三維錐體濾波技術(shù)在鄂南黃土塬地震資料中的研究及應(yīng)用

霍元媛，馮永強(qiáng)，楊 睿

(1.中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州 450000；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所)

三維錐體濾波技術(shù)在鄂南黃土塬地震資料中的研究及應(yīng)用

霍元媛1，馮永強(qiáng)1，楊 睿2

(1.中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州 450000；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所)

鄂爾多斯盆地南部黃土塬區(qū)地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜，地震資料中各種干擾尤其是面波非常發(fā)育，給常規(guī)地震勘探提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)地震資料處理方法對(duì)遠(yuǎn)排列面波壓制效果欠佳，處理實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于十字排列的三維錐體濾波技術(shù)是有效的面波壓制方法，該方法在去除面波的同時(shí)保留了豐富的低頻信息，為黃土塬區(qū)的地震勘探提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。

鄂爾多斯盆地南部；黃土塬；三維錐體濾波；地震資料處理

鄂爾多斯盆地南部(簡(jiǎn)稱鄂南)黃土塬地區(qū)屬于“雙復(fù)雜”區(qū)，“雙復(fù)雜”主要是指地震、地質(zhì)條件在淺層和深層都表現(xiàn)出明顯的復(fù)雜特征。在這樣復(fù)雜的地貌、地質(zhì)條件下，多種干擾波異常發(fā)育，其中尤以面波干擾最為顯著，對(duì)地震記錄的分辨率影響也最大。面波一般是指在自由界面(地表面)與地下彈性分界面附近傳播的波，具有能量強(qiáng)、視速度低的特點(diǎn)[1]。目前，高效、通用的面波壓制方法主要包括高通濾波、F-K濾波、τ-P變換濾波，但這些常規(guī)的濾波方法在三維資料處理上普遍很難奏效[2]，許多學(xué)者在三維資料處理上進(jìn)行了研究并取得了成果[3-7]。

本文針對(duì)鄂南黃土塬區(qū)“雙復(fù)雜”條件下地震資料的特點(diǎn)，嘗試應(yīng)用三維錐體濾波技術(shù)，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行綜合分析，并探討了三維錐體黏度濾波技術(shù)壓制面波的能力及其在鄂南黃土塬區(qū)的適用性。

1 基于十字排列的三維錐體黏度濾波技術(shù)

在十字排列中，具有相同炮檢距的地震道的中心點(diǎn)均在一個(gè)圓上，因此，一個(gè)常速同相軸在十字排列域數(shù)據(jù)的每個(gè)時(shí)間切片上都是同心圓，該同相軸的三維形狀是一個(gè)圓錐體。如果有若干個(gè)線性同相軸，且速度略有不同，則十字排列就包含有一整套圓錐。因此面波在十字排列域的表現(xiàn)為一個(gè)圓錐體，將面波變換到頻率表波數(shù)域后，其仍呈錐體黏度狀。三維錐體黏度濾波技術(shù)即根據(jù)這一特性對(duì)面波進(jìn)行壓制。

首先要根據(jù)二維頻率濾波推導(dǎo)出一般三維濾波方程：

(1)

式中：H(t,x,y)就是要設(shè)計(jì)的濾波器，S(t,x,y)是十字排列的地震信號(hào)，對(duì)其作三維傅里葉變換，則可得到三維-波數(shù)-波數(shù)域信號(hào)為：

S(ω,kx,ky)=

(2)

同理，三維濾波因子的三維傅里葉變換為：

H(ω,kx,ky)=

(3)

則地震數(shù)據(jù)為：

(4)

且：

(5)

根據(jù)有效波和干擾波在頻率波數(shù)平面上的分布，令：

(6)

則在頻率波數(shù)域，高、低通傾角濾波器[3，7]分別為：

(7)

(8)

(9)

(10)

因此本質(zhì)上講，三維錐體黏度濾波器即二維扇形濾波器的k軸在kx-ky平面拓展后的結(jié)果，即將二維扇形濾波拓展為三維f-kx-ky錐體濾波。邊界的斜率由v1和v2控制，即視速度大于v1小于v2的面波將被濾除，由此實(shí)現(xiàn)信噪分離。

