CSI:基于壓縮感知的高精度高效率地震資料采集技術(shù)

李成博,張 宇

(美國(guó)ConocoPhillips國(guó)際石油有限公司,休斯敦77079)

地震資料為油氣勘探提供了重要的信息基礎(chǔ)。三維地震采集的概念早在20世紀(jì)初期就已出現(xiàn),但受當(dāng)時(shí)采集設(shè)備和計(jì)算能力(包括資料顯示、處理、成像以及解釋能力)的限制,這項(xiàng)技術(shù)一直未能得到實(shí)際應(yīng)用。直到1967年才在美國(guó)德克薩斯州首次進(jìn)行了三維地震資料采集。1972年,美國(guó)進(jìn)行了三維地震采集的評(píng)估。與此同時(shí),地震資料處理和成像方法也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,客觀上推動(dòng)了三維采集的發(fā)展。至2000年,三維疊前深度偏移技術(shù)迅猛發(fā)展,并且不斷更新?lián)Q代。今天,三維地震資料應(yīng)用于油氣勘探到開(kāi)發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)。生產(chǎn)部門對(duì)地質(zhì)構(gòu)造分析和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度要求不斷提高,地震資料采集必須為石油勘探提供足夠的地質(zhì)信息。

三維拖纜作業(yè)是海上地震資料采集的主要方式。早期拖纜采集在主測(cè)線方向一般有6～9km的炮檢距,而聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向的炮檢距只有幾百米,所以只能采集到很窄方位角范圍內(nèi)的反射信號(hào)。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,如斷層發(fā)育帶或復(fù)雜鹽丘體,窄方位角數(shù)據(jù)只能沿單一方向進(jìn)行成像,無(wú)法呈現(xiàn)出真實(shí)完整的三維構(gòu)造。2006年前后,人們?cè)谀鞲鐬陈氏葴y(cè)試了寬方位角采集,很快被業(yè)界廣泛接受。寬方位角采集利用3～4艘震源船平行行駛、輪流激發(fā),以達(dá)到拓寬方位角信息的目的,進(jìn)而增加成像照明,提高信噪比。將其與各向異性建模和偏移方法相結(jié)合,有效改善了復(fù)雜鹽丘體和鹽下的成像效果。近十年來(lái),海上拖纜采集技術(shù)不斷創(chuàng)新。深?？碧綇恼轿唤亲呦?qū)挿轿唤?、多方位角、以至全方位角采集。另一方?全波形反演技術(shù)的應(yīng)用要求地震信號(hào)具有大炮檢距和豐富的低頻反射信息,于是又出現(xiàn)了多種特大炮檢距(15～25km)和寬頻地震采集方式,極大地促進(jìn)了深海勘探技術(shù)的發(fā)展。

陸上三維采集早于海上應(yīng)用,始于20世紀(jì)70年代。早期的陸上三維設(shè)計(jì)重視共中心點(diǎn)-炮檢距的均勻分布,強(qiáng)調(diào)利用震源與檢波器陣列提高單炮信噪比。由于受采集成本的限制,三維地震資料的覆蓋次數(shù)較低,為獲得均勻的炮檢距分布,大多采用窄方位角的采集方式。2000年后,隨著對(duì)疊前偏移理解的深入,共中心點(diǎn)覆蓋率不再是陸上三維采集質(zhì)量的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。人們更關(guān)心在滿足炮檢距和方位角均勻采樣的同時(shí)是否能夠更加有效地對(duì)地震波場(chǎng)進(jìn)行完整的采集,減少采集中的假頻效應(yīng),并且提高分辨率。采集方式也從震源與檢波器陣列逐漸轉(zhuǎn)變成單點(diǎn)高密度全方位角采集。地震道密度與采樣率成為衡量三維地震資料品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。高效、高密度三維采集已成為陸上勘探的主要采集方式。

