高密度寬方位地震資料處理技術(shù)研究進(jìn)展

王兆磊， 公 亭， 李隆梅， 李國生， 趙志強(qiáng), 顧小弟， 孟曉夢

(東方地球物理公司 研究院處理中心，涿州 072751)

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高密度寬方位地震資料處理技術(shù)研究進(jìn)展

王兆磊， 公 亭， 李隆梅， 李國生， 趙志強(qiáng), 顧小弟， 孟曉夢

(東方地球物理公司 研究院處理中心，涿州 072751)

隨著可控震源滑動掃描、獨(dú)立同步掃描、高保真采集、點激發(fā)接收等高效采集技術(shù)的推出，高密度、寬方位地震勘探變得越來越經(jīng)濟(jì)可行，但隨之也帶來了高效采集噪聲干擾、高保真采集數(shù)據(jù)分離等問題。這里著重論述了相關(guān)預(yù)測減去法諧波壓制、多域壓制鄰炮干擾、線性反演拆分混疊數(shù)據(jù)等方法，同時展示了擬全三維和寬方位數(shù)據(jù)的處理成果。通過運(yùn)用以上技術(shù)取得了較好的信噪分離效果，體現(xiàn)了寬方位數(shù)據(jù)在解決成像和方位各向異性問題上的優(yōu)勢。

高密度； 寬方位； 方位各向異性； 方位角道集

0 引言

近年來隨著可控震源滑動掃描(Slip-Sweep)、獨(dú)立同步掃描ISS(Independent Simultaneous Sweep)、高保真采集HFVS(High Fidelity Vibrator Seismic)、點激發(fā)接收等高效采集技術(shù)的推出，加之萬道以上地震儀、海量數(shù)據(jù)存儲、GPU等硬件設(shè)備的出現(xiàn)，地震勘探已經(jīng)從窄方位常規(guī)采集，發(fā)展到寬方位或高密度采集，并且正在向高密度加全方位采集方向發(fā)展[1-3]。

新的高效采集技術(shù)在更經(jīng)濟(jì)地獲得高密度寬方位地震資料的同時，也給地震數(shù)據(jù)處理帶來了新的問題，如可控震源的諧波壓制問題、ISS的鄰炮干擾問題、HFVS的數(shù)據(jù)分離問題等。而學(xué)者們也對地震數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求，這些需求包括：更高的信噪比(如淺層薄層的連續(xù)性)、更高的分辨率(識別3 m～5 m斷層、5 m～10 m儲層)、更精確的成像(如碳酸鹽巖溶洞)、更豐富的描述方位各向異性信息(如裂縫)等。諸多的問題和需求，都促進(jìn)了地震資料處理技術(shù)的發(fā)展。

1 高效采集資料相應(yīng)處理技術(shù)

1.1 可控震源諧波壓制

由于可控震源的機(jī)械裝置、震動裝置和液壓伺服系統(tǒng)的非線性，以及震板與大地的耦合效應(yīng)，使可控震源在向地下傳輸掃描信號的同時，不可避免地產(chǎn)生諧波干擾。而當(dāng)使用滑動掃描升頻方式施工時，后一炮的諧波干擾會較強(qiáng)地污染到前一炮數(shù)據(jù)。針對這一問題國內(nèi)、外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并從各自角度提出多種壓制方法，主要包括：①相移濾波法，該方法通過設(shè)計一個純相位濾波器來壓制諧波，通常由于相關(guān)前數(shù)據(jù)，壓制諧波效果較好，但計算量較大；②相關(guān)預(yù)測減去法，該方法基于震源信號設(shè)計諧波預(yù)測算子，求取相關(guān)后記錄中的諧波干擾，然后將求得的諧波干擾從被干擾區(qū)域中剔除，具有諧波效果較好、計算量相對較小、實現(xiàn)簡便等特點；③分?jǐn)?shù)傅里葉變換法，該方法借助分?jǐn)?shù)傅里葉變換，使可控震源掃描信號在某個分?jǐn)?shù)階上實現(xiàn)能量聚焦，在此基礎(chǔ)上設(shè)置濾波器壓制噪音，此方法實現(xiàn)較為復(fù)雜且容易引起數(shù)據(jù)畸變；④特征信號反褶積法，該方法利用震源力信號與相關(guān)前數(shù)據(jù)做反褶積，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用掃描信號做相關(guān)，達(dá)到及壓縮震源子波又壓制諧波的目的，此方法實現(xiàn)原理簡單容易實現(xiàn)但對諧波壓制效果一般；⑤可控震源高保真采集數(shù)據(jù)分離技術(shù)，該方法采用反演代替相關(guān)，不但具有較高的保真度，同時可以利用諧波中的高頻信息，但需要采用特殊的施工方式[4- 5]。

