于富文,何京國,段衛(wèi)星,張志林,崔汝國

(中國石油化工集團公司石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營257100)

青海NMH工區(qū)諧波干擾特征及壓制技術(shù)研究

于富文,何京國,段衛(wèi)星,張志林,崔汝國

(中國石油化工集團公司石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營257100)

青海NMH工區(qū)地表復(fù)雜,近地表巖石硬度差異大,有必要開展不同地表耦合條件下可控震源諧波干擾的分布特征研究和壓制方法試驗。通過理論計算和對實際資料的統(tǒng)計分析,總結(jié)了諧波干擾變化規(guī)律,確立了相應(yīng)的諧波干擾壓制方法。研究結(jié)果表明,可控震源與地表耦合產(chǎn)生的諧波干擾與地表巖石硬度密切相關(guān),一般隨地表巖石硬度增加,諧波干擾強度顯著增強,但相位畸變相應(yīng)減小。通過優(yōu)選激發(fā)點位置、有針對性地改善地表耦合條件、合理調(diào)節(jié)相位控制增益,甚至研究和采用諸如新型震源平板等多種技術(shù)措施,盡可能保證在硬度值約40(即接近“半剛度”)的地層中激發(fā),可以最大限度降低諧波干擾的影響,提高地震資料的品質(zhì)。理想情況下,可使得諧波干擾能量降低約30%,單炮地震記錄信噪比提高約260%。

可控震源；地震采集；諧波干擾；震源耦合；壓制技術(shù)

近年來,可控震源以其安全、環(huán)保、高效和低成本的優(yōu)勢在地震勘探中得到飛速發(fā)展,逐漸成為地震勘探的主要震源方式。國外地震采集中可控震源的應(yīng)用比例已經(jīng)超過了60%,國內(nèi)盡管總體比例偏低(平均約14%),但呈逐年增加的趨勢[1]。在可控震源地震采集中,由于震源本身機械特性、震源與地表的耦合效應(yīng)以及震源參數(shù)選擇不當?shù)仍蚴沟弥C波干擾已成為可控震源地震采集的主要干擾源之一[2-3]。因此,如何壓制和消除諧波干擾一直是可控震源地震采集技術(shù)研究的熱點問題。目前,隨著可控震源地震采集技術(shù)的不斷完善和提高,通過野外精細施工試驗和優(yōu)化選取震源參數(shù),可以在很大程度上降低因機械原因產(chǎn)生的相位和振幅畸變,減少震源參數(shù)選擇不合理造成的諧波影響[4-12]。但是對于地表耦合所產(chǎn)生的諧波干擾特征和變化規(guī)律的研究相對較弱。青海NMH工區(qū)具有硬鹽堿殼區(qū)、山前礫石區(qū)、戈壁礫石區(qū)、雅丹地貌區(qū)、半沙漠區(qū)等多種地表類型,且近地表巖石硬度差異大,為研究不同地表耦合條件下諧波干擾的分布特征和壓制方法提供了得天獨厚的條件。2014年,劉斌等[2]以研究區(qū)地震采集數(shù)據(jù)為依托,對由3種原因引起的諧波干擾分布特征進行了較為詳細的分析。我們將在此基礎(chǔ)上重點對不同硬度區(qū)由地表耦合引起的諧波干擾特征和壓制方法作進一步深入研究和闡述。

1 地表耦合諧波干擾特征分析

1.1 理論分析

若可控震源向大地施加的外力為:

F=R0sin2π(f1+at/2)t

(1)

式中:R0為振幅；f1為頻率；a為相位；t為時間。

則對于地下任意截面積為ds,長度為dl且柱軸線平行受力方向的柱形小體元,經(jīng)理論推導,可控震源與大地組成的共振耦合系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為[2-3]:

(2)