三維地震資料采集設(shè)計(jì)需要考慮很多因素,包括地質(zhì)構(gòu)造、速度模型、采集時(shí)窗、采集費(fèi)用等。傳統(tǒng)的地震資料采樣率由勘探區(qū)域的最小速度(vmin)和最高采集頻率(fmax)決定。例如,假設(shè)在某采集區(qū)域,vmin=1500m/s。我們希望采集的地震數(shù)據(jù)至少在fmax=60Hz以下沒(méi)有假頻,那么由Nyquist-Shannon采樣定理導(dǎo)出的理想空間采樣率Δ≤vmin/(2fmax)=12.5m。也就是說(shuō),為了滿足理論精度,理想的三維設(shè)計(jì)應(yīng)保證炮點(diǎn)距、炮線距、檢波點(diǎn)距和檢波線距均為12.5m或更小,這樣才能滿足地震采集數(shù)據(jù)在各個(gè)方向上60Hz以下均沒(méi)有假頻的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中,如此致密的采集(大于4×107道/km2)幾乎不可能完成,更何況陸上高分辨率資料對(duì)采集精度的要求經(jīng)常遠(yuǎn)超過(guò)60Hz。實(shí)際的三維地震采集受費(fèi)用、人力、設(shè)備、時(shí)間和地質(zhì)條件等的限制,采集能力和理想設(shè)計(jì)的要求相差甚遠(yuǎn),不得不在一個(gè)方向或者多個(gè)方向降低空間采樣率,如增加炮點(diǎn)距至25m,增加炮線距與檢波器線距至200m。這相當(dāng)于所采集到的地震資料比理論要求差了512倍！傳統(tǒng)的采樣理論認(rèn)為在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中降低采樣率將不可避免地導(dǎo)致假頻的出現(xiàn),進(jìn)而影響資料處理以及成像的質(zhì)量。而實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們,一部分的采集假頻往往可以采用資料處理手段得以彌補(bǔ)。在這方面,理論預(yù)測(cè)和實(shí)際結(jié)果之間一直存在差距。壓縮感知理論的出現(xiàn),為我們提供了新的理論和工具來(lái)分析和指導(dǎo)地震資料的采集和處理。

本文對(duì)壓縮感知理論作了簡(jiǎn)要介紹。這一理論的提出,突破了傳統(tǒng)傳統(tǒng)Nyquist-Shannon采樣定理的限制,特別是對(duì)于具有稀疏表達(dá)方式的信號(hào),可以采用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)采樣率的樣本來(lái)高精度地進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。CSI是基于壓縮感知理論所開(kāi)發(fā)出的一套地震資料采集和處理綜合技術(shù),包括非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計(jì)、地震信號(hào)的稀疏化處理、基于稀疏反演的數(shù)據(jù)重構(gòu)以及同時(shí)震源分離等技術(shù)內(nèi)容。介紹了CSI技術(shù)在海底節(jié)點(diǎn)、海上拖纜和陸地可控震源等多種地震資料采集和處理中的實(shí)際應(yīng)用,無(wú)論是采集效率還是成像精度都有顯著的提高。最后,對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 壓縮感知與CSI技術(shù)

Nyquist-Shannon采樣定理一直是指導(dǎo)信號(hào)采集的理論基礎(chǔ)。該定理告訴我們,當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí),模擬信號(hào)可以通過(guò)所采集到的離散樣本完全得到恢復(fù)。Nyquist-Shannon采樣定理只對(duì)信號(hào)特征做了頻帶有限假設(shè),給出了信號(hào)還原的充分條件。在很多實(shí)際應(yīng)用中,我們感興趣的信號(hào)往往存在一定的內(nèi)在結(jié)構(gòu)且包含大量冗余信息。如果對(duì)于這類信號(hào)在采樣時(shí)依然遵循2倍最高頻率的準(zhǔn)則就顯得過(guò)于保守。

壓縮感知理論能夠利用信號(hào)的稀疏性,在獲取信號(hào)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,不但節(jié)省了信息的存儲(chǔ)空間,還提高了信號(hào)的使用效率。對(duì)圖片采用壓縮感知技術(shù),一般在數(shù)據(jù)壓縮4倍的情況下仍然能夠達(dá)到95%以上的保真度。壓縮感知理論促成了信號(hào)采集方式的觀念性改變,在信號(hào)與圖像處理領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。我們認(rèn)為,在地球物理的應(yīng)用中,壓縮感知原理并不只是一種新的地震資料處理技術(shù),它是可以從根本上改變地震資料采集和處理方式的基礎(chǔ)概念。

