初至拾取中基于超級(jí)虛折射干涉的信號(hào)加強(qiáng)

梁上林,胡天躍,崔 棟,胡 英,張 研

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京100871;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京100083)

近十年中國(guó)油氣勘探逐步轉(zhuǎn)向西部地區(qū)。由于西部地區(qū)地形起伏大,近地表散射噪聲嚴(yán)重,采集的地震資料信噪比低,初至難以準(zhǔn)確拾取,不能為后續(xù)的靜校正處理提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)資料。遠(yuǎn)偏移距初至主要是來(lái)自地下高速層的折射波,然而往往因?yàn)檎鹪醇ぐl(fā)能量不足、傳播距離較遠(yuǎn)、球面擴(kuò)散和地層吸收嚴(yán)重等原因,導(dǎo)致遠(yuǎn)偏移距初至信噪比極低,因而對(duì)地震勘探提出了很大的挑戰(zhàn)。

超級(jí)虛折射干涉為解決這一問(wèn)題提供了新思路。地震干涉是一種由光學(xué)引入到地震學(xué)的方法,該方法利用兩道地震記錄互相關(guān)來(lái)獲取新的虛擬地震記錄[1-2],DONG等[3]為了加強(qiáng)初至的能量,將傳統(tǒng)的干涉法應(yīng)用于初至拾取。然而傳統(tǒng)的干涉法主要存在兩個(gè)問(wèn)題:第一,不能獲取遠(yuǎn)偏移距初至,因?yàn)檫h(yuǎn)偏移距初至來(lái)自地下折射波,重構(gòu)后的虛波場(chǎng)代表地下某點(diǎn)激發(fā)某點(diǎn)接收的波場(chǎng),并非實(shí)際檢波點(diǎn)的位置;第二,互相關(guān)縮短了射線路徑,減少了地震波的旅行時(shí),因此會(huì)自動(dòng)減小地震勘探孔徑[3-5]。為解決以上問(wèn)題,MALLINSON等[6]提出了褶積型超級(jí)虛折射干涉,在原虛折射干涉基礎(chǔ)上,將虛折射與原始初至進(jìn)行褶積處理,可有效恢復(fù)遠(yuǎn)偏移距初至,擴(kuò)大虛折射干涉的勘探孔徑。喬寶平等[7]提出了逆虛折射干涉法,在原虛折射干涉的基礎(chǔ)上,將虛折射與原始初至進(jìn)行互相關(guān)處理,可進(jìn)一步提高近偏移距虛折射的信噪比,該方法的本質(zhì)是互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉。為解決超級(jí)虛折射干涉過(guò)程中產(chǎn)生的旁瓣問(wèn)題,安圣培等[8]應(yīng)用子波整形進(jìn)行壓制。為壓制低信噪比資料中局部存在的強(qiáng)噪聲以提高近道信噪比,呂雪梅等[9]提出了相似度加權(quán)超級(jí)虛干涉法,陳國(guó)金等[10]提出振幅規(guī)則化和求和虛源道集構(gòu)建方法。宋龍龍[11]提出了基于相鄰虛擬道疊加的超級(jí)虛折射干涉法用于增強(qiáng)深海海底地震(OBS)數(shù)據(jù)的初至。在此基礎(chǔ)上,超級(jí)虛折射干涉方法被應(yīng)用于二維、三維實(shí)際地震資料處理中,取得了一定的效果[12-16]。

針對(duì)傳統(tǒng)超級(jí)虛折射干涉過(guò)程中產(chǎn)生的子波旁瓣及疊加次數(shù)不均勻的問(wèn)題,本文以加強(qiáng)弱初至信號(hào)為目的,將互相關(guān)型、褶積型和反褶積型三種干涉技術(shù)結(jié)合起來(lái),提出炮檢域聯(lián)合疊加,并用模型數(shù)據(jù)和實(shí)際資料分別對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方法原理

