陳超群,田媛媛,高 秦,王智茹,惠智雄,羅文山

(1.中國石油集團(tuán)東方地球物理責(zé)任有限公司研究院長慶分院,陜西西安710021;2.中國石油集團(tuán)東方地球物理責(zé)任有限公司研究院,河北涿州072751)

鄂爾多斯盆地南部黃土塬區(qū)地表被巨厚第四紀(jì)的黃土覆蓋,常年經(jīng)雨水沖刷,地表溝壑縱橫、峁梁交錯,地形極其復(fù)雜,地表高程在900～1800m變化,溝塬高差幾十米甚至上百米,潛水面及低降速帶變化較大[1]。隨著地震采集技術(shù)的發(fā)展,2000年以來加大了黃土直測線、寬線、溝塬連接線和非縱測線的采集工作。由于受近地表巨厚黃土層及其它外源干擾的影響,采集的黃土直測線資料小炮檢距能量極強(qiáng),強(qiáng)面波、強(qiáng)折射波、多次反射-折射波、側(cè)面波和次生干擾等噪聲很發(fā)育,嚴(yán)重降低了地震資料的信噪比。特別是小炮檢距強(qiáng)能量噪聲和淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲,是黃土塬區(qū)資料中最常見、最發(fā)育的噪聲類型,完全掩蓋了有效信號,對后續(xù)子波一致性處理和疊加剖面的整體成像影響較大,加之巨厚黃土層對地震波的強(qiáng)烈吸收衰減作用,使該區(qū)地震資料總體呈現(xiàn)低頻、低信噪比的特點,砂體識別困難,巖性圈閉無法落實[2]。

目前,強(qiáng)能量噪聲的壓制方法比較成熟,蔡希玲[3]利用分頻自適應(yīng)法壓制聲波和強(qiáng)能量干擾;王世青等[4]利用地震異常振幅自適應(yīng)衰減法壓制由于磁帶掉磁粉導(dǎo)致的異常振幅;蔣立等[5]利用小波分頻自適應(yīng)檢測法壓制聲波、猝發(fā)脈沖、野值、串狀干擾強(qiáng)能量;王在民等[6]利用時頻域自動識別技術(shù)壓制高頻噪聲;王君等[7]利用地表一致性約束下異常振幅衰減技術(shù)對不滿足地表一致性的異常振幅進(jìn)行衰減;牛華偉等[8]、潘軍等[9]利用分頻振幅衰減法壓制海洋地震資料中的涌浪、地震船干擾等強(qiáng)能量噪聲。這些方法基本都基于分頻和振幅統(tǒng)計的思想,在壓制強(qiáng)能量異常道和隨機(jī)異常噪聲方面效果較好,但在黃土塬區(qū)范圍較大的小炮檢距強(qiáng)能量噪聲的壓制中仍存在以下問題:①信噪分離能力不足;②分離的噪聲中存在有效信息;③存在邊界效應(yīng),去噪后能量分布不均勻等。規(guī)則相干噪聲最常用的去噪方法有F-K濾波、噪聲減去法、τ-p變換法、均衡干擾能量法等[10-14]。這些方法主要通過噪聲的主頻和速度特征來模擬噪聲的形態(tài)特征并對其進(jìn)行壓制,這對于非線性的小炮檢距強(qiáng)能量噪聲是不適應(yīng)的,巨厚黃土塬區(qū)淺層強(qiáng)折射噪聲雖然具有規(guī)則的線性形態(tài),但其具有的頻寬和頻散特點也導(dǎo)致了采用規(guī)則相干噪聲壓制方法去除一組線性噪聲后,另一組噪聲又會顯現(xiàn)出來,而且殘留的線性噪聲嚴(yán)重影響了疊加成像效果。

