裴云龍,蔣 波,鄔達理,陶紀霞

(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)

可控震源具有“高效、安全、環(huán)?！钡膬?yōu)勢以及出力大小、頻率范圍、掃描時間、相位等參數(shù)可根據(jù)具體的探區(qū)地表條件、深層地震地質(zhì)條件而調(diào)整的特點。從20世紀90年代初到現(xiàn)在,可控震源采集技術(shù)和裝備都取得了快速發(fā)展和提升,可控震源連續(xù)高效采集已在油氣勘探開發(fā)中得到了推廣應用[1]。然而,由于沙漠區(qū)近地表沙層介質(zhì)松散,相同坐標位置激發(fā)的可控震源資料比井炮資料的信噪比低,特別是高大沙漠區(qū)可控震源近激發(fā)點異常振幅噪聲(簡稱“黑三角”)能量比井炮強很多,影響面積大,“黑三角”噪聲壓制困難是目前沙漠區(qū)可控震源資料處理的技術(shù)瓶頸之一,另外,表層沙漠對地震信號衰減嚴重,這些都給高大沙漠區(qū)可控震源地震勘探帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

針對沙漠區(qū)的可控震源資料的噪聲壓制問題,國內(nèi)外學者經(jīng)過長期技術(shù)攻關(guān),在壓制諧波干擾、多源干涉噪聲等方面均取得了很好的效果。在相干噪聲、隨機噪聲以及異常振幅噪聲的壓制方面提出了許多針對性的處理技術(shù)[2],如:針對低頻面波的自適應衰減低頻噪聲、非線性局部濾波器干涉預測和相減壓制表面波[3];針對規(guī)則干擾的疊前線性干擾濾除、高精度徑向道掃描消除相干噪聲、頻率-波數(shù)(F-K)視速度消除相干噪聲;針對異常不規(guī)則噪聲和高頻干擾的強能量干擾的分頻自適應檢測與壓制、小波時空變閾值去噪[4]、高頻噪聲的自動檢測與衰減;針對隨機干擾的疊前隨機噪聲衰減技術(shù)(RNA)、可控震源白化處理噪聲壓制[5]、基于頻率-空間F-XYO預測理論衰減三維疊前隨機噪聲[6]、高維地震數(shù)據(jù)Wiener中心濾波[7]、基于曲波變換的自適應地震隨機噪聲消除[8];針對近地表散射波的疊后衰減[9]等。這些技術(shù)結(jié)合了噪聲分布和頻率的特點,選擇了合適的處理域及分頻處理,取得了較好的噪聲壓制效果,如在共炮點域內(nèi)壓制面波、在共檢波點域內(nèi)衰減線性干擾等。但是對于“黑三角”這類大范圍不相干的強異常振幅噪聲的壓制,目前還沒有理想的壓制方法,主要采取的是隨機函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法,即將強能量噪聲轉(zhuǎn)變成隨機強能量噪聲的形式,再利用分頻異常振幅衰減法進行壓制[10]等,但去噪后有效波信息未能凸顯,“黑三角”干擾波壓制效果不明顯。本文對比分析了可控震源與炸藥震源的資料特征,借助于數(shù)值正演模擬研究分析“黑三角”干擾波的來源,在此基礎上,開展針對高大沙漠區(qū)的可控震源“黑三角”干擾波壓制的處理技術(shù)應用研究,探索“黑三角”強干擾波的壓制處理流程,在實際生產(chǎn)實踐中發(fā)揮有效作用。