其中,

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:ρ為密度；v為速度；E為楊氏模量。

由(2)式到(6)式不難看出,近地表巖石密度與地表耦合響應(yīng)密切相關(guān),這意味著地表巖石密度不同,其與可控震源的大地耦合效應(yīng)就會不一致。結(jié)合工區(qū)近地表地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,假定近地表分2層,第1層介質(zhì)密度ρ0的變化范圍為1.5～2.6g/cm3,速度v0的變化范圍為600～3800m/s。第2層介質(zhì)取ρ1=2.7g/cm3,v1=2000m/s,可控震源振動信號最大振幅R0=80000,對于單位面積和單位長度的小體元(即ds=1,dl=1),利用(2)式計算得到可控震源與大地共振耦合系統(tǒng)響應(yīng)隨地表密度變化的關(guān)系曲線,如圖1所示。

圖1 不同密度地表耦合響應(yīng)曲線

由圖1不難看出,隨著地表密度的增加,震源與地表共振耦合系統(tǒng)輸出響應(yīng)減小,意味著掃描信號的振幅和能量減小,信號相位畸變減弱,但干擾波能量相對增強。當?shù)乇砻芏冗_到1.9以上時,響應(yīng)值隨地表密度變化趨于一致。密度繼續(xù)增大,震源與地層表現(xiàn)為過阻尼耦合,響應(yīng)值很弱,相位畸變最小,干擾波能量最強。

1.2 實際資料分析

在青海NMH二維工區(qū),采用可控震源激發(fā)的地表類型主要有硬鹽堿殼區(qū)、山前礫石區(qū)、戈壁礫石區(qū)、雅丹地貌區(qū)、半沙漠區(qū)等,因地表巖石密度變化較大,地震資料品質(zhì)參差不齊,呈現(xiàn)出較強的諧波干擾。通過分析工區(qū)實測地震記錄發(fā)現(xiàn),諧波干擾主要呈現(xiàn)出視主頻較高、頻帶較寬等特點。視主頻通常為15Hz左右,頻帶范圍為6～65Hz。諧波干擾混雜于原始地震記錄中,在原始單炮地震記錄上諧波的波形時變以及振幅的強弱變化均毫無規(guī)律可言[2]。

為了定量分析不同地表因震源與地表的耦合效應(yīng)引起的諧波干擾的變化規(guī)律,我們引入相對硬度概念代替密度來區(qū)分不同地表類型,并假定堅硬純礫巖硬度為100%,在綜合考慮不同地表和不同巖石組分密度及含量的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一個適合青海NMH二維工區(qū),可用于估算不同地表巖石硬度的經(jīng)驗數(shù)學模型,具體計算公式如下:

(7)

式中:A為硬度；ρ為密度(下標1,2,3分別代表不同的巖石組分)；ρL為礫石的密度；m為不同地表巖石組分含量。

利用(7)式對NMH工區(qū)7種不同地表類型的巖性組分和硬度大小進行分類量化統(tǒng)計,計算結(jié)果詳見表1。表1中諧波振幅是基于同一施工因素不同地表類型的單炮記錄,選用同一時窗(3000～4500ms),且炮點中心各自向外延拓20道計算得到的諧波干擾平均振幅。為了更清楚地展示不同地表類型諧波能量的變化規(guī)律,圖2給出了諧波振幅隨硬度變化的趨勢曲線。

表1 青海NMH工區(qū)不同地表類型的巖性組分、硬度及諧波特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖2 諧波干擾能量和信號相位畸變與地表硬度的關(guān)系

由表1和圖2可見,隨著地表硬度的增加,諧波干擾能量逐步增強,而信號相位畸變則逐漸減小。當?shù)乇碛捕戎档陀?0時,諧波干擾能量的增幅較為平緩,但信號相位畸變較為明顯。當?shù)乇碛捕戎蹈哂?0時,信號相位畸變相對較小,但諧波干擾能量增加較為劇烈。由此可見,要想獲得理想的激發(fā)效果,既要保證有效信號相位畸變小,又要使得諧波干擾能量弱,最佳的激發(fā)地表條件應(yīng)該是硬度在40左右,接近“半剛度”的地表。

