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第2   2   卷        第1 期                                        地    球     物     理     学    进     展                               Vol .22 No .1
2007     年 2 月( 页码 :200 ~206)                                  PROGRESS I N GEOPHYSICS                                                 Feb . 2007




                                                      李景叶 ,2
                                                         1
                                                                   ,   陈小宏3
                                                                                   ,    芮振华3
         ( 1 . 中 国石 油 大学 石油 天 然 气 成 藏 机 理教 育 部 重 点 实 验 室 , 北 京 102249 ; 2 . 中 国 石 油 大 学 盆 地 与 油 藏 研 究 中 心 , 北 京 102249 ;
                                       3 . 中 国 石 油 大 学 CNPC 物 探 重 点 实 验 室 , 北 京 102249)

                    常规滤波方法对浅海多次波压制不能取 得理想 效果 . 通过改 变模型 表面边 界条件 , 求 解波动 方程实 现多情
     景地震数值模拟 . 利用自由边界条件模拟时获得 含海平 面强反 射多次 波地震 记录 , 而利 用吸收 边界条 件时得 到理想
     条件下无多次波地震记录 . 对比分析多次波对有效地震信号的影响得到海平面强 反射多次波 改变了有效地 震信号的
     振幅、频率和相位 . 利用归一化方法计算得到压制 多次波 滤波器 算子 , 并作用 于含海 平面强 反射多 次波地 震记录 . 叠
     加地震剖面对比分析表明 , 归一化滤波器算子较好的 压制了 地震记 录中的 多次波 , 提 高地震 资料分 辨率 . 最后 , 根据
     多次波产生条件 , 给出了利用实际区域简化地质 模型的 地震数 值模拟 结果计 算归一 化滤波 器算子 的方法 , 从 而利用
     该方法压制实际地震数据中多次波.
                    多次波 , 归一化 , 波动方程 , 数值模拟 , 滤波器算子
                         P631                              A                             1004- 2903( 2007) 01- 0200- 07

             Study on multiple attenuation m based on match filter
                                            ethod
                                            LI Jing- ye 1 , 2 , CHEN Xiao- hong 3 , RUI Zhen- hua3
     ( 1 . Key Laboratory f or Hydrocarbon Accumulation M echanis m, Ministry of Educati on , Chi na Petroleum University , Beijing 102249 , China;
                         2 . Basi n & Reservoir Researc h Center in Chi na Petroleum Uni versity , Beiji ng 102249 , Chi na ;
                   3 . Key Lab of Geophysical Ex plor ati on of CNPC , China Petrole um University , Bei ji ng 102249 , China)

     Abstract The conventional filtering method can not work well in marine seis m multiple attenuating for shallo w wa-
                                                                                  ic
     ter . Seis m num
                 ic    erical si mulationin different conditions was done by solving wave equation and changing the surface
     border conditions . Seism with multiple produced by strong reflection of sea surface can be modeled with free border
                                ic
     conditions , and seis m without multiple can be modeled with absorbing border conditions . That the multiple produce
                            ic
     by strong reflection of sea surface has changed amplitude , frequency and phase of the effective reflected wave , can be
     seen after the co mpare of seis m si mulated in different border conditions . The filtering operators for attenuating mul-
                                       ic
     tiple can be calculated by the normalized method , and then they are worked on the seis m with multiple . The co m
                                                                                                   ic                         -
     pares bet weenthe stacked seis m sections sho w that the nor m
                                        ic                             alized filtering operators work well in attenuating the
     seis m multiple , and the seis m resolutionis i mproved after process . Thereafter , according the conditions affecting
           ic                          ic
     the multiple , the method to calculate nor malized filtering operator for real seism acquired in shallo w sea fields is
                                                                                           ic
     presented . They can be calculated using seis m si mulated based on the si mplified model of real conditions , in which
                                                      ic
     the sea water depth, the shots’depth and the receivers’depth are more i mportant .
     Keywords multiple , nor malization, wave equation, numerical si mulation, filtering operator

                                                                               探中 , 由于海水较浅 , 使得多次波与一次波叠加在一
0     引          言
                                                                               起 , 难以区分 , 这严重影响了地震成像的真实性和可
         多次波压制问题是海洋油气地震勘探面临的最                                                  靠性 , 降低了地震资料解释的精度 . 对于开发地震技
有挑 战性 的问 题 之一
                                  [ 1 ~3]
                                            . 在 我国 浅海 油气 地震 勘                  术 , 短程多次波会使目的层反射波的振幅、频率和相


                 2006- 07- 10 ;           2006- 08-20 .
                  国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 40574048) 和 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划( 863 计 划 ( 2003A A602110 - 2) 联 合 资 助 .
                                        (                                          )
                  李 景 叶 , 男 ,1978 年 11 月 出 生, 山东 安 丘 人 , 讲 师, 博士 .2005 年 博士 毕 业 于 中 国 石 油 大 学( 北 京) 资 源 与 信 息 学 院 , 现 在 中 国 石 油 大 学
                 ( 北 京) 石 油 天 然气成 藏 机理 教 育部 重点 实 验室主 要 从 事 地 震资 料 处 理 、 释 与时移 地 震 研 究.( E- mail : ljy3605 @sina .co m)
                                                                               解
1   期                                            李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究                                       201

位发生畸变 , 从而导致油藏描述或油气预测的失败 .                                                   几年发展起来的完全匹 配层吸 收边 界条件(                 P ML) ,
多次波成为制约高精度地震勘探的主要瓶颈之一 .                                                      P ML 吸收边界条件因其理想的吸收效果 , 正得 到越
            目 前 , 压 制多 次波 的方 法有 很 多 , 大体 可分 为                                来越多的青睐[ 2 1 22] . 而对 于 上边 界 , 真 实 条 件下 是
                                                                                              ~



