王正良,肖國(guó)強(qiáng),付群禮,呂震川,姚宗惠,史慶陽(yáng),高 斌,伊鴻斌,高 強(qiáng),張 鵬,侯 杰,史炳程,王彥鐸,焦桂行
(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司長(zhǎng)慶物探處,陜西 西安 710021)
在鄂爾多斯盆地西北部地震勘探采集時(shí),由于部分區(qū)域海拔高,季風(fēng)使地表的草木隨風(fēng)而動(dòng),形成強(qiáng)度較大的隨機(jī)干擾;加之疏松的沙土層、巨厚黃土層對(duì)地震波吸收強(qiáng)烈,激發(fā)引起更多的次生震動(dòng),多因素導(dǎo)致該區(qū)地震資料低信噪比低,影響地震勘探效果。通過(guò)提高覆蓋次數(shù)壓制隨機(jī)干擾難度大,野外檢波器組合可有效壓制隨機(jī)干擾。前人對(duì)檢波器組合研究較多,研究重點(diǎn)往往是檢波器組合對(duì)面波、折射波等規(guī)則干擾波的壓制方法[1],盒子波對(duì)隨機(jī)噪聲的壓制作用[2],檢波器組合壓制規(guī)則干擾波,散射波干擾等[3-6];合理提高檢波器組合高差可壓制長(zhǎng)波長(zhǎng)規(guī)則干擾波,提高構(gòu)造勘探信噪比[7-10];將檢波器組合與震源組合匹配可壓制規(guī)則干擾波、拓寬地震波頻帶寬度[11-13];組合基距大于18 m會(huì)影響淺部煤層勘探中的高頻成分[14],較大組合基距20~120 m引起的靜校正誤差會(huì)影響剖面質(zhì)量[15]。
這些成果反映了研究檢波器組合重點(diǎn)在壓制規(guī)則干擾波,或是理論研究為主,對(duì)隨機(jī)噪聲的分析不是重點(diǎn),也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)鄂爾多斯盆地具體地域隨機(jī)噪聲的衰減進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)分析與論述。近年來(lái),雖然在盆地內(nèi)運(yùn)用高覆蓋、高炮道密度、單點(diǎn)接收等三維地震勘探新技術(shù),但是,在低信噪比復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用效果并不理想,無(wú)法滿足地質(zhì)需求,這成為地震勘探的一個(gè)難點(diǎn)?;诖?,以盆地內(nèi)低信噪比復(fù)雜地區(qū)為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析了檢波器組合高差、組合基距對(duì)采集資料頻率的影響、組內(nèi)距對(duì)資料信噪比的影響方式,以期為類(lèi)似地區(qū)地震勘探采集提供技術(shù)參考。
鄂爾多斯盆地A、B地區(qū)位于盆地西北部,表層巖性為沙土、黃土、砂巖(圖1),巖性和地球物理參數(shù)變化快。目的層為中生代、古生代地層,反射弱,地震采集資料信噪比低;其中本次研究區(qū)A區(qū)處于季風(fēng)主要通道,地表小植被豐富,廣泛分布成行的沙棘林,風(fēng)吹草動(dòng),常形成嚴(yán)重的自然環(huán)境隨機(jī)干擾,致使地震單炮記錄信噪比迅速下降,屬于信噪比低的復(fù)雜地區(qū)。由于隨機(jī)噪聲頻帶寬、強(qiáng)度大于有效信號(hào),要提高資料信噪比,需要采用超高覆蓋次數(shù)采集方法來(lái)彌補(bǔ),施工技術(shù)難度很大,成本高。
圖1 鄂爾多斯盆地低信噪比區(qū)域Fig.1 Low SNR area in Ordos Basin
A地區(qū)的隨機(jī)干擾影響嚴(yán)重,從該區(qū)單點(diǎn)SN 5-5Hz檢波器接收的典型單炮記錄(圖2)上可以看出,初至前背景噪聲能量強(qiáng),將絕大部分初至淹沒(méi),從近道至遠(yuǎn)道均分布強(qiáng)能量的隨機(jī)噪聲,常使初至波起跳位置難以確定,初至拾取不準(zhǔn)確,將會(huì)影響后續(xù)資料處理環(huán)節(jié)的靜校正精度,其次會(huì)導(dǎo)致目的層反射波同相軸不連續(xù),難以有效識(shí)別,進(jìn)一步影響高頻剩余靜校正量計(jì)算,造成更嚴(yán)重高截濾波,同時(shí)影響動(dòng)校正精度,這是該區(qū)引起信噪比降低的主要因素之一。