綜上所述,地表巖石密度或硬度越大,地表與可控震源的耦合效果越差,震源輸出有效信號的振幅或能量減弱,諧波干擾增強。一般而言,硬地層因震源與地表耦合效應(yīng)產(chǎn)生的諧波干擾能量強,有效信號相位畸變?。卉浀貙又C波干擾能量弱,有效信號相位畸變較大。選擇硬度值在40左右(接近“半剛度”)的地表激發(fā),不僅可以使得諧波干擾能量強度相對較弱,而且可以保證有效信號相位畸變較小。

2 諧波干擾壓制方法及效果分析

2.1 壓制方法

從上述理論和實際資料的分析結(jié)論不難看出,不論是硬地層還是軟地層均不利于可控震源勘探,前者諧波干擾能量強,后者相位畸變嚴重。只有硬度接近“半剛度”的地表,才能夠滿足可控震源地震勘探獲得較弱諧波干擾能量和較小相位畸變的要求。為此,在野外實施可控震源地震采集時,為了提高地震資料品質(zhì),降低因為震源與地表耦合產(chǎn)生的諧波干擾的影響,采取合理選擇激發(fā)點位以及人為改造地表條件等技術(shù)措施,使得可控震源地震采集資料的品質(zhì)得到了較為明顯的改善。

首先,在滿足采集和處理要求的前提下,通過詳細的野外踏勘、分析近地表地質(zhì)條件以及靈活變觀設(shè)計,盡可能優(yōu)選震源耦合條件較好的路線和激發(fā)點位,力求在“半剛度”地表條件下實施激發(fā)。

其次,對于無法避免的地表硬度較小的軟地層,為了改善其硬度,增加震源與地表的耦合度,可通過增加一次空振,待地表壓實后再進行常規(guī)掃描。也就是說第1次掃描不予記錄,目的僅在于強化地表硬度,提高地表與震源的耦合度。與此同時,可通過優(yōu)選相位控制增益,合理調(diào)高相位控制增益來實現(xiàn)強相位畸變的控制。對于無法避免的地表硬度較大的硬地層,因其相位畸變小,可適當將相位控制增益設(shè)置低一些。

最后,采用平整地表,調(diào)整震源方位,配備專用設(shè)備等方法,甚至研制針對戈壁礫石等堅硬地表條件的新型震源平板,如底板帶有鋸齒、細刺、甚至帶有局部碎石、平整功能的震源平板,有針對性地改善地表平坦度和軟硬度,使地表硬度接近“半剛度”,以提高震源底板與地表的耦合效果,從而提高單炮品質(zhì)。

2.2 應(yīng)用效果分析

圖3為青海NMH工區(qū)戈壁礫石區(qū)(硬地表)采用上述針對性技術(shù)措施改善耦合條件前、后獲得的單炮記錄。不難發(fā)現(xiàn),改善后的單炮記錄中諧波干擾振幅得到了明顯壓制,目標層反射信息更加突出。

為了更好地展示改善耦合條件對壓制諧波干擾的作用,圖4進一步給出了本區(qū)戈壁礫石區(qū)(硬地表)538測線(改善前)和540測線(改善后)連續(xù)120炮諧波干擾能量的定量統(tǒng)計分析結(jié)果。兩條測線相距2km,地表條件相同,礫石大小相近。由圖4可見,采用針對性諧波干擾壓制技術(shù)前諧波干擾振幅大多高于10.0×104dB(圖4a),平均振幅約為11.0×104dB；實施壓制技術(shù)后,諧波干擾振幅大多不足8.0×104dB,平均振幅約為7.9×104dB,諧波干擾能量較改善前降低了約30%。

對于硬度較小的雅丹地貌區(qū)(軟地表),圖5給出了改善耦合條件前、后的原始單炮記錄。不難看出,通過采用壓實、平整地表、增加一次空振以及提高相位控制增益等方法,雖然諧波干擾能量稍有增強,但相位畸變大幅度減小,諧波干擾區(qū)以及臨近區(qū)域地震資料的信噪比有了明顯的提高,目標層同相軸連續(xù)性更好。進一步通過對耦合條件改善前(1178測線)和改善后(1180測線)(兩線相距2km,且地表條件相同,均為松軟黃土)連續(xù)200炮原始單炮記錄諧波干擾能量以及資料信噪比進行統(tǒng)計分析,得到信噪比統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示,

