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地震相干体技术

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地震 相干 技术
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储层地球物理实验室干体的概念2 相干体技术的历史3 相干体算法介绍相干体技术的应用注意事项5 相干体技术在油气勘探中的应用相干体的概念相干体技术 是利用地震信号相干值的变化来描述地层、岩性等的横向非均匀性,进而研究断层、微断裂的空间分布,地质构造异常及岩性的整体空间展布特征。相干体 是指由 三维 地震数据体经过相干处理而得到的一个新的数据体,其基本原理是在三维数据体中,求每一道每一样点处小时窗内分析点所在道与相邻道波形的相似性,形成一个表征相干性的三维数据体,即计算时窗内的数据相干性,把这一结果赋予时窗中心样点。 (相干体地震数据参数测试 :1. 相干体算法2. 时间孔径3. 倾角扫描间隔4. 空间孔径用相干体算法求每一道每一样点处的相干值相干体的概念由三维地震数据得到相干切片的方法三维地震数据相干体 沿解释层位提取的地震数据子体层拉平相干体计算相干水平切片相干时间切片提取给定时间的相干值 沿解释层位提取相干值相干体计算4主要内容1 相干体的概念2 相干体技术的历史3 相干体算法介绍相干体技术的应用注意事项5 相干体技术在油气勘探中的应用相干体技术的历史 相干体技术原来是 1995年由 相干体分析技术是当时地球物理界最具突破性的奇思妙想 , , “ 和 “  该技术揭示了波场的空间变化情况,直接从 3受任何解释误差的影响,极大地提高了解释精度,并能得到很多通常被忽略的重要信息,因而很快得到了广泛认可。 1996, 相干技术公司( 成功地将相干体技术商业化并拥有该技术唯一的许可证; 1999年, 2000 此后 ,相干体技术在地震油气勘探领域得到了广泛 的应用和发展 ,近年来又发展了 基于 几何结构张量的相干体技术等, 在与可视化结合 、与小波变换结合、 相干体的自动化解释研究等方面 都有较大发展,并向叠前地震数据应用的方向延伸。4主要内容1 相干体的概念2 相干体技术的历史3 相干体算法介绍相干体技术的应用注意事项5 相干体技术在油气勘探中的应用相干体算法介绍 第一代相干体技术:基于互相关的相干体技术 ( 第二代相干体技术:基于相似的相干体技术 ( 1)基于多道相似的相干体技术( 2)基于曼哈顿距离的波形相似性算法( 3)基于复地震道的相干体技术 第三代相干体技术:基于本征结构的相干体技术 ( 新一代相干体技术( 1)基于几何结构张量的相干体技术( 2)基于高阶统计量的相干体技术( 3)基于小波变换的多尺度相干体分析技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术第一代相干体技术: 基于互相关的相干体技术相关算法是根据随机过程的互相关分析,计算相邻地震道的互相关函数来反映同相轴的不连续性。这种算法只能有三道参与计算。在纵测线方向      112221, , , ,( , , , ), , , ,i i i i i iu t x y u t p x yC t p x yu t x y u t p x y    在横测线方向       113221, , , ,, , ,, , , ,i i i i i iu t x y u t q x yC t q x yu t x y u t q x y    地震道的空间组合模式第一代相干体技术: 基于互相关的相干体技术相关运算法计算速度相对较快,但由于参与计算的地震道数少,对于有相干噪声的资料,仅用两道数据确定视倾角会有很大误差。再者,三点互相关算法假设地震道是零平均信号,当相关时窗长度超过地震子波长度时,这种假设才基本成立,即要求窗口大于地震反射的最长周期,显然,这样降低了计算得到的相干体数据的垂向分辨率。振幅数据切片 i = 1 , 2)为第 i 道的自相关量; i = 1 , 2)为第 i 道和第 j 道的互相关量。视倾角( p , q) 中 p 和 q 分别为 x 方向和 y 方向上的地震道之间的时移量。