基于能量差異的滑動(dòng)掃描數(shù)據(jù)諧波壓制方法

劉宏杰，蔣　立，張仲祜，陳　勇，張　進(jìn)

（中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，烏魯木齊830013）

基于能量差異的滑動(dòng)掃描數(shù)據(jù)諧波壓制方法

劉宏杰，蔣立，張仲祜，陳勇，張進(jìn)

（中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，烏魯木齊830013）

隨著高密度采集需求日趨增加,出現(xiàn)了高效、高保真、環(huán)保的可控震源勘探技術(shù)?；瑒?dòng)掃描采集雖然縮短了相鄰兩炮的滑動(dòng)時(shí)間，采集效率得到很大提高，但也使后一炮中的諧波畸變對(duì)前一炮的基波產(chǎn)生影響，降低了地震資料的質(zhì)量。通過(guò)分析可控震源諧波的產(chǎn)生機(jī)理，提出一種基于能量差異分頻諧波壓制方法。地震資料處理和疊加成像結(jié)果表明，該方法在有效壓制諧波噪聲的同時(shí)，能夠較好地保護(hù)有效信號(hào)，提高資料信噪比。

能量差異；分頻；諧波壓制；滑動(dòng)掃描；高密度采集

由于可控震源機(jī)械系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)的非線性以及震源與大地耦合等因素的影響，在可控震源地震勘探中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)高次諧波干擾和低次諧波干擾。尤其是當(dāng)可控震源采用滑動(dòng)掃描時(shí)，后一炮不等前一炮掃描結(jié)束就已經(jīng)開始激發(fā)，導(dǎo)致前后兩炮、甚至幾炮的數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分疊加，后一炮的高次諧波會(huì)污染前一炮、甚至前幾炮的數(shù)據(jù)，前一炮的低次諧波也會(huì)污染到后一炮、甚至后幾炮的數(shù)據(jù)，從而形成諧波干擾，降低了資料的信噪比。為此，科研人員進(jìn)行了大量研究[1-8]。本文提出了一種適用于滑動(dòng)掃描的基于能量差異的分頻諧波壓制方法，能有效地識(shí)別、壓制諧波噪聲，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

1　諧波干擾壓制方法原理

由于震源的機(jī)械裝置和震動(dòng)裝置的非線性震動(dòng)和震板與大地的耦合，在震源向地下輸入能量的同時(shí)，產(chǎn)成諧波畸變。這種畸變以掃描信號(hào)頻率范圍的倍數(shù)出現(xiàn)，分別為二次諧波、三次諧波……N次諧波，可形成諧波干擾，降低資料的信噪比。

在共偏移距道集中，滑動(dòng)掃描諧波干擾表現(xiàn)為隨機(jī)分布強(qiáng)振幅干擾[9]。由于滑動(dòng)掃描每組可控震源的震動(dòng)要間隔一個(gè)滑動(dòng)時(shí)間，而震動(dòng)間隔時(shí)間越長(zhǎng)，相鄰炮的諧波噪聲與本炮記錄的能量差異就越大[10]，這為利用能量差異識(shí)別和壓制諧波干擾提供了條件。而由于諧波與基波存在倍頻關(guān)系，這又為采用分頻壓制諧波提供了依據(jù)。其機(jī)理是將地震數(shù)據(jù)分成多個(gè)頻率段，采用帶通濾波方法將地震道分頻處理，將諧波干擾分在同一個(gè)頻段或多個(gè)頻段內(nèi)，使其諧波能量更加突出，僅對(duì)有諧波干擾的頻帶加以壓制，更好地保護(hù)反射信號(hào)，以識(shí)別和壓制諧波干擾。

假設(shè)，第i個(gè)共偏移距道集第j道數(shù)據(jù)為xij(t)，用帶通濾波分頻函數(shù)hk(t)進(jìn)行濾波分頻[10]，這些濾波函數(shù)是根據(jù)用戶提供的頻率窗口設(shè)定的，分頻過(guò)程表達(dá)為

