自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用_王喜安.pdf

王喜安,张军华,夏连军,等.自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用J.CT 理论与应用研究,2023,32(2):179-188.DOI:10.15953/j.ctta.2022.120.WANG X A,ZHANG J H,XIA L J,et al.Adaptive Weight Multi-channel Matching Pursuit Algorithm-Based Strong Shielding RemovalMethodJ.CT Theory and Applications,2023,32(2):179-188.DOI:10.15953/j.ctta.2022.120.(in Chinese).自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用王喜安1a,b,张军华1a,b,夏连军2,罗震2,胡逸甫1a,b,鲍伟21.中国石油大学（华东）a）地球科学与技术学院；b）深层油气重点实验室，山东 青岛 2665802.中石化江苏油田分公司物探研究院,南京 210046摘要：阻抗差异较大的地层在地震剖面上呈现为强振幅同相轴，会掩盖附近储层有效信息，需要做去除强屏蔽的目标处理。针对常规匹配追踪方法在构造复杂地区匹配精度和空间连续性不佳的问题，本文提出一种基于自适应权值的多道匹配追踪去强屏蔽方法。首先利用层位构造信息对强反射层进行局部拉平处理，减弱地层空间构造对提取强反射层的影响，然后引入相邻地震道与中心道之间的相关系数作为多道平均的权值，以提高匹配结果的稳定性和横向连续性。同时使用解释得到的层位时间作为子波初始时间，有效提高运算效率。模型试算和实际地震资料应用分析表明，改进方法能有效剥离强反射并突出有效储层信息，剥离后的井震吻合度得到明显提升，相较于常规匹配追踪算法匹配精度更高，同时具有更好的空间连续性与强反射去除效果。关键词：地震剖面；横向相关性；自适应；多道匹配追踪；去强屏蔽DOI:10.15953/j.ctta.2022.120中图分类号：O 242；P 315；P 631文献标识码：A当储层附近存在泥灰岩、高速砂岩或者煤层等特殊岩性地层时，储层与围岩波阻抗差异较大，在地震剖面上出现强振幅同相轴，使其附近的目标储层的反射信息被掩盖，严重影响了薄储层的精确刻画1-2。因此，去除强反射层的屏蔽作用，对于恢复储层的有效信号，提高储层预测精度意义重大。针对上述问题，已有很多地球物理学者进行了研究和分析，主要分为两种方法。一种是多子波分解重构方法，通过去除重构信号中的强反射频段对应分量实现去强凸弱3-5，该方法能快速有效地去除强反射，但同时也可能会去除与强反射频率相近的信号；另一种是基于匹配追踪的强反射分离方法。1993 年，Mallat 等6首次提出匹配追踪算法；1995 年 Chakraborty 等7首次将其应用于地球物理领域；2004 年 Liu 等8研究了基于雷克子波原子库的匹配追踪方法，并利用地震信号的三瞬属性作为子波的初始参数；2007 年宋维琪等9使用瞬时平均频率匹配子波，重建地震剖面并识别薄层砂体；2010 年 Wang10-11在Liu 的基础上提出多道匹配追踪算法，同时分解多道地震信号，并应用于煤层强反射的分离，取得了显著效果；2016 年张在金等12引入沿层信息，实现强反射层的准确提取和分离，并使用广义 S 变换分析储层低频伴影现象；2019 年许璐等13使用局部频率代替瞬时频率来匹配和去除强反射同相轴，凸显储层弱反射信息；2019 年何峰等14从井旁地震道提取子波，并通过动态调整的匹配子波控制参数，匹配煤层强反射再进行去除；2021 年杨子鹏等15引入残差阈值比作为匹配追踪迭代终止条件，在去除强反射信号的同时保留了更多的有效信号。概括来说，使用匹配追踪算法去除强屏蔽具有运算速度较快、提取强反射精度更高的优点，同时也存在部分情况下横向连续性不佳的问题。此外，近年来基于压缩感知的强屏蔽去除方法也开始兴起。2019 年张云银等16应用压缩感知技术反演地震反射系数，并在强反射处开时窗减去其反射系数实现强屏蔽去除。压缩感知方法提取强收稿日期：20220619。基金项目：国家自然科学基金（含油气盆地低级序断裂的发育规律及其与高级序断裂的成因联系（42072169）。第 32 卷第 2 期CT 理论与应用研究Vol.32,No.22023 年 3 月（179188）CT Theory and ApplicationsMar.,2023反射层精度和横向连续性较好，但算法运算耗时较长，且子波及时窗选取不当会导致提取的强反射不完整或去除有效信号的情况发生。