基于非線性掃描技術(shù)的可控震源地震勘探分辨率提高方法

劉玉海，尹 成，潘樹林，高 磊，沈 姣

（1.西南石油大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500； 2.西南石油大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引言

提高對薄互層的識別能力是高分辨率地震勘探的主要目標(biāo).可控震源的頻率掃描方式人為可控，采用變頻正弦信號激發(fā)，通過輸出長時間的小能量信號等效為短時間大能量信號，利用參考信號與地震記錄儀獲取信號的互相關(guān)性，形成可控震源相關(guān)地震子波［1-2］.與常規(guī)脈沖震源相比，可控震源地震對薄互層的識別更為準(zhǔn)確，更有利于提高勘探的分辨率.王忠仁、俞壽朋等對可控震源非線性掃描的地震響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了指數(shù)、對數(shù)及非線性掃描信號自相關(guān)函數(shù)的旁瓣特性［2-3］；于玲等研究通過疊加技術(shù)提高地震資料的信噪比和分辨率，提出高分辨率地震資料水平疊加方法［4］；姚知銘等通過控制激發(fā)信號高頻振動時間，提高激發(fā)地震信號的高頻成分，提高地震勘探分辨率［5］.可控震源多使用線性掃描信號作為地層的下傳能量［2］，由于地層對可控震源下傳信號，特別是高頻信號的衰減，常造成可控震源線性掃描信號主頻降低、優(yōu)勢頻帶變窄，降低目的薄互層的分辨能力［3-4］.非線性掃描信號對掃描信號能量的分配不像線性掃描信號那樣均勻，對高頻段掃描時間長、能量補(bǔ)償多，能夠拓寬信號的優(yōu)勢頻帶，顯著提高地震勘探的分辨率［4-5］.文中利用可控震源的非線性掃描方式，將可控震源下傳能量在不同頻率段不等量分配，使低頻能量向高頻能量轉(zhuǎn)移，提高地震勘探數(shù)據(jù)對薄互層的分辨率.應(yīng)用結(jié)果表明，可控震源使用非線性掃描信號時能夠取得比線性掃描信號對薄互層更高的分辨率.

1 非線性掃描技術(shù)

1.1 信號掃描方式

可控震源地震掃描可將長時間、小能量的掃描記錄信號等效為短時間、大能量的掃描記錄信號［6］，激發(fā)的正弦掃描信號的離散自相關(guān)函數(shù)為［7-8］

地震掃描記錄信號與可控震源掃描信號的離散互相關(guān)函數(shù)為

式（1-2）中：n為地震記錄信號的采樣點數(shù)，n＝0，1，…，N-1，N為采樣序列的采樣點數(shù)；m為自相關(guān)函數(shù)的采樣點數(shù)，m＝-N＋1，…，0，…，N-1；Rss（m）為可控震源參考掃描信號的自相關(guān)函數(shù)；Rxs（m）為地震記錄信號與參考掃描信號的互相關(guān)函數(shù)；s（n）為可控震源參考掃描信號；x（n）為原始地震記錄信號.

非線性信號掃描的基礎(chǔ)是線性信號掃描.線性信號掃描指信號掃描的頻率和時間為線性關(guān)系，非線性信號掃描指信號掃描的頻率和時間呈非線性關(guān)系［9］，根據(jù)輸入變量時間與輸出結(jié)果頻率表示關(guān)系的不同，分為指數(shù)掃描信號和對數(shù)掃描信號.非線性和線性信號掃描方式下頻率與時間的關(guān)系［10-12］為

式（3-5）中：fcr（t）、fl（t）和fli（t）分別為指數(shù)、對數(shù)和線性掃描信號的瞬時頻率；t為掃描時間；fa為掃描信號的起始頻率；fb為掃描信號的終止頻率；T為掃描信號的時間；k為不同掃描方式下信號的速率因子，它決定信號的幅度.由式（3～5）可知，非線性掃描方式下的信號頻率隨時間變化關(guān)系與線性掃描方式下的不同，前者在高頻段能量比低頻段能量高.

