匹配濾波技術在煤田井震聯(lián)合勘探中的應用

解潔清， 王驍睿

(1.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750； 2.長慶油田隴東頁巖油開發(fā)項目部，甘肅慶陽 745100)

0 引言

多年來煤田地震勘探主要以炸藥作為激發(fā)震源，但在一些地形高差較小、地表覆蓋主要為耕地、濕地、林地及半沙漠等地表覆蓋層厚度變化較大，施工時存在炮孔成孔塌陷、最佳激發(fā)層位難把握、危爆物品管控等難題的區(qū)域，可控震源施工可以解決工作難度大、成本高、激發(fā)層位不到位等問題。因此，井震聯(lián)合施工方法越來越多應用于煤田勘探中[1-2]，然而兩種不同激發(fā)方式獲得的地震子波必然存在一定差異,這種差異使得兩種施工方式的資料拼接處反射波同相疊加成像效果差[3],出現(xiàn)假構造現(xiàn)象，降低了資料解釋精度[4]。如何消除這些差異成為井震聯(lián)合施工方式下地震資料處理的關鍵所在。在油田勘探資料處理中匹配濾波技術已經(jīng)有所嘗試并取得一定成果，隨著井震聯(lián)合施工方式在煤田勘探中的推廣應用，在此類資料處理中如何應用匹配濾波方法解決波形差異問題具有較大研究意義[5-6]。

1 匹配濾波方法原理

地震子波在向地下傳播時，受各種因素(巖性、低降速帶、激發(fā)、接收條件的不同等)影響，隨著傳播距離的增加而變化，導致記錄的振幅、相位、頻率、波形等特征差異很大。本次研究基于井震聯(lián)合勘探獲取的原始地震資料，應用匹配濾波方法消除資料間特征差異。

匹配濾波技術是利用重復地震道(可稱為基礎道和目標道)來求取濾波算子，然后對基礎道進行匹配濾波，使其最大限度接近目標道[7]，再利用其相關時差、頻率校正辦法來消除子波差異[8-9]。

不同震源激發(fā)得到的兩組記錄x(t)和y(t)往往存在振幅、頻率、相位上的差異,為了消除這些差異,我們將y(t)作為目標記錄,設計一個整形濾波器算子m(t)[10],并使設計的濾波器作用于其中的另一組基礎記錄x(t),對x(t)進行改造,得到實際的濾波輸出xm(t),用方程表示如下：

xm(t)=x(t)*m(t)

(1)

它與期望輸出,即目標道y(t)有一定誤差：

e(t)=y(t)-xm(t)=t(t)-x(t)*m(t)

(2)

誤差參量：

(3)

為了求取合適的濾波算子m(t),采用最小平方法,將Q對濾波算子m(t)求偏導數(shù),化簡,并令其為0,得到求解整形濾波算子的托普里茲矩陣方程：

Rxx·M=Ryx

(4)

式中：Rxx為x(t)的自相關矩陣；M為整形濾波算子向量；Ryx為y(t)與x(t)的互相關向量。

求解矩陣方程(4),可得到整形濾波算子m(t)，將m(t)與輸入信號x(t)褶積,即可得到最佳輸出。該最佳輸出值即為最終應用的濾波算子。

2 方法應用過程

2.1 子波選取和算子求取

為求取比較精準的濾波算子，選擇同一地點，采用不同震源重復激發(fā)或不同時間激發(fā)取得的多張對比記錄，對比記錄采集要求最佳采集環(huán)境和施工因素，在記錄上要選取信噪比高、波形穩(wěn)定、有效波突出、可對比性強的記錄道[11]。記錄時窗內(nèi)至少要包括兩個以上的反射波組，由于記錄中干擾波的存在，時窗不宜選擇過長。通過選擇不同道、不同時窗記錄求得較準確的匹配濾波算子用于實際處理。

實際處理過程中可以選取可控震源子波(vibroseis)和炸藥震源子波(explosive)一段層位時窗內(nèi)反射波作為各自子波，或選取其自相關作為各自子波[12]，如圖1、圖2所示。