1 可控震源“黑三角”干擾波分析

1.1 “黑三角”干擾波形成機理分析

G·M·胡佛[11]使用二維地震模型模擬地形和實際風化層條件,發(fā)現(xiàn)與地震信號波長相當?shù)钠鸱匦文墚a(chǎn)生散射面波,其振幅約為地震信號振幅的50%,地表或其下風化層不規(guī)則時,會通過波的散射影響噪聲的強弱。地表異常會產(chǎn)生散射瑞利波,將相干的表面多次波彌散成不相干噪聲。沙漠區(qū)的地震地質(zhì)條件與G·M·胡佛使用的二維地震模型類似,沙漠區(qū)表層介質(zhì)縱橫向上呈非均質(zhì)性,橫向上,地形起伏不平(圖1),縱向上,空氣與地表存在速度突變,地表沙層與潛水面下高速層存在速度突變,均形成強的波阻抗界面,當?shù)乇淼姆蔷|(zhì)體遇到橫向力作用時極易產(chǎn)生散射,受到的水平橫向作用力越強其產(chǎn)生的散射能量就越強。可控震源在地表激發(fā),比井中炸藥激發(fā)更易產(chǎn)生水平作用力更強的直達波和面波,直達波和面波遇到地表的多處非均質(zhì)體時便會產(chǎn)生大量的散射,這些來自四面八方的多源復雜的散射干擾信號疊合在一起就形成了近激發(fā)點三角區(qū)的異常強能量噪聲,即“黑三角”干擾波。

圖1 沙漠區(qū)地表地貌

圖2為不同激發(fā)震源傳播路徑示意,可見,當可控震源在地表激發(fā)時,傳播到地表的直達波和面波以水平橫向方向為主；當炸藥在井中潛水面下激發(fā)時,傳播到地表的透射波近乎成垂直地面方向,激發(fā)井越深,產(chǎn)生的面波能量越弱。從而可以說明,在相同坐標位置激發(fā)的情況下,可控震源比井中炸藥激發(fā)更易產(chǎn)生強的散射波,即可控震源“黑三角”干擾波振幅比炸藥震源的強。

圖2 不同震源激發(fā)干擾波傳播路徑示意

1.2 表層地震地質(zhì)條件的影響

圖3對比了某沙漠工區(qū)不同低降速層厚度可控震源激發(fā)的單炮記錄,可見,低降速層厚度為10m的單炮記錄(圖3b)較低降速層厚度為2m的單炮記錄(圖3a)的“黑三角”異常振幅能量強,說明低降速層的厚度是影響“黑三角”干擾波強度的主要原因之一。

圖3 某工區(qū)不同低降速層厚度可控震源激發(fā)單炮記錄

圖4對比了不同探區(qū)可控震源典型單炮記錄,可以看出,不同探區(qū)可控震源采集的“黑三角”在單炮記錄中影響范圍不一樣,有的探區(qū)影響范圍占據(jù)50%以上(圖4a、圖4c),有的探區(qū)影響范圍在30%以下(圖4b),“黑三角”范圍邊界視速度與面波視速度(圖中不同顏色的線條分別代表測量的線性速度)接近,基本分布在降速層速度范圍內(nèi),可見“黑三角”的分布范圍與表層速度大小關(guān)系密切。

表1對比了不同探區(qū)低速層速度、高速層速度、地表巖性和低降速層厚度及“黑三角”特征,可以看出,低降速層厚度與“黑三角”干擾波振幅強弱關(guān)系密切,低降速層厚度越厚,“黑三角”干擾波振幅能量越強;“黑三角”干擾波分布范圍與低速層速度大小關(guān)系密切,速度低干擾波分布范圍小,速度高干擾波分布范圍大。

表1 不同探區(qū)的近地表速度、巖性、厚度及“黑三角”特征

1.3 激發(fā)深度的影響

為了說明井中炸藥激發(fā)也能產(chǎn)生較強的“黑三角”干擾波,且“黑三角”干擾波與激發(fā)深度關(guān)系密切,我們進行了不同激發(fā)深度的單炮記錄對比分析研究。圖5為某工區(qū)炸藥震源不同深度激發(fā)的單炮記錄。該區(qū)潛水面深度約為130m,可以看出,圖5c的記錄品質(zhì)最高,說明相同位置激發(fā),離潛水面越近激發(fā),采集的炮集記錄品質(zhì)越高,“黑三角”對有效信息的影響越低。

