淺談海上壓縮感知地震勘探

黃小剛

(中海油研究總院有限責任公司,北京100028)

2014年,國際油價斷崖式下跌,石油公司面臨生存考驗。地震勘探是油氣勘探最主要的手段之一,其支出也是油氣勘探的主要部分。地震勘探的復雜化和精細化導致采集數據量急劇增大。隨著“兩寬一高”(寬頻、寬方位、高密度)地震的日益普及,采集、處理成本不斷攀升。低油價與采集、處理高成本之間產生了巨大矛盾。海上地震勘探主要成本為地震采集,占總成本的80%以上。因此,在地震采集上進行技術革新的降本增效空間最大。

什么技術能夠較為顯著地降低地震采集成本,提高采集效率呢？壓縮感知技術就是這樣一項信號采集、處理的新技術,它被美國科技評論評為2007年十大科技進展之一。該技術理論上不再受限于使用了近百年的經典奈奎斯特采樣定律,采用隨機、稀疏采樣,采集遠小于奈奎斯特頻率的信號樣本即可重建信號[1-2]。地震勘探過程實質就是一個數字信號采集、處理的過程,因而該技術十分適用于地震勘探。早在2011年,馬堅偉[3]就提出了利用壓縮感知技術降低野外采集數據量,并進行了后續深入研究[4-5];陳生昌等[6]也給出了壓縮感知高效地震采集的初步框架;周松等[7]在壓縮感知觀測系統設計與數據重建方面進行了許多研究,取得了一定進展;CHARLES等[8]和李成博等[9]在壓縮感知地震方面進行了較多探索。同樣的采集效果,壓縮感知采集的成本降為原來的幾分之一(減少炮線和接收線),或同樣的采集成本可以在保持同樣采集質量的情況下采集更大面積的數據,促進增儲上產。以2014年為例,我國海上地震采集費用高達數十億元,若按25%～30%的降本幅度估算,我國每年可因此降本數億元。因此,壓縮感知地震采集的前景十分可觀。

但是,觀測系統設計較難以及資料的后續處理技術較為缺乏或者不成熟,是壓縮感知地震勘探目前沒有全面推行的主要影響因素。

壓縮感知地震所采集數據量比傳統采集要小得多,但并不是可以無限小。壓縮感知地震采集需要滿足什么條件？如何在現有的采集設備條件下,設計壓縮感知觀測系統來盡可能滿足這些條件？如何評價觀測系統的優劣？這些都是壓縮感知采集設計必須要研究的課題。

壓縮感知地震采集設計、評價、實施和產業化需要配套的處理技術。壓縮感知采集的地震資料有別于常規采集資料的規則性和密集性,具有很大的隨機性和稀疏性。另外,多震源同時激發技術常被用于壓縮感知采集以進一步提高采集效率,但同時震源激發時,炮集混疊現象顯著[10],這兩個原因導致常規處理方法很難應用于壓縮感知地震數據的處理。開展壓縮感知地震資料處理關鍵技術研究,不僅可以為壓縮感知采集提供處理技術,而且能指導壓縮感知采集設計。

本文首先歸納總結了海上壓縮感知地震采集的特點、實施方案、降本增效效果,并采用模型數據驗證其應用效果;之后對傳統壓縮感知地震規則化方法的不足進行了改進,將其應用于模型和實際資料取得了較好應用效果;最后總結了壓縮感知同時震源炮集分離、噪聲壓制等技術的原理和進展。

1 海上壓縮感知地震數據采集

壓縮感知信號采集的基本思想可以總結為:如果待采集信號在某個域可以稀疏表示(即在該域中非零元素少、零元素多),則該信號可以采用某種隨機方式來觀測,當觀測樣本數量滿足一定大小時,可采用一定算法較好地重建信號。壓縮感知采集涉及三大關鍵問題[11-12]:①信號能夠稀疏表示,其稀疏度決定了壓縮感知采樣的樣本大小,越稀疏,則所需的采樣樣本越小;②壓縮感知觀測矩陣是一種隨機觀測矩陣,其品質可由矩陣的不相干性和受限等距性來表征;③信號的重建問題,通常可采用L1范數代替L0范數來近似表達稀疏約束,從而以閾值迭代的方式來求解一個凸優化問題。

