基于地震干涉法的可控震源黑三角噪聲壓制技術(shù)及應(yīng)用

王立歆,陳國金,崔樹果,呂秋玲,張亞紅

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

可控震源的激發(fā)頻率及激發(fā)時間可根據(jù)勘探目標(biāo)人為設(shè)置,因而具有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、靈活等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于陸上地震資料采集[1-2]。但是,大噸位或超大噸位P波可控震源,只能在地表使用,激發(fā)垂直向下的地面壓縮力[3-5]。可控震源產(chǎn)生的地面力(可控震源子波)在半空間地球彈性介質(zhì)中傳播,不僅會產(chǎn)生有效反射P波,還會產(chǎn)生被視為噪聲的各種相干波,如頻散面波等。尤其對于面波,當(dāng)遇到地表不規(guī)則地形(如建筑、沙丘、山地等障礙物)和近地表橫向劇烈變化的不均勻體時,會產(chǎn)生強(qiáng)散射面波或背散射波[6-8],在共炮點(diǎn)道集上形成以直達(dá)面波為邊界的強(qiáng)能量三角形區(qū),其能量約占可控震源激發(fā)總能量的80%～90%。此外,可控震源機(jī)械系統(tǒng)非線性和震板剛度不夠等因素引起的諧波畸變[4,9],以及可控震源震板與地表耦合不佳造成的較強(qiáng)能量諧振[10]以及聲波干擾[11]等,使得三角形區(qū)內(nèi)的強(qiáng)能量噪聲更加復(fù)雜。

壓制面波的方法很多。其中,檢波器組合方法已被證明是一種消除面波的有效方法,但卻以犧牲高頻成分為代價(jià)[12]。f-k、f-x以及f-p等轉(zhuǎn)換域?yàn)V波方法,雖然對衰減直達(dá)面波有效,但對于陸上可控震源地震采集而言,由于面波速度低,對空間采樣要求高,往往產(chǎn)生空間假頻;散射面波頻帶較寬,與有效反射波頻帶重疊,不滿足轉(zhuǎn)換域?yàn)V波方法的假設(shè)。基于Born近似的迭代反演預(yù)測-消除方法[13],不僅需要昂貴的計(jì)算資源,而且,由于面波依賴于近地表高度變化的介質(zhì)特性,難以模擬頻散、低頻、強(qiáng)振幅有關(guān)的面波特征,尤其在沙漠等地區(qū),散射波能量比反射波要強(qiáng)得多,因此,實(shí)際應(yīng)用是沙漠區(qū)可控震源地震資料處理難點(diǎn)之一。

DONG等[7]率先提出面波干涉預(yù)測與消除方法,基本思路是:通過接收點(diǎn)或炮點(diǎn)間地震干涉法[14-16](互相關(guān)型)從實(shí)測地震資料中恢復(fù)一對接收點(diǎn)或炮點(diǎn)間的面波響應(yīng),然后采用最小平方匹配濾波方法消除實(shí)際地震道集上的面波。由于面波走時呈線性,且所有震源均為穩(wěn)相位震源,因此,疊加所有共炮點(diǎn)道集上兩個地震道之間的互相關(guān)可以增強(qiáng)恢復(fù)的面波響應(yīng);而對于來自地下反射面的反射波,因其走時呈非線性,且只有少數(shù)的穩(wěn)相位震源,使得疊加后恢復(fù)的反射波響應(yīng)欠估計(jì)[17]。因此,相比于轉(zhuǎn)換域?yàn)V波等方法,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的面波干涉預(yù)測與消除方法優(yōu)勢明顯。但是,該方法的精度受制于穩(wěn)相位震源位置分布,僅適用于2D測線。XUE等[18]通過非線性時移校正,將3D面波干涉預(yù)測問題轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的2D問題。HALLIDAY等[19]展示了衰減介質(zhì)層狀模型散射面波干涉預(yù)測的一個例證,并根據(jù)面波干涉積分的穩(wěn)相位分析,討論地震干涉、面波和震源分布之間的關(guān)系[20],提出衰減介質(zhì)散射面波地震干涉中“串?dāng)_”形成的原因[21]。根據(jù)震源位于一對接收點(diǎn)之間或一端,分別采用互相關(guān)或互褶積形式的干涉方程,進(jìn)行可控震源高密度單點(diǎn)接收實(shí)際資料的地滾波消除[22-23]。但是,該方法要求用于構(gòu)建虛震源的接收位置處必須有震源激發(fā),這意味著每一個接收點(diǎn)處都必須有震源激發(fā),對采集的要求過于苛刻,成本過高,實(shí)際上難以滿足和應(yīng)用。

