基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法及装置与流程

1.本发明涉及油气地球物理勘探技术领域，尤指一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法及装置。


背景技术：

2.在油气地球物理勘探领域，地震勘探获取的波形资料可以看作是地面激发的地震子波经过地下介质传播和地质界面的反射后在地面被接收时的波形叠加，数学上可表示为地震子波与反射系数的褶积。但是，常规获取地震资料的分辨率较低，无法满足后续地震解释和储层预测的要求。
3.反褶积技术通过压缩地震子波的长度将实际地震数据改造成与反射界面相对应的尖脉冲，是提高地震资料分辨率、拓宽地震资料频带的常用手段之一。传统的反褶积技术使用l2范数作为稳定性约束条件，属于线性反褶积的范畴，无法大幅度地提高地震资料的分辨率；在传统反褶积基础上发展起来的稀疏反褶积使用柯西分布、修正柯西分布作为稀疏约束，利用了反射系数具有稀疏性的先验信息，属于非线性反褶积的范畴，能够较大幅度地提高地震资料的分辨率，但是传统的反褶积和稀疏反褶积技术均以单个地震道作为基本计算单位，虽然能够在一定范围内提升分辨率，但是忽略了地震反射信号在空间上的地质结构信息，往往会引入更多的高频噪声，破坏了地震同相轴横向的连续性，为后续的处理和解释引入了较多的假象，进而限制了常规的反褶积方法提升地震资料分辨率的能力。


技术实现要素：

4.本发明实施例的主要目的在于提供一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法及装置，保证地震同相轴横向地质规律，压制高频噪声，避免处理假象。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法，所述方法包括：
6.根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子；
7.将所述自适应结构描述算子作为空间约束项，将l1范数作为时间方向上的稀疏约束，建立多道稀疏反褶积目标函数；
8.根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数；
9.根据所述反射系数得到高分辨率地震数据，对所述反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制。
10.可选的，在本发明一实施例中，所述根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子包括：根据采集的三维地震数据确定自适应空间目标函数；利用整形正则化计算所述自适应空间目标函数，得到自适应空间结构描述算子。
11.可选的，在本发明一实施例中，所述根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数包括：将所述多道稀疏反褶积目标函数中的变量初始化，并根据admm算法计算反射系数，其中，所述变量包括辅助变量、最大迭代次数及误差精度；根据所述反射
系数更新所述辅助变量，利用更新后的辅助变量更新反射系数，直到所述误差精度达到预设阈值或辅助变量的更新次数达到所述最大迭代次数。
12.可选的，在本发明一实施例中，所述对所述反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制包括：利用绘制后的反射系数及高分辨率地震数据进行定量地震解释及精细储层刻画。
13.本发明实施例还提供一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置，所述装置包括：
14.描述算子模块，用于根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子；
15.目标函数模块，用于将所述自适应结构描述算子作为空间约束项，将l1范数作为时间方向上的稀疏约束，建立多道稀疏反褶积目标函数；
16.反射系数模块，用于根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数；
17.数据绘制模块，用于根据所述反射系数得到高分辨率地震数据，对所述反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制。
18.可选的，在本发明一实施例中，所述描述算子模块包括：目标函数单元，用于根据采集的三维地震数据确定自适应空间目标函数；描述算子单元，用于利用整形正则化计算所述自适应空间目标函数，得到自适应空间结构描述算子。
19.可选的，在本发明一实施例中，所述反射系数模块包括：初始化单元，用于将所述多道稀疏反褶积目标函数中的变量初始化，并根据admm算法计算反射系数，其中，所述变量包括辅助变量、最大迭代次数及误差精度；参数更新单元，用于根据所述反射系数更新所述辅助变量，利用更新后的辅助变量更新反射系数，直到所述误差精度达到预设阈值或辅助变量的更新次数达到所述最大迭代次数。
20.可选的，在本发明一实施例中，所述数据绘制模块还用于利用绘制后的反射系数及高分辨率地震数据进行定量地震解释及精细储层刻画。
21.本发明还提供一种电子设备，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程序时实现上述方法。
22.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。
23.本发明在提高分辨率的同时，保持地震资料的信噪比，保证地震同相轴横向地质规律，为后续的定量地震解释和精细储层刻画提供符合地质规律、高保真、高分辨率、高信噪比的地震数据。
附图说明