由于F-K濾波的濾波效應(yīng)是全局性的，對(duì)其出現(xiàn)的假頻現(xiàn)象也應(yīng)有所考慮。在炮域數(shù)據(jù)中，x方向?yàn)榈篱g距，y方向?yàn)闄z波線距。抽成十字排列后，x方向仍為道間距，而y方向變?yōu)榕陂g距。Vermeer[3]經(jīng)過(guò)互換原理證明了道間距和炮間距相等的重要性。在三維空間(f，kx，ky)中，波場(chǎng)的能量局限在底為f=fmax的錐體黏度中。因此對(duì)于給定的道間距Δxr、炮間距Δxs、p波的視速度v，不會(huì)出現(xiàn)假頻時(shí)有fmax≤v/2Δx。對(duì)于鄂南黃土塬的實(shí)際資料，若fmax=50 Hz，面波視速度為300 m/s時(shí)，采集的道間距、炮間距應(yīng)不大于3 m才能避免假頻的產(chǎn)生。這顯然是無(wú)法完成的工作量，因此只能在處理中針對(duì)假頻問(wèn)題加以解決。

2 三維錐體濾波的實(shí)現(xiàn)

實(shí)際處理時(shí)，三維錐體濾波的實(shí)現(xiàn)分為以下幾個(gè)步驟。

2.1 抽十字排列道集

十字排列道集是一種數(shù)據(jù)選排方式，即將擁有共同炮線和檢波線的所有地震道抽取出來(lái)組成的道集集合。這樣的一個(gè)十字排列，相當(dāng)于野外采集的單次覆蓋數(shù)據(jù)體，它具有相同接收排列和不同炮點(diǎn)，是全三維數(shù)據(jù)集的采樣充分的子數(shù)據(jù)集，每個(gè)子數(shù)據(jù)集都可以單獨(dú)成像[8]。因此在應(yīng)用三維錐體黏度濾波之前，首先要將野外的線束式觀測(cè)系統(tǒng)重排為十字交叉排列，從而實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的完全、均勻的空間采樣。

實(shí)際操作時(shí)，是將共炮集數(shù)據(jù)按檢波線方向找炮點(diǎn)(或按炮線方向找檢波點(diǎn))，組成新的道頭字，由新的道頭字控制抽成新的十字排列道集。十字排列道集中的每一個(gè)道集都包含一條炮線和一條檢波線，中心就位于這兩條線的交點(diǎn)。每一道都放在一個(gè)偏移距、方位角連續(xù)的面元中，面波被映射成一個(gè)圓錐。

2.2 進(jìn)行三維傅里葉變換

將地震數(shù)據(jù)抽成十字排列道集后，就可以進(jìn)行三維傅里葉變換。

方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，考慮到計(jì)算效率和一維傅里葉變換的成熟使用，并不是直接進(jìn)行三維的傅里葉變換，而是按照公式(2)、(3)、(4)將數(shù)據(jù)分別在時(shí)間、縱向炮檢距和橫向炮檢距三個(gè)方向進(jìn)行三次一維傅里葉變換。

2.3 應(yīng)用三維錐體黏度濾波技術(shù)

將數(shù)據(jù)變換到f-kx-ky域中之后，就可以對(duì)資料中的有效信號(hào)和面波干擾進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，記錄面波所在的頻率段，以及面波的線性速度范圍，應(yīng)用式(9)和(10)的濾波算子，通過(guò)f-kx-ky域的三維錐體黏度濾波來(lái)壓制面波。

2.4 進(jìn)行三維傅里葉反變換

同三維傅里葉正變換一樣，三維傅里葉反變換被分解為三次一維傅里葉反變換，沿三個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)，就將數(shù)據(jù)變換回t-x-y域。由此可在時(shí)間域檢驗(yàn)濾波的效果。

2.5 恢復(fù)原始地震序列

三維錐體黏度濾波之前數(shù)據(jù)被抽成十字排列，經(jīng)過(guò)濾波后，需要將十字排列域的數(shù)據(jù)再恢復(fù)為原始地震序列。

