基于隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的分頻異常振幅衰減技術(shù)在巨厚黃土塬區(qū)的應(yīng)用

陳超群,田媛媛,高 秦,王智茹,惠智雄,羅文山

(1.中國石油集團東方地球物理責(zé)任有限公司研究院長慶分院,陜西西安710021;2.中國石油集團東方地球物理責(zé)任有限公司研究院,河北涿州072751)

鄂爾多斯盆地南部黃土塬區(qū)地表被巨厚第四紀(jì)的黃土覆蓋,常年經(jīng)雨水沖刷,地表溝壑縱橫、峁梁交錯,地形極其復(fù)雜,地表高程在900～1800m變化,溝塬高差幾十米甚至上百米,潛水面及低降速帶變化較大[1]。隨著地震采集技術(shù)的發(fā)展,2000年以來加大了黃土直測線、寬線、溝塬連接線和非縱測線的采集工作。由于受近地表巨厚黃土層及其它外源干擾的影響,采集的黃土直測線資料小炮檢距能量極強,強面波、強折射波、多次反射-折射波、側(cè)面波和次生干擾等噪聲很發(fā)育,嚴(yán)重降低了地震資料的信噪比。特別是小炮檢距強能量噪聲和淺層寬頻強折射噪聲,是黃土塬區(qū)資料中最常見、最發(fā)育的噪聲類型,完全掩蓋了有效信號,對后續(xù)子波一致性處理和疊加剖面的整體成像影響較大,加之巨厚黃土層對地震波的強烈吸收衰減作用,使該區(qū)地震資料總體呈現(xiàn)低頻、低信噪比的特點,砂體識別困難,巖性圈閉無法落實[2]。

目前,強能量噪聲的壓制方法比較成熟,蔡希玲[3]利用分頻自適應(yīng)法壓制聲波和強能量干擾;王世青等[4]利用地震異常振幅自適應(yīng)衰減法壓制由于磁帶掉磁粉導(dǎo)致的異常振幅;蔣立等[5]利用小波分頻自適應(yīng)檢測法壓制聲波、猝發(fā)脈沖、野值、串狀干擾強能量;王在民等[6]利用時頻域自動識別技術(shù)壓制高頻噪聲;王君等[7]利用地表一致性約束下異常振幅衰減技術(shù)對不滿足地表一致性的異常振幅進行衰減;牛華偉等[8]、潘軍等[9]利用分頻振幅衰減法壓制海洋地震資料中的涌浪、地震船干擾等強能量噪聲。這些方法基本都基于分頻和振幅統(tǒng)計的思想,在壓制強能量異常道和隨機異常噪聲方面效果較好,但在黃土塬區(qū)范圍較大的小炮檢距強能量噪聲的壓制中仍存在以下問題:①信噪分離能力不足;②分離的噪聲中存在有效信息;③存在邊界效應(yīng),去噪后能量分布不均勻等。規(guī)則相干噪聲最常用的去噪方法有F-K濾波、噪聲減去法、τ-p變換法、均衡干擾能量法等[10-14]。這些方法主要通過噪聲的主頻和速度特征來模擬噪聲的形態(tài)特征并對其進行壓制,這對于非線性的小炮檢距強能量噪聲是不適應(yīng)的,巨厚黃土塬區(qū)淺層強折射噪聲雖然具有規(guī)則的線性形態(tài),但其具有的頻寬和頻散特點也導(dǎo)致了采用規(guī)則相干噪聲壓制方法去除一組線性噪聲后,另一組噪聲又會顯現(xiàn)出來,而且殘留的線性噪聲嚴(yán)重影響了疊加成像效果。

針對上述情況,我們分析了黃土塬區(qū)噪聲特點,結(jié)合黃土塬區(qū)地下反射層平緩,在同一時間層位上有效信號的能量級別差異有限的特點,采用隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法,將小炮檢距強能量噪聲和淺層寬頻強折射噪聲轉(zhuǎn)變成隨機強能量噪聲的形式,再利用分頻異常振幅衰減法進行有效壓制。最后利用鄂爾多斯盆地西南部隴東地區(qū)典型巨厚黃土塬區(qū)的實際地震數(shù)據(jù)對本文方法進行了測試。

1 巨厚黃土塬區(qū)噪聲特點

黃土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散,彈性差,傳播速度低,地震激發(fā)過程中大部分震源能量被消耗在激發(fā)點附近的黃土層中,在小炮檢距三角區(qū)形成強能量,并且發(fā)育面波、淺層寬頻強折射波、多次反射-折射波、側(cè)面波等噪聲。采集過程中,因受外界干擾源(如車輛行駛、大風(fēng)、高壓電線等)的影響,大炮檢距處存在隨機噪聲和固定頻率噪聲等,采集的地震資料具有噪聲類型多、受噪聲干擾嚴(yán)重、有效信號被湮沒、低頻低信噪比的特點(圖1)。