許多學(xué)者對(duì)壓縮感知在地球物理中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。HENNENFENT等[4]于2008年首次提出了利用壓縮感知理論進(jìn)行地震資料的非規(guī)則采樣和數(shù)據(jù)重建。HERRMANN[5]于2010進(jìn)一步闡述了壓縮感知與隨機(jī)采樣在數(shù)據(jù)采集上的優(yōu)勢(shì),并論證了利用curvelets[6]稀疏化地震資料的可行性。MOLDOVEANU[7]根據(jù)海上采集的限制條件,采用環(huán)形炮點(diǎn)激發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)采樣,并用有限差分進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。NEELAMANI等[8]根據(jù)壓縮感知理論,利用隨機(jī)帶限脈沖波形產(chǎn)生同時(shí)震源,結(jié)合格林函數(shù)的稀疏性進(jìn)行波場(chǎng)重建,從而達(dá)到致密采樣正演建模的高效性。MA等[9]針對(duì)地震信號(hào)特點(diǎn)提出簡(jiǎn)單路徑小波變換(EPWT),與傳統(tǒng)小波變換相比,EPWT能夠更加有效地稀疏化地震信號(hào)并減少變換過(guò)程中的人為噪聲。MANSOUR等[10]建議利用壓縮感知來(lái)設(shè)計(jì)海上同時(shí)震源并且實(shí)現(xiàn)混疊信號(hào)分離,同時(shí)震源的設(shè)計(jì)主要通過(guò)時(shí)間抖動(dòng)編碼方式來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)測(cè)量,在處理中利用稀疏優(yōu)化進(jìn)行信號(hào)的反演。LI等[11]將稀疏約束與高斯牛頓法相結(jié)合,解決在全波形反演過(guò)程中采用數(shù)據(jù)子集產(chǎn)生的人為噪聲問(wèn)題,提高計(jì)算效率。OGHENEKOHWO等[12]和WASON等[13]將壓縮感知應(yīng)用于時(shí)間推移地震。每次采集利用不同的炮點(diǎn)分布通過(guò)壓縮感知的理論來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的共享,進(jìn)而節(jié)省重復(fù)信息的采集。

我們從2010年末開(kāi)始對(duì)壓縮感知相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,致力于利用壓縮感知理論來(lái)改變傳統(tǒng)地震資料采集方式,提高采集效率與成像精度。隨著研究的深入逐漸形成了一整套包括設(shè)計(jì)、采集與處理的綜合技術(shù)——Compressive Seismic Imaging(CSI)。該技術(shù)主要包括以下4個(gè)方面。

1) 非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計(jì)(NUOS)。

利用壓縮感知理論提出并解決了基于互相關(guān)度的最優(yōu)化問(wèn)題,在實(shí)際采集限制條件下通過(guò)迭代產(chǎn)生非規(guī)則最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[14-15]。通過(guò)求解炮點(diǎn)或檢波器點(diǎn)排列互相關(guān)度最小化問(wèn)題,我們可以獲得二維或者三維采集最優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法避免使用隨機(jī)觀測(cè),利用優(yōu)化手段排除了傳統(tǒng)隨機(jī)觀測(cè)設(shè)計(jì)中的不確定性。在優(yōu)化過(guò)程中可將已知的采集限制條件,例如由輸油管道或采油平臺(tái)所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集障礙物等,作為約束計(jì)算在內(nèi)。這樣,采集人員可以根據(jù)事先制定的方案付諸實(shí)際,減少工程意外,以達(dá)到理論上的最佳效果。非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計(jì)可靈活應(yīng)用于海上拖纜、海底電纜或節(jié)點(diǎn)、陸上可控震源或炸藥震源等采集方式,現(xiàn)有的實(shí)踐包括了二維、三維或四維采集。

2) 地震信號(hào)的稀疏化處理。

提出了基于傅里葉廣義窗口變換(GWT)的地震數(shù)據(jù)稀疏化處理技術(shù)[16]。傳統(tǒng)的小波變換采用抽二分樣點(diǎn)和局部濾波的迭代算法來(lái)分離相鄰頻帶。由于小波基的長(zhǎng)度有限,相鄰頻帶之間有重疊,變換后往往出現(xiàn)子帶假頻問(wèn)題(subband aliasing)。GWT巧妙地利用窗口混疊(blending)技術(shù)來(lái)克服這種現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了高保真的反變換。對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,相對(duì)于curvelets,地震數(shù)據(jù)在GWT下的表示更加稀疏,具有更好的可壓縮性,產(chǎn)生的人為噪聲更少。而且,GWT的復(fù)雜度為O(KNlogN),與快速傅里葉變換接近,遠(yuǎn)低于curvelets,計(jì)算效率高。這對(duì)于CSI在大規(guī)模高維數(shù)據(jù)的應(yīng)用尤為重要。