圖5 某工區(qū)炸藥震源不同深度激發(fā)的單炮記錄

為了說明可控震源比井中炸藥震源激發(fā)更易產(chǎn)生強的“黑三角”干擾波,設計了一個簡單的5層介質(zhì)模型(圖6a),低速層層速度為450m/s,降速層層速度為700m/s,高速層層速度為1800m/s,利用有限差分正演模擬方法分別在低速層頂、降速層頂、高速層頂進行正演模擬激發(fā),在地表上放置檢波點接收。從圖6可以看出:在低速層頂激發(fā)(圖6b,相當于可控震源在地表激發(fā)),“黑三角”干擾波特征明顯,有效反射波被強干擾波淹沒；在降速層頂激發(fā)(圖6c,相當于炸藥震源在淺井激發(fā)),“黑三角”干擾波特征不明顯,但存在較強的面波、線性干擾波,有效反射波能量非常弱；在高速層頂激發(fā)(圖6d,相當于炸藥震源在深井激發(fā)),3層有效反射波非常清晰,干擾波非常弱。可見,在相同坐標位置激發(fā)的情況下,激發(fā)深度越淺,橫向水平作用力越強,其產(chǎn)生的散射能量也越強,故可控震源比井中炸藥震源激發(fā)更易產(chǎn)生強的“黑三角”干擾波。

圖6 正演模擬可控震源與炸藥震源不同激發(fā)深度的單炮記錄

1.4 可控震源與井炮的“黑三角”干擾波對比分析

可控震源利用長時間輸出的小能量信號去等效短時間輸出的大能量信號,然后再用數(shù)字互相關(guān)技術(shù)形成常規(guī)意義下的地震子波,其激發(fā)位置在地表,子波為零相位,地震子波頻帶寬度較窄,激發(fā)波形可控制,而井炮是理想尖脈沖瞬間輸出大能量信號,其激發(fā)位置在潛水面以下,子波為最小相位,地震子波頻帶較寬,激發(fā)波形不可控制。井炮激發(fā)與可控震源激發(fā)的區(qū)別如表2所示。

表2 井炮激發(fā)與可控震源激發(fā)的區(qū)別

圖7對比了某工區(qū)相同坐標位置可控震源與井炮激發(fā)典型單炮記錄及F-K譜,可以看出,井炮記錄(圖7a)與可控震源記錄(圖7c)都存在“黑三角”噪

聲,但可控震源比井炮的“黑三角”振幅能量強很多。對“黑三角”區(qū)域進行F-K譜分析,可以看出,可控震源“黑三角”干擾波呈現(xiàn)非線性關(guān)系、不相干,60Hz以上的異常振幅在F-K譜中能反映出來(圖7d),而井炮的“黑三角”干擾波頻率在20Hz以內(nèi)(圖7b),說明可控震源“黑三角”干擾波比井炮的頻帶寬。

圖7 相同坐標位置的井炮與可控震源記錄及其F-K譜

圖8是另一沙漠探區(qū)的相同坐標位置井炮與可控震源單炮記錄及頻譜分析結(jié)果。從圖8同樣可以看出,可控震源(圖8b)比井炮(圖8a)的“黑三角”噪聲能量強。另外,對比圖8c與圖8d可以看出,受激發(fā)掃描頻率的限制,可控震源的頻譜曲線往往缺少高頻端成分,在非低頻可控震源情況下,還會缺少低頻端成分;受表層激發(fā)條件及可控震源特點的影響,在頻譜曲線的中部優(yōu)勢頻帶區(qū)域存在陷頻現(xiàn)象。

圖8 相同坐標位置井炮與可控震源單炮記錄及頻譜分析結(jié)果

根據(jù)以上分析,我們將沙漠區(qū)可控震源資料“黑三角”干擾波的特征歸納為:“黑三角”干擾波整體能量強;呈雜亂不相干狀態(tài);頻帶從幾赫茲到近百赫茲。不同探區(qū)的不同炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與探區(qū)的地震地質(zhì)條件(地形起伏程度、沙層厚度、潛水面深度)密切相關(guān),地形起伏越大、沙層越厚、潛水面越深時干擾波能量越強,反之干擾波能量越弱;同一單炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與相對震源的距離關(guān)系密切,近震源附近能量最強,隨著離震源距離的加大能量逐漸變?nèi)酢！昂谌恰备蓴_波的分布范圍與低速帶和降速帶的速度關(guān)系密切,低降速帶速度低干擾波分布范圍小,低降速帶速度高干擾波分布范圍大。井炮震源同樣也會產(chǎn)生“黑三角”干擾波,炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與激發(fā)井深密切相關(guān),井越深時干擾波能量越弱,反之干擾波能量越強,但總體明顯弱于可控震源。

