本發(fā)明屬于石油地球物理勘探，主要是用于輔助層序地層學(xué)研究的一種多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法、系統(tǒng)及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、層序地層學(xué)的基本論點(diǎn)是地層單元的幾何形態(tài)及巖性受海平面升降、構(gòu)造沉降、沉積物供給和氣候四大因素控制(mclaughlin等，2005)。這些因素在不同尺度上發(fā)揮作用并呈現(xiàn)周期性變化，因此沉積層序也具有多尺度和周期性的特征。沉積旋回是沉積層序的基本構(gòu)成單元，是不同尺度周期性沉積事件疊加的結(jié)果。區(qū)域或全球沉積事件影響不同尺度沉積序列的疊加模式。沉積旋回一般由一些基本單元組成，包括海侵旋回單元和海退旋回單元。對(duì)于海侵旋回，砂巖的厚度隨著深度的增加而增加，而沉積物的粒度則由細(xì)變粗，這表明了海侵沉積序列。對(duì)于海退旋回，砂巖的厚度隨著深度的增加而減小，沉積物的粒度則由粗變細(xì)，這表明了海退沉積序列(melani等，2020；rossi等，2020；zhang等，2017)。通常，一個(gè)大型層序由幾個(gè)小規(guī)模旋回組成，記錄了沉積環(huán)境中海侵和海退層序的證據(jù)(goldhammer等，1990；melani等，2020)。因此，對(duì)多尺度的沉積旋回進(jìn)行精細(xì)表征與劃分是后續(xù)沉積環(huán)境研究、層序地層學(xué)分析和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，也是建立構(gòu)造和地層格架的重要步驟。

2、測(cè)井技術(shù)在井孔內(nèi)對(duì)地下地層介質(zhì)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，是表征和劃分多尺度沉積旋回最常見(jiàn)的地球物理工具(vermeer等，1992；coconi-morales等，2010)。然而，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)僅是一孔之見(jiàn)，其空間覆蓋能力有限。相比之下，地震反射數(shù)據(jù)具有更好的空間覆蓋能力，其攜帶了地下地層的巖性和物性信息，包含大量關(guān)于多尺度沉積旋回的信息(zeng，2013)。因此，有效地從地震數(shù)據(jù)中提取沉積旋回信息對(duì)沉積旋回的識(shí)別和解釋具有重要意義。

3、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分解方法已被用于從地震數(shù)據(jù)中提取沉積旋回信息。liu等人(2015)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法將地震信號(hào)分解為代表不同尺度沉積旋回的本征模態(tài)函數(shù)，以輔助多尺度沉積旋回的表征。然而，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法不能人為的確定本征模態(tài)函數(shù)的最佳個(gè)數(shù)。為了解決這一問(wèn)題，li等人(2017)引入了一種基于變分模態(tài)分解的方法，該方法可人為的定義本征模態(tài)函數(shù)的個(gè)數(shù)。盡管這種方法提供了更多的靈活性，但對(duì)其結(jié)果的解釋仍然高度主觀(guān)且易受解釋者經(jīng)驗(yàn)的影響。因此，這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分解方法需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是建立本征模態(tài)函數(shù)與不同尺度地質(zhì)構(gòu)造之間的確定性關(guān)系。此外，還需要更加合理的準(zhǔn)則確定最佳本征模態(tài)函數(shù)的個(gè)數(shù)(tian等，2022)。

4、為了解決以往工作的局限性，申請(qǐng)人前期提出了一種增強(qiáng)的多通道變分模態(tài)分解方法，并提出了一種地震數(shù)據(jù)分解的工作流程，以輔助多尺度層序地層解釋(tian等，2022)。該方法首先闡明了本征模態(tài)函數(shù)與不同尺度地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系。隨后，提出了一種基于尺度空間表示和壓縮映射算子的本征模態(tài)函數(shù)的個(gè)數(shù)的確定方法。最后，采用多通道變分模態(tài)分解方法分解地震數(shù)據(jù)，輔助不同尺度沉積層序邊界的解釋。然而，這些模態(tài)分解方法的分解結(jié)果，即不同尺度的地震反射波形，仍需由經(jīng)驗(yàn)豐富的解釋人員進(jìn)行解釋以推斷沉積層序，從而阻礙了沉積旋回單元的直接劃分。

