海底節(jié)點高效混采海量數(shù)據(jù)分離技術(shù)

陳鷹鵬 張紅軍 劉 勇 趙 珉 宋家文 戚群麗

(①東方地球物理公司研究院海外業(yè)務(wù)部，河北涿州 072750； ②東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州 072750)

0 引言

為了采集海量地震數(shù)據(jù)并控制勘探成本，Beasley[1]提出多源地震同時激發(fā)采集技術(shù)，隨后Berkhout等[2]提出并發(fā)展了混合激發(fā)采集的概念，使混采技術(shù)得到迅速發(fā)展。近年來OBN高效混采(High Efficient Blended Shooting)的發(fā)展，有效推動了“兩寬一高”技術(shù)在海洋地震勘探的應(yīng)用，同時大大降低了勘探成本，成為目前全球海洋地震勘探的熱點技術(shù)。然而多個震源同時激發(fā)，在節(jié)省采集成本的同時，也必然產(chǎn)生震源間的交叉干擾，因此分離混疊交叉的鄰炮干擾是高效混采必不可少的環(huán)節(jié)。

混采數(shù)據(jù)分離方法基本可以分為兩類，即基于直接去噪和基于稀疏反演預(yù)測噪聲的分離方法。前者利用混疊干擾在共炮域外的其他域的隨機分布特點直接壓制干擾，如Hoover等[3]通過衰減隨機噪聲壓制獨立同步掃描(ISS)鄰炮干擾，Zhang等[4]采用加權(quán)τ-p變換壓制鄰炮干擾，Huo等[5]在CMP域由矢量中值濾波壓制混疊干擾，王文闖等[6]利用阿爾法均值(α-trimmed)矢量中值濾波去噪，周麗等[7]提出利用自適應(yīng)迭代多級中值濾波法分離海上多震源混合波場，Doulgeris等[8]提出在共檢波點道集上利用頻率—波數(shù)域濾波消除混疊干擾的迭代算法。上述基于去噪的混采數(shù)據(jù)分離方法效率高、成本低，但在數(shù)據(jù)混疊度較高時，分離效果不理想。為此，人們廣泛研究了基于稀疏反演預(yù)測噪聲的混采數(shù)據(jù)分離方法。Akerberg等[9]利用稀疏Radon變換分離混采數(shù)據(jù)； Abma等[10]在傅里葉變換域由凸集投影(POCS)算法獲得了高質(zhì)量分離結(jié)果； Lin等[11]提出了基于Curvelet域L1約束的分離方法； Chen等[12]利用Seislet域整形正則化方法取得了理想的分離效果； Qu等[13]對比了Curvelet變換結(jié)合不同正則化約束的混采分離算法； Zu等[14]提出周期震源編碼海上混采方式； 宋家文等[15]基于頻率—波數(shù)—波數(shù)域(FKK)變換的稀疏反演法分離三維高效混采數(shù)據(jù)。

隨著混采技術(shù)的成熟以及計算集群的發(fā)展，基于稀疏反演預(yù)測噪聲的混采數(shù)據(jù)分離方法逐步進入產(chǎn)業(yè)化進程，目前已在多個實際陸上數(shù)據(jù)混采作業(yè)中取得理想效果。陸上混采數(shù)據(jù)一般是在生產(chǎn)炮之間產(chǎn)生交叉混疊干擾，類型單一。然而，在海洋OBN高效混采過程中，由于施工方式導(dǎo)致非生產(chǎn)炮數(shù)量不可忽略，引起混疊干擾類型復(fù)雜多樣，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的應(yīng)用效果。

本文針對A區(qū)OBN高效混采數(shù)據(jù)，在充分分析多種混疊干擾類型的基礎(chǔ)上，研究了迭代動態(tài)映射技術(shù)以及炮點邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、稀疏反演法的技術(shù)方案，旨在成功預(yù)測各類混疊干擾，以期達(dá)到理想分離效果。

