二阶同步提取变换的沉积旋回界面定位与追踪识别.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .二阶同步提取变换的沉积旋回界面定位与追踪识别李雪英 王 鑫(.东北石油大学 地球科学学院 黑龙江 大庆.黑龙江省油气藏形成机理与资源评价重点实验室 黑龙江 大庆)摘 要:针对实际测井资料划分沉积旋回时预测无井位点地区旋回单元的的限制问题构建一系列沉积旋回组合的地质模型通过二阶同步提取变换分析正演模拟结果的频率特征探求沉积旋回界面追踪方法 结果表明:二阶同步提取变换方法得到的时频谱时频分辨率高鲁棒性较好对于旋回单元的顶界面的弱能量信号具有更高的灵敏度通过设定人工辅助矫正方案能够将相对误差控制在 之内进一步提高追踪结果的准确度关键词:沉积旋回 正演模拟 时频分析 二阶同步提取变换 波动方程:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:(.):.:收稿日期:基金项目:黑龙江省自然科学基金联合引导项目()第一作者简介:李雪英()男黑龙江省铁力人教授博士研究方向:地震波传播与成像:.引 言沉积旋回研究是层序地层学中的一项重要工作诸多学者已经对沉积旋回的规律做了大量研究 地球物理观测数据反映了地层的岩性和物性包含了大量与沉积旋回有关的信息 通常情况下由现场测井数据进行沉积旋回的划分显然这种方法对于井点附近的划分结果准确度高但是对于无井点地区的分析仅能通过已有地质规律推导这样导致了该地段沉积旋回划分结果不尽人意地震资料对于地下信息收集比较全面也没有井点的制约这种特性有利于更准确地研究地层变化在地下各类地层介质中泥岩与砂岩的占比比较大也比较常见 而且通过砂岩泥岩重叠形式和厚度变化进行划分可以作为重要指标指导判别沉积体系以及海侵 海退过程也是使用时频分析方法判定沉积旋回模式的重要条件 时频分析方法判定沉积旋回模式的依据为:薄层时频响应机理中的升频降幅作用旋回性薄互层中的小层厚度递增或递减变化会相应地引起瞬时频谱峰值频率逐渐减小或增大通过时频分析方法识别沉积旋回的最早研究可以追溯到 等提出的 技术 此后加窗傅立叶变换、小波变换、广义 变换和希尔伯特 黄变换等已被开发用于确定沉积旋回 利用时频分析方法确定沉积旋回模式的过程中越高的时频分辨率越有利于旋回模式的判别为了实现理想的时频分析目标一些先进的时频后处理方法成为近年来研究的重点 它主要包括、以及 等 经过推导与实验证明二阶同步提取变换方法可以产生比、和 方法能量聚焦更好的时频分析结果 这一特点非常符合沉积旋回判别的需求综上所述笔者建立多套沉积旋回模型以模拟地下各种情况下的组合形式运用二阶同步提取变换对该模型的地震道数据进行时频分析处理探究沉积旋回模型中各单元顶界面附近的时频特征给出沉积旋回顶界面的识别与追踪方法 二阶同步提取变换原理二阶同步提取变换()是基于短时 变换的时频分析后处理方法其是对同步提取变换进行改良的算法其主要思想是:首先对信号进行短时傅里叶变换分析得到信号的时频谱之后利用求取的二阶瞬时频率和 函数求得二阶同步提取算子()最后将算子与短时傅里叶变换结果相乘求得二阶同步提取变换时频谱 该思路的主要公式如下短时傅里叶变换公式为()()()()式中:时间 积分的自变量()高斯窗函数()输入信号()短时傅里叶变换结果二阶估算频率求解公式为()()()()()()式中:()复杂算子()二阶复杂调制算子将 函数与二阶估算频率结合得到二阶同步提取算子则二阶同步提取变换的表达式为()()()式中 