5、時(shí)頻分析方法可以直觀(guān)地反映由于沉積旋回內(nèi)薄層厚度變化導(dǎo)致的地震信號(hào)瞬時(shí)主頻變化特征(tian等，2022)。因此，時(shí)頻分析方法也是表征沉積旋回的最常用工具之一。準(zhǔn)確表征由薄層厚度變化引起的主頻變化特征是利用時(shí)頻分析方法輔助沉積旋回劃分的關(guān)鍵問(wèn)題。該領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究可以追溯到1980年，由俄羅斯勘探地球物理研究所提出的基于線(xiàn)性時(shí)頻變換的沉積旋回劃分方法(mushin等，2000)。

6、然而，線(xiàn)性時(shí)頻分析方法的時(shí)頻譜在時(shí)頻平面上沿頻率軸擴(kuò)散(huang等，2016)，導(dǎo)致時(shí)頻分辨率低，阻礙了沉積旋回的識(shí)別。為了解決這一缺陷，daubechies等人(2011)引入了同步擠壓變換。同步擠壓變換通過(guò)沿頻率軸同步擠壓時(shí)頻譜以獲得高分辨率的時(shí)頻譜。盡管這種方法為沉積旋回分析提供了強(qiáng)大的工具，但時(shí)頻原子的選擇決定著所獲得結(jié)果的可解釋性。gao等人(2001)認(rèn)為當(dāng)基小波與地震子波非常相似時(shí)，連續(xù)小波變換的時(shí)頻譜具有更強(qiáng)的噪聲魯棒性和可讀性。為了更好地匹配地震子波，gao等人(2006)提出了一種名為三參數(shù)小波的基小波。通過(guò)調(diào)整其三個(gè)參數(shù)可使其波形與待分析地震數(shù)據(jù)的地震子波匹配。以匹配地震子波為準(zhǔn)則，我們結(jié)合三參數(shù)小波和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種最優(yōu)基小波構(gòu)造方法。該方法首先使用交替迭代深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)地震子波，然后采用三參數(shù)小波擬合地震子波以獲得最優(yōu)基小波。盡管最優(yōu)基小波變換實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的高分辨率譜分解(tian等，2021)，但其頻率分辨率低，這不利于沉積旋回的主頻特性的表征工作。

7、為了解決上述限制，我們前期結(jié)合同步擠壓變換與最優(yōu)基小波，提出了一種同步擠壓最優(yōu)基本小波變換，以實(shí)現(xiàn)沉積旋回的最優(yōu)表征。該方法通過(guò)定義同步擠壓變換的主頻定位條件和基小波與地震子波之間的相似系數(shù)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)主頻特征的最優(yōu)表示，繼而實(shí)現(xiàn)沉積旋回的最優(yōu)表征(tian等，2022)。但該方法直接處理包含多尺度層序地層信息的地震數(shù)據(jù)，導(dǎo)致時(shí)頻譜中不同尺度沉積旋回的信息相互疊加。采用這種同時(shí)包含多尺度沉積層序信息的時(shí)頻譜將降低后續(xù)多尺度沉積旋回單元?jiǎng)澐值臏?zhǔn)確性。

8、以上現(xiàn)有技術(shù)具有以下缺點(diǎn)：

9、(1)現(xiàn)有的基于模態(tài)分解方法對(duì)地震數(shù)據(jù)的分解結(jié)果，是包含不同尺度地質(zhì)構(gòu)造信息的不同尺度地震反射波形，其結(jié)果仍需由經(jīng)驗(yàn)豐富的解釋人員進(jìn)行解釋?zhuān)酝茢喑练e規(guī)律，這將引入人為經(jīng)驗(yàn)誤差，不便于沉積旋回單元的直接劃分。

10、(2)現(xiàn)有的基于同步擠壓最優(yōu)基小波變換的沉積旋回表征方法直接處理包含多尺度沉積層序信息的地震數(shù)據(jù)，導(dǎo)致時(shí)頻譜中同時(shí)包含不同尺度沉積旋回信息。使用這種多尺度沉積旋回信息混合的時(shí)頻譜，將降低后續(xù)多尺度沉積旋回單元?jiǎng)澐值臏?zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法，該方法結(jié)合變分模態(tài)分解方法與同步擠壓最優(yōu)基小波變換，提出用于多尺度沉積旋回表征的工作流程。首先通過(guò)理論推導(dǎo)給出了不同尺度地質(zhì)構(gòu)造與本征模態(tài)函數(shù)之間的關(guān)系，并提出本征模態(tài)函數(shù)個(gè)數(shù)的確定方法。考慮到計(jì)算效率與分解結(jié)果的橫向連續(xù)性問(wèn)題，我們改進(jìn)了變分模態(tài)分解算法，即根據(jù)平滑的反射系數(shù)振幅譜確定本征模態(tài)函數(shù)個(gè)數(shù)及其中心頻率。在此基礎(chǔ)上結(jié)合同步擠壓最優(yōu)基小波變換與脊提取方法提出了一種新的地震數(shù)據(jù)瞬時(shí)主頻屬性的提取方法，從而實(shí)現(xiàn)多尺度沉積旋回表征。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法，包括以下步驟：

