一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法，包括以下步驟：S1：在基于裂縫網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上用Hilbert變換計(jì)算復(fù)地震道；S2：計(jì)算復(fù)地震道的瞬時(shí)包絡(luò)、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率；S3：找到包絡(luò)最大值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置，得到Morlet小波振幅的估計(jì)值；S4：計(jì)算相應(yīng)時(shí)間處的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，得到裂縫介質(zhì)最優(yōu)化匹配Morlet小波相位角和主頻的估計(jì)值；S5：從原地震道中減去上述確定的Morlet小波的實(shí)部；S6：重復(fù)步驟S1至S5，直到剩余的地震道幅度小于給定的閾值為止。本發(fā)明的有益效果在于，提供一種自適應(yīng)性好、抗噪性強(qiáng)且時(shí)間和頻率分辨率可控性好的基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法。
【專利說明】
一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震勘探一直是降低油氣勘探風(fēng)險(xiǎn)和采油成本的主要方法。自上世紀(jì)80年代開 始，研究如何利用地震資料定量檢測(cè)裂縫油氣藏逐漸為世界各大石油公司所重視。到20世 紀(jì)90年代后期，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界基本達(dá)成共識(shí)，利用地震資料（包括縱波和橫波）可以有 效地預(yù)測(cè)裂縫的走向和相對(duì)分布規(guī)律，在裂縫檢測(cè)方法上，橫波勘探的效果應(yīng)該比縱波好， 但是難度較大，如震源破壞性強(qiáng)、信噪比低、記錄長(zhǎng)、靜校正困難、成本高等。盡管如此，因?yàn)?橫波攜帶更多的裂縫信息，在條件允許情況下，多波多分量勘探還是應(yīng)為首選。
[0003] 地震裂縫檢測(cè)的基本方法之一是利用地震各向異性所引起的橫波分裂和縱波方 位屬性變化來確定裂縫的走向和密度。Crampin等（1977)用反射率法制作了三分量合成地 震記錄，觀察到了橫波分裂現(xiàn)象，并通過橫波分裂研究指出：裂縫誘導(dǎo)的各向異性可能是地 殼中各向異性的主要原因。這種觀點(diǎn)也得到了 Thomsen的支持。在20世紀(jì)80年代之前， 針對(duì)各向異性的研究一直處于相對(duì)較冷階段。McCollum和Snell, Weatherby等，Ricker, White和Sengbush、Postma相繼觀察到了地震各向異性的實(shí)際存在。Postma(1955)闡述 了單層厚度明顯小于地震波波長(zhǎng)的薄層周期性組合（簡(jiǎn)稱PTL)可以等效為具有垂直對(duì)稱 軸的橫向各向同性介質(zhì)（簡(jiǎn)稱為VTI)。在這一理論的指導(dǎo)下，增加了勘探地震家對(duì)各向 異性的興趣，因?yàn)樾纬捎蜌獠氐某鶎油馔ǔＪ欠謱拥某练e巖。Bruggeman首次指出層狀 固體大都具有VTI各向異性，確定VTI各向異性需要5個(gè)參數(shù)，可以認(rèn)為，他就是周期性薄 層（PTL)模型的理論奠基人。Stoneley研究了陸棚結(jié)構(gòu)中地震各向異性的意義。Krey和 Hellig(1956)研究了 VTI薄層狀各向異性介質(zhì)中反射波的傳播規(guī)律。Backkus提出了弱各 向異性介質(zhì)中速度與巖性關(guān)系的公式。Crampin從面波頻散中發(fā)現(xiàn)了各向異性的證據(jù)，此后 他還深入地研究了地震面波在多層各向異性介質(zhì)中的傳播特性。
[0004] 國內(nèi)在裂隙與各向異性研究方面，起步較晚，但地震學(xué)和地震勘探工作者對(duì)各向 異性給予了高度重視并開展工作，發(fā)展較快。陳顒等利用物理模型分析裂隙介質(zhì)中的橫波 分裂；馮德益討論了裂隙雙相各向異性介質(zhì)中Christoffel方程；徐果明研究了橫向各向 同性介質(zhì)中的傳播矩陣及應(yīng)用；何樵登等進(jìn)行二維與三維橫向各向同性介質(zhì)（EDA和PTL) 中地震波的傳播規(guī)律和正、反演方面的研究；席道瑛、陳琳研究了巖樣的各向異性；張碧 星，王克協(xié)對(duì)各向異性雙相介質(zhì)中多極源聲波測(cè)井進(jìn)行了理論研究；姚陳等研究了反射率 法合成技術(shù)；董敏煜等研究了 EDA裂隙介質(zhì)各向異性的差分模擬法；徐中信、張中杰提出在 各向異性介質(zhì)中利用彈性參數(shù)進(jìn)行巖性勘探的設(shè)想；賀振華從巖石物理的角度對(duì)各向異性 特別是裂縫誘導(dǎo)的各向異性介質(zhì)進(jìn)行了深入的研究。