1.1 虛折射干涉

在三維聲波非均勻各向同性介質(zhì)中,WAPENAAR[17]給出了遠(yuǎn)場(chǎng)近似條件下地震干涉積分表達(dá)式:

(1)

圖1 虛折射干涉示意

1.2 互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉

為解決虛折射干涉不能準(zhǔn)確重構(gòu)遠(yuǎn)偏移距折射波初至的問(wèn)題,MALLINSON等[6]對(duì)虛折射干涉進(jìn)行了改進(jìn):

G*(B,S,ω)dR

(2)

圖2 互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉示意

1.3 褶積型超級(jí)虛折射干涉

為解決折射波在近偏移距能量低信噪比低的問(wèn)題,對(duì)虛折射干涉進(jìn)行了改進(jìn)[6]:

(3)

1.4 混合型超級(jí)虛折射干涉

互相關(guān)型超級(jí)虛折射使傳播路徑變短,導(dǎo)致遠(yuǎn)偏移距重構(gòu)折射波疊加次數(shù)減少,遠(yuǎn)道疊加能量不足,而褶積型超級(jí)虛折射使傳播路徑變長(zhǎng),導(dǎo)致近偏移距重構(gòu)折射波疊加次數(shù)減少,近道疊加能量不足。為解決以上兩種方法重構(gòu)虛折射波疊加次數(shù)不一致的問(wèn)題,將互相關(guān)型和褶積型超級(jí)虛折射干涉求和,形成混合型超級(jí)虛折射干涉:

圖3 褶積型超級(jí)虛折射干涉示意

G(A,S,ω)svh=G(A,S,ω)svx+G(A,S,ω)svc

(4)

式中:G(A,S,ω)svh表示重構(gòu)的震源S激發(fā),檢波器A接收到的混合型超級(jí)虛折射;G(A,S,ω)svc表示重構(gòu)的震源S激發(fā),檢波器A接收到的褶積型超級(jí)虛折射。

1.5 反褶積型超級(jí)虛折射干涉

地震子波的頻帶寬度有限,所以無(wú)論是褶積還是互相關(guān)處理都會(huì)導(dǎo)致旁瓣效應(yīng),使地震子波波形變胖,降低重構(gòu)虛折射的分辨率。為提高重構(gòu)折射波初至的分辨率,BHARADWAJ等[21]給出了反褶積型超級(jí)折射干涉:

(5)

式中:G(A,S,ω)svd表示反褶積超級(jí)虛折射干涉波場(chǎng);P(S,ω)表示震源子波的功率譜。在實(shí)際處理中往往應(yīng)用如下公式:

(6)

式中:α表示白噪系數(shù),引入白噪系數(shù)是為了提高反褶積的穩(wěn)定性。反褶積可消除震源函數(shù)的影響,壓制互相關(guān)或褶積過(guò)程中變胖的震源子波,提高重構(gòu)折射波的分辨率。同時(shí),由于多次疊加求和,重構(gòu)的遠(yuǎn)偏移距折射波攜帶了近道的高頻信息,重構(gòu)的近偏移距折射波攜帶了遠(yuǎn)道的低頻信息,因此一定程度上可彌補(bǔ)低頻和高頻能量的損失,改善重構(gòu)虛折射波的穩(wěn)定性和分辨率。