两大类 , 一类是基于多次波与有效波的差异 , 利用滤                                                  一种自由边界 , 正是由于这种边界的存在 , 地震数据
波方法进行多 次波 压制 , 比 较典 型 的方 法 有 Radon                                           中产生了来自海平 面强 反射 的多 次 波 , 在浅 海条 件
变换、 k 变 换、 测 反 褶 积、 ρ 变 换 和 聚 束 滤 波
  f-      预        τ
                   -                                                         下这种多次波并与 有效 的一 次 反射 波叠 加在 一起 ,
     . 另一 类是 基于 波动 理 论的 多次 波预 测减 去
等[ 4 ~7]                                                                     从而影响地震资料 的精 度和 分辨 率 . 为 了消 除来 自
法 , 该方法通过波场外推来模拟多次波 , 或叠前反演                                                  海平面强反射多次 波的 影响 , 获得 没有 多次 波的 理
来预测多次波 , 从而从地震记录中减去多次波 , 保留                                                  想的地震资料 , 在 地震 数值 模 拟时 采用 与左 右边 界
一次波
     [ 8 9]
            . 对于 前者 , 当 海水 深 度较 小 时 , 一 次 波
                 ~
                                                                             和下边界一样的吸 收边 界条 件 , 消 除因 海平 面强 反
与多次波叠加 , 周期性和时差差异都很小 , 因此压制                                                  射产生的多次波 , 从而 获得 理 想的 数值 模拟 地震 资
效果往往不理想 . 而对于后者由于震源稳定性问题、                                                    料.
计算量等还没有很 好的 解决 , 因此 其应 用范 围受 到                                                   为了 分析 多次波 对浅 海采 集地震 资料 的影响 ,
很大的限制
            [ 10 1 1]
                      . 本文基于波动方程数值模拟 获得
                              ~
                                                                             在建立地质模型之后 , 如图 1 所示 , 分别采用具有吸
吸收表面条件下无多次波地震数据和自由表面条件                                                       收上边界条件和具有自由表面边界条件的波动方程
下有多次波地震数 据 , 利用 地 震数 据归 一化 方法 压                                              进行地震数值模拟 , 模 拟单 炮地 震记 录如 图 2 和 图
制多次波 , 给出了 一种 新的 压 制浅 海采 集地 震资 料                                             3   所示 . 对比分析图 2 和图 3 可 以看出 , 浅 海地 震多
中多次波的方法 .                                                                    次波使一次有效反 射地 震波 的频 率、 幅和 相位 都
                                                                                                 振
                                                                             发生了畸变变化 , 因而 很大 程 度上 影响 了地 震资 料
1       波动方程 数值模拟
                                                                             的分辨率和精度 , 同时 也说 明 消除 多次 波影 响对 提
         地震数值模拟就是基于某个地质模型根据数学                                                高浅海采集地震资料分辨率至关重要 .
算法合成一组地震 记录 的过 程 . 地 震数 值模 拟的 方
法很多 , 如射线追踪法、褶积模型法和弹性波动方程
                                                                             2    归一化方 法压制多 次波

数值模拟法等 , 但 能准 确的 模 拟地 震波 在地 下介 质                                                  浅海 地震多 次波 的存 在 , 使一次 反射 地震 波发
中运动规律 , 并保 持地 震波 的 运动 学特 征和 动力 学                                             生了畸变 . 消除多 次波 影响 的 目标 就是 使压 制多 次
特征的模拟方法是 波动 方程 数值 模 拟 . 二维 空间 域                                              波后的地震资料与不含多次波的理想地震资料差异
内二维声波方程                           [ 12 ~1 3]
                                               可以表达为                         最小 , 即使目标泛函式( 2) 取极小值 .
         12 5 u
              2
                 2
                          =   5 u
                                 2
                                  2            2
                                       + 5 zu + δr) f ( t) ,
                                         5
                                            2   (                   ( 1)          D( t) = ‖Strue ( t)
                                                                                              - NS multi ( t) ‖ ,      ( 2)
         C 5t                 5x                                             式中 D( t) 是地震数据差异 , Strue ( t) 为 理想条件 下不
式中 , C 为 地 震 波 纵波 速 度 , u 为 波 场 压 力 , 函 数 δ                                  含多 次波 地震 记录 , S multi ( t) 为 含多 次波 地震 记录 ,
( r)    用于定位震 源所 在空 间的位 置 , 函数 f ( t) 用 于                                    N 为构 造 的算 子 . 上式 表 明 , 浅 海 地震 多 次波 压 制
定义震源在时间上 的特 征形 态 . 求 解波 动方 程的 方                                              问题实际上可以看作归一化问题
                                                                                                           [ 23 2 4]
                                                                                                             ~
                                                                                                                     .
法很多 , 如有限元法、                                                            ,但
                                                               [ 1 4]
            频谱法 和有限 差分 法等                                                       为了求取泛函式 2) 的极小值 , 对于离散地震信
                                                                                            (
因为有限差分法能较好的适应复杂地质构造且计算                                                       号的处理 , 可以计算一滤波器算子 , 通过滤波来消除
量相对较小 , 目前 成为 在实 际 中应 用最 为广 泛的 方                                             浅海地震资料多次 波 , 使滤 波 后地 震信 号资 料接 近
法之一
             [ 15 ~1 8]
                          .                                                  理想地震信号 , 即使( 3) 取极小值 , 即
         进行 波动方 程数 值模 拟时 , 只能 在有 限的 区域                                             N-   1           L-   1
                                                                                                                      2
内进行 , 这就不可避免的要求引入人为的边界条件 ,                                                   D= ∑ Strue( k) - ∑( N( m Smulti ( k - m )
                                                                                  0k=          0
                                                                                                     )
                                                                                                    m=
                                                                                                                    )
消除 因 在 有 限 区 域 内 模 拟 给 地 震 数 据 带 来 的 误                                        = m .
                                                                                 in                                    ( 3)
差  . 在二维条件 下 , 对 于计 算 区域 的 下 边界 和
    [ 19 ~2 2]
                                                                             式中 N 为 地震 道 长度 , L 为设 计 滤波 器算 子 长度 .
 右两边界需要采用吸收边界条件 , 消除边界反射
左、                                                                           计算泛函 D 关于 N( m) 的 导 数 , 并 令 其 为 零 , 可 以
对数值模拟结果的影响 , 吸收边界条件的种类很多 ,                                                   得到求解滤波器算子 N( m 的方程组 , 即
                                                                                                  )
但目前应用较广的是 Clayton 吸 收边界条 件和 最近
202                           地   球    物   理    学   进    展                       22   卷




