地震初至拾取奇異值編輯在快速處理中的應(yīng)用

鐘家均, 凌 航, 曾 濤

(中石化西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

0 引言

初至拾取一直是地震勘探中的一個基礎(chǔ)而又非常重要的問題。初至拾取是地表低速帶靜校正的基礎(chǔ)，特別是在近地表結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的地區(qū)，準(zhǔn)確拾取地震波走時還是地震層析成像方法中計算速度的重要依據(jù)[1]。迄今為止，許多專家學(xué)者以及專業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)者都針對初至拾取開展了大量的工作，目前絕大多數(shù)處理系統(tǒng)(Omega、Geovation等)或者靜校正軟件(ToModel等)均有初至自動拾取的功能，筆者也查閱了大量的文獻，但幾乎都是討論如何準(zhǔn)確求取初至位置的方法和原理，對于自動拾取初至后產(chǎn)生的大量不正確初至值(初至奇異值)如何處理，很少有文獻提及。王振國[2]研究提高記錄信噪比提高初至拾取的準(zhǔn)確性；左國平等[4]介紹使用改進的能量比實現(xiàn)一種簡潔易于實現(xiàn)的初至自動拾取方式；陳仲平等[8]討論利用空變時窗約束條件增加初至自動拾取位置的準(zhǔn)確性；徐鈺[10]則著重討論利用時窗、相位、能量等多種因素實現(xiàn)自動準(zhǔn)確高效拾取初至，也簡單提及了如何刪除部分初至奇異值點的方法等?；诖?，筆者重點討論如何在獲得了自動拾取初至數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用文中介紹的方法原理，編程實現(xiàn)初至奇異值的自動編輯剔除，大幅度減少人工進行初至修改的操作，最終保留真實準(zhǔn)確的自動拾取的初至數(shù)據(jù)，達到快速獲取準(zhǔn)確靜校正量的目的。

1 奇異值編輯的實踐基礎(chǔ)

1.1 初至數(shù)據(jù)的表現(xiàn)特征

理論模型正演數(shù)據(jù)表明，無論是水平地表還是起伏地表，初至在空間都表現(xiàn)出一定的連續(xù)性(圖1)，如初至與炮檢距、道順序和炮樁號等存在多因素的變化關(guān)系[6](圖2～圖5)。初至數(shù)據(jù)包含一些嚴(yán)重不滿足這種關(guān)系的獨立或者有一定連續(xù)性的大值起跳點，即初至奇異值點。

圖1 層狀介質(zhì)理論地質(zhì)模型及其模擬記錄Fig.1 Theoretical model of layered media and corresponding simulation records(a)水平地表模型;(b)起伏地表模型;(c)水平地表模擬記錄;(d)起伏地表模擬記錄

圖2 兩種模型的初至疊加顯示Fig.2 First break superposition of the two models(a)單個炮記錄初至疊加顯示;(b)所有炮記錄初至數(shù)據(jù)疊加顯示

1.2 剔除部分冗余初至對層析靜校正量的影響

一般情況下，處理人員希望一炮不漏的獲得逐道準(zhǔn)確的初至信息。但復(fù)雜的地震地質(zhì)條件使得炮點初至變化復(fù)雜，各種干擾導(dǎo)致地震道初至前背景不干凈，巖性差異導(dǎo)致激發(fā)能量傳遞不一致而影響初至起跳的強弱，手工拾取初至?xí)艿捷^大的人為因素影響，看漏、看錯不可避免等。因此，盡量減少人為因素干擾，利用自動拾取初至和并快速去除那些初至值不正確的點是目前最為快捷的一種方式。但剔除這些不正確的點，勢必導(dǎo)致初至數(shù)據(jù)量減少，在目前覆蓋次數(shù)較高的地震采集技術(shù)方法下，當(dāng)出現(xiàn)初至漏失會產(chǎn)生影響，我們以某工區(qū)手工拾取初至數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同的初至數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的靜校正量進行了分析。在隨機減少10%～50%的有效初至進行初至層析反演，采用統(tǒng)一的反演參數(shù)，獲得其速度模型和靜校正量。圖6是原始初至數(shù)目和在此基礎(chǔ)上減少40%的靜校正量對比，表1是針對不同的模型參數(shù)和不同的初至數(shù)量進行層析反演之后的實際效果對比分析。由圖6與表1分析及層析反演靜校正量實際計算可知，對于高覆蓋次數(shù)的地震數(shù)據(jù)道，去掉部分冗余初至對層析靜校正量影響不大。特別是基于近地表速度模型的基準(zhǔn)面靜校正量，控制形態(tài)和構(gòu)造成像的長波長靜校正量，五種方式不存在明顯的差異。因此，我們有理由認(rèn)為，在初至數(shù)據(jù)存在冗余的情況下刪除部分初至數(shù)據(jù)對靜校正量影響很小。

