中淺地層剖面質(zhì)量改進方法及應用

陶 華，李彥杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

中淺地層剖面質(zhì)量改進方法及應用

陶 華，李彥杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

海洋工程勘察中，中淺地層剖面是一種應用廣泛的調(diào)查設(shè)備，其具有便攜性、高效率、高主頻和高分辨率的特點。實際調(diào)查中，隨機噪音、多次波等問題嚴重降低了地層剖面資料的信噪比和分辨率，同時，現(xiàn)場作業(yè)對海況的依賴性很強。文中從中淺地層剖面的野外采集設(shè)備和室內(nèi)資料處理方面分析，提出立體震源、多道接收系統(tǒng)、帶通濾波、預測反褶積和相關(guān)濾波等方法。立體震源拓寬了地層剖面資料的頻帶，獲得了更深的剖面和更高的分辨率；多道接收系統(tǒng)使中淺地層剖面數(shù)據(jù)由單道變?yōu)槎嗟溃欣谑覂?nèi)資料處理；對于目前主流的單道中淺地層剖面數(shù)據(jù)，首先要識別噪音的來源和特征，再通過增益、帶通濾波、涌浪校正，預測反褶積等方法來處理，最后獲取的高質(zhì)量地層剖面資料一定是各種方法的綜合使用和多次試驗的結(jié)果。

中淺地層剖面；隨機干擾；涌浪校正；帶通濾波；預測反褶積；相關(guān)濾波

電火花地層剖面系統(tǒng)是一種最常見的中淺地層剖面系統(tǒng)，有高便攜性、高效率、高主頻和高分辨率的特點，在國內(nèi)外海洋工程勘察領(lǐng)域得到了廣泛的應用。利用電火花剖面系統(tǒng)可獲得海底以下幾米至幾百米的地層剖面數(shù)據(jù)，用于識別埋藏古河道、斷層、淺層氣(水)、滑坡、硬地層等不良地質(zhì)特征，為海上工程建設(shè)服務(wù)。電火花剖面系統(tǒng)作業(yè)時，震源和水聽器纜近似漂浮于海面，地層剖面數(shù)據(jù)易受干擾，且在單道檢波器接收的情況下無法采用多道地震中的疊加處理及其他有效方法來降低噪音干擾，地層剖面數(shù)據(jù)受噪音干擾比較嚴重，作業(yè)受天氣和海況的限制較大。為降低作業(yè)對海況的依賴程度，提高解釋資料的信噪比和分辨率，獲得高質(zhì)量的資料，既要提升野外采集設(shè)備的性能，又要在資料處理過程中采取有效方法降噪。

中淺地層剖面系統(tǒng)雖然在海洋工程勘察領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應用，但對于其資料的處理研究并不多。主要原因在于其應用領(lǐng)域較窄，限于海洋工程勘察，無法與鉆井和油氣勘探相比；中淺地層剖面等同于自激自收剖面，常規(guī)情況下，原始記錄經(jīng)過簡單處理就基本能滿足要求，外部動力不足。但是，隨著國內(nèi)海上工程走向深水、走向更復雜區(qū)域，對海洋工程勘察的要求不斷提高，中淺地層剖面必須能夠提供更高質(zhì)量的地層資料，做更精細的處理，才能滿足需要，為海上工程、設(shè)施的安全保駕護航。

1 影響中淺地層剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素

1.1 中淺地層剖面儀工作原理

電火花地層剖面是使用頻率較高的一種中淺地層剖面系統(tǒng)。本文以電火花地層剖面系統(tǒng)為例進行分析。電火花震源是利用電容器充電后電極在水中瞬間導通，電流的突然放電來激發(fā)聲脈沖。充電高壓電容器對水中電極間隙脈沖放電有電弧和電暈兩種放電形式。現(xiàn)在海洋電火花震源采用電暈放電方式[1]。電火花剖面系統(tǒng)由固體脈沖電源、多極震源架、水聽信號纜和采集記錄系統(tǒng)組成。作業(yè)時震源架向海底發(fā)射聲波脈沖，水聽器信號纜接收海底以下地層反射的聲波信號，并記錄在系統(tǒng)中形成聲學地層剖面，見圖1。

圖1 電火花地層剖面作業(yè)示意圖

目前，主流的電火花剖面系統(tǒng)脈沖電源箱有英國 AAE(Applied Acoustic Engineering)公司的 CSP系列、荷蘭GEO(GEO Marine Survey Systems BV)公司的Geo-Spark系列；水聽信號纜有SIG16系列、AAE20系列、Geo-Sense系列；采集記錄系統(tǒng)有Mini-Trace II單道數(shù)據(jù)采集器等。中海油田服務(wù)股份有限公司很早就引進了CSP1500、CSP2200和GEO-Source800系列，主要指標見表1～表2。