圖3 戈壁礫石區(qū)(硬地表)諧波干擾壓制前(a)、后(b)原始單炮記錄

圖4 戈壁礫石區(qū)耦合條件改善前538線(a)、后540線(b)諧波干擾能量統(tǒng)計結(jié)果

圖5 雅丹地貌區(qū)(軟地表)諧波干擾壓制前(a)、后(b)原始單炮記錄

圖6中兩條線的信號頻率范圍均為10～80Hz。顯然,采用針對性的諧波干擾壓制技術(shù)后,單炮記錄的信噪比得到了明顯改善,諧波干擾區(qū)地震記錄的平均信噪比從改善前的0.32提高到1.16左右,信噪比提高幅度約為260%。

圖7是對研究區(qū)實施諧波干擾壓制技術(shù)前、后的采集資料采用相同處理流程獲得的疊加剖面。顯然,與諧波干擾壓制前的剖面相比,通過合理改善地表耦合條件,地震剖面成像質(zhì)量得到了顯著改善,不僅剖面的信噪比得到了明顯提高,而且突出了有效信號,目標層同相軸的連續(xù)性大大改善。

圖6 雅丹地貌區(qū)(軟地表)耦合條件改善前1178線(a)、后1180線(b)諧波干擾區(qū)信噪比統(tǒng)計結(jié)果

圖7 青海NMH工區(qū)諧波干擾壓制前(a)、后(b)疊加剖面

3 結(jié)束語

因可控震源與地表耦合產(chǎn)生的諧波干擾與地表巖石硬度密切相關(guān)。一般隨地表巖石硬度增加,諧波干擾強度顯著增強,信號相位畸變相應(yīng)減小。具體來說,硬地表激發(fā)諧波干擾能量強,信號相位畸變小；軟地層激發(fā)諧波干擾能量弱,信號相位畸變較大。只有在硬度值約40左右,即接近“半剛度”的地層激發(fā),才能夠保證地震記錄中諧波干擾的振幅強度和信號相位畸變均較小。

利用諧波干擾振幅和相位變化特點,通過優(yōu)化激發(fā)點位置、有針對性地改善地表條件、合理調(diào)節(jié)相位控制增益,甚至研究和采用諸如新型震源平板等多種技術(shù)措施,可以最大限度地降低諧波干擾的影響,提高地震資料的品質(zhì)。理想情況下,單炮地震記錄中諧波干擾能量可降低約30%,資料信噪比可提高約260%。疊加剖面信噪比明顯提高、有效波突出,同相軸連續(xù)性得到極大改善。

[1] 汪恩華,趙邦六,王喜雙,等.中國石油可控震源高效地震采集技術(shù)應(yīng)用與展望[J].中國石油勘探,2013,18(5):24-34 Wang E H,Zhao B L,Wang X S,et al.Efficient seismic acquisition technology applications and prospects on vibroseis for China petroleum[J].China Petroleum Exploration,2013,18(5):24-34

[2] 劉斌,張志林,趙國勇,等.可控震源諧波影響因素分析及對策[J].石油地球物理勘探,2014,49(6):1053-1060 Liu B,Zhang Z L,Zhao G Y,et al.Research on harmonic interference effect and suppressing technique in vibroseis signal[J].Oil Geophysical Prospecting,2014,49(6):1053-1060

[3] 梁秀文.可控震源與大地的耦合響應(yīng)[J].石油地球物理勘探,1986,21(4):391-396 Liang X W.Coupling response between seismic vibrator and the ground[J].Oil Geophysical Prospecting,1986,21(4):391-396

[4] 曹務(wù)祥,張慕剛.滑動掃描諧波分析[J].石油地球物理勘探,2005,40(5):500-503 Cao W X,Zhang M G.The analysis of harmonic interference on side sweeping[J].Oil Geophysical Prospecting,2005,40(5):500-503

[5] 田新琦,周彤,王志明,等.滑動掃描可控震源地震數(shù)據(jù)諧波干擾的消除方法[J].石油物探,2011,50(6):566-574 Tian X Q,Zhou T,Wang Z M,et al.The method of evacuation of harmonic interference on the data of vibroseis about side sweeping[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2011,50(6):566-574