3) 數(shù)據(jù)重建。

在稀疏反演的框架下,提出新的非單調(diào)交替方向算法(NADA)來(lái)解決基于分析的基追蹤去噪(analysis-based basis pursuit denoising)問(wèn)題[17-18]。該問(wèn)題在數(shù)學(xué)上可以表示為:

(1)

式中:u和b分別為重建目標(biāo)信號(hào)和采集信號(hào);S和R為稀疏基和采樣算子;σ表示采集噪聲水平。

NADA方法將上述復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題分解成若干個(gè)簡(jiǎn)單的子問(wèn)題進(jìn)行迭代求解,適用于大規(guī)模實(shí)際數(shù)據(jù)處理,具有算法復(fù)雜度低、抗噪聲、收斂穩(wěn)定、可快速并行等特點(diǎn)。為解決實(shí)際采集中炮點(diǎn)和檢波器點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)網(wǎng)格的情況,同時(shí)提出了插值壓縮感知(Interpolated Compressive Sensing)的概念[19]：在稀疏反演過(guò)程中利用Lagrange插值方法構(gòu)造采樣算子R,避免使用面元(binning)造成誤差,進(jìn)而提高了方法對(duì)不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)的反演精度。該方法的提出使CSI技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中減少了對(duì)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的位置限制,極大地降低了海上和陸地采集作業(yè)的難度,進(jìn)一步提高了采集效率。

4) 同時(shí)震源分離。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用NUOS技術(shù)優(yōu)化炮點(diǎn)位置,在采集過(guò)程中使用多震源獨(dú)立放炮的方式實(shí)現(xiàn)采集效率最大化[20]。與基于時(shí)間抖動(dòng)或震源編碼的同時(shí)震源設(shè)計(jì)方法相比,該技術(shù)對(duì)震源的激發(fā)時(shí)間和特征沒(méi)有限制,作業(yè)方式與傳統(tǒng)采集基本相同,不增加額外作業(yè)難度和安全隱患。同時(shí)震源混疊信號(hào)的分離同樣基于稀疏反演,采用NADA算法解決如下優(yōu)化問(wèn)題:

(2)

式中:M為混疊算子;W為權(quán)重算子;S,R,u,b的定義與數(shù)據(jù)重建中的定義相同。該方法與傳統(tǒng)處理手段相結(jié)合,分離精度可滿足AVO分析和四維地震的要求[21]。該技術(shù)既可應(yīng)用于海上氣槍作業(yè),也可應(yīng)用于陸上可控震源作業(yè)。同時(shí)震源與壓縮感知數(shù)據(jù)重建技術(shù)相結(jié)合,可使采集效率/采樣率提高10倍以上[22]。

在2012—2013年期間,我們進(jìn)行了3次CSI技術(shù)海上試驗(yàn),對(duì)各項(xiàng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了全面的評(píng)估,并且在實(shí)際數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中不斷改進(jìn)該技術(shù)。從2014年開(kāi)始,CSI技術(shù)在多個(gè)油田得到推廣應(yīng)用,在提高采集效率、節(jié)省采集費(fèi)用和改善地震資料品質(zhì)等方面取得了明顯的效果。在CSI技術(shù)的影響下,更多公司加強(qiáng)了壓縮感知相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用[23-25]。