2 “黑三角”干擾波壓制技術(shù)

2.1 不同干擾波壓制技術(shù)對比

分析沙漠區(qū)可控震源資料可知,“黑三角”干擾波具有不規(guī)則、不相干、頻帶寬、能量強、分布范圍廣等特點,基于相干噪聲壓制方法、隨機噪聲壓制方法、預測濾波噪聲壓制方法、簡單的頻率差異理論的濾波方法均無法有效地壓制這類干擾波。理論上“黑三角”干擾波主要是由散射形成的,最理想的壓制方法應該采用散射波反演方法,但由于形成“黑三角”干擾波的表層條件太過復雜,目前的技術(shù)方法還難以解決。當前解決“黑三角”干擾波問題多數(shù)是采用不同域的振幅差異壓制方法,適當壓制“黑三角”干擾波的強度,且“黑三角”區(qū)域內(nèi)的有效波不能得到有效恢復,商業(yè)地震資料處理軟件壓制異常振幅的處理方法模塊主要有:防假頻時頻分析異常振幅衰減、子波統(tǒng)計的異常振幅衰減、f-x域分頻異常振幅衰減等。

基于防假頻時頻分析異常振幅衰減技術(shù)是將防假頻傅里葉變換(ALFT)技術(shù)拓展到時頻變換域,結(jié)合混合域中值濾波和振幅加權(quán)均值濾波來提取信號特征,通過t-x-f域識別不同噪聲,基于信號特征來判斷/消除噪聲,從而達到壓制噪聲的目的?；谧硬ńy(tǒng)計的異常振幅衰減技術(shù)是采用子波統(tǒng)計方法,利用同一炮集的地震子波在傳播過程中隨距離和深度的變化(其吸收和衰減符合一定規(guī)律的特點),來識別并壓制異常干擾值。基于f-x域分頻異常振幅衰減技術(shù)是針對地震數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的面波、聲波、脈沖、野值等強能量干擾,在不同的頻段內(nèi),以加權(quán)中值為參量,自動識別出噪聲,并根據(jù)噪聲與信號的數(shù)值關(guān)系,計算出加權(quán)曲線,對噪聲進行衰減,然后重構(gòu)地震記錄。

圖9對比了上述3種不同去噪方法的應用效果。圖10為這3種方法去噪后的頻率-信噪比分析結(jié)果及信噪比定量分析結(jié)果?？梢钥闯?這3種方法對可控震源“黑三角”噪聲壓制均有一定的效果,在60Hz頻率以內(nèi),信噪比都得到明顯提高,其中防假頻時頻分析異常振幅衰減方法對“黑三角”干擾波壓制的效果最好,有效信號也得到了保護,信噪比最高。

圖9 不同去噪方法的應用效果

圖10 不同去噪方法去噪后的頻率-信噪比分析結(jié)果(a)及信噪比定量分析結(jié)果(b)

圖11為采用防假頻時頻分析異常振幅衰減技術(shù)處理前、后的偏移剖面,可以看出,該方法對可控震源“黑三角”噪聲的壓制效果較為明顯。

圖11 采用防假頻時頻分析異常振幅衰減技術(shù)處理前(a)、后(b)偏移剖面

2.2 串聯(lián)噪聲壓制技術(shù)