這里研究了GeoEast軟件壓制諧波干擾所采用的相關(guān)預(yù)測減去法原理、步驟及其壓制效果[6]：

1)利用震源力信號，把基波H1和各次諧波Hi(i=2,3,4…)分離，并可以得到在頻率域的諧波預(yù)測算子：

(1)

其中：wi為權(quán)系數(shù)；ρi為振幅校正項；φi為相移項。

2) 經(jīng)震源相關(guān)后，對初至后的有效信號S應(yīng)用諧波預(yù)測算子P，可以求得初至前的諧波N。

N=S·P

(2)

3)將求得的諧波干擾從上一炮相應(yīng)位置中減去，從而達(dá)到諧波干擾壓制的目的。

由于該方法可以針對可控震源相關(guān)后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此具有計算效率高的優(yōu)點。

圖1展示了該方法的壓制效果。其資料為東方地球物理公司2011年在吐哈盆地采集的國內(nèi)第一塊三維滑動掃描地震數(shù)據(jù)，從圖1(a)所示的諧波干擾壓制前炮集記錄上，可以明顯地看到諧波干擾(綠色箭頭所示位置)，取受諧波影響較重的4101道做時頻譜，從中可以更清楚地看到2s以下數(shù)據(jù)受到較強(qiáng)的2階、3階、4階諧波干擾，在4s以下區(qū)域尤為嚴(yán)重。從圖1(b)諧波干擾壓制后炮集記錄及其時頻譜圖1(d)可以看出，采用諧波壓制技術(shù)后，各階諧波干擾得以明顯壓制。

從圖2諧波壓制前、后疊加剖面來看，諧波干擾壓制前疊加剖面2s以下區(qū)域受到較強(qiáng)諧波干擾，在頻譜上反映為40Hz以上高頻干擾。經(jīng)諧波壓制處理后，從疊加剖面來看，諧波干擾基本消除，在相應(yīng)的頻譜上也看不到諧波產(chǎn)生的高頻噪聲。

1.2 ISS鄰炮干擾壓制

對于采用ISS技術(shù)采集的地震資料，由于多組震源可以同時施工(不必等到上一炮記錄完成后，下一炮已經(jīng)開始激發(fā))，因此如圖3(a)所示，同一檢波點在同一時刻可以接收到來自不同炮點的信息，這種干擾稱為鄰炮干擾[7]。這種相鄰，不僅體現(xiàn)在兩炮的激發(fā)起始時間臨近(不大于記錄時間)，也體現(xiàn)在距離遠(yuǎn)近，距離越近、時間間隔越短干擾越重。

圖1 諧波干擾壓制前后炮集記錄及其時頻譜分析

圖2 諧波干擾壓制前后疊加剖面及其頻譜分析

圖3 ISS鄰炮干擾壓制前后炮集記錄及減出噪聲

鄰炮干擾在野外采集時可以通過增加放炮時間間隔的方式減小影響，但這同時降低施工效率；也可以通過增大野外一次擺放排列的長度和寬度，使時間上相鄰的兩炮空間上距離增加，減小干擾影響范圍，但這需要有足夠多的設(shè)備投入，因此需在質(zhì)量、效率、效益之間取得平衡。