1 OBN混采數(shù)據(jù)混疊干擾分析

A區(qū)實際數(shù)據(jù)為共檢波點道集，對于每個OBN來說，設(shè)計的有效生產(chǎn)炮為23萬個，但是實際記錄的單炮數(shù)量一般超過30萬個，即除有效生產(chǎn)炮之外的非生產(chǎn)炮的數(shù)量超過20%。非生產(chǎn)炮包括軟啟動炮(Soft Start，驅(qū)逐海洋哺乳動物)、重炮(多線束施工)、廢炮(采集船偏離航線)和壞炮(由船等設(shè)備導(dǎo)致)等，這是由OBN混采特有的施工方式?jīng)Q定的。非生產(chǎn)炮數(shù)量過多造成邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下的重炮以及嚴(yán)重數(shù)據(jù)變觀現(xiàn)象，是OBN高效混采資料中產(chǎn)生多種類型混疊干擾的兩種主要原因。

1.1 重炮引起的干擾類型

圖1為重炮定義的炮類型，若僅考慮生產(chǎn)炮受到的混疊干擾，可將所有炮類型定義為5種。

圖1 重炮定義的炮類型生產(chǎn)炮受到的混疊干擾來自A1、B1和B2

1.2 變觀產(chǎn)生的干擾類型

在一定觀測系統(tǒng)下，邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)中炮點之間的相對方位關(guān)系和物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。然而在變觀情況下，炮點的邏輯位置之間的相對方位關(guān)系可能與物理坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，因此可將所有炮類型定義為3種(圖2)。

圖2 變觀定義的炮類型

2 OBN混采海量數(shù)據(jù)分離技術(shù)

2.1 FKK變換稀疏反演法分離技術(shù)基本原理

2.1.1 基本原理

在混采數(shù)據(jù)中，檢波點接收到的多源混疊記錄為[2,16]

d=Γm

(1)

式中：d為混疊記錄；m為未混疊信號；Γ為混疊算子，包含所有震源的激發(fā)時間以及空間位置信息。由于觀測到的樣點數(shù)遠(yuǎn)少于需要反演的樣點數(shù)，故混采數(shù)據(jù)的分離為欠定反演問題。為了求解分離信號， 在FKK域施加L0范數(shù)稀疏約束， 建立目標(biāo)函數(shù)

(2)

式中： F為三維傅里葉變換算子；λ為正則化參數(shù)，控制誤差項和約束項權(quán)重。該目標(biāo)函數(shù)極小值問題可通過迭代收縮閾值法[17]求解

mi+1=F-1TτF[ΓHd-(ΓHΓ-I)mi]

(3)

式中： 上標(biāo)“H”表示取共軛；Tτ為FKK變換域的閾值算子；I為單位矩陣；i為迭代次數(shù)。

式(3)表示將數(shù)據(jù)變換到FKK域并預(yù)測混疊干擾，然后在共檢波點時—空域減去該混疊干擾的迭代過程。

針對A區(qū)OBN高效混采(高峰期平均能達(dá)3萬單炮/日，每天數(shù)據(jù)量約7TB)，選擇基于FKK變換的稀疏反演法預(yù)測噪聲的分離方法。采用快速傅里葉變換提高計算效率，利用指數(shù)閾值加快迭代收斂速度，從而精準(zhǔn)、穩(wěn)定、快速地分離高混疊度的海量地震數(shù)據(jù)[15]。

2.1.2 適用條件分析

在FKK域預(yù)測混疊干擾受以下因素制約。

(1)由于FKK變換存在制約條件，無法直接預(yù)測并分離重炮位置的B1類混疊干擾(圖3)。

圖3 混疊炮集(左)和存在B1類殘留混疊干擾的分離炮集(右)

