稀疏约束反演多次波压制及偏移成像方法研究

发布时间：2020-08-13 21:38

【摘要】：在海洋地震勘探中,由于海水表面这个强反射界面的存在,使得自由表面多次波发育非常丰富。在传统海洋地震数据处理中,多次波一直被视为干扰信息,它的去除一直是难以有效解决的关键性问题。截止到目前,生产中常用的数据处理与解释方法都是基于一次波提出的。如果地震数据中的多次波未进行去除或是去除的不彻底,这都将对后期的处理带来干扰,例如在叠加剖面和偏移剖面中就会出现多次波串扰假象,对地质解释产生误导。所以,多次波的预测、匹配、及去除一直都是具有实际意义的研究课题。另一方面,随着人们对地震波场信息认识的加深,越来越多的学者提出,多次波已不再只能被视为一种干扰信息,它与一次波一样是经过地下传播所产生的地震波,其携带着地下的构造信息,如果对它加以利用可以提升对地下构造的照明。多次波相较于一次波在地下进行了多次传播,所以其反射角更大,观测孔径更大;另外多次波在地下有更多的传播路径,对于陡倾角构造及盐下覆盖有更好的照明路径,提升了地震观测的照明范围。因此,开展对地震数据中多次波利用的相关研究,提升地震数据的利用度是未来多次波发展的主要趋势。本文首先回顾了比较经典的自由表面多次波压制方法(SRME),分析了其核心算法并将其拓展到了三维,实现了3D SRME。此外,采用一种稀疏重构算法代替传统3D SRME中垂直测线方向多次波贡献累积求取过程,算法根据已有的垂直测线方向稀疏的地震数据,拾取每一个同相轴的菲涅尔带信息,利用多次波菲涅尔带的位置信息和振幅信息,实现多次波的重构。三维稀疏反演重构方法(3D MPSI)能够很好的适应三维海洋地震拖缆数据,有效地解决了地震数据稀疏的问题。传统的SRME方法是通过自适应匹配减去实现多次波去除的,这种方法基于最小平方原理,所以经常会出现多次波过匹配的问题。为克服这一问题,开展了基于地震数据稀疏表示的Curvelet多次波匹配方法研究,Curvelet变换具有多尺度、多方向性的特征,能够更好的实现多次波的匹配压制。此外又采用三次B样条函数对这种方法进行了改进,选取少量的未知数作为所求匹配系数的基点,对这些基点应用三次B样条函数进行数组重构,构建多次波、匹配系数与实际数据间的约束求解关系,采用BFGS方法进行迭代求解,实现了稀疏约束快速求解的多次波匹配算法。为避免传统意义上的多次波匹配过程,基于对地震数据矩阵的研究,又开展了两种多次波的处理方法研究,分别为稀疏反演一次波估计(EPSI)和反数据域一次波、多次波估计。采用L1范数约束替换传统EPSI中的L0范数约束,实现一次波脉冲响应和震源的迭代更新,省去了传统SRME方法过程中的匹配减去,避免引入人为因素的干扰,在一定程度上提升了所获得一次波的准确度。对传统反数据方法采用3D Curvelet稀疏变换和SPGL1稀疏解法进行改进,根据地震数据、表面相关算子和一次波脉冲响应的关系构建反演问题等式,利用L1范数约束将求逆问题转化为凸优化问题,采用SPGL1(L1谱梯度投影)算法对该反演问题进行求解。通过盐丘模型数据进行检验,发现该方法能够有效地识别自由表面多次波,并且求取的一次波同相轴能量更加集中,分辨率更高。在多次波利用方面,首先采用基于时域有限差分法的双程声波地震照明方法,引入多次波波场对地下复杂构造进行照明,实现了利用一次波、多次波对复杂地质构造pluto模型的照明分析研究。与传统照明方法进行对比,发现包含多次波的波场照明方法具有波场更为丰富、盐下构造照明更加清晰、照明阴影区明显减少等优点。进一步开展了多次波逆时偏移方法的研究,分析了多次波串扰假象产生的原因,仿效传统逆时偏移中的成像原理,实现了多次波分阶逆时偏移对多次波信息进行利用,避免了直接对包含多次波的整体数据进行偏移时产生串扰假象的问题。最后,根据玻恩近似将模型扰动量作为偏移成像结果,开展了包含多次波的全波场地震数据偏移方法研究。将多次波包含到反偏移算子中,构建全波场偏移的约束反演公式。利用SPGL1快速求解稀疏反演全波场偏移成像问题。利用合成数据进行测试,与传统逆时偏移方法进行对比,证明了该方法的优越性。对多次波的处理方法从最开始的作为干扰信息进行压制,逐步发展为将多次波信息加以利用,阐述了对多次波认识的一个发展历程。多次波的预测和分离为多次波分阶偏移成像提供了技术基础,多次波预测得越准确,带来的偏移成像结果质量就越高。最后通过改进偏移成像理念,构建稀疏反演的全波场偏移成像方法,实现了包含自由表面多次波的全波场偏移方法。本文所述的诸多方法都是基于稀疏变换、稀疏约束求解的过程,在地震数据处理中引入这些方法,很大程度的提升了数据处理的精度。通过模型数据和实际数据验证,上述的多次波预测、匹配减去、以及偏移成像都达到了一定的应用效果。多次波一直是海上地震数据处理中的重点、难点问题,对多次波的研究具有非常重要的理论和实际意义。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P631.46
【图文】：

示意图,多次波,一次波,示意图

吉林大学博士学位论文14图2.1 一次波和多次波示意图图2.1展示了震源激发地震波在地下介质传播的可视化过程，图中给出了三条可能的多次波传播路径。其中路径I中的地震波，从震源激发后经地下界面反射在地表被接收，形成了传统意义上的一次波记录；路径II中的波场经地下反射在地表没有被立刻接收，而是又发生了反射反传回地下，在地下又进行了一次旅行才被地表接收，这种至少在地表发生一次反射的再被记录的波场，称为表面相关多次波；路径III中的地震波场在上传过程中，遇到了波阻抗大的地下界面，又发生了一次反射，在地下介质中进行了多次往复传播，再被地表所接收，这种没有在地表发生反射的多次波称为层间多次波。在传统地震数据处理方法中

多次波,一次波,海底反射,同相轴

15（b）一次波（包含层间多次波）图2.2 地震波传播路径根据前人对多次波的研究，总结了一些识别多次波的规律，在常规地震数据叠加剖面中，多次波主要有以下几点特征：（1）多次波的同相轴表现出周期往复的特征。（2）多次波同相轴的倾角具有累加的特征，随着阶数的增加而变大。（3）地层内的小构造会引起多次波的聚焦和发散。（4）高阶多次波对反射界面振幅变换具有放大特点。（5）当多次波与一次波相遇时，会产生干涉响应。图2.3 某海上实际数据图2.3所示为某一海上实际地震剖面，图中蓝色线追踪的为海底一次波反射波，可以发现海底为一个由左向右下倾的地质构造，左侧的海底反射时间为0.2s，右侧的海底反射为1.6s。随着测线向右的延伸

实际数据,多次波

（4）高阶多次波对反射界面振幅变换具有放大特点。（5）当多次波与一次波相遇时，会产生干涉响应。图2.3 某海上实际数据图2.3所示为某一海上实际地震剖面，图中蓝色线追踪的为海底一次波反射波，可以发现海底为一个由左向右下倾的地质构造，左侧的海底反射时间为0.2s，右侧的海底反射为1.6s。随着测线向右的延伸，海水深度从300米增加到了1200米，这是典型的大陆架构造特征。图中采用绿色线追踪的为海底表面相关多次波

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