對于室內(nèi)處理，鄰炮干擾在炮域內(nèi)成片出現(xiàn)具有很好的相干性，可以作為相干噪聲進(jìn)行壓制，但對于不同炮來說，由于相鄰兩炮的放炮時間間隔、空間相對位置關(guān)系各不相同，很難通過統(tǒng)一參數(shù)設(shè)置達(dá)到較好壓制效果。在空間上每一炮都是一個獨(dú)立源，可以采用類似固定源的方式壓制。但對于高效采集數(shù)據(jù)來說，這種干擾的數(shù)目巨大，操作起來不現(xiàn)實。因此在實際處理時，通常采用將炮域數(shù)據(jù)變換到共炮檢距域、CMP域、OVT域或其他域中，使鄰炮干擾呈現(xiàn)出更好的隨機(jī)性，然后用中值濾波、異常振幅壓制等統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行壓制。圖3(b)即為壓制后再轉(zhuǎn)換回炮域的結(jié)果，從中可以看出，ISS鄰炮干擾得到較好壓制。

根據(jù)作者經(jīng)驗，在壓制時應(yīng)本著“寧輕勿重”的原則，避免傷及有效信號，因為對于高密度資料，即使在道集資料上殘留微弱噪聲，在后續(xù)的疊加或偏移過程中也會得到較好壓制，不會影響最終處理結(jié)果。

1.3 HFVS數(shù)據(jù)分離

在可控震源高保真采集(HFVS)施工過程中，同時使用多臺震源車多次激發(fā)，每臺震源在一指定的震源點位置或其周圍，并以不同于其他震源車的特有相位執(zhí)行掃描，這樣就得到一個來自不同地面位置的不同震源車的多震源多次掃描數(shù)據(jù)集，再通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)將其分離成不同震源的炮集記錄。

其分離原理是通過線性反演實現(xiàn)的。眾所周知，地震記錄可以表示為震源信號與大地脈沖響應(yīng)的褶積，因此可控震源高保真采集所得多震源數(shù)據(jù)集可以表示為[8]：

(3)

其中：di(t)表示記錄到的第i次掃描的多組震源記錄；sij(t)表示第j臺震源第i次的震源掃描信號；ej(t)表示第j臺震源對應(yīng)的大地脈沖響應(yīng)。

因此在頻率域，利用N臺震源進(jìn)行M次掃描的HFVS數(shù)據(jù)可以表示為以下面矩陣形式：

(4)

當(dāng)M≥N即同一震源重復(fù)掃描次數(shù)大于等于震源臺數(shù)時，式(4)為一超定線性方程組，可以方便的求出其最小二乘解。

圖4展示了HFVS記錄分離效果，其中圖4(a)為四臺震源四次掃描的原始記錄，圖4(b)為分離后的結(jié)果。從圖4(b)中可以看出，分離后得到的數(shù)據(jù)，不但將四臺震源記錄分開，而且完成了以往通過互相關(guān)實現(xiàn)的可控震源信號壓縮工作。

2 不同地質(zhì)需求的針對性處理技術(shù)

隨著勘探開發(fā)的逐步深入，學(xué)者們對地震數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。針對不同的地質(zhì)需求，如何發(fā)揮高密度寬方位地震資料的優(yōu)勢，是地震數(shù)據(jù)處理面臨的一大挑戰(zhàn)，通過兩個實例研究這方面的處理技術(shù)。

2.1 擬全三維數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)

前人已經(jīng)做過大量工作，很好地總結(jié)了寬方位地震數(shù)據(jù)的優(yōu)點。諸如：①在地下介質(zhì)復(fù)雜或未知的情況下，寬方位角采集比窄方位角更容易跨越地表障礙物和地下陰影帶，因此可以增加采集照明度，獲得較完整的地震波場；②炮檢對的三維疊前成像軌跡是橢球，因此寬方位角具有更高的陡傾角成像能力和更豐富的振幅成像信息，且寬方位角比窄方位角的成像分辨率更高；③由于寬方位角、窄方位角在炮點和檢波點的空間采樣特性不同，寬方位角成像的空間連續(xù)性優(yōu)于窄方位角等。其實寬方位數(shù)據(jù)優(yōu)于窄方位數(shù)據(jù)是不言而喻的，畢竟我們可以通過數(shù)據(jù)抽取將寬方位數(shù)據(jù)變成窄方位數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)有的處理技術(shù)還不能將窄方位數(shù)據(jù)處理成可信的寬方位數(shù)據(jù)。

