劉玉海,尹 成,潘樹(shù)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(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610500)
提高對(duì)薄互層的識(shí)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(hào)激發(fā),通過(guò)輸出長(zhǎng)時(shí)間的小能量信號(hào)等效為短時(shí)間大能量信號(hào),利用參考信號(hào)與地震記錄儀獲取信號(hào)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(duì)薄互層的識(shí)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(duì)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(duì)數(shù)及非線性掃描信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的旁瓣特性[2-3];于玲等研究通過(guò)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(guò)控制激發(fā)信號(hào)高頻振動(dòng)時(shí)間,提高激發(fā)地震信號(hào)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(hào)作為地層的下傳能量[2],由于地層對(duì)可控震源下傳信號(hào),特別是高頻信號(hào)的衰減,常造成可控震源線性掃描信號(hào)主頻降低、優(yōu)勢(shì)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(hào)對(duì)掃描信號(hào)能量的分配不像線性掃描信號(hào)那樣均勻,對(duì)高頻段掃描時(shí)間長(zhǎng)、能量補(bǔ)償多,能夠拓寬信號(hào)的優(yōu)勢(shì)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(duì)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(hào)時(shí)能夠取得比線性掃描信號(hào)對(duì)薄互層更高的分辨率.
可控震源地震掃描可將長(zhǎng)時(shí)間、小能量的掃描記錄信號(hào)等效為短時(shí)間、大能量的掃描記錄信號(hào)[6],激發(fā)的正弦掃描信號(hào)的離散自相關(guān)函數(shù)為[7-8]
地震掃描記錄信號(hào)與可控震源掃描信號(hào)的離散互相關(guān)函數(shù)為
式(1-2)中:n為地震記錄信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù),n=0,1,…,N-1,N為采樣序列的采樣點(diǎn)數(shù);m為自相關(guān)函數(shù)的采樣點(diǎn)數(shù),m=-N+1,…,0,…,N-1;Rss(m)為可控震源參考掃描信號(hào)的自相關(guān)函數(shù);Rxs(m)為地震記錄信號(hào)與參考掃描信號(hào)的互相關(guān)函數(shù);s(n)為可控震源參考掃描信號(hào);x(n)為原始地震記錄信號(hào).
非線性信號(hào)掃描的基礎(chǔ)是線性信號(hào)掃描.線性信號(hào)掃描指信號(hào)掃描的頻率和時(shí)間為線性關(guān)系,非線性信號(hào)掃描指信號(hào)掃描的頻率和時(shí)間呈非線性關(guān)系[9],根據(jù)輸入變量時(shí)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(hào)和對(duì)數(shù)掃描信號(hào).非線性和線性信號(hào)掃描方式下頻率與時(shí)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(duì)數(shù)和線性掃描信號(hào)的瞬時(shí)頻率;t為掃描時(shí)間;fa為掃描信號(hào)的起始頻率;fb為掃描信號(hào)的終止頻率;T為掃描信號(hào)的時(shí)間;k為不同掃描方式下信號(hào)的速率因子,它決定信號(hào)的幅度.由式(3~5)可知,非線性掃描方式下的信號(hào)頻率隨時(shí)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(hào)的瞬時(shí)頻率為f(t),其變頻正弦掃描信號(hào)[13]s(t)為
式中:A為掃描信號(hào)的幅度;φ(t)為掃描信號(hào)的相位.
設(shè)起始頻率為8Hz,終止頻率為100Hz,掃描時(shí)間為8s,獲得非線性和線性信號(hào)掃描方式下的信號(hào)時(shí)域圖(見(jiàn)圖1)和頻域圖(見(jiàn)圖2).
由圖1可見(jiàn):在非線性和線性信號(hào)掃描方式下均獲得升頻掃描信號(hào),信號(hào)在高頻段變化較明顯.由圖2可見(jiàn):非線性信號(hào)掃描方式獲得的掃描信號(hào),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(hào)掃描方式獲得的掃描信號(hào),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.
在地震勘探過(guò)程中,考慮掃描信號(hào)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(hào)的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于地層各界面的反射時(shí)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(jiàn)圖3).
原始地震記錄包含的反射信息與掃描信號(hào)的特定時(shí)間延遲相對(duì)應(yīng).在原始地震記錄中,通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算,將地層反射所形成的由多個(gè)振幅和起始時(shí)刻不同的變頻正弦信號(hào)交疊組成的復(fù)雜信號(hào),壓縮成含有多個(gè)脈沖的相關(guān)地震信號(hào),即地震相關(guān)記錄[13-16](見(jiàn)圖4).