基于上述对多种去强屏蔽方法的讨论分析，本文引入基于横向相关性的自适应加权平均多道算法，通过对强反射层进行局部拉平处理，减弱地层空间构造对提取强反射层的影响。然后引入相邻地震道与中心道之间的相关系数作为多道平均的权值，可以提高断层发育、地层起伏较大资料的匹配精度，改善横向连续性。理论模型测试和实际资料处理结果表明，本文所提出的改进方法具有更好的应用效果。1方法原理1.1匹配追踪算法原理s匹配追踪算法是一种常用的信号稀疏分解算法2，核心思想是通过在原子库中扫描时移、频率和相位等参数，选取与当前残差信号内积最大的原子，并在残差信号中减去该原子的分量来更新残差，并不断迭代循环这一过程，在一定的迭代次数或残差能量小于阈值时停止迭代17-18。对于希尔伯特空间内的原始信号 ，其算法第 1 次迭代可表述为：R1(s)=ss,g0g0，（1）R1(s)s,g0式中：表示经过一次迭代后的残差，表示原始信号和第 1 次迭代时所选取的原子的内积，然后继续以残差作为输入进行循环迭代，优选出最佳匹配原子。图1 为匹配追踪原理示意图，使用7 个Morlet子波合成输入信号，然后进行匹配追踪迭代分解，每次迭代都优选出与当前输入信号最佳匹配的原子，经过 7 次迭代后，重构信号能够较好地表示出原始信号，残差基本为随机噪声。1.2自适应加权平均多道匹配追踪原理2010 年，Wang11提出了多道匹配追踪3 步法求取子波。首先，对所选地震道附近 L 个残差地震道取平均：Rn1(y)=1LLi=1Rn1(si)，（2）Rn1(si)iRn1(y)R0(si)=siR0(y)=1LLi=1sinnunn式中：表示中心道附近第 个残差道，表示多道平均得到的平均残差道，第 1 次迭代时初始残差道 ，即 ，然后对其进行一次 Hilbert 变换，可以得到信号的瞬时频率 、相位 以及信号振幅包络中心处的时间延迟 ，然后以公式（3）为准则对尺度因子 进行遍历搜索最优值：gn=argmaxgnD|Rn1(y),gn|gn，（3）gn=gn,gn式中：D D 为冗余原子库，表示对原子进行归一化处理。然后以与相邻 L 道地震信号内积之和最大为标准，以上一步求得的初始参数为中心设置搜索范围，用公式（4）搜索最优化子波参数组合，迭代循环上述步骤直至信号残差小于预设阈值。02004006008001 0001 2001 400时间/ms原始地震道匹配得到的子波重构地震道残差图 1匹配追踪分解重构示意图Fig.1Schematic of matching pursuitdecomposition and reconstruction180CT 理论与应用研究32 卷gn=argmaxgnDLi=1|Rn1(si),gn|gn|。（4）多道匹配追踪算法可以较好地压制随机噪声，地震道之间的横向连续性也有了很大提升。但在断层等空间变化剧烈处由于相邻地震道之间的差异较大，公式（2）中直接平均后各个地震道的有效信息相互抵消衰减，对其进行时频分析求取的初始参数也会与最优值产生较大偏差。此外，在公式（4）中，由于多个道之间差异较大，匹配得到的子波将不能代表原始信号的特征，而是在多道信号中间进行“折中”来使得子波与多个道的内积之和尽可能地大，增大了算法的不稳定性。针对多道匹配追踪在地层构造复杂地区匹配效果不佳的问题19，本文提出自适应多道匹配追踪改进算法，其思想是首先以中间道为中心，对相邻道在时间维度上进行整体平移实现层拉平处理；然后对中间道和相邻的地震道进行相关运算得到相关系数，并且在处理后作为多道平均的权值。rki=sk(t)ski(t)，（5）rkisk(t)ski(t)式中：代表第 k 个中间道 与相邻的第 i 道 的相关系数。同时，为进一步增大有效信号的能量占比，设置阈值参数（01 之间），将得到的相关系数减去阈值参数后，扩大地震道之间相关性的差异：wki=(rki)1，（6）wkiwki 0式中：为每个相邻地震道进行加权平均时的权值（当 时令其等于 0），最后得到中间道：Rn1(y)=Li=1wkiRn1(si)Li=1wki。（7）图 2 展示了常规多道匹配追踪平均地震道方法和改进方法的实际效果。从图中可以看到常规方法处理的地震剖面在断层以及倾角较大处信号出现了失真，而使用新方法后，不仅有效压制了随机噪声，而且原始信号的特征信息也得到了很好的保留。R(n1)(y)随后对平均道 进行时频分析求取子波的三瞬信息，并将其作为匹配子波的初始参数。同时，将求解最优参数的公式（4）更新为：gn(t)=argmaxgnDLi=1wki|Rn1(si),gn(t)|gn(t)|。