三維地震資料疊前隨機(jī)噪音壓制

王維紅， 宋元東， 林春華， 劉瑞有， 姜艷影

( 1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2. 大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 3. 梧州中國(guó)石油昆侖燃?xì)庥邢薰荆瑥V西 梧州 543002； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163414 )

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三維地震資料疊前隨機(jī)噪音壓制

王維紅1， 宋元東1， 林春華2， 劉瑞有3， 姜艷影4

( 1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2. 大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 3. 梧州中國(guó)石油昆侖燃?xì)庥邢薰荆瑥V西 梧州 543002； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163414 )

為提高疊前道集數(shù)據(jù)的信噪比，將頻率域基于雙向預(yù)測(cè)誤差濾波的三維疊后隨機(jī)噪音衰減方法(3D RNA)，經(jīng)過地震資料的道頭修改和重置后，應(yīng)用于疊前地震資料，實(shí)現(xiàn)三維疊前地震資料隨機(jī)噪音的壓制處理.某工區(qū)CMP道集和CRP道集隨機(jī)噪音壓制的試處理結(jié)果表明：該方法能夠提高三維地震數(shù)據(jù)信噪比，得到的地震道集同相軸更清晰，可在不同的處理流程和步驟中串行應(yīng)用，并且?guī)缀蹩蛇m用于所有三維地震資料.為提高速度分析精度、改善疊加效果、保持地震數(shù)據(jù)的AVO振幅特性和提高成果數(shù)據(jù)體的成像精度提供指導(dǎo).

疊前； 隨機(jī)噪音； 壓制； 道頭修改； 地震資料

0 引言

隨機(jī)噪音在地震資料中普遍存在，主要來源于采集過程和處理過程.在資料采集過程中，隨機(jī)噪音主要來源于地面微震、炮點(diǎn)激發(fā)和儀器接收等因素造成的不規(guī)則干擾[1-2]；在資料處理過程中，隨機(jī)噪音主要來源于偏移成像和正演模擬過程，如逆時(shí)偏移中采用隨機(jī)邊界條件引起的隨機(jī)噪音[3-6].在地震記錄上，隨機(jī)噪音沒有一定的視速度和傳播方向，是一種具有各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)的平穩(wěn)隨機(jī)過程[7].隨機(jī)噪音的存在不但引起地震資料信噪比的降低，而且嚴(yán)重制約地震資料后續(xù)的高分辨率處理、目標(biāo)準(zhǔn)確成像、屬性提取和反演等[8]，對(duì)當(dāng)前高分辨率和巖性油氣藏勘探有較大影響.在地震資料的“三高”(高信噪比、高分辨率和高保真度)處理過程中，信噪比是基礎(chǔ)，是保證地震資料分辨率和保幅的關(guān)鍵；三維地震勘探是地震勘探的主要方法，隨機(jī)噪音的存在嚴(yán)重制約后續(xù)的地震資料處理步驟，如速度分析、AVO分析、疊加效果及偏移成像的效果等.

疊加是壓制隨機(jī)噪音的有效方法，當(dāng)前大多數(shù)地震處理技術(shù)應(yīng)用于疊前，因此需要在疊前進(jìn)行隨機(jī)噪音壓制，以提高疊前處理的精度，進(jìn)而提高勘探成功率.疊前隨機(jī)噪音壓制的方法主要是濾波法，如中值濾波、f-x域預(yù)測(cè)濾波、多項(xiàng)式擬合、K-L變換和τ-p變換去噪等[9-16].其中中值濾波法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是平滑處理相當(dāng)于低通濾波，對(duì)有效信號(hào)的高頻成分造成損失，難以滿足巖性勘探的保幅高分辨率處理的要求[9]；K-L變換法的基本假設(shè)是水平地層，對(duì)實(shí)際存在的傾斜地層的噪音壓制處理，常導(dǎo)致有效波的振幅受到較大影響[11-12].非局部平均濾波(NLM)方法是近年來發(fā)展起來的隨機(jī)噪音壓制的有效方法[17]，對(duì)二維數(shù)據(jù)和疊后地震取得理想的效果；處理三維疊前地震數(shù)據(jù)時(shí)，由于三維權(quán)系數(shù)計(jì)算較為困難，并且計(jì)算效率低，所以在三維疊前地震數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪音壓制中未得到廣泛應(yīng)用.