壓縮感知的數學理論對觀測矩陣要求較高,高斯及伯努利隨機觀測矩陣理論上能夠滿足壓縮感知采集條件,但施工難度較大。王華忠等[13]認為,只有在獨立震源和獨立檢波器基礎上形成的觀測系統才能與壓縮感知的隨機采樣方式最佳地結合在一起形成未來的地震數據采集系統。在當前硬件技術尚不滿足要求的條件下,不應把精力放在基于壓縮感知的隨機采樣上,而應該放在如何用同時震源激發提高寬方位高密度采集的效率上。顯然,現有的地震采集硬件往往較難實現完美的壓縮感知采集,因此MOSHER等[14]對壓縮感知采集條件做了一定的松弛,采用非均勻最優化采樣(NUOS)來進行壓縮感知采集設計并且取得了較好的進展。

基于上述考慮,我們給出了海上壓縮感知地震采集的基本原則:根據現有采集設備可實現的條件,在能夠實現壓縮感知隨機采樣的維度上使用最優化隨機觀測;在無法實現隨機觀測的維度上,采用常規觀測。例如海底電纜(OBC)觀測時,道間距受硬件限制,無法實現最優化隨機觀測,只能采用傳統的觀測,但在纜間距上可以實現最優化隨機觀測。

1.1 海上壓縮感知地震數據采集的實現方式

目前海上地震采集接收設備主要有3種:拖纜、OBC和海底節點(OBN)。它們具有不同的特點和靈活度,所以在壓縮感知采集的時候,具有不同的實現方式。表1給出了3種接收設備可能的壓縮感知采集方式。拖纜采集由于易受海浪、洋流等影響,難以控制接收線距,尤其是大偏移距部分漂移嚴重,所以在接收線間距方面進行隨機優化采集嚴重受限;OBC采集目前受硬件限制,難以實現道間距的隨機優化,但接收線間距可以實現壓縮感知隨機優化;OBN采集的空間自由度很大,可以實現空間位置的較大隨機化,因而能夠較好地接近理想壓縮感知采集。

表1 海上3種常見采集設備對應的壓縮感知采集實現方式

1.2 優化的壓縮感知采樣方式

理論上,高斯及伯努利隨機采樣能夠滿足壓縮感知采樣要求,但這種完全隨機不可避免地會產生一些較大的采樣間隔,不利于信號的采集及重建。一些學者研究了優化的壓縮感知隨機采樣方式,如Jitter采樣、泊松碟采樣以及最遠點采樣等[15]。

圖1給出了3種不同欠采樣結果及其對應的頻譜[16]。由圖1可見,當采用規則欠采樣時,頻譜上出現了強假頻;當采用完全隨機欠采樣時,頻譜上主頻突出,假頻較弱且分布較均勻,但出現了較大的采樣間隔;當采用Jitter采樣時,頻譜上主頻同樣突出,假頻同樣較弱且分布較均勻,沒有出現較大采樣間隔,有利于信號的重建。因此,相較于完全隨機采樣,Jitter采樣具有較大優勢。泊松碟采樣及最遠點采樣也是對完全隨機采樣的不同優化,具有不同的特點和優勢。

1.3 海上壓縮感知地震數據采集的降本增效分析

1.3.1 同時震源隨機激發

兩個及以上震源互不制約地隨機激發,能夠在相同的時間里采集更多的炮,對于提高采集效率、增加覆蓋次數作用顯著。

圖1 3種不同欠采樣結果及其對應的頻譜

1.3.2 隨機炮間距

不論炮間距大還是小,船都得航行一次,增加炮間距對提高采集效率作用不明顯。然而,當采用隨機炮間距時,平均炮間距增大,船速受氣槍充氣時間的限制適當降低,船速可以適當提高,采集效率能夠得到一定提升。

1.3.3 隨機炮線或檢波線(接收線)間距

采用隨機炮線間距或接收線間距,可以適度增大平均炮線間距或平均接收線間距,從而在同樣采集面積情況下減少炮線或接收線數目,減少炮船的航行次數或布纜工作量,提高采集效率。