二阶同步提取算子二阶同步提取算子表达式为()()()时频特征与旋回界面定位方法设计多套不同的沉积旋回单元模型在泥岩背景下进行波动方程正演模拟各模型的旋回单元厚度范围、厚度递变梯度、分割旋回单元的隔层厚度 等参数如表 所示 地震子波采用零相位的雷克子波子波主频为 通过正演模拟获取单炮纪录并在单炮记录中提取零偏移距的地震道数据进行之后的研究表 旋回单元组合模型参数 小图号/旋回单元组合方式/正、正 正、正 正、正、正 正、正、正 正、正、正 正、反、正第 期李雪英等:二阶同步提取变换的沉积旋回界面定位与追踪识别 经过正演模拟之后各模型的时域波形及短时傅里叶变换()、二阶同步提取变换()结果如图 所示 当模型中各旋回单元的厚度大而且旋回单元中各小层厚度变化剧烈时时域波形振幅在较厚小层处比较大且波形较为稀疏通过这个特征可以划分旋回模式及其厚度 当模型中各旋回单元厚度较小时(由模型 所示其小层厚度均为入射波的/波长以下均小于地震分辨率)通过各模型的时域波形无法识别旋回特征 当模型中个旋回单元厚度较大但是各小层厚度变化不大时(模型)各时域波形在厚度较大的小层处振幅大但是从整体来看波形稀疏程度趋于一致仅在旋回模型的顶界面附近出现强反射尖峰图 模型、时频特征.综合分析短时傅里叶变换结果和二阶同步提取变换结果可知二阶同步提取变换得到的时频谱能量更加聚焦具有较高的时频分辨率 从图 可以看出二阶同步提取变换频谱图中的每个频谱变化单元都对应着一个沉积旋回单元而且对于不同旋回单元厚度和不同旋回单元厚度变化梯度二阶同步提取变换都可以清晰反映出时频谱中高频到低频的变化特征从这个方面可以对旋回单元的模式进行判别 短时傅里叶变换频谱图中在旋回单元较图 模型、时频特征.图 模型、时频特征.黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷厚时频谱变化能够对应沉积旋回单元然而当旋回单元较薄时无法准确判断旋回单元 两种方法得到的时频谱都表现出了向模型中小层层厚增大的方向时移的特点通过时频分析结果分析总结沉积旋回单元顶界面的特征当模型中沉积旋回单元的总厚度较大、各小层的厚度变化比较明显时二阶同步提取变换的高频极值对应着旋回单元的顶界面(模型、中的)当厚度变化梯度比较小时则需要结合二阶同步提取算子进行辅助判别可以看到在顶界面附近二阶同步提取算子呈现出高频突变现象其拱形形态的尖峰对应着沉积旋回单元的顶界面薄层具有升频降幅的作用在图 表示的沉积旋回模型中由于薄层的升频作用可以看出频率最高的位置总是指向薄层 薄层降幅作用导致薄层产生的高频信号能量弱二阶同步提取变换对于弱信号具有较强的提取能力可以很好地提取薄层产生的高频成分 由模型 可以看出在旋回单元厚度阶跃的位置厚层产生的强能量的低频信息及薄层产生的弱能量的高频信息均得到了清晰的刻画 在识别这类旋回单元时需要结合二阶同步于是取变换的时频谱和二阶同步提取算子的结果进行判断最终得出顶界面的位置综上分析可知在二阶同步提取变换得到的时频谱中沉积旋回单元的顶界面位置对应着时频谱的高频极值部分可以根据这一性质对沉积旋回单元进行判别与划分进而预测沉积旋回的厚度 沉积旋回的噪声鲁棒性的判别在实际的地震信号中必定会有噪声的干扰为了使文中提出的方法具有更广泛的适用性探究二阶同步提取变换方法判断沉积旋回单元的抗噪声能力选取一种前文建立的地质模型加入一定能量的高斯白噪声使得该模型能够更好的模拟一般情况下底层情况使得经验更具有一般性由前文可知时域波形随着噪声能量的增大失去了本身的特征 对于二阶同步提取算子计算结果来说该结果受噪声影响较大但是通过综合比对二阶同步提取变换时频谱可知算子计算结果仍然保留了顶界面处的高频突变现象呈现为规则的拱形形态并且该形态与噪声的频率分量有明显的差别如图 所示拱形形态在 左右 而从二阶同步提取变换的时频谱来看加入各强度的噪声之后噪声能量在时频谱中有一定的响应但对于反映沉积旋回模型中各单元小层厚度变化的频谱能量并没有很大的干扰如图 所示图 二阶同步提取算子抗噪能力试验.