范寶倉(cāng) 陳文貴 王海昆 李慶收

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451)

海底電纜Z分量橫波