（8）01504100815012200道号时间/ms（a）原始模型01504100815012200道号时间/ms（b）直接对地震道做平均01504100815012200道号时间/ms（c）自适应加权平均图 2平均地震道模型测试结果Fig.2Seismic trace averaging results of the test model2 期王喜安等：自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用181由于计算每一道信号与求取子波的内积时约束了前面计算得到的相关系数，地震道的有效信息占有更大的比重，匹配得到的子波也更能体现原信号的特征。1.3构造约束强反射层分离方法地震记录在大多数情况下可视为多个地层界面对地震子波响应的叠加，在一组地层界面中，波阻抗较大的界面的地震响应将占主导作用，并且会压制附近地质界面的反射信息。为去除强反射界面的影响，必须准确地匹配出强反射的波形特征，通常我们选取 Morlet 子波对信号进行迭代分解，其表达式为：m(t)=exp(ln(2)2fm2(tu)22)exp(i(fm(tu)+)，（9）fm式中：为子波主频，u 为时间延迟，为尺度因子，为相位。u0为提高分离精度和运算效率，使用构造约束项，即一方面使用地震解释得到的强反射层位作为初始时间延迟 ，在保证匹配精度的同时减少搜索参数的个数。另一方面使用强反射的空间构造信息作为约束，使分解得到的强反射具有更好的空间连续性，其核心思想为在进行多道匹配时对选取的 L 道地震数据以中间道为基点进行局部层拉平处理，以获得波形特征平稳的地震信号：di=si(tti)，（10）siditisi式中：表示中心道附近所选地震道第 i 道，表示经过局部层拉平处理后的第 i 道，为冲击函数，为第 i 道层位相对中间道的时间延迟，可通过将 处的强反射层位时间减去中心道的层位时间得到。由于强反射可视为单一界面的地震响应，理论上只需要一次迭代，此时求取子波控制参数公式变为：gn(t)=argmaxgnDLi=1wki|di,gn(t)|gn(t)|。（11）最后，将匹配得到的强反射轴从原始地震记录中减去，达到压制强屏蔽、凸显弱储层的目的。2模型测试为验证本文方法的有效性，参照研究工区某一油藏剖面（图 3（a）以及相应的测井数据，建立二维含强反射速度模型（图 3（b）。然后对速度模型进行正演模拟，为模拟真实情况下子波随地层变化的特征，设置 Morlet 子波的主频范围为 2226 Hz，相位范围为-/10/10，采样间隔为2 ms，每道的子波都按照设置的参数范围随机生成一个子波，采用自激自收方式进行正演，然后加入 3 的高斯随机噪声后得到如图 4（a）所示正演剖面。B8B9B10油水界面K2t11K2t12K2t13围岩 12 800 m/s低速层2 700 m/s含油砂岩3 800 m/s围岩 3含水砂岩4 000 m/s4 000 m/s3 900 m/s围岩 4（a）油藏剖面（b）速度模型 图 3含强反射层地震速度模型Fig.3Seismic velocity model with strong reflection layer182CT 理论与应用研究32 卷从合成地震记录中可以看到，强反射信号过于突出，下方靠近低速层的砂体的有效反射信号受强反射同相轴影响识别困难。为了压制强反射突出有效反射，分别使用常规单道匹配追踪、多道匹配追踪以及本文自适应多道匹配追踪算法进行处理，结果如图 4 所示。图 4 中虚线为原始强反射层的层位示意线，从图中可以看出，常规的单道匹配追踪受噪声影响明显，导致在箭头所指等区域匹配精度不够好，在去除强反射后仍有少量强信号残余。使用常规多道匹配追踪进行去强反射后，发现多道匹配的精度相对更高，较好地压制了强反射干扰，同时匹配得到的强反射记录在横向连续性上要明显优于单道匹配追踪。然而在构造变化较大的地方，如图中箭头处，仍存在匹配子波不稳定和匹配精度不高的问题。而本文方法能够完整地匹配出强反射同相轴并将其去除，去除后地剖面中原来下方砂体被压制的弱信号得到有效凸显，并且相较于多道匹配追踪，整体匹配得到的强反射同相轴也具有较好的空间连续性。当然，也需要指出的是，由于需要进行层拉平处理以及使用层位时间作为子波初始时间延迟，本文方法对于解释层位的准确性要求较高。为进一步讨论本文方法的抗噪能力，对上述速度模型略作修改，设置与前文构建模型相同的子波参数，加入不同比例的高斯随机噪声，分别使用常规匹配追踪方法以及本文方法进行分解重构。从结果（图 5）中可以看出：在低噪情况下，常规匹配追踪和本文方法都能较好地重构出原始信号；当噪声能量达到 10 时，单道匹配追踪容易受噪声的影响匹配出虚假信号，而本文方法能在一定程度上压制随机噪声，减弱噪声对匹配结果的影响；加大噪声，进一步测试方法的抗噪性，当噪声能量达到 15 时，包括本文方法在内的所有方法均已出现了不可忽视的误差。