      图1     地震数值模拟所用的浅海条件地质模型 ,( 海水深度 32 米 , 炮深25 米)
       Fig .1 Geological model in shallo w water condition for seism model
                                                                    ic
                    ( Water depthis 32 m, shot depth 25 m)




              图2    利用吸收上边界条件数值模拟得到的理想单炮地震记录
           Fig .2 Shot gather modeled in absorbing border condition on surface
1   期                 李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究                                       203




              图3    利用自由表面条件数值模拟得到的含多次波单炮地震记录
        Fig .3 Shot gather with multiples modeled infree border condition on surface




                            图4    不含多次波地震记录叠加剖面
                    Fig .4 The stacked seism section without multiple
                                            ic
204                                           地   球    物    理   学    进    展                                          22   卷




                                           图 5 含多次波地震记录叠加剖面
                                    Fig .5 The stacked seis m section with multiple
                                                             ic




                                  图 6 利用归一化滤波压制多次波后地震记录叠加剖面
                               Fig .6 The stacked seis m section after multiple attenuation
                                                        ic

  C( 0)         C -
                 (   1)    …     C1
                                 (     - L)                              N( 0)                A( 0)
  C( 1)          C( 0)     …     C 2 - L)
                                  (                                      N( 1)                A( 1)
                                                                                      =                    ,           ( 4)
      v            v       …         v                                     v                   v
C( L -    1)   C( L - 2)   …        C( 0)                              N( L -    1)       A( L -      1)
                                                                式中 , C( n) 为 含多 次 波地 震数 据 S multi (            k)   的 自相 关
1   期                                         李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究                                                             205

函数 , A(         n)   代表 理 想地 震 数据 Strue (                    k)   与 含多 次 波   海水深度和简化的 地质 模型 , 以及 实际 地震 数据 采
地震数据 S multi (         . 求解 上 面的 方
                        k)                                                   集观测系统 , 利用 波动 方程 数 值模 拟得 到无 多次 波
                                                  [ 25]
                                 的互 相关 函 数
程组可以得到滤波器算子 N( m , 并应用下式( 5) 将
                   )                                                         地震数据和含多次 波地 震数 据 , 通 过归 一化 计算 得
滤波器算子 应 用到 含 多次 波 的 地 震数 据 S multi ( k) ,                                    到压制多次波的滤 波器 算子 , 并作 用于 实际 地震 资
压制多次波 , 得到去除多次波后的地震记录S pro ( k)                                              料 , 压制海平面强反射多次波 , 从而提高浅海地震资
                        L-   1
                                                                             料分辨率 .
        Spro(   k) = ∑ N(          m S multi (
                                    )            k- m .
                                                     )                ( 5)
                      0 m=
                                                                             4       结      论
3       地震资料 试处理
                                                                                     ( 1)   波动方程数值模拟时 , 合理选择表面边界条
        为验证利用归一化方法压制浅海地震资料中多                                                 件 , 可以实现含多 次波 地震 记 录和 不含 多次 波地 震
次波方法的有效性 , 利 用图 1 所示 的地 质模 型进 行                                              记录数值模拟 .
了地震数值模拟 , 当上 边界 采 用自 由表 面边 界条 件                                                ( 2) 波动方程数值模拟表明 , 浅海条件下采集地
时 , 得到含有多次波地震数据 , 当上边界采用吸收边                                                  震资料 , 由于多次 波 的存 在 , 使得 地 震信 号振 幅、频
界条件时 得到 不 含 海 平 面强 反 射 多 次 波 的 地 震 记                                         率和相位都发生畸 变 , 很大 程 度上 影响 了地 震勘 探
录 . 对得到的地震 记录 在动 校 正后 共中 心点 道集 上                                             的分辨率和精度 .
做归一化处理 , 并 将得 到的 滤 波器 算子 作用 于含 多                                               ( 3) 归一化滤波法能较好的压制浅海条件下 , 海
次波地震记录 , 对 比分 析不 含 多次 波地 震记 录叠 加                                             平面强反射产生的多次波 , 提高地震资料分辨率 .
剖面 如图 4) 、
  (       含多次波地震记录叠加剖面 如图 5)
                      (                                                        ( 4) 实际地震资料处理中 , 归一化滤波器算子可
和利用归一化滤波压制多次波后地震记录叠加剖面                                                       以利用实际区域简化地质模型波动方程数值模拟得
(   如图 6) 可以看出 , 归一化滤波 后 , 地 震资 料中 多次                                        到的地震记录来求取 .
波得到很好的压制 , 地震资料分辨率明显提高 , 与吸
收边界条件下地震 记录 叠加 剖面 相 近 , 表明 本文 研
                                                                                                    ( References) :
究的多次波压制方 法取 得了 较好 的 效果 , 能 较好 的                                              [ 1]    黄 新 武 , 孙 春 岩 , 牛 滨 华 , 等 . 基 于 数 据 一 致 性 预 测 与 压 制自
                                                                                      由 表 面多 次 波 理 论 研 究 与 试 处 理[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2005 ,
                                                                                                    -
压制海平面强反射 产生 的多 次波 , 提高 叠加 地震 剖
                                                                                     48( 1) : 173 ~180 .
面质量 . 而该方法 的计 算量 相 对于 基于 波动 方程 多
                                                                             [ 2]     李 鹏 , 刘 伊 克 , 常 旭 , 等 . 多 次 波 问题 的 研 究 进 展[ J] . 地 球物
次波压制方法要小的多 , 可以应用实际生产 .                                                               理 学 进展 , 2006 , 21( 3) : 888 ~ 897 .
        但详细 对比图 4 和 图 6 可以 看出 , 压 制多 次波                                      [ 3]     张 军 华 , 吕 宁 , 田 连 玉 , 等 . 地 震 资 料 去 噪 方 法 技 术 综 合 评述