2 CSI技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 海底節(jié)點(diǎn)應(yīng)用

CSI技術(shù)首次大規(guī)模應(yīng)用是在北海某油田的三維海底節(jié)點(diǎn)采集項(xiàng)目中的應(yīng)用。該項(xiàng)目計(jì)劃在2015年初采集完成并用于制定后續(xù)油田開(kāi)發(fā)計(jì)劃。考慮作業(yè)方和采集隊(duì)伍時(shí)間上的限制,唯一可行的采集時(shí)間窗是在2014年冬季。由于北海天氣和海浪的影響,冬季采集風(fēng)險(xiǎn)很大。在惡劣氣象條件下,采集船隊(duì)為保證安全不得不停工等待。這不但增加了項(xiàng)目成本,更重要的是,如果數(shù)據(jù)采集無(wú)法按時(shí)完成將導(dǎo)致后續(xù)油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的滯后。在這種情況下,我們建議利用CSI技術(shù)提高采集效率,縮短工期。在原采集設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上,我們對(duì)炮點(diǎn)距進(jìn)行了NUOS優(yōu)化,并采用兩條獨(dú)立震源船進(jìn)行同時(shí)震源采集。修改后的CSI設(shè)計(jì)方案并不增加采集設(shè)備和額外的作業(yè)難度,震源船之間不要求互相協(xié)調(diào)放炮的時(shí)間與距離,作業(yè)方式與傳統(tǒng)單船采集相似。在采集過(guò)程中,兩條震源船完全獨(dú)立作業(yè)。如果一條船遇故障停工,并不影響另外一條船的繼續(xù)作業(yè)。與協(xié)同作業(yè)的同時(shí)震源相比,這個(gè)采集方案有效縮短了總體歇工時(shí)間。盡管惡劣的氣候造成大量中途歇工,該項(xiàng)目仍然按時(shí)完成了采集任務(wù)。由于采用雙炮船作業(yè),放炮時(shí)間縮短了1/2,而整個(gè)工期的縮短又使采集成本降低了1/4。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,受益于算法的穩(wěn)定與高效,CSI數(shù)據(jù)的分離與重建并沒(méi)有顯著增加處理周期,反而將炮點(diǎn)采樣率提高了1倍。與該區(qū)域的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果相比,CSI數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)疊前深度偏移后成像質(zhì)量和精度有明顯提高,斷層和不整合面刻畫得更加清晰。為油田的構(gòu)造解釋和儲(chǔ)量評(píng)估提供了重要信息。該項(xiàng)目提高了我們對(duì)CSI技術(shù)的信心,也加深了我們對(duì)該技術(shù)的理解。

2.2 海上拖纜應(yīng)用

2015年,我們將CSI技術(shù)應(yīng)用于某三維海上拖纜采集項(xiàng)目。該項(xiàng)目是對(duì)澳大利亞海域某生產(chǎn)氣田重新采集地震數(shù)據(jù),以提高成像質(zhì)量并進(jìn)行儲(chǔ)層精細(xì)刻畫。拖纜采集受限于方位角和纜距,在聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向采樣率較低,淺、中部成像存在嚴(yán)重的航線采集痕跡干擾。傳統(tǒng)方法(如多方位角采集)要求對(duì)采集區(qū)域沿若干方位角多次覆蓋,成倍增加了采集時(shí)間和成本。為了降低成本,該項(xiàng)目采用窄方位角采集。我們利用CSI技術(shù)通過(guò)優(yōu)化采集方案,提高聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向采樣率以減少航線采集痕跡,進(jìn)而達(dá)到增加成像精度的目的。在接收方面,采用NUOS方法優(yōu)化纜間距并與作業(yè)方合作重新部署拖纜相對(duì)位置。纜間距由原來(lái)的固定50m變成25～75m非均勻分布。在震源方面,采用兩組震源交替放炮,并在保證氣槍容量的情況下,用NUOS優(yōu)化兩組震源炮檢距,產(chǎn)生非規(guī)則炮點(diǎn)分布。單震源炮距由原來(lái)固定的37.5m變成19～56m非均勻分布。該設(shè)計(jì)方案不改變作業(yè)方式,采集與船上質(zhì)量監(jiān)控與傳統(tǒng)拖纜作業(yè)方式相同,不增加作業(yè)難度與采集成本。NUOS設(shè)計(jì)支持后期數(shù)據(jù)重建以及混疊信號(hào)分離,處理后可增加采樣率5倍以上,極大提高了采集效率。

為了更好地應(yīng)用CSI技術(shù),數(shù)據(jù)以連續(xù)記錄格式輸出,并記錄每炮的精確放炮時(shí)間與位置。在處理上,我們首先進(jìn)行混疊信號(hào)分離與重建,重建后數(shù)據(jù)拖纜數(shù)由12條增加為23條,同時(shí)纜距和炮距分別縮小為25m和12.5m。與多數(shù)插值方法只增加覆蓋次數(shù)不增加有效帶寬不同,CSI重建后數(shù)據(jù)在主測(cè)線方向?qū)o(wú)假頻帶寬從20Hz拓展到60Hz,在聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向?qū)o(wú)假頻帶寬從15Hz拓展到30Hz,與理論帶寬吻合。雖然資料處理在數(shù)據(jù)重建后與傳統(tǒng)的處理流程一致,但是受益于更高的采樣率與有效帶寬,很多資料處理步驟(如去多次波、去鬼波、疊前偏移等)均取得更好的結(jié)果。對(duì)比經(jīng)CSI處理與未經(jīng)CSI處理的疊前偏移結(jié)果,我們可以清晰地觀察到CSI技術(shù)對(duì)減少采集痕跡以及提高成像精度有顯著作用。CSI、寬頻帶處理以及TTI疊前深度偏移技術(shù)相結(jié)合所提供的最終成像結(jié)果均能清晰刻畫淺層地質(zhì)異常、深層的復(fù)雜斷裂帶以及儲(chǔ)層,與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果相比質(zhì)量顯著提高,為該區(qū)域下一步生產(chǎn)開(kāi)發(fā)提供了有力支持。

