2. 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司, 新疆克拉玛依 834099
2. Xinjiang Oilfield Branch, PetroChina Co Ltd., Karamay 834099, China
可控震源高效采集技术是提高高密度空间采样经济可行的重要技术, 这种地震数据采集模式通过多组可控震源不间断扫描缩短采集周期来实现高性价比地震采集。目前国内可控震源高效采集技术已经实现了动态滑动扫描[1-5], 该技术遵照事先确定的某个时间距离规则[6], 动态调整滑动扫描时间, 按照多组震源所处的位置及其间距选择滑动或同步距离进行扫描。可控震源高效采集技术大幅度提高了野外地震采集的作业效率, 但相对于常规采集方式(无论是井炮激发还是可控震源激发), 这种采集技术需要投入更多数量的震源以及更小的炮间激发时间间隔, 从而带来更多的震源谐波噪声和震源移动的机械噪声, 这些噪声统称为可控震源高效采集噪声。其中, 谐波噪声与滑动时间、相邻两组激发震源间距有关, 滑动时间越长、相邻两组激发震源间距越大, 谐波噪声影响越弱, 反之则越强。震源移动的机械噪声与震源组数有关, 当前激发炮点所用的接收排列中移动的震源组数越多, 这种噪声影响越大, 反之则越小。由此可见, 可控震源高效采集噪声的影响与投入的震源组数、震源组间距密切相关。因此, 野外地震采集作业时可以将各组震源摆放在合理的位置, 在采集作业期间保持各组震源间距相对稳定就可以减弱可控震源高效采集噪声的影响。
目前, 动态滑动扫描技术的时间距离规则以不干扰最深目的层为依据并按照试验资料定性确定[7-9]。针对谐波噪声的压制更多体现在处理技术的发展方面。周松等[10]利用基于稀疏反演的理论针对可控震源同步滑动扫描采集噪声的压制取得很好效果。伍建等[11]基于高次谐波与原始激发信号在各频段能量呈线性关系的假设建立谐波滤除模型实现对高次谐波的压制。林娟等[12]利用不同数据域谐波干扰能量分布随机的特点, 采用矢量中值滤波方法取得了较好的谐波干扰压制效果。李振春等[13]和曲英铭等[14-16]针对力信号内含谐波和表层响应谐波在产生机理与分布特征上的差异设计谐波压制滤波器实现了内含谐波和表层谐波的双重压制。刘宏杰等[17]提出的基于能量差异的谐波干扰分频识别和压制方法也在实际资料中见到效果。胡江涛等[18]证明了利用可控震源谐波提高地震数据分辨率的可能性。骆飞等[19-20]提出了可控震源分频同时扫描技术, 该技术在可控震源控制系统、分频采集实现效果等方面还需完善, 工业化应用尚需时日。针对如何摆放各组可控震源及其间距保持在多大时高效采集噪声影响最小的问题, 本文提出一种基于弱信号可记录性确定可控震源组间距的方法, 以便在可控震源动态滑动扫描采集作业时对震源进行分组和摆放, 最大限度地减弱高效采集噪声的影响。该方法通过提取原始资料中不同炮间距弱信号振幅计算其与高效采集噪声的信噪比, 然后以检波器动态范围作为阈值, 将信噪比大于阈值的炮检距作为某一炮排列范围内的可控震源组内距, 进行震源摆放和野外作业。该方法的核心是计算弱信号与高效采集噪声的信噪比, 因此, 本文首先阐述高效采集噪声的特征, 然后论述了弱信号的提取方法以及高效采集噪声对弱信号的影响, 由此给出了根据不同炮检距弱信号信噪比与检波器动态范围确定可控震源组间距的方法, 最后说明如何根据组间距摆放可控震源、进行野外采集作业。
1 可控震源高效采集噪声特征 1.1 谐波可控震源谐波产生的原因主要有两个方面:一是可控震源机械系统畸变; 二是表层介质响应畸变。两种谐波干扰在产生机理及特征上都存在很大的不同[15]。
1.1.1 机械系统谐波由于可控震源的机械装置、振动装置以及液压伺服系统的非线性, 导致从可控震源输出的振动信号存在谐波干扰, 这种谐波干扰与地表结构无关, 在物理层面上不可避免。升频扫描情况下, k次谐波出现的起、止时间可以表示为[8]:
| $ {{t}_{\text{B}}}(k)=-\frac{(k-1){{f}_{\text{E}}}}{k\left( {{f}_{\text{E}}}-{{f}_{\text{B}}} \right)}T $ | (1) |
| $ {{t}_{\text{E}}}(k)=-\frac{(k-1){{f}_{\text{B}}}}{{{f}_{\text{E}}}-{{f}_{\text{B}}}}T $ | (2) |