由于相干噪聲可以描述為小空間距離上的平面波,因此可以使用扇形濾波器來處理。典型的扇形濾波器應用于f-k域,通過傅里葉變換,首先將數(shù)據(jù)從t-x域轉(zhuǎn)換到f-x域,在f-x域進行噪聲估計,然后再從f-x域轉(zhuǎn)換到f-k域,從而將噪聲和信號分開。利用多個扇形濾波器能夠估計不同的相干噪聲模型,所以能將噪聲和信號分開的是一種理想的扇形濾波器(圖12a)。對于非均勻相干噪聲,有一些低速噪聲會產(chǎn)生明顯的假頻,在f-k域的有效波數(shù)內(nèi),假頻噪聲與有效信號會混疊在一起(圖12b),可以通過近似波數(shù)來改變扇形濾波器的形狀,使扇形濾波器的混疊部分不重疊信號區(qū)域(圖12c),最大限度地保護有效信號。利用改變的扇形濾波器和最小二乘加權(quán)優(yōu)化方法,對相干噪聲進行壓制,以達到提高資料信噪比的目的。

圖12 非均勻相干噪聲壓制防假頻扇形濾波器改進前、后對比

本文中的“黑三角”干擾波是由多源復雜的散射干擾信號疊合在一起形成的,經(jīng)過防假頻時頻分析噪聲壓制處理后,“黑三角”范圍內(nèi)的信號振幅值和范圍外的信號振幅值比較接近,但“黑三角”范圍內(nèi)的信號存在大量剩余的相干噪聲,為此,我們可在防假頻時頻分析噪聲壓制處理的基礎上,串聯(lián)進行非均勻相干噪聲衰減處理,進一步提升“黑三角”干擾波的壓制效果。圖13顯示了串聯(lián)噪聲壓制效果,可以看出,經(jīng)防假頻時頻分析異常振幅衰減處理后,“黑三角”的強干擾得到一定程度的壓制(圖13b),在此基礎上,再采用非均勻相干噪聲壓制處理,進一步改善了資料的處理品質(zhì),“黑三角”內(nèi)的有效信息得以凸現(xiàn),肉眼就可以分辨出來(圖13c)。

圖13 串聯(lián)噪聲壓制前、后單炮記錄效果

圖14為采用不同去噪方法處理的偏移剖面,可以看出,經(jīng)串聯(lián)噪聲壓制處理的偏移剖面(圖14b)效果得到明顯的提高,說明串聯(lián)噪聲壓制技術(shù)對凸顯“黑三角”區(qū)的有效波更為有利。

圖14 采用不同去噪方法處理的偏移剖面

綜上所述,針對可控震源“黑三角”干擾波的壓制,防假頻時頻分析異常振幅衰減、子波統(tǒng)計的異常振幅衰減、f-x域分頻異常振幅衰減3種方法都能夠取得較好的效果。從去噪強弱程度角度分析,f-x域分頻異常振幅衰減要弱于子波統(tǒng)計的異常振幅衰減和防假頻時頻分析異常振幅衰減;在防假頻處理方面,防假頻時頻分析異常振幅衰減比子波統(tǒng)計的異常振幅衰減更有優(yōu)勢。所以針對沙漠區(qū)強“黑三角”干擾波,防假頻時頻分析異常振幅衰減去噪效果更佳,非均勻相干噪聲衰減在防假頻時頻分析異常振幅衰減處理的基礎上,能夠進一步壓制部分剩余“黑三角”異常振幅,進而提高信噪比。

3 處理效果分析

塔里木盆地某沙漠探區(qū)表層沙層厚度為8～35m,勘探目的層埋藏深,以斷裂-溶洞型儲集體為勘探目標。該區(qū)早期采用可控震源激發(fā)進行三維地震勘探,后期又采用了炸藥震源激發(fā)進行三維地震勘探。炸藥震源激發(fā)的觀測系統(tǒng)為28L6S252R,面元為25m×25m,覆蓋次數(shù)為294次,井炮潛水面以下7m激發(fā),資料噪聲主要以面波為主;可控震源激發(fā)的觀測系統(tǒng)為40L6S270R,面元為25m×25m,覆蓋次數(shù)900次,地表激發(fā),資料噪聲主要以“黑三角”干擾波為主。針對該區(qū)可控震源地震資料的“黑三角”干擾波,經(jīng)過基于防假頻時頻分析異常振幅衰減(圖9b)和非均勻相干噪聲衰減方法串聯(lián)應用(圖13c),可獲得較高品質(zhì)的處理成果。圖15為沙漠區(qū)不同震源的疊加剖面(淺層)及定量分析結(jié)果,可以看出,可控震源資料較井炮資料的信噪比更高。圖16為沙漠區(qū)不同震源的疊加剖面(深層)及定量分析結(jié)果,可以看出,可控震源資料較井炮資料的信噪比略低。