2.3 陸上可控震源應(yīng)用

阿拉斯加北坡陸上三維地震數(shù)據(jù)采集于2015年初首次采用了CSI技術(shù)。該采集項(xiàng)目的主要目的是在某開(kāi)發(fā)區(qū)塊獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)以解決地下塌陷層成像失真的問(wèn)題,并為儲(chǔ)層定量分析提供支持。由于北坡地震資料采集的季節(jié)只有每年冬季的3到4個(gè)月,而且作業(yè)隊(duì)伍有限,各項(xiàng)目間需協(xié)調(diào)采集時(shí)間。當(dāng)時(shí)唯一可行方案是利用某采集隊(duì)伍在另外兩個(gè)三維采集項(xiàng)目當(dāng)中30天空檔期來(lái)完成該項(xiàng)目130km2采集。阿拉斯加幾十年來(lái)的傳統(tǒng)采集方式都是利用組合震源多次掃描的方式來(lái)增加單炮信噪比,并且通過(guò)組合接收陣列強(qiáng)化信號(hào)。由于惡劣天氣、凍土層、冰湖等因素對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較的大,因而高效采集方法一直難以在北坡地區(qū)應(yīng)用。如果該項(xiàng)目采用傳統(tǒng)采集方案,在啟用12臺(tái)可控震源的情況下(3～4組),采集效率可達(dá)到平均1000～1500炮/天,遠(yuǎn)不能滿足30天采集完130km2的高質(zhì)量高密度地震數(shù)據(jù)的要求。

我們利用CSI技術(shù),提出了使用單一震源單次掃描的方式,結(jié)合同時(shí)震源獨(dú)立作業(yè)進(jìn)行高密度采集(平均15m炮檢距)。不同于其它陸上高效采集方法采用均勻分布炮點(diǎn),我們通過(guò)NUOS方法優(yōu)化炮檢距,對(duì)放炮時(shí)間和8～12臺(tái)可控震源相對(duì)距離不作限制,后期依靠CSI技術(shù)對(duì)混疊信號(hào)進(jìn)行高精度分離和重建。在優(yōu)化炮點(diǎn)位置過(guò)程中,將地表限制條件如凍湖、陡峭河岸、北極熊出沒(méi)地帶等無(wú)法放炮區(qū)域考慮在內(nèi),最優(yōu)化周邊覆蓋。在接收方面,采用節(jié)點(diǎn)設(shè)備單點(diǎn)接收連續(xù)記錄,保證炮點(diǎn)和檢波器點(diǎn)動(dòng)態(tài)平衡,提高整體采集效率。節(jié)點(diǎn)位置同樣進(jìn)行NUOS優(yōu)化,非規(guī)則分布20～80m,以支持后期數(shù)據(jù)重建。該采集方案在首次陸上極端環(huán)境應(yīng)用中達(dá)到了5000～8000炮/天,在30天內(nèi)完成了該區(qū)塊高密度采集任務(wù)。與采用傳統(tǒng)采集方式的原設(shè)計(jì)方案相比,提高采集效率5倍,增加數(shù)據(jù)密度6倍,并做到了全方位角覆蓋,為后續(xù)的各向異性建模和偏移奠定了基礎(chǔ)。