而实际地震探测中噪声能量远不及实验中所加最大能量 综上所述通过综合二阶同步提取变换以及二阶同步提取算子的计算结果能够在噪声的干扰下较为准确的识别沉积旋回单元顶界面位置第 期李雪英等:二阶同步提取变换的沉积旋回界面定位与追踪识别图 二阶同步提取变换抗噪能力试验.沉积旋回界面追踪方法综合上述分析沉积旋回单元顶界面在二阶同步提取变换时频谱中必然表现出高频极值的特点则可以通过这个高频极值来判别沉积旋回单元的顶界面位置 为了验证这个结论的合理性以及探究顶界面追踪方法设计一个由三个正旋回单元组合的地质模型(图)地质模型部分参数如表 所示表 旋回单元组合地质模型部分参数 旋回单元/图 三个正旋回单元组合厚度模型.利用软件制作该模型的合成地震记录剖面(图)然后使用二阶同步提取变换对正演结果的各地震道数据进行处理图 由图 模型正演的地震剖面局部放大.局限性分析由图 可知时域波形可以反映出沉积旋回单元的大致位置当夹层厚度较大时沉积旋回单元能够显示明显的分离界面从时域波形的特征来看能够明显看出沉积旋回单元的位置但是单元界面与波形的峰谷对应程度不高当夹隔层厚度较小时沉积旋回单元界面的时域波形的特征不明显无法准确判断各沉积旋回单元位置另外时域波形易受噪声等因素的影响很难指定精准的判别标准 由此应通过时频分析结果结合时域波形综合讨论由图 地震道 可见沉积旋回单元厚度不小于波长的一倍时:从时域波形来看小层厚度较大的位置波形比较稀疏反之小层厚度较小的位置波形比较密集 如图 中地震道波形 所示 时频谱中变化趋势清晰反映了沉积旋回单元的厚度变化趋势并且各单元的顶界面均对应频率的极大值处从时频谱中可准确判断沉积旋回单元顶界面位置及沉积旋回模式如图 中地震道 可见沉积旋回单元厚度在一半到一倍波长之间时:从时域波形来看沉积旋回单元的波形特征仍比较清晰但在图 中对黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷应的时频谱中顶界面的对应效果不佳结合图 中的二阶同步提取算子计算结果则能够很好的矫正出顶界面的位置 如图 中地震道 所示当沉积旋回单元厚度不大于一半波长时:时域波形趋于对称顶底界面附近存在明显的强能量振幅时频谱无法反应旋回单元频率变化趋势但薄层位置依然对应高频极值此时应先根据时域波形限定旋回单元顶界面识别范围进而追踪时频谱频率极大值位置定位旋回单元顶界面图 图 剖面不同地震道的二阶同步提取变换结果及自动追踪位置与实际位置对比.对于夹层来说其在模型中起到了分割各沉积旋回单元的作用由于夹层的存在且夹层厚度对于界面附近的频谱有一定的影响需要注意夹层对于追踪结果的干扰 当沉积旋回单元的厚度大于波长的一半时夹层对于判别旋回模式及识别顶界面没有影响 当沉积旋回单元厚度小于波长的一半并且夹层厚度大于波长的一半时沉积旋回单元可以通过时域波形分辨当夹层厚度小于波长的一半时则需要直接从时频谱中进行判别.沉积旋回单元顶界面追踪实验根据上文总结的结论制定出沉积旋回单元顶界面的追踪方法如图 所示 分析时域波形的频率范围给定阈值进行扫描根据扫描范围内的时频谱频率极大值的位置对沉积旋回顶界面进行初次识别追踪将追踪结果结合地震剖面信息进行分析对给定误差阈值的追踪结果结合二阶同步提取算计计算结果进行二次矫正最终得出较为准确的沉积旋回单元顶界面位置图 沉积旋回顶界面识别方法流程.