3实际资料处理江苏油田某地区泰二段湖侵泥灰岩与围岩阻抗差异较大，在地震剖面上形成了明显的强反射同100120020300404006080100120140道号120406080100120140道号120406080100120140道号时间/ms100200300400时间/ms100200300400100200300400时间/ms120406080100120140道号时间/ms（a）合成地震记录（b）单道匹配处理结果（c）多道匹配处理结果 （d）本文方法处理结果图 4使用不同方法去强反射层结果Fig.4Results of using different methods to remove strong reflection layers2 期王喜安等：自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用183相轴。所选取的 B1 井标定及综合解释结果如图 6 所示，泰二段底有一高阻泥灰岩地层形成强反射屏蔽，下方泰一段薄储层的弱反射信号受强屏蔽层的压制较为明显，储层特征难以识别，增大了储层预测难度。0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0-2200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号0200402604806100812010140121601418016时间/ms地震道号（a）加入 5 随机噪声（b）单道匹配追踪重构结果（c）本文方法重构结果（d）加入 10 随机噪声（e）单道匹配追踪重构结果（f）本文方法重构结果（g）加入 15 随机噪声（h）单道匹配追踪重构结果（i）本文方法重构结果图 5理论模型分解重构结果对比Fig.5Comparison of theoretical model decomposition and reconstruction results薄油层K2t2K2t11K2t12K2t13K2 pB1 井图 6B1 井标定及综合解释结果Fig.6B1 well calibration and comprehensive interpretation results184CT 理论与应用研究32 卷为测试本文方法在解决实际问题时的可靠性，选取了一小块工区使用自适应加权多道匹配追踪进行去强屏蔽处理。首先通过对目的层的时频分析，确定主频在 22 Hz 左右，然后设置相位搜索范围为-/10/10，尺度参数设置为 0.17，使用 K2t2正极性解释层位时间作为子波初始时间延迟，分别使用常规方法和本文方法进行强屏蔽分离。通过分析处理前后的过 B7 井剖面以及 B1 井测井解释结果可知：由于泰二段的高阻泥灰岩的强反射屏蔽效应（图 7（a），下部储层的地震特征被掩盖而难以区分，而经过匹配追踪去强屏蔽处理后，泰一段储层的地震响应得到了凸显（图 7（c）和图 7（e）；同时储层的低 SP、GR 测井特征（图 6）也与地震特征更加对应。此外，从图 7（c）中我们也能看到，多道匹配追踪能够较好地去除强反射干扰，但在地层变化剧烈处仍存在匹配子波不稳定、横向连续性变差的现象。而使用层位约束的自适应加权多道匹配追踪进行强反射层的分离和去除后，强反射地震记录得到了有效地压制，并且在全区都具有较好的横向连续性（图 7（e）。图 8 为应用本文方法以及常规多道匹配追踪处理前后的沿层均方根振幅属性对比，其中，B2 井泰一段砂体厚度为 0 m，B4 井泰一段一砂组和二砂组砂体总厚 35 m，不含油，B5 井泰一段一砂组砂体厚度 56 m 且含油；其余井均发育砂体并且大多数含油。从图中我们可以看到，原始地震资料中强时间/ms11 650501 8501002 0501502 250200240（a）原始剖面时间/ms1 1 650501 8501002 0501502 250200240时间/ms11 650501 8501002 0501502 250200240时间/ms11 650501 8501002 0501502 250200240时间/ms11 650501 8501002 0501502 250200240（b）多道匹配得到的强反射（c）多道匹配处理结果（d）本文方法处理得到的强反射（e）本文方法处理结果 B7B7B7SPGRSPGRSPGR道号道号道号道号道号图 7实际资料去强屏蔽结果Fig.7Results of removing strong shielding in the practical data2 期王喜安等：自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用185反射层在工区大面积分布且能量非常之高，均方根振幅属性难以反映砂体的展布特征。