目前廣泛應(yīng)用的是基于疊后地震數(shù)據(jù)的三維隨機(jī)噪音衰減方法(3D RNA).它根據(jù)疊后資料有效波同相軸的相干性[18]，應(yīng)用二維預(yù)測(cè)算子實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪音的壓制，對(duì)提高疊后資料信噪比、壓制高頻隨機(jī)噪音非常有效.筆者將三維疊后隨機(jī)噪音衰減技術(shù)應(yīng)用于三維疊前處理，即對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)體，通過地震記錄中道頭字修改與重排，形成三維疊后數(shù)據(jù)體的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用3D RNA方法完成三維疊前隨機(jī)噪音壓制，能夠有效提高疊前資料的信噪比，為三維地震數(shù)據(jù)高精度成像奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 疊后3D RNA原理

疊后三維隨機(jī)噪音壓制方法(3D RNA)可以有效壓制隨機(jī)噪音等非相干干擾，提高疊后地震資料的信噪比.在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要將三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行Fourier變換，得到頻率—空間(f-x,y)域的地震數(shù)據(jù).

三維地震數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行Fourier正變換的計(jì)算公式為

(1)

式中：D(x,y,ω)為三維時(shí)間域地震數(shù)據(jù)d(x,y,t)的Fourier正變換；ω為圓頻率.

在頻率空間域，對(duì)于給定的任一頻率成分ωi，式(1)所給出的地震數(shù)據(jù)D(x,y,ωi)只是空間位置坐標(biāo)x和y的函數(shù)，將其記為f(x,y).設(shè)計(jì)一個(gè)矩形窗，即二維預(yù)測(cè)算子，設(shè)在該矩形窗內(nèi)有m組不同視速度的反射波同相軸Ri(t)，各同相軸在兩個(gè)空間方向的反射時(shí)差表示為Δtx(i)和Δty(i)，其中i=1,2,…m，則特定頻率成分的二維地震信號(hào)f(x,y)可以表示為二維Z變換的形式：

(2)

式中：F(Z1,Z2)為二維信號(hào)f(x,y)的Z變換；R(f)為反射同相軸R(t)的頻率域表示形式.

將式(2)右端展開，整理可得

E(Z1,Z2)=F(Z1,Z2)P(Z1,Z2),

(3)

式中：E(Z1,Z2)為預(yù)測(cè)誤差的Z變換；P(Z1,Z2)為二維預(yù)測(cè)誤差濾波器；F(Z1,Z2)為輸入的離散信號(hào).式(3)將信號(hào)F(Z1,Z2)應(yīng)用于二維預(yù)測(cè)誤差濾波器P(Z1,Z2)，進(jìn)行濾波得到E(Z1,Z2)結(jié)果.

實(shí)際上，預(yù)測(cè)誤差濾波算子P(Z1,Z2)是未知的，設(shè)三維地震數(shù)據(jù)經(jīng)過矩形預(yù)測(cè)算子預(yù)測(cè)后，輸出的預(yù)測(cè)誤差能量最小，則構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，并令目標(biāo)函數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)算子的偏導(dǎo)數(shù)為零，得到矩陣方程為

RH·P=R,

(4)

式中：RH為頻率—空間域地震記錄的多道自相關(guān)的Hermite矩陣；R為頻率—空間域地震記錄的多道自相關(guān)列陣；P為二維預(yù)測(cè)算子各分量的列陣.

根據(jù)式(4)求出對(duì)應(yīng)于不同頻率成分的二維預(yù)測(cè)算子后，對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行維納濾波處理，即可得到頻率域地震信號(hào)的最小平方近似[18-19]；再進(jìn)行Fourier反變換，得到時(shí)間空間域隨機(jī)噪音壓制后的三維疊后地震數(shù)據(jù)體.該方法的本質(zhì)是徑向預(yù)測(cè)濾波，利用相鄰地震道有效波的相似性，實(shí)現(xiàn)三維疊后地震數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪音壓制處理.