圖16 沙漠區(qū)不同震源疊加剖面(深層)及信噪比定量分析結(jié)果

圖15 沙漠區(qū)不同震源的疊加剖面(淺層)及信噪比定量分析結(jié)果

圖17對比了同一測線位置不同震源的淺層RTM偏移成像效果,可以看出,可控震源較井炮資料處理的成像剖面的分辨率和信噪比稍高。圖18對比了同一測線位置可控震源資料與炸藥震源資料RTM偏移處理深層效果,可以看出,可控震源資料處理的剖面深層的有效信號偏弱;炸藥震源資料處理的剖面目的層段反射波組齊全、反射特征清楚,斷裂展布清晰,深大斷裂-溶洞型勘探目標能夠清楚刻畫出來,比可控震源資料處理的剖面稍好。

圖18 沙漠區(qū)不同震源RTM偏移成像效果對比(深層)

圖17 沙漠區(qū)不同震源RTM偏移成像效果對比(淺層)

以上結(jié)果說明本文的“黑三角”干擾波壓制處理方法是可行和有效的,同時也說明在沙漠區(qū)的中淺層勘探中可控震源是可行的,但在深層勘探中還存在一定問題。

4 結(jié)論與認識

1) 可控震源地表激發(fā)易產(chǎn)生強的“黑三角”干擾波,呈雜亂不相干狀態(tài),頻帶從幾赫茲到近百赫茲。不同探區(qū)不同炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與探區(qū)的地震地質(zhì)條件(地形起伏程度、沙層厚度、潛水面深度)密切相關(guān),地形起伏越大、沙層越厚、潛水面越深時干擾波能量越強,反之干擾波能量越弱;同一單炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與相對震源的距離關(guān)系密切,近震源附近能量最強,隨著離震源的距離加大,能量逐漸變?nèi)酢！昂谌恰备蓴_波的分布范圍與低速帶和降速帶的速度關(guān)系密切,低降速帶速度低干擾波分布范圍小,低降速帶速度高干擾波分布范圍大。井炮震源同樣也會產(chǎn)生“黑三角”干擾波,炮記錄中“黑三角”干擾波的能量強弱與激發(fā)井深密切相關(guān),井越深時干擾波能量越弱,反之干擾波能量越強,但總體都明顯弱于可控震源記錄。

2) 防假頻時頻分析異常振幅衰減和非均勻相干噪聲衰減方法的串聯(lián)應用,可較好地解決沙漠區(qū)可控震源資料“黑三角”異常強振幅的壓制問題,為提高處理成果品質(zhì)發(fā)揮了重要作用,但“黑三角”區(qū)域內(nèi)弱有效信號的恢復(凸顯)問題并沒有得到根本解決,有待進一步攻關(guān)完善。

3) 分析多塊不同震源的三維資料處理效果認為:沙層厚度較薄的沙漠區(qū)且勘探目的層為中淺層時,采用可控震源的寬方位、高覆蓋觀測方式采集,配合先進的去噪處理技術(shù),可適度彌補“黑三角”干擾波對資料成像的不利影響,通?？色@得較高的分辨率和信噪比處理成果;巨厚沙漠區(qū)且勘探目的層為深層或超深層時,由于可控震源的“黑三角”干擾波能量超強,且對深層記錄的影響范圍大,可控震源的能量相對較弱,加上松散砂層對地震波吸收衰減嚴重的影響,其深層處理成果往往出現(xiàn)有效信號偏弱、信噪比偏低的現(xiàn)象,難以滿足巖性勘探需求。為此,巨厚沙漠區(qū)深層勘探采用深井炸藥震源為宜。