圖2 單點(diǎn)接收的寬檔單炮記錄Fig.2 Wide range single shot record received by single point geophone
因此,在采集環(huán)節(jié),檢波器組合方法應(yīng)重點(diǎn)壓制隨機(jī)干擾,提高資料信噪比。
檢波器組合是指在一個(gè)地震道上同時(shí)使用多個(gè)地震檢波器,并按一定形式布成的接收地震信號(hào)的陣列,把這些檢波器的輸出疊加起來(lái)作為這一地震道的信號(hào),又稱組合檢波,主要用來(lái)壓制規(guī)則干擾波和隨機(jī)干擾。其主要參數(shù)有組合基距、組內(nèi)距、組內(nèi)高差,組合個(gè)數(shù)等。
組內(nèi)高差是指同一地震道內(nèi)不同檢波器位置之間的最大高差。在野外地震資料采集時(shí),檢波器埋置條件、表層地層速度、組內(nèi)高差等因素很容易造成組內(nèi)檢波器之間數(shù)毫秒的時(shí)差。假設(shè)由于高差引起的組內(nèi)時(shí)差也大致服從正態(tài)分布,這種正態(tài)分布的概率函數(shù)[16]具有如下形式:
式中:PN(x)為誤差幾率;x為組合高差導(dǎo)致的時(shí)差;σ為組內(nèi)時(shí)差均方根值(σ2為方差);u為組內(nèi)時(shí)差的均值。
式(1)的振幅譜表示為:
式中:f為頻率;A(f)為振幅譜。由式(2)可知,時(shí)差對(duì)信號(hào)起到了高截濾波作用。以A地區(qū)為例進(jìn)行計(jì)算,檢波器組內(nèi)高差分別是1.0、1.5、2.0 m,表層速度為600 m/s,則以上高差引起的時(shí)差分別為1.7、2.5、3.3 ms,分別計(jì)算其濾波器頻譜(圖3),當(dāng)振幅為0.5時(shí),對(duì)應(yīng)的高截頻率分別為114、76、56 Hz。
圖3 鄂爾多斯盆地A地區(qū)組內(nèi)高差與頻率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between intra-group elevation difference and frequency in area A in Ordos Basin
一般,盆地內(nèi)地震資料采集質(zhì)量要求道內(nèi)檢波器組合高差控制在1 m以內(nèi),按振幅為0.5計(jì)算,高截頻率在114 Hz,時(shí)差不超過(guò)± 2 ms,對(duì)高頻信號(hào)影響也非常小;而且,盆地內(nèi)大部分成果剖面高頻有效信號(hào)基本都在70 Hz以內(nèi),遠(yuǎn)小于以上高截頻率。
在采用檢波器組合時(shí),將同一組合內(nèi)相距最遠(yuǎn)的2個(gè)檢波器之間的距離稱為組合基距。由于炮檢距的原因,組合基距對(duì)反射波而言,也會(huì)引起檢波器組合時(shí)差,從而造成低通濾波作用。相對(duì)于組合中心反射波到達(dá)時(shí)間,組合基距引起的時(shí)差為:
式中:Δtd表示基距引起的反射波到達(dá)時(shí)差;t0為自激自收時(shí)間;x為炮檢距;Δx為組合基距;v為反射波在反射界面以上介質(zhì)中的速度(圖4)。
圖4 基距引起反射波的時(shí)差Fig.4 Time difference diagram of reflected wave caused by base distance
