩与泥岩、优质储层分布与含气性变化比较快,寻找物性较好、含气丰度较高的砂岩“甜点”是该区天然气高效开发的关键所在。在砂体、储层、含气性岩石物理特征综合研究基础上,探索了一套基于敏感弹性参数优选与合成的甜点预测技术,采用砂体优质储层含气优质储层逐级递进预测流程,达到准确预测甜点的目的。利用叠前资料反演纵波阻抗、纵横波速度比数据体,采用坐标旋转技术合成具有岩性区分识别能力的砂泥岩SynVpVs敏感属性参数,该参数可用来识别砂泥岩;利用优质储层的低纵波阻抗值特征划分识别优质储层;利用E/λ(杨氏模量与拉梅参数比值)含气性敏感属性参数预测优质储层含气性。实际应用结果表明,该方法在一定程度上降低了多解性,提高甜点预测的准确性和精度。
在寻找页岩气有利区域时,页岩的脆性预测是非常重要的一个环节。传统的脆性指数预测方法是叠前三参数反演,即通过反演纵波速度、横波速度和密度等参数计算页岩脆性指数。但受入射角度或偏移距的限制,叠前反演得到的密度误差较大,根据以上参数计算的页岩脆性指数累积误差更大。以四川盆地焦石坝页岩气区块为例,探讨了应用叠后地震波形指示反演预测页岩地层脆性的方法。在页岩脆性矿物定量评价的基础上,依据测井资料计算出单井脆性矿物含量曲线,综合利用测井、地震、地质等资料,通过叠后地震波形指示反演得到脆性矿物含量数据体,进而求取页岩地层脆性的空间分布,提高页岩脆性预测精度。焦石坝工区页岩脆性波形指示反演结果显示,目的层五峰组和龙马溪组的①、③小层脆性指数较高,与岩心测试数据和实钻压裂结果吻合,为该区页岩气田的开发和井位部署提供了依据。
叠前AVA同步反演技术广泛应用于储层预测及流体检测,但叠前道集作为叠前反演的主要输入数据,CRP道集质量对反演结果的影响较大。重点开展了CRP道集优化处理研究,对海底电缆(Ocean Bottom Cable,OBC)数据偏移后的CRP地震道集进行去噪、去多次波、振幅能量补偿、提高分辨率及道集精细拉平处理,得到高质量且相对保真的地震资料。在此基础上进行叠前AVA反演,得到一系列和储层、流体有关的纵横波速度比、泊松比和密度等弹性参数,进行储层及流体综合预测,形成了叠前处理、反演、解释一体化的技术流程。以渤海海域KL9构造区为例,针对CRP道集中存在的远、中、近道能量不均衡、信噪比低和道集未拉平等问题,应用叠前去噪、无速度道集拉平和远近道频谱能量补偿的道集优化处理技术,提高叠前CRP道集品质,开展AVA同步反演。实际应用结果表明,优化处理后道集的信噪比、分辨率、保真度有明显提高,以此为基础开展的叠前反演结果的精度较道集优化处理前显著提高。
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