小炮檢距強能量噪聲是黃土塬區(qū)特有的噪聲類型之一,主要是由于震源能量在小炮檢距黃土層內(nèi)快速消耗而產(chǎn)生,黃土層越厚,小炮檢距附近噪聲能量越強。圖2展示了黃土塬區(qū)3個原始單炮記錄,可以看出,小炮檢距強能量噪聲的分布約占整個單炮排列的1/5,并且隨黃土厚度的增加而逐漸增強,影響范圍越來越大。由圖3a可知,小炮檢距強能量噪聲f-k譜較雜亂,頻譜寬,無線性規(guī)律,由圖3b和圖3c可知,黃土最薄處的一個單炮記錄中小炮檢距振幅與大炮檢距振幅差異在100倍左右,振幅差異較大。由于小炮檢距強能量噪聲影響的炮檢距范圍較大,純波疊加剖面上有效信息被湮沒在強能量噪聲之下,能量分布極不均勻,信噪比極低。

圖1 黃土塬區(qū)典型的單炮記錄

圖2 黃土塬區(qū)的3個原始單炮記錄

對于強能量噪聲,常采用分頻異常振幅衰減方法進行壓制,去噪效果取決于統(tǒng)計時窗和門檻值參數(shù)的選取,而黃土塬區(qū)小炮檢距強能量噪聲分布范圍大的特點常造成某些時窗內(nèi)統(tǒng)計的能量級別很相近,常用的炮域、檢波點域、炮檢域及十字排列域分選均難以壓制噪聲或壓制效果較差,并且去噪后常出現(xiàn)去噪邊界或局部能量分布不均勻的現(xiàn)象(圖4)。

黃土塬區(qū)另一種特有噪聲類型為淺層寬頻強折射噪聲,主要是由地震波在厚黃土層與高速層直接接觸的強阻抗界面?zhèn)鞑r產(chǎn)生多次折射而產(chǎn)生,由于發(fā)育的位置淺、震源能量強,在單炮記錄上表現(xiàn)為一組能量強、頻譜寬、速度相近的線性特征(圖5a),在純波疊加剖面上具有局部能量異常、形狀規(guī)則、棋盤狀交叉切割淺層有效反射軸的特點,導(dǎo)致疊加剖面反射軸呈蚯蚓狀,連續(xù)性較差,信噪比較低(圖5b)。

淺層寬頻強折射噪聲常被當(dāng)作規(guī)則線性噪聲來處理,根據(jù)其與有效信號在主頻及速度方面的差異,選取合適參數(shù)進行壓制,但由于其頻譜較寬,部分噪聲主頻與有效信號重疊,常存在去噪不徹底的現(xiàn)象,如果對多個主頻進行多次線性去噪處理,則對有效信號損傷太大,空間假頻現(xiàn)象嚴(yán)重(圖6)。

圖3 黃土塬區(qū)原始單炮噪聲f-k譜及頻譜a 小炮檢距強能量噪聲f-k譜(圖2中紅框處); b 小炮檢距強能量噪聲頻譜(圖2中紅框處); c 有效反射軸頻譜(圖2中藍框處)

圖4 分頻異常振幅衰減法壓制小炮檢距強能量噪聲前(a)、后(b)的單炮記錄

圖5 黃土塬區(qū)淺層寬頻強折射噪聲壓制前單炮記錄(a)和純波顯示的疊加剖面(b)

通過以上分析可知,處理巨厚黃土塬區(qū)地震資料時,常用的去噪方法均受到多方面因素的限制,需要根據(jù)巨厚黃土塬區(qū)地震資料噪聲發(fā)育的特點探索一種合適的去噪方法。

圖6 相干噪聲壓制方法壓制淺層寬頻強折射噪聲前(a)、后(b)的單炮記錄

2 基于隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的分頻異常振幅衰減技術(shù)與實現(xiàn)過程

2.1 方法簡介

隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)方法首先利用產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機函數(shù)(公式(1))將地震數(shù)據(jù)道序打亂,將小炮檢距強能量噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機異常能量噪聲的形式,然后將地震數(shù)據(jù)按照炮集域、檢波點域或炮檢域與隨機道序的組合進行排序。如圖7所示,圖7a為正常的單炮記錄,圖7b為重構(gòu)后的單炮記錄(橫坐標(biāo)為采用公式(1)生成的道序號),由此可以看出,地震數(shù)據(jù)重構(gòu)后單炮記錄上的異常振幅具有隨機性,為分頻異常振幅壓制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

式中:x為產(chǎn)生的隨機數(shù)序列;μ、σ為兩個不確定常量,是正態(tài)分布的參數(shù),不同的μ、σ對應(yīng)不同的正態(tài)分布。

