梁上林,胡天躍,崔 棟,胡 英,張 研

(1.北京大學地球與空間科學學院,北京100871;2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京100083)

近十年中國油氣勘探逐步轉(zhuǎn)向西部地區(qū)。由于西部地區(qū)地形起伏大,近地表散射噪聲嚴重,采集的地震資料信噪比低,初至難以準確拾取,不能為后續(xù)的靜校正處理提供高質(zhì)量的基礎資料。遠偏移距初至主要是來自地下高速層的折射波,然而往往因為震源激發(fā)能量不足、傳播距離較遠、球面擴散和地層吸收嚴重等原因,導致遠偏移距初至信噪比極低,因而對地震勘探提出了很大的挑戰(zhàn)。

超級虛折射干涉為解決這一問題提供了新思路。地震干涉是一種由光學引入到地震學的方法,該方法利用兩道地震記錄互相關來獲取新的虛擬地震記錄[1-2],DONG等[3]為了加強初至的能量,將傳統(tǒng)的干涉法應用于初至拾取。然而傳統(tǒng)的干涉法主要存在兩個問題:第一,不能獲取遠偏移距初至,因為遠偏移距初至來自地下折射波,重構后的虛波場代表地下某點激發(fā)某點接收的波場,并非實際檢波點的位置;第二,互相關縮短了射線路徑,減少了地震波的旅行時,因此會自動減小地震勘探孔徑[3-5]。為解決以上問題,MALLINSON等[6]提出了褶積型超級虛折射干涉,在原虛折射干涉基礎上,將虛折射與原始初至進行褶積處理,可有效恢復遠偏移距初至,擴大虛折射干涉的勘探孔徑。喬寶平等[7]提出了逆虛折射干涉法,在原虛折射干涉的基礎上,將虛折射與原始初至進行互相關處理,可進一步提高近偏移距虛折射的信噪比,該方法的本質(zhì)是互相關型超級虛折射干涉。為解決超級虛折射干涉過程中產(chǎn)生的旁瓣問題,安圣培等[8]應用子波整形進行壓制。為壓制低信噪比資料中局部存在的強噪聲以提高近道信噪比,呂雪梅等[9]提出了相似度加權超級虛干涉法,陳國金等[10]提出振幅規(guī)則化和求和虛源道集構建方法。宋龍龍[11]提出了基于相鄰虛擬道疊加的超級虛折射干涉法用于增強深海海底地震(OBS)數(shù)據(jù)的初至。在此基礎上,超級虛折射干涉方法被應用于二維、三維實際地震資料處理中,取得了一定的效果[12-16]。

針對傳統(tǒng)超級虛折射干涉過程中產(chǎn)生的子波旁瓣及疊加次數(shù)不均勻的問題,本文以加強弱初至信號為目的,將互相關型、褶積型和反褶積型三種干涉技術結合起來,提出炮檢域聯(lián)合疊加,并用模型數(shù)據(jù)和實際資料分別對本文方法進行驗證。

1 方法原理

1.1 虛折射干涉

在三維聲波非均勻各向同性介質(zhì)中,WAPENAAR[17]給出了遠場近似條件下地震干涉積分表達式:

(1)

圖1 虛折射干涉示意

1.2 互相關型超級虛折射干涉

為解決虛折射干涉不能準確重構遠偏移距折射波初至的問題,MALLINSON等[6]對虛折射干涉進行了改進:

G*(B,S,ω)dR

(2)

圖2 互相關型超級虛折射干涉示意

1.3 褶積型超級虛折射干涉

為解決折射波在近偏移距能量低信噪比低的問題,對虛折射干涉進行了改進[6]:

(3)

1.4 混合型超級虛折射干涉

互相關型超級虛折射使傳播路徑變短,導致遠偏移距重構折射波疊加次數(shù)減少,遠道疊加能量不足,而褶積型超級虛折射使傳播路徑變長,導致近偏移距重構折射波疊加次數(shù)減少,近道疊加能量不足。為解決以上兩種方法重構虛折射波疊加次數(shù)不一致的問題,將互相關型和褶積型超級虛折射干涉求和,形成混合型超級虛折射干涉:

圖3 褶積型超級虛折射干涉示意

G(A,S,ω)svh=G(A,S,ω)svx+G(A,S,ω)svc

(4)

式中:G(A,S,ω)svh表示重構的震源S激發(fā),檢波器A接收到的混合型超級虛折射;G(A,S,ω)svc表示重構的震源S激發(fā),檢波器A接收到的褶積型超級虛折射。

1.5 反褶積型超級虛折射干涉

地震子波的頻帶寬度有限,所以無論是褶積還是互相關處理都會導致旁瓣效應,使地震子波波形變胖,降低重構虛折射的分辨率。為提高重構折射波初至的分辨率,BHARADWAJ等[21]給出了反褶積型超級折射干涉:

(5)

式中:G(A,S,ω)svd表示反褶積超級虛折射干涉波場;P(S,ω)表示震源子波的功率譜。在實際處理中往往應用如下公式:

(6)