設(shè)地震勘探中掃描信號的瞬時頻率為f（t），其變頻正弦掃描信號［13］s（t）為

式中：A為掃描信號的幅度；φ（t）為掃描信號的相位.

設(shè)起始頻率為8Hz，終止頻率為100Hz，掃描時間為8s，獲得非線性和線性信號掃描方式下的信號時域圖（見圖1）和頻域圖（見圖2）.

由圖1可見：在非線性和線性信號掃描方式下均獲得升頻掃描信號，信號在高頻段變化較明顯.由圖2可見：非線性信號掃描方式獲得的掃描信號，高頻段的能量明顯高于低頻段的，有利于補(bǔ)償高頻段能量損失，提高地震勘探分辨率；線性信號掃描方式獲得的掃描信號，高、低頻段的能量分配均勻，高頻段能量難以得到補(bǔ)償，地震勘探分辨率較低.

1.2 掃描信號特性

在地震勘探過程中，考慮掃描信號受噪聲水平、目的層深度等因素影響，人為設(shè)定震源激發(fā)信號的持續(xù)時間遠(yuǎn)大于地層各界面的反射時差，導(dǎo)致相鄰界面之間的反射波形在原始地震記錄上互相重疊［13-14］、難以分辨（見圖3）.

原始地震記錄包含的反射信息與掃描信號的特定時間延遲相對應(yīng).在原始地震記錄中，通過互相關(guān)運(yùn)算，將地層反射所形成的由多個振幅和起始時刻不同的變頻正弦信號交疊組成的復(fù)雜信號，壓縮成含有多個脈沖的相關(guān)地震信號，即地震相關(guān)記錄［13-16］（見圖4）.

已知可控震源掃描信號，將原始地震記錄信號序列與參考掃描信號序列進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到地震記錄序列［1］y（n）：

式中：［s（n）?s（n）］為參考掃描信號序列s（n）的自相關(guān)函數(shù)生成地震記錄的相關(guān)子波；r（n）為地層反射系數(shù)；＊表示褶積運(yùn)算；?表示相關(guān)運(yùn)算.

設(shè)地震記錄的相關(guān)子波為可控震源的子波，作為激發(fā)信號被地面檢波器接收的地震波為脈沖震源下的地震記錄，則將地震記錄信號序列y（n）看做是可控震源相關(guān)子波為激發(fā)波形的原始地震記錄.地震記錄的相關(guān)子波具有Klauder子波的形式：

式中：k為掃描速率，k＝（fb-fa）／T；f0為掃描信號中心頻率，f0＝（fa＋fb）／2；N 為地震記錄相關(guān)子波瞬時記錄序號，N＝nΔt，n為采樣序號或序列采樣時間，Δt為參考掃描信號的采樣間隔.參考掃描信號的相關(guān)子波見圖5.

影響可控震源地震勘探分辨率的主要因素為地震記錄相關(guān)子波的主瓣寬度和相位.相關(guān)子波在（-1／Δf，1／Δf）內(nèi)為主瓣，其他區(qū)域為旁瓣，即為相關(guān)噪聲.主瓣寬度Δτ＝2／Δf，當(dāng)Δτ小于相鄰界面的反射時差時，相關(guān)記錄上相鄰的界面能被分辨出來.地震記錄相關(guān)子波要求主瓣高而陡，波峰突出，旁瓣與主瓣的比值小且衰減快.在地震勘探過程中，要求采用升頻掃描，將信號掃描過程中產(chǎn)生的諧波虛像壓制到負(fù)時移區(qū)［17］（見圖5）.非線性和線性信號掃描方式下獲得的地震相關(guān)子波見圖6.

由圖6可見：采用非線性和線性信號掃描方式獲得的地震相關(guān)子波均為零相位子波，未對3種相關(guān)子波錐化前，其旁瓣都較突出，幅度最大的為對數(shù)掃描信號，其次為指數(shù)掃描信號，線性掃描信號幅度最小.為使3種相關(guān)子波旁瓣有效減小，需對其進(jìn)行不同比例錐化.