3、計(jì)算二維地震數(shù)據(jù)平均傅里葉振幅譜；

4、計(jì)算平均反射系數(shù)振幅譜；

5、采用尺度空間表示方法計(jì)算平滑的反射系數(shù)振幅譜，根據(jù)反射系數(shù)振幅譜與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)之間的關(guān)系，設(shè)置平滑反射系數(shù)譜的極值個(gè)數(shù)為本征模態(tài)函數(shù)分量的個(gè)數(shù)，極值頻率為每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量的中心頻率；

6、采用變分模態(tài)分解方法對(duì)輸入的二維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到能夠表征不同尺度地質(zhì)構(gòu)造的地震反射特征的本征模態(tài)函數(shù)分量；

7、采用同步擠壓最優(yōu)基小波變換分別計(jì)算每個(gè)二維本征模態(tài)函數(shù)分量的每個(gè)地震道，獲得每個(gè)地震道的時(shí)頻譜，

8、采用脊線(xiàn)提取方法從每個(gè)地震道的時(shí)頻譜中提取瞬時(shí)主頻曲線(xiàn)，獲得二維瞬時(shí)主頻屬性剖面，

9、利用瞬時(shí)主頻屬性剖面解釋沉積旋回單元橫向展布規(guī)律，即多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征。

10、進(jìn)一步的，計(jì)算平均反射系數(shù)振幅譜包括采用壓縮映射算子從地震數(shù)據(jù)平均傅里葉振幅譜中提取地震子波振幅譜，使用地震數(shù)據(jù)平均傅里葉振幅譜除以地震子波振幅譜得到反射系數(shù)振幅譜

11、進(jìn)一步的，采用壓縮映射算子從地震數(shù)據(jù)振幅譜中提取地震子波振幅譜；

12、引入用于計(jì)算地震子波譜的壓縮映射算子，設(shè)地震子波譜在所指定的頻帶內(nèi)[fl,fh]表現(xiàn)為平滑且單峰的函數(shù)：

13、

14、q∈(0,1)，0≤fq(|w|；f)≤1，令cq＞0，α,β＞1，壓縮映射算子p為

15、

16、設(shè)置迭代初始值為：

17、

18、通過(guò)壓縮映射算法迭代|w|k＝p(|w|k-1)使其收斂至不動(dòng)點(diǎn)|w|*，所述不動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)被估計(jì)出來(lái)的地震子波譜(|w|*)1/q；

19、使用地震數(shù)據(jù)振幅譜|s(f)|除以地震子波振幅譜|w(f)|得到反射系數(shù)振幅譜|rk(f)|：

20、

21、這里ε≠0，防止|w(f)|＝0。

22、進(jìn)一步的，根據(jù)反射系數(shù)譜與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)之間的關(guān)系，設(shè)置平滑反射系數(shù)譜的極值個(gè)數(shù)為本征模態(tài)函數(shù)分量的個(gè)數(shù)，極值頻率為每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量的中心頻率包括：基于理論推導(dǎo)得到反射系數(shù)振幅譜與不同尺度地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系，如下式：

23、

24、將不同尺度結(jié)構(gòu)的地震反射定義為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)，式(1)中|rk(f)|代表第k個(gè)尺度的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)的振幅譜，ckj表示第k個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)中第j個(gè)采樣點(diǎn)的反射系數(shù)值，(tkm-tkn)表示在第k個(gè)尺度下兩個(gè)反射系數(shù)點(diǎn)m和n之間的時(shí)間差，定義絕對(duì)值較小的k表示大尺度構(gòu)造，大值k表示小尺度構(gòu)造，方程(1)表明，|rk(f)|的第一個(gè)極值點(diǎn)的頻率與(tkm-tkn)成反比。

25、進(jìn)一步的，采用變分模態(tài)分解方法對(duì)輸入的二維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到能夠表征不同尺度地質(zhì)構(gòu)造的地震反射特征的本征模態(tài)函數(shù)分量包括：