式中:α表示白噪系數(shù),引入白噪系數(shù)是為了提高反褶積的穩(wěn)定性。反褶積可消除震源函數(shù)的影響,壓制互相關或褶積過程中變胖的震源子波,提高重構折射波的分辨率。同時,由于多次疊加求和,重構的遠偏移距折射波攜帶了近道的高頻信息,重構的近偏移距折射波攜帶了遠道的低頻信息,因此一定程度上可彌補低頻和高頻能量的損失,改善重構虛折射波的穩(wěn)定性和分辨率。

2 技術流程

本文基于超級虛折射干涉,為在初至拾取過程中加強弱初至信號,提高資料信噪比,設計了如圖4所示的詳細技術流程。該流程具體分為9步。①加窗處理,獲取包含初至波的地震資料,為后續(xù)的超級虛折射干涉提供數(shù)據(jù)準備。加窗可有效避免全波場參與運算,降低計算量并減少虛假同相軸的產(chǎn)生。時窗截取原則以包含初至1～2個波長為宜。②互相關處理,選取某炮,將檢波器A點的波場和檢波器B點波場做互相關處理,消去折射波公共傳播路徑。③炮域疊加求和,將每炮互相關處理結果進行疊加求和,增強虛折射的能量,提高信噪比,獲得檢波器A點和檢波器B點之間的虛折射波。④互相關處理,選取震源S,將檢波器B點的波場和檢波器A點與檢波器B點之間的虛折射波做互相關處理,消去折射波與虛折射公共傳播路徑。⑤檢波點域疊加求和,將每道互相關處理結果疊加求和以增加虛折射能量,形成互相關型超級虛折射波。⑥褶積處理,選取震源S,將檢波器A點的波場和檢波器A點與檢波器B點之間的虛折射波做褶積處理,增加折射波的傳播路徑。⑦檢波點域疊加求和,將每道褶積處理結果疊加求和以增加虛折射能量,形成褶積型超級虛折射波。⑧疊加處理,將互相關型超級虛折射波與褶積型超級虛折射波疊加求和,得到混合型超級虛折射波。⑨反褶積處理,提取地震資料中的子波,對混合型超級虛折射波做反褶積處理,以提高超級虛折射波的分辨率。最后輸出具有較強能量的初至信號。其中步驟②至步驟③對應公式(1)表示的虛折射干涉;步驟④至步驟⑤步對應公式(2)表示的互相關型超級虛折射干涉;步驟⑥至步驟⑦對應公式(3)表示的褶積型超級虛折射干涉;步驟⑧對應公式(4)表示的混合型超級虛折射干涉處理;步驟⑨對應公式(5)表示的反褶積型超級虛折射干涉。

圖4 基于超級虛折射干涉低信噪比初至信號加強技術流程

3 模型資料試算

為驗證本文方法的有效性,建立如圖5a所示模型。地表起伏,最大高程差120m,地表低速層速度為1500m/s,深度為500m,高速層速度為3500m/s,記錄長度為3.62s,采樣間隔1ms,地震子波為雷克子波,主頻為20Hz,激發(fā)炮數(shù)50,炮間距25m,接收道數(shù)50,道間距50m,最小炮檢距3800m,最大炮檢距7450m。利用聲波方程進行正演模擬,得到如圖5b 所示遠道單炮記錄,其中包括遠道折射波、直達波、反射波和一階多次波。

為有效重構遠道虛折射波波場,通過時窗截取出折射波,再利用圖4的技術流程進行處理,可得到如圖6 所示的4種超級虛折射結果。圖6a和圖6b分別給出了互相關型和褶積型超級虛折射干涉結果,可以看到互相關型超級虛折射干涉導致遠偏移距重構虛折射波疊加次數(shù)減少,遠道疊加能量不足,而褶積型超級虛折射干涉導致近偏移距重構折射波疊加次數(shù)減少,近道疊加能量不足。為彌補疊加道數(shù)不一致的缺點,應用混合型超級虛折射干涉對其處理,得到如圖6c所示的結果。由圖6c可見,各道能量分布合理,保證了不同偏移距下折射波振幅的一致性,彌補了互相關型和褶積型超級虛折射干涉的不足。為壓制互相關和褶積過程中產(chǎn)生的子波旁瓣,提高重構超級虛折射波的分辨率,對圖6c的混合型超級虛折射波進行反褶積處理得到圖6d 所示的結果。圖7給出了反褶積處理前、后的波形歸一化放大結果,可知子波旁瓣在反褶積處理后得到有效壓制,旁瓣能量向主峰集中,初至的分辨率得到提高。

為檢驗本文方法的抗噪性,在正演模擬波場中加入高斯隨機噪聲,此時含噪聲資料信噪比為-18.4,如圖8a所示,隨機噪聲嚴重,地震資料信噪比低,初至難以準確拾取。在混合型超級虛折射干涉的基礎上,提取地震子波求取功率譜,為提高高低頻的穩(wěn)定性加入一定白噪聲,對重構的遠道折射波進行反褶積處理,可以得到圖8b所示結果。可知遠道初至由于同相疊加,能量在炮檢域聯(lián)合疊加過程中得到加強,而隨機噪聲不能同相疊加,能量在炮檢域聯(lián)合疊加過程中逐漸削弱,得到進一步壓制,反褶積后地震資料信噪比提高到4.6。模型數(shù)據(jù)表明,在遠道信噪比極低的情況下,本文方法能有效壓制隨機噪聲,加強初至信號,處理結果有利于拾取低信噪比初至。