圖2 反射波示意圖

表1 主流脈沖電源箱主要指標

表2 主流水聽器信號纜主要指標

1.2 影響因素分析

電火花地層剖面的噪音是多種多樣的，聲波在水中傳播時，傳播路徑的不同會出現(xiàn)直達波、鬼波（虛反射）、多次波、鳴震、繞射波等噪音[2]，見圖2。作業(yè)中接收電纜還受涌浪、船舶尾流、機械振動等影響。電火花地層剖面記錄中的噪音是指除海底以下地層的一次反射波外的其它任何信號。根據(jù)噪音的形成機理，分為隨機噪音和相干噪音：隨機噪音在觀測范圍內(nèi)隨機出現(xiàn)，沒有統(tǒng)一規(guī)律，分布比較均勻，頻帶寬，是地震記錄中的主要干擾背景；相干噪音在時間上存在明顯的規(guī)律性，具有運動學特征，由震源或次生震源形成，包括直達波、多次波、繞射波或面波等[3]。

1.2.1 隨機噪音 隨機噪音主要包括洋流波浪噪音、船舶噪音等，其中海浪引起噪音既有低頻的線性干擾，也有寬頻的隨機干擾，見圖3。海洋工程勘察以調(diào)查船為載體，船舶及船載設(shè)備產(chǎn)生的噪音貫穿整個調(diào)查過程，不同船型、船速以及不同海況引起的背景噪音對剖面記錄的影響不同。調(diào)查船拖曳震源和水聽器電纜進行走航式觀測，波浪、涌浪、海流以及航行導致的接收電纜與海水的相對運動也會形成噪音。船舶噪音一般低于200 Hz。圖3為Kingdom.SMT軟件顯示的寬頻隨機噪音，由圖可見，船舶等背景噪音顯示是雜亂無章的，無法從中識別出海底和海底以下地層信息，說明背景噪音的隨機性強，但穿透性很弱。

圖3 寬頻隨機噪音

1.2.2 設(shè)備互擾噪音 海洋工程勘察作業(yè)時，為了追求經(jīng)濟性和時效性，電火花地層剖面常與淺地層剖面（Chirp）、側(cè)掃聲納、單波束測深儀和多波束測深儀同時作業(yè)。同時作業(yè)的設(shè)備之間易形成相互干擾，其中既有頻率干擾，也有電磁干擾。而聲波作為海水中唯一能有效傳遞信息的載體，其頻譜資源非常有限，聲納探頭的相對帶寬較寬，這就使聲學干擾極易出現(xiàn)。某一聲納探頭工作時發(fā)射的聲波被其它處于接收時段聲納探頭接收，就形成了設(shè)備互擾噪音。

表3 頻率域

由表3可知，頻率域上淺剖（chirp）和電火花剖面系統(tǒng)最接近，最有可能相互干擾，實際情況也是如此。某海洋工程勘察專業(yè)船（稱為“X船”），X船船底安裝Ixsea ECHOES 3500高分辨率淺層剖面系統(tǒng)，電火花剖面系統(tǒng)為Geo-Source 800，兩者同時作業(yè)時，淺剖對電火花資料存在明顯的干擾。圖4為現(xiàn)場采集的電火花地層剖面資料中分布“斜紋”狀的噪音干擾，根據(jù)對比試驗知，“斜紋”狀噪音來自Ixsea ECHOES 3500淺剖系統(tǒng)。

圖4 淺地層剖面儀干擾電火花地層剖面資料

1.2.3 鬼波（虛反射） 海面是空氣和水的分界面，空氣和水的波阻抗相差很大，使得海面成為一個強反射界面，反射系數(shù)近似為“-1”。震源激發(fā)產(chǎn)生的聲波或由海底反射的聲波到達海面時，就會發(fā)生反射，相位也發(fā)生反轉(zhuǎn)。這個被海面反射回來的聲波稱為鬼波（見圖2），分為“震源鬼波”和“檢波器鬼波”。由于鬼波的影響，地層剖面資料的頻譜上周期性出現(xiàn)了一系列陷波點，限制了有效頻帶的寬度，損失了一部分有意義的低頻信息和高頻信息。陷波點在頻譜上出現(xiàn)的位置只與震源和拖纜的沉放深度有關(guān)。震源和拖纜的沉放深度越大，第一個非零陷波點出現(xiàn)的頻率值就越?。徽鹪春屯侠|的沉放深度越小，第一個非零陷波點出現(xiàn)的頻率值就越大。另外，震源和拖纜的沉放深度越大，陷波點在頻譜上出現(xiàn)地就越頻繁，即陷波點出現(xiàn)的周期就越小，陷波點的個數(shù)就越多，這樣對頻帶寬度的影響也就越大[4]。圖5為X船在東海某區(qū)域（水深約100 m）作業(yè)時的電火花資料頻譜圖，可見明顯的陷波點，限制了電火花資料的頻譜寬度。