后的叠加剖面图 6 强反射轴的两侧仍有小的伪反射                                                             [ J] . 地 球 物 理 学 进 展 , 2006 , 21( 2) : 546 ~553 .
轴 , 这在一定程度上降低了地震分辨率 , 需要进一步                                                  [ 4]     刘 喜 武 , 刘 洪 , 李 幼 铭 . 高 分 辨 率 Radon 变 化方 法 及 其 在 地震
                                                                                      信 号 处理 中 的 应 用[ J] . 地 球 物 理 学 进 展 ,2004 ,19( 1) : 8 ~15 .
的提高 . 分析原因可知 , 海平面强反射产生的多次波
                                                                             [ 5]     王 典, 刘财 , 刘 洋, 等. 反 射 法 地 震 勘 探 噪 音 消 除 技 术 研 究
改变了有效地震波的振幅、频率和相位 , 传统的最小
                                                                                     [ J] . 地 球 物 理 学 进 展 , 2006 , 21( 3) : 957 ~970 .
二乘方法计算的归一化算子不能完全消除多次波对                                                       [ 6]     胡 天 跃 , 王 润 秋 , White R E . 地 震 资 料 处 理 中 的 聚 束 滤 波方
有效波的改变 , 为 此需 要对 传 统的 归一 化算 法进 行                                                      法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 4) : 105 ~115 .

进一步改进 . 通过分析传统归一化方法的适用范围 ,                                                   [ 7]     洪 菲 , 胡 天 跃 , 张 文 坡 , 等 . 用 优 化 聚 叔 滤 波 方 法 消 除 低 信 噪比
                                                                                      地 震 资料 中 的 多 次 波 . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 6) : 1106 ~
针对传统算法的不 足 , 金龙 等 人提 出基 于误 差准 则
                                                                                     1110 .
与循环迭代的归一化算子求 解方法     , 该 算法 应用                            [ 26]
                                                                             [ 8]     张 军 华 , 吕 宁 , 雷 凌 , 等 . 抛 物 线 拉 冬 变 换 消 除 多 次 波 的 应用
于本文多次波压制 方法 的研 究正 在 进行 中 , 应用 该                                                       要 素 分析[ J] . 石 油 地 球 物 理 勘 探 ,2004 ,39( 4) : 398 ~  405 .
方法对实际地震资料进行多次波压制处理的研究以                                                       [ 9]     刘 伊 克 , Sun H H , 常 旭 . 基 于 波 射 线 路 经 偏 移 压 制 多 次 波

及处理过程中振幅 保持 问题 的研 究 也在 进行 中 , 研                                                      [ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 4) : 697 ~701 .
究结果将及时的在另文发表 .                                                               [ 10]      牛滨 华 , 沈 操 , 黄 新 武. 波 动 方 程 多 次 波 压 制 技 术 的 进 展
                                                                                       [ J] . 地 球 物 理学 进 展 ,2002 ,17( 3) : 480 ~485 .
        在实 际地震 勘探 中 , 理想 的无多 次波 地震 记录
                                                                             [ 11]      陆 文 凯 , 骆 毅 , 赵 波 , 等 . 基 于 独 立 分 量 分 析的 多次 波 自 适 应
是不存在的 . 但是 , 海平 面强 反射 多 次波 , 只 与海 水                                                     相 减 技 术[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 5) : 886 ~891 .
深度、
  检波 器 深 度、 点 深 度 以 及 偏 移 距 等 因 素 有
           炮                                                                 [ 12]      吴 清 岭 , 张 平 , 施 泽 龙 . 波 动方 程 正 演 模 型及 应 用[ J] . 大庆

关 , 而与地下介质情况无关 , 因此可以利用实际区域                                                             石 油 地 质 与 开 发 ,1998 ,17( 3) : 35 ~37 .
206                                                       地     球   物     理    学      进    展                                                  22   卷

[ 13]   殷文 , 印 兴耀, 吴 国 忱, 等. 高 精 度 频率 域 弹 性 波 方 程有 限                                    691 ~698 .
        差 分 方 法及 波 场 模 拟[ J]       .   地 球 物 理 学 报 ,2006 ,   49( 2) : 561       [ 20]    田 小 波 , 吴 庆 举 , 曾 融 生 . 弹 性 波 数 值 模 拟 的 延 迟 边 界 方法
        ~568 .                                                                          [ J] . 地 球 物 理学 报 ,2004 , 47( 2) : 268 ~273 .
[ 14]   廖振 鹏, 周正华 , 张 艳红. 波 动 数值 模 拟 中 透射 边 界 的 稳定                              [ 21]   Berenger J P . A perf ectly matc hed layer f or absorpti on of e-
        实 现[ J]   .   地 球 物 理 学 报 ,2002 ,   45( 4) : 533 ~545 .                         lectro magnetics waves[ J] . J. Co mput . Phys . , 1994 , 114 :
[ 15]   贾 晓 峰 , 胡 天 跃 . 滑 动 最 小 二 乘 法 求 解 地 震 波 波 动 方 程[ J]             .               185 ~200 .
        地 球 物 理学 进 展 ,2005 ,      20( 4) : 920 ~924 .                           [ 22]    王 守 东 . 声 波 方 程 完 全 匹 配 层 吸 收边 界 J] . 石 油 地 球 物 理勘
                                                                                                                                 [
[ 16]    Kell y K R . Synthetic seis mograms : A finite- difference ap-                  探 , 2003 , 38( 1) : 31 ~34 .
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         解 法 稳 定性 研 究[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 6) : 856 ~                  [ 24]    梁 锦 文 . 位 场 小 波 分 析 的 物 理 解 释[ J] . 地 球物 理 学 报 ,2001 ,
        864 .                                                                           44( 6) : 865 ~870 .
[ 18]    孙卫 涛, 杨慧珠 . 各 向异性 介质 弹 性波 传 播的 三 维不 规 则网                               [ 25]    李 蓉 , 胡 天 跃 . 时 移 地 震 资 料 处 理 中 的 互 均 化 技 术[ J] . 石油
         格 有 限 差分 方 法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 2) : 332 ~                           地 球 物 理 勘 探 , 2004 , 39( 4) : 425 ~  427 .
        337 .                                                                   [ 26]    金 龙 , 陈 小 宏 , 李 景 叶 . 基 于 误 差 准 则 和 循 环 迭 代 的 时 移地
[ 19]    刘洋 , 李 承楚, 牟永 光. 双 相 横 向各 向 同 性 介质 分 解 面 上弹                                     震 匹 配 滤 波方 法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2005 , 48( 3) : 698 ~      703 .
         性 波 反 射与 透 射 问题 研 究[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 5) :




