基于初至信息的可控震源和炸藥震源地震資料匹配濾波技術(shù)

梁鴻賢

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257000)

在山前帶、沙漠戈壁或者城區(qū)等復(fù)雜地表條件的地震勘探中,為了提高地震資料采集質(zhì)量,經(jīng)常采用炸藥震源和可控震源聯(lián)合激發(fā)的工作方式[1-3]。但是兩種震源采集的地震資料在波形特征上并不一致。具體表現(xiàn)在可控震源激發(fā)得到的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過自相關(guān)處理后的子波具有零相位特征,而炸藥震源激發(fā)的子波通常近似認(rèn)為是最小相位,因此,兩者之間的差異主要表現(xiàn)為相位特征上的差異[4-6]。這種相位差異,必須在后續(xù)的地震資料處理過程中加以合理校正。

張亞南等[7]針對子波相位提取不準(zhǔn)確影響反褶積后地震剖面分辨率的問題,提出了一種基于純相位濾波器的子波相位校正方法來校正子波殘余相位。云美厚等[8]研究了直接從疊加地震記錄入手,采用最小平方算法求取匹配濾波算子,進(jìn)行互均衡處理來實現(xiàn)一致性處理。鄔達(dá)理等[9]提出了一種疊前多點綜合串聯(lián)匹配濾波處理技術(shù),該技術(shù)在疊前通過逐步逼近法,并利用疊加手段提高匹配算子的穩(wěn)定性,實現(xiàn)多種震源記錄的一致性。尚新民[10]根據(jù)高階統(tǒng)計理論,研究了雙譜相位重構(gòu)子波提取方法,通過對比可控震源與炸藥震源子波,認(rèn)為二者之間存在90°左右的相位差,通過相位調(diào)整校正炸藥震源與可控震源資料間的相位差異。向曉麗等[11]提出了將零相位的可控震源資料,通過相位調(diào)整進(jìn)行最小相位化處理的思路。龍正書[12]針對中國西部地區(qū)資料,提出了通過極性反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)可控震源資料與炸藥震源資料的一致性處理。陳志卿等[13]闡述了以振幅一致性校正為基礎(chǔ),根據(jù)反射系數(shù)一致性原理,利用Robinson模型,通過同位置激發(fā)的不同震源資料間的內(nèi)在關(guān)系求取濾波算子來進(jìn)行一致性處理。

總之,針對炸藥震源與可控震源采集的資料間的相位差異,處理中大都采用極性反轉(zhuǎn)或相位調(diào)整的方式來解決。雖然也有求取匹配算子實現(xiàn)相位一致性處理的方法,但匹配算子的求取大都基于疊加剖面記錄,采用對二者疊加剖面的互相關(guān)來實現(xiàn)。本文在對炸藥震源與可控震源實際采集資料分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)其單炮資料初至信息差異,提出了一種利用初至信息進(jìn)行子波提取和求取匹配算子的思路,直接利用最原始的初至信息,最大程度地避免了地層吸收衰減造成深層子波不一致的缺點,提取的子波更接近震源真實子波。最后用實際資料驗證了方法的處理效果。

1　方法原理

基于初至信息的可控震源資料匹配濾波技術(shù)可以實現(xiàn)可控震源與炸藥震源資料的相位一致性處理,其技術(shù)實現(xiàn)過程如圖1所示。

假設(shè)可控震源與炸藥震源單炮的初至子波記錄分別為xi(t)和yi(t)(i=1,2,…,n)。其中i為炮號;n為參與運算的總炮數(shù)。

對于任一單炮第i炮設(shè)計匹配濾波算子mi(t)作用于xi(t),使可控震源子波xi(t)經(jīng)過褶積濾波后逼近炸藥震源子波yi(t)。假設(shè)實際輸出xi(t)*mi(t)與期望輸出yi(t)的誤差為ei(t),則有:

(1)

圖1　基于初至信息的可控震源資料匹配濾波技術(shù)實現(xiàn)流程

誤差能量總和為:

(2)

應(yīng)用最小二乘法原理,令總誤差能量E對mi(t)的偏導(dǎo)數(shù)等于零,即:

(3)

可以得到求解匹配濾波算子的托布里茲(Toeplitz)矩陣方程:

(4)

式中:Rxx表示輸入道xi(t)的自相關(guān)函數(shù)矩陣;M為匹配濾波算子向量;Rzr表示期望輸出道yi(t)與輸入道xi(t)的互相關(guān)函數(shù)向量。

求解公式(4)的托布里茲矩陣方程,可以得到可控震源第i炮的匹配濾波算子mi(t)。對每組炸藥震源和可控震源初至子波得到的n個匹配濾波算子進(jìn)行平均,就得到可控震源匹配濾波算子:

(5)

將求得的匹配算子與可控震源的所有地震道褶積,完成可控震源資料的匹配濾波處理:

(6)

2　應(yīng)用實例

以勝利油田某工區(qū)炸藥震源與可控震源聯(lián)合施工的二維測線為例,說明該技術(shù)的實現(xiàn)過程與應(yīng)用效果。

圖2為同位置激發(fā)的可控震源單炮記錄(圖2a)與炸藥震源單炮記錄(圖2b),從二者的初至可以看出存在明顯的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,可控震源資料初至是右起跳,炸藥震源是左起跳,也就是存在近180°的相位差。