分頻異常振幅衰減法基于“多道識別、單道去噪”的思想,通過在不同的頻帶內(nèi)檢測地震采樣點的振幅強度來自動識別地震記錄中的強能量干擾,確定噪聲出現(xiàn)的空間位置。樣點振幅強度估算方法中最常用的方法是平均絕對振幅估算法,該方法精度高、計算速度快,其算法公式為:

式中:Pi為第i個時窗內(nèi)地震道的平均絕對振幅值;t為時窗的起始時間;N為時窗內(nèi)采樣點個數(shù);j為以起始時間為t,終止時間為t+N時窗段內(nèi)的采樣點號;a(j)為j點處的振幅。

如圖8所示,對不同頻帶范圍內(nèi)各道振幅值進行分析。首先求取每個原始地震道(未進行動校正)(圖8a)的振幅絕對值,得到一個振幅絕對值地震道(圖8b),將此地震道劃分為多個時窗,然后利用公式(2)分別求取每個時窗內(nèi)的平均絕對振幅值,得到一個由平均絕對振幅值表示的地震道(圖8c),在此基礎(chǔ)上,計算出相鄰N道在同一時窗長度內(nèi)任一給定時刻數(shù)據(jù)樣點的平均絕對振幅值。

分頻異常振幅衰減是根據(jù)地震資料實際情況,使分頻帶內(nèi)的信號與噪聲在能量分布上有所差異,然后在每個頻段范圍內(nèi)分別求取衰減因子[15]。衰減因子求取的數(shù)學(xué)模型為:

圖7 地震數(shù)據(jù)重構(gòu)前、后單炮記錄a 正常道排序單炮記錄; b 隨機函數(shù)重構(gòu)后單炮記錄

圖8 平均絕對振幅估算基本原理a 原始地震道; b 振幅絕對值; c 求取時窗內(nèi)平均絕對振幅; d 振幅中值

式中:c(i)是噪聲衰減因子;f(x)為一單調(diào)遞增的函數(shù);s(ti)為單個地震道在ti時刻的平均絕對振幅;m(i)是相鄰多道在ti時刻的振幅中值(圖8d);A為設(shè)定的門檻值。從公式(3)可以看出,當(dāng)s(ti)與m(i)之差的絕對值小于A時,c(i)為1,即不衰減;當(dāng)s(ti)與m(i)之差的絕對值大于A時,表示有異常能量噪聲,c(i)將不等于1(由公式(3)求得),二者差值越大,說明衰減越厲害。得到衰減因子后,可以對實際地震資料進行異常能量衰減處理。

2.2 具體實現(xiàn)過程

為了準(zhǔn)確識別地震記錄中存在的強能量噪聲,確定噪聲的空間位置,輸入數(shù)據(jù)應(yīng)為靜校正后未應(yīng)用地表一致性振幅補償?shù)臄?shù)據(jù),該方法技術(shù)流程如圖9所示,具體實現(xiàn)過程如下。

1) 修改道頭:輸入疊前炮集數(shù)據(jù),利用產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機數(shù)列修改地震道頭iuse1;

2) 地震數(shù)據(jù)重構(gòu):將地震數(shù)據(jù)按第一關(guān)鍵字炮號、接收點號、共炮檢距或共中心點號,第二關(guān)鍵字為修改后的地震隨機道頭iuse1進行分選,道集旗標(biāo)保持與第一關(guān)鍵字相同;

3) 求取絕對振幅值并平滑:計算每個地震道中每個樣點的絕對振幅值,并做平滑濾波處理;

4) 確定去噪門檻參數(shù):計算一定時窗內(nèi)各個地震道的平均絕對振幅和每個樣點的參考振幅值,設(shè)定去噪門檻參數(shù);

5) 判定異常振幅:當(dāng)某一地震道的某一采樣點絕對振幅值大于參考振幅值時進行壓制,反之不做任何處理;

6) 求取壓制系數(shù):根據(jù)平均絕對振幅值乘以衰減系數(shù)除以本道平滑后的絕對值振幅來求取每道的壓制系數(shù),并做平滑處理;

7) 多時窗滑動壓制處理:對原始輸入數(shù)據(jù)做加權(quán)處理,每道乘以各自的壓制系數(shù)道,處理時將待處理數(shù)據(jù)分成多個窗口,每次只處理一個窗口,處理完當(dāng)前窗口后自動滑動到下一窗口繼續(xù)處理,直到本道集數(shù)據(jù)全部完成;

8) 地震數(shù)據(jù)反重構(gòu):重置地震道頭,將數(shù)據(jù)還原成正常排列的單炮地震記錄,第一關(guān)鍵字為炮號,第二關(guān)鍵字為道號。