2 技術(shù)流程

本文基于超級(jí)虛折射干涉,為在初至拾取過(guò)程中加強(qiáng)弱初至信號(hào),提高資料信噪比,設(shè)計(jì)了如圖4所示的詳細(xì)技術(shù)流程。該流程具體分為9步。①加窗處理,獲取包含初至波的地震資料,為后續(xù)的超級(jí)虛折射干涉提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。加窗可有效避免全波場(chǎng)參與運(yùn)算,降低計(jì)算量并減少虛假同相軸的產(chǎn)生。時(shí)窗截取原則以包含初至1～2個(gè)波長(zhǎng)為宜。②互相關(guān)處理,選取某炮,將檢波器A點(diǎn)的波場(chǎng)和檢波器B點(diǎn)波場(chǎng)做互相關(guān)處理,消去折射波公共傳播路徑。③炮域疊加求和,將每炮互相關(guān)處理結(jié)果進(jìn)行疊加求和,增強(qiáng)虛折射的能量,提高信噪比,獲得檢波器A點(diǎn)和檢波器B點(diǎn)之間的虛折射波。④互相關(guān)處理,選取震源S,將檢波器B點(diǎn)的波場(chǎng)和檢波器A點(diǎn)與檢波器B點(diǎn)之間的虛折射波做互相關(guān)處理,消去折射波與虛折射公共傳播路徑。⑤檢波點(diǎn)域疊加求和,將每道互相關(guān)處理結(jié)果疊加求和以增加虛折射能量,形成互相關(guān)型超級(jí)虛折射波。⑥褶積處理,選取震源S,將檢波器A點(diǎn)的波場(chǎng)和檢波器A點(diǎn)與檢波器B點(diǎn)之間的虛折射波做褶積處理,增加折射波的傳播路徑。⑦檢波點(diǎn)域疊加求和,將每道褶積處理結(jié)果疊加求和以增加虛折射能量,形成褶積型超級(jí)虛折射波。⑧疊加處理,將互相關(guān)型超級(jí)虛折射波與褶積型超級(jí)虛折射波疊加求和,得到混合型超級(jí)虛折射波。⑨反褶積處理,提取地震資料中的子波,對(duì)混合型超級(jí)虛折射波做反褶積處理,以提高超級(jí)虛折射波的分辨率。最后輸出具有較強(qiáng)能量的初至信號(hào)。其中步驟②至步驟③對(duì)應(yīng)公式(1)表示的虛折射干涉;步驟④至步驟⑤步對(duì)應(yīng)公式(2)表示的互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉;步驟⑥至步驟⑦對(duì)應(yīng)公式(3)表示的褶積型超級(jí)虛折射干涉;步驟⑧對(duì)應(yīng)公式(4)表示的混合型超級(jí)虛折射干涉處理;步驟⑨對(duì)應(yīng)公式(5)表示的反褶積型超級(jí)虛折射干涉。

圖4 基于超級(jí)虛折射干涉低信噪比初至信號(hào)加強(qiáng)技術(shù)流程

3 模型資料試算

為驗(yàn)證本文方法的有效性,建立如圖5a所示模型。地表起伏,最大高程差120m,地表低速層速度為1500m/s,深度為500m,高速層速度為3500m/s,記錄長(zhǎng)度為3.62s,采樣間隔1ms,地震子波為雷克子波,主頻為20Hz,激發(fā)炮數(shù)50,炮間距25m,接收道數(shù)50,道間距50m,最小炮檢距3800m,最大炮檢距7450m。利用聲波方程進(jìn)行正演模擬,得到如圖5b 所示遠(yuǎn)道單炮記錄,其中包括遠(yuǎn)道折射波、直達(dá)波、反射波和一階多次波。

為有效重構(gòu)遠(yuǎn)道虛折射波波場(chǎng),通過(guò)時(shí)窗截取出折射波,再利用圖4的技術(shù)流程進(jìn)行處理,可得到如圖6 所示的4種超級(jí)虛折射結(jié)果。圖6a和圖6b分別給出了互相關(guān)型和褶積型超級(jí)虛折射干涉結(jié)果,可以看到互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉導(dǎo)致遠(yuǎn)偏移距重構(gòu)虛折射波疊加次數(shù)減少,遠(yuǎn)道疊加能量不足,而褶積型超級(jí)虛折射干涉導(dǎo)致近偏移距重構(gòu)折射波疊加次數(shù)減少,近道疊加能量不足。為彌補(bǔ)疊加道數(shù)不一致的缺點(diǎn),應(yīng)用混合型超級(jí)虛折射干涉對(duì)其處理,得到如圖6c所示的結(jié)果。由圖6c可見,各道能量分布合理,保證了不同偏移距下折射波振幅的一致性,彌補(bǔ)了互相關(guān)型和褶積型超級(jí)虛折射干涉的不足。為壓制互相關(guān)和褶積過(guò)程中產(chǎn)生的子波旁瓣,提高重構(gòu)超級(jí)虛折射波的分辨率,對(duì)圖6c的混合型超級(jí)虛折射波進(jìn)行反褶積處理得到圖6d 所示的結(jié)果。圖7給出了反褶積處理前、后的波形歸一化放大結(jié)果,可知子波旁瓣在反褶積處理后得到有效壓制,旁瓣能量向主峰集中,初至的分辨率得到提高。

