最优化广义S变换及其在油气检测中的应用.pdf

第30卷第2期 石沾 专天热 乞北彦 0ILG A SGEOLO G Y2009年4 月 文章编号0253 998 5200802 0236 04 最优化 广义 S 变换及其在油气检测中的应用 史燕红，边立恩，贺振华 成都理工大学 “ 油气藏地质及 开发工程 ” 国家重点实验室，四川成都610059 摘要时频分析是直接应用地震资料进行烃类检测的重要手段之 一 ，基于实际地震信 号 的非平稳特征及 短时傅立叶变换、 G a bor变换 、小波变换等常规时频分析方法的缺 点和不足，通过在S变换中引入新 的参数p来调节窗函数 的标准差，并结 合Jones和P a r ks等提 出的时频聚集性度量准则来选取最优的p值，得到了 一 种新的时频分析方法，即最优 化广义s变换。 合成信号试算结果表明，该方法 比常规时频分析方法具有更好的时频聚集性。在 实际 生产，此 方法的应用结果显示由它 生成分频数据体对于地层 的含油气性检测和识别具有比较明显的效果。 关键词时频分析；非平稳信 号；最优化广义S变换；分频剖面；油气检测 中图分类号P 63 1．4文献标识码A opt ima lgenera l izedS t ral蚓№rmand it sapp licat iontohydrocarbonde tect ion ShiYanhong，BianLi ’ en ，H eZ henhua ＆眦脚 k60 mzov 旷D 以0蒯 G∞mse聊打＆029盯。以 脚 Z0i￡0砌n ，C k昭d Ⅱ 踟 觇倦毋 矿％c ∞Z9g y 吼en鲥“ ，． s拓uⅡn610059 ，吼i 凇 Abst rac tT im ef requ en cyana l ysi sisone0ft heim por t antmeansf ordirecthydm c如ondetectionwit hseismic data．Rea lseismics远nalsarenon stationar yandshor tcomingsand dencienciesexistinconV entiona ltim e f r e quency ana l ysi sssuchas shor t timeF0 ur iertr ansf orm ，G abortm nsf omandw aV elet transf orm．Totack le these pm b lem s，an ewtime f r equ encyanal ysi sm ethod 一 0ptima lgenemlizedS t r an sf oⅡ Il i s achieVed byad dinga new par am eter “ p “ inS t r an sf omtoad ju st thestandard deviation0fwindowf unctionandselectingtheoptima l va Ju eofpaccordingtothe measurementcr iter ia ofthetim e f lr e quen cyagg r egation pr oposedbyJ 0 nesandPar ks． Tria lca lculationwithsyntheticsi g na ls showsthatthis hasabettertime f r equencyaggr egationt hancon - ventionaltim e f r equen cyanal y sis s．A ppl ication0fth ism ethodt0actu alseismicdatashow stha tthef re quency di visiondatavolume g en erated bythisisef lf ectiVeinhydrocar bondetectionandidentif ication． Keyw ordstim e -f r equencyanal ysi s；non - station ar ysi g nal ；0pt imd g ener alizedS t r ansf om ；f r equ en cy d i Vision pr061e；hyd Ilocar bondetection 随着地震勘探技术的不断发 展 和完善，频谱 分析技术已经成为利用地震资料直接进行烃类检 测的重要手段之 一 。而如何将地震资料 的时间域 数据变换到频率域，则是进行频谱分析的基础，也 是影 响 油气检测效果和 可靠性 的关键 技术环 节 H12j 。由于在地震勘探中，当地震波在地下介质 中传播时，由于传播路径 的复杂性及不同时刻不 同岩性 的地层对地震波吸收 、衰减程度的差异使 得地震信号呈 现出明显的时变、非平稳特征 一 。 。 对于这类信号，要在 时 间域和频率域 同时揭示信 号谱及能量谱的变化特征，采用传统的基 于信号 全局特征 的傅立叶变换已无能为力，为此，人们提 出并发展了 一 系列适合分析非平稳信号的方法， 如短时傅立叶变换sT 订 、G abor变换 、小波变换 收稿日期2009 一 O l 一 10。 第 一 作者简介史燕红1977 一 ，女，硕士研究生，地球物理信号与信息处理。 基金项 目国家高技术研究发展计划 8 63 项目2006A A O AAl02 12；国家自然科学基金项 目40774 064。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2期史燕红，等 ．