圖2　同位置激發(fā)的單炮記錄a 可控震源; b 炸藥震源

首先選取多組同位置激發(fā)的炸藥震源單炮記錄和可控震源單炮記錄,分別拾取它們的初至?xí)r間。利用拾取的初至?xí)r間,分別將單炮記錄沿初至拉平,使初至波校正到同一時間上,如圖3所示。

圖3　初至波同相軸拉平后的單炮記錄a 可控震源; b 炸藥震源

近偏移距的初至信息受震源激發(fā)干擾較大,遠(yuǎn)偏移距則拉伸較嚴(yán)重,選取初至信息較好的中間偏移距段,對拉平后的可控震源和炸藥震源初至分別疊加,提取各自的初至子波[14],如圖4所示。

圖4　提取的初至子波a 可控震源; b 炸藥震源

以炸藥震源子波作為期望輸出,應(yīng)用公式(5),求取可控震源的匹配濾波算子,見圖5。

根據(jù)公式(6),將求得的匹配濾波算子與可控震源記錄進(jìn)行褶積,完成可控震源資料的匹配濾波處理。

圖6顯示了匹配濾波算子與可控震源子波褶積的效果,匹配算子從最原始的初至信息求取。與傳統(tǒng)的直接進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)或180°相位調(diào)整相比,匹配濾波后的可控震源地震子波波形(圖6c)與炸藥震源子波波形(圖6a)更加接近,而采用傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果(圖6d) 方框位置處的波形與炸藥震源子波(圖6a) 形態(tài)差異較大。表明該方法相比于傳統(tǒng)方法有更明顯的校正效果。

圖7顯示了對可控震源單炮記錄進(jìn)行匹配濾波的處理結(jié)果。可以看出,經(jīng)過匹配濾波后的可控震源單炮記錄初至波形與炸藥震源單炮記錄初至波形基本相似,二者之間的相位差異明顯縮小,單炮記錄波形具有良好的一致性。

圖5　求取的可控震源匹配濾波算子

圖6　匹配濾波算子應(yīng)用于可控震源子波的效果對比a 炸藥震源子波; b 可控震源子波; c 匹配濾波后的可控震源子波; d 極性反轉(zhuǎn)或180°相位調(diào)整后的可控震源子波

圖7　應(yīng)用匹配濾波算子處理后的可控震源單炮記錄a 炸藥震源單炮記錄; b 可控震源單炮記錄; c 匹配濾波后可控震源單炮記錄

圖8顯示了可控震源數(shù)據(jù)經(jīng)匹配濾波后記錄的疊加剖面。匹配濾波處理前,兩種震源數(shù)據(jù)疊加剖面波組特征差異大,主要標(biāo)志層對應(yīng)關(guān)系差(圖8a)。對可控震源數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的極性反轉(zhuǎn)(或180°相位調(diào)整)處理后,疊加剖面與炸藥震源疊加剖面的波組對應(yīng)關(guān)系得到一定改善,但仍不夠理想(圖8b)。相比之下,匹配濾波后的疊加剖面與炸藥震源疊加剖面的波組對應(yīng)關(guān)系明顯改善,接口處相位差異小,同相軸的連續(xù)性得到大幅度提高(圖8c)。

圖8　應(yīng)用匹配濾波算子處理可控震源數(shù)據(jù)疊加剖面與炸藥震源數(shù)據(jù)疊加剖面的對比a 原始疊加剖面; b 可控震源數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)后疊加剖面; c 可控震源數(shù)據(jù)匹配濾波后疊加剖面

3　結(jié)論與討論

1) 與常規(guī)的極性反轉(zhuǎn)或相位調(diào)整等處理方法相比,基于初至信息的可控震源數(shù)據(jù)匹配濾波技術(shù)可以較好地實現(xiàn)可控震源與炸藥震源數(shù)據(jù)的一致性處理,提高剖面反射波組特征的一致性和反射波同相軸的連續(xù)性。

2) 與基于疊后匹配濾波處理方法相比,基于初至信息的可控震源數(shù)據(jù)匹配濾波技術(shù)可以實現(xiàn)不同震源疊前單炮記錄的一致性處理,有利于充分利用不同震源數(shù)據(jù)的疊前反射信息。

3) 利用勝利油田某探區(qū)采用炸藥震源和可控震源聯(lián)合施工采集的二維實際數(shù)據(jù),對可控震源記錄進(jìn)行了基于初至信息的匹配濾波處理,很好地消除了兩種震源地震數(shù)據(jù)間的相位差異,這可為今后解決野外采集中多種震源激發(fā)而造成的地震數(shù)據(jù)在相位特征上的不一致問題提供借鑒。

考慮到在炸藥震源與可控震源交替使用的過渡區(qū),兩種震源重復(fù)采集的單炮記錄不一定都能得到理想的初至波信息,因此在實際數(shù)據(jù)記錄的具體應(yīng)用中,重復(fù)采集的兩種震源單炮記錄無需全部應(yīng)用,只需選出幾個或幾十個初至波信息較好的單炮記錄,就可以利用該方法。并且在動校拉平的過程中,由于近偏移距的初至信息通常受震源激發(fā)干擾大、遠(yuǎn)偏移距存在拉伸較嚴(yán)重的問題,因此實際應(yīng)用時,一般都選取初至信息較好的中間偏移距段的數(shù)據(jù)進(jìn)行拉平疊加處理。

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