同一點(diǎn)組合,時(shí)差是時(shí)變的,與深度、速度有關(guān),深層影響小于淺層。不同點(diǎn)組合,時(shí)差是空變的,大炮檢距影響大于小炮檢距的。根據(jù)式(3),以A地區(qū)地層為例,中生界自激自收旅行時(shí)間為1 400 ms,平均速度3 700 m/s;古生界自激自收旅行時(shí)間為2 000 ms、平均速度4 500 m/s,炮檢距5 000 m,基距1~30 m,分別進(jìn)行計(jì)算分析,當(dāng)組合基距為13 m時(shí),對(duì)中生界影響時(shí)差± 2.44 ms,對(duì)古生界則是± 1.44 ms。就淺層而言,2.5 ms可以保護(hù)到高頻70 Hz,深層可以保護(hù)到80 Hz以內(nèi)。因此,理論分析該區(qū)最大基距小于等于13 m。
因此,組合高差、組合基距造成的時(shí)差在A地區(qū)對(duì)地震資料高頻影響有限,所以,本文將重點(diǎn)分析有效壓制隨機(jī)干擾的組內(nèi)距方面。
在采用檢波器組合時(shí),將同一組合內(nèi)相鄰兩個(gè)檢波器之間的距離稱為組內(nèi)距。組內(nèi)距大于隨機(jī)干擾半徑時(shí),用n個(gè)檢波器組合后,信噪比可增加倍。
2.3.1 盒子波調(diào)查隨機(jī)干擾相關(guān)半徑
采用方形排列[17-18](盒子波)調(diào)查隨機(jī)干擾方法,24 m×24 m接收,每道單個(gè)SN 7 C-10 Hz檢波器接收,組合中心也用一個(gè)檢波器接收、小面積調(diào)查方法,采集儀器型號(hào)為G3i。為了保證記錄噪聲的品質(zhì),試驗(yàn)點(diǎn)選擇遠(yuǎn)離人為干擾源,現(xiàn)場(chǎng)有專(zhuān)人警戒,確保噪聲來(lái)自環(huán)境背景噪聲。
陸基孟等[19]認(rèn)為隨機(jī)干擾是沒(méi)有固定頻率,也沒(méi)有固定傳播方向的波,在記錄上形成雜亂無(wú)章的干擾背景,對(duì)其特性只能用概率統(tǒng)計(jì)理論。多點(diǎn)接收的地震記錄上隨機(jī)干擾振幅既隨時(shí)間變化又隨檢波點(diǎn)位置變化,是時(shí)間t和接收點(diǎn)位置的函數(shù)u(x,t),固定某時(shí)刻u(x,tR)是隨機(jī)干擾的波剖面。隨機(jī)干擾可視為具有各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)的、平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程,所以,u(x,tR)和u(xR,t)的統(tǒng)計(jì)特性相同。組合是同一炮激發(fā)各檢波器輸出的疊加,即時(shí)間相同而位置不同,所以只與位置相關(guān),即使用隨機(jī)干擾波剖面來(lái)研究其統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)于均值為零的隨機(jī)過(guò)程,只需要研究自相關(guān)函數(shù)Rnn(t)就可以充分描述隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性。但在對(duì)實(shí)際資料進(jìn)行分析時(shí),輸出的均值代表疊加道,所以應(yīng)同時(shí)對(duì)相關(guān)函數(shù)和均值進(jìn)行研究。平均值公式和相關(guān)函數(shù)分別為:
式中:ni為隨機(jī)干擾的波剖面;為波剖面的均值;m-l為計(jì)算自相關(guān)時(shí)2個(gè)波形振幅值對(duì)應(yīng)相乘的項(xiàng)數(shù);Δx為隨機(jī)干擾記錄中的道間距。
橫向(南北向,圖5)在0 m時(shí),自相關(guān)函數(shù)為最大值1,為信號(hào)能量;在1.7 m位置處,自相關(guān)函數(shù)首次達(dá)到0,為不相關(guān)。所以,橫向隨機(jī)干擾相關(guān)半徑為第一個(gè)零值點(diǎn)1.7 m。