沿视倾角( p , q) 的相干值 :定义一个以分析点为中心的包含 J 道的椭圆或矩形分析时窗 , 则 相干值 ,即 :式中:下标 j 表示落在分析时窗内的第 j 道; 示第 j 道与分析时窗内中心点 t 在 x 和 y 方向的距离 ; p 和 q 分别表示分析时窗内中心点 , 所在局部反射界面 x 和 以分析点为中心的椭圆分析窗口 以分析点为中心的矩形分析窗口212 211 ()( , , )1 ()j j ju t k t p x q t p qu t k t p x q          第二代相干体技术( 1)基于多道相似的相干体技术振幅数据切片 1)基于多道相似的相干体技术应用基于多道相似的算法可以对任意多道地震数据计算相干性,对地震资料的质量限制不是很严,能够较精确地计算有噪声数据的相干性、倾角和方位角。用一个适当大小的分析窗口,能够较好地解决提高分辨率和提高信噪比之间的矛盾,而用相关算法则不能解决这个问题。因此,该算法 具有较好的适用性和分辨率,而且具有相当快的计算速度 。对于地震数据体中的相干计算道 ,设 G 为中心道 , H 为相邻道 ,定义归一化的离计算公式为:式中 : n 为相关时窗长度(样点数), d 为地层倾斜时的时间延迟值, 相关时窗中点的时间样点值。在式中当中心道 相同时, 中心道 完全不相似即极性相反时, ;在其它情况下, 值介于 0与 1之间。基于归一化的 涉及普通相干计算中的两个随机信号的乘积运算,因此 具有较高的运算效率 。北偏东 45度 3点直线型道组合相干体切片 2/2/2/2/|)||(|||5度 3点直线型道组合相干体切片拐角型 3道组合相干体切片第二代相干体技术( 2)基于曼哈顿距离的波形相似性算法如果在小的垂向时窗内应用 基于多道相似的相干体算法, 在计算零值附近同相轴的相干体时会造成一些假象 , 一旦地震信号的振幅低于背景噪音 , 相干算法将识别为地震数据不相干 , 将产生低相干的假象。应用复地震道技术就可以解决这个问题 , 对应的相干体计算公式为 :式中: 上标 H 表示地震数据的希尔伯特变换或正交地震道。 当地震道的数据为零时 , 其对应的正交地震道数据的量值最大 ; 当正交地震道的数据为零时 , 其实际地震数据的量值最大 , 这样相干体的算法就比较稳定 , 保真性好。 221122111( ) ( )( , , )1 ( ) ( )K J K j j j j j k K j j j j ju t k t p x q y u t k t p x q t p qu t k t p x q y u t k t p x q                                     振幅数据切片 相干体切片第二代相干体技术( 3)基于复地震道的相干体技术该矩阵对应的协方差矩阵为:第三代相干体是通过计算地震数据体的本征值获得的。在算法分析中,首先从给定的分析时窗内提取多道地震数据生成样点矢量 , 由这些样点矢量构成矩阵:1 1 1 2 12 1 2 2 212 N Jd d dd d d d   21 1 2 11 1 121 2 2 21 1 112121 1 1N N Nn n n n n n n n n N J N J n Nn nJ n nJ n nd d d d dd d d d D d dd d d d d                    该协方差矩阵是一个对称的、半正定矩阵,其所有的本征值大于或等于 0。计算协方差矩阵的本征值和本征向量,那么基于本征结构相干性估计可定义为:m a x m a x m a j r C c    第三代相干体技术: 基于本征结构的相干体技术基于本征结构分析的相干体 算法 应用了主元素分析的思想,在主元素分析中,第一主元素总是通过协方差矩阵本征向量构成的立体角与发散椭球面长轴吻合。椭球面的主轴是由矩阵的本征向量确定的,本征值等于椭球面半轴长度。最大本征值反映了原始观测点信息的公共部分,即相干性。相同的两道及通过协方差矩阵本征向量构成的椭圆 1”“ 0”不同的两道及通过协方差矩阵本征向量构成的椭圆 1”“ 0”第三代相干体技术: 基于本征结构的相干体技术( a)振幅数据切片; ( b) ( c) ( c) 种相干算法比较第三代相干体技术: 基于本征结构的相干体技术本征算法是通过多道本征分解处理来计算波形相似性的一种方法, 虽然该 算法计算速度较低,但它 具有比相似系数算法更高的分辨率 。