式中t——時(shí)間方向的樣點(diǎn)變量；

xijk(t)——xij(t)的第k個(gè)頻帶分量；

N——頻帶個(gè)數(shù)。

1.1能量平均絕對(duì)值計(jì)算

識(shí)別某一強(qiáng)振幅能量，不是看其瞬時(shí)能量，而是看一個(gè)完整波形的能量，因此，計(jì)算能量平均絕對(duì)值，應(yīng)以完整波形為計(jì)算單元。同一波形的所有樣點(diǎn)的能量平均絕對(duì)值相同。設(shè)L1和L2為某一波形的起止樣點(diǎn)號(hào)，其平均絕對(duì)值用yijk(t)表示，計(jì)算公式為

式中q——完整波形中的樣點(diǎn)變量。

1.2時(shí)空窗能量平均絕對(duì)值的計(jì)算

（1）如果把xijk(t)和一個(gè)有代表性的、與其相關(guān)聯(lián)的參考對(duì)象作比較就能分出強(qiáng)弱，這個(gè)參考對(duì)象應(yīng)是以該點(diǎn)為中心的mn時(shí)空窗的平均振幅能量。

（2）對(duì)xijk(t)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的mn時(shí)空窗的能量平均絕對(duì)值

式中m——空間方向道數(shù)；

p——空間方向變量，j-m/2≤≤p≤≤j+m/2；

n——時(shí)間方向點(diǎn)數(shù)；

l——時(shí)間方向變量，t-n/2≤≤l≤≤t+n/2.

（3）由于諧波干擾的強(qiáng)振幅能量通常是非諧波干擾數(shù)值的若干倍，在計(jì)算zijk(t)時(shí)，應(yīng)先將大值排除在外，然后再計(jì)算平均振幅能量，再乘以用戶給定的倍數(shù)M，即可作為識(shí)別諧波干擾的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）當(dāng)yijk(t)≥≥Mzijk(t)時(shí)，則要對(duì)xijk(t)加以壓制，對(duì)xijk(t)的數(shù)值清零[11-12]。

當(dāng)yijk(t)＜Mzijk(t)時(shí)，xijk(t)數(shù)值保持不變。

圖1　原始單炮地震記錄（a）及其頻譜分析（b）

2　諧波干擾壓制應(yīng)用實(shí)例

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西部，該區(qū)可控震源高密度高效三維地震采集施工數(shù)據(jù)量大，通過(guò)高密度采集寬方位觀測(cè)，提高數(shù)據(jù)的信息量，提高覆蓋次數(shù)，有利于為識(shí)別非構(gòu)造圈閉提供高品質(zhì)數(shù)據(jù)。但由于滑動(dòng)掃描技術(shù)等待時(shí)間較短，易導(dǎo)致在信息采集過(guò)程中出現(xiàn)諧波干擾問(wèn)題。其中，滑動(dòng)掃描參數(shù)分別為：掃描頻率3~90 Hz，11 s滑動(dòng)時(shí)間，16 s掃描時(shí)間。

由圖1可看出，部分單炮中諧波干擾已經(jīng)影響到目的層（圖1a）；諧波頻率大都在30~90 Hz的高頻范圍內(nèi)，難以用現(xiàn)有去噪方法將此頻率范圍內(nèi)的信號(hào)和噪聲有效識(shí)別及合理壓制，嚴(yán)重影響了后續(xù)地震資料的高分辨率處理。

由圖2可看出，諧波干擾在空間上呈現(xiàn)出隨機(jī)分布特征，利用能量差異方法可很好地識(shí)別出噪聲的位置；圖2b為諧波干擾壓制后結(jié)果；圖2c為圖2a減去圖2b道集的噪聲結(jié)果，噪聲結(jié)果中未見(jiàn)到有效信號(hào)。這表明，諧波噪聲得到了有效壓制，且有效信號(hào)未損失，證明該方法是一種高保真的諧波干擾壓制方法。

圖3為將壓制滑動(dòng)掃描諧波干擾的共偏移距道集反抽生成的壓制諧波后炮集和壓制前的原始炮集對(duì)比，圖3a中很強(qiáng)的諧波在圖3b中已被清除干凈，圖3c中30~90 Hz頻帶諧波頻譜接近圖3a諧波頻譜，也說(shuō)明其諧波噪聲得到有效壓制。