1.3 地層吸收衰減對地震相關(guān)子波的影響

可控震源地震相關(guān)子波通常為零相位子波.由于存在可控震源機(jī)械系統(tǒng)的非線性、大地非彈性介質(zhì)的能量損耗和幾何擴(kuò)散，使掃描信號在地層下傳過程中能量損失很快，尤其在高頻部分，地震相關(guān)子波的主頻和優(yōu)勢帶寬嚴(yán)重降低.線性掃描信號被地層吸收衰減時的頻譜見圖7.

由圖7可見：地震相關(guān)子波隨著頻率的增加信號的能量顯著下降，主頻降低為50Hz左右.地質(zhì)體的分辨厚度與地震波主頻成反比，因此，隨著頻率的增加，信號的分辨能力下降.線性掃描方式難以補(bǔ)償高頻能量的損失，為在地震勘探中提高信號的主頻，拉平頻譜使其白化，采用非線性掃描技術(shù)補(bǔ)償高頻能量的損失，非線性信號掃描方式獲得的頻譜見圖2（a）、（b），非線性掃描信號和對數(shù)掃描信號被地層吸收衰減時的頻譜見圖8.

由圖7和圖8可見：與線性信號掃描方式相比，非線性信號掃描方式對地層信號被衰減情況下獲得的高頻信號具有補(bǔ)償作用，使分辨率明顯提高.非線性掃描信號的旁瓣比線性掃描信號的大，低頻比線性掃描信號的低，絕對頻帶寬度窄于線性掃描信號的.因此，將非線性掃描信號作為地震激發(fā)信號時，不僅要選擇合適的信號掃描方式，還需提高信號的激發(fā)能量，使信噪比和分辨率同時得到有效改善［18］.

2 數(shù)值模擬

模擬地層條件為2個相鄰的水平層和1個傾斜層，在地震掃描信號被地層吸收衰減的條件下，正演模擬線性和非線性信號掃描方式獲得的地震掃描相關(guān)記錄，見圖9.

由圖9可見：獲得的線性掃描信號難以分辨2個水平層，采用對數(shù)掃描信號后，2個水平層被明顯區(qū)分出來，并且相關(guān)子波的分辨率和清晰度有所提高，旁瓣得到較好壓制.

3 現(xiàn)場試驗

在地震勘探現(xiàn)場試驗中，設(shè)置震源組合方式和基本震源參數(shù)：6臺震源車交錯排列，4次移動掃描，起始頻率為10Hz，終止頻率為100Hz，掃描時間為10s，掃描信號記錄長度為6s，線性升頻信號掃描方式驅(qū)動幅度為70%，非線性信號掃描方式驅(qū)動幅度為85%.在同一條測線上，分別用線性和非線性信號掃描方式試驗，經(jīng)可控震源地震信號反褶積處理后疊加剖面見圖10.

由圖10可見：使用線性升頻信號掃描方式，可控震源地震信號反褶積處理后疊加剖面頻率較低，構(gòu)造細(xì)節(jié)不清晰；使用非線性信號掃描方式，可控震源地震信號反褶積處理后疊加剖面頻率增大、構(gòu)造細(xì)節(jié)較清晰、反射波同相軸的接觸關(guān)系更清楚，絕對頻寬比線性信號掃描方式下獲得的地震剖面擴(kuò)大，地震剖面的分辨率得到較大提高.

4 結(jié)論

（1）在地震勘探過程中，采用非線性信號掃描方式，通過延長高頻段掃描時間，提高高頻段的能量，減少低頻段掃描時間，實現(xiàn)可控震源輸入能量分配由低頻段向高頻段的轉(zhuǎn)移；補(bǔ)償?shù)貙咏橘|(zhì)吸收導(dǎo)致的高頻信號衰減，拓寬地震信號的頻帶寬度，提高地震資料的分辨率，達(dá)到辨別復(fù)雜地震的能力.

（2）合理選擇非線性掃描信號類型和錐化比例，盡量減少地震相關(guān)子波信號的旁瓣，控制可控震源激振器的激發(fā)能量，使可控震源處于最佳工作狀態(tài)，是利用非線性信號掃描技術(shù)取得良好地震勘探效果的關(guān)鍵.

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