一种基于波形相似特征的反射波同相轴追踪算法

李海明，刘颖华，侯伯刚

(1.承德石油高等专科学校 社科与数理部，河北　承德　067000；2.中国石油勘探开发研究院,北京　100083)



一种基于波形相似特征的反射波同相轴追踪算法

李海明1，刘颖华1，侯伯刚2

(1.承德石油高等专科学校 社科与数理部，河北承德067000；2.中国石油勘探开发研究院,北京100083)

摘要：在地震勘探中，反射波同相轴追踪拾取是地震资料解释的一项重要的基础工作，追踪拾取的正确与否将直接影响最终解释成果的准确性。在研究了各种同相轴自动拾取思想的基础上，依据反射波波形高度相似的特点提出了一种基于波形相似特征的反射波同相轴追踪算法”。经使用matlab软件进行模拟试算和实际资料试算，证明该算法简单有效，计算速度较快。

关键词：反射波同相轴；自动拾取；算法

地震资料解释就是以人机结合的方式对二维或三维地震数据资料进行提取与转化，在时间剖面上根据反射波的一些特征来识别和追踪同一地层反射波同相轴是一项重要基础性工作。长期以来，反射波同相轴对比追踪工作主要由解释人员依据地震波的动力学和运动学特征手工进行。其不足之处在于解释速度慢、人为因素较大。致使同相轴追踪的精度不高、存在微弱跳跃、产生一些假的倾角变化[1,2]。因此，人们采用多种方法对地震剖面的同相轴进行自动拾取。已经发展的同相轴自动检测方法主要有:AR自动追踪[3]、边缘检测[4]、人工神经网络[5]、C3相干算法以及链匹配算法[6]等。但这些算法原理复杂，运算量很大。

用互相关方法计算时间延迟进行同相轴拾取的基础上，依据反射波波形高度相似的特点提出了一种基于波形相似的反射波同相轴追踪算法，该算法计算速度较快。

1波形相似系数的算法设计

1.1波形相似系数

首先，定义相邻两道地震记录分别为A道，用x(nΔt)表示，B道用y(nΔt)表示。在A道上选取t1时刻为始点的一段波形，该段波形数据为x(t1+Δt)，x(t1+2Δt)，……x(t1+nΔt)。B道的波形数据为y(t1+Δt)，y(t1+2Δt)，……y(t1+nΔt)。可定义两道的波形相似系数为：

(1)

由(1)式可知，在计算时窗内两道的波形越相似，则相似系数R越小，反之R越大。

计算波形相似系数时因两道信号振幅存在差异，无法确定其取值范围。为了计算时控制R的取值范围，将两道波形相似系数的定义修改为：

(2)

显然，当R=0时，表示两段信号完全相同，当R=1时，表示两段信号完全相反。

1.2波形相似系数的计算

由于地层倾角、地层微小起伏变化、地层变形等原因,两道信号在垂直方向上会出现微小错位，即同一地层界面的相邻两道反射波形相同的信号在水平方向上不完全对应。因此我们把A道作为标准道，B道作为检索道(如图1所示)。在计算波形相似系数时，允许B道的计算时窗在一个允许的时差范围(τ)内上下移动。每移动一个采样点求得一个相似系数，如果允许时差为±m个采样点，则可计算求得2m+1个相似系数，检索出这2m+1个相似系数的最小值对应的移动点数，即为B道与A道种子点对应的位置。然后以B道为标准道，以求得的B道种子点为下一道计算时的种子点，逐道向左或向右递推计算，即可实现对同一界面反射波同相轴的自动追踪。

2波形相似系数的互相关算法

互相关运算能够比较两个波形的相似程度[7]，当两段信号波形完全一致时，其互相关系数达到极大值。因此上述波形相似系数可用下面的互相关公式计算：

(3)

T2-T1为互相关计算时窗长度;τ为互相关计算时检索道相对标准道的时窗上下滑动的采样点数。τ=0,±1,±2…±m，m的最大值一般取半个是视周期;Rxymax为计算出的2m+1个互相关值的最大值；(0≤Rxy(τ)≤1)。

在计算出的2m+1个互相关系数值中检索出Rxy(τ)的最大值对应的τ值即为标准道A的种子点与检索道B的种子点对应位置。

使用振幅绝对误差计算波形相似系数算法与互相关算法具有相同的含义，其计算编程算法一致，只是第一种算法为加减运算，互相关算法为乘积运算，这使得波形相似系数算法在运算速度上占有优势。

