CN1797041A - 一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用深度域滤波消除线性和非线性干扰波的方法，对于常规采集到的地震炮集数据，对采集到的炮集数据进行数据增益，对数据沿空间方向进行道均衡和沿时间方向进行振幅补偿，使数据适应波动方程处理；对炮集进行傅立叶正变换和向下波场延拓，从地表面延拓到参考面；对延拓到参考面上的炮集进行深度域滤波，对深度域滤波后的参考面的炮集进行向上波场延拓和傅立叶反变换，从参考面延拓到地表面；能有效识别复杂近地表产生的线性和非线性干扰波并采用深度域滤波消除线性和非线性干扰波。

Description

一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法

技术领域

本发明涉及石油地震勘探数据处理技术，具体是一种采用深度域滤波消除地震记录中线性与非线性干扰波的方法。

背景技术

在地震勘探领域，传统的信号加强或噪声压制技术一般是利用信号与噪声在频率(低通、高通或带通滤波)、视速度(FK滤波)、极化方向(极化滤波)和统计特性(随机噪声衰减)等方面的差异来分离或预测信号与噪声，然后再对信号或噪声进行相应的处理，这类方法称为数据驱动的去噪方法。

然而，随着勘探区域地表与近地表地震地质条件的日趋复杂，激发源附近各种地面障碍物及近地表岩性变化造成种类繁多的干扰波、沙漠的沙丘鸣震、海底产生的多次或微屈多次波，以及油田开发区各种地面与地下设施产生的干扰波，这些复杂近地表区产生的线性与非线性干扰波经常表现为在频率、视速度、传播方向、极化方向及统计特性方面很难与反射信号有效区别开来，因此利用数据中信号与噪声差异的传统数据驱动的去噪方法不能完全分离噪声与信号，达不到理想的去噪效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效识别复杂近地表产生的线性与非线性干扰波并采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法。

本发明是采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，对于采集的地震炮集数据，其具体步骤包括，

(1)对炮集数据进行数据增益，对数据沿空间方向进行道均衡并沿时间方向进行振幅补偿，使数据适应波动方程处理；

(2)对炮集数据进行傅立叶正变换与向下波场延拓，从地表面延拓到参考面；

(3)对延拓到参考面上的炮集数据进行深度域滤波；

(4)对深度域滤波后的炮集数据进行向上波场延拓及傅立叶逆变换，从参考面延拓到地表面；

(5)进行数据逆增益，恢复反射信号的原始形状，得到消除地表与近地表干扰波的有效地震波并成图。

本发明当数据的空间采样间隔较大时，对炮集数据进行增益后，可以选择对数据进行空间插值以减少空间假频，从而消除对假频数据的不正确延拓。

本发明在进行向下与向上延拓过程中，选择信号保持的相位移算子，利用倏逝波数衰减噪声。

本发明向下延拓过程中，改变信号的相位，不改变信号的振幅并识别噪声。

本发明在向上延拓的过程中，恢复信号的相位。

本发明对于二维勘探所得到的地震记录，采用二维傅立叶正变换与逆变换。

本发明对于二维勘探所得到的地震记录，所采用的相位移算子在滤波前进行振幅补偿与野外静校正。滤波前对记录的处理不应破坏记录的地表一致性。

本发明对于三维勘探得到的地震记录，进行三维傅立叶正变换与向下波场延拓，相位移算子自动扩展到三维情况，进行深度域滤波后，进行三维傅立叶逆变换并向上波场延拓，即完成了三维深度域滤波。

本发明以二维地震数据为例，采用的具体原理为：

倏逝波数的公式为

$\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_n^2}-k_x^2=-{k_z}^2$ (k_z＞0)

振幅衰减因子为e^-kz。

观测波场p(x，z，t)符合以下方程：

${\▿}^{2}p(x,z,t)-\frac{1}{c^2\left(z\right)}\frac{{\∂}^{2}p(x,z,t)}{{\∂t}^2}=0---\left(1\right)$

如近地表速度C(z)是只沿垂直方向变化的，近地表模型离散为厚度为Δz，速度为c_n的N层均匀介质，对方程(1)的x和t坐标应用傅利叶变换，可以得出：

$\frac{{\∂}^{2}P(k_x,z,\mathrm{\ω})}{{\∂z}^2}=(k_x^2-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_n^2})P(k_x,z,\mathrm{\ω})---\left(2\right)$

定义垂直波数为 $k_z=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_n^2}-k_x^2},$ 那么方程(2)的解就是：

$P(k_x,z,\mathrm{\ω})={\mathrm{Ae}}^{i{k}_{z}z}+{\mathrm{Be}}^{-{\mathrm{ik}}_{z}z}---\left(3\right)$

式中的两个系数A，B由所应用的地表条件确定。

依据式(3)进行波场向下延拓，公式为：

$P(k_x,z+\mathrm{\Δz},\mathrm{\ω})=P(k_x,z,\mathrm{\ω})e^{-{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\Δz}}---\left(4\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2\&GreaterEqual;0)\\ 0(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2<0)\end{array}\right.---\left(5\right)$