[0005] 進(jìn)入90年代后，陰可和楊慧珠（1997)研究了各向異性介質(zhì)中的AV0,分析了橫 向各向同性和方位各向異性的成因，討論了 AV0屬性關(guān)系以及在實(shí)際資料應(yīng)用中的相關(guān)問 題。朱培民等（2001)研究了用縱波AV0數(shù)據(jù)反演儲(chǔ)層裂縫密度參數(shù)，討論了彈性參數(shù)、各 向異性系數(shù)和裂縫參數(shù)之間的關(guān)系，導(dǎo)出了利用AVO反演裂縫密度的基本方程。Yongyi Li 等（2001)對(duì)HTI介質(zhì)中的方位AV0反演（AV0ZI)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。朱成宏等（2002)利 用裂縫介質(zhì)的速度橢圓特征提出了以全方位自適應(yīng)掃描技術(shù)為基礎(chǔ)的層間速度橢圓參數(shù) 反演分析技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)際資料。為了改進(jìn)RVA (振幅隨方位角變化）、VVA (速度隨方位角 變化）等方法分辨率和穩(wěn)定性的不足，曲壽利（2001)提出了波阻抗隨方位角變化（IPVA) 的方法，并應(yīng)用于羅家灣泥巖儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)中，取得與井吻合的裂縫預(yù)測(cè)效果。為了避免 受資料信噪比和地震子波的影響，張公社（2004)提出了非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨方位角變化 (PFVA)的方法，同樣在羅家灣泥巖儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)中取得可靠效果。Guan Luping等（2006) 采用AVAZ技術(shù)預(yù)測(cè)裂縫方位和裂縫密度，并將這一技術(shù)應(yīng)用于塔河油田縫洞體系的描述。 Wang Jiushuan等（2008)利用寬方位P波地震資料進(jìn)行AV0分析，有效刻畫了裂縫方位和 密度。Zhang Zhirang等（2009)利用P波方位各向異性屬性進(jìn)行裂縫檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了渤海灣 地區(qū)古生界潛山油氣藏的描述。
[0006] 相對(duì)于砂巖儲(chǔ)層，碳酸鹽巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出更強(qiáng)的非均質(zhì)性和地震各向異性，無論是 儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，還是地震反射的波場(chǎng)特征都與砂巖儲(chǔ)層具有明顯的區(qū)別。碳酸鹽巖縫洞 儲(chǔ)層地震各向異性分析和處理技術(shù)國內(nèi)尚處于起步階段，從測(cè)井評(píng)價(jià)到地震技術(shù)都沒有形 成有效的技術(shù)流程，尤其應(yīng)用多波資料通過地震衰減各向異性檢測(cè)儲(chǔ)層裂縫及流體，以滿 足勘探開發(fā)生產(chǎn)的急需，國內(nèi)尚無先例。地震衰減各向異性裂縫、流體識(shí)別技術(shù)等方面，國 內(nèi)基本屬于空白，因此，有必要進(jìn)一步開展應(yīng)用研究，填補(bǔ)這些空白。
[0007] 開展裂縫儲(chǔ)層的研究對(duì)非常規(guī)油氣藏和碳酸鹽巖油氣藏的勘探和開發(fā)具有十分 重要的意義。常規(guī)疊后幾何屬性能夠?qū)鄬蛹?jí)別的大裂縫及斷裂帶進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)小裂縫預(yù) 測(cè)需要開展疊前方位各向異性研究。常規(guī)的疊前方位屬性如方位AV0梯度、方位振幅、方位 速度衰減等對(duì)小裂縫尺度不敏感，不能很好的預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)裂縫尺度。而方位頻率衰減屬性對(duì) 裂縫尺度敏感，能夠很好的預(yù)測(cè)對(duì)產(chǎn)能有貢獻(xiàn)的優(yōu)勢(shì)裂縫。因此開展高分辨率的疊前方位 頻譜分解，是預(yù)測(cè)小裂縫的關(guān)鍵技術(shù)。