圖1 三維疊前隨機(jī)噪音壓制道頭修改示意Fig.1 Trace header modification schematic diagram of 3D prestack random noise suppression

2 疊前3D RNA方法

一般疊前地震數(shù)據(jù)是以共炮點(diǎn)道集或共中心點(diǎn)道集(CMP)依次存放的，其有效波同相軸的時(shí)距曲線近似為雙曲線.對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)隨機(jī)噪音壓制，有效波同相軸具有雙曲性質(zhì)，所以不能直接應(yīng)用疊后3D RNA方法.為有效實(shí)現(xiàn)疊前地震數(shù)據(jù)隨機(jī)噪音的壓制，對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)的道頭字進(jìn)行修改(見圖1)，使它與疊后三維地震數(shù)據(jù)的道頭形式基本一致；修改后的一個(gè)空間坐標(biāo)軸表示炮號(hào)或CMP號(hào)等，另一個(gè)空間坐標(biāo)軸表示道號(hào)，修改前后時(shí)間坐標(biāo)軸保持不變(見圖1).由圖1可知，在疊前應(yīng)用3D RNA方法進(jìn)行隨機(jī)噪音衰減，在共炮點(diǎn)道集和共中心點(diǎn)道集可以實(shí)現(xiàn).

以共炮點(diǎn)道集數(shù)據(jù)為例，說明道頭修改和隨機(jī)噪音壓制的實(shí)現(xiàn)過程.首先將疊前共炮點(diǎn)道集數(shù)據(jù)中單炮記錄作為縱軸，將每炮的地震道作為橫軸，形成一個(gè)平面，每炮中的地震道與按順序排列的炮記錄組成的數(shù)據(jù)體類似于三維疊后數(shù)據(jù)體；然后應(yīng)用疊后3D RNA方法進(jìn)行隨機(jī)噪音壓制處理，再將地震數(shù)據(jù)道頭修改為原來疊前共炮點(diǎn)道集的形式，即實(shí)現(xiàn)疊前地震數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪音壓制處理.在疊前隨機(jī)噪音壓制計(jì)算中，只要正確完成道頭字的修改，就可以應(yīng)用疊后3D RNA方法實(shí)現(xiàn)噪音壓制處理；因此提出的疊前隨機(jī)噪音壓制的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于任何三維疊前地震數(shù)據(jù)體都是適用的.另外，該方法是相對(duì)保幅的隨機(jī)噪音壓制技術(shù)，可為后續(xù)的疊前成像算法提供信噪比高的數(shù)據(jù)體.

3 應(yīng)用效果

在地震資料處理過程中，疊前在共炮點(diǎn)道集和共檢波點(diǎn)道集處理的步驟較多，一般CMP道集中隨機(jī)噪音壓制對(duì)于提高資料信噪比和速度分析精度等具有重要意義；偏移后CRP道集上，由于存在偏移算法和數(shù)據(jù)不規(guī)則等，也產(chǎn)生隨機(jī)噪音，為提高后續(xù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、優(yōu)化疊加等處理精度也需要噪音壓制處理.

大慶油田某工區(qū)三維地震資料于2011年采集，滿覆蓋面積為300 km2，覆蓋次數(shù)為96，面元大小為25 m×25 m，最大偏移距為4 500 m.該工區(qū)勘探目的是斷陷區(qū)深層火山巖和致密砂礫巖儲(chǔ)層，目的層埋藏深、波場(chǎng)復(fù)雜、地震資料信噪比低.為提高地震資料成像精度，對(duì)疊前的CMP道集應(yīng)用提出的疊前3D RNA方法，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪音壓制處理，提高疊前地震數(shù)據(jù)的信噪比，進(jìn)而使靜校正、速度分析等精度得到提高，為后續(xù)偏移成像精度的提高提供技術(shù)基礎(chǔ).

對(duì)研究區(qū)的某一CMP道集，應(yīng)用提出的三維疊前隨機(jī)噪音壓制方法得到的噪音壓制前后結(jié)果見圖2，其中動(dòng)校正后含噪音的CMP道集見圖2(a)，噪音壓制后的CMP道集見圖2(b).由圖2可知，隨機(jī)噪音壓制后，在1.8～3.0 s之間目的層信噪比得到有效提高，有效波同相軸連續(xù)性增強(qiáng).為更好地說明隨機(jī)噪音壓制后的道集對(duì)后續(xù)處理的影響和數(shù)據(jù)的應(yīng)用，給出該CMP道集位置處疊前隨機(jī)噪音壓制前后的速度譜(見圖3).其中原始含隨機(jī)噪音的CMP道集速度譜見圖3(a)，隨機(jī)噪音壓制后的CMP道集速度譜見圖3(b).由圖3可知，經(jīng)過疊前隨機(jī)噪音壓制后，速度譜中能量和聚焦效果得到大幅改善，可以提高速度分析的精度，進(jìn)而提高成像精度.