本文利用在新疆某工區(qū)采集的可控震源資料,定性分析黑三角噪聲的形成原因。在此基礎(chǔ)上,針對散射面波,采用基于CURTIS等[24-26]提出的炮-檢地震干涉方法,研發(fā)炮-檢散射面波干涉預(yù)測技術(shù),可適應(yīng)任意的陸上觀測方式;同時,研發(fā)基于模式的匹配相減方法,以預(yù)測的散射面波為模式,消除可控震源資料中的散射面波,形成了可控震源面波干涉預(yù)測與消除技術(shù)。將該技術(shù)與異常噪聲壓制技術(shù)相結(jié)合,形成了可控震源黑三角綜合去噪方法及其模塊,并以新疆某工區(qū)的實(shí)際可控震源資料為測試資料,對比了該綜合去噪技術(shù)與某商業(yè)軟件的黑三角去噪應(yīng)用效果。

1 可控震源黑三角噪聲分析

2016年,在新疆某沙漠探區(qū)實(shí)施了可控震源3D地震數(shù)據(jù)采集,工區(qū)覆蓋面積約為500km2,覆蓋次數(shù)為900次,CDP面元大小為25m×25m,記錄長度為8s,采樣率為2ms;可控震源3臺1次,采用4～84Hz的20s線性升頻掃描,斜坡起始800ms,終了500ms,驅(qū)動70%。工區(qū)地表主要為鹽堿浮土區(qū)和壟狀沙丘區(qū)(圖1)。

圖1 工區(qū)地表情況

首先,圖2為對應(yīng)于圖1中藍(lán)色炮點(diǎn)①、②和③的原始道集及其頻譜,由圖2可見:炮點(diǎn)能量差異不大,60Hz以上高頻吸收嚴(yán)重;浮土區(qū)主頻低,頻寬約為5～48Hz,主要是因?yàn)楦⊥羺^(qū)吸收衰減較為嚴(yán)重,而沙丘區(qū)主頻較高,頻寬約為5～57Hz。但是,隨著地表地形變化,即從較為平坦的浮土區(qū)過渡到有一定高程起伏的沙壟狀沙丘區(qū),黑三角區(qū)內(nèi)噪聲愈發(fā)嚴(yán)重,這主要由地表沙丘或近地表橫向不均勻體引起的散射面波所致,且不能清晰地觀察到直達(dá)面波同相軸。

圖2 工區(qū)不同地表炮點(diǎn)的原始道集及其頻譜a 炮點(diǎn)①; b 炮點(diǎn)②; c 炮點(diǎn)③

其次,對某個典型的原始單炮道集進(jìn)行線性動校正(速度為500m/s)及頻譜分析,如圖3所示。線性動校正后,黑三角區(qū)內(nèi)的不同類型噪聲在一定程度上得以顯現(xiàn)。主頻約為12Hz的強(qiáng)能量相干噪聲,具有頻散的特征,是沿地表傳播的Rayleigh面波,以及遇到地表不規(guī)則地形或近地表橫向不均勻體時引起的散射面波;而有效波區(qū)域的能量弱,肉眼難于觀察到反射波,其主頻約為16Hz。此外,在可控震源下方,還有傳播速度比面波更低的線性噪聲及異常噪聲,特征是強(qiáng)能量,主頻很高,約為20Hz,與地表介質(zhì)固有頻率相近。因此,推測是可控震源震板與地表介質(zhì)耦合發(fā)生共振(諧振)所致。可見,可控震源黑三角區(qū)內(nèi)噪聲成分復(fù)雜,特征也不同,且相互干涉疊加在一起,雖然主頻有一定差異,但頻帶寬度卻相互重疊。因此,單靠已有的如f-k等轉(zhuǎn)換域?yàn)V波技術(shù),難以有效壓制這些噪聲。

圖3 工區(qū)內(nèi)某個炮點(diǎn)道集的線性動校正及頻譜分析a 原始炮道集; b 線性動校正后的炮道集(校正速度500m/s)

最后,根據(jù)HERMAN等[13]的簡化近地表散射模型(圖4a),可以獲得2D測線上頻散直達(dá)面波及其測線上散射點(diǎn)①和③,測線外散射點(diǎn)②和近地表散射點(diǎn)④的散射面波時距曲線(圖4b)。圖4a中,炮點(diǎn)和檢波器位置分別用SRC和REC表示,紅色箭頭表示傳播中的直達(dá)面波,綠色箭頭表示傳播中的散射面波和來自近地表中不均勻體的散射波,藍(lán)色箭頭表示來自地下反射界面的反射波。圖4b中,來自測線上單散射①或二次散射④①、③①和②①的時距曲線是線性的,而來自測線外單散射點(diǎn)②或來自近地表的多次散射②③④的散射時距曲線則是非線性的。