在使用多道匹配追踪处理后，强反射能量得到了较好压制，但局部区域（图 8（b）中红色椭圆区域）仍存在强反射残留能量。而本文方法处理后，强反射能量得到了有效去除，井点砂体分布特征与均方根振幅属性具有较好的对应关系，储层信号的能量也得以凸显。4结论和认识与储层阻抗差异较大的围岩地层会屏蔽储层的弱反射信号，给储层精细描述和预测增添困难。本文针对多道匹配追踪在构造复杂处匹配精度和连续性不佳的问题，提出自适应多道匹配追踪方法。改进方法先对强反射层先进行拉平处理，再使用地震道间的相关系数作为多道匹配的权值，在保证匹配精度的同时提高了匹配结果的空间连续性和稳定性；并且使用解释得到的层位时间作为子波初始时间延迟，提升了运算效率。通过对二维地震模型的去强屏蔽试验验证了本文方法的可行性，实际资料的应用效果也体现出本方法相较于传统多道匹配在匹配精度和连续性方面有着较为明显的提升，使用本文方法去除强屏蔽后的地震均方根振幅属性更好地指示了砂体的空间分布，井震吻合度有了较大的提高。总体来讲，该方法实际应用效果显著，能为后续储层精细描述提供有力支撑。需要指出的是，使用解释层位作为初始时间可提高运算效率，但在解释层位不准确时匹配结果的可靠性也会受到影响。参考文献韩文功,张军华.弱反射地震信号特征及识别方法理论研究J.石油地球物理勘探,2011，46(2):232236.HAN W G,ZHANG J H.Theoretical study on the characteristics of weak reflection seismic signalsand identification methodsJ.Oil Geophysical Prospecting,2011,46(2):232236.(in Chinese).1朱博华,向雪梅,张卫华.匹配追踪强反射层分离方法及应用J.石油物探,2016，55(2):280287.ZHU B H,XIANG X M,ZHANG W H.Strong reflection horizons separation based on matching pursuitalgorithm and its applicationJ.Geophysical Prospecting for 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striping of coal-bed interference in Danoudi gasfieldJ.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(3):10481054.(inChinese).MALLAT S,ZHANG Z.Matching pursuit with time-frequency dictionariesJ.IEEE Transactions onSignal Processing,1993,41(12):33973415.6CHAKRABORTY A,OKAYA D.Frequency-time decomposition of seismic data using wavelet-basedmethodsJ.Geophisics,1995,60(6):19061916.7LIU J L,WU Y F,HAN D H,et al.Time-frequency decomposition based on Ricker waveletJ.SEGTechnical Program Expanded Abstracts,2004,23:19371940.8宋维琪,朱卫星,孙英杰.复数子波匹配追踪算法识别薄层砂体J.地球物理学进展,2007，22(6):17961801.SONG W Q,ZHU W X,SUN Y J.Identification of thin sand body by complex wavelet matching pursuitalgorithmJ.Progress in Geophysics,2007,22(6):17961801.