圖1 選取反射波Figure 1 Reflection wave selection

圖2 反射波自相關計算子波Figure 2 Reflection wave autocorrelation computed wavelet

2.2 子波匹配

在求得較合適的濾波算子后，再應用濾波器進行匹配濾波處理，例如使可控震源子波匹配到炸藥震源子波(圖3)[13-14]。

圖3 可控震源到炸藥震源的子波匹配Figure 3 Wavelets matching from vibroseis to explosive source

3 應用實例

在采用井炮與可控震源聯(lián)合施工的新疆某區(qū)來進行可控震源數(shù)據(jù)到井炮數(shù)據(jù)的匹配濾波方法實際運用。應用過程中需通過多方面的分析手段質控匹配效果，進而確定不同區(qū)塊的匹配方向[15]，同時不斷優(yōu)化濾波算子。

3.1 疊加剖面拼接分析

將該區(qū)內(nèi)井炮數(shù)據(jù)與震源數(shù)據(jù)匹配前后的疊加剖面拼接(圖4、圖5)，圖中藍線位置即疊加剖面拼接處[16]。通過拼接顯示可以看出，匹配濾波后數(shù)據(jù)相比匹配前數(shù)據(jù)頻率更加一致。

圖4 匹配濾波應用前疊加剖面拼接顯示Figure 4 Stacked sections splice display before matched filtering applied

圖5 匹配濾波后疊加剖面拼接顯示Figure 5 Stacked sections splice display after matched filtering applied

進一步將井炮數(shù)據(jù)、震源數(shù)據(jù)和匹配濾波后輸出數(shù)據(jù)一起做頻譜分析如圖6所示，圖中藍色線是匹配后數(shù)據(jù)頻譜、紅色線是井炮數(shù)據(jù)頻譜、綠色線是震源數(shù)據(jù)頻譜，通過對比可以看出，匹配后數(shù)據(jù)頻譜介于匹配前兩者之間，這種效果比較理想。

圖6 匹配濾波前后的剖面頻譜分析Figure 6 Section spectrum analysis before and after matched filtering

3.2 疊加剖面鑲嵌分析

圖7中藍線位置即拼接處。通過鑲嵌顯示，可以看出匹配濾波后兩種激發(fā)方式的疊加剖面反射波同相性增強，頻率更加一致(圖8)[17]。

圖7 匹配濾波前疊加剖面鑲嵌顯示Figure 7 Stacked sections mosaic display before matched filtering applied

3.3 數(shù)據(jù)體自相關分析

對應用匹配濾波前后數(shù)據(jù)進行自相關分析，可以看出匹配濾波后數(shù)據(jù)頻率降低了，波形一致性更好(圖9)[18]。進一步進行特征函數(shù)曲線對比(圖10)，通過對比清晰顯示匹配濾波后頻帶向低頻域拓寬。地震數(shù)據(jù)的低頻信號在地震勘探中有重要意義,低頻信號能夠提高資料的分辨率與成像精度、為后續(xù)的全波形反演、疊前反演及精細解釋工作提供包含豐富低頻信號的數(shù)據(jù)體。

a.匹配濾波前 b.匹配濾波后圖9 匹配濾波前后數(shù)據(jù)自相關對比Figure 9 Comparison of data autocorrelations before and after matched filtering applied

a.匹配濾波前 b.匹配濾波后圖10 匹配濾波前后特征函數(shù)曲線對比Figure 10 Comparison of characteristic function curves before and after matched filtering applied

3.4 單道互相關函數(shù)分析

將匹配濾波前后數(shù)據(jù)做單道互相關處理分析，圖11為分析對比效果展示，很明顯匹配濾波后數(shù)據(jù)互相關一致性更好，相似性更高一些(零線基本沒時移)。

圖11 匹配濾波前后單道互相關函數(shù)對比Figure 11 Comparison of single channel crosscorrelation function curves before and after matched filtering applied

4 結論

匹配濾波技術從疊前地震記錄入手，求取濾波算子，將濾波算子作用于一組數(shù)據(jù)，完成對不同震源類型數(shù)據(jù)的子波整形處理，實現(xiàn)了波形差異的全面校正，從實際工區(qū)應用的多種分析效果來看，在井震聯(lián)合勘探的地震資料處理中，該方法能夠使地震數(shù)據(jù)在能量、相位、時差、頻率等方面一致性大大提高，從而更好地實現(xiàn)同相疊加，提高煤層成像質量，方案可行，效果明顯。