1.3.4 隨機炮點或接收點空間位置

炮點和接收點空間位置隨機,能夠接近理想的壓縮感知采集。然而在目前的采集設備情況下難以實現炮點空間位置隨機。接收點空間位置隨機則能夠以OBN的形式來近似實現。接收點空間位置隨機能夠最大限度地減少投放的OBN數目。OBN是一種昂貴的采集方式,壓縮感知OBN采集每減少一個OBN點的投放都意味著減少成本。

上述不同壓縮感知采集方式具有不同的降本增效效果,將其結合使用時,降本增效效果更佳。“兩寬一高”地震勘探優點突出,但其成本高昂。經濟、高效的壓縮感知地震勘探,使得大規模推行“兩寬一高”變得更為可行。

1.4 海上壓縮感知地震數據采集觀測系統設計和評價方案

觀測系統設計與評價需要盡可能利用地下信息,基于地下速度模型,進行高密度地震波場模擬,得到高密度地震數據。考慮施工可行性及壓縮感知采集理論,建立初始的壓縮感知觀測系統,利用該觀測系統對模擬的高密度地震數據進行重采樣,得到模擬的壓縮感知觀測數據。利用常規采集觀測系統對高密度地震數據進行重采樣,得到模擬的常規地震數據。對模擬的壓縮感知數據進行規則化處理,并將規則化后的數據與常規數據進行對比。若滿足誤差要求,則接受此壓縮感知觀測系統,否則利用誤差矩陣對壓縮感知觀測系統進行優化,直至滿足誤差要求。

壓縮感知觀測系統的評價可以通過規則化數據的信噪比、規則化數據與理論數據的誤差、觀測系統的照明、覆蓋次數的均勻性、偏移成像的質量等實現。

上述采集設計和評價方案較為耗時,但其成本相較于地震采集成本而言完全可以接受。對于新探區,地下先驗信息往往較為匱乏。在缺少地下先驗信息的情況下,假設地下介質為水平層狀介質,同樣能夠進行上述壓縮感知觀測系統設計和評價。這一思想與常規采集設計、評價類似。實際上,常規采集設計也常常基于此默認假設。

1.5 模型實例

圖2a為經典的overthrust三維推覆體模型。為提高高密度正演模擬的效率,降低頻散并提高有限差分正演模擬的穩定性,適度地增大了淺層的速度值,減小了中深層的速度值。基于修改后的模型,用OBC的patch觀測方式進行了有限差分高密度地震模擬,子波主頻為20Hz。共模擬了12個patch的高密度OBC數據(P1～P12),其平面分布如圖2b所示。以P4為例,圖2b中紅色覆蓋區為炮點范圍,綠色覆蓋區為檢波點范圍。圖2c為模擬得到的高密度炮集數據,對模擬的高密度數據進行了常規觀測系統重采樣和壓縮感知觀測系統重采樣,具體參數如表2所示。壓縮感知觀測系統設計考慮了現有采集設備的可行性,例如接收線容易實現間距隨機,而道間距受OBC硬件限制,無法隨機。圖2d給出了P4壓縮感知觀測系統的炮點和檢波點以及覆蓋次數分布;圖2e給出了P4,P5,P6的壓縮感知觀測系統炮點和檢波點以及覆蓋次數綜合分布。由圖2e可以看到,炮點、檢波點和覆蓋次數分布總體較均勻,但局部存在較大的不均勻性。采用壓縮感知規則化可以使之變得更為均勻(圖2f)。受正演模擬的高密度觀測系統限制,炮線沒有采用隨機間距,但炮間距和接收線間距均采用了Jitter隨機,道間距受硬件限制沒有隨機。此情況下,采用本壓縮感知觀測系統,采集的數據量大約為常規采集的2/3。

表2 主要采集參數

圖3a和圖3b分別給出了常規采集數據和壓縮感知采集數據規則化后的克希霍夫疊前深度偏移成像結果;圖3c為其速度模型剖面。對比圖3a和圖3b可以發現,除了細微差別外,壓縮感知采集數據經過規則化后能夠達到與常規采集相當的效果,但減少了1/3的采集數據量。

