可控震源獨(dú)立同步掃描高效地震采集資料噪聲壓制方法

周 松,霍守東,胡立新,石太昆,趙國(guó)勇,舒國(guó)旭,莫延鋼,張 媛

(1.中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司,北京100020;2.油氣資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029;3.中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營(yíng)257086;4.中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司研發(fā)中心,北京100020)

“兩寬一高”地震勘探可以大幅提高地震數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)和成像質(zhì)量,是未來(lái)地震勘探的重點(diǎn)發(fā)展方向。而地震采集需要在經(jīng)濟(jì)成本與數(shù)據(jù)質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡。傳統(tǒng)采集方式是前一炮數(shù)據(jù)采集完成之后才進(jìn)行下一炮的激發(fā),因而先后激發(fā)的炮之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)。由于“兩寬一高”的勘探方式需要進(jìn)行高密度的炮檢點(diǎn)排列,因此,若采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行采集,必然需要投入高昂的勘探成本?？s短采集周期、提高采集效率、降低采集成本,成為野外地震數(shù)據(jù)采集的必然要求,因此,高效采集方式得到了廣泛關(guān)注。

高效采集是通過(guò)縮短相鄰炮之間的激發(fā)時(shí)間間隔來(lái)提高生產(chǎn)效率的一種野外數(shù)據(jù)采集方式。目前,高效采集的震源激發(fā)方式主要有4種:交替掃描激發(fā)、滑動(dòng)掃描激發(fā)、距離分離同步掃描激發(fā)和獨(dú)立同步掃描激發(fā)[1]。這些采集方式,通過(guò)縮短相鄰震源激發(fā)的時(shí)間間隔,提高了野外數(shù)據(jù)的采集效率。而獨(dú)立同步掃描激發(fā)方式,甚至無(wú)需考慮相鄰炮的激發(fā)狀態(tài),最大限度地提高了采集效率。

高效采集在提高采集效率的同時(shí),也給地震記錄帶來(lái)了嚴(yán)重的干涉炮能量干擾,從而嚴(yán)重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,因此,需要對(duì)地震記錄進(jìn)行干涉炮噪聲壓制。目前,對(duì)干涉炮噪聲進(jìn)行壓制的方法主要有2類(lèi):基于噪聲壓制類(lèi)的方法和基于稀疏反演類(lèi)的方法。

基于噪聲壓制類(lèi)方法的前提條件是地震信號(hào)的相干性。通常情況下,對(duì)于獨(dú)立同步掃描激發(fā)方式來(lái)說(shuō),在原始炮集記錄里,干涉炮噪聲和主炮信號(hào)類(lèi)似,具有較強(qiáng)的相干性。但是在其它道集,比如共檢波點(diǎn)道集、共偏移距道集或者共中心點(diǎn)道集,干涉炮噪聲則往往表現(xiàn)為隨機(jī)噪聲,此時(shí),利用常規(guī)噪聲壓制方法,便可對(duì)干涉炮噪聲進(jìn)行壓制。HUO等[2]提出了利用矢量中值濾波進(jìn)行干涉炮噪聲壓制的方法。在此基礎(chǔ)上,CHEN[3]和王文闖等[4]分別提出了變窗口中值濾波和基于α-trimmed矢量中值濾波干涉炮能量壓制的方法。HOOVER等[5]使用隨機(jī)噪聲衰減方法壓制干涉炮噪聲。MOORE等[6]和AKERBERG等[7]利用稀疏約束的拉冬變換實(shí)現(xiàn)了主炮信號(hào)與干涉炮噪聲的數(shù)據(jù)分離;ZHANG等[8]采用加權(quán)τ-p變換的方法進(jìn)行干涉炮噪聲的壓制;曲英銘等[9]針對(duì)可控震源高效采集地震數(shù)據(jù)中的兩種特征干擾噪聲進(jìn)行了噪聲壓制;丁偉等[10]將高效地震采集技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)西部HS地區(qū)復(fù)雜山前帶三維地震勘探,有效提高了地震剖面的成像效果。

壓制干涉炮噪聲的另一大類(lèi)方法是基于稀疏反演類(lèi)的,WASON等[11]通過(guò)曲波域的L1范數(shù)稀疏反演進(jìn)行了主炮信號(hào)與干涉炮噪聲的分離;SPITZ等[12]和MAHDAD等[13]通過(guò)迭代方式對(duì)干涉炮能量進(jìn)行估算,并用自適應(yīng)相減法實(shí)現(xiàn)干涉炮噪聲的去除;ABMA等[14]將主炮信號(hào)的相干性作為約束條件進(jìn)行反演,取得了良好的信噪分離效果。

本文提出一種L1正則化和L0正則化混合迭代壓制干涉炮噪聲的方法。首先,簡(jiǎn)單介紹了基于信號(hào)相干性的干涉炮噪聲去除方法;然后,介紹了基于稀疏反演的干涉炮噪聲去除方法,利用實(shí)際資料干涉炮噪聲的壓制效果對(duì)比了2種方法的優(yōu)劣;最后,采用稀疏反演方法對(duì)實(shí)際資料去噪結(jié)果進(jìn)行疊加處理,獲得和常規(guī)采集相當(dāng)?shù)寞B加結(jié)果,但高效采集提高了效率,從而降低了采集成本。