式中:fB和fE分别为起、止扫描频率; T为扫描信号长度。由(1)式和(2)式可以看出:当可控震源采用升频扫描时, 谐波起、止时间为负值, 即机械系统谐波会出现在本炮记录之前, 当激发时间间隔不够大时, 可能会出现在相邻的前一炮或者数炮之中, 影响程度取决于滑动时间。
以基波为标准, k次谐波相对能量可以表示为:
| $ {{E}_{k}}=\frac{{{\left( \frac{{{f}_{\text{E}}}}{k}-{{f}_{\text{B}}} \right)}^{2}}}{{{\left( {{f}_{\text{E}}}-{{f}_{\text{B}}} \right)}^{2}}}\times 100 $ | (3) |
(3) 式表明, 谐波能量随着级次的增加而减小, 较强能量主要集中在二、三次谐波[8]。
1.1.2 表层响应谐波可控震源出力信号向下传播时, 由于震板与地表存在不耦合而发生共振现象, 导致地震波向下传播时相当于出力信号与一个或者多个畸变信号相叠加, 从而产生谐波信号, 这类谐波就是表层响应谐波。
将扫描信号与畸变后的信号进行相关, 图 1表述了采用线性升频扫描信号时, 相关后的信号存在谐波干扰(椭圆标注处), 这种谐波干扰在正时间轴和负时间轴都存在, 主要集中在正时间轴, 对本炮记录造成干扰。
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图 1 畸变信号与扫描信号相关[15] |
表层响应谐波的出现与地表条件和震源状态有关, 在炮集上的出现具有随机性, 且谐波的频带较窄、能量较强但不固定, 主要集中在近偏移距, 某地区实际资料显示表层响应谐波的能量超过远偏移距无谐波区域能量1 600倍。
1.2 机械噪声机械噪声主要来自多组震源在激活排列内的移动, 主要表现为0~20 Hz的窄带低频特征(图 2), 且噪声强度、频率不随时间发生变化, 其噪声强度随着空间传播距离的增加而减小, 这类噪声能量虽然比谐波噪声弱, 但因震源数量多、影响范围大, 已成为可控震源高效采集资料的主要噪声之一。
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图 2 震源机械噪声道集(a)及其时频谱(b) |
采集噪声对地震资料最直接的影响是降低了有效反射的信噪比, 包括两种情况:①信号被噪声覆盖但完整存在, 这种影响可通过后续资料处理的去噪、多次覆盖叠加等方法来消除; ②信号受噪声的影响没有被完全记录, 这种影响则无法通过后期资料处理方法恢复, 本文着重讨论这类影响。
2.1 弱信号的识别和提取本文所指的弱信号是一种相对概念, 不仅仅指信号的绝对振幅小, 主要是指被噪声所淹没的信号。这类信号在道集上很难被直接检测和识别, 但可以通过去噪及多次覆盖叠加的方法提高其能量和信噪比, 从而拥有更高的辨识度, 用剖面替代道集完成弱信号的识别。方法如下:在剖面上分别拾取目标弱反射层和一个对应位置强反射层的反射波, 并分别计算振幅的均方根能量, 然后计算弱反射层与强反射层之间的能量比λ, 可表示为:
| $ \lambda =\frac{N_{\text{S}}^{\text{W}}}{N_{\text{S}}^{\text{P}}}=\frac{{{F}_{\text{w}}}\times N_{\text{G}}^{\text{W}}}{{{F}_{\text{P}}}\times N_{\text{G}}^{\text{P}}} $ | (4) |
式中:NSW为剖面弱反射层能量; NSP为剖面强反射层能量; NGW为道集弱反射层能量; NGP为道集强反射层能量; FW为弱反射层覆盖次数; FP为强反射层覆盖次数。
当观测系统参数确定后, 不同深度的覆盖次数可以确定, 剖面上强、弱反射层能量可以通过统计、计算获得。一般地, 在经过去噪处理后的道集上可以直接拾取到高信噪比强反射层的能量。这时由公式(4)可得到道集中无法用肉眼识别的弱反射层信号能量NGW。
2.2 弱信号动态范围的计算和评价弱信号的动态范围可以由瞬时动态范围经典公式获得。当研究对象为强噪声条件下的弱信号时, 噪声能量往往比其它信号能量高出若干个数量级, 为简化问题, 此时可以认为噪声最大振幅近似等于总信息最大振幅, 弱信号动态范围可表示为:
| $ I=20\lg \left| \frac{A_{\text{T}}^{\max }}{A_{\text{S}}^{\min }} \right|\approx 20\lg \left| \frac{A_{\text{N}}^{\max }}{A_{\text{S}}^{\min }} \right| $ | (5) |