圖2 高密度地震模擬及數據重采樣a 三維推覆體速度模型; b OBC采集12個patch的分布范圍; c 正演得到的高密度炮集地震數據; d P4的炮點、檢波點及覆蓋次數分布; e P4,P5,P6炮點、檢波點及覆蓋次數分布; f P4,P5,P6規則化后的炮點、檢波點及覆蓋次數分布

圖3 常規采集與壓縮感知采集的成像結果(Inline 300)a 常規采集數據成像剖面; b 壓縮感知采集數據規則化后的成像剖面; c 速度模型剖面

2 海上壓縮感知地震數據處理

除了用于地震數據采集外,壓縮感知技術在地震資料處理中也有較大的應用空間,主要用于改善處理效果或提高處理效率。其中,壓縮感知地震數據規則化是與壓縮感知地震數據采集設計緊密相關的一項處理技術,它不僅搭起了壓縮感知地震數據采集與后續常規處理間的橋梁,更為壓縮感知地震數據采集設計提供了一種評價手段。

2.1 基于壓縮感知的地震數據規則化

導致地震數據采集觀測系統不規則的因素很多。例如,壓縮感知采集的地震數據具有天然的不規則性。另外,由于鉆井平臺等障礙物的存在,潮汐、洋流等的影響,導致地震數據炮點、檢波點分布也不規則。這種數據不規則對后續處理有較大影響,如果不進行規則化就很難用傳統的處理方法進行處理。地震數據不規則對偏移成像、多次波壓制等也有較為顯著的影響[17]。

無論是壓縮感知采集的數據還是常規采集數據,地震道往往不是嚴格地分布在規則網格上。要實現其規則化,通常有兩種思路:一是采用適應非規則網格的運算,輸出規則網格地震道(輸入圖4a地震道,運算后直接輸出圖4b結果)[18];二是應用插值實現規則化,即加密地震道(圖4c),對地震道執行bin處理,采用規則網格的運算,輸出目標規則網格地震道(如輸入圖4a地震道,經過圖4c處理,運算后輸出圖4b 結果)。前者無法使用快速傅里葉變換(FFT),效率較低;后者地震道雖然增加,但可以使用FFT,效率高。

圖4 壓縮感知數據規則化思路a 不規則地震數據炮點或接收點分布; b 規則化輸出的地震數據炮點或接收點分布; c 加密后的地震數據炮點或接收點分布

ABMA等[19]將壓縮感知思想引入數據規則化領域,采用閾值迭代和稀疏反演來實現數據規則化,具有較高的計算效率,并且處理隨機缺失數據效果很好,因而尤其適用于壓縮感知采集的地震數據。該方法能夠較好地壓制隨機缺失引起的非規則假頻,但壓制由規則缺失引起的規則強假頻較為困難。而實際數據往往是隨機缺失與規則缺失的疊加,因而處理較為困難。

針對上述問題,對變換域數據進行加權處理,使其能在壓制隨機缺失導致的隨機假頻的同時,也能較好地壓制規則缺失引起的規則強假頻。

傳統壓縮感知地震數據規則化方法閾值迭代求解公式[20]為:

(1)

對上述傳統方法變換域的數據進行了適當的加權處理,總體思想是沿著真實頻譜方向權值較大,而其它方向權值較小。修改后的迭代公式為:

(2)

2.2 基于壓縮感知的同時震源炮集分離

同時震源隨機激發技術能夠顯著提升地震數據采集效率,但它面臨混疊炮集的分離問題[10]。在炮域,干擾炮表現為規則干擾,但是在共接收點域或共偏移距域,干擾炮就類似于隨機噪聲[21-24]。常規處理可以使用濾波方法來壓制它源干擾,但效果欠佳。一些學者應用反演策略實現同時震源的炮集分離[25-29],WASON等[30-31]將壓縮感知及稀疏反演應用到同時震源的炮集分離,分離精度較好。周艷輝等[32]將機器學習與稀疏反演相結合進行同時震源的炮集分離,進一步提高了分離的精度。