圖5 陷波影響的振幅頻譜圖

圖6 帶通濾波圖

1.2.4 多次反射 海洋淺水環(huán)境中，電火花地層剖面中存在大量海底多次波，多次波的類型有短周期的表層多次波，也有長周期的全程多次波。交混回響多次波是海面與海底之間來回震蕩產(chǎn)生的，具有明顯的周期性，其周期長度近似為海底時間。這些短周期多次波覆蓋了整個剖面。多次波的周期性較強，在剖面上常常出現(xiàn)二次、三次，甚至更高次反射波。在斜坡附近或者深部地層與海底不平行的位置，往往出現(xiàn)多次波與一次有效波斜交現(xiàn)象。識別多次波的方法主要利用其周期性以及多次波與一次波斜交的特征，在剖面上直接觀察估計，通過相關(guān)分析準確計算其周期性。

2 提升中淺地層剖面質(zhì)量的方法及應用

2.1 野外采集技術(shù)

為獲得高質(zhì)量的中淺地層剖面資料，野外采集設(shè)備的升級是一個重要手段。

2.1.1 立體震源 震源設(shè)備由平面震源升級為立體震源。在油氣勘探中，為了解決震源端產(chǎn)生的鬼波等問題，采用上／下源組合的思想來設(shè)計震源。立體震源的思想也被引進了海洋工程勘察領(lǐng)域，相比于平面震源，立體震源可以更好地壓制鬼波（虛反射）引起的陷波效應，拓寬頻帶的寬度，提高子波質(zhì)量，并通過立體陣列延遲激發(fā)技術(shù)進一步壓制震源引起的虛反射。圖7為最新的電火花立體震源架。雙/三層震源架，采取交替觸發(fā)的模式，上層提供高頻能量，增加分辨率，下層提供低頻能量，保證穿透率。配合傾斜式水聽器信號纜，可有效降噪，并獲得更寬的頻譜。

圖7 立體震源和多道電纜

2.1.2 多道輕型高分辨率信號纜 水聽器信號纜由單道升級為24～48道，見圖7。實踐證明，多道地震通過多次疊加技術(shù)，有利于消除多次波，提高空間分辨率。多道地震地層連續(xù)性好，數(shù)據(jù)短點清晰，地層接觸關(guān)系明確，信噪比高，深部構(gòu)造呈像分辨率高，相比單道地震信噪比和精度都高。隨著技術(shù)發(fā)展，電火花水聽器信號纜也可實現(xiàn)多道技術(shù)，小道距高分辨率多道技術(shù)具有排列短、炮間距小、頻率高的特點。圖8即為24道電纜采集的某工區(qū)電火花地層剖面資料后處理成果，工區(qū)水深15 m，發(fā)射能量1 000 J，圖中多次波等干擾被壓制，海底地層層位清晰。

圖8 多道地震資料

2.2 室內(nèi)處理方法

目前，行業(yè)主流電火花地層剖面為單道，室內(nèi)處理方法的改進是提高中淺地層剖面質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.2.1 涌浪校正 拖曳于船尾的震源和水聽信號纜不可避免的受涌浪影響。涌浪較大時，電火花地層剖面中的反射波同相軸發(fā)生起伏，海底失真。但是，在資料解釋前必須還原真實的海底及海底以下地層的信息，改善成像質(zhì)量。因此，必須通過涌浪校正，改善地層反射同向軸抖動的現(xiàn)象。在Kingdom.SMT軟件中，對涌浪影響較大的測線進行海底拉平，通過設(shè)置輔助線的方式，人工消除涌浪起伏引起的地層“假起伏”，還原真實的地層。圖9的工況：X船在南海流花區(qū)塊采集的中淺地層資料，水深約400 m，采集系統(tǒng) GEO-Source800，涌浪 1.5～2.0 m。如圖可見涌浪校正后地層反射軸更加清晰，資料辨識度顯著提高。