                                                                            2007
                      各期刊订户 :
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Study on multiple attenuation method based on match filter

  • 1. 第2 2 卷 第1 期 地 球 物 理 学 进 展 Vol .22 No .1 2007 年 2 月( 页码 :200 ~206) PROGRESS I N GEOPHYSICS Feb . 2007 李景叶 ,2 1 , 陈小宏3 , 芮振华3 ( 1 . 中 国石 油 大学 石油 天 然 气 成 藏 机 理教 育 部 重 点 实 验 室 , 北 京 102249 ; 2 . 中 国 石 油 大 学 盆 地 与 油 藏 研 究 中 心 , 北 京 102249 ; 3 . 中 国 石 油 大 学 CNPC 物 探 重 点 实 验 室 , 北 京 102249) 常规滤波方法对浅海多次波压制不能取 得理想 效果 . 通过改 变模型 表面边 界条件 , 求 解波动 方程实 现多情 景地震数值模拟 . 利用自由边界条件模拟时获得 含海平 面强反 射多次 波地震 记录 , 而利 用吸收 边界条 件时得 到理想 条件下无多次波地震记录 . 对比分析多次波对有效地震信号的影响得到海平面强 反射多次波 改变了有效地 震信号的 振幅、频率和相位 . 利用归一化方法计算得到压制 多次波 滤波器 算子 , 并作用 于含海 平面强 反射多 次波地 震记录 . 叠 加地震剖面对比分析表明 , 归一化滤波器算子较好的 压制了 地震记 录中的 多次波 , 提 高地震 资料分 辨率 . 最后 , 根据 多次波产生条件 , 给出了利用实际区域简化地质 模型的 地震数 值模拟 结果计 算归一 化滤波 器算子 的方法 , 从 而利用 该方法压制实际地震数据中多次波. 多次波 , 归一化 , 波动方程 , 数值模拟 , 滤波器算子 P631 A 1004- 2903( 2007) 01- 0200- 07 Study on multiple attenuation m based on match filter ethod LI Jing- ye 1 , 2 , CHEN Xiao- hong 3 , RUI Zhen- hua3 ( 1 . Key Laboratory f or Hydrocarbon Accumulation M echanis m, Ministry of Educati on , Chi na Petroleum University , Beijing 102249 , China; 2 . Basi n & Reservoir Researc h Center in Chi na Petroleum Uni versity , Beiji ng 102249 , Chi na ; 3 . Key Lab of Geophysical Ex plor ati on of CNPC , China Petrole um University , Bei ji ng 102249 , China) Abstract The conventional filtering method can not work well in marine seis m multiple attenuating for shallo w wa- ic ter . Seis m num ic erical si mulationin different conditions was done by solving wave equation and changing the surface border conditions . Seism with multiple produced by strong reflection of sea surface can be modeled with free border ic conditions , and seis m without multiple can be modeled with absorbing border conditions . That the multiple produce ic by strong reflection of sea surface has changed amplitude , frequency and phase of the effective reflected wave , can be seen after the co mpare of seis m si mulated in different border conditions . The filtering operators for attenuating mul- ic tiple can be calculated by the normalized method , and then they are worked on the seis m with multiple . The co m ic - pares bet weenthe stacked seis m sections sho w that the nor m ic alized filtering operators work well in attenuating the seis m multiple , and the seis m resolutionis i mproved after process . Thereafter , according the conditions affecting ic ic the multiple , the method to calculate nor malized filtering operator for real seism acquired in shallo w sea fields is ic presented . They can be calculated using seis m si mulated based on the si mplified model of real conditions , in which ic the sea water depth, the shots’depth and the receivers’depth are more i mportant . Keywords multiple , nor malization, wave equation, numerical si mulation, filtering operator 探中 , 由于海水较浅 , 使得多次波与一次波叠加在一 0 引 言 起 , 难以区分 , 这严重影响了地震成像的真实性和可 多次波压制问题是海洋油气地震勘探面临的最 靠性 , 降低了地震资料解释的精度 . 对于开发地震技 有挑 战性 的问 题 之一 [ 1 ~3] . 在 我国 浅海 油气 地震 勘 术 , 短程多次波会使目的层反射波的振幅、频率和相 2006- 07- 10 ; 2006- 08-20 . 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 40574048) 和 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划( 863 计 划 ( 2003A A602110 - 2) 联 合 资 助 . ( ) 李 景 叶 , 男 ,1978 年 11 月 出 生, 山东 安 丘 人 , 讲 师, 博士 .2005 年 博士 毕 业 于 中 国 石 油 大 学( 北 京) 资 源 与 信 息 学 院 , 现 在 中 国 石 油 大 学 ( 北 京) 石 油 天 然气成 藏 机理 教 育部 重点 实 验室主 要 从 事 地 震资 料 处 理 、 释 与时移 地 震 研 究.( E- mail : ljy3605 @sina .co m) 解