為檢驗(yàn)本文方法的抗噪性,在正演模擬波場(chǎng)中加入高斯隨機(jī)噪聲,此時(shí)含噪聲資料信噪比為-18.4,如圖8a所示,隨機(jī)噪聲嚴(yán)重,地震資料信噪比低,初至難以準(zhǔn)確拾取。在混合型超級(jí)虛折射干涉的基礎(chǔ)上,提取地震子波求取功率譜,為提高高低頻的穩(wěn)定性加入一定白噪聲,對(duì)重構(gòu)的遠(yuǎn)道折射波進(jìn)行反褶積處理,可以得到圖8b所示結(jié)果?？芍h(yuǎn)道初至由于同相疊加,能量在炮檢域聯(lián)合疊加過(guò)程中得到加強(qiáng),而隨機(jī)噪聲不能同相疊加,能量在炮檢域聯(lián)合疊加過(guò)程中逐漸削弱,得到進(jìn)一步壓制,反褶積后地震資料信噪比提高到4.6。模型數(shù)據(jù)表明,在遠(yuǎn)道信噪比極低的情況下,本文方法能有效壓制隨機(jī)噪聲,加強(qiáng)初至信號(hào),處理結(jié)果有利于拾取低信噪比初至。

圖5 水平層狀模型(a)和正演波場(chǎng)(b)

圖6 4種超級(jí)虛折射結(jié)果a 互相關(guān)型; b 褶積型; c 混合型; d 反褶積型

圖7 反褶積前和反褶積后波形

圖8 噪聲數(shù)據(jù)(a)和反褶積結(jié)果(b)

4 實(shí)際資料應(yīng)用

為測(cè)試本文方法的實(shí)際應(yīng)用能力,選取中國(guó)西部某山區(qū)實(shí)際地震資料的一條測(cè)線進(jìn)行試驗(yàn)性處理。如圖9a所示,紅色星號(hào)表示激發(fā)震源,藍(lán)色實(shí)線表示接收線,高程差460m,地勢(shì)起伏。該測(cè)線有效炮數(shù)為29炮,每炮820道接收,采樣間隔1ms,采樣長(zhǎng)度6s。如圖9b所示,選取遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)60道,該資料初至信號(hào)極弱,信噪比低,初至同相軸的連續(xù)性差,難以準(zhǔn)確拾取。

圖9 實(shí)際資料處理結(jié)果a 測(cè)線高程; b 遠(yuǎn)道資料; c 混合型; d 反褶積型

為避免一次反射波參與超級(jí)虛折射干涉處理,形成虛假同相軸,影響重構(gòu)波場(chǎng)的質(zhì)量,首先對(duì)資料進(jìn)行加窗處理,截取包含遠(yuǎn)道初至的信號(hào);然后在炮域疊加,利用虛折射干涉方法,得到虛折射干涉波場(chǎng),此時(shí)炮域疊加29次,重構(gòu)波場(chǎng)的信噪比得到提升;接著在檢波點(diǎn)域疊加,分別利用互相關(guān)型超級(jí)虛折射干涉和褶積型超級(jí)虛折射干涉得到混合型超級(jí)虛折射波場(chǎng),此時(shí)重構(gòu)的虛折射波場(chǎng)每道又疊加60次;最后利用原始地震道集的自相關(guān)估算出震源子波及其頻譜,將混合型超級(jí)虛折射波場(chǎng)進(jìn)行反褶積處理,以提高虛折射波初至的分辨率。如圖9c所示,混合型超級(jí)虛折射處理后初至由于炮檢域穩(wěn)相疊加,共疊加89次,能量明顯增強(qiáng),資料的信噪比提高,折射波遠(yuǎn)道初至得到很好的恢復(fù)。但由于互相關(guān)和褶積的作用,重構(gòu)虛折射波有旁瓣效應(yīng)產(chǎn)生,分辨率降低,高頻和低頻部分有一定損失。圖9d顯示了對(duì)混合型超級(jí)虛折射波進(jìn)行反褶積處理的結(jié)果,此時(shí)初至的分辨率明顯提高,遠(yuǎn)道初至能量得到均衡,子波旁瓣得到有效壓制,高頻和低頻能量得到一定補(bǔ)償,有利于準(zhǔn)確拾取低信噪比初至。