表1 手工拾取初至總量和在其基礎(chǔ)上隨機減少不同比例的靜校正量對比表

圖3 共炮點初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.3 The first break data of common shot points show a certain continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖4 共檢波點初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.4 The first break data of co-detection points show a continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖5 共炮檢距初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.5 The first arrival data of common offset show a certain continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖6 手工拾取初至總量和在其基礎(chǔ)上隨機減少40%的層析反演模型和靜校正量對比Fig.6 Comparison of tomographic inversion models and static corrections based on first break collection of manual picking up and random 40 % reduction(a)原始初至數(shù)據(jù)反演的近地表速度模型;(b)減少40%初至后反演的近地表速度模型(c)原始數(shù)據(jù)靜校正量;(d)減少40%初至的靜校正量;(e)原始初至和減少40%初至靜校正量之差

1.3 快速準(zhǔn)確拾取初至是資料快速處理的重要保證

隨著勘探開發(fā)進程加快，資料處理項目的時間節(jié)點安排變得越來越緊湊，資料快速處理任務(wù)也越來越多，工作量大、時間緊。而利用初至數(shù)據(jù)的層析靜校正，是常規(guī)處理中較為準(zhǔn)確而又相對穩(wěn)定的靜校正量獲取方法[3，9]。在短期內(nèi)能夠獲得較為準(zhǔn)確的靜校正量，一直是資料處理人員需要達成的目標(biāo)。因此，想盡一切辦法獲得接近真實的初至拾取數(shù)據(jù)，拾取速度就決定了靜校正量的獲取速度，也決定了能夠獲得更加準(zhǔn)確的初至折射或者層析靜校正量。

2 初至奇異值剔除編輯思路

目前地震數(shù)據(jù)利用初至拾取軟件進行自動拾取的效率高，而且可供選擇的拾取方法也很多。筆者討論利用自動拾取初至的結(jié)果，并根據(jù)初至奇異值的分布規(guī)律和特征，討論提出剔除初至奇異值需要完成的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和基本操作方法，并設(shè)計提出初至的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)此模型估算剔除初至奇異值，從而完成初至奇異值從正常初至數(shù)據(jù)集中分離剔除操作。

2.1 自動拾取初至的結(jié)果的獲得

在進行本方法編輯初至之前，需要采用適合該工區(qū)自動拾取精度比較高的初至拾取方法(可以自己編程實現(xiàn)，也可以利用處理系統(tǒng)或者靜校正軟件等完成)對地震數(shù)據(jù)批量自動拾取一遍初至(圖7)，將初至數(shù)據(jù)保存到地震數(shù)據(jù)到頭或者單獨的指定格式文件中。需要注意的是，無論采用什么樣的自動拾取方法，應(yīng)保證全區(qū)初至拾取位置的一致性。

圖7 部分排列自動拾取初至(已線性動校)和某炮初至數(shù)據(jù)在空間上的展布Fig.7 First break ( linear motion correction ) of partial spread of a shot and spatial distribution of first break of a shot(a)自動拾取的部分排列初至點(紅色點);(b)單個炮點初至空間分布(含奇異值點)