針對上述情況,我們分析了黃土塬區(qū)噪聲特點,結(jié)合黃土塬區(qū)地下反射層平緩,在同一時間層位上有效信號的能量級別差異有限的特點,采用隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法,將小炮檢距強(qiáng)能量噪聲和淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲轉(zhuǎn)變成隨機(jī)強(qiáng)能量噪聲的形式,再利用分頻異常振幅衰減法進(jìn)行有效壓制。最后利用鄂爾多斯盆地西南部隴東地區(qū)典型巨厚黃土塬區(qū)的實際地震數(shù)據(jù)對本文方法進(jìn)行了測試。

1 巨厚黃土塬區(qū)噪聲特點

黃土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散,彈性差,傳播速度低,地震激發(fā)過程中大部分震源能量被消耗在激發(fā)點附近的黃土層中,在小炮檢距三角區(qū)形成強(qiáng)能量,并且發(fā)育面波、淺層寬頻強(qiáng)折射波、多次反射-折射波、側(cè)面波等噪聲。采集過程中,因受外界干擾源(如車輛行駛、大風(fēng)、高壓電線等)的影響,大炮檢距處存在隨機(jī)噪聲和固定頻率噪聲等,采集的地震資料具有噪聲類型多、受噪聲干擾嚴(yán)重、有效信號被湮沒、低頻低信噪比的特點(圖1)。

小炮檢距強(qiáng)能量噪聲是黃土塬區(qū)特有的噪聲類型之一,主要是由于震源能量在小炮檢距黃土層內(nèi)快速消耗而產(chǎn)生,黃土層越厚,小炮檢距附近噪聲能量越強(qiáng)。圖2展示了黃土塬區(qū)3個原始單炮記錄,可以看出,小炮檢距強(qiáng)能量噪聲的分布約占整個單炮排列的1/5,并且隨黃土厚度的增加而逐漸增強(qiáng),影響范圍越來越大。由圖3a可知,小炮檢距強(qiáng)能量噪聲f-k譜較雜亂,頻譜寬,無線性規(guī)律,由圖3b和圖3c可知,黃土最薄處的一個單炮記錄中小炮檢距振幅與大炮檢距振幅差異在100倍左右,振幅差異較大。由于小炮檢距強(qiáng)能量噪聲影響的炮檢距范圍較大,純波疊加剖面上有效信息被湮沒在強(qiáng)能量噪聲之下,能量分布極不均勻,信噪比極低。

圖1 黃土塬區(qū)典型的單炮記錄

圖2 黃土塬區(qū)的3個原始單炮記錄

對于強(qiáng)能量噪聲,常采用分頻異常振幅衰減方法進(jìn)行壓制,去噪效果取決于統(tǒng)計時窗和門檻值參數(shù)的選取,而黃土塬區(qū)小炮檢距強(qiáng)能量噪聲分布范圍大的特點常造成某些時窗內(nèi)統(tǒng)計的能量級別很相近,常用的炮域、檢波點域、炮檢域及十字排列域分選均難以壓制噪聲或壓制效果較差,并且去噪后常出現(xiàn)去噪邊界或局部能量分布不均勻的現(xiàn)象(圖4)。

黃土塬區(qū)另一種特有噪聲類型為淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲,主要是由地震波在厚黃土層與高速層直接接觸的強(qiáng)阻抗界面?zhèn)鞑r產(chǎn)生多次折射而產(chǎn)生,由于發(fā)育的位置淺、震源能量強(qiáng),在單炮記錄上表現(xiàn)為一組能量強(qiáng)、頻譜寬、速度相近的線性特征(圖5a),在純波疊加剖面上具有局部能量異常、形狀規(guī)則、棋盤狀交叉切割淺層有效反射軸的特點,導(dǎo)致疊加剖面反射軸呈蚯蚓狀,連續(xù)性較差,信噪比較低(圖5b)。

淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲常被當(dāng)作規(guī)則線性噪聲來處理,根據(jù)其與有效信號在主頻及速度方面的差異,選取合適參數(shù)進(jìn)行壓制,但由于其頻譜較寬,部分噪聲主頻與有效信號重疊,常存在去噪不徹底的現(xiàn)象,如果對多個主頻進(jìn)行多次線性去噪處理,則對有效信號損傷太大,空間假頻現(xiàn)象嚴(yán)重(圖6)。