2 方法原理

根據(jù)CURTIS等[24-26]提出的炮-檢間地震干涉原理(圖5),利用已知的在震源x1上激發(fā),在接收邊界S′上接收的波場以及在震源邊界S上所有的震源x激發(fā),在接收點(diǎn)x2和接收邊界上接收點(diǎn)x′接收的波場,預(yù)測(重建或恢復(fù))任意炮檢(x1～x2)之間的地震響應(yīng)。重建的炮-檢對地震響應(yīng)不僅可用于補(bǔ)缺失道(如果該道是壞道)或評價(jià)該地震道的質(zhì)量,更為重要的是,還可用于消除該地震道中的面波噪聲。

圖5 炮-檢地震干涉原理示意

但由于實(shí)際地震觀測資料通常不能滿足炮-檢地震干涉的前提條件,預(yù)測的面波響應(yīng)在振幅上存在一定的誤差,因此,不能從實(shí)際地震資料中直接減去預(yù)測的面波響應(yīng),而應(yīng)該基于最小平方或者模式的匹配濾波技術(shù)消除面波。可見,可控震源散射面波干涉預(yù)測與消除,主要包含兩項(xiàng)技術(shù),即散射面波的干涉預(yù)測技術(shù)和基于模式的匹配相減技術(shù)。

2.1 散射面波干涉預(yù)測技術(shù)

炮-檢地震干涉(圖5)可表述為:假設(shè)聲波介質(zhì)中有一個很大半徑的接收點(diǎn)封閉邊界S′,其上接收點(diǎn)x′間距不超過Nyquist空間采樣準(zhǔn)則所要求的間距,接收來自炮點(diǎn)x1的格林函數(shù)G(x′,x1),封閉邊界S′上及其外部的介質(zhì)是均勻的;接收點(diǎn)邊界內(nèi)另有一個較小半徑的震源封閉邊界S,其上震源x間距不超過Nyquist空間采樣準(zhǔn)則所要求的間距,其內(nèi)的接收點(diǎn)x2和接收點(diǎn)邊界上接收點(diǎn)x′分別接收來自震源的格林函數(shù)G(x2,x)和G(x′,x),那么,基于相關(guān)型和褶積型互換方程,在高頻近似條件下,可獲得頻率域炮檢(x1～x2)間的干涉積分,即:

(1)

式中:G(x2,x1)表示重建的炮-檢(x1～x2)之間的格林函數(shù),k、ω和ρ分別為接收點(diǎn)邊界外均勻介質(zhì)的波數(shù)、圓頻率和密度,*表示復(fù)共軛。

對于干涉積分方程(1),其左邊表示希望重建的炮檢(x1～x2)間地震響應(yīng),右邊實(shí)際上由兩個干涉積分構(gòu)成[24-26]。一是利用已知的實(shí)測資料,即炮點(diǎn)x1和震源邊界S上震源x至接收點(diǎn)邊界上所有接收點(diǎn)x′的地震響應(yīng),進(jìn)行炮點(diǎn)間的相關(guān)型地震干涉,它是對接收點(diǎn)邊界S′求積分的,獲得炮點(diǎn)x1(虛接收點(diǎn))與震源邊界上某個震源x之間的格林函數(shù)及其逆時格林函數(shù),即

(2)

二是利用震源邊界上重建的地震響應(yīng)G(x1,x)與已知的地震響應(yīng)G(x2,x),進(jìn)行接收點(diǎn)間的褶積型地震干涉,它是對震源邊界S求積分的,從而獲得從炮點(diǎn)x1(虛震源)至檢波點(diǎn)x2之間的格林函數(shù)及其逆時格林函數(shù),即:

(3)

2.2 基于模式的匹配相減技術(shù)

基于模式的匹配濾波方法,主要優(yōu)勢在于能夠充分利用模式運(yùn)動學(xué)特征及相對振幅關(guān)系,避免中淺部有效信號及直達(dá)波的影響。首先,從原始資料和干涉預(yù)測的散射面波中,利用子波反褶積分別獲得其散射面波噪聲(N)預(yù)測誤差算子PN和原始資料信號(D)預(yù)測誤差算子PD,通過反褶積求取有效信號預(yù)測算子PS,即在頻率域可表示為:

(4)

其次,通過最小二乘目標(biāo)函數(shù),即:

(5)

(6)

利用獲得的最佳匹配濾波算子,就可得到消除面波后的地震道集,即:

(7)