[6] 劉益成.可控震源滑動掃描記錄信號分離原理分析[J].石油天然氣學報,2009,31(2):50-58 Liu Y C.The analysis of the theory on the separation of signal in the data of side sweeping on vibroseis[J].Journal of Oil and Gas,2009,31(2):50-58

[7] 張宏樂.可控震源信號中的諧波畸變影響及消除[J].物探裝備,2003,13(4):224-230 Zhang H L.The effect and evacuation of harmonic interference in vibroseis signal[J].Equipment for Geophysical Prospecting,2003,13(4):224-230

[8] IIIHeepCOH M B,金樹堂,裘慰庭.可控震源信號的非線性失真和相位畸變及其校正方法[J].國外油氣勘探,1999,22(3):449-454 IIIHeepCOH M B,Jin S T,Qiu W T.The adjusting method of nonlinear distortion and phase distortion in vibroseis signal[J].Oil and Gas Exploration Abroad,1999,22(3):449-454

[9] 劉世文,陳振聲.可控震源諧振干擾的壓制[J].石油地球物理勘探,1998,33(1):26-30 Liu S W,Chen Z S.The suppression of harmonic interference of vibroseis[J].Oil Geophysical Prospecting,1998,33(1):26-30

[10] 白旭明,唐傳章,孫毅,等.可控震源組合方向?qū)Φ卣鸩杉Y料的影響分析[J].中國石油勘探,2012,17(3):42-46 Bai X M,Tang C Z,Sun Y,et al.The analysis of effect of combination direction of vibroseis to seismic acquisition data[J].China Petroleum Exploration,2012,17(3):42-46

[11] 曹務(wù)祥.疏松地表對震源信號的影響與施工方法的改進[J].石油物探,2007,46(2):171-173 Cao W X.The effect of vibroseis signal in loose surface and the improvement on construction method[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2007,46(2):171-173

[12] 丁華.可控震源技術(shù)在地震地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)的應(yīng)用[J].河北煤碳,2007,14(3):21-29 Ding H.The application of the technology of vibroseis in complex area of the condition of seismogeology[J].Hebei Coal,2007,14(3):21-29

(編輯：陳 杰)

Study on the distribution characteristics and suppressing technique of harmonic interference in vibroseis signal in NMH,Qinghai Province

Yu Fuwen,He Jingguo,Duan Weixing,Zhang Zhilin,Cui Ruguo

(ShengliBranchComapany,SinopecGeophysicalCorporation,Dongying257100,China)

The hardness of the near-surface rock in NMH area in Qinghai Province varies largely,it is necessary to research on the distribution characteristics of harmonic interference and the experiment on its suppression techniques under different surface coupling conditions.By theoretic calculation and statistical analysis of real data,we concluded the variation rule of harmonic interference and established the corresponding suppression method for harmonic interference.The results indicate that the harmonic interference generated by the coupling of vibroseis and surface is closely related with the hardness of surface rock.Generally,the strength of harmonic interference is obviously enhanced and the phase distortion is decreased along with the increase of surface rock hardness.We carried out some measurements to keep shooting in the formations with hardness at about 40 (close to “semi-rigidity”),such as optimizing shooting position,improving surface coupling conditions,reasonably adjusting phase controlling gain,even adopting new source plane,thus the impact of harmonic interference is eventually eliminated to maximum and the quality of seismic data is improved.Ideally,the energy of harmonic interference can be decreased about 30% and the signal-to-noise ratio of single shot record enhanced about 260%.

vibroseis,seismic acquisition,harmonic interference,source coupling,suppression technique

2014-06-10;改回日期：2015-09-09。

于富文(1965—),男,博士,高級工程師,現(xiàn)主要從事物探技術(shù)管理和地球物理勘探應(yīng)用研究工作。

何京國(1975—),男,碩士,高級工程師,現(xiàn)主要從事地震資料采集、解釋研究工作。

國家科技重大專項(2011ZX05006-002)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2011AA060300)共同資助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0699-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.008