圖5 水平層狀模型(a)和正演波場(b)

圖6 4種超級虛折射結果a 互相關型; b 褶積型; c 混合型; d 反褶積型

圖7 反褶積前和反褶積后波形

圖8 噪聲數(shù)據(jù)(a)和反褶積結果(b)

4 實際資料應用

為測試本文方法的實際應用能力,選取中國西部某山區(qū)實際地震資料的一條測線進行試驗性處理。如圖9a所示,紅色星號表示激發(fā)震源,藍色實線表示接收線,高程差460m,地勢起伏。該測線有效炮數(shù)為29炮,每炮820道接收,采樣間隔1ms,采樣長度6s。如圖9b所示,選取遠偏移距數(shù)據(jù)60道,該資料初至信號極弱,信噪比低,初至同相軸的連續(xù)性差,難以準確拾取。

圖9 實際資料處理結果a 測線高程; b 遠道資料; c 混合型; d 反褶積型

為避免一次反射波參與超級虛折射干涉處理,形成虛假同相軸,影響重構波場的質(zhì)量,首先對資料進行加窗處理,截取包含遠道初至的信號;然后在炮域疊加,利用虛折射干涉方法,得到虛折射干涉波場,此時炮域疊加29次,重構波場的信噪比得到提升;接著在檢波點域疊加,分別利用互相關型超級虛折射干涉和褶積型超級虛折射干涉得到混合型超級虛折射波場,此時重構的虛折射波場每道又疊加60次;最后利用原始地震道集的自相關估算出震源子波及其頻譜,將混合型超級虛折射波場進行反褶積處理,以提高虛折射波初至的分辨率。如圖9c所示,混合型超級虛折射處理后初至由于炮檢域穩(wěn)相疊加,共疊加89次,能量明顯增強,資料的信噪比提高,折射波遠道初至得到很好的恢復。但由于互相關和褶積的作用,重構虛折射波有旁瓣效應產(chǎn)生,分辨率降低,高頻和低頻部分有一定損失。圖9d顯示了對混合型超級虛折射波進行反褶積處理的結果,此時初至的分辨率明顯提高,遠道初至能量得到均衡,子波旁瓣得到有效壓制,高頻和低頻能量得到一定補償,有利于準確拾取低信噪比初至。

為進一步分析重構超級虛折射波頻譜的變化,分別選取不同偏移距資料對比分析。圖10給出了第1道和第56道處理前、后歸一化的頻譜變化情況。第1道處理前、后頻譜有一定變化,由于重構超級虛折射波存在遠偏移距波場的疊加,因此疊加后攜帶了遠偏移距波場的低頻信息,使頻譜曲線更加光滑,毛刺減少,主頻能量更加集中。由于傳播距離變長,第56道接收到的波場高頻衰減嚴重,主頻降低。采用本文方法處理時,重構超級虛折射波存在近偏移距波場的疊加,因此疊加后攜帶了近偏移距波場的高頻信息,使遠道地震信號的主頻提高,恢復了遠道初至的高頻部分,進一步提升了遠道初至的分辨率。

圖10 頻譜分析a 第1道處理前; b 第1道處理后; c 第56道處理前; d 第56道處理后

5 結論與認識

針對西部山區(qū)地震資料信噪比低、能量弱且不均勻、初至難以拾取的問題,本文利用超級虛折射干涉的技術優(yōu)勢,提出炮檢域聯(lián)合疊加的方式,增加重構折射波場的疊加次數(shù),有效壓制隨機噪聲,提高資料的信噪比。同時將互相關、褶積和反褶積方法結合起來,形成一套實用的處理技術流程,不僅解決了傳統(tǒng)超級虛折射干涉方法疊加次數(shù)不同導致虛折射波振幅不一致的問題,而且解決了子波旁瓣問題,一定程度上彌補了高頻和低頻的能量損失,提高了資料的分辨率。模型數(shù)據(jù)和實際資料的應用表明,本文方法可有效增加疊加次數(shù),加強遠道低能量初至,提高資料的信噪比,為靜校正等后續(xù)處理提供了高質(zhì)量的基礎數(shù)據(jù)。

本文方法的第一步需要進行時窗截取,若時窗截取過大,在波場重構過程中可能會引入虛假同相軸,若時窗截取過小,可能不包含初至信息,因此,時窗過大或過小都會影響重構質(zhì)量,截取的時窗大小以包含初至1～2個波長為宜。同時,模型假設加入的是高斯隨機噪聲,然而實際資料往往不滿足這樣的條件,因此下一步將研究強能量的線性噪聲存在時如何有效加強低能量初至,壓制線性噪聲。