3 可控震源實(shí)際資料應(yīng)用

3.1 單炮記錄試驗(yàn)

根據(jù)上述介紹的新疆某工區(qū)采集的可控震源資料,對本文提出的可控震源散射面波干涉和消除技術(shù)進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6所示,圖中的紅色十字線僅用于指示道集之間的相同位置。圖6b表示散射面波干涉預(yù)測結(jié)果,與原始炮道集相比(圖6a),除了直達(dá)面波外,兩者在形態(tài)上基本相同,但細(xì)節(jié)上稍有不同。圖6c表示將預(yù)測的散射面波從原始道集中匹配相減的結(jié)果,可以看到:消除了大量散射面波,但仍有少量殘余,主要原因是用于預(yù)測散射面波的炮集數(shù)量較少。為了能更清晰地進(jìn)行比較,對圖6 中的炮道集進(jìn)行了線性動校正,結(jié)果如圖7所示。圖7c清楚地顯示已將散射面波從原始炮道集上消除,這也說明本文方法可有效應(yīng)用于可控震源黑三角區(qū)內(nèi)的散射面波的預(yù)測與消除。

圖6 可控震源散射面波干涉預(yù)測與消除結(jié)果a 原始炮道集; b 干涉預(yù)測結(jié)果; c 散射面波消除后炮道集

圖7 線性動校正后的可控震源散射面波干涉預(yù)測與消除結(jié)果a 原始炮道集; b 干涉預(yù)測結(jié)果; c 散射面波消除后炮道集

但是,可控震源黑三角區(qū)還有如諧振等其它強(qiáng)能量噪聲,其特點(diǎn)是同相軸不規(guī)則、散碎(圖7c),可視為異常噪聲,為此,提出了基于奇異譜分析的異常噪聲壓制方法技術(shù),將其與本文的可控震源散射面波干涉預(yù)測與消除技術(shù)相結(jié)合,形成可控震源黑三角綜合去噪方法技術(shù)。

3.2 實(shí)際應(yīng)用及效果分析

與某商業(yè)軟件進(jìn)行了對比測試,測試流程如圖8所示。測試流程中,除了“黑三角去噪”所用方法不同外,分別采用某商業(yè)軟件的去噪模塊和本文所述的可控震源黑三角綜合去噪方法技術(shù)(簡稱本文方法),其它處理步驟相同,均采用該商業(yè)軟件的相同模塊,且所用的模塊參數(shù)也相同。

圖8 對比測試流程示意

圖9對比了黑三角區(qū)內(nèi)噪聲消除后的CMP道集,可以看出:商業(yè)軟件僅壓制了黑三角區(qū)內(nèi)的噪聲強(qiáng)度,被其掩蓋的反射波并未被有效增強(qiáng)或恢復(fù);而本文方法則有效剔除了黑三角區(qū)內(nèi)的強(qiáng)散射面波及諧振噪聲,突顯了被其掩蓋的有效反射波,且與黑三角區(qū)外的有效反射波一致。

圖9 黑三角區(qū)內(nèi)噪聲壓制后的CMP道集a 商業(yè)軟件; b 本文方法

圖10、圖11和圖12對比了黑三角噪聲壓制后CMP道集的粗疊加結(jié)果。圖10對比了近偏移距(0～2000m)的疊加結(jié)果,由于商業(yè)軟件去噪處理后獲得的CMP道集上,在黑三角區(qū)范圍內(nèi)看不到任何有效反射波,因此,CMP疊加后雖然能顯現(xiàn)出少量的有效反射波,但這很可能是因?yàn)榀B加次數(shù)高或者局部地段地震記錄近偏移距數(shù)據(jù)信噪比較高的緣故。由于本文方法有效消除了黑三角區(qū)內(nèi)的大量強(qiáng)散射面波和諧振噪聲(圖9),與商業(yè)軟件的相比,本文方法的近偏移距疊加結(jié)果揭示了大量與該工區(qū)地震反射標(biāo)志層相一致的反射波同相軸。

圖10 近偏移距數(shù)據(jù)(0～2000m)疊加剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

圖11對比了中等偏移距(2000～4000m)的疊加結(jié)果,與近偏移距剖面(圖10)相比,本文方法略有改善,尤其是疊加剖面中部的繞射波得到突顯。因?yàn)樵摴^(qū)是深層縫洞型儲層,繞射波是對縫洞進(jìn)行成像的關(guān)鍵有效波。

圖11 中偏移距數(shù)據(jù)(2000～4000m)疊加剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