26、通過(guò)將信號(hào)分解為具有有限帶寬的本征模態(tài)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離和提取，通過(guò)求解以下優(yōu)化問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)：

27、

28、其中，s(t)表示單道地震數(shù)據(jù)，um(t)表示第m個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，ωm表示第m個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的中心頻率，表示第m個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的hilbert變換，進(jìn)一步，使用下式所示的拉格朗日乘數(shù)法來(lái)解決上式優(yōu)化問(wèn)題：

29、

30、中心頻率的值由平滑反射系數(shù)振幅譜的極值點(diǎn)的頻率確定。

31、進(jìn)一步的，采用同步擠壓最優(yōu)基小波變換分別計(jì)算每個(gè)二維本征模態(tài)函數(shù)分量的每個(gè)地震道，獲得每個(gè)地震道的時(shí)頻譜包括：

32、采用最優(yōu)基本小波作為同步擠壓變換框架內(nèi)的基小波，最優(yōu)基本小波通過(guò)三參數(shù)小波擬合地震子波獲得，三參數(shù)小波在時(shí)域中的定義為：

33、

34、其中，σ、τ和β分別表示調(diào)制頻率、能量衰減因子和能量延遲因子。λ＝(σ,τ,β)表示σ、τ和β的集合，

35、

36、基于上述方法的構(gòu)思，本發(fā)明提供一種多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征系統(tǒng)，包括第一計(jì)算模塊、第二計(jì)算模塊、映射模塊、時(shí)頻譜計(jì)算模塊以及表征模塊；

37、第一計(jì)算模塊用于計(jì)算二維地震數(shù)據(jù)平均傅里葉振幅譜和平均反射系數(shù)振幅譜；

38、第二計(jì)算模塊采用尺度空間表示方法計(jì)算平滑的反射系數(shù)振幅譜，根據(jù)反射系數(shù)振幅譜與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)之間的關(guān)系，設(shè)置平滑反射系數(shù)譜的極值個(gè)數(shù)為本征模態(tài)函數(shù)分量的個(gè)數(shù)，極值頻率為每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量的中心頻率；

39、映射模塊采用變分模態(tài)分解方法對(duì)輸入的二維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到能夠表征不同尺度地質(zhì)構(gòu)造的地震反射特征的本征模態(tài)函數(shù)分量；

40、時(shí)頻譜計(jì)算模塊采用同步擠壓最優(yōu)基小波變換分別計(jì)算每個(gè)二維本征模態(tài)函數(shù)分量的每個(gè)地震道，獲得每個(gè)地震道的時(shí)頻譜，

41、表征模塊采用脊線(xiàn)提取方法從每個(gè)地震道的時(shí)頻譜中提取瞬時(shí)主頻曲線(xiàn)，獲得二維瞬時(shí)主頻屬性剖面，利用瞬時(shí)主頻屬性剖面解釋沉積旋回單元橫向展布規(guī)律，即多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征。

42、本發(fā)明還可以提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括處理器以及存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序，處理器從存儲(chǔ)器中讀取所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序并執(zhí)行，處理器執(zhí)行計(jì)算可執(zhí)行程序時(shí)能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法。

43、同時(shí)提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法。

44、另外，本發(fā)明所述一種多尺度沉積旋回相空間精細(xì)表征方法還可以用于識(shí)別和解釋從地震數(shù)據(jù)中提取沉積旋回信息。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

46、本技術(shù)考慮到地震反射數(shù)據(jù)中同時(shí)包含了不同尺度沉積層序地震反射信息?？朔藗鹘y(tǒng)方法無(wú)法有效分離并表征地震數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的多尺度沉積旋回信息的問(wèn)題。本技術(shù)通過(guò)改進(jìn)變分模態(tài)分解方法能夠有效的從地震數(shù)據(jù)中分離出不同尺度的地震反射波特征，在此基礎(chǔ)上采用同步擠壓最優(yōu)基小波變換能夠準(zhǔn)確表征不同尺度沉積旋回的變化規(guī)律。結(jié)合脊提取方法提出的瞬時(shí)主頻屬性能夠有效表征不同尺度沉積旋回的橫向展布范圍。本發(fā)明處理過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)均從數(shù)據(jù)中提取，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，適合海量地震數(shù)據(jù)處理，這為后續(xù)的層序地層學(xué)研究提供了重要工具。