圖2 CMP道集疊前隨機(jī)噪音壓制前后結(jié)果Fig.2 The comparison of CMP gathers before and after 3D prestack random noise suppression

圖3 CMP道集三維疊前隨機(jī)噪音壓制前后速度譜Fig.3 The comparison of velocity spectrum before and after 3D prestack random noise suppression

CRP道集是疊前時(shí)間或深度偏移后的成果道集，對(duì)CRP道集進(jìn)行疊加，得到偏移的最終成果數(shù)據(jù)體.同時(shí)，CRP道集也可用于AVO分析、疊前反演和儲(chǔ)層定量預(yù)測(cè)，所以道集質(zhì)量對(duì)成果數(shù)據(jù)體的解釋、應(yīng)用和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等具有決定作用.由于存在偏移計(jì)算等原因，CRP道集含有一定的隨機(jī)噪音.應(yīng)用三維疊前隨機(jī)噪音壓制方法可以提高CRP道集的信噪比.研究區(qū)某一CRP道集隨機(jī)噪音壓制前后結(jié)果見圖4.由圖4可知，噪音壓制后CRP道集同相軸連續(xù)性好、信噪比高，可以有效提高AVO分析和疊前反演的計(jì)算精度.

研究區(qū)一條主測(cè)線CMP道集疊前噪音壓制前后的疊加結(jié)果見圖5，為便于顯示，抽取其中的一段進(jìn)行對(duì)比.其中常規(guī)處理得到的疊加剖面見圖5(a)，對(duì)CMP道集進(jìn)行三維疊前隨機(jī)噪音壓制后的疊加剖面見圖5(b).由圖5可知，噪音壓制后地震數(shù)據(jù)體信噪比有一定程度提高，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，能夠?yàn)楹罄m(xù)處理提供較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

圖4 CRP道集疊前隨機(jī)噪音壓制前后結(jié)果Fig.4 The comparison of CRP gathers before and after prestack random noise suppression

圖5 CMP道集疊前噪音壓制前后疊加數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.5 The comparison of stack sections before and after prestack random noise suppression in CMP domain

4 結(jié)論

(1)基于疊后三維地震數(shù)據(jù)隨機(jī)噪音壓制方法，修改疊前數(shù)據(jù)的道頭字，形成三維地震數(shù)據(jù)的疊前噪音壓制方法.疊前隨機(jī)噪音壓制方法可以在不同數(shù)據(jù)道集中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪音壓制，對(duì)于CMP道集，除提高道集的信噪比外，還可提高速度分析精度，為后續(xù)基于CMP的資料處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(2)在CRP道集上進(jìn)行疊前隨機(jī)噪音壓制，可以有效提高地震資料的信噪比，為最終成像疊加及成像數(shù)據(jù)體的解釋、反演和應(yīng)用提供基礎(chǔ)，同時(shí)也可為AVO分析提供高精度道集數(shù)據(jù).

(3)該方法思路簡(jiǎn)單，計(jì)算效率較高，易于實(shí)現(xiàn)，可以有效提高地震資料的信噪比和成像精度，適合在低信噪比資料的地區(qū)推廣應(yīng)用.

[1] Ristau J P, Wooil M M. Adaptive filtering of random noise in 2-D geophysical data [J]. Geophysics, 2001,66:342-349.

[2] 胡天躍.地震資料疊前去噪技術(shù)的現(xiàn)狀與未來[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2002,17(2):218-223. Hu Tianyue. The current situation and future of Seismic data prestack noise attenuation techniques [J]. Progress in Geophysics, 2002,17(2):218-223.

[3] 王維紅,郭雪豹,石穎.非局部平均濾波噪聲壓制方法及其在VSP資料逆時(shí)偏移中的應(yīng)用[J].石油物探,2015,54(2):165-171. Wang Weihong , Guo Xuebao, Shi Ying. Nonlocal means filtering denoising approach and its application in VSP reverse time migration seismic data [J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2015,54(2):165-171.