依据式(3)进行波场向上延拓，公式为：

$P(k_x,z-\mathrm{\&Delta;z},\mathrm{\&omega;})=P(k_x,z,\mathrm{\&omega;})e^{{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\&Delta;z}}---\left(6\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2\&GreaterEqual;0)\\ i\sqrt{k_x^2-\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2<0)\end{array}\right.---\left(7\right)$

本发明在综合考虑计算效率、适应观测***能力及信号保持等方面因素后，采用基于波场延拓的模型驱动去噪方法，压制与倏逝波数相关联的噪声，消除近地表线性与非线性干扰，完全保持信号的振幅与相位信息，可以得到无干扰的地震数据。

附图说明

图1基于波场延拓的模型驱动滤波方法示意图，经过向下延拓与向上延拓之后，在振幅保持区域内，信号不变，而在相位保持区域，噪声振幅被压制。

图2为含有两层介质及一个散射体的近地表模型，其中散射体尺度为10m*10m、埋深为100m、速度为1500m/s，两层介质的速度c_n分别为2500m/s和3500m/s。激发与接收面设置在深度15m处，参考面在深度195m处，波场向下延拓到参考面后，避免了散射体4的波场干扰。

其中1-炮点，2-参考面，3-有效信号波，4-散射体。

图3原始炮集(左)、沿深度轴延拓的深度域滤波结果(中)和差道集(右)，从差道集剖面可以看出滤掉了干扰而保存了有效反射波。

其中5-有效波，6-干扰波，7-直达波。

图4是对二维地震勘探数据的一个叠前单炮地震记录滤波前后的对比图象。其中(a)是采用本发明滤波前的地震波记录剖面，所圈的区域近地表干扰很强；(b)是采用本发明方法处理后的炮集记录图象；(c)是采用本发明滤除的干扰波图象。

图5是对上述二维地震勘探数据的一个叠前单炮地震记录滤波前后所抽取的CMP道集对比图象。其中(a)是采用本发明滤波前的地震波记录剖面，有效波被干扰波掩盖，所圈的区域近地表干扰很强；(b)是采用本发明方法处理后的炮集记录图象，有效信号增强；(c)是采用本发明滤除的干扰波图象。

图6是本发明对同一数据滤波后的叠加剖面对比，(a)是滤波前的叠加结果，(b)是滤波后的叠加结果，(c)是噪声。

图7是三维地震数据深度域滤波对比图，(a)是滤波前原始炮集数据，(b)滤波后的炮集数据，(c)被滤除的噪声。

具体实施方式

实施例1

对于采集的地震炮集数据，选取一条二维测线的地震数据实施深度域滤波处理，数据的基本情况为：

数据道长为4000ms，采样间隔为4ms，

测线数据共包括351炮，每炮800道。

1)首先进行数据增益，对数据沿空间x方向进行道均衡并沿时间方向进行振幅补偿，使数据适应波动方程处理。

2)其次进行二维傅立叶正变换及向下波场延拓，对炮集按公式(4)和(5)从地表面延拓到参考面，所选的参考面深度为150m，分为三层，每层的厚度与速度分别为：80m、40m与30m，2000m/s，2400m/s，2800m/s。

$P(k_x,z+\mathrm{\&Delta;z},\mathrm{\&omega;})=P(k_x,z,\mathrm{\&omega;}{)e}^{-{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\&Delta;z}}---\left(4\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2\&GreaterEqual;0)\\ 0(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2<0)\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，ω和k_x分别表示圆频率及水平方向的圆波数；P(k_x，z，ω)为ω-k_x域内在深度z处的波场。P(k_x，0，ω)表示在ω-k_x域的地面炮集记录；c_n表示在z与z+Δz之间的介质层速度。

在向下延拓的过程中，与倏逝波数相关联的噪声置为零，且被识别，有效信号延拓到参考面上。

3)然后进行深度域滤波，设从震源出发到达参考面的直达波旅行时间为DT(x，t)，对延拓到参考面上的炮集，时间小于DT(x，t)的波场即为干扰波，将其置零。

4)进行向上波场延拓及二维傅立叶逆变换，对深度域滤波后的炮集按公式(6)和(7)从参考面延拓到地表面。

$P(k_x,z-\mathrm{\&Delta;z},\mathrm{\&omega;})=P(k_x,z,\mathrm{\&omega;})e^{{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\&Delta;z}}---\left(6\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2\&GreaterEqual;0)\\ i\sqrt{k_x^2-\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2<0)\end{array}\right.---\left(7\right)$

5)最后进行数据逆增益，恢复反射信号的原始形状，得到消除地表与近地表干扰波的有效地震波，由于沿时间方向的增益会改变信号的波形，逆增益的目的是恢复反射信号的原始形状，以保证在去噪过程中对反射信号没有任何伤害。