最优化广义s变换及其在油气检测中的应用 W T及 C0hen类 旧“0双 线性时频分析等。 由stock w eU 等提出的S变换是连续小波变换 思想的延伸，其基本小波由简谐 波和高斯 窗函数 的乘积构成，简谐波在时域仅做尺度伸缩，而高斯 窗函数进行伸缩和平移变换，与短时傅立叶、小波 变换相比有其独特的优点，如信号的s变换分辨 率与频率相关 同时 与其傅立叶谱保持 直接 的联 系，基本小波不 必满足容许性条件等 “ J 。然而由 于S变换中基本小波是固定的，使其在实际地球 物理信号处理和分析的应用 中受到限制，为此，诸 多学者对S变换 加以发展和推广，提出了广义 S 变换 旧一引 ，在处理不同的实际信号时它们各有自 己的优缺点。 本文首次将J ones和Par ks 1驯提出的表征信号 时频聚集性 的度量 准则引入到基本 S 变换中，提 出了最优化广义 s变换 ，通过合成信号的仿真实 验证明了方法的有效性，最 后给出了该方法在 油 气检测中的应用实例。 1 基本原理 1． 1S 变换 Stockw ell1996将信号￡的s变换定义为 如下形式 sc ∽ C Ⅲ罢唧 【 尘 笋 ]卜 ” ／2仃 ‘ 2 。 exp 一 挖， r昕d￡ 1 式 中 ，为 频率；．r为时窗函数的中心点，它控 制高斯窗函数在时间轴上的位置。 令 矿∽ 。 南 2 则1式变为 - scr∽ 亡 m，者孝 xp[ 高≯】 exp 一 恐， r昕d￡ 3 盯∽为对应与频率 ／的 窗函数的标准差，用 于调制窗函数的宽度，可见与短时傅立叶变换相 比Js变换 的优点就在于窗函数的标准差 盯是频率 厂的 函数，时窗宽度取决于频率，在低频段的时窗 较宽，从而可以获得较高的频率分辨率；而高频段 的时窗较窄，可获得很高的时间分辨率 。 1． 2 最优化广义S变换 事实上，对于有些信号来讲，其窗函数采用式 2定义的标准差所得到 的时频分布也许并不是 最优的，为此，本文对 2式定义 的标准差做了改 造，改造后的形式如下 盯力 南 4 其中p p ， 为对应于频率，的最优化调节 因子，则最优化广义S变换具有如下的表达式 ％∽ c m ，等唧 [_华]J 一 ∞ ／1一L ’， J exp 一 挖11以d￡ 5 参数p控制着窗函数的宽度，对于给定的信 号，只要参数p的最优值能够确定那么最优化广 义S变 换 便得以实现。本文引入了Jones和 Par ks[ B’ 提出的时频聚集性度量 准则，用于确定p 的最优值，整个计算流程如下。 1对不同的 p∈0，1] ，按5式计算酽丁， 力； 2对每 一 个p和，根据J ones和Parks时频聚 集性度量准则计算 M J P I 厂 ，p f l5 ’ r∽ l 。d r／ f J I 5 ， 7-∽I 。d 7-6 3将使 眠， ／，p 达 到最大的p值作为对应 于频率，的最优化调节因子 p。力 argm ax[肘JP ，，p] 7 4最优化广义S 变换即为 y丁∽ 酽叫 ∽ 丁∽8 2 合成信号试算对比 图 1a是合成信号及其时频谱 ，信号 的表达式 为 zt cos681T￡ 一 201T￡ 。 cos21Tsin5竹t 120竹fcos1681T￡28丌￡ 。 9 其中，采样间隔△￡ 1／ 256s，江 n△￡，n 0 ，1， 2 ， ⋯ ，255。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 238 石油 与天然气地质第30卷 时间／s d 120 90 罂 骚 60 30 O O0 25O．50O．751．O O 时间／s b 120 攀90 锌 60 臻 30 0 001 25 0．500．751．00 时间／ s e N Z ＼ 褂 鬃 图1合成信号及其时频谱 F唔lC 0 m posi tesi g na landi t8tir 钉_ e -f f e quencysp e ctrum a ．时域信号 Ib．s T盯变换结果；c．s变换结果；d．广义s变换结果；e．最优化广义s变换结果；￡参数P的最优化函数值 由上图可以看到，短时傅立叶变换对信号的 线性调频部分具有 良好的时频聚集性，而对正弦 调制部分聚集性比较差 图 1b，s变换结果对信 号的低频部分具有较高的频率分辨率，但随着频 率的增高，分辨率明显降低且出现 了不同信号成 分的频率混叠图 1c，采用文献[12] 提出的广义 s变换 ，虽然分辨率较S变换有了很 大的改善，但 还是存在随频率增大分辨率降低的问题 图1d， 而采用最优化广义 S 变换，无论是低频成分还是 高频成分、线性调频部分还是正弦调制部分均 获 l0 聃1．1 厘 害 1，2 lO 芝 l1 厘 鲁 1．2 CDP 芝 l 星 翟 l 图2原始过井剖面 F i 昏2 Or i舀na lprof ilet jedtow eU C D P 之 】 I】 星 甚 l2 b C D P 图3单频剖面 Fi 昏3 Singlef requencypr0壬 i les 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2期史燕红，等 ．最优化广义s变换及其在油气检测中的应用239 得了很高的分辨率图1e，其相应 的最优化调节 因子p值随频率的变化关系见图1e。 3 实际资料应用分析 图2是某工区的 一 段 过井 剖面，图 3a d是 采用最优化广义s变换所提取的共频率剖面。我 们知道，当地震波在含油气地层中传播时要发生 与频率相关的能量衰减，其中高频成分的衰减远 大于低频，因此衰减 的结果使得低 频 成分保留了 比高频成分，更为丰 富的反映地层含油气性的信 息 “ 。