3算法试验

3.1模拟试验

为验证算法的正确性,笔者使用不同频率的雷克子波作为地震子波x(t)=(1-2(πft))e-(πft)2(式中t为雷克子波延续时间，f为雷克子波频率)。模拟一段地震时间剖面数据(24道)，并给定道间种子点时差。以2 ms为抽样间隔，在不加噪声干扰情况下，计算时窗长度300 ms，即150个抽样点，允许最大时移32 ms(16个采样点),使用波形相似系数算法(2)和互相关算法(3)用matlab编程计算各道种子点间的时移量，进行模拟试算，表明两种算法计算出的种子点时移值准确无误，且结果完全一致，波形相似系数算法的运算时间为互相关算法的一半左右。

3.2实际资料试验

试验时采用人机交互拾取。反射波同相轴自动追踪拾取前需先定义一个参考种子点，用以明确待追踪的目的反射层，同时还要限制自动拾取范围，避免遇断层时的错误追踪。参考种子点的定义以人机交互方法通过鼠标人工拾取，以一道反射波振幅最大值位置为参考种子点(最大值位置由计算机在自定义位置的一定时窗内自动索搜获得)，后续道的自动拾取就以该种子点为依据，按波形相似系数算法或互相关算法计算取出，而后以新计算出的种子点为标准向前递推计算搜索，直到限定的搜索范围为止。

图2是利用大庆油田喇嘛店工区的实际资料片段(LMD_line369)，使用本文前面提出的波形相似系数算法追踪的反射波同相轴，并用互相关算法进行了验证，两者完全一致。追踪道号从T350～T500，第一个追踪同相轴的追踪范围为：断层左侧T350～T464道，右侧T465～T500道，分别在T350道870～900 ms，T465道的800～830 ms设定计算时窗，自动检索计算时窗内振幅最大值为种子点。第二个同相轴的追踪范围为：断层左侧T350～T468道，右侧T469～T500道，分别在T350道的900～930 ms,T469道的830～860ms设定计算时窗，自动检索振幅最大值为种子点，进行追踪计算。试验表明算法能够准确追踪反射波同相轴。

图3是人工对比追踪解释结果，与图2的结果比较，自动追踪拾取的结果在第2个同相轴的T440～T451道间明显比人工追踪对比更为精细。

4结论

理论测试与实际资料的测试效果,证明了算法的有效性。本文提出的波形相似系数算法利用同一界面反射波或反射波组的波形高度相似特征，算法能有效追踪反射波同相轴；参考种子点在自动追踪拾取中必不可少，它为反射波同相轴自动追踪拾取提供初始值，同时明确待追踪的目的反射层；在断层两侧采用振幅极大值位置定义为拾取种子点，能最大限度地避免同一地层界面反射波同相轴的错误追踪拾取。

参考文献：

[1]李鹏，冯晅，王典，等.地震剖面同相轴自动追踪技术研究[J].吉林大学学报(地球科学版)2008(S1):76-79.

[2]金文志. 三维地震勘探在大佛寺井田的应用[J].煤炭技术，2014，33(11):79-81.

[3]周冠雄,胡志成.地震剖面图同相轴的AR自动追踪方法[J].自动化学报,1991，17(3)：361-362.

[4]杨勇波.相干体技术在复杂山区三维地震资料解释中的应用[J].科技创新与应用,2012(18)：8-9.

[5]熊会军,管业鹏,于蕴杰,等.基于图像边缘检测方法提取地震剖面同相轴[J].地球物理学进展,2009,24(6)：2250-2254.

[6]冯博，姜弢，徐学纯，等.相控震源一致性评价方法研究[J]．煤炭技术,2013,32(12)：124-125.

[7]李红星,刘财,陶春晖.图像边缘检测方法在地震剖面同相轴自动检测中的应用研究[J].地球物理学进展,2007,22(5)：1607-1610.

Algorithm of Tracking Reflection Events of Seismic Based on Wave Form Similarity

LI Hai-ming1, LIU Ying-hua1, HOU Bo-gang2

(1.Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China;2.Research Institute of Petroleum Exploration & Development， Beijing 100083, China)

Abstract:In seismic exploration, the tracking reflection events is fundamental in explaining seismic data, which affect the final explanation result. After researching the automatic picking of various phase axes, according to the similar height of reflecting wave form, this paper puts forward a tracking algorithm of the reflection event based on wave form similarity. Matlab is applied to simulate a trial calculation and real data calculation, and proved to be simple, effective, and fast.

Key words:reflection event; automatic picking; algorithm

收稿日期：2016-01-20

作者简介：李海明(1967-),男，河北滦县人，承德石油高等专科学校社科与数理部副教授，主要从事石油工程专业教学和非常规油气资源研究。

中图分类号：P631.4

文献标识码：A

文章编号：1008-9446(2016)03-0001-03