此外,可以從可控震源原始資料的角度出發(fā),解釋本文方法對中等偏移距的疊加剖面僅略有改善的原因。可控震源原始炮集(圖2)表明:黑三角區(qū)內(nèi)強(qiáng)噪聲通常只影響如0～2000m的近偏移距地震道,且隨接收時間的增加,影響范圍也不斷增大;而對中偏移距(2000～4000m)影響甚微,對遠(yuǎn)偏移距地震道沒有影響。這是因?yàn)樵诘乇韨鞑サ拿娌ê陀龅讲灰?guī)則地表地形或近地表橫向不均勻體時產(chǎn)生的散射面波傳播速度低所致。

圖12對比了全偏移距疊加結(jié)果,本文方法除了突顯了剖面中部的繞射波外,與商業(yè)軟件的處理結(jié)果基本相同。與近偏移距的疊加結(jié)果(圖10)形成了鮮明的反差,其主要原因在于近偏移距對全偏移距疊加的貢獻(xiàn)較小,0～2000m的近偏移距道數(shù)約占全偏移距道數(shù)(0～9000m)的25%。

圖12 全偏移距數(shù)據(jù)(0～9000m)疊加剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

兩種方法去噪后的全偏移距數(shù)據(jù)的疊后時間偏移剖面如圖13所示。與商業(yè)軟件的處理結(jié)果相比,本文方法有如下改善:①深大斷裂成像更加清晰,連通性好;②目標(biāo)層奧陶系內(nèi)幕信噪比較高,目的層成像同相軸更加連續(xù),對后續(xù)資料解釋更加有利;③串珠的成像更加聚焦。這是因?yàn)槌上翊瓜蚍直媛实母纳?主要來自于近偏移距道(圖10)信噪比的顯著提高。此外,近偏移距疊加剖面(圖10)也印證了成像分辨率改善的另一個原因,即本文方法能有效壓制黑三角區(qū)的強(qiáng)噪聲,進(jìn)而有效保留或增強(qiáng)了更多的繞射波,且未損害有效反射波。

圖13 全偏移距疊后時間偏移剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

圖14對比了近偏移距數(shù)據(jù)疊前時間偏移的結(jié)果。與商業(yè)軟件的處理結(jié)果相比,本文方法有效恢復(fù)了黑三角區(qū)內(nèi)幕信息,顯著提升成像質(zhì)量,且揭示了更加豐富的地質(zhì)現(xiàn)象。這些改善也反映在全偏移距數(shù)據(jù)疊前時間偏移剖面(圖15)和CRP道集(圖16)上。

圖14 近偏移距數(shù)據(jù)(0～2000m)疊前時間偏移剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

圖15 全偏移距數(shù)據(jù)(0～9000m)疊前時間偏移剖面a 商業(yè)軟件; b 本文方法

圖16 CRP道集對比a 商業(yè)軟件; b 本文方法

4 結(jié)論與展望

沙漠區(qū)可控震源資料黑三角區(qū)去噪難題一直困擾著此類資料處理人員。本文基于CURTIS等提出的炮-檢地震干涉方法,基于模式的匹配相減方法,提出了散射面波干涉預(yù)測與消除技術(shù),并與異常噪聲壓制技術(shù)相結(jié)合,形成了可控震源黑三角綜合去噪方法技術(shù)。

利用新疆某工區(qū)的可控震源資料,定性分析了黑三角區(qū)噪聲的形成機(jī)理,認(rèn)為主要由兩個因素造成:一是地表地形或近地表橫向不均勻體導(dǎo)致的強(qiáng)散射面波;二是可控震源震板與地表介質(zhì)耦合造成的強(qiáng)能量共振或諧振。利用新疆某工區(qū)的可控震源資料,進(jìn)行了散射面波干涉預(yù)測與消除技術(shù)的測試,并與某商業(yè)軟件進(jìn)行了對比,結(jié)果表明:①商業(yè)軟件僅壓制了黑三角區(qū)內(nèi)的噪聲強(qiáng)度,反射波并未被有效增強(qiáng)或恢復(fù),而本文方法能有效去除黑三角內(nèi)的強(qiáng)能量噪聲,尤其是散射面波,突顯了黑三角內(nèi)幕的有效反射波,且與黑三角區(qū)外保持一致;②本文方法去噪結(jié)果顯著改善了疊前時間偏移成像剖面的質(zhì)量,進(jìn)而恢復(fù)地層真實(shí)反射特征,斷裂和斷溶體成像效果優(yōu)于某商業(yè)軟件。

但是,黑三角區(qū)內(nèi)含有多種不同類型的噪聲,其機(jī)理尚待進(jìn)一步研究,仍需進(jìn)一步探索相應(yīng)的噪聲壓制技術(shù)。