已知可控震源掃描信號(hào),將原始地震記錄信號(hào)序列與參考掃描信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)中心頻率,f0=(fa+fb)/2;N 為地震記錄相關(guān)子波瞬時(shí)記錄序號(hào),N=nΔt,n為采樣序號(hào)或序列采樣時(shí)間,Δt為參考掃描信號(hào)的采樣間隔.參考掃描信號(hào)的相關(guān)子波見(jiàn)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?yàn)榕园?,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(shí)差時(shí),相關(guān)記錄上相鄰的界面能被分辨出來(lái).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(guò)程中,要求采用升頻掃描,將信號(hào)掃描過(guò)程中產(chǎn)生的諧波虛像壓制到負(fù)時(shí)移區(qū)[17](見(jiàn)圖5).非線性和線性信號(hào)掃描方式下獲得的地震相關(guān)子波見(jiàn)圖6.
由圖6可見(jiàn):采用非線性和線性信號(hào)掃描方式獲得的地震相關(guān)子波均為零相位子波,未對(duì)3種相關(guān)子波錐化前,其旁瓣都較突出,幅度最大的為對(duì)數(shù)掃描信號(hào),其次為指數(shù)掃描信號(hào),線性掃描信號(hào)幅度最小.為使3種相關(guān)子波旁瓣有效減小,需對(duì)其進(jìn)行不同比例錐化.
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(hào)在地層下傳過(guò)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(shì)帶寬嚴(yán)重降低.線性掃描信號(hào)被地層吸收衰減時(shí)的頻譜見(jiàn)圖7.
由圖7可見(jiàn):地震相關(guān)子波隨著頻率的增加信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)掃描方式獲得的頻譜見(jiàn)圖2(a)、(b),非線性掃描信號(hào)和對(duì)數(shù)掃描信號(hào)被地層吸收衰減時(shí)的頻譜見(jiàn)圖8.
由圖7和圖8可見(jiàn):與線性信號(hào)掃描方式相比,非線性信號(hào)掃描方式對(duì)地層信號(hào)被衰減情況下獲得的高頻信號(hào)具有補(bǔ)償作用,使分辨率明顯提高.非線性掃描信號(hào)的旁瓣比線性掃描信號(hào)的大,低頻比線性掃描信號(hào)的低,絕對(duì)頻帶寬度窄于線性掃描信號(hào)的.因此,將非線性掃描信號(hào)作為地震激發(fā)信號(hào)時(shí),不僅要選擇合適的信號(hào)掃描方式,還需提高信號(hào)的激發(fā)能量,使信噪比和分辨率同時(shí)得到有效改善[18].
模擬地層條件為2個(gè)相鄰的水平層和1個(gè)傾斜層,在地震掃描信號(hào)被地層吸收衰減的條件下,正演模擬線性和非線性信號(hào)掃描方式獲得的地震掃描相關(guān)記錄,見(jiàn)圖9.
由圖9可見(jiàn):獲得的線性掃描信號(hào)難以分辨2個(gè)水平層,采用對(duì)數(shù)掃描信號(hào)后,2個(gè)水平層被明顯區(qū)分出來(lái),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.
在地震勘探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,設(shè)置震源組合方式和基本震源參數(shù):6臺(tái)震源車交錯(cuò)排列,4次移動(dòng)掃描,起始頻率為10Hz,終止頻率為100Hz,掃描時(shí)間為10s,掃描信號(hào)記錄長(zhǎng)度為6s,線性升頻信號(hào)掃描方式驅(qū)動(dòng)幅度為70%,非線性信號(hào)掃描方式驅(qū)動(dòng)幅度為85%.在同一條測(cè)線上,分別用線性和非線性信號(hào)掃描方式試驗(yàn),經(jīng)可控震源地震信號(hào)反褶積處理后疊加剖面見(jiàn)圖10.
由圖10可見(jiàn):使用線性升頻信號(hào)掃描方式,可控震源地震信號(hào)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(hào)掃描方式,可控震源地震信號(hào)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(duì)頻寬比線性信號(hào)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.
(1)在地震勘探過(guò)程中,采用非線性信號(hào)掃描方式,通過(guò)延長(zhǎng)高頻段掃描時(shí)間,提高高頻段的能量,減少低頻段掃描時(shí)間,實(shí)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(hào)衰減,拓寬地震信號(hào)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(hào)類型和錐化比例,盡量減少地震相關(guān)子波信號(hào)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(hào)掃描技術(shù)取得良好地震勘探效果的關(guān)鍵.
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