縱向(東西向,圖6),自相關(guān)函數(shù)在1.8~2.0 m值為0.03,首次趨于0,為不相關(guān)。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)特征及數(shù)值,參考橫向相關(guān)半徑,最后基本確定縱向相關(guān)半徑為第一個(gè)趨近零值的1.8~2.0 m。
圖5 橫向不同距離自相關(guān)函數(shù)曲線Fig.5 Auto correlation function curve of different lateral distance
圖6 縱向不同距離自相關(guān)函數(shù)曲線Fig.6 Auto correlation function curve with different longitudinal distance
在綜合分析縱向、橫向隨機(jī)半徑結(jié)果后,A區(qū)隨機(jī)干擾相關(guān)半徑為1.7~2.0 m。為了有效衰減隨機(jī)干擾,需采用大于等于隨機(jī)干擾半徑的檢波器組內(nèi)距。
2.3.2 不同組內(nèi)距隨機(jī)干擾能量分析
為了進(jìn)一步檢驗(yàn)隨機(jī)干擾相關(guān)半徑的準(zhǔn)確性,采用盒子波試驗(yàn),對(duì)同一時(shí)間內(nèi)單個(gè)檢波器接收的噪聲記錄對(duì)比,根據(jù)0~11 m不同組內(nèi)距選擇其中不同的6個(gè)檢波器組合,對(duì)6道隨機(jī)干擾記錄進(jìn)行疊加,計(jì)算組合后的噪聲能量,并進(jìn)行能量分析(圖7)。組內(nèi)距0 m時(shí),為原始單道,隨機(jī)噪聲能量強(qiáng),能量曲線值最大;組內(nèi)距2~3 m時(shí)疊加能量衰減至最低,在能量曲線拐點(diǎn)最小值處,隨機(jī)干擾衰減最明顯。
圖7 6個(gè)檢波器組合不同組內(nèi)距噪聲疊加能量分析Fig.7 Energy analysis of noise superposition in different internal distance of six geophone array
最后,通過(guò)不同組內(nèi)距隨機(jī)噪聲疊加能量分析判定,隨機(jī)干擾相關(guān)半徑約2 m,檢波器組內(nèi)距3 m,能穩(wěn)定有效壓制隨機(jī)干擾,大于3 m組內(nèi)距也能較好地衰減隨機(jī)干擾。
2.3.3 不同組合個(gè)數(shù)隨機(jī)干擾疊加能量、頻譜分析
為了確定組合個(gè)數(shù)分別以組內(nèi)距1 m和組內(nèi)距3 m,對(duì)1~12個(gè)不同檢波器組合個(gè)數(shù)進(jìn)行隨機(jī)噪聲疊加能量、頻譜分析。
組內(nèi)距為1 m時(shí),對(duì)1~12不同組合個(gè)數(shù)進(jìn)行噪聲疊加能量(圖8)、頻譜對(duì)比(圖9)分析,噪聲隨檢波器組合個(gè)數(shù)增加逐漸緩慢降低;頻譜分析顯示檢波器在1~10組合個(gè)數(shù)時(shí),壓制明顯,但高頻未完全消失;在1~3個(gè)檢波器組合時(shí),疊加能量(圖10)快速下降,從0.39下降到0.27;3~5個(gè)組合數(shù)時(shí),下降速度略緩,降至0.22;5~10個(gè)組合時(shí),緩慢下降,降至能量為0.17;10~12個(gè)組合能量未變。
圖8 不同組合道數(shù)噪聲記錄對(duì)比Fig.8 Noise record comparison of different geophone array number
圖9 不同組合道數(shù)噪聲記錄頻譜分析Fig.9 Noise record spectrum analysis of different geophone array number
組內(nèi)距為3 m時(shí),進(jìn)行同樣分析,噪聲疊加能量隨檢波器組合個(gè)數(shù)增加快速降低;頻譜分析顯示在5個(gè)組合時(shí),高頻能量明顯被壓制,6~12個(gè)組合頻譜變化不大;疊加能量在1~2個(gè)檢波器組合時(shí),疊加能量快速?gòu)?.39降至0.20;2~3個(gè)組合下降稍緩,降至0.16;3~5個(gè)組合下降更慢,降至0.13;6~12個(gè)組合變化不大。
