多種頻率成分工業(yè)電干擾的壓制算法及其應(yīng)用

陳可洋

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712）

多種頻率成分工業(yè)電干擾的壓制算法及其應(yīng)用

陳可洋

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712）

為了解決現(xiàn)行工業(yè)化軟件中工業(yè)電干擾壓制處理的計(jì)算效率和處理精度較低的問題，提出并推導(dǎo)了一種壓制多種頻率成分工業(yè)電干擾的新算法。該算法采用余弦函數(shù)組合近似逼近工業(yè)電干擾，根據(jù)最小二乘法最優(yōu)逼近和歸一化互相關(guān)系數(shù)實(shí)現(xiàn)多種頻率成分工業(yè)電干擾的自動(dòng)識(shí)別與自適應(yīng)壓制。在理論合成數(shù)據(jù)和松遼盆地CD地區(qū)的地震資料工業(yè)電干擾壓制中進(jìn)行應(yīng)用，其結(jié)果表明，新算法的保幅性較好，信噪比較高，在勘探成熟區(qū)的高保真疊前地震資料預(yù)處理方面具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

保幅預(yù)處理；工業(yè)電干擾；多種頻率成分；自動(dòng)識(shí)別與自適應(yīng)壓制；理論模型分析

0　引言

在松遼盆地勘探成熟區(qū)，地震資料品質(zhì)受到密集電網(wǎng)電磁場(chǎng)的影響，形成的工業(yè)電干擾將疊加在野外采集的地震資料中，這種工業(yè)電干擾的頻率約為50Hz，且與有效地震反射信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻帶重疊，進(jìn)而降低了原始資料的信噪比。同時(shí)，工業(yè)電干擾主要表現(xiàn)為單頻特征，從淺層到深層，其相位、振幅和頻率均基本保持不變［1］。因此，如何高保真、高效地識(shí)別和壓制工業(yè)電干擾是當(dāng)前地震資料保幅預(yù)處理中一個(gè)重要的技術(shù)問題［2］。早期采用的快速簡(jiǎn)便的方法是帶限濾波法，其缺陷是丟失了工業(yè)電干擾頻率附近的有效地震信號(hào)，不利于保幅處理。為此，針對(duì)如何更好地壓制工業(yè)電干擾以滿足保幅預(yù)處理的要求，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了多種新的處理思路：正余弦型函數(shù)逼近方法［3-4］、線性調(diào)頻譜消除方法［5］、基于互相關(guān)理論的單頻干擾壓制方法［6］、時(shí)間域單頻干擾波壓制方法［7］、Chirp-Z變換譜分析壓制方法［8］、獨(dú)立分量分析壓制方法［9］等。這些方法均對(duì)已知含有工業(yè)電干擾的地震道進(jìn)行識(shí)別與壓制，且應(yīng)用效果較明顯，但是對(duì)于輸入的任意地震道是否含有工業(yè)電干擾卻無法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，也無法達(dá)到工業(yè)化推廣應(yīng)用的目的。目前，常用的工業(yè)電干擾識(shí)別方法具有一定的局限性，且發(fā)展較為緩慢，主要思路是在共檢波點(diǎn)域計(jì)算均方根振幅能量基礎(chǔ)上［10-11］，再利用人工干預(yù)的方法設(shè)置門檻加以識(shí)別，但這種含工業(yè)電干擾地震道的識(shí)別與壓制的計(jì)算量較大，且計(jì)算效率較低。因此，現(xiàn)行工業(yè)化應(yīng)用軟件中，仍沒有一種方法能快速簡(jiǎn)便地對(duì)工業(yè)電干擾進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與壓制。

在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者為了解決常規(guī)方法計(jì)算量大、計(jì)算精度較低的問題，探索形成一種基于歸一化互相關(guān)系數(shù)的含工業(yè)電干擾地震道的自動(dòng)識(shí)別與自適應(yīng)的工業(yè)電干擾壓制算法［12］，其處理效果優(yōu)于現(xiàn)行工業(yè)化應(yīng)用軟件。在此基礎(chǔ)上，又將其進(jìn)一步發(fā)展為適應(yīng)多種頻率成分的工業(yè)電干擾壓制的新算法，在理論模型和地震資料處理中應(yīng)用效果均較明顯。因此，新算法可為高精度、高保真疊前地震資料預(yù)處理提供重要的技術(shù)支撐。