圖9 基于隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的分頻異常振幅衰減技術(shù)流程

3 應(yīng)用效果

鄂爾多斯盆地西南部隴東地區(qū)是典型的巨厚黃土塬區(qū),黃土厚度為50～300m,原始單炮記錄噪聲發(fā)育,疊加剖面整體信噪比較低,有效儲層預(yù)測難度大。圖10a為該區(qū)典型單炮記錄,炮點黃土層厚約289m,小炮檢距異常強能量噪聲發(fā)育,能量分布不均勻,有效反射同相軸無法識別。圖10b為炮域基于隨機函數(shù)重構(gòu)后數(shù)據(jù),可見,重構(gòu)后小炮檢距異常強能量噪聲隨機分布。在此數(shù)據(jù)上進行分頻異常振幅壓制,結(jié)果如圖10c所示。圖10d為隨機道序重排后利用分頻異常振幅衰減法在炮域-隨機域?qū)π∨跈z距異常強能量噪聲壓制后的單炮記錄。由圖10中可以看出,小炮檢距強能量噪聲明顯得到了壓制,能量分布更均勻且符合小炮檢距至大炮檢距、淺層至深層能量由強變?nèi)醯奶卣?振幅一致性得到了提高。圖11為小炮檢距強能量噪聲壓制前、后純波疊加剖面及噪聲剖面。由圖11a可知,受小炮檢距強能量噪聲的影響,純波疊加剖面上小炮檢距參與疊加的部分幾乎都被強能量噪聲所覆蓋,局部出現(xiàn)深淺層有效反射被湮滅在強噪聲之中的現(xiàn)象;由圖11b可知,去噪后純波疊加剖面上波組特征清晰,反射同相軸明顯,信噪比明顯得到提高,并且噪聲疊加純波剖面無明顯有效反射軸(圖11c),去噪適度,保真保幅性好,為后續(xù)的處理提供了高品質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖12a為黃土塬區(qū)典型淺層寬頻強折射噪聲發(fā)育炮集記錄,圖中噪聲在左排列切割的有效同相軸較深,右排列只在炮點附近發(fā)育,噪聲頻帶范圍為8～96Hz,速度為1600～1800m/s。圖12b為利用隨機道序重排后分頻異常振幅衰減法在炮集域-隨機域?qū)\層寬頻強折射噪聲壓制后的單炮記錄,可以看出,記錄中左右排列淺層寬頻強折射噪聲均得到明顯壓制,并且其它位置的異常能量也得到了有效壓制,有效同相軸連續(xù)性變好,整體能量分布均勻,振幅一致性增強,分離出的噪聲完整,無明顯反射軸(圖12c)。圖13為對應(yīng)的去噪前、后的剖面及噪聲純波疊加剖面,可以看出,去噪后有效反射同相軸連續(xù)性變好,噪聲剖面中無明顯有效反射同相軸,去噪后剖面整體能量分布均勻,信噪比和振幅一致性得到提高,為后續(xù)的地震資料反褶積、速度分析、剩余靜校正、偏移成像等技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖10 小炮檢距強能量噪聲壓制前、后單炮記錄a 壓制前單炮記錄; b 炮域基于隨機函數(shù)重構(gòu)后的數(shù)據(jù); c 重構(gòu)數(shù)據(jù)去噪后的結(jié)果; d 強能量噪聲壓制后單炮記錄

圖11 小炮檢距強能量噪聲壓制前(a)、后(b)及噪聲疊加剖面(純波)(c)

圖12 淺層寬頻強折射噪聲壓制前(a)、后(b)的單炮記錄及噪聲記錄(c)

圖13 淺層寬頻強折射噪聲壓制前(a)、后(b)的剖面及噪聲疊加剖面(純波)(c)

4 結(jié)束語

小炮檢距強能量噪聲和淺層寬頻強折射噪聲是鄂爾多斯盆地巨厚黃土塬區(qū)的典型噪聲,也是提高巨厚黃土塬區(qū)資料信噪比和振幅一致性的最大阻礙。本文采用隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法,將強能量噪聲轉(zhuǎn)變成隨機強能量噪聲的形式,再利用分頻異常振幅衰減法進行有效壓制。實際資料應(yīng)用結(jié)果表明,該方法具有去噪效果好、振幅保真度高的特點,能更好地解決巨厚黃土塬區(qū)噪聲壓制問題,顯著改善地震資料的信噪比。此外,本文只展示了振幅補償前炮域-隨機域組合排序的去噪效果,針對不同的強能量噪聲發(fā)育特點和不同處理階段強能量噪聲的表現(xiàn)形式,還可以嘗試共中心點域、共檢波點域、共炮檢距域與隨機域組合排序的分頻異常振幅衰減法。另外,在去噪過程中應(yīng)對噪聲門檻值、壓制系數(shù)等重要參數(shù)進行測試,在壓制噪聲的同時最大限度地保護有效信號,做到保真保幅去噪。