采集方式改變的同時(shí)也激發(fā)了處理上的新思路與新方法。傳統(tǒng)采集數(shù)據(jù)單炮信噪比較高,但由于采樣率低而導(dǎo)致假頻嚴(yán)重,往往模型導(dǎo)向的方法比數(shù)據(jù)導(dǎo)向的方法更有效。利用CSI技術(shù)的高效采集數(shù)據(jù)雖然單炮信噪比有所降低,但方位角信息豐富,采樣率成倍提高,假頻也得到明顯改善,在這種情況下,許多數(shù)據(jù)導(dǎo)向的方法變得非常有效,這也給機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在地震資料上的應(yīng)用提供了更大的發(fā)揮空間。在處理與成像過(guò)程中,我們利用全方位角信息進(jìn)行TTI建模,結(jié)合深度偏移,較好地解決了地下塌陷層成像失真的問(wèn)題,同時(shí)成像精度特別是橫向分辨率有很大提高。通過(guò)對(duì)CSI數(shù)據(jù)AVO近遠(yuǎn)道集疊加的振幅分析,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層頂部以及底部的刻畫更加連續(xù),儲(chǔ)層邊緣更加清晰。該項(xiàng)目展示了CSI技術(shù)對(duì)陸上采集的巨大幫助。自2015年起我們連續(xù)4年在阿拉斯加利用CSI技術(shù)進(jìn)行陸上三維高密度采集,采集效率逐年提高,最高達(dá)到20000炮/天。與傳統(tǒng)采集相比,數(shù)據(jù)質(zhì)量有顯著提高。

3 總結(jié)與展望

地震資料采集在勘探地球物理中占據(jù)重要位置。高品質(zhì)、高密度的三維地震資料為后續(xù)的處理、成像以及解釋提供了堅(jiān)實(shí)的信息基礎(chǔ)。另一方面,高分辨率的三維地震資料采集又面對(duì)很多困難,伴隨著人力以及設(shè)備的增加和施工周期延長(zhǎng),采集成本變得高昂。在全球油氣價(jià)格近年持續(xù)走低的大環(huán)境下,如何在有限的成本下高效地進(jìn)行三維采集已經(jīng)成為一個(gè)重要的科研課題和生產(chǎn)難題。

壓縮感知理論從新的角度闡述了信號(hào)與采樣之間的關(guān)系。當(dāng)信號(hào)中的信息具有一定結(jié)構(gòu)的時(shí)候,可以通過(guò)設(shè)計(jì)采樣方式,以更低的采樣成本來(lái)重構(gòu)原始信號(hào)。本文介紹的CSI就是一種基于壓縮感知的高精度高效率地震資料采集技術(shù)。該技術(shù)打破傳統(tǒng)的規(guī)則采集方式,利用非規(guī)則最優(yōu)化的設(shè)計(jì)和獨(dú)立同時(shí)震源作業(yè),極大地提高采集效率并縮短采集周期,從而在較低的成本下完成高品質(zhì)、高采樣率的三維地震資料采集。經(jīng)過(guò)多年的摸索,該技術(shù)已經(jīng)用于海底節(jié)點(diǎn)、海上拖纜、陸上可控震源和炸藥震源等多種地震資料采集方式,均能在有限的采集預(yù)算下高質(zhì)量、安全地完成采集任務(wù)。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)疊前深度偏移處理,得到了比傳統(tǒng)資料精度更高、質(zhì)量更好的地下構(gòu)造成像。

隨著新的采集技術(shù)的利用,地震數(shù)據(jù)采集的效率大幅提高,混疊信號(hào)分離與高保真數(shù)據(jù)重建成為地震信號(hào)處理過(guò)程中的重要技術(shù)。我們?cè)谙∈璺囱莸目蚣芟?用非單調(diào)交替方向算法(NADA)進(jìn)行信號(hào)分離與重建,得到的結(jié)果保真度較高,在實(shí)際應(yīng)用中能滿足AVO分析和四維地震的要求。

而經(jīng)過(guò)信號(hào)分離與重建后,地震數(shù)據(jù)增加了十幾倍甚至幾十倍,這就給勘探處理技術(shù)提出了新的課題。我們期待將壓縮感知技術(shù)同樣應(yīng)用于處理與成像過(guò)程中,壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量,在提高處理效率和質(zhì)量的同時(shí)能夠更加有效地提取地震資料中的地質(zhì)信息。

致謝:感謝ConocoPhillips公司在開(kāi)發(fā)CSI技術(shù)過(guò)程中的大力支持,以及阿拉斯加、英國(guó)、挪威、澳大利亞、馬來(lái)西亞等分公司在CSI技術(shù)應(yīng)用中的通力協(xié)作。特別感謝Chuck Mosher博士在CSI項(xiàng)目研發(fā)、推廣與應(yīng)用過(guò)程中全身心的組織與參與,Geophysical Services部門的同事在資料采集、數(shù)據(jù)處理、研發(fā)和管理等各方面的辛勤工作和熱情幫助。