接着 ,使用方向导数构建梯度结构张量 :进行地震三维结构属性的研究,这种 几何结构张量包含了反射界面的倾角和方位角信息,可以稳健地估算时窗内分析点的反射界面的倾角和方位角 。 首先,计算三维数据体每一点梯度矢量:第三步,平滑张量矩阵 四步,计算平滑后的张量矩阵的特征值及相干值 :新一代相干体技术( 1)基于几何结构张量的相干体技术断层的自动识别( a)原始地震剖面及( b) a)振幅数据切片及( b) 1)基于几何结构张量的相干体技术高阶统计量 具有许多优点, 从 提高相干体算法抑制噪声的能力和减小计算量 的角度出发 ,陆文凯等人 将高阶统计量方法与相干体技术相结合 , 以 法为基础 , 提出了一种新的基于高阶统计量的相干体 (法 ,该算法仅需三道地震记录同时参与运算:式中: 是地震道 与 之间的时间延迟, 是地震道与 之间的时间延迟。最后得到的某一样点处的相干值为:1( , , )x y t  12( , , )x y t  11( , , )x y t  ( , , )x y t  2新一代相干体技术( 2)基于高阶统计量的相干体技术振幅数据切片 3算法相干体切片新一代相干体技术( 2)基于高阶统计量的相干体技术多分辨率分析又叫多尺度分析,其中小波变换是其主要的分析手段。同傅氏变换相比较,小波变换具有更好的局部化特性,可以任意调节空间的分辨率,即有“变焦”功能,被誉为数字上的显微镜。利用 小波变换可以很方便地进行多分辨率分析,从而进行精细的油藏描述和解释。将小波变换多尺度思想应用到相干体中,使小波多分辨率相干体在断层和裂缝的分频解释中见到更加明显的效果 。新一代相干体技术( 3)基于小波变换的多尺度相干体分析技术(a) (b) (c) (d) (e) (f)(a)原始地震剖面段 (b)-(f)不同频 段的小波分解王西文等将小波分析引人到相干计算中,首先利用小波域分频方法计算地震数据各个频带内的瞬时特征参数,然后用互相关算法计算各个频带内的地震相干数据体 ,最后通过重构系数,对一定频带内的相干体放大或缩小主要突出特定频段的相干体 ,分频重构的相干体易于突出被忽略的小断层信息。新一代相干体技术( 3)基于小波变换的多尺度相干体分析技术( a)低频相干切片 ( b)中频相干切片 ( c)高频相干切片将小波变换多尺度思想应用到相干体中,使小波多分辨率相干体在断层和裂缝的分频解释中见到更加明显的效果 。但小波变换方向性提取不足 ,只能在水平、垂直、对角线等几个有限的方向进行表示和检测 ,不能有效检测和表示信号中的线状变化特征。 特点和小波变换的多尺度 (点 ,具有很强的方向性 , 能为信号处理提供更多的信息。将曲波变换与相干算法相结合,可得到裂缝发育带的强度及走向分布图。裂缝描述岩石尺度微米至厘米级 地质尺度米级至千米级多尺度性矿物尺度纳米至微米级 地层尺度厘米至米级 裂缝张开度裂缝三要素裂缝密度裂缝走向裂缝发育带:裂缝较集中 、 裂缝密度比较大的岩体或围体 、 区带 。新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术离散 散反 多尺度性、多方向性具有任意角度的方向新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术1, ,1ˆ ˆˆ ˆ( , , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )b S w i b wj j j jc j l k a f w U S w e d w a f w S w U w e d w    实际分析中,为了突出某一特定频率段的地震数据体的特征,提出突出特定频段特征并兼顾地震数据的总体特特征的方法,给出了相应的曲波变换公式:根据需要突出的地质特征,对式中的加权系数取不同的值,再进行曲波反变换,就得到了突出特定频带的地震数据体。