圖9 涌浪校正前后

2.2.2 增益 聲波在地層傳播過程中，能量不可逆轉(zhuǎn)地消耗，振幅產(chǎn)生衰減，隨著聲波傳播的深度增加，能量也隨之迅速衰減。這時需要將采集的資料進行自動增益處理（AGC），淺部和深部采用不同的倍數(shù)增益，深部地層增益大于淺部，提高成像質(zhì)量。圖10即為增益前后資料對比。

圖10 增益前后

2.2.3 帶通濾波 帶通濾波是指通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量，并將其他范圍的頻率分量衰減到很低的水平，見圖11。對于頻率域上有明顯差異的噪音，可以通過帶通濾波的方法削弱噪音。低頻背景噪音和設(shè)備之間的噪音一般通過此法壓制噪音干擾。采用帶通濾波不可避免的導致高低頻成分的喪失，因此，選擇濾波參數(shù)時應盡可能多的保留有效信號為原則[5]。

帶通濾波的前提是獲得船舶等背景噪音的聲學特征和頻譜范圍，不同船舶、海況和設(shè)備的噪音是不一樣的。野外作業(yè)可以采用“只記不發(fā)”和“控制變量”實驗的方式采集背景噪音資料，進行頻譜分析?！爸挥洸话l(fā)”就是利用水聽器信號纜寬頻接收的特性，震源不激發(fā)，只記錄噪音的信號，以此來分析噪音的頻譜，為濾波處理提供依據(jù)?！翱刂谱兞俊睂嶒灱匆粋€現(xiàn)象如受多個變量因素影響，只改變其中一個變量，而保持其它變量不變的實驗方式。

可以采用帶通濾波法降低干擾的不止船舶等環(huán)境噪音。同時作業(yè)的設(shè)備主頻差距較大時，帶通濾波也是一個不錯的降低干擾的方法。圖11為X船采集的電火花地層剖面原始記錄波形圖，水深約400 m，海況較好，淺地層剖面儀和電火花地層剖面儀同時工作，淺剖系統(tǒng)是Ixsea ECHOES 3500，電火花剖面系統(tǒng)Geo-Source 800。帶通濾波后的記錄中淺剖的噪音干擾明顯降低。淺層剖面系統(tǒng)的主頻3500Hz，而電火花震源的有效頻率范圍500～2000Hz，兩者在頻域上可以分開，故可利用頻率特性差異來選擇頻域濾波參數(shù)，最大限度地保留有效信號。圖11采用濾波參數(shù)：低切200 Hz、低通300 Hz、高通1 680 Hz、高切 1 800 Hz。

圖11 原始記錄波形圖帶通濾波前（左）和濾波后（右）

根據(jù)野外實驗分析，隨著水深增加，Ixsea ECHOES 3500發(fā)射能量提高，電火花地層剖面記錄中的干擾也隨之增強。船舶等低頻背景噪音也可采用帶通濾波的方法壓制。

2.2.4 預測反褶積（模型擬合法） 預測反褶積法是使用預測的方法，根據(jù)地震記錄一次反射和干擾信息預測出純干擾部分，得到消除干擾后的一次反射信號，以消除一次反射受到的海上鳴震等多次波的干擾[6]。

預測反褶積法壓制短周期多次波，是利用多次波的周期性，通過相關(guān)函數(shù)從初始到達的有效反射中預測出多次波。預測反褶積方法假定反射系列是互不相關(guān)的，非周期性的，不可預測的，而多次波具有周期性和可預測性。利用相關(guān)函數(shù)從初始到達的有效反射預測出多次波，再從記錄的一次反射和多次波干擾的信息中預測出純干擾部分并減去。預測反褶積是一種比較常用且效果較好的壓制多次波的方法，但取得良好壓制效果的前提是選擇合適的預測參數(shù)，預測反褶積的主要參數(shù)包括算子長度和預測步長[7]。

模型擬合法是通過建立多次波模型，任何該多次波模型相似的反射波都被認為是多次波噪音而被處理。此法適用于壓制與一次反射波有傾角差異的長周期多次波。

圖12為X船在渤海蓬萊區(qū)域采集的電火花地層剖面資料，蓬萊區(qū)域?qū)俚湫偷臏\海環(huán)境（水深約25 m），電火花地層剖面中海底多次波發(fā)育，嚴重阻礙了資料的解釋。圖12(a)為未做多次波處理的資料，可見明顯的海底二次反射，二次反射波覆蓋的位置基本和水深相等，極具有規(guī)律性，二次反射波屏蔽了此處地層的一次反射波。蓬萊區(qū)域?qū)儆跍\層地質(zhì)災害比較復雜的區(qū)塊，斷層、埋藏古河道和淺層氣等災害性地質(zhì)特征發(fā)育，圖中埋藏古河道的底部受海底二次反射波影響，基本無法辨識。(b)為利用預測反褶積技術(shù)處理的地層資料，可見海底二次波明顯減弱。