圖3 黃土塬區(qū)原始單炮噪聲f-k譜及頻譜a 小炮檢距強(qiáng)能量噪聲f-k譜(圖2中紅框處); b 小炮檢距強(qiáng)能量噪聲頻譜(圖2中紅框處); c 有效反射軸頻譜(圖2中藍(lán)框處)

圖4 分頻異常振幅衰減法壓制小炮檢距強(qiáng)能量噪聲前(a)、后(b)的單炮記錄

圖5 黃土塬區(qū)淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲壓制前單炮記錄(a)和純波顯示的疊加剖面(b)

通過以上分析可知,處理巨厚黃土塬區(qū)地震資料時,常用的去噪方法均受到多方面因素的限制,需要根據(jù)巨厚黃土塬區(qū)地震資料噪聲發(fā)育的特點探索一種合適的去噪方法。

圖6 相干噪聲壓制方法壓制淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲前(a)、后(b)的單炮記錄

2 基于隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的分頻異常振幅衰減技術(shù)與實現(xiàn)過程

2.1 方法簡介

隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)方法首先利用產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)函數(shù)(公式(1))將地震數(shù)據(jù)道序打亂,將小炮檢距強(qiáng)能量噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)異常能量噪聲的形式,然后將地震數(shù)據(jù)按照炮集域、檢波點域或炮檢域與隨機(jī)道序的組合進(jìn)行排序。如圖7所示,圖7a為正常的單炮記錄,圖7b為重構(gòu)后的單炮記錄(橫坐標(biāo)為采用公式(1)生成的道序號),由此可以看出,地震數(shù)據(jù)重構(gòu)后單炮記錄上的異常振幅具有隨機(jī)性,為分頻異常振幅壓制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

式中:x為產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列;μ、σ為兩個不確定常量,是正態(tài)分布的參數(shù),不同的μ、σ對應(yīng)不同的正態(tài)分布。

分頻異常振幅衰減法基于“多道識別、單道去噪”的思想,通過在不同的頻帶內(nèi)檢測地震采樣點的振幅強(qiáng)度來自動識別地震記錄中的強(qiáng)能量干擾,確定噪聲出現(xiàn)的空間位置。樣點振幅強(qiáng)度估算方法中最常用的方法是平均絕對振幅估算法,該方法精度高、計算速度快,其算法公式為:

式中:Pi為第i個時窗內(nèi)地震道的平均絕對振幅值;t為時窗的起始時間;N為時窗內(nèi)采樣點個數(shù);j為以起始時間為t,終止時間為t+N時窗段內(nèi)的采樣點號;a(j)為j點處的振幅。

如圖8所示,對不同頻帶范圍內(nèi)各道振幅值進(jìn)行分析。首先求取每個原始地震道(未進(jìn)行動校正)(圖8a)的振幅絕對值,得到一個振幅絕對值地震道(圖8b),將此地震道劃分為多個時窗,然后利用公式(2)分別求取每個時窗內(nèi)的平均絕對振幅值,得到一個由平均絕對振幅值表示的地震道(圖8c),在此基礎(chǔ)上,計算出相鄰N道在同一時窗長度內(nèi)任一給定時刻數(shù)據(jù)樣點的平均絕對振幅值。

分頻異常振幅衰減是根據(jù)地震資料實際情況,使分頻帶內(nèi)的信號與噪聲在能量分布上有所差異,然后在每個頻段范圍內(nèi)分別求取衰減因子[15]。衰減因子求取的數(shù)學(xué)模型為:

圖7 地震數(shù)據(jù)重構(gòu)前、后單炮記錄a 正常道排序單炮記錄; b 隨機(jī)函數(shù)重構(gòu)后單炮記錄

圖8 平均絕對振幅估算基本原理a 原始地震道; b 振幅絕對值; c 求取時窗內(nèi)平均絕對振幅; d 振幅中值

式中:c(i)是噪聲衰減因子;f(x)為一單調(diào)遞增的函數(shù);s(ti)為單個地震道在ti時刻的平均絕對振幅;m(i)是相鄰多道在ti時刻的振幅中值(圖8d);A為設(shè)定的門檻值。從公式(3)可以看出,當(dāng)s(ti)與m(i)之差的絕對值小于A時,c(i)為1,即不衰減;當(dāng)s(ti)與m(i)之差的絕對值大于A時,表示有異常能量噪聲,c(i)將不等于1(由公式(3)求得),二者差值越大,說明衰減越厲害。得到衰減因子后,可以對實際地震資料進(jìn)行異常能量衰減處理。

2.2 具體實現(xiàn)過程

為了準(zhǔn)確識別地震記錄中存在的強(qiáng)能量噪聲,確定噪聲的空間位置,輸入數(shù)據(jù)應(yīng)為靜校正后未應(yīng)用地表一致性振幅補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù),該方法技術(shù)流程如圖9所示,具體實現(xiàn)過程如下。

1) 修改道頭:輸入疊前炮集數(shù)據(jù),利用產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)列修改地震道頭iuse1;

2) 地震數(shù)據(jù)重構(gòu):將地震數(shù)據(jù)按第一關(guān)鍵字炮號、接收點號、共炮檢距或共中心點號,第二關(guān)鍵字為修改后的地震隨機(jī)道頭iuse1進(jìn)行分選,道集旗標(biāo)保持與第一關(guān)鍵字相同;

3) 求取絕對振幅值并平滑:計算每個地震道中每個樣點的絕對振幅值,并做平滑濾波處理;

4) 確定去噪門檻參數(shù):計算一定時窗內(nèi)各個地震道的平均絕對振幅和每個樣點的參考振幅值,設(shè)定去噪門檻參數(shù);

5) 判定異常振幅:當(dāng)某一地震道的某一采樣點絕對振幅值大于參考振幅值時進(jìn)行壓制,反之不做任何處理;

6) 求取壓制系數(shù):根據(jù)平均絕對振幅值乘以衰減系數(shù)除以本道平滑后的絕對值振幅來求取每道的壓制系數(shù),并做平滑處理;

7) 多時窗滑動壓制處理:對原始輸入數(shù)據(jù)做加權(quán)處理,每道乘以各自的壓制系數(shù)道,處理時將待處理數(shù)據(jù)分成多個窗口,每次只處理一個窗口,處理完當(dāng)前窗口后自動滑動到下一窗口繼續(xù)處理,直到本道集數(shù)據(jù)全部完成;

8) 地震數(shù)據(jù)反重構(gòu):重置地震道頭,將數(shù)據(jù)還原成正常排列的單炮地震記錄,第一關(guān)鍵字為炮號,第二關(guān)鍵字為道號。