2.2 初至奇異值的分布規(guī)律

自動拾取之后的初至包含著許多的奇異值點(圖8)，如果保留，會嚴(yán)重影響初至拾取的質(zhì)量，如果直接應(yīng)用于初至層析靜校正的反演中，會大大降低靜校正量獲取的質(zhì)量。手工操作拾取初至?xí)r，主要是逐個排列去查看并執(zhí)行刪除或者重新拾取操作，這種工作量很大，費時又費力。通過觀察和實際拾取操作，發(fā)現(xiàn)需要手工拾取和修改初至的部分符合以下幾個規(guī)律：

圖8 某三維炮點自動拾取初至及伴隨的奇異值Fig.8 The first break and the associated singular values of all the three-dimensional shot points by automatically picked up

1)初至值隨炮點、檢波點位置和炮檢距的變化步調(diào)突然不一致。

2)拾取位置常出現(xiàn)在地震道信噪比低或者地震道初至前干擾特別嚴(yán)重的位置。

3)刪除奇異值初至的操作較為多且頻繁，相對簡單容易，但拾取初至的幾率較少，且操作顯得更為復(fù)雜。

4)總是希望找到一次性的去掉異常值的方法，然后集中精力進行拾取檢查操作。

5)希望能夠看到和處理的初至更集中、更多等。

據(jù)上述初至拾取工作特點，希望找到一種軟件實現(xiàn)奇異值的自動剔除，借助可視化界面將初至數(shù)據(jù)進行集中分析處理，進行少量的操作之后視情況開展下一步精細(xì)拾取工作，減少因為肉眼觀察失誤或者視覺疲勞而漏拾的現(xiàn)象，這樣會大大縮短初至拾取的時間，提高初至拾取質(zhì)量和效率。

2.3 奇異誤差值的估算與控制模型

前人研究表明[5-7]，無論是理論模型還是實際初至數(shù)據(jù)，影響初至值大小的幾個關(guān)鍵因素主要為激發(fā)點和檢波點的空間位置關(guān)系。從理論模型的初至數(shù)據(jù)來看，無論地表如何起伏彎曲，其初至的連線形態(tài)是基本連續(xù)的，初至的變化值應(yīng)該是在一定的限制值范圍之內(nèi)，如果突破了這個限制值的范圍，就會出現(xiàn)極不協(xié)調(diào)的孤立拐點(奇異值點)。處理奇異值點有很多種方式，比如初至數(shù)據(jù)統(tǒng)計、曲線擬合逼近等(圖9)，這里運用最易實現(xiàn)的相鄰初至差分散程度統(tǒng)計計算方法。

圖9 一種合適的擬合初至的方法Fig.9 A suitable fitting curve of first break(a)實際初至與線性擬合對比;(b)實際初至與加上修正量之后擬合對比

在相同的數(shù)據(jù)集中，相鄰兩個初至數(shù)據(jù)點的差值制約條件是基本固定的，這種差值不會無限制的增加或者減少，可以利用統(tǒng)計規(guī)律進行初至奇異值排除。統(tǒng)計規(guī)律排除的基本原理如下：

1)手繪初至數(shù)據(jù)集中趨勢線，如果每個初至點的坐標(biāo)為yi(xi,ti)，集中分布趨勢線可以假設(shè)首尾點的坐標(biāo)分別為y1(x1,t1)和y2(x2,t2)可以使用兩點式的直線方程表示：

(y-t1)/(t2-t1)=(x-x1)/(x2-x1)

式中要求x1≠x2，t1≠t2?？梢岳命c到直線的距離公式求出每個初至點距離趨勢線的距離。然后根據(jù)指定的距離閾值判斷每個初至，根據(jù)設(shè)定的閾值進行計算排除(圖10)。

圖10 利用手繪集中區(qū)域初步排除奇異初至值Fig.10 Preliminary exclusion of singular initial values by using hand-painted concentrated regions(a)手工繪制集中區(qū)域趨勢線;(b)旋轉(zhuǎn)至水平方向并標(biāo)記奇異值的初至數(shù)據(jù)