(in Chinese).9WANG Y H.Seismic time-frequency spectral decomposition by matching pursuitJ.Geophysics,2007,72(1):V13V20.10WANG Y H.Multichannel matching pursuit for seismic trace 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期王喜安等：自适应多道匹配追踪去强屏蔽方法研究与应用187Adaptive Weight Multi-channel Matching PursuitAlgorithm-Based Strong Shielding Removal MethodWANG Xian1a,b,ZHANG Junhua1a,b,XIA Lianjun2,LUO Zhen2,HU Yifu1a,b,BAO Wei21.a).School of Geosciences;b).Key Laboratory of Deep Oil&Gas,China University ofPetroleum,Qingdao 2665802.Geophysical Technological Institute of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Nanjing 210046Abstract:The strata with large impedance differences are presented as strong amplitude seismic events on the seismic profile,which obscure useful information of nearby reservoirs and need interpretive target processing to remove the strong shielding.Therefore,this study proposes a multi-channel matching pursuit algorithm based on adaptive weight to remove strongshielding.Moreover,to address the problem of poor matching accuracy and spatial continuity of normal multi-channelmatching pursuit at area where strong tectonic changes occur,a multi-channel matching pursuit de-strong shielding methodbased on adaptive weights is proposed.First,we used the layer structure information to flatten the strong reflection layerlocally to weaken the influence of stratigraphic structure changes on the extraction of the strong reflection layer.Subsequently,we introduced a correlation coefficient between adjacent seismic traces and the central trace as the weight of multi traceaveraging,which improved the stability and lateral continuity of the matching results.The result analysis of model processingtests and practical seismic data application shows that the proposed method can effectively strip the strong reflections andhighlight the effective reservoir information;the well seismic match degree is significantly improved with higher matchingaccuracy,better spatial continuity,and better striping effect than those of the conventional matching pursuit algorithm.Keywords:seismic profile;lateral correlation;adaptive;multi-channel matching pursuit;de-strong shielding作者简介：王喜安，男，中国石油大学（华东）地质资源与地质工程专业硕士研究生，研究方向为叠后