為進(jìn)一步分析重構(gòu)超級(jí)虛折射波頻譜的變化,分別選取不同偏移距資料對(duì)比分析。圖10給出了第1道和第56道處理前、后歸一化的頻譜變化情況。第1道處理前、后頻譜有一定變化,由于重構(gòu)超級(jí)虛折射波存在遠(yuǎn)偏移距波場(chǎng)的疊加,因此疊加后攜帶了遠(yuǎn)偏移距波場(chǎng)的低頻信息,使頻譜曲線更加光滑,毛刺減少,主頻能量更加集中。由于傳播距離變長(zhǎng),第56道接收到的波場(chǎng)高頻衰減嚴(yán)重,主頻降低。采用本文方法處理時(shí),重構(gòu)超級(jí)虛折射波存在近偏移距波場(chǎng)的疊加,因此疊加后攜帶了近偏移距波場(chǎng)的高頻信息,使遠(yuǎn)道地震信號(hào)的主頻提高,恢復(fù)了遠(yuǎn)道初至的高頻部分,進(jìn)一步提升了遠(yuǎn)道初至的分辨率。

圖10 頻譜分析a 第1道處理前; b 第1道處理后; c 第56道處理前; d 第56道處理后

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

針對(duì)西部山區(qū)地震資料信噪比低、能量弱且不均勻、初至難以拾取的問(wèn)題,本文利用超級(jí)虛折射干涉的技術(shù)優(yōu)勢(shì),提出炮檢域聯(lián)合疊加的方式,增加重構(gòu)折射波場(chǎng)的疊加次數(shù),有效壓制隨機(jī)噪聲,提高資料的信噪比。同時(shí)將互相關(guān)、褶積和反褶積方法結(jié)合起來(lái),形成一套實(shí)用的處理技術(shù)流程,不僅解決了傳統(tǒng)超級(jí)虛折射干涉方法疊加次數(shù)不同導(dǎo)致虛折射波振幅不一致的問(wèn)題,而且解決了子波旁瓣問(wèn)題,一定程度上彌補(bǔ)了高頻和低頻的能量損失,提高了資料的分辨率。模型數(shù)據(jù)和實(shí)際資料的應(yīng)用表明,本文方法可有效增加疊加次數(shù),加強(qiáng)遠(yuǎn)道低能量初至,提高資料的信噪比,為靜校正等后續(xù)處理提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文方法的第一步需要進(jìn)行時(shí)窗截取,若時(shí)窗截取過(guò)大,在波場(chǎng)重構(gòu)過(guò)程中可能會(huì)引入虛假同相軸,若時(shí)窗截取過(guò)小,可能不包含初至信息,因此,時(shí)窗過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響重構(gòu)質(zhì)量,截取的時(shí)窗大小以包含初至1～2個(gè)波長(zhǎng)為宜。同時(shí),模型假設(shè)加入的是高斯隨機(jī)噪聲,然而實(shí)際資料往往不滿足這樣的條件,因此下一步將研究強(qiáng)能量的線性噪聲存在時(shí)如何有效加強(qiáng)低能量初至,壓制線性噪聲。