[0008] 譜分解的核心技術(shù)是地震信號(hào)的時(shí)頻分析技術(shù)，尋找能夠精確刻畫地震信號(hào)時(shí)頻 特征的方法是研究的重點(diǎn)。由于裂縫系統(tǒng)的幾何外形分布和內(nèi)部介質(zhì)與流體密度分布的不 同，其對(duì)應(yīng)的調(diào)諧頻率是不一樣的，因此對(duì)不同頻率分量的地震信號(hào)的反應(yīng)也不同。特定的 地質(zhì)體和裂縫發(fā)育網(wǎng)絡(luò)具有特定的時(shí)頻表征。常規(guī)的譜分解技術(shù)已經(jīng)不能滿足裂縫儲(chǔ)層分 頻需要。短時(shí)傅里葉變換（STFT)時(shí)頻分辨率由窗函數(shù)的長(zhǎng)度決定，而不同的時(shí)窗長(zhǎng)度將會(huì) 產(chǎn)生較大的差別，為應(yīng)用帶來困難。小波變換（WT)以其多分辨率的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng) 用，但其是在時(shí)間-尺度平面上展開的時(shí)頻分布，尺度與頻率之間的關(guān)系難以理解。小波變 換在高頻處有較好的時(shí)間分辨率，在低頻處有較好的頻率分辨率，但中頻到高頻這個(gè)頻率 段小波變換不能獲得較好的頻率分辨率。為了克服短時(shí)傅里葉變換和小波變換的缺陷，提 高信號(hào)的時(shí)頻分辨率和精度，1993年，St. Cphane和G. Mallat等人提出了匹配追蹤的概念。 由于它的自適應(yīng)的分解特點(diǎn)，能夠提供較好的時(shí)間、頻率分辨率。因此，基于匹配追蹤的譜 分解方法可以更準(zhǔn)確地刻畫地震信號(hào)的時(shí)頻特征，高分辨率特征能夠滿足小裂縫刻畫預(yù)測(cè) 精度。Liu等人先后提出了基于Ricker子波和Morlet小波匹配算法，選用Morlet小波作 為時(shí)頻原子，主要是因?yàn)镸orlet小波與地震子波具有相似性，可以通過Morlet伸縮、頻移 和調(diào)制來匹配實(shí)際地震數(shù)據(jù)，得到較好的分解結(jié)果。為了避免尋找最佳匹配子波時(shí)所需的 大量相關(guān)運(yùn)算，提高計(jì)算速度，本次研究技術(shù)采用基于裂縫時(shí)頻表征的一種簡(jiǎn)化的尋找最 佳匹配子波的方法，即認(rèn)為復(fù)地震道振幅達(dá)到最大時(shí)子波與地震信號(hào)匹配最佳，用這個(gè)時(shí) 刻的瞬時(shí)參數(shù)來確定匹配子波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷， 本發(fā)明提供一種自適應(yīng)性好、抗噪性強(qiáng)且時(shí)間和頻率分辨率可控性好的基于裂縫時(shí)頻表征 的匹配追蹤分頻方法。
[0010] 本發(fā)明提供了一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法，包括以下步驟：
[0011] S1 :在基于裂縫網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上用Hilbert變換計(jì)算復(fù)地震道；
[0012] S2 :計(jì)算復(fù)地震道的瞬時(shí)包絡(luò)、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率；
[0013] S3 :找到包絡(luò)最大值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置，得到Morlet小波振幅的估計(jì)值；
[0014] S4 :計(jì)算相應(yīng)時(shí)間處的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，得到裂縫介質(zhì)最優(yōu)化匹配Morlet小 波相位角和主頻的估計(jì)值；
[0015] S5 :從原地震道中減去上述確定的Morlet小波的實(shí)部；
[0016] S6 :重復(fù)步驟S1至S5,直到剩余的地震道幅度小于給定的閾值為止。
[0017] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本發(fā)明提供一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤 分頻方法，該方法中使用的匹配追蹤算法通過創(chuàng)建冗余的時(shí)頻原子庫，根據(jù)信號(hào)自身特點(diǎn) 將信號(hào)在時(shí)頻原子庫中進(jìn)行超完備展開，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自適應(yīng)分解。時(shí)頻原子與信號(hào)越相 似，信號(hào)的匹配追蹤分解效果就越好，Morlet時(shí)頻原子庫是地震信號(hào)匹配追蹤分解中常用 的時(shí)頻原子庫，Morlet的小波能很好地近似實(shí)際地震子波，由于Morlet小波的時(shí)寬和帶寬 隨著主頻變化而變化，因而匹配追蹤時(shí)頻分布表現(xiàn)出良好的自適應(yīng)性，但是由于Morlet時(shí) 頻原子庫的時(shí)頻分辨率固定，使得時(shí)頻表征結(jié)果的時(shí)頻分辨率單一，滿足不了實(shí)際研究中 要求時(shí)間分辨率和頻率分辨率分別可控的需要，特別是在薄層以及小裂縫描述中受到了限 制。