文中使用前文所建立模型进行实验验证 首先根据时域波形指定扫面范围为时频谱中大于最大振幅 的值 首次识别结果在图 中以虚线划出在图 的地震剖面上以实现划出可以看出识别结果能够较为准确的反映出沉积旋回单元的顶界面 但也可以在地震剖面图上看到由大幅度突变点结合二阶同步提取算子计算结果(图)对这些突变点附近的地震道顶界面进行二次矫正(图 中虚线所示)第二次矫正结果在图 中以点划线表示可以看出经过二次矫正之后突变点附近的识别结果更贴近于真实情况受噪声干扰下的合成地震剖面情况如图 所示 实验中加入的噪声强度为 从图中的识别追踪结果来看受噪声干扰追踪结果围绕真实界面有一定的波动情况但仍然能较清晰的看出界面位置经过二次矫正之后识别结果更加贴近真实界面位置相对误差基本能够保持在 以内追踪结果与实际位置基本吻合如图 中点划线所示第 期李雪英等:二阶同步提取变换的沉积旋回界面定位与追踪识别图 图 剖面二阶同步提取算子计算结果及位置对比.图 模型正演结果及沉积旋回界面追踪结果.综上文中提出的方法具有较好的应用价值 结 论()当沉积旋回单元的厚度大于波长的一半时夹层对于判别旋回模式及识别顶界面没有影响当沉积旋回单元厚度小于波长的一半并且夹层厚度大于波长的一半时沉积旋回单元可以通过时域波形分辨当夹层厚度小于波长的一半时则需要直接从时频谱中进行判别()二阶同步提取变换经由同步提取变换改进而得该方法具有更高的时频分辨率具有良好的抗干扰性能鲁棒性更好 能够更好的提取弱能量信号对于沉积旋回单元顶界面的薄层信号具有比一般时频分析方法更好的识别能力提升了顶界面的定位精度()二阶同步提取变换计算的时频谱在沉积旋回单元顶界面位置出现稳定的频率极值或出现一个具有稳定窄带拱形特征的频率极值当二阶同步提取变换计算的时频谱在旋回单元顶界面频率极值能量弱无法识别时结合二阶同步提取算子计算结果进行定位调整将提升定位精度()根据沉积旋回单元顶界面与同步提取变换结果频率极值之间的稳定关系建立旋回单元顶界面追踪方法通过模型结果分析讨论方法的局限性结合二阶同步提取算子计算结果建立人机交互的反馈调节机制通过沉积旋回模型顶界面追踪实验证明了方法的可行性与实用性参考文献:冯建松 李 涛 朱春艳 等.基于 小波变换的层序识别方法以冀东油田高浅南 断块为例.四川地质学报 ():.周玉毅 张 舜 刘艺林 等.基于 的时频分析方法划分沉积旋回/年中国地球科学联合学术年会论文集(十九):.田亚军 李雪英 程 云 等.几种时频分析方法在沉积旋回判别效果上的对比.数学的实践与认识 ():.陈思民 朱建伟 孟庆涛.基于地震资料的多尺度小波变换识别沉积旋回技术.世界地质 ():.:.:.李雪英 陈树民 王建民 等.薄层时频特征的正演模拟.地球物理学报 ():.黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷 :.(/):.高艳霞.地震资料时频域分析方法及高分辨率处理技术.石化技术 ():.陈 伟 杨 浪 陈名德 等.基于经验小波变换的瞬时谱分析技术及其在致密砂岩气检测中的应用.长江大学学报(自然科学版):.董足华.基于小波变换的层序识别分析与研究.内江科技 ():.尉 佳 岳 龙 杨 睿 等.基于改进的广义 变换的海洋地震资料随机噪音压制.海洋地质与第四纪地质():.黄泽佼 徐子东 罗晗 等.希尔伯特黄变换()在 数据去噪处理中的应用.物探与化探 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