基于壓縮感知和稀疏反演的同時震源炮集分離的基本原理是:對于共接收點道集,假設其在某個變換域的信號稀疏,則可以用L1范數代替L0范數,建立該稀疏約束下的目標函數:

(3)

式中:d是一個檢波點接收的同時震源數據;m是待恢復的無干擾炮數據;A是混疊算子,即由無干擾炮數據m生成d的算子;C是稀疏變換算子;λ是拉格朗日乘子。這是一個凸優化問題,可用類似于壓縮感知規則化的求解方式進行閾值迭代求解。

2.3 基于壓縮感知的地震數據噪聲壓制

地震數據噪聲壓制是地震資料處理中的一個重要環節。壓噪的方法多種多樣,各有其適應性。對于隨機噪聲而言,使用壓縮感知和稀疏反演是一種有效手段。HERRMANN等[33]、NEELAMANI等[34]和HENNENFENT等[35]將曲波變換應用于壓縮感知壓噪,取得了較好的壓噪效果;為了避免人工調節迭代過程中的閾值,曹靜杰等[36]提出了一種自適應調節閾值的壓噪方法。基于曲波變換的壓縮感知去噪方法在去除噪聲的同時使信號邊緣產生了不光滑畸變,且對有效信號有損傷,因而唐剛[15]、劉偉等[37]提出一種基于壓縮感知和全變差準則約束的壓噪方法,取得了更好的壓噪效果;南方舟等[38]提出一種基于閾值迭代和改進的冷卻閾值法的壓縮感知壓噪方法,并將其應用于海底地震儀(OBS)數據的噪聲壓制;唐剛[15]將字典學習與壓縮感知壓噪相結合,依據地震數據特征自適應地變換稀疏變換基函數,從而取得了較好的壓噪效果。

壓縮感知地震數據噪聲壓制的基本假設是信號在變換域稀疏。基于這一稀疏假設,可以建立壓縮感知噪聲壓制的目標函數[15,36]:

(4)

式中:y是含噪數據;x是稀疏變換域的系數;CT是稀疏逆變換算子。該問題同樣是個凸優化問題,可用閾值迭代法進行求解:

(5)

式中:i表示第i次迭代;Ti是第i次迭代時的閾值。

2.4 壓縮感知處理技術的應用

2.4.1 壓縮感知數據規則化的應用

1) 模型數據應用。圖5a給出了隔道缺失的地震數據采用傳統壓縮感知方法得到的規則化處理結果;圖5b為其對應的頻率-波數譜。由圖5a和圖5b可見,由于規則強假頻的存在,迭代過程難以分辨真假頻譜,因而重建失敗。利用改進后的方法進行規則化處理,得到的結果如圖5c所示;圖5d為其頻率-波數譜。由圖5c和圖5d可見,改進后的方法能夠對規則缺失道進行較好的重建,壓制假頻。事實上,改進后的方法對于既存在隨機缺失又存在規則缺失的數據也有較好的適應性,因此,該方法對于壓縮感知采集數據及常規采集數據均適用。

2) 規則化仿真的壓縮感知采集數據。圖6a給出了真實炮集經過壓縮感知重采樣得到的仿真壓縮感知采集數據。數據缺失道為規則缺失疊加隨機缺失,因而其頻率-波數譜(f-k譜)(圖6b)不僅存在隨機假頻,還存在規則強假頻。采用譜加權壓縮感知規則化處理后的數據如圖6c所示,其f-k譜如圖6d所示。由圖6c和圖6d可見,隨機缺失和規則缺失的道都得到了較好的重建,兩種假頻也均得到了較好壓制。

圖5 隔道缺失地震數據采用改進前、后壓縮感知方法得到的規則化處理結果a 采用傳統壓縮感知方法得到的規則化處理結果; b 圖5a對應的頻率-波數譜; c 采用改進方法得到的規則化處理結果; d 圖5c對應的頻率-波數譜