在基于裂縫模型時(shí)頻表征的基礎(chǔ)上，尋求局部特征匹配最佳的Morlet小波，大大提高 了實(shí)際研究中的時(shí)間和頻率分辨率的可控性，提高計(jì)算速度同時(shí)滿足小裂縫研究需要。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將參照具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0019] 本發(fā)明實(shí)施例的一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法，該發(fā)明提供的匹配 跟蹤分配方法中使用的匹配追蹤算法的原理是：將非平穩(wěn)信號(hào)自適應(yīng)地分解為冗余字典中 的一系列小波或原子的線性組合，得到信號(hào)的稀疏分解表示，由于信號(hào)稀疏表示出的優(yōu)良 特性，故通過匹配追蹤算法可以在二維時(shí)頻分布平面獲得能量聚集性很高的時(shí)頻空間展布 特征，具體如下：
[0020] 假設(shè)D為進(jìn)行信號(hào)分解的過完備庫，D中的元素滿足D={gY e r}且||gY| =1。設(shè)信號(hào)為f(t)，gY。是D中與f(t)最為匹配的即內(nèi)積最大的一個(gè)，則f(t)可表示為 f (t) = <f (t)，g y 〇>g Y 〇+Rf⑴，式中Rf⑴是第一次匹配的殘差，之后在過完備庫D中繼 續(xù)尋找與Rf(t)最為匹配的一個(gè)基本函數(shù)gYl，則Rf (t) =〈Rf (t)，gYl>gYl+R2f (t)，式中， R2f(t)是第二次匹配后的殘差，在D中對(duì)殘差繼續(xù)匹配，第n次匹配后Rnf (t) = <Rnf (t)， gY九,Rn+1f(t)，將表達(dá)式進(jìn)行回代，可得f⑴的分解公式廳=^|鮮_，gYn > gYn+Rnf (t)，當(dāng)信號(hào)空間維數(shù)有限時(shí)，可得出上式的極限形式是fC_ =S=9fi-fC;i，gYn > gYn，利用上式可對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行匹配追蹤譜分解，利用迭代法不斷地尋找最佳匹配，直到 殘差低于預(yù)定閥值即可終止迭代，此即匹配追蹤算法的原理。
[0021] 從匹配追蹤算法的原理可以看出是匹配分解算法是一種重復(fù)迭代逼近的貪婪算 法，這必將導(dǎo)致計(jì)算量龐大。MP算法的計(jì)算量主要體現(xiàn)在3個(gè)方面即確定掃描原子方式的 原子字典索引方式、原子的生成和信號(hào)的分解過程。匹配追蹤快速算法可基于對(duì)信號(hào)的先 驗(yàn)信息在合適的原子字典里選擇適用的原子，減少原子參與計(jì)算的數(shù)目；之后對(duì)原子庫進(jìn) 行分析在誤差允許的情況下來設(shè)定合適迭代次數(shù)和閥值。
[0022] 匹配追蹤算法通過創(chuàng)建冗余的時(shí)頻原子庫，根據(jù)信號(hào)自身特點(diǎn)將信號(hào)在時(shí)頻原 子庫中進(jìn)行超完備展開，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自適應(yīng)分解。時(shí)頻原子與信號(hào)越相似，信號(hào)的匹配 追蹤分解效果就越好，Morlet時(shí)頻原子庫是地震信號(hào)匹配追蹤分解中常用的時(shí)頻原子庫。 Morlet的小波能很好地近似實(shí)際地震子波。假設(shè)地震數(shù)據(jù)可以分解為Morlet小波之和，即 d(t)~ ) + n 式中：d(t)為地震道，a為振幅,111;為第i階Morlet小波，其中fm為平均頻率，td為時(shí) 間延遲，-為相位角，n為噪音。表明地震信號(hào)可以看作是由帶有不同參數(shù)的Morlet小波的 線性組合與噪聲組成。振幅a可以由復(fù)地震道包絡(luò)的峰值估計(jì)得到，峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為 時(shí)間延遲t d估計(jì)，對(duì)應(yīng)時(shí)間處的瞬時(shí)相位可作為相位角的估計(jì)。在基于裂縫模型的時(shí)頻表 征基礎(chǔ)上，對(duì)于Morlet小波，瞬時(shí)頻率與平均頻率匕相等，因此可以用振幅峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間 處的瞬時(shí)頻率估計(jì)t，從而確定最佳匹配Morlet子波?；贛orlet小波匹配追蹤算法的 核心思想是用復(fù)地震道方法尋找最佳匹配的Morlet小波，將地震信號(hào)表示為一系列與地 震信號(hào)局部特征匹配最佳的Morlet小波的組合，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各子波的線性時(shí)頻表示 (如短時(shí)傅里葉變化）并疊加，從而得到地震信號(hào)時(shí)頻分辨率較高的時(shí)頻分布；具體算法流 程如下：