2)將一個有序的初至數(shù)據(jù)集合，看作一個與樁號、炮檢距或者高程等有密切聯(lián)系的一些列離散函數(shù)值。利用相鄰初至差的分散程度實現(xiàn)初至數(shù)據(jù)的再次過濾，這種分散程度使用最常規(guī)的統(tǒng)計計算方法就可以實現(xiàn)。設(shè)一個標(biāo)準(zhǔn)道距為dx(dx>0)，

ti代表第di(i=1,2,3……,n)數(shù)據(jù)道初至?xí)r間值，則相鄰一個標(biāo)準(zhǔn)道距的兩個數(shù)據(jù)道之間的數(shù)值差Δt可以表示為：

Δti=ti+1-ti(i=1,2,3，…,n-1)

(1)

野外排列位置變化很復(fù)雜，炮點及接收點道的分布總是不均勻的?？紤]到初至值的變化與接收點的空間位置密切相關(guān)，在進行奇異值誤差估計時需要盡量考慮排列長度、高程值等關(guān)鍵因素的影響。筆者先不考慮低降速帶的變化，僅從地形考慮，如果空間位置增大，相鄰兩道之間的初至之差也會增大，如果接收道位置增高，相鄰兩道之間的初至之差也會增加。我們需要根據(jù)實際初至統(tǒng)計與排列長度和高程值相關(guān)的一個修正量ki，最簡單的就是排列長度增量kx和高程變化增量kz，用于增大初至差的容錯率。這種初至差轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)道距的修正值可以表示為：

(2)

修正之后的初至差序列為Δtki=kiΔti，然后利用常規(guī)的統(tǒng)計學(xué)求取Δtki數(shù)值序列的平均值Δtka、標(biāo)準(zhǔn)方差Δtks。

對于修正之后的每一個初至差值，其與均值的偏離程度可以用式(3)表示。

dki=|Δtki-Δtka|

(3)

如果一個數(shù)值序列確定，那么Δtka和Δtks將都是定值。我們可以利用Δtka和Δtks設(shè)置奇異值過濾閾值。這個閾值定義為：

Bi=[(dki-CΔtks)>0]

(4)

其中：Bi為奇異值排除閾值；C為給定校正常數(shù)。以求取的dki大于CΔtks為奇異值判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果超過視該初至值為奇異點，對相應(yīng)初至置刪除標(biāo)記。針對具體工區(qū)，C值可以先利用幾炮數(shù)據(jù)手工拾取之后由程序統(tǒng)計確定。奇異值篩選應(yīng)保證所在數(shù)據(jù)集具有一致性，如常用的數(shù)據(jù)集有共炮點數(shù)據(jù)集、共接收點數(shù)據(jù)集和共炮檢距數(shù)據(jù)集(圖11～圖12)。

圖11 共炮點道集上進行排除(黑點標(biāo)記)Fig.11 Marking of common shot gathers(black markers)(a)一個排列初至數(shù)據(jù);(b)多個排列的初至數(shù)據(jù)奇異值篩選

圖12 共接收點和共炮檢距數(shù)據(jù)篩選(黑點標(biāo)記)Fig.12 Result of screening of common receiver points and common offset points datasets(black markers)(a)共接收點初至數(shù)據(jù)篩選結(jié)果;(b)共炮檢距數(shù)據(jù)集篩選結(jié)果

3 應(yīng)用實例及效果

在某三維工區(qū)中進行了六千余炮的初至拾取排除測試，實際人工拾取需要4個人努力花費15 d左右才手工拾取完成。但從拷貝數(shù)據(jù)開始至最終完成閾值篩選，利用此自動剔除方法僅花費1 d的時間。首先在共炮點道集上初至數(shù)據(jù)進行判斷和排除標(biāo)記(圖13～圖14)；其次利用前面的篩選結(jié)果又切換至共接收點初至數(shù)據(jù)集和共炮檢距初至數(shù)據(jù)集中進行類似的計算排除；再次根據(jù)前面篩選排除結(jié)果迭代進行，最終消除了絕大部分奇異值，最大程度的保留有效初至，留下極為少數(shù)的奇異值初至數(shù)據(jù)點(圖15)，最終獲得的初至總數(shù)為4 490×104個，介于手工拾取初至總量和在手工拾取初至總量基礎(chǔ)上隨機減少10%的數(shù)目之間。