圖6 仿真壓縮感知數據規則化處理結果a 仿真的壓縮感知采集數據; b 圖6a對應的f-k譜; c 改進方法得到的規則化處理結果; d 圖6c對應的f-k譜

3) 重建缺失炮。實際地震數據有時存在缺炮現象,如圖7a所示,缺失左邊一炮,在炮域無法將其重建。當數據分選為其它道集時(如共偏移距道集),缺失炮就變成了一些缺失道(圖7b)。采用譜加權的壓縮感知規則化方法進行處理,得到的道集數據如圖7c 所示,可見,缺失道都得到了較好重建。將重建后的道集分選回炮域,得到如圖7d所示結果。重建炮(圖7d左邊)與鄰近炮(圖7d右邊)非常相似,說明該方法對于缺失炮有良好的重建效果。

4) 提高OBN時移地震可重復性。時移地震是油藏監測的重要手段,它需要前、后兩次地震采集、處理盡可能保持一致,從而將差異歸因于油藏本身的變化。中國海油某油田采用OBN進行了時移地震監測。OBN采集成本非常高,因而道間距往往較大。基數據采集已完成,OBN道間距為150m。為降低成本,需評估增加OBN道間距對時移地震可重復性的影響以及規則化對提高時移地震可重復性的作用。基于該油田的地下速度模型,正演模擬了150m和300m道間距的OBN地震數據。時移地震處理結果表明,300m道間距數據對基數據的時移地震可重復性不理想。圖8a給出了300m道間距的OBN炮集數據。因道間距過大,要在炮域將其加密為150m的道間距,必然帶來較大的誤差。與拖纜不同,OBN可將其變換到共偏移距域進行插值,加密地震道。圖8b 給出了其共偏移距道集。利用譜加權的壓縮感知規則化處理方法在共偏移距道集上對其進行插值,將其道間距變為150m,結果如圖8c所示。由圖8c可見,在共偏移距域,盡管道間距很大,每兩道間缺失很多道,但同相軸平直,因而可以得到較好的重建結果。圖8d 是將重建結果變換回炮域的結果。由圖8可見,譜加權的壓縮感知規則化方法對OBN數據有較好的插值效果,因而能夠提高時移地震可重復性,使其平均歸一化均方根振幅值(Normalized Root-mean-square,NRMS)由0.1478降至0.1043。

圖7 缺失炮重建結果a 含缺失炮的炮集數據; b 圖7a對應的共偏移距道集; c 采用改進方法對圖7b進行規則化處理后的結果; d 將圖7c分選回炮域的結果

圖8 改進方法加密OBN數據的結果a 300m道間距的OBN炮集數據; b 圖8a的共偏移距道集數據; c 采用改進方法將圖8b插值到150m 道間距的結果; d 圖8c變換到炮域的結果

5) 改善偏移成像質量。數據規則化能夠壓制偏移劃弧等假象、改善偏移成像質量。圖9a給出了某三維工區共偏移距向量片(common offset vector tile,COV)道集切片。利用譜加權的壓縮感知規則化方法對COV道集進行了規則化處理,得到處理后的COV道集切片如圖9b所示。可以看到,規則化處理后原來的缺失道得到了較好的重建。對規則化處理前、后的數據進行偏移成像,得到的結果如圖10a 和圖10b所示。由圖10a和圖10b可見,規則化處理前,COV道集中存在許多缺失道,影響了偏移成像質量,偏移成像剖面上存在嚴重的偏移劃弧現象;規則化處理后,偏移劃弧等假象得到了有效壓制,偏移成像質量得到了顯著提高。

圖9 采用改進的規則化方法對某三維工區地震數據進行規則化處理前(a)、后(b)的COV道集切片

圖10 采用改進的規則化方法對某三維工區地震數據進行規則化處理前(a)、后(b)的偏移成像剖面

2.4.2 壓縮感知壓噪的應用

圖11給出了某實際單炮的壓縮感知壓噪結果。圖11a為含噪的單炮記錄;圖11b為采用基于壓縮感知和曲波變換的壓噪方法處理后的單炮記錄;圖11c為去除的隨機噪聲。從圖11中可以看到,采用壓縮感知壓噪方法,隨機噪聲得到了較好的壓制。