[4] 郭雪豹,王建民,王維紅,等.基于GPU并行加速的VSP數(shù)據(jù)逆時(shí)偏移[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào),2014,38(2):58-62. Guo Xuebao, Wang Jianmin, Wang Weihong, et al. VSP data reverse-time migration based on GPU parallel acceleration [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2014,38(2):58-62.

[5] 石穎,陸加敏,柯璇,等.基于GPU并行加速的疊前逆時(shí)偏移方法研究[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(4):111-115. Shi Ying, Lu Jiamin, Ke Xuan, et al. Prestack reverse time migration based on GPU parallel accelerating algorithm [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2012,36(4):111-115.

[6] 田東升,王云專,李義鵬,等.單程和雙程波動(dòng)方程疊前深度偏移方法[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào),2014,38(4):39-44. Tian Dongsheng, Wang Yunzhuan, Li Yipeng, et al. One-way and two-way wave equation pre-stack depth migration approaches [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2014,38(4):39-44.

[7] 陸基孟,王永剛.地震勘探原理[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,1993:420-428. Lu Jimeng, Wang Yonggang. The principle of seismic exploration [M]. Dongying: China University of Petroleum Press, 1993:420-428.

[8] 熊翥.地震數(shù)據(jù)處理應(yīng)用技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1993:141-224. Xiong Zhu. Seismic data processing technique application [M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1993:141-224.

[9] Luis L C. Random noise reduction [C]. SEG Technical Program Expanded Abstracts, 1984:525-527.

[10] Yu S, Cai X, Su Y. Seismic signal enhancement by polynomial fitting [J]. Applied Geophysics, 1989,1:57-65.

[11] Jones I F, Levy S. Signal-to-noise ratio enhancement in multichannel seismic data via the Karhunen-Loeve transform [J]. Geophysical Prospecting, 1987,35:12-32.

[12] 劉洪林,張春堂,朱秋影,等.K-L變換在地震資料去噪中的應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2007,31(4):19-21. Liu Honglin, Zhang Chuntang, Zhu Qiuying, et al. Application of K-L transformation to the noise attenuation in geological data [J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2007,31(4):19-21.

[13] 石穎,李瑩,王維紅,等.線性Radon變換噪音壓制法及其在古龍斷陷中的應(yīng)用[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(4):116-120. Shi Ying, Li Ying, Wang Weihong, et al. Approach of linear noise suppression using radon transform and its application in Gulong fault depression [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2012,36(4):116-120.

[14] Al-Yahya K M. Application of the partial Karhunen-Loeve transform to suppress random noise in seismic sections [J]. Geophysical Prospecting, 1993,39:77-93.

[15] 陳遵德,段天友,朱廣生,等.SVD濾波方法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].石油地球物理勘探,1994,29(6):783-792. Chen Zunde, Duan Tianyou, Zhu Guangsheng, et al. Improvement of singular-value decomposition filtering and the application [J]. OGP, 1994,29(6):783-792.

[16] Alan R M, Panos G K. Efficient tau-p hyperbolic velocity filtering [J]. Geophysics, 1990,55(5):619-625.

[17] Bonar D, Sacchi M. Denoising seismic data using the nonlocal means algorithm [J]. Geophysics, 2012,77(1):A5-A8.

[18] 李國(guó)發(fā).全三維隨機(jī)噪聲衰減技術(shù)[J].石油地球物理勘探,1995,30(3):310-318. Li Guofa. Full 3-D random-noise attenuation [J]. OGP, 1995,30(3):310-318.

[19] 國(guó)九英,周興元,楊慧珠.三維f-x,y域隨機(jī)噪音衰減[J].石油地球物理勘探,1995,30(2):207-215. Guo Jiuying, Zhou Xingyuan, Yang Huizhu. Attenuation of random noise in (f-x,y) domain [J]. OGP, 1995,30(2):207-215.

2015-04-20；編輯：任志平

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41474118)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA061202)

王維紅(1975-)，男，博士，副教授，主要從事地震資料數(shù)字處理方面的研究.

TE132.1,P631

A

2095-4107(2015)03-0025-07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.004