圖13 某炮點排除奇異值點之后效果Fig.13 The effect after excluding singular value points of a shot point(a)利用閾值篩選初至顯示;(b)部分排列放大顯示

圖14 某炮點部分排列初至數(shù)據(jù)奇異值排除前后在地震道集上的對比Fig.14 Comparison of seismic traces before and after elimination of singular values of first break data from partial spread of shot points(a)某排列自動拾取初至結(jié)果;(b)奇異值閾值排除之后的結(jié)果

圖15 初至閾值篩選前后疊加對比Fig.15 Overlay comparison of first break before and after threshold screening(a)單個炮點奇異值篩選前后對比;(b)全部炮點奇異值篩選前后對比

圖15是自動拾取結(jié)果和閾值篩選奇異值之后的初至數(shù)據(jù)疊加顯示，從圖15中可以看出，自動拾取后的初至中(草綠色)包含有大量的奇異值點；經(jīng)過閾值方式編輯處理之后的初至(藍色)奇異值點幾乎去得很干凈，其中也可能包含去掉的部分有效初至數(shù)據(jù)。圖16是手工拾取初至和閾值篩選初至后獲得的層析靜校正疊加剖面。通過比較可以看出，兩種剖面在構(gòu)造形態(tài)幾乎沒有差別，靜校正量差異是很微弱的。

圖16 手工拾取初至與和閾值篩選初至層析靜校正量疊加剖面對比Fig.16 Comparison of tomographic static correction stack section between of manual picking and threshold screening first break(a)手工拾取初至后層析靜校正疊加剖面;(b)閾值篩選初至后層析靜校正疊加剖面

最后一步是進度最慢的一步，可以根據(jù)需要安排人手開展工作。將篩選之后的初至數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，進行人工檢查或者后續(xù)的人工拾取操作，刪除做好標(biāo)記的所有初至，輸出最終拾取結(jié)果。當(dāng)然，也可以視情況直接使用編輯之后初至數(shù)據(jù)獲取快速處理項目的靜校正量，用于后續(xù)的精細(xì)初至拾取和精細(xì)處理項目之中。

4 結(jié)束語

在進行初至奇異值自動編輯剔除的過程中，有如下幾點認(rèn)識：

1)利用軟件進行初至奇異值處理，能夠節(jié)約大量的人力勞動，也不容易出現(xiàn)初至奇異值剔除失誤，實現(xiàn)最大程度地改善因奇異值點的影響帶來的靜校正量誤差，明顯提高工作效率。

2)本方法只是一個拋磚引玉的方法，不是初至編輯的萬能法。這種方法對于初至的變化趨勢與地形和低降速層變化呈線性關(guān)系較強的地區(qū)適應(yīng)性較好。因為篩選初至需要一定的誤差控制，所以篩選過程中會出現(xiàn)某些奇異值不能排除，或者將一些有效的初至數(shù)據(jù)給排除掉。需要在實際應(yīng)用中與實際地震數(shù)據(jù)對比，反復(fù)修改，讓篩選參數(shù)更適合實際需要。

3)使用本方法可以減少初至拾取工作量，但無論何種軟件對初至自動拾取不可能達到百分之百準(zhǔn)確，還是需要部分人工干預(yù)。但在對工程項目要求時間緊工作量大的情況下，此法能夠提供較為準(zhǔn)確的快速處理靜校正量，并為下一步人工精細(xì)拾取做好準(zhǔn)備。

4)在保證自動拾取初至效果準(zhǔn)確率很高的情況下，選定的排除擬合函數(shù)不同，初至最終排除效果也會不一致。使用逼近真實初至的擬合函數(shù)和抓住關(guān)鍵影響因素，排除絕大多數(shù)初至奇異值，獲得準(zhǔn)確的初至數(shù)據(jù)和高精度的靜校正量才是最終目的。