式中:ASmin为某时刻信号的最小振幅; ATmax为某时刻总信号(所有噪声、信号的总和)的最大振幅; ANmax为某时刻噪声最大振幅。
噪声能量可由统计方法获得。利用公式(5)可计算不同噪声条件下弱信号的动态范围, 以仪器接收系统的动态范围(一般为检波器的动态范围)作为约束门槛, 当信号动态范围大于门槛值时, 则认为该信号将无法被完全记录, 利用该指标可实现不同噪声强度条件下弱反射的可记录性状况的量化评价。
2.3 应用实例实际数据来自中国西部某工区可控震源高效采集结果, 使用的仪器接收系统是24位数字地震仪和单只高精度模拟检波器。图 3展示了弱信号提取的主要过程:①在叠加剖面上定义目标弱反射层和强反射层分析时窗(图 3a); ②计算时窗内强、弱反射层的均方根振幅能量(图 3b); ③计算弱反射层与对应位置强反射层能量之比λ, 从图 3c中可以看到, 能量比在空间上是波动变化的, 但趋于一个固定范围, 为了分析更弱反射信号的影响, 选择λ=0.04作为后续计算分析的参考值; ④在去噪道集上找出对应剖面上的强反射层, 沿层拾取不同炮检距的振幅绝对值, 在λ和弱、强反射层覆盖次数已知的情况下, 由公式(4)求得道集上目标弱信号在不同炮检距上的振幅绝对值(图 3d)。
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图 3 弱信号提取的主要过程 a剖面弱、强反射层分析时窗; b剖面弱、强反射层RMS振幅曲线; c弱、强反射层振幅比值曲线; d道集上强反射层与弱反射层信号的能量变化曲线 |
噪声能量可在原始道集上直接计算获得。图 4为3组可控震源在排列长度内分组进行高效采集得到的原始单炮记录, 取0~800 ms全排列作为噪声统计时窗(图 4中红框)。图 5为2 000炮原始炮集按此时窗计算的噪声绝对振幅在不同炮检距的分布结果:近炮检距的源致噪声(包括初至、折射、面波及表层响应谐波)能量远大于其它噪声的能量(高于200倍); 除源致噪声外, 高能噪声主要为震源谐波和机械噪声两类, 噪声之间能量差异明显, 且表现出区域性的分布特征, 即震源谐波噪声集中出现在炮检距4 200~5 900 m(图 5a), 噪声出现的位置与震源分组间距及生产组织方式有关, 即机械噪声在空间上几乎均匀分布, 并且其能量表现出条带状分布特征(图 5b), 按照噪声能量大小划分为谐波噪声、一级、二级、三级机械噪声及背景噪声5个能级, 作为公式(5)弱信号动态范围计算的噪声因子。
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图 4 可控震源高效采集原始单炮记录及噪声 |
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图 5 原始单炮噪声绝对振幅的分布结果(a)及局部放大与噪声分级(b) |
将获得的弱信号和不同强度噪声的振幅代入公式(5)即可得到弱反射层信号在特定噪声条件下的动态范围。
图 6a为不同强度噪声条件下某弱反射层信号的动态范围曲线, 可以看出, 弱信号的动态范围随炮检距增大而增大, 亦即信噪比随炮检距增大而变小, 符合地震信号能量随炮检距的增大而衰减的变化规律, 同时还可以看出, 噪声能级越高, 弱信号动态范围值越高, 利用该关系曲线可以得到不同能级噪声对弱信号影响的范围边界, 为震源分组参数及生产组织方式优化提供量化依据。如果取检波器60 dB的动态范围为阈值, 那么曲线上信噪比大于阈值对应的炮检距就是该噪声条件下能否记录到弱信号的临界点, 例如一级机械噪声(图 6a中红色曲线)的临界点为炮检距3 900 m, 当噪声出现在炮检距大于3 900 m的接收道上时, 噪声覆盖区域内的接收道将无法记录到该弱反射层信号。很明显, 噪声能级越低, 允许噪声出现的偏移距范围越大。由于信号不同频率地震响应的能量存在明显差异, 通过弱信号分频动态范围分析可以得到不同频段响应的状态。如图 6a中, 分析认为一级机械噪声出现在小于临界点3 900 m时弱信号可以有效记录下来, 但从图 6b中一级机械噪声分频动态范围发现, 实际可记录到的弱信号只是20 Hz以下的低频成分, 丢失了大于20 Hz以上的高频成分, 对于有高分辨率要求的勘探目标, 这种分析方法可以为通过改变、优化噪声出现位置而降低其影响程度以及保护特定高频或者弱反射信号提供更精细的量化指导依据。