但是對于已有窄方位數(shù)據(jù)的地區(qū)，如何充分利用原有窄方位數(shù)據(jù)，在控制成本的前提下獲取高密度寬方位的地震資料？解決辦法之一就是采用擬全三維采集加融合處理技術(shù)。

如圖5所示某探區(qū)在原有12線30炮南北向采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，重新部署16線10炮東西向采集三維，兩者一并組成擬全三維數(shù)據(jù)。由于二次采集在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮到后續(xù)的融合處理，因此在激發(fā)接收方式上應(yīng)盡量與上次保持一致，在觀察系統(tǒng)方面要保證面元一致、覆蓋次數(shù)基本相當(dāng)。

圖4 HFVS記錄分離前后炮集數(shù)據(jù)

圖5 擬全三維觀測系統(tǒng)及玫瑰圖

經(jīng)過多年的改革與發(fā)展，我國農(nóng)村金融體制逐步完善，農(nóng)村金融業(yè)取得了很大的發(fā)展成就。經(jīng)歷了多次改革，我國逐步形成了由農(nóng)業(yè)銀行、農(nóng)村信用社、農(nóng)業(yè)發(fā)展銀行、郵政儲蓄銀行、村鎮(zhèn)銀行和小額貸款公司等組成的農(nóng)村金融體系。

以往的連片處理強(qiáng)調(diào)的是在橫向上“連成一片”，與此相區(qū)別擬全三維資料處理強(qiáng)調(diào)的將兩次采集數(shù)據(jù)在縱向上“融為一體”。因此，處理過程中每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都要監(jiān)控兩個融合數(shù)據(jù)體的一致性。

具體步驟為：①靜校正，首先應(yīng)調(diào)查兩次采集是否存在系統(tǒng)時差，在消除系統(tǒng)時差的基礎(chǔ)上統(tǒng)一計算基準(zhǔn)面靜校正以及剩余靜校正；②提高信噪比處理，詳細(xì)分析兩次采集各自的噪聲發(fā)育情況，若相同則采用統(tǒng)一的去噪流程，若不同則針對各自特點分別針對性壓制，確保兩次采集資料具有大致相當(dāng)?shù)男旁氡龋虎壅穹幚?，采用地表一致性振幅補(bǔ)償消除因激發(fā)接收因素造成的兩次采集資料能量差異，在此基礎(chǔ)上分別提取兩次采集資料的沿目的層振幅屬性，如仍存在明顯差異，可采用倒數(shù)加權(quán)的方式加以消除；④提高分辨率處理，采用地表一致性反褶積消除因激發(fā)接收因素造成的兩次采集資料的子波差異，然后分別提取兩次采集資料的地震子波調(diào)查他們的一致性，必要時繼續(xù)做整形處理。

通過以上步驟最大程度地消除了兩次采集差異，將其兩次采集數(shù)據(jù)融合為一個整體。

從圖6的偏移結(jié)果看，擬全三維數(shù)據(jù)通過新采集補(bǔ)充了原有數(shù)據(jù)東西向遠(yuǎn)偏移距信息，解決了原來困擾處理人員聯(lián)絡(luò)測線方向(東西向)偏移不足的問題。

2.2 高密度寬方位資料分方位處理技術(shù)

我們都知道可以通過增加道密度的方式提高淺層信噪比與有效分辨率，并且高密度采集可以在保證覆蓋次數(shù)的前提下采用更小的面元，這樣可以提高空間分辨率。但是高密度數(shù)據(jù)的另一個潛在的優(yōu)勢是可以在保證有效覆蓋次數(shù)與偏移距分布均勻的前提下，將寬方位數(shù)據(jù)劃分成更多個方位角道集，而這對于方向各向異性介質(zhì)來說，可更好地研究振幅隨炮檢距和方位角的變化(AVOA)，增強(qiáng)識別斷層、裂隙和地層巖性變化的能力。