綜合分析圖2和圖3可看出，共炮道集數(shù)據(jù)的諧波干擾呈現(xiàn)集中分布的特征，而在共偏移距道集數(shù)據(jù)中則呈現(xiàn)隨機(jī)分布特征，由于異常能量識(shí)別方法是在一定的空間范圍內(nèi)識(shí)別諧波干擾，如果噪聲集中分布在一個(gè)區(qū)域，可能被識(shí)別成有效信號(hào)，無(wú)法得到壓制。而諧波干擾在共偏移距數(shù)據(jù)中則分散在不同區(qū)域，因此可以更好地被識(shí)別出來(lái)。因此本方法更適合在共偏移距數(shù)據(jù)集中進(jìn)行處理。

由圖4a可看出，由于諧波的能量大于有效波能量，造成有效波能量相對(duì)減弱，影響了以巖性圈閉目標(biāo)為主的地震資料品質(zhì)。由圖4b可看出，強(qiáng)能量諧波干擾被壓制后，圖中4.00~4.75 s處的有效波能量得到加強(qiáng)，諧波噪聲得到了有效壓制。

圖2　在共偏移距道集上諧波干擾壓制前后對(duì)比

圖3　諧波干擾壓制前后單炮對(duì)比

應(yīng)用結(jié)果表明，由于諧波干擾主要表現(xiàn)為隨機(jī)分布強(qiáng)振幅干擾，而實(shí)際資料有效波能量較弱，諧波干擾和有效信號(hào)的能量之間有一定差異，利用能量差異法壓制滑動(dòng)掃描的諧波干擾更加有效。

圖4　諧波干擾壓制前后疊加剖面對(duì)比

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于能量差異的滑動(dòng)掃描數(shù)據(jù)諧波壓制方法壓制諧波噪聲。特別是在沒(méi)有震源力的前提下，可壓制鄰炮諧振、機(jī)械和異常能量等多種類型干擾，實(shí)用性較廣，能較好地解決地震高效采集帶來(lái)的諧波噪聲干擾，提高地震資料品質(zhì)，具有一定的適用性及實(shí)用性。總結(jié)出一套適合準(zhǔn)噶爾盆地實(shí)際應(yīng)用的諧波噪聲干擾壓制處理模塊及流程，在研究區(qū)三維高密度地震資料處理中都取得了較好效果。大幅度提高了地震數(shù)據(jù)質(zhì)量，為提高油氣勘探精度創(chuàng)造了條件。

基于能量差異的滑動(dòng)掃描數(shù)據(jù)諧波噪聲壓制研究只是一個(gè)開始，還需要來(lái)自更多的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。由于同時(shí)考慮了諧波頻率和能量的不同，能夠較好地對(duì)諧波噪聲進(jìn)行自適應(yīng)識(shí)別與壓制，如果考慮諧波視速度，相當(dāng)于又增加了一維空間識(shí)別諧波噪聲，效果會(huì)更加明顯，這也是下一步工作重點(diǎn)。

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Method for Harmonic Noise Suppression of Slip Scan Data Based on Energy Difference

LIU Hongjie,JIANG Li,ZHANG Zhonghu,CHEN Yong,ZHANG Jin
(Institute of Geophysics,Research Institute of Exploration and Development,XinjiangOilfield Company, PetroChina,Urumqi,Xinjiang 830013,China)

With the increasing of demand for high?density acquisition,the vibroseis prospecting technologies of high?efficiency,high?fideli?ty and environmental protection have come into use,of which,the sliding scan acquisition can shorten the slip time between two neighbor?ing shots and improve the efficiency of acquisition,but its harmonic distortion can reduce the quality of seismic data for the impact of the latter shot on the former one.This paper presents the mechanism of vibroseis harmonic noise and proposed a method for frequency?division harmonic noise suppression based on energy difference.The seismic data processing and superposition imaging results show that this meth?od can obviously suppress the harmonic noise,protect effective signals and improve the signal/noise ratio.

energy difference;frequency division;harmonic noise suppression;slip scanning;high density acquisition

P631.443.5

A

1001-3873（2015）01-0098-04DOI：10.7657/XJPG20150120

2014-06-12

2014-11-10

劉宏杰（1963-），男，山東龍口人，高級(jí)工程師，博士，石油地質(zhì)，（Tel）0991-4299061（E-mail）lhjie@petrochina.com.cn.