( b)合成地震记录(子波为 40 a) a)低频带地震数据 ( b)中频带地震数据 ( d)高频带地震数据新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术m a x m i n m a x( ( ) ( ) ) / ( )l l = C s C s C sm i n * ( / )F R = l p i 而导致 : 线与裂缝平行时振幅变化最强;随着测线与裂缝夹角的增大,振幅逐渐减弱;至测线与裂缝方向垂直时,振幅最弱。并且 均匀介质相比,表现为振幅降低的响应特征。据此可以对得到的方位相干数据体进行进一步的分析比较,寻找变化最强的数据子体及其所对应的方向,得到裂缝发育带及其走向的分布图。裂缝发育强度应用下式表示:其中, 表示 缝发育带走向也由此值所对应的方位所决定。 表示 裂缝发育强度还可以得到裂缝发育带走向分布图,由下式计算得到:表示 4)基于曲波变换的相干体分析技术新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术地震数据体个反映不同特征的相干体地震数据体据需要突出的特征不同,通过调整权值系数比例, 突出不同频率段的地质特征利用 合 计算断层裂缝发育强度及方向新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术地震数据输入分方向相干体计算参数设置曲波变换参数设置计算多尺度地震数据多尺度相干体计算参数设置多尺度相干体计算 分方向相干体计算多尺度相干体数据切片显示裂缝发育带强度数据切片显示 裂缝发育带走向数据分色标切片显示计算裂缝发育带走向及强度数据体计算裂缝发育带走向及强度参数设置曲波变换参数设置计算分方向地震数据曲波相干体计算技术流程图多尺度相干体分析技术新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术规相干体切片 尺度 相干体 切片尺度相干体切片尺度相干体切片新一代相干体技术( 4)基于曲波变换的相干体分析技术断裂与裂缝发育带方向切片断裂与裂缝发育带强度切片断裂及裂缝发育带强度和方向计算4主要内容1 相干体的概念2 相干体技术的历史3 相干体算法介绍相干体技术的应用注意事项5 相干体技术在油气勘探中的应用相干体技术的应用注意事项 时间孔径( 选取 倾角方位角 参数 的选取 空间孔径( 选取 应用地震相干数据体解释断层的局限性时间孔径(或时窗长度)是最重要的参数。大部分参数测试中都包含有得到最好时间孔径这一参数,此参数的建议范围为:大约是目标反射体最高频率波长的一半到最低频率的一个波长之间。 长时间孔径可以压制相干体内噪音,但是在较长的计算因子下,范围较窄的同相轴,如河道等将变的模糊不清。通常来说,当要高度突出地层特征或低角度断层时,应使用小的时间孔径;当要突出持续性地质特征,如高角度断层时,应使用较长的时间孔径。时间孔径的选取不同时间孔径时的 8窗长度为 442算法相干体切片时窗长度为 28窗长度为 44有关,则常规处理(频率 20~ 50震剖面中地震波视周期 0相干时窗小于 T/2时 ,由于相干时窗窄小,看不到一个完整的波峰或波谷,据此计算的相干数据往往反映的是噪声成分;而当相干时窗大于 3T/2时,相干时窗大、视野宽,可见多个同相轴 ,据此计算的相干数据往往反映的是波组的不连续性,均衡了许多细小变化;时窗接近于 T,成像效果最好。时窗长度为 60-3 +/-6 式,在此计算方式中,通这些小立方体( 计算每个小立方体的相似度,相似度最高的小立方体被认为具有正确的倾角和倾角-方位角。与倾角采样参数因子一样,必须提供主测线和联络测线方向的最大倾角与方位角,单位为毫秒 /道 。立方体 ( 同时在主测线和联络测线方向对称产生,也就是说,若倾角的最大值为 倾角在主测线和联络测线方向的最大范围为 角采样因子将控制倾角小立方体参与运算的数量。低采样率对于大部分地区来说是足够的;然而,在倾角陡峭以及具有不同倾斜方向的倾角的地区,应该增加倾角采样参数因子的数值。波形相似性的计算是沿着倾角面进行计算的,参与运算的倾角面是通过空间孔径中所定义的道数来确定的。在此倾角面上,道与道之间的波形差异是通过位于这个时间范围内的采样中心进行运算的。( a) 倾角选取示意图 ; ( b) p、 19 ax ms/19 ms/19 3ms 数时的相干体切片空间孔径的选取相干体通过地震道的空间组合,每个空间点的属性值反映的是原数据体中多道、多点信息。