对比图3a d可以发现 ，椭圆标注区域在 频率较低16H z时有 明显的强能量 ，而随着频率 的增大≥3 1 H z，强能量逐渐 消失 ，由此我们可 以预测椭圆标注 的区域为有利的含 油气段，钻井 资料显示，在 图2红色箭头标注处落在预测 的有 利区内钻遇 了有工业价值的天然气流，可 见预测 结果与钻井结果吻合度很好。 4 结论 1s变换结合了短时傅里叶变换 与小波变换 的优点，并在 一 定程度上克服了它们的缺点，适用 于非平稳信号 的时频分析。 2与标准的S 变换相比，本文提 出的最优化 广义 s变换具有更好的时频聚集性 ，对待分 析信 号 的适用性更为广泛。 3应用实例 表明本文提出 的方法作为 一 种 高精度的时频分析技术可以有效地应用于 地层 的 含油气性检测和识别，从而为储层 预 测提供了新 的工具和手段。 参考文献 l 毕研斌，龙胜祥，郭彤楼，等 ．应用频率衰减属性预 测T N B地 区储层含气性[J] ．石油与天然气地质 ，2007，2801116 ～ 120 2 盛秋红，肖兰雄 ．频谱成像技术在采穴构造储层 预测 中的应用 [J] ．石油与天然气地质 ，2008，290114 1 ～ 14 5 3cohenL ． T i眦 一h quen。y 鲫a l ysi sT heo r yand印 plication[M ] ． En西ewood C li归 f sPr enticeHa ll ，1995，25 27 4Bm cew el lRN ．T heF 0ur iertr．皿sf or| T land池 a p pl ica tion[M ] ． NewY0r kMcGr aw H i U ，2000，256 260 5GaborD．Theor y0 fcommunication[J]．J叫ma l0 fIE E E ，194 6，93 34 29 457 6Chakr a_ bonyA ，0k．d ya D．n。quenct ti medecoⅡ【 position0 fs eismic dat au si“gwavelet-basedmet hods[J]．Geophysics，1995 ，606 1 906 1916 7Stoekw eⅡRG ，M an sinhaL ，IJ0weR P．IJ 0 ca liza tion0 ft he complex spect Ⅲm thestr ans f orm[J] ．IE E E ’I- r 肌 saction sons i 驴a lP r o cessi“g，1996，4 44998 1001 8Pinneg a rCR ，M ansinh aL _r r heSt瑚 s f 0瑚w汕window s0fa r bi tm r yandvar yi ngshape[J]．Geophysics，2003 ，68138l 一 38 5 9MansinhaL ，S【 0ckw eⅡ R G ，L 0weR P．P a【 temana l y8i s w汕tw o dim en siona Ispect ra l10 ca lizatio“A p pl icationoftw0 一di m en siona l s t msf oml[J]．P hysica，1997 ，239328 6 295 10Mcfa denPD ，CookJ G ，For stefL M．Decomposmonofgear vi bm ti on si g na l sby g ener a lizedS tr锄 sf 0珊 [J] ．Mechanica lsystems and Si g l la lPm cess，1999 ，13469 1 707 l 】 高静怀，陈文超，李幼铭，等 ．广义s变换与薄互层 地 震响应分 析 [J] ．地球物理学报 ，2003，464526 ～ 532 12 陈学华，贺振华 ．改进 的s变换及在地震信号处 理中的应 用 [J] ．数据采集与处理 ，2005，2044 4 9 ～ 453 13 J0 nesDL ，ParksT W．Ahi ghr es01uti on data_ad印tivetim e f _ r e qu enc y repr esentation[J] ，IE EE T ran sactionsonAcoustics， Speechand Si gnalPm cessi ng，1990，38122 127 2 135 14 范洪军，李军，肖毓祥，等 ．地震分频技术在扇三角洲演化过程 中的应用[J] ．石油与天然气地质 ，2007，285682 ～ 68 6 中国石化石油 科技期刊研讨会召 开 编辑董 立 2009年3月25 ～ 29日 ，由中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院 、中国石油化工信息学会 石油勘探开发研究院分会、石油与天然气地质编辑部主办的 “ 中国石化石油科技期刊研讨会 ” 如期召 开。与会代表对我国科技期刊发展现状与改革趋势、运作模式、品牌意识 、知识产权问题、编辑加工、对外 交流机制、发行状况、审稿专家队伍、审退稿机制、编委会作用 、稿源与文章质量、人才培养等方面进行了 讨论。交流了科技期刊的办刊经验，探讨了如何不断提高期刊影响因子 的问题，并对新形势下期刊的发 展方 向进行了展望。 高岩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m