通過炮邏輯坐標(biāo)申請網(wǎng)格內(nèi)存時，由于每個內(nèi)存只允許讀入一炮數(shù)據(jù)，并沒有相應(yīng)的網(wǎng)格空間容納邏輯坐標(biāo)重復(fù)的炮數(shù)據(jù)，因此無法有效預(yù)測該類混疊干擾；一般情況下，F(xiàn)KK分離技術(shù)只能預(yù)測并去除A1類混疊干擾，即使通過設(shè)置有效炮道頭將所有非生產(chǎn)炮置成生產(chǎn)炮類型，也只能提高分離B2類混疊干擾的能力。

(2)FKK變換和混疊算子均要求炮點在邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下的相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。

在變觀情況下，若炮點邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系不能與物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，則無法預(yù)測混疊干擾，只能預(yù)測D1類混疊干擾。此外，雖能較好地去除C2類混疊干擾(圖4紅框處)，但不能徹底分離C1類混疊干擾(圖4箭頭處)。

圖4 混疊檢波點道集(左)與分離后檢波點道集(右)左圖右下方小圖為炮點物理坐標(biāo)分布，右圖右下方小圖為炮點邏輯坐標(biāo)分布,紅色粗線為炮排列位置

在上述兩種制約條件發(fā)生時，無法有效預(yù)測混采數(shù)據(jù)中的多種混疊干擾，導(dǎo)致分離效果不佳。

2.2 OBN高效混采多種混疊干擾分離

分析混疊干擾類型可知，有效預(yù)測B1類和C1類混疊干擾難度較大。因此，應(yīng)研究相對應(yīng)的由FKK分離技術(shù)預(yù)測這兩類混疊干擾的技術(shù)方案，提升分離效果。

2.2.1 迭代動態(tài)映射技術(shù)

由圖1可知，B1類炮為與生產(chǎn)炮位置重合且產(chǎn)生混疊干擾的非生產(chǎn)炮。在實際施工中，在同一個邏輯位置上，可能存在多個B1類炮，重炮問題相當(dāng)嚴(yán)重。識別多重B1類炮的技術(shù)是解決該問題的關(guān)鍵所在。通過問題分析，將B1類炮映射到新的邏輯線、點號位置，且新位置和周圍炮的相對方位關(guān)系與舊位置保持一致，即可唯一識別該類炮。

本文研究了迭代動態(tài)映射技術(shù)，將多重B1類炮映射到?jīng)]有重炮現(xiàn)象的同一個邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下，在統(tǒng)籌、保持所有類型的炮位置相對方位關(guān)系的前提下，全局統(tǒng)一重新定義所有炮的邏輯線、點號，并預(yù)測所有類型的混疊干擾，在分離干擾后再恢復(fù)原始邏輯線、點號，最終達(dá)到成功分離的目的。

迭代動態(tài)映射技術(shù)流程(圖5)為： ①通過道頭信息輸入，對每一個重炮點位置上的所有重炮排序，排序原則是生產(chǎn)炮序號始終為1，非生產(chǎn)炮序號從2開始； ②從重炮點的序號2位置的非生產(chǎn)炮(B1類)開始，逐炮、線分析混疊干擾范圍，分析搜索時間范圍為[-7s，7s+T](7s為記錄長度，T由共檢波點道集的強相干噪聲的延續(xù)時間確定)； ③根據(jù)設(shè)定的門檻值，將符合要求的所有非生產(chǎn)炮標(biāo)記并建立映射到新邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)的函數(shù)，完成本輪迭代的動態(tài)映射； ④再迭代至重炮點的序號3位置非生產(chǎn)炮(B1類)，動態(tài)映射該位置的所有非生產(chǎn)炮、線，直至滿足要求為止； ⑤利用標(biāo)記信息，將各輪迭代的映射函數(shù)整合成全局統(tǒng)一映射函數(shù)并輸出。

圖5 迭代動態(tài)映射技術(shù)流程

2.2.2 炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理技術(shù)