圖12 多次波處理前和處理后

2.2.5 相關(guān)濾波 對于寬頻的隨機干擾，帶通濾波并不能完全壓制噪音。相關(guān)濾波技術(shù)是利用地震子波與反射波的相關(guān)性較強，而與隨機干擾噪音互不相關(guān)的特點來壓制噪音提高地震記錄的信噪比。相關(guān)濾波的關(guān)鍵在于提取的地震子波與有效反射波的相關(guān)程度。中淺地層剖面系統(tǒng)中的直達波是指由震源激發(fā)，通過海水直接傳播到接收電纜的地震波。由于海水對地震波的吸收效應相對較弱，且直達波的傳播距離相對較短、傳播穩(wěn)定、受污染少、波形形變較小，與震源子波較為接近，因此可以利用直達波來提取地震子波。地震資料處理的相關(guān)濾波就是利用地震子波與反射波之間相關(guān)性較強，而與非相干噪音之間互不相關(guān)的特點來有效地壓制噪音。因此可以利用直達波提取的地震子波進行相關(guān)濾波。未設(shè)置延時記錄的剖面資料中有直達波信號，利用直達波提取地震子波信號進行相關(guān)分析。為獲得高質(zhì)量的地震子波，相關(guān)濾波處理前測線數(shù)據(jù)應當進行涌浪校正、增益和帶通濾波，消除低頻噪音等對直達波的影響。實際作業(yè)中，相關(guān)濾波是一項較為繁瑣的工作，消耗的時間較多，并不常用，只在復雜區(qū)塊和資料質(zhì)量要求較高時采用。

3 結(jié)論

（1）立體震源和多道接收水聽器既可以壓制隨機噪音、鬼波（虛反射）和多次波，還能獲得更豐富的地層剖面數(shù)據(jù)，是中淺地層剖面震源和接收水聽器的發(fā)展方向。

（2）涌浪校正、增益和帶通濾波是最常用的處理方法，基本可以降低涌浪、能量衰減和設(shè)備互擾的影響，滿足一般數(shù)據(jù)處理要求。

（3）對于多次波和寬頻隨機噪音的壓制，預測反褶積、模型擬合法和相關(guān)濾波可以取得較好效果，但是，這些處理方法耗時相對較多，適合需要精細處理的中淺地層剖面數(shù)據(jù)。

（4）用好“只記不發(fā)”和“控制變量法”實驗方法。不同船舶，不同海況條件下，噪音會有很大變化，實際作業(yè)時，采用“只記不發(fā)”和“控制變量法”的方式記錄船舶等背景噪音，分析頻譜等特征，為室內(nèi)資料處理提供可靠的濾波參數(shù)，最大限度地壓制噪音并保留有效信號。

（5）最大限度地保留原始數(shù)據(jù)，特別是直達波，直達波對于地震子波分析和相關(guān)濾波處理非常重要。

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Study on the Method and Application of Quality Improvement in Shallow Stratum Profile

TAO Hua,LI Yan-jie
Geophysical-China Oilfield Services Limited,Tianjin 300459,China

Shallow stratum profile equipment is widely used in marine engineering survey.It has the advantages of high portability,high efficiency,high frequency and high resolution.The random noise,multiple waves and some other factors may reduce the profile quality and resolution seriously,so practical operation largely depends on sea states.This paper analyzes the data processing and equipment upgrading of shallow stratum profile,and puts forward several kinds of methods to suppress noise and improve the quality of data.The dimensional source broadens the frequency band of shallow stratum profile,obtaining deeper profile and higher resolution.Multichannel receiving system data are more conducive to indoor data processing.For the shallow stratum profile data,researcher should firstly identify the source and characteristics of noise.Secondly,the bandpass filter,predictable deconvolution and related filter should be properly dealt with,so as to obtain high-quality shallow stratum profile.

shallow stratum profile;random noise;surge correction;bandpass filter;predictable deconvolution;related filter

P714+.6

A

1003-2029（2017）05-0135-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.021

2017-04-18

陶華（1983-），男，工程師，主要從事海洋工程勘察的作業(yè)及研究。E-mail:th20060718@163.com