通過(guò)對(duì)組內(nèi)距分別為1 m和3 m,1~12不同組合數(shù)噪聲疊加能量、頻譜等對(duì)比,1 m組內(nèi)距時(shí),12個(gè)檢波器組合仍壓制不住隨機(jī)干擾;3 m組內(nèi)距能快速壓噪,5~6個(gè)檢波器組合可以壓制噪聲。當(dāng)噪聲疊加能量振幅為0.2時(shí),組內(nèi)距1 m需要6個(gè)檢波器組合,組內(nèi)距3 m需要2個(gè)檢波器組合,所用個(gè)數(shù)比為3∶1。
對(duì)于同一段地下反射界面,共炮點(diǎn)單炮記錄檢波點(diǎn)道距均勻,反射點(diǎn)也均勻,而共檢波點(diǎn)道集所用炮點(diǎn)不均勻分布,反射點(diǎn)也不均勻,本次分析的試驗(yàn)段炮點(diǎn)分布較均勻,處理時(shí),采用共檢波點(diǎn)記錄進(jìn)行效果分析。
圖11為組內(nèi)距1 m和3 m,1~8個(gè)檢波器線性組合的單炮記錄(40~90 Hz濾波后)。由圖11可知,組內(nèi)距1 m記錄中,1~6個(gè)檢波器組合,背景噪聲隨檢波器組合個(gè)數(shù)增大逐漸減弱,有效波增強(qiáng),壓制效果逐漸變好,信噪比依次提高;7~8個(gè)檢波器組合綜合效果提升較緩。而組內(nèi)距3 m記錄中,1~2個(gè)檢波器組合,背景噪聲在組合后較快減弱,有效波增強(qiáng),壓制效果增強(qiáng),信噪比得到提高;3~8個(gè)檢波器組合綜合效果隨組合數(shù)緩慢提升,同時(shí),2個(gè)檢波器組合效果與組內(nèi)距1 m的6個(gè)檢波器組合壓制效果相當(dāng),基本壓制住隨機(jī)干擾,有效波得到加強(qiáng),資料信噪比明顯提高。
圖10 不同檢波組合個(gè)數(shù)噪聲能量分析Fig.10 Noise energy analysis of different geophone array number
圖11 不同檢波器組合個(gè)數(shù)單炮記錄效果對(duì)比Fig.11 Comparison of the effect of single shot record of different geophone array number
單炮記錄信噪比是用互相關(guān)算法進(jìn)行估算的,該算法的基本假設(shè)為:對(duì)于相鄰地震道,有效反射波信號(hào)具有相關(guān)性,而噪聲不具有相關(guān)性。對(duì)地震道先做互相關(guān),再通過(guò)多道統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得到互相關(guān)法計(jì)算信噪比的公式,從而得到估算的信噪比。圖12為原始記錄進(jìn)行信噪比計(jì)算結(jié)果。由圖12 分析可知,組內(nèi)距1 m時(shí),信噪比從1組合的0.99逐次增至6組合的1.45,增加慢,7~8組合信噪比為1.48,變化小。組內(nèi)距3 m時(shí),信噪比從1組合的0.99增至2組合的1.38,增加快,3~8組合為1.44~1.51,變化小。組內(nèi)距3 m時(shí)2個(gè)檢波器線性組合信噪比就可以達(dá)到組內(nèi)距為1 m時(shí)6個(gè)檢波器線性組合效果,而且與3~8組合數(shù)信噪比相當(dāng)。從試驗(yàn)資料的面積組合和線性組合效果對(duì)比可知,根據(jù)組合基距與組內(nèi)基距要求,遵循小基距、大內(nèi)距方法,面積組合的信噪比較好。
圖12 不同檢波器組合個(gè)數(shù)的單炮記錄信噪比Fig.12 S/N comparison of single shot record of different geophone array number
檢波器線性組合時(shí),組內(nèi)距1 m,組合個(gè)數(shù)6個(gè)與組內(nèi)距3 m,組合個(gè)數(shù)2個(gè),均能達(dá)到所需的相當(dāng)能量和信噪比。