由圖4可見，C1類炮產(chǎn)生的混疊干擾分離效果不理想，這主要由C1類炮邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)不一致引起。本文針對C1類炮，利用物理坐標(biāo)信息對邏輯坐標(biāo)做預(yù)處理，使處理后的邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)保持一致，同時在預(yù)處理過程中，盡量規(guī)避更多的重炮點現(xiàn)象，即

(4)

式中：xLN為計算后的邏輯坐標(biāo)；xL0為參照點邏輯坐標(biāo)；xP為物理坐標(biāo)；xP0為參照點物理坐標(biāo)； Int為邏輯坐標(biāo)間隔；Δ為規(guī)避重炮的調(diào)整因子。

3 應(yīng)用效果

利用本文的迭代動態(tài)映射技術(shù)、炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、FKK稀疏反演分離技術(shù)系列，對A區(qū)OBN高效混采數(shù)據(jù)分離處理，取得了理想的分離效果。

利用迭代動態(tài)映射技術(shù)可很好地識別并分離B1類炮產(chǎn)生的混疊干擾(圖6右)，在采用炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理后的分離道集上很好地去除了C1類炮的殘留混疊干擾(圖7右)。

圖6 應(yīng)用迭代動態(tài)映射技術(shù)前(左)、后(右)的FKK稀疏反演分離炮集

圖7 炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理前(左)、后(右)的FKK稀疏反演分離檢波點道集

圖8為單檢波點淺層(0～2300ms)的均方根振幅屬性圖。由圖可見：在原始混疊數(shù)據(jù)(圖8a)中混疊干擾呈強能量條紋狀隨機分布；經(jīng)FKK稀疏反演，盡管去除了大部分混疊干擾，但仍殘留較多B1類混疊干擾(圖8b)；經(jīng)迭代動態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演，已基本分離重炮現(xiàn)象導(dǎo)致的B1類型混疊干擾(圖8c)；在實施迭代動態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演后，基本分離了B1類和C1類混疊干擾，分離效果較理想(圖8d)。

圖8 單檢波點均方根振幅屬性(0～2300ms)(a)原始混疊數(shù)據(jù)； (b)FKK稀疏反演； (c)迭代動態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演；(d)迭代動態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演。紅色圈為相干噪聲

圖9為炮排列A、B共檢波點道集分離效果對比。

圖9 炮排列A(上)、B(下)共檢波點道集分離效果對比

(a)原始混疊道集；(b)FKK稀疏反演；(c)迭代動態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演；(d)迭代動態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演。小圖中黑色線為炮排列所在位置，炮排列A為東西向，炮排列B沿著島嶼岸線呈近南北向由圖可見，應(yīng)用迭代動態(tài)映射技術(shù)以及炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理后的FKK稀疏反演分離數(shù)據(jù)信噪比最高，分離效果最理想(圖9d)。

4 結(jié)束語

與陸上混采數(shù)據(jù)混疊干擾類型單一相比，由于OBN高效混采施工的特殊性，OBN高效混采數(shù)據(jù)中存在多種混疊干擾類型。 本文提出的迭代動態(tài)映射技術(shù)、炮點邏輯坐標(biāo)預(yù)處理技術(shù)滿足FKK稀疏反演分離技術(shù)的適用條件，能有效地識別、分離有效信號與兩類混疊干擾——與生產(chǎn)炮邏輯坐標(biāo)位置重疊的非生產(chǎn)炮產(chǎn)生的干擾、變觀原因造成的邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)不一致的炮產(chǎn)生的干擾。

文中提出的迭代動態(tài)映射技術(shù)、炮點邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、FKK稀疏反演法分離技術(shù)系列，在A區(qū)的OBN高效混采海量數(shù)據(jù)中獲得了良好效果，分離的單炮數(shù)據(jù)保真度高，在優(yōu)化分離效率的前提下，取得了較理想的分離效果。