現(xiàn)有的高密度寬方位資料分方位處理技術(shù)主要包括[9-10]：①各向異性偏移技術(shù)，用于消除各個方向上由各向異性引起的遠(yuǎn)偏移距動校誤差；②分方位速度分析加多方位網(wǎng)格層析技術(shù)，常規(guī)的網(wǎng)格層析沒有考慮到剩余時差與方位角的關(guān)系，多方位網(wǎng)格層析，在分方位拾取剩余時差的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一分解計算，得到更為精細(xì)和考慮了方位各向異性的速度場；③方位時差校正技術(shù)，當(dāng)不利用方位時差信息時，為了提高全方位資料的同相疊加程度，可以采用該方法消除方位各向異性引起的方位時差；④OVT域偏移技術(shù)，由于OVT域偏移所得道集可以保存方位角信息，避免了先分方位再偏移的麻煩，有利于多次分方位處理。

圖6 老數(shù)據(jù)過井十字剖面與擬全三維過井十字剖面

圖7 高密度全方位地震資料分方位處理時間切片

圖8高密度全方位地震資料疊后方位角道集

圖7為某探區(qū)高密度全方位資料，從0°到165°每隔15°分12個方位的疊前時間偏移3 s時間切片(每個方位角跨度為45°)。從圖7中可以明顯看出，方位角為30°的時間切片最能描述工區(qū)內(nèi)主測線方向的裂縫，而與之垂直的方位角為120°的時間切片上，幾乎看不到裂縫現(xiàn)象，其他各方向時間切片描述該裂縫的能力在兩者之間漸變。

將以上12個方位的疊前時間偏移疊加數(shù)據(jù)，在同一面元內(nèi)按方位角排序，組成疊后方位角道集。圖8為抽取的斷裂位置處道集，每一小段為一個CMP，其中每一道即為一個方位角(一個CMP內(nèi)有12道，即為12個方位角，從零度開始間隔15°一個)。從圖8中同樣可以看到，在3 s左右的位置，30°的疊后地震道較其相鄰道有明顯突變，通過以上手段可以更好地提取高密度、寬方位地震資料的方位各向異性及裂縫信息。

3 認(rèn)識

1)可控震源高效采集地震資料針對性處理技術(shù)，可以較好地解決由于高效采集給高密度、寬方位地震資料帶來的可控震源諧波干擾、ISS鄰炮干擾、HFVS的數(shù)據(jù)分離等問題。

2)通過針對性的處理技術(shù)，可以使高密度、寬方位地震資料具有更高的信噪比、分辨率、成像精度以及更豐富的描述方位各向異性信息。

3)對于尚無條件采用高效采集的地區(qū)，可以在原有的窄方位資料基礎(chǔ)上，通過擬全三維采集技術(shù)達(dá)到提高道密度、填補(bǔ)方位角的目的，并且通過融合處理技術(shù)可以實現(xiàn)更好的成像效果。

4)對于寬方位處理應(yīng)盡可能消除方位各向異性，達(dá)到同相疊加；對于分方位處理應(yīng)凸顯其方位各向異性信息。

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The new progress of high-density and width azimuth seismic data processing

WANG ZHao-lei, GONG Ting, LI Long-mei, LI Guo-sheng, ZHAO Zhi-qiang,GU Xiao-di, MENG Xiao-meng

(Geophysical Research Institute, BGP INC., China National Petroleum Corporation,Zhuozou 072751,China)

With the development of high-productivity vibrate, techniques such as slip-sweep, independent simultaneous sweep, high fidelity vibrator seismic acquisition method, seismic exploration with width azimuth and high-density data has become viable economically. This paper introduces key processing techniques of these vibrate is acquisition methods, which are harmonic attenuation for slip-sweep, interfered shots de-blend for ISS, and separation of high fidelity acquisition data. This paper also discusses targeted processing techniques according to different geologic demands and gives results.

high-density; width-azimuth; azimuth-anisotropy; azimuth-angle-gathers

2014-05-30 改回日期：2014-10-08

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(2012E-34-11)

王兆磊(1978-)，男，博士，高級工程師，從事地震數(shù)據(jù)處理及處理方法研究工作，E-mail:wzrmxm@126.com。

1001-1749(2015)04-0465-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.09