1 基于信號(hào)相干性的干涉炮噪聲壓制

中值濾波法是一種有效壓制隨機(jī)噪聲的信號(hào)處理方法,其基本原理是把數(shù)字序列或數(shù)字圖像中某點(diǎn)的值用該點(diǎn)的某個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值來(lái)代替,從而壓制隨機(jī)噪聲。矢量中值濾波為中值濾波的擴(kuò)展,下面介紹其定義。

假設(shè)一組矢量可表示為{Xi|i=1,2,…,N},則對(duì)應(yīng)地,這組矢量的距離函數(shù)就可以表示為:

(1)

Xj∈{Xi|i=1,2,…,N}

式中:l=0,1,2或∞,本文中l(wèi)取1和0。該組矢量的中值矢量Xm可以表示為:

(2)

基于矢量中值濾波的定義,可以建立中值濾波器去除地震記錄的干涉炮噪聲。矢量元素可以通過(guò)在一個(gè)地震道內(nèi)的滑動(dòng)時(shí)窗獲得。但矢量中值濾波需要有一個(gè)假設(shè)前提,即地下反射界面是水平的。通常情況下,這樣的假設(shè)很難滿(mǎn)足。因此,HUO等[2]提出了多方向的矢量中值濾波方法,表示如下:

(3)

同樣,公式(3)中的中值矢量Xm(p)可以表示為:

(4)

式中:p代表傾角方向;Xj(p)為沿其中一個(gè)方向p的矢量。利用多方向的矢量中值濾波方法,可以對(duì)干涉炮噪聲進(jìn)行有效壓制。

2 基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制

基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,通過(guò)地震記錄的混疊延時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)造混疊參數(shù)矩陣,然后利用該矩陣將干涉炮噪聲分離抽象成一個(gè)矩陣求解問(wèn)題。由于混疊矩陣的逆往往不存在,所以不能通過(guò)矩陣求逆直接得到干涉炮噪聲壓制后的地震數(shù)據(jù),而是將混疊參數(shù)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置與混疊數(shù)據(jù)矩陣的相乘結(jié)果作為反演初值進(jìn)行迭代反演。由于該矩陣求解是一個(gè)欠定問(wèn)題,因此在求解的時(shí)候需要加上正則化條件進(jìn)行約束反演。

對(duì)于不存在延遲時(shí)間的兩個(gè)震源同時(shí)激發(fā),假設(shè)獲得的地震記錄S為:

(5)

式中:S1,S2分別表示單一震源激發(fā)得到的地震記錄。由于此方程欠定,故存在多解性。如果引入時(shí)間延遲序列Γ,便可得到方程組:

(6)

上述方程組可簡(jiǎn)寫(xiě)為:

(7)

建立目標(biāo)函數(shù):

(8)

式中:C表示稀疏變換;λ表示拉格朗日乘子。

通常,可采用L0和L1約束進(jìn)行該目標(biāo)函數(shù)的求取。本文采用L1正則化和L0正則化混合迭代的算法求解該目標(biāo)函數(shù),完成干涉炮噪聲的壓制。首先,應(yīng)用軟閾值迭代算法求解如下問(wèn)題:

(9)

通過(guò)求解該問(wèn)題,可以為下一步的計(jì)算提供一個(gè)好的迭代初值,并估計(jì)信號(hào)的稀疏水平。然后,采用硬閾值迭代算法求解以下問(wèn)題:

(10)

通過(guò)迭代反演,直至獲得最優(yōu)的干涉炮噪聲壓制結(jié)果。

3 實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理

以西部沙漠某工區(qū)的三維可控震源分布式獨(dú)立掃描高效采集地震數(shù)據(jù)為例。工區(qū)范圍約200km2,設(shè)計(jì)20束段、151排炮,總炮數(shù)為36240炮,共分12個(gè)區(qū)塊進(jìn)行可控震源的獨(dú)立同步掃描。由于每個(gè)區(qū)塊的震源掃描不考慮其它區(qū)塊震源的工作狀態(tài),因此干涉炮噪聲成為影響地震記錄質(zhì)量的重要干擾。圖1 為掃描信號(hào)與母記錄相關(guān)后的某個(gè)排列的兩炮地震記錄,對(duì)比有效信號(hào)和干擾的能量可以看出:干涉炮噪聲能量強(qiáng),三角區(qū)噪聲嚴(yán)重,部分諧波干擾較強(qiáng);而有效信號(hào)較弱,同相軸不夠清晰連續(xù),部分同相軸被干涉炮噪聲徹底淹沒(méi),無(wú)法拾取初至走時(shí)。