1　方法原理

工業(yè)電干擾通常采用正弦函數(shù)或余弦函數(shù)表示，筆者以余弦函數(shù)為例［12］

式中：C，f和τ分別為工業(yè)電干擾的振幅（無量綱）、頻率（Hz）和時(shí)間延遲（無量綱）；Δt為時(shí)間采樣率，ms；i為時(shí)間采樣序號(hào)。

筆者將式（1）推廣到更一般的表達(dá)形式（由多種頻率成分工業(yè)電干擾組成），即

式中：k為工業(yè)電干擾成分的序號(hào)；K為工業(yè)電干擾的頻率成分總數(shù)量。

為了降低式（2）計(jì)算的復(fù)雜性，將該式表示為余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的組合形式，即

式中：Ak和Bk分別為工業(yè)電干擾頻率fk的余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的振幅，無量綱。

于是，建立最小二乘目標(biāo)函數(shù)

式中：Si為原始地震數(shù)據(jù)；N為分析時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

當(dāng)實(shí)際地震數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的工業(yè)電干擾之間的誤差達(dá)到最小時(shí)，可以根據(jù)式（4）計(jì)算得到不同工業(yè)電干擾頻率成分經(jīng)最優(yōu)化逼近后的振幅Ak和Bk以及頻率fk，再根據(jù)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的換算關(guān)系，得到每種頻率成分工業(yè)電干擾余弦函數(shù)形式［式（2）］的振幅Ck和時(shí)間延遲τk以及相位。

筆者根據(jù)歸一化互相關(guān)系數(shù)的值域范圍［0，1］，設(shè)置工業(yè)電干擾的自動(dòng)識(shí)別門檻值［12］（通?？扇?.2），從而自動(dòng)識(shí)別地震資料中某地震數(shù)據(jù)道是否含有某種頻率成分的工業(yè)電干擾，這里的歸一化互相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

對(duì)含有某種頻率成分的工業(yè)電干擾記為yi，k′，將其從地震資料Si中減掉，得到多種頻率成分工業(yè)電干擾壓制后的有效地震信號(hào)，即

聯(lián)合式（1）～（6），最終計(jì)算得到高精度保幅處理的工業(yè)電干擾壓制結(jié)果。由于新算法是逐道實(shí)現(xiàn)工業(yè)電干擾的自動(dòng)識(shí)別與自適應(yīng)壓制處理的，因此，與疊前道集的域無關(guān)，同時(shí)不需要人工參與識(shí)別，輸入的數(shù)據(jù)要求為未做預(yù)處理的原始采集數(shù)據(jù)，這就大大簡(jiǎn)化了常規(guī)工業(yè)化軟件中工業(yè)電干擾的壓制流程［13］。

2　理論模型測(cè)試

為了驗(yàn)證筆者所提新方法的準(zhǔn)確性和有效性，以含有不同振幅、相位和頻率的工業(yè)電干擾理論合成數(shù)據(jù)為例。模型共有336道記錄，每道記錄共有2種頻率成分的工業(yè)電干擾。圖1（a）為理論合成記錄中工業(yè)電干擾頻率在50 Hz附近的分布情況，從左到右其頻率從49.5 Hz增加到50.5 Hz，遞增間隔為1/6Hz；圖1（b）為理論合成記錄中工業(yè)電干擾頻率在100 Hz附近的分布情況，從左到右其頻率從99Hz增加到101Hz，遞增間隔為1/3Hz；圖1（c）和圖1（d）分別為理論合成記錄中2種頻率成分工業(yè)電干擾的振幅和相位分布情況。

圖1　理論合成數(shù)據(jù)工業(yè)電干擾壓制前后結(jié)果對(duì)比Fig.1 Com parison of theoreticalsynthetic data beforeand after industrial interference suppression