為了確定實(shí)際生產(chǎn)中的有效組內(nèi)距,本文分別采用4個(gè)與9個(gè)檢波器組合,進(jìn)行1~23 m組內(nèi)距單炮記錄信噪比對(duì)比(圖13)。從圖13中可以看出:4個(gè)檢波器組合在組內(nèi)距3、4、10、17、22 m時(shí)信噪比均達(dá)到局部高點(diǎn),信噪比在1.435~1.535,變化不大;9個(gè)檢波器組合在組內(nèi)距3~4 m,9~11 m時(shí)均達(dá)到局部高點(diǎn),信噪比在1.558~1.650,變化不大。綜合分析認(rèn)為組內(nèi)距3 m時(shí),信噪比效果較好,說(shuō)明隨機(jī)干擾半徑2 m左右是準(zhǔn)確的,實(shí)際應(yīng)用效果明顯、簡(jiǎn)便。
圖13 不同組內(nèi)距記錄信噪比分析Fig.13 S/N analysis of record of different geophone array interval
根據(jù)實(shí)際單炮記錄,1~23 m組內(nèi)距的信噪比對(duì)比分析得出:不論4個(gè),還是9個(gè)檢波器組合,組內(nèi)距3 m以后,再增大組內(nèi)距是無(wú)意義的??傊?,多次疊加的統(tǒng)計(jì)效應(yīng),其原理與檢波器組合相同。即如果道集內(nèi)各道記錄到的隨機(jī)干擾是互不相關(guān)的,則經(jīng)n次疊加后,隨機(jī)干擾只增強(qiáng)倍。有效波疊加后增強(qiáng)了n倍,則疊加后信噪比增加倍。如果組內(nèi)距小于隨機(jī)干擾相關(guān)半徑,則疊加后信噪比增加倍,β與噪聲相關(guān)性有關(guān)。因此,在野外檢波器組內(nèi)距要大于隨機(jī)干擾相關(guān)半徑,采用不小于3 m組內(nèi)距進(jìn)行檢波器組合,則β值為0,信噪比增加倍;小于干擾半徑,則β屬于(0,1),信噪比小于。
為了便于施工,采用2串12個(gè)SN 7 C-10 Hz檢波器組合,組內(nèi)高差小于1 m,組內(nèi)距3 m,組合基距15 m,面積組合,與單點(diǎn)SN 5-5 Hz檢波器進(jìn)行接收效果對(duì)比,從單炮記錄分析可知(圖14),檢波器組合接收的目的層同相軸連續(xù)性好,目的層波組齊全、清晰,信噪比高,而單點(diǎn)接收信噪比低,背景干擾壓制效果一般,目的層連續(xù)性差。該區(qū)后續(xù)剖面成果也證明,單點(diǎn)接收剖面信噪比要達(dá)到與其相同的信噪比,覆蓋次數(shù)需達(dá)到檢波器組合接收剖面的數(shù)倍,導(dǎo)致成本增高。
a.在鄂爾多斯盆地低信噪比復(fù)雜地區(qū),當(dāng)隨機(jī)干擾為資料信噪比低的主要影響因素時(shí),應(yīng)將野外接收環(huán)節(jié)的檢波器組合的重點(diǎn)放在有效壓制隨機(jī)干擾方面,盒子波調(diào)查隨機(jī)干擾相關(guān)半徑約2 m,組內(nèi)距應(yīng)采用大于其距離,才能有效衰減較強(qiáng)能量隨機(jī)干擾,提高地震采集資料信噪比。
圖14 檢波器組合記錄與單點(diǎn)記錄對(duì)比Fig.14 Comparison of combined geophone record and single geophone record
b.在盆地低信噪比復(fù)雜地區(qū)野外采集時(shí),有效的檢波器組合方法是組合高差小于1 m、組合基距9~13 m,組內(nèi)距3 m,線性組合或者面積組合,既能有效衰減高能量的隨機(jī)干擾,提高信噪比,又能保護(hù)有效波高頻成分,實(shí)際單炮顯示,該檢波器組合方法接收效果信噪比高,目的層連續(xù)性好,高頻段資料品質(zhì)好,整體效果優(yōu)于單點(diǎn)檢波器的。
致謝:本研究?jī)?nèi)容是長(zhǎng)慶物探人共同奮斗成果之一,向參與者表示衷心感謝和致敬!同時(shí)感謝審稿專(zhuān)家和編輯老師給出的寶貴意見(jiàn)和指導(dǎo)!