3 在鄂南黃土塬資料的應(yīng)用

鄂南黃土塬區(qū)的地表覆蓋巨厚的黃土，對(duì)有效波吸收強(qiáng)烈，使得地震波能量衰減迅速，各種干擾異常發(fā)育。由于近地表黃土層水分的蒸發(fā)，近地表中巖性在縱向上有差異，傳波速度不同，從而產(chǎn)生多組面波，隨著速度的增大，黃土的衰減作用減弱，其頻率逐漸升高，能量逐漸加強(qiáng)，因此該區(qū)面波存在明顯的頻散現(xiàn)象，形成了“掃帚”狀拖尾現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)原始資料的分析，認(rèn)為工區(qū)內(nèi)有效波頻率范圍集中在6～60 Hz，視速度一般都高于3 000 m/s，存在多組面波，其中對(duì)有效信號(hào)影響最大的一組面波的頻率范圍為1～18 Hz，視速度穩(wěn)定在在400 m/s左右。根據(jù)有效波和面波頻率與視速度的差異，利用三維錐體黏度濾波技術(shù)對(duì)面波進(jìn)行衰減。

三維錐體黏度濾波前，由于強(qiáng)能量面波的存在，有效波的形態(tài)受面波干擾表現(xiàn)的不清晰(圖1A)，在雙程旅行時(shí)800ms處可見(jiàn)明顯的雙曲形面波，而1 500 ms處的有效信號(hào)若隱若現(xiàn)。在圖1C中的時(shí)間切片中，也可以看到比較明顯的呈圓形的面波特征。

應(yīng)用三維錐體黏度濾波后，800 ms處的面波得到了有效的壓制，特別是遠(yuǎn)排列中面波 “圓頂”的壓制效果遠(yuǎn)優(yōu)于二維F-K濾波；并且1 500 ms處有效波的雙曲線形態(tài)清晰地顯現(xiàn)了出來(lái)(圖1B)。時(shí)間切片中(圖1D)圓形的面波能量得到了有效的衰減。

圖1 面波壓制效果對(duì)比

從對(duì)壓制前后的信號(hào)差值剖面上可以看出，去除的噪聲只有面波，不包含有效信號(hào)。在時(shí)間切片上，面波表現(xiàn)為一個(gè)圓形，經(jīng)過(guò)三維錐體黏度濾波后，面波的強(qiáng)能量得到了有效的壓制。通過(guò)對(duì)壓制前后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以看到低頻的面波得到了有效壓制，而低頻的有效信號(hào)依然得以保留，為后續(xù)的反演留下了寶貴的低頻信息。因此，不難看出三維錐體黏度濾波技術(shù)在黃土塬地區(qū)三維地震資料面波干擾剔除方面，是一種行之有效、安全可靠的方法。

4 結(jié)論

鄂爾多斯盆地南部黃土塬地區(qū)屬于“雙復(fù)雜”區(qū)，復(fù)雜的地表、地質(zhì)條件造成區(qū)域內(nèi)各種地震干擾波異常發(fā)育，尤其是面波干擾，給解釋工作帶來(lái)了巨大的困難。

利用三維錐體黏度濾波技術(shù)，可有效去除地震資料中的面波干擾，信噪比有較明顯的改善，較大限度地保留了低頻信號(hào)，有利于后續(xù)的反演。

在黃土塬地區(qū)的地震施工中，經(jīng)常有炮點(diǎn)分布稀疏的情況，并且由于變觀等因素，炮、檢點(diǎn)分布不均勻，由此得到的十字排列也變得不規(guī)則。有研究認(rèn)為，炮點(diǎn)不連續(xù)，在一定程度上會(huì)加劇空間假頻，從而影響三維錐體黏度濾波的去噪效果[9]。因此在這種資料中使用三維錐體黏度濾波技術(shù)時(shí)，需要先對(duì)資料進(jìn)行規(guī)則化處理。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)05-0064-03

2015-05-20

霍元媛，博士，1982年生，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理工程專業(yè)，現(xiàn)從事地球物理方法研究。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“鄂爾多斯盆地碎屑巖層系大中型油氣田富集規(guī)律與勘探方向”(2011ZX05002)。

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