[0023] S1 :在基于裂縫網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上用Hilbert變換計(jì)算復(fù)地震道；
[0024] S2 :計(jì)算復(fù)地震道的瞬時(shí)包絡(luò)、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率；
[0025] S3 :找到包絡(luò)最大值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置，得到Morlet小波振幅的估計(jì)值；
[0026] S4 :計(jì)算相應(yīng)時(shí)間處的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，得到裂縫介質(zhì)最優(yōu)化匹配Morlet小 波相位角和主頻的估計(jì)值；
[0027] S5 :從原地震道中減去上述確定的Morlet小波的實(shí)部；
[0028] S6 :重復(fù)步驟S1至S5,直到剩余的地震道幅度小于給定的閾值為止。
[0029] 這樣原地震道就表不為一系列與地震信號(hào)局部特征匹配最佳的Morlet小波的組 合，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各子波的線性時(shí)頻表示并疊加，由此得到的時(shí)頻分布比直接對(duì)原數(shù)據(jù) 做時(shí)頻分析的時(shí)頻分辨率高，且具有一定的抗噪性。
[0030] 由于Morlet小波的時(shí)寬和帶寬隨著主頻變化而變化，因而匹配追蹤時(shí)頻分布表 現(xiàn)出良好的自適應(yīng)性，但是由于Morlet時(shí)頻原子庫的時(shí)頻分辨率固定，使得時(shí)頻表征結(jié)果 的時(shí)頻分辨率單一，滿足不了實(shí)際研究中要求時(shí)間分辨率和頻率分辨率分別可控的需要， 特別是在薄層以及小裂縫描述中受到了限制。在基于裂縫模型時(shí)頻表征的基礎(chǔ)上，尋求局 部特征匹配最佳的Morlet小波，大大提高了實(shí)際研究中的時(shí)間和頻率分辨率的可控性，提 高計(jì)算速度同時(shí)滿足小裂縫研究需要。
[0031] 最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其 限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解： 其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn) 行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方 案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于裂縫時(shí)頻表征的匹配追蹤分頻方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :在基于裂縫網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上用Hilbert變換計(jì)算復(fù)地震道； 52 :計(jì)算復(fù)地震道的瞬時(shí)包絡(luò)、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率； 53 :找到包絡(luò)最大值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置，得到Morlet小波振幅的估計(jì)值； 54 :計(jì)算相應(yīng)時(shí)間處的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，得到裂縫介質(zhì)最優(yōu)化匹配Morlet小波相 位角和主頻的估計(jì)值； 55 :從原地震道中減去上述確定的Morlet小波的實(shí)部； 56 :重復(fù)步驟Sl至S5步，直到剩余的地震道幅度小于給定的閾值為止。
【文檔編號(hào)】G01V1/28GK105891882SQ201410717118
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月1日
【發(fā)明人】邊樹濤, 李國超
【申請(qǐng)人】北京石大創(chuàng)新石油科技有限公司