24.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，下面将对实施例描述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。
25.图1为本发明实施例一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法的流程图；
26.图2为本发明实施例中反射系数模型的示意图；
27.图3为本发明实施例中含有噪声的低频地震数据的示意图；
28.图4为本发明实施例中计算自适应空间结构描述算子的流程图；
29.图5a-图5b为本发明实施例中自适应空间结构描述算子的示意图；
30.图6为本发明实施例中计算反射系数的流程图；
31.图7为本发明实施例中单道稀疏反褶积的处理结果的示意图；
32.图8为本发明实施例中本发明方法的处理结果示意图；
33.图9为本发明一具体实施例中实际地震数据的示意图；
34.图10为本发明一具体实施例中单道稀疏反褶积的处理结果的示意图；
35.图11为本发明一具体实施例中本发明方法的处理结果示意图；
36.图12为本发明一具体实施例中地震数据频谱图；
37.图13为本发明实施例一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置的结构示意图；
38.图14为本发明一实施例所提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
39.本发明实施例提供一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法及装置。
40.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作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。
41.如图1所示为本发明实施例一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法的流程图，图中所示方法包括：
42.步骤s1，根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子。
43.其中，通过常规地震采集技术得到三维(或二维)地震数据d(t,x,y),t＝1,2,
…
nt
,
x＝1,2,
…
nx,y＝1,2,
…
ny，其中，nt是地震道的采样点数，nx是xline方向的道数，ny是inline方向的道数。本实施例中nx＝101，nt＝101，图2是反射系数模型。反射系数的大小随空间变化，可表示为a(x)＝2/nx2(x-nx/2)2 0.5。图3是含有随机噪声的低频数据模型，主频为30hz。进一步的，根据采集的三维地震数据确定自适应空间目标函数，并利用整形正则化计算自适应空间目标函数，得到自适应空间结构描述算子。图中横坐标trace表示道号，纵坐标time表示时间。
44.在本实施例中，如图4所示，根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子包括：
45.步骤s21，根据采集的三维地震数据确定自适应空间目标函数。
46.步骤s22，利用整形正则化计算所述自适应空间目标函数，得到自适应空间结构描述算子。
47.其中，空间结构描述算子a
i,j,k
(t,x,y)能够自适应地描述地下地质的构造信息，在不同的采样点上的具有不同的系数，其中i＝-l,-(l-1),
…
,l，j＝-m,-(m-1),
…
,m，k＝-n,-(n-1),
…
,n，t＝1,2,
…
nt,x＝1,2,
…
nx，y＝1,2,
…
ny，l时间方向的算子长度，缺省值
为5，m是xline方向的算子长度，缺省值为5，n是inline方向的算子长度，缺省值为5。由于自适应空间结构描述算子的系数是时空变的，在使用全局最小二乘算法进行求解时，未知数的个数多于已知条件数，因而导致方程是欠定的，常规的吉洪诺夫正则化条件求解时收敛缓慢甚至不收敛。本发明使用整形正则化进行求解，其目标函数可表示为：
[0048][0049]
其中，λ表示正则化比例因子，表示2范数的平方，s[
·
]表示整形正则化。对于二维数据，则有
[0050][0051]
上述目标函数的解为：
[0052][0053]
其中，上标“t”表示矩阵的转置运算；上标
“-
1”表矩阵的求逆运算；f是d按照计算对应关系重新排列而构建的矩阵；g是整形算子，缺省值为高斯光滑算子。
[0054]
以二维数据为例，若l＝2,m＝2，采样点(t,x)的自适应空间结构描述算子可用矩阵表示为：
[0055]-a-2,-2
(t,x)
ꢀ-
a-1,-2
(t,x) 0
ꢀ-a1,-2
(t,x)
ꢀ-a2,-2
(t,x)
[0056]-a-2,-1
(t,x)
ꢀ-
a-1,-1
(t,x) 0
ꢀ-a1,-1
(t,x)
ꢀ-a2,-1
(t,x)
[0057]-a-2,0
(t,x)
ꢀ-
a-1,0
(t,x) 1
ꢀ-a1,0
(t,x)
ꢀ-a2,0
(t,x)
[0058]-a-2,1
(t,x)
ꢀ-
a-1,1
(t,x) 0
ꢀ-a1,1
(t,x)
ꢀ-a2,1
(t,x)
[0059]-a-2,2
(t,x)
ꢀ-
a-1,2
(t,x) 0
ꢀ-a1,2
(t,x)
ꢀ-a2,2
(t,x)
[0060]
为了便于展示，上述采样点(t,x)的自适应空间结构描述算子的示意图如图5a所示，中间部分的数值已在图中标注，其他部分为计算得到的自适应空间结构描述算子的系数。类似地，若所述地震数据为三维数据，则以l＝2,m＝2为例，采样点(t,x,y)的自适应空间结构描述算子的示意图如图5b所示。
[0061]