  • 2. 1 期 李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究 201 位发生畸变 , 从而导致油藏描述或油气预测的失败 . 几年发展起来的完全匹 配层吸 收边 界条件( P ML) , 多次波成为制约高精度地震勘探的主要瓶颈之一 . P ML 吸收边界条件因其理想的吸收效果 , 正得 到越 目 前 , 压 制多 次波 的方 法有 很 多 , 大体 可分 为 来越多的青睐[ 2 1 22] . 而对 于 上边 界 , 真 实 条 件下 是 ~ 两大类 , 一类是基于多次波与有效波的差异 , 利用滤 一种自由边界 , 正是由于这种边界的存在 , 地震数据 波方法进行多 次波 压制 , 比 较典 型 的方 法 有 Radon 中产生了来自海平 面强 反射 的多 次 波 , 在浅 海条 件 变换、 k 变 换、 测 反 褶 积、 ρ 变 换 和 聚 束 滤 波 f- 预 τ - 下这种多次波并与 有效 的一 次 反射 波叠 加在 一起 , . 另一 类是 基于 波动 理 论的 多次 波预 测减 去 等[ 4 ~7] 从而影响地震资料 的精 度和 分辨 率 . 为 了消 除来 自 法 , 该方法通过波场外推来模拟多次波 , 或叠前反演 海平面强反射多次 波的 影响 , 获得 没有 多次 波的 理 来预测多次波 , 从而从地震记录中减去多次波 , 保留 想的地震资料 , 在 地震 数值 模 拟时 采用 与左 右边 界 一次波 [ 8 9] . 对于 前者 , 当 海水 深 度较 小 时 , 一 次 波 ~ 和下边界一样的吸 收边 界条 件 , 消 除因 海平 面强 反 与多次波叠加 , 周期性和时差差异都很小 , 因此压制 射产生的多次波 , 从而 获得 理 想的 数值 模拟 地震 资 效果往往不理想 . 而对于后者由于震源稳定性问题、 料. 计算量等还没有很 好的 解决 , 因此 其应 用范 围受 到 为了 分析 多次波 对浅 海采 集地震 资料 的影响 , 很大的限制 [ 10 1 1] . 本文基于波动方程数值模拟 获得 ~ 在建立地质模型之后 , 如图 1 所示 , 分别采用具有吸 吸收表面条件下无多次波地震数据和自由表面条件 收上边界条件和具有自由表面边界条件的波动方程 下有多次波地震数 据 , 利用 地 震数 据归 一化 方法 压 进行地震数值模拟 , 模 拟单 炮地 震记 录如 图 2 和 图 制多次波 , 给出了 一种 新的 压 制浅 海采 集地 震资 料 3 所示 . 对比分析图 2 和图 3 可 以看出 , 浅 海地 震多 中多次波的方法 . 次波使一次有效反 射地 震波 的频 率、 幅和 相位 都 振 发生了畸变变化 , 因而 很大 程 度上 影响 了地 震资 料 1 波动方程 数值模拟 的分辨率和精度 , 同时 也说 明 消除 多次 波影 响对 提 地震数值模拟就是基于某个地质模型根据数学 高浅海采集地震资料分辨率至关重要 . 算法合成一组地震 记录 的过 程 . 地 震数 值模 拟的 方 法很多 , 如射线追踪法、褶积模型法和弹性波动方程 2 归一化方 法压制多 次波 数值模拟法等 , 但 能准 确的 模 拟地 震波 在地 下介 质 浅海 地震多 次波 的存 在 , 使一次 反射 地震 波发 中运动规律 , 并保 持地 震波 的 运动 学特 征和 动力 学 生了畸变 . 消除多 次波 影响 的 目标 就是 使压 制多 次 特征的模拟方法是 波动 方程 数值 模 拟 . 二维 空间 域 波后的地震资料与不含多次波的理想地震资料差异 内二维声波方程 [ 12 ~1 3] 可以表达为 最小 , 即使目标泛函式( 2) 取极小值 . 12 5 u 2 2 = 5 u 2 2 2 + 5 zu + δr) f ( t) , 5 2 ( ( 1) D( t) = ‖Strue ( t) - NS multi ( t) ‖ , ( 2) C 5t 5x 式中 D( t) 是地震数据差异 , Strue ( t) 为 理想条件 下不 式中 , C 为 地 震 波 纵波 速 度 , u 为 波 场 压 力 , 函 数 δ 含多 次波 地震 记录 , S multi ( t) 为 含多 次波 地震 记录 , ( r) 用于定位震 源所 在空 间的位 置 , 函数 f ( t) 用 于 N 为构 造 的算 子 . 上式 表 明 , 浅 海 地震 多 次波 压 制 定义震源在时间上 的特 征形 态 . 求 解波 动方 程的 方 问题实际上可以看作归一化问题 [ 23 2 4] ~ . 法很多 , 如有限元法、 ,但 [ 1 4] 频谱法 和有限 差分 法等 为了求取泛函式 2) 的极小值 , 对于离散地震信 ( 因为有限差分法能较好的适应复杂地质构造且计算 号的处理 , 可以计算一滤波器算子 , 通过滤波来消除 量相对较小 , 目前 成为 在实 际 中应 用最 为广 泛的 方 浅海地震资料多次 波 , 使滤 波 后地 震信 号资 料接 近 法之一 [ 15 ~1 8] . 理想地震信号 , 即使( 3) 取极小值 , 即 进行 波动方 程数 值模 拟时 , 只能 在有 限的 区域 N- 1 L- 1 2 内进行 , 这就不可避免的要求引入人为的边界条件 , D= ∑ Strue( k) - ∑( N( m Smulti ( k - m ) 0k= 0 ) m= ) 消除 因 在 有 限 区 域 内 模 拟 给 地 震 数 据 带 来 的 误 = m . in ( 3) 差 . 在二维条件 下 , 对 于计 算 区域 的 下 边界 和 [ 19 ~2 2] 式中 N 为 地震 道 长度 , L 为设 计 滤波 器算 子 长度 . 右两边界需要采用吸收边界条件 , 消除边界反射 左、 计算泛函 D 关于 N( m) 的 导 数 , 并 令 其 为 零 , 可 以 对数值模拟结果的影响 , 吸收边界条件的种类很多 , 得到求解滤波器算子 N( m 的方程组 , 即 ) 但目前应用较广的是 Clayton 吸 收边界条 件和 最近