圖11 某實際單炮的壓縮感知壓噪結果a 含噪的單炮記錄; b 壓縮感知壓噪后的單炮記錄; c 去除的噪聲

3 未來發展方向展望

壓縮感知技術正在引發地震勘探革命,它將深遠地改變地震采集、處理、解釋的面貌。海上壓縮感知地震勘探的主要發展方向將體現在以下幾個方面。

1) 壓縮感知地震高效、經濟采集。采集成本是地震勘探成本的主體,采集方面降本增效的潛力最大。壓縮感知高效、經濟采集始終是壓縮感知地震勘探發展的最主要方向,并且它將與“兩寬一高”采集相結合,實現高效、經濟的“兩寬一高”地震采集。壓縮感知高效、經濟采集的發展方向之一是利用現有采集設備,優化壓縮感知采集觀測系統,實現采集的降本增效;發展方向之二是促使采集硬件的更新換代,設計生產出更適合海上壓縮感知地震采集的設備,例如推進OBN的常規化,生產出道間距可調的OBC,研制出空間位置控制更靈活的海面檢波器等。

2) 壓縮感知優質、高效處理。基于壓縮感知理論,許多常規的地震處理環節都能夠得以提速或改善效果。壓縮感知技術能夠加速波動方程偏移速度分析(WEMVA)、全波形反演(FWI)、偏移成像等計算密集型處理環節[39-40],也能夠用于疊后地震數據的提高分辨率處理等。另外,不經過數據規則化,實現壓縮感知數據的直接偏移成像也是壓縮感知地震處理的一個重要發展方向。

3) 壓縮感知海上油藏地震監測。在油氣開發階段,海上時移地震是重要的油藏監測手段。常規時移地震對基數據和監測數據的采集一致性有嚴格要求。壓縮感知時移地震不僅能夠顯著降低時移地震采集的成本,更提供了一種松弛前、后兩次地震采集一致性要求的可能性[41],具有巨大的潛在價值。

4 結論與認識

本文較系統地歸納總結了壓縮感知技術在海上地震勘探中的初步應用情況。壓縮感知地震勘探基于壓縮感知理論,具有顯著的稀疏性和隨機性。該技術能夠應用于海上地震采集、地震處理以及油藏監測等海上地震技術中。

將壓縮感知技術應用于海上地震采集時,在保持相同采集質量的前提下,采集的工作量和數據量將顯著小于常規地震采集;設計了OBC壓縮感知觀測系統,對正演模擬的高密度地震數據進行重采樣,得到模擬的海上壓縮感知數據,在減少1/3采集數據量的情況下,取得了與常規采集相當的處理效果,展現了壓縮感知采集的良好效果。今后應加強壓縮感知采集與昂貴的海上“兩寬一高”地震的結合,使其盡可能地服務于日趨復雜的海上地震勘探;還應加強海上壓縮感知地震采集的儀器設備、配套控制軟件的研發升級,使得壓縮感知地震勘探在海上變得更為靈活、可行。

將壓縮感知技術應用于地震資料處理時,一方面可以將壓縮感知采集的數據規則化,為后續的常規處理奠定基礎;另一方面可以用于同時震源炮集分離、噪聲壓制、提高分辨率等改善效果的處理,也能用于提速FWI、偏移成像等計算密集型的處理環節。壓縮感知數據規則化是一項承接壓縮感知采集和處理的關鍵處理技術。基于譜加權的壓縮感知數據規則化方法擴展了傳統方法的適應性,模型和實際數據的應用效果展現了其有效性和實用性。目前許多基于壓縮感知的處理技術尚處于理論研究階段,今后應加強壓縮感知處理技術的實用化研究,使其在生產中提升處理效率,改善處理效果。

壓縮感知技術還能用于開發地震進行油藏監測,降低時移地震成本,松弛時移地震前、后兩次采集的一致性要求。今后應加強時移地震采集與壓縮感知采集技術的結合,使得壓縮感知技術在昂貴的時移地震中發揮降本增效作用。

壓縮感知作為一項前沿技術,在海上地震勘探中的應用前景已經充分體現。但該技術還剛起步,尚不成熟,要使得該技術實用化,還需進行一系列的攻關。