步骤s2，将所述自适应结构描述算子作为空间约束项，将l1范数作为时间方向上的稀疏约束，建立多道稀疏反褶积目标函数。
[0062]
其中，将l1范数作为时间方向上的稀疏约束，将自适应结构描述算子作为空间约束项，建立如下所示的反演目标函数：
[0063][0064]
其中，r为反射系数，μ
t
,μ
x
分别为控制稀疏约束和空间结构约束权重的正则化因子，w为多道子波褶积矩阵w＝diag(w1,w2,
…
wm)，wi为第i道数据的子波褶积矩阵。
[0065]
步骤s3，根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数。
[0066]
在本实施例中，如图6所示，根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数包括：
[0067]
步骤s31，将所述多道稀疏反褶积目标函数中的变量初始化，并根据admm算法计算反射系数，其中，所述变量包括辅助变量、最大迭代次数及误差精度。
[0068]
步骤s32，根据所述反射系数更新所述辅助变量，利用更新后的辅助变量更新反射系数，直到所述误差精度达到预设阈值或辅助变量的更新次数达到所述最大迭代次数。
[0069]
具体的，上述多道稀疏反褶积目标函数可用admm算法求解，其迭代流程如下：
[0070]
步骤0：变量初始化，u0＝z0＝0，k＝0,最大迭代次数k(缺省值为100)，误差精度e(缺省值为10-6
)。
[0071]
步骤1：计算反射系数r
k 1
：
[0072][0073]
步骤2：更新辅助变量z
k 1
：
[0074][0075]
步骤3：更新辅助变量u
k 1
：
[0076]uk 1
＝uk r
k 1-z
k 1
，
[0077]
步骤4：如果迭代变量达到最大迭代次数(k＝k)或者满足如下式所示的误差精度，则终止迭代，此时的r
k 1
为计算得到的反射系数；否则重复步骤1～4。
[0078][0079]
步骤s4，根据所述反射系数得到高分辨率地震数据，对所述反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制。
[0080]
其中，将反褶积后的反射系数或者反射系数与高频子波褶积后的高分辨率地震数据使用常规的地震数据显示技术进行绘制。图7为使用稀疏反褶积方法得到的反射系数剖面，图8为本发明得到的反射系数剖面，通过对比可以看出，前者的反射系数横向连续性较差，并出现了剧烈的抖动现象，与反射系数模型差别较大；而本发明得到的反射系数表现出更好的横向连续性，与发射系数的空间结构保持一致，表明本发明能够获取高分辨率且保真的地震数据。
[0081]
作为本发明的一个实施例，对反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制包括：利用绘制后的反射系数及高分辨率地震数据输入常见的工业解释反演软件，由解释人员或者油藏描述人员进行定量地震解释及精细储层刻画。
[0082]
在本发明一具体实施例中，以某油田a区块为应用实例，该区块的地震数据的主频在30hz左右，属于常规处理的分辨率，但是对于精细构造解释和储层预测来说，还需要进一步提频处理。图9是本勘探区块的地震数据，图10为使用稀疏反褶积方法获取反射系数后，使用2-5-80-90hz的带通子波褶积后得到高分辨率数据，图11为本发明得到反射系数后，使用同样的方法处理后的高分辨率数据，图12为原始数据与两种方法提高分辨率后的数据的频谱的对比，可以看出，相较稀疏反褶积方法，本发明的高分辨率数据的带宽更宽，保护了低频数据，在提升高频数据的同时，没有引入高频噪声；从地震剖面可以看出，本发明的同相轴横向更加连续，展现出了更多的反射细节，表明了该方法在复杂构造的地区，能够在保持地震数据信噪比的基础上，大幅提高地震分辨率，能够为后续的精细解释提供高分辨率、
高保真的地震数据。图中raw表示原始数据，sd表示稀疏反演方法，proposed method表示本发明方法。
[0083]
本发明在常规稀疏反褶积的基础上，首先通过求解全局最小二乘问题获取空间结构描述算子，该算子能够自适应地描述地下介质的空间展布特征。其次，本发明在时间方向上使用l1范数作为稀疏约束，利用反射系数的稀疏性来提高地震资料的纵向分辨率。同时，使用三维数据体作为基本计算单位，使用自适应结构描述算子作为空间约束项，充分挖掘地震反射信号在空间上的地质结构信息。最后，使用admm算法求解多道反褶积的目标函数。处理实例表明本发明在地质构造复杂、地震资料信噪比的区域，能够在大幅度提高地震资料分辨率的同时，保证地震同相轴符合地质展布规律，获取高质量的反褶积结果。
[0084]
本发明在提高分辨率的同时，保持地震资料的信噪比，保证地震同相轴横向地质规律，为后续的定量地震解释和精细储层刻画提供符合地质规律、高保真、高分辨率、高信噪比的地震数据。
[0085]
如图13所示为本发明实施例一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置的结构示意图，图中所示装置包括：
[0086]
描述算子模块10，用于根据采集的三维地震数据确定自适应空间结构描述算子；
[0087]
目标函数模块20，用于将所述自适应结构描述算子作为空间约束项，将l1范数作为时间方向上的稀疏约束，建立多道稀疏反褶积目标函数；
[0088]
反射系数模块30，用于根据admm算法计算所述多道稀疏反褶积目标函数，得到反射系数；
[0089]
数据绘制模块40，用于根据所述反射系数得到高分辨率地震数据，对所述反射系数及所述高分辨率地震数据进行绘制。
[0090]
作为本发明的一个实施例，描述算子模块包括：目标函数单元，用于根据采集的三维地震数据确定自适应空间目标函数；描述算子单元，用于利用整形正则化计算所述自适应空间目标函数，得到自适应空间结构描述算子。
[0091]