它实际上是将异常体的共性体现在每一个点上,是一种特殊的空间加权,因此,相干体在异常体的识别上有更高的信躁比和分辨率。地震道空间组合模式5 采用多少道组合,才能较好地反映出储集层的特征,如非均质性、裂缝发育方向、断层类型、岩性及含油气性的空间变化等。为了使平行于纵测线和横测线方向上的地质异常体在相干数据体中均有所反应,相关道要以计算相干值的采样点所在道为中心 (在纵测线和横测线上均有 )。从断层成像清晰度和随机噪声压制程度看,一般参与相干计算的道数越多,平均效应越大,对断层的分辨率越低,这时突出的主要是大断层;相反,相干道数少,平均效应小,就会提高对地层边界、断层、特别是突出了对小断层的分辨率。所以在计算地震相干性时要根据研究地质目的的不同来选择参与计算的相干道数。9 应用地震相干数据体进行断层的自动和半自动解释,首先要求地震资料的信噪比要高,否则无法利用不相干数据带进行断层解释。 引起低值异常的原因可能有如下几种:①断层及其附近;②地层或岩性变化,特殊的沉积体系;③地层倾角比较大;④缺少反射;⑤数据质量差等。不相干数据异常体可能代表小断层、小岩性异常体或灰岩缝洞等地质现象,所以应用地震相干数据体进行断层的自动和半自动解释时,要进行综合对比才能分辨清楚。 地震相干数据体不是对所有的断层都能识别:① 当垂直落差在一个视周期 层在地震相干数据体上反而没有反映。由于垂直断层为地震波视周期的整数倍,会造成波峰连波峰,相干系数大,因而在地震相干数据剖面上,不相干数据带有断层处没有反映,这给断层的自动解释带来一定的困难。② 相干数据体对大断层的倾斜断面反映不灵敏,这可能是受计算时窗短所限,还有可能是未作倾角扫描所致,这方面的工作有待深入研究。4主要内容1 相干体的概念2 相干体技术的历史3 相干体算法介绍相干体技术的应用注意事项5 相干体技术在油气勘探中的应用相干体技术在油气勘探中的应用 应用相干体技术进行沉积环境分析相同沉积环境中形成的地质体具有相似的结构,在地震剖面上反映为相似的波形特征。一般地 、高能环境下的沉积地层对应的地震波形相对紊乱。通过相干计算得知 ,在高能环境下沉积的地层所对应的反射同相轴的相似性较差,在低能环境下沉积的地层所对应的地震波形相对较连续 ,对应的反射波形在相邻道上 的相似性较好 ,这样可以通过相干体时间切片来分析沉积环境的变化。 应用相干体技术可以确定断层、砂体和复杂地质构造 ,还可以进行裂缝预测一般情况下 ,断层或波形畸变、地层或岩性所引起的地震属性的突变等,在相干体上都会产生一个窄条低值区 ,相干技术可用来识别地层边界 断层 、岩性尖灭 。将相干数据体进行可视化显示 ,则能更方便、快捷地识别出微小断层 ,可清晰地显示断层的空间形态与砂体的空间展布规律,为研究断层和砂体提供快捷的工具。相干体技术大大缩短了三维地震数据的解释周期。 用来查明复杂断块构造 ,发现微小圈闭 ,寻找有利的构造油气藏当沉积相单元发生变化时,地震反射波的特征必定发生相应的变化,因此可以利用相干体技术将地震特征的横向变化定量化,据此推断沉积相的变化和断裂的发育程度 ,确定有利的沉积相和构造带。目前,相干体技术在碳酸盐岩的岩溶储层预测中也取得了很好的应用效果。利用相干技术 ,可以突出那些相邻地震道资料的不连续性 ,压制连续性 ,使特殊的地质现象更加清晰,更易于解释。尤其是相干数据体的时间切片,比常规三维地震数据的时间切片所反映的地质异常现象更加清楚和直观。 断层识别地震波同相轴发生错动或波形横向变化,都将使得相干数值发生明显地变化,在相干切片上可直观地显示断层。相干体技术在油气勘探中的应用 岩性识别由于火山岩体区地震属性的相干性较差,可运用相干处理技术形成相干数据体和相干切片,其中相干性波动大,多数团状、非线状或非规律性片状的区域,是火山岩在相干体中的表现 。相干体技术在油气勘探中的应用 利用地震相干、倾角和方位角的叠合显示分析储层裂缝相干体切片,可直观地显示微断裂、裂缝的相对发育程度;显示地层厚度、岩性等变化所致的相干性差异 。层倾角和方位角图的线状或大小(色彩)变化反映了裂缝的发育状况,线状显示越密集、色彩越丰富,则预示裂缝越发育。相干切片和方位角叠合相干切片和倾角叠合相干体技术在油气勘探中的应用
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