圖9 基于隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的分頻異常振幅衰減技術(shù)流程

3 應(yīng)用效果

鄂爾多斯盆地西南部隴東地區(qū)是典型的巨厚黃土塬區(qū),黃土厚度為50～300m,原始單炮記錄噪聲發(fā)育,疊加剖面整體信噪比較低,有效儲層預(yù)測難度大。圖10a為該區(qū)典型單炮記錄,炮點黃土層厚約289m,小炮檢距異常強(qiáng)能量噪聲發(fā)育,能量分布不均勻,有效反射同相軸無法識別。圖10b為炮域基于隨機(jī)函數(shù)重構(gòu)后數(shù)據(jù),可見,重構(gòu)后小炮檢距異常強(qiáng)能量噪聲隨機(jī)分布。在此數(shù)據(jù)上進(jìn)行分頻異常振幅壓制,結(jié)果如圖10c所示。圖10d為隨機(jī)道序重排后利用分頻異常振幅衰減法在炮域-隨機(jī)域?qū)π∨跈z距異常強(qiáng)能量噪聲壓制后的單炮記錄。由圖10中可以看出,小炮檢距強(qiáng)能量噪聲明顯得到了壓制,能量分布更均勻且符合小炮檢距至大炮檢距、淺層至深層能量由強(qiáng)變?nèi)醯奶卣?振幅一致性得到了提高。圖11為小炮檢距強(qiáng)能量噪聲壓制前、后純波疊加剖面及噪聲剖面。由圖11a可知,受小炮檢距強(qiáng)能量噪聲的影響,純波疊加剖面上小炮檢距參與疊加的部分幾乎都被強(qiáng)能量噪聲所覆蓋,局部出現(xiàn)深淺層有效反射被湮滅在強(qiáng)噪聲之中的現(xiàn)象;由圖11b可知,去噪后純波疊加剖面上波組特征清晰,反射同相軸明顯,信噪比明顯得到提高,并且噪聲疊加純波剖面無明顯有效反射軸(圖11c),去噪適度,保真保幅性好,為后續(xù)的處理提供了高品質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖12a為黃土塬區(qū)典型淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲發(fā)育炮集記錄,圖中噪聲在左排列切割的有效同相軸較深,右排列只在炮點附近發(fā)育,噪聲頻帶范圍為8～96Hz,速度為1600～1800m/s。圖12b為利用隨機(jī)道序重排后分頻異常振幅衰減法在炮集域-隨機(jī)域?qū)\層寬頻強(qiáng)折射噪聲壓制后的單炮記錄,可以看出,記錄中左右排列淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲均得到明顯壓制,并且其它位置的異常能量也得到了有效壓制,有效同相軸連續(xù)性變好,整體能量分布均勻,振幅一致性增強(qiáng),分離出的噪聲完整,無明顯反射軸(圖12c)。圖13為對應(yīng)的去噪前、后的剖面及噪聲純波疊加剖面,可以看出,去噪后有效反射同相軸連續(xù)性變好,噪聲剖面中無明顯有效反射同相軸,去噪后剖面整體能量分布均勻,信噪比和振幅一致性得到提高,為后續(xù)的地震資料反褶積、速度分析、剩余靜校正、偏移成像等技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖10 小炮檢距強(qiáng)能量噪聲壓制前、后單炮記錄a 壓制前單炮記錄; b 炮域基于隨機(jī)函數(shù)重構(gòu)后的數(shù)據(jù); c 重構(gòu)數(shù)據(jù)去噪后的結(jié)果; d 強(qiáng)能量噪聲壓制后單炮記錄

圖11 小炮檢距強(qiáng)能量噪聲壓制前(a)、后(b)及噪聲疊加剖面(純波)(c)

圖12 淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲壓制前(a)、后(b)的單炮記錄及噪聲記錄(c)

圖13 淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲壓制前(a)、后(b)的剖面及噪聲疊加剖面(純波)(c)

4 結(jié)束語

小炮檢距強(qiáng)能量噪聲和淺層寬頻強(qiáng)折射噪聲是鄂爾多斯盆地巨厚黃土塬區(qū)的典型噪聲,也是提高巨厚黃土塬區(qū)資料信噪比和振幅一致性的最大阻礙。本文采用隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法,將強(qiáng)能量噪聲轉(zhuǎn)變成隨機(jī)強(qiáng)能量噪聲的形式,再利用分頻異常振幅衰減法進(jìn)行有效壓制。實際資料應(yīng)用結(jié)果表明,該方法具有去噪效果好、振幅保真度高的特點,能更好地解決巨厚黃土塬區(qū)噪聲壓制問題,顯著改善地震資料的信噪比。此外,本文只展示了振幅補(bǔ)償前炮域-隨機(jī)域組合排序的去噪效果,針對不同的強(qiáng)能量噪聲發(fā)育特點和不同處理階段強(qiáng)能量噪聲的表現(xiàn)形式,還可以嘗試共中心點域、共檢波點域、共炮檢距域與隨機(jī)域組合排序的分頻異常振幅衰減法。另外,在去噪過程中應(yīng)對噪聲門檻值、壓制系數(shù)等重要參數(shù)進(jìn)行測試,在壓制噪聲的同時最大限度地保護(hù)有效信號,做到保真保幅去噪。