圖1（e）為2種頻率成分余弦函數(shù)組合得到的工業(yè)電干擾記錄，其工業(yè)電干擾的頻率、振幅及相位數(shù)據(jù)如圖1（a）～1（d）所示。圖1（f）和圖1（g）分別為新方法自動(dòng)識(shí)別和自適應(yīng)壓制掉的50 Hz和100 Hz附近處的工業(yè)電干擾記錄。圖1（h）為壓制工業(yè)電干擾后的有效信號(hào)部分，且不含有殘余工業(yè)電干擾。表1為新方法自動(dòng)識(shí)別出部分工業(yè)電干擾振幅、頻率和相位與理論值的對(duì)比，誤差幾乎可以忽略。分析圖1和表1可知，筆者提出的新算法具有高精度識(shí)別和保幅壓制工業(yè)電干擾的優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性和有效性。

表1　工業(yè)電干擾頻率、振幅和相位的自動(dòng)識(shí)別結(jié)果Table1 The automatic identification resultsof frequency，amplitude and phase of industrial interference

3　實(shí)際資料應(yīng)用

以松遼盆地CD地區(qū)地震資料為例，工區(qū)內(nèi)高壓電線覆蓋范圍較廣，原始地震資料中疊加的工業(yè)電干擾較為嚴(yán)重［14-17］。該工區(qū)面積為656.26 km2，總炮數(shù)為29 375炮，地震數(shù)據(jù)總量為1.25 TB。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，原始疊前炮集數(shù)據(jù)的總地震道數(shù)約為0.68億道，并存儲(chǔ)于一個(gè)SGY格式的文件中。由于該疊前地震數(shù)據(jù)量較大，常規(guī)的工業(yè)化軟件需要人工干預(yù)和多種處理模塊的串聯(lián)組合，所需磁盤空間較大，計(jì)算效率較低，因而難以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率地開展對(duì)含工業(yè)電干擾地震道的識(shí)別和壓制處理。為此，筆者開發(fā)了一種新算法（并行計(jì)算程序）［13］，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)該工區(qū)含工業(yè)電干擾地震道的自適應(yīng)識(shí)別與壓制處理。

圖2多種頻率成分工業(yè)電干擾壓制前和壓制后的疊前道集Fig.2 Pre-stack gather before and after multi-frequency com ponent industrial interference suppression

圖2為多種頻率成分工業(yè)電干擾壓制前、后的疊前道集及去掉的工業(yè)電干擾。圖2（a）為CD地區(qū)疊前地震道集中的一個(gè)原始采集共檢波點(diǎn)道集。分析可知，該疊前道集含有較強(qiáng)能量的工業(yè)電干擾，信噪比較低，掩蓋了有效的地震反射信號(hào)。采用筆者的新算法進(jìn)行多種頻率成分工業(yè)電干擾的自動(dòng)識(shí)別與壓制處理，在處理后的結(jié)果中［圖2（b）］，工業(yè)電干擾得到了有效壓制，有效反射信號(hào)更加清晰，信噪比明顯提高，并得到了50 Hz［圖2（c）］、150Hz［圖2（d）］、250Hz［圖2（e）］和350Hz［圖2（f）］左右的工業(yè)電干擾。

根據(jù)頻譜分析［圖3（a）］可知，圖2（a）不僅含有50Hz左右的工業(yè)電干擾頻率成分，還含有150Hz，250Hz和350Hz左右的工業(yè)電干擾頻率成分，常規(guī)工業(yè)電干擾處理方法無法高精度識(shí)別和壓制50Hz左右的工業(yè)電干擾頻率成分，對(duì)較高頻率成分的工業(yè)電干擾更難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別與壓制，而采用新算法處理后的頻譜，在工業(yè)電干擾位置處過渡自然［圖3（b）］，無畸變；在壓制掉的工業(yè)電干擾頻譜中［圖3（c）］，清晰可見從50 Hz開始，以100 Hz為倍頻程的工業(yè)電干擾頻譜能量。