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图 6 不同噪声条件下弱信号的动态范围(a)及一级机械噪声条件下弱信号的分频动态范围(b) |
采用目前成熟的动态滑动扫描时间距离规则应对谐波噪声对邻炮的影响, 基于反射信号可记录的角度认为, 其时空关系曲线的几个控制参数仍有优化的空间, 以图 7示意参数的优化设置, 图中T0为最深目的层埋深时间, Tmax为最大滑动时间, 0为前炮位置, Lmax为最大炮检距, Lds3为两炮同步扫描的最小距离。区间1采用固定滑动扫描, 生产中主要规避能量较强的二、三次谐波, Tmax由公式(1)以出现时间更早的三次谐波计算获得; 区间2为变间隔滑动扫描方式, 随着激发距离的增大滑动时间线性减小, 提高了采集效率; 当激发点距达到Lds3时, 则采用同步滑动采集方式, Lds3的确定理论上以初至折射不干扰最深目的层T0为参考原则, 实际资料远炮检距初至能量也已衰减到很弱的水平, 其能量与交互的弱信号能量相近时, 可以相应减小Lds3的值, 从而进一步增加采用同步滑动扫描方式采集的比例, 提高采集效率, 交互影响可通过多次覆盖及压噪处理消除。
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图 7 扫描时间随震源激发间距的变化 |
机械干扰的影响与震源分组方式息息相关, 震源分组方式和组间距离设置根据震源投入数量、观测系统设计的炮线距和炮点距、接收线道数、工区面积和地表条件等因素确定。为了兼顾采集效率, 采集施工中基于震源移动路线最少的原则, 一般将震源分成若干大组, 每一大组又分为若干小组, 按照采集方向各组同向推进。大组组数一般根据通行条件、排列片长度和宽度设置, 无论设置几大组震源, 大组间距需要满足单炮排列片中仅有一个大组可控震源。大组组间距确保了任意一炮激发时, 在该炮排列片范围内仅有一个大组可控震源产生机械噪声。小组组数一般根据同时采集的线束数、炮线距和炮点距设置, 无论一个大组中设置几小组震源, 任意两小组间距最大不能超过检波器动态范围的阈值, 即最大小组间距要小于主要目的层弱信号信噪比大于阈值的炮检距范围, 优先考虑设置其尽量处于激发源致噪声覆盖范围内, 使两种噪声的空间影响范围重叠, 从而减少受噪声影响的接收道比例。小组组间距的设置规则确保了高效采集可控震源的机械噪声被限制在一个很小的范围内, 在这个范围内, 机械噪声不对弱信号的可记录性产生影响。
图 8显示了采取可控震源高效采集噪声控制方式前、后的实际炮集噪声能量分布情况, 在采集效率相当的情况下, 采取噪声控制措施后炮集上邻炮谐波及机械噪声能量水平大幅降低, 从表 1可以看出, 基本消除了邻炮谐波噪声影响, 机械噪声影响也由25%下降到11%, 大幅提高了原始资料的信噪比。
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图 8 采取高效采集噪声控制前(a)、后(b)的单炮噪声能量分布 |
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表 1 原始生产数据中不同类型可控震源采集噪声影响分析 |
受采集系统有限动态范围的限制, 可控震源高效采集噪声不仅造成原始资料信噪比下降, 还会丢失部分有效弱信号且无法恢复。为保护弱信号, 本文从弱信号可记录性角度分析高效采集噪声的机理和特征, 提出了弱信号动态范围的计算和应用方法, 并基于不同噪声条件下反射信号的动态范围曲线和阈值设置提出基于弱信号可记录性保护的野外可控震源作业应对办法。相较于以往可控震源高效采集噪声压制方法, 基于弱信号可记录性阈值约束的方法有以下特点:①对原始资料弱信号的采集质量更加量化可控; ②弱信号可记录性阈值可以约束和优化已有的动态滑动扫描时间距离规则, 实现在减少可控震源谐波噪声交互影响的同时, 进一步提高采集效率; ③通过目的层弱信号可记录性阈值量化约束分组震源的组数和间距, 可以灵活控制机械噪声对弱信号的影响。
本文所述针对可控震源高效采集噪声的野外应对方法不会降低采集效率和增加采集成本, 且可有效把控弱信号的可记录性, 对于高分辨率及深层弱反射勘探目标具有积极意义。
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