干涉炮噪聲壓制的主要流程:首先,在共炮點(diǎn)道集對(duì)部分噪聲進(jìn)行壓制;然后,將共炮點(diǎn)道集的地震記錄分選為共接收點(diǎn)道集(或共中心點(diǎn)道集、共偏移距道集等),在這些道集對(duì)干涉炮噪聲做進(jìn)一步壓制;最后,將干涉炮噪聲壓制后的道集分選回共炮點(diǎn)道集,獲得最終干涉炮噪聲壓制后的結(jié)果。因此,首先根據(jù)可控震源自主掃描獲得地震記錄的干涉炮噪聲特征,在共炮點(diǎn)道集對(duì)其進(jìn)行壓制,同時(shí)一并去除三角區(qū)噪聲、諧波干擾等噪聲。圖1a所示的地震記錄去噪后的結(jié)果如圖2所示。對(duì)比圖1a和圖2可以看出,共炮點(diǎn)道集去噪后,部分噪聲得到了較為有效的壓制,但道集中還存在相當(dāng)一部分的干涉炮噪聲。

圖1 可控震源獨(dú)立同步掃描原始地震記錄a 原始地震記錄1;b 原始地震記錄2

對(duì)去噪后的共炮點(diǎn)道集地震記錄進(jìn)行抽道集處理,獲得共中心點(diǎn)道集地震記錄(圖3a)。分別采用基于信號(hào)相干性的矢量中值濾波干涉炮噪聲壓制方法和基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,對(duì)圖3a所示的共中心點(diǎn)道集地震記錄進(jìn)行干涉炮噪聲壓制,結(jié)果如圖3b和圖3c所示。對(duì)比圖3b和圖3c可以看出,在不傷害有效信號(hào)的情況下,矢量中值濾波方法保留了較多的干涉炮噪聲,而基于稀疏反演的去噪方法可以將干涉炮噪聲壓制得比較干凈,其結(jié)果優(yōu)于矢量中值濾波去噪的結(jié)果。經(jīng)過(guò)在共炮點(diǎn)道集和共中心點(diǎn)道集兩次去噪處理之后,原始地震記錄的干涉炮噪聲基本上被壓制。將共中心點(diǎn)道集的稀疏反演去噪結(jié)果分選到共炮點(diǎn)道集,得到如圖4a所示的干涉炮噪聲壓制后的單炮地震記錄(其去噪前記錄見(jiàn)圖1a),圖4b為去除的噪聲。從圖4a可以看出,干涉炮噪聲得到了很好的壓制,并且去除的噪聲(圖4b)中幾乎不含有效信號(hào)。該處理方法最大程度地保留了原始記錄中的有效信號(hào)。從圖4a還可以看出,初至走時(shí)的拾取不再困難。

圖3 抽取的共中心點(diǎn)道集及其去噪結(jié)果a 抽取的共中心點(diǎn)道集;b 矢量中值濾波去噪結(jié)果;c 稀疏反演去噪結(jié)果

將干涉炮噪聲壓制前后的地震記錄分別進(jìn)行疊加,并抽取疊加剖面,如圖5所示。圖5a為原始炮記錄的疊加剖面,圖5b為干涉炮噪聲壓制后的疊加剖面,圖5c為圖5a與圖5b之差,即為去除的噪聲。對(duì)比該組疊加剖面可以看出,干涉炮噪聲能量得到了很好的壓制,地震剖面質(zhì)量得到了極大提高。原始疊加剖面的很多同相軸被干涉炮噪聲淹沒(méi),淺層更甚,基本無(wú)法追蹤同相軸;干涉炮噪聲壓制后的地震記錄,淺層同相軸清晰地顯現(xiàn)出來(lái),中深層同相軸也更加清晰連續(xù),為后續(xù)處理提供良好的疊加數(shù)據(jù)。

圖4 利用基于稀疏反演去噪方法對(duì)圖1a所示原始記錄去噪后的單炮記錄(a)和去除的噪聲(b)

圖5 疊加剖面對(duì)比a 原始疊加剖面;b 干涉炮噪聲壓制后的疊加剖面;c 去除的噪聲

4 結(jié)論與建議

本文研究了可控震源獨(dú)立同步掃描的地震記錄干涉炮噪聲壓制方法。首先在共炮點(diǎn)道集進(jìn)行去噪處理,然后在共中心點(diǎn)道集做進(jìn)一步的干涉炮噪聲壓制,最終獲得高質(zhì)量的地震記錄。比較了基于信號(hào)相干性的矢量中值濾波干涉炮噪聲壓制方法和基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,可以看出,基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法可以獲得更好的去噪效果。靜校正問(wèn)題的存在,會(huì)降低主炮信號(hào)的相干性,因此基于信號(hào)相干性的干涉炮噪聲壓制方法受靜校正影響較為嚴(yán)重。而基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,可以不考慮靜校正的影響,并且在壓制干涉炮噪聲的同時(shí)不破壞初至波信息,干涉炮噪聲壓制后仍舊可以對(duì)地震資料進(jìn)行靜校正處理。