圖3　多種頻率成分工業(yè)電干擾壓制前（a）和壓制后（b）以及壓制掉的工業(yè)電干擾（c）的頻譜Fig.3 Spectrum before（a）and after（b）multi-frequency component industrial interference suppression and the suppressed industrial interference（c）

分析可知，工業(yè)電干擾的頻率并非以整數(shù)50Hz出現(xiàn)，而是在50 Hz左右的一定范圍內(nèi)變化。由此可見，按照常規(guī)工業(yè)電干擾整數(shù)頻率進(jìn)行壓制的做法是錯(cuò)誤的。

圖4為新算法在研究區(qū)50 Hz附近自動(dòng)識(shí)別出的工業(yè)電干擾頻率分布結(jié)果，紅色代表工業(yè)電干擾頻率小于50 Hz，藍(lán)色代表工業(yè)電干擾頻率大于50Hz。圖4中展示的工業(yè)電干擾位置與該工區(qū)近地表的高壓電線分布較為吻合，分析可知，在較強(qiáng)的高壓電線網(wǎng)絡(luò)附近，地震資料受工業(yè)電干擾的影響程度較大。由此可見，新算法具有高精度保幅處理的工業(yè)電干擾壓制優(yōu)點(diǎn)。

圖4　50Hz附近自動(dòng)識(shí)別出的工業(yè)電干擾頻率分布Fig.4 Frequency distribution of industrial interference identified automatically around 50Hz

4　結(jié)論

（1）筆者提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種頻率成分工業(yè)電干擾壓制的新算法，推導(dǎo)了數(shù)值計(jì)算公式。與此同時(shí)，根據(jù)最小二乘最優(yōu)逼近和歸一化互相關(guān)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含多種頻率成分工業(yè)電干擾地震道的自動(dòng)識(shí)別與工業(yè)電干擾的自適應(yīng)壓制。

（2）新算法是逐道實(shí)現(xiàn)對(duì)多種頻率成分工業(yè)電干擾的壓制，因此與疊前道集的域無關(guān)，且不需要人為干預(yù)，適合于海量疊前道集數(shù)據(jù)的工業(yè)電干擾處理。

（3）理論模型和地震資料應(yīng)用均表明，新算法具有高精度保幅處理的工業(yè)電干擾壓制的優(yōu)點(diǎn)，因此，能夠滿足當(dāng)前高精度、高保真疊前地震資料預(yù)處理的要求，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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（本文編輯：楊琦）

Suppressing schemeofmulti-frequency com ponent industrial interferenceand itsapplication

CHEN Keyang
（Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163712，Heilongjiang，China）

In order to solve the problemsof the low calculating efficiency and low processing precision of the current industrial interference suppression process in industrial software，this paper presented and derived a new scheme to suppressmulti-frequency component industrial interferences simultaneously.The algorithm uses a combination of cosine functions toapproximate the industrialinterference，and achievesautomatic identification and adaptive suppression ofmulti-frequency component industrial interference according to the optimal approximation of least square method and the normalized cross-correlation coefficient.Itwas applied to theoretical syntheticmodel and practical seismic data in CD area of Songliao Basin.the result shows that the proposed scheme is with perfect amplitudepreserved and high signal to noise ratio，therefore，the new algorithm can be an important technicalguidance for high precision amplitudepreserved seismic datapreprocessing inmatureexploration area.

seismic amplitude-preserved preprocessing；industrial interference；multi-frequency component；automatic identification and adaptive suppression；theoreticalmodelanalysis

P631

A

1673-8926（2015）02-0092-06

2014-10-06；

2014-12-25

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“火山巖油氣藏的形成機(jī)制與分布規(guī)律”（編號(hào)：2009CB219307）資助

陳可洋（1983-），男，碩士，工程師，主要從事高精度地震波傳播模擬與逆時(shí)成像、高性能集群并行程序開發(fā)、實(shí)際地震資料數(shù)字處理方法研究與應(yīng)用等。地址：（163712）黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)大慶石油勘探開發(fā)研究院地震處理二室。電話：（0459）5508524。E-m ail：keyangchen@163.com。