  • 3. 202 地 球 物 理 学 进 展 22 卷 图1 地震数值模拟所用的浅海条件地质模型 ,( 海水深度 32 米 , 炮深25 米) Fig .1 Geological model in shallo w water condition for seism model ic ( Water depthis 32 m, shot depth 25 m) 图2 利用吸收上边界条件数值模拟得到的理想单炮地震记录 Fig .2 Shot gather modeled in absorbing border condition on surface
  • 4. 1 期 李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究 203 图3 利用自由表面条件数值模拟得到的含多次波单炮地震记录 Fig .3 Shot gather with multiples modeled infree border condition on surface 图4 不含多次波地震记录叠加剖面 Fig .4 The stacked seism section without multiple ic
  • 5. 204 地 球 物 理 学 进 展 22 卷 图 5 含多次波地震记录叠加剖面 Fig .5 The stacked seis m section with multiple ic 图 6 利用归一化滤波压制多次波后地震记录叠加剖面 Fig .6 The stacked seis m section after multiple attenuation ic C( 0) C - ( 1) … C1 ( - L) N( 0) A( 0) C( 1) C( 0) … C 2 - L) ( N( 1) A( 1) = , ( 4) v v … v v v C( L - 1) C( L - 2) … C( 0) N( L - 1) A( L - 1) 式中 , C( n) 为 含多 次 波地 震数 据 S multi ( k) 的 自相 关
  • 6. 1 期 李景叶 , 等 : 基于匹配滤波的多次波压制方法研究 205 函数 , A( n) 代表 理 想地 震 数据 Strue ( k) 与 含多 次 波 海水深度和简化的 地质 模型 , 以及 实际 地震 数据 采 地震数据 S multi ( . 求解 上 面的 方 k) 集观测系统 , 利用 波动 方程 数 值模 拟得 到无 多次 波 [ 25] 的互 相关 函 数 程组可以得到滤波器算子 N( m , 并应用下式( 5) 将 ) 地震数据和含多次 波地 震数 据 , 通 过归 一化 计算 得 滤波器算子 应 用到 含 多次 波 的 地 震数 据 S multi ( k) , 到压制多次波的滤 波器 算子 , 并作 用于 实际 地震 资 压制多次波 , 得到去除多次波后的地震记录S pro ( k) 料 , 压制海平面强反射多次波 , 从而提高浅海地震资 L- 1 料分辨率 . Spro( k) = ∑ N( m S multi ( ) k- m . ) ( 5) 0 m= 4 结 论 3 地震资料 试处理 ( 1) 波动方程数值模拟时 , 合理选择表面边界条 为验证利用归一化方法压制浅海地震资料中多 件 , 可以实现含多 次波 地震 记 录和 不含 多次 波地 震 次波方法的有效性 , 利 用图 1 所示 的地 质模 型进 行 记录数值模拟 . 了地震数值模拟 , 当上 边界 采 用自 由表 面边 界条 件 ( 2) 波动方程数值模拟表明 , 浅海条件下采集地 时 , 得到含有多次波地震数据 , 当上边界采用吸收边 震资料 , 由于多次 波 的存 在 , 使得 地 震信 号振 幅、频 界条件时 得到 不 含 海 平 面强 反 射 多 次 波 的 地 震 记 率和相位都发生畸 变 , 很大 程 度上 影响 了地 震勘 探 录 . 对得到的地震 记录 在动 校 正后 共中 心点 道集 上 的分辨率和精度 . 做归一化处理 , 并 将得 到的 滤 波器 算子 作用 于含 多 ( 3) 归一化滤波法能较好的压制浅海条件下 , 海 次波地震记录 , 对 比分 析不 含 多次 波地 震记 录叠 加 平面强反射产生的多次波 , 提高地震资料分辨率 . 剖面 如图 4) 、 ( 含多次波地震记录叠加剖面 如图 5) ( ( 4) 实际地震资料处理中 , 归一化滤波器算子可 和利用归一化滤波压制多次波后地震记录叠加剖面 以利用实际区域简化地质模型波动方程数值模拟得 ( 如图 6) 可以看出 , 归一化滤波 后 , 地 震资 料中 多次 到的地震记录来求取 . 波得到很好的压制 , 地震资料分辨率明显提高 , 与吸 收边界条件下地震 记录 叠加 剖面 相 近 , 表明 本文 研 ( References) : 究的多次波压制方 法取 得了 较好 的 效果 , 能 较好 的 [ 1] 黄 新 武 , 孙 春 岩 , 牛 滨 华 , 等 . 基 于 数 据 一 致 性 预 测 与 压 制自 由 表 面多 次 波 理 论 研 究 与 试 处 理[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2005 , - 压制海平面强反射 产生 的多 次波 , 提高 叠加 地震 剖 48( 1) : 173 ~180 . 面质量 . 而该方法 的计 算量 相 对于 基于 波动 方程 多 [ 2] 李 鹏 , 刘 伊 克 , 常 旭 , 等 . 多 次 波 问题 的 研 究 进 展[ J] . 地 球物 次波压制方法要小的多 , 可以应用实际生产 . 理 学 进展 , 2006 , 21( 3) : 888 ~ 897 . 但详细 对比图 4 和 图 6 可以 看出 , 压 制多 次波 [ 3] 张 军 华 , 吕 宁 , 田 连 玉 , 等 . 地 震 资 料 去 噪 方 法 技 术 综 合 评述 后的叠加剖面图 6 强反射轴的两侧仍有小的伪反射 [ J] . 地 球 物 理 学 进 展 , 2006 , 21( 2) : 546 ~553 . 轴 , 这在一定程度上降低了地震分辨率 , 需要进一步 [ 4] 刘 喜 武 , 刘 洪 , 李 幼 铭 . 高 分 辨 率 Radon 变 化方 法 及 其 在 地震 信 号 处理 中 的 应 用[ J] . 地 球 物 理 学 进 展 ,2004 ,19( 1) : 8 ~15 . 的提高 . 分析原因可知 , 海平面强反射产生的多次波 [ 5] 王 典, 刘财 , 刘 洋, 等. 反 射 法 地 震 勘 探 噪 音 消 除 技 术 研 究 改变了有效地震波的振幅、频率和相位 , 传统的最小 [ J] . 地 球 物 理 学 进 展 , 2006 , 21( 3) : 957 ~970 . 二乘方法计算的归一化算子不能完全消除多次波对 [ 6] 胡 天 跃 , 王 润 秋 , White R E . 地 震 资 料 处 理 中 的 聚 束 滤 波方 有效波的改变 , 为 此需 要对 传 统的 归一 化算 法进 行 法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 4) : 105 ~115 . 进一步改进 . 通过分析传统归一化方法的适用范围 , [ 7] 洪 菲 , 胡 天 跃 , 张 文 坡 , 等 . 用 优 化 聚 叔 滤 波 方 法 消 除 低 信 噪比 地 震 资料 中 的 多 次 波 . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 6) : 1106 ~ 针对传统算法的不 足 , 金龙 等 人提 出基 于误 差准 则 1110 . 与循环迭代的归一化算子求 解方法 , 该 算法 应用 [ 26] [ 8] 张 军 华 , 吕 宁 , 雷 凌 , 等 . 抛 物 线 拉 冬 变 换 消 除 多 次 波 的 应用 于本文多次波压制 方法 的研 究正 在 进行 中 , 应用 该 要 素 分析[ J] . 石 油 地 球 物 理 勘 探 ,2004 ,39( 4) : 398 ~ 405 . 方法对实际地震资料进行多次波压制处理的研究以 [ 9] 刘 伊 克 , Sun H H , 常 旭 . 基 于 波 射 线 路 经 偏 移 压 制 多 次 波 及处理过程中振幅 保持 问题 的研 究 也在 进行 中 , 研 [ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 4) : 697 ~701 . 究结果将及时的在另文发表 . [ 10] 牛滨 华 , 沈 操 , 黄 新 武. 波 动 方 程 多 次 波 压 制 技 术 的 进 展 [ J] . 地 球 物 理学 进 展 ,2002 ,17( 3) : 480 ~485 . 在实 际地震 勘探 中 , 理想 的无多 次波 地震 记录 [ 11] 陆 文 凯 , 骆 毅 , 赵 波 , 等 . 基 于 独 立 分 量 分 析的 多次 波 自 适 应 是不存在的 . 但是 , 海平 面强 反射 多 次波 , 只 与海 水 相 减 技 术[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 5) : 886 ~891 . 深度、 检波 器 深 度、 点 深 度 以 及 偏 移 距 等 因 素 有 炮 [ 12] 吴 清 岭 , 张 平 , 施 泽 龙 . 波 动方 程 正 演 模 型及 应 用[ J] . 大庆 关 , 而与地下介质情况无关 , 因此可以利用实际区域 石 油 地 质 与 开 发 ,1998 ,17( 3) : 35 ~37 .
  • 7. 206 地 球 物 理 学 进 展 22 卷 [ 13] 殷文 , 印 兴耀, 吴 国 忱, 等. 高 精 度 频率 域 弹 性 波 方 程有 限 691 ~698 . 差 分 方 法及 波 场 模 拟[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2006 , 49( 2) : 561 [ 20] 田 小 波 , 吴 庆 举 , 曾 融 生 . 弹 性 波 数 值 模 拟 的 延 迟 边 界 方法 ~568 . [ J] . 地 球 物 理学 报 ,2004 , 47( 2) : 268 ~273 . [ 14] 廖振 鹏, 周正华 , 张 艳红. 波 动 数值 模 拟 中 透射 边 界 的 稳定 [ 21] Berenger J P . A perf ectly matc hed layer f or absorpti on of e- 实 现[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2002 , 45( 4) : 533 ~545 . lectro magnetics waves[ J] . J. Co mput . Phys . , 1994 , 114 : [ 15] 贾 晓 峰 , 胡 天 跃 . 滑 动 最 小 二 乘 法 求 解 地 震 波 波 动 方 程[ J] . 185 ~200 . 地 球 物 理学 进 展 ,2005 , 20( 4) : 920 ~924 . [ 22] 王 守 东 . 声 波 方 程 完 全 匹 配 层 吸 收边 界 J] . 石 油 地 球 物 理勘 [ [ 16] Kell y K R . Synthetic seis mograms : A finite- difference ap- 探 , 2003 , 38( 1) : 31 ~34 . proach[ J] . Geophysics , 1976 , 41( 6) : 2 ~27 . [ 23] 陈 小 宏 . 四 维 地 震 数 据 归 一 化 方 法 及 实 例 处 理[ J] . 石 油 学 [ 17] 董良 国, 马在田 , 曹 景忠. 一 阶 波动 方 程 交 错网 格 高 阶 差分 报 ,1999 ,20( 5) : 22 ~26 . 解 法 稳 定性 研 究[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 6) : 856 ~ [ 24] 梁 锦 文 . 位 场 小 波 分 析 的 物 理 解 释[ J] . 地 球物 理 学 报 ,2001 , 864 . 44( 6) : 865 ~870 . [ 18] 孙卫 涛, 杨慧珠 . 各 向异性 介质 弹 性波 传 播的 三 维不 规 则网 [ 25] 李 蓉 , 胡 天 跃 . 时 移 地 震 资 料 处 理 中 的 互 均 化 技 术[ J] . 石油 格 有 限 差分 方 法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2004 , 47( 2) : 332 ~ 地 球 物 理 勘 探 , 2004 , 39( 4) : 425 ~ 427 . 337 . [ 26] 金 龙 , 陈 小 宏 , 李 景 叶 . 基 于 误 差 准 则 和 循 环 迭 代 的 时 移地 [ 19] 刘洋 , 李 承楚, 牟永 光. 双 相 横 向各 向 同 性 介质 分 解 面 上弹 震 匹 配 滤 波方 法[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2005 , 48( 3) : 698 ~ 703 . 性 波 反 射与 透 射 问题 研 究[ J] . 地 球 物 理 学 报 ,2000 , 43( 5) : 2007 各期刊订户 : 2007 年《地球物理学进展》由季刊改为双月刊 , 每年 6 期 , 每期定 价不变 , 仍为 35 元 , 全年定价变为 :210 元。特此通知。 订刊联系方式 ( 1) 本刊编辑部 邮局汇款与单位电汇均可) ( 汇款地址 100029 北京市 9825 信箱《地球物理学进展》编辑部 电话传真 010- 62007709 ,010- 62007696 联 系 人 刘少华 , 汪海英 , 肖台琴 电子邮件 shliu @cgs .org .cn , wanghy @ mail .i gcas .ac .cn 开 户 行 中国农业银行北京建德支行 账 号 190901040000456 收款单位 中国科学院地质与地球物理研究所 ( 务必在注释行写上 : 购《地球物理学进展》款 , 同时写上您的姓名和联系地址) ( 2) 天津全国非邮发联合证订服务部 邮编地址 300385 天津市大寺泉集北里别墅 17 号 电话传真 022- 23973378 ,022- 23962479 网 址 http :/ / www .L HZD.co m E - mail LHZD @public .tpt .tj .cn