经过深度域滤波处理，与倏逝波数相关联的噪声被压制了，而反射有效信号得到了保留，如图4所示。

为了进一步说明滤波的效果，将滤波后的数据抽取为CMP道集，图5是滤波前后所抽取的CMP道集对比图象，从图中可以看出，在第一和第三个CMP道集中，原本不可见的反射波信息，在滤波以后清晰可见。第二个CMP道集，近炮检距处呈双曲线状的反射波信噪比有所提高，远炮检距处的反射从无到有。

图6给出了滤波前与滤波后的一段叠加剖面以及相应的差道集叠加剖面。叠加剖面的浅、中、深层反射波同相轴都变得更加清晰。而差道集叠加剖面中，没有反射波成像，进一步说明本发明信号保持的特点。

实施例2

对于采集的地震炮集数据，选取一炮三维测线的地震数据实施深度域滤波处理，数据的基本情况为：

数据道长为6000ms，采样间隔为2ms，

数据包括8条测线，每条线192道。

Dx＝40m，Dy＝240m

1)首先进行数据增益，对数据沿空间x、y方向进行道均衡并沿时间方向进行振幅补偿，使数据适应波动方程处理。

2)其次进行三维傅立叶正变换并向下波场延拓，对炮集按公式(5)和(6)从地表面延拓到参考面，所选的参考面深度为150m，分为三层，每层的厚度与速度分别为：80m、40m与20m，2000m/s，2400m/s，2700m/s。

$P(k_x,k_y,z+\mathrm{\&Delta;z},\mathrm{\&omega;})=P(k_x,k_{y,}z,\mathrm{\&omega;})e^{-{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\&Delta;z}}---\left(8\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2\&GreaterEqual;0)\\ 0(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2<0)\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，ω，k_x和k_y分别表示圆频率，水平方向与垂直方向的圆波数；P(k_x，k_y，z，ω)为ω-k_x域内在深度z处的波场。P(k_x，k_y，0，ω)表示在ω-k_x-k_y域的地面炮集记录；c_n表示在z与z+Δz之间的介质层速度。

3)然后进行深度域滤波，设从震源出发到达参考面的直达波的旅行时间为DT(x，t)，对延拓到参考面上的炮集，把时间小于DT(x，t)的部分置零。

4)进行向上波场延拓及三维傅立叶逆变换，对深度域滤波后的炮集按公式(10)和(11)从参考面延拓到地表面。

$P(k_x,k_y,z-\mathrm{\&Delta;z},\mathrm{\&omega;})=P(k_x,k_y,z,\mathrm{\&omega;})e^{{\mathrm{ik}}_z\mathrm{\&Delta;z}}---\left(10\right)$

$k_z=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2\&GreaterEqual;0)\\ i\sqrt{k_x^2+k_y^2-\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}}(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{c_n^2}-k_x^2-k_y^2<0)\end{array}\right.---\left(11\right)$

5)最后进行数据逆增益，恢复反射信号的原始形状，得到消除地表与近地表干扰波的有效地震波，由于沿时间方向的增益会改变信号的波形，逆增益的目的是恢复反射信号的原始形状，从而保证在去噪过程中对反射信号没有任何伤害。

经过深度域滤波处理，与倏逝波数相关联的噪声被压制了，而有效反射信号得到了保留，如图7所示。

Claims (8)

1、一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，对于采集的地震炮集数据，其特征在于包括以下步骤，

(1)对采集的炮集数据进行数据增益，对数据沿空间方向进行道均衡并沿时间方向进行振幅补偿，使数据适应波动方程处理；

(2)对炮集数据进行傅立叶正变换并向下波场延拓，从地表面延拓到参考面；

(3)对延拓到参考面上的炮集数据进行深度域滤波；

(4)对深度域滤波后的炮集数据进行向上波场延拓及傅立叶逆变换，从参考面延拓到地表面；

(5)进行数据逆增益，恢复反射信号的原始形状，得到消除地表与近地表干扰波的有效地震波并成图。

2、根据权利要求1所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于当数据的空间采样间隔较大时，对炮集数据进行增益后，可以选择对数据进行空间插值以减少空间假频，消除对假频数据的不正确延拓。

3、根据权利要求1所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于在进行向下与向上延拓过程中，选择信号保持的相位移算子，利用倏逝波数衰减噪声。

4、根据权利要求1或2所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于向下延拓过程中，改变信号的相位，不改变信号的振幅并识别噪声。

5、根据权利要求1或2所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于在向上延拓的过程中，恢复信号的相位。

6、根据权利要求1所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于对于二维勘探所得到的地震记录，采用二维傅立叶正变换与逆变换。

7、根据权利要求4所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于对于二维勘探所得到的地震记录，所采用的相位移算子在滤波前进行振幅补偿和野外静校正。

8、根据权利要求1所述的一种采用深度域滤波消除线性与非线性干扰波的方法，其特征在于对于三维勘探得到的地震记录，对地震记录进行三维傅立叶正变换与逆变换，相位移算子自动扩展到三维情况。

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