作为本发明的一个实施例，反射系数模块包括：初始化单元，用于将所述多道稀疏反褶积目标函数中的变量初始化，并根据admm算法计算反射系数，其中，所述变量包括辅助变量、最大迭代次数及误差精度；参数更新单元，用于根据所述反射系数更新所述辅助变量，利用更新后的辅助变量更新反射系数，直到所述误差精度达到预设阈值或辅助变量的更新次数达到所述最大迭代次数。
[0092]
作为本发明的一个实施例，数据绘制模块还用于利用绘制后的反射系数及高分辨率地震数据进行定量地震解释及精细储层刻画。
[0093]
基于与上述一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法相同的申请构思，本发明还提供了上述一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置。由于该一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置解决问题的原理与一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法相似，因此该一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积装置的实施可以参见一种基于自适应地质结构约束的多道稀疏反褶积方法的实施，重复之处不再赘述。
[0094]
本发明在提高分辨率的同时，保持地震资料的信噪比，保证地震同相轴横向地质规律，为后续的定量地震解释和精细储层刻画提供符合地质规律、高保真、高分辨率、高信
噪比的地震数据。
[0095]
本发明还提供一种电子设备，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程序时实现上述方法。
[0096]
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。
[0097]
如图14所示，该电子设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理单元130、显示器160、电源170。值得注意的是，电子设备600也并不是必须要包括图14中所示的所有部件；此外，电子设备600还可以包括图14中没有示出的部件，可以参考现有技术。
[0098]
如图14所示，中央处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器100接收输入并控制电子设备600的各个部件的操作。
[0099]
其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器100可执行该存储器140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。
[0100]
输入单元120向中央处理器100提供输入。该输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向电子设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为lcd显示器，但并不限于此。
[0101]
该存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、sim卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为eprom等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲存储器141(有时被称为缓冲器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，该应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器100执行电子设备600的操作的流程。
[0102]
存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器140的驱动程序存储部144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。
[0103]
通信模块110即为经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机110。通信模块(发送机/接收机)110耦合到中央处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。
[0104]
基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)110还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到中央处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。
[0105]
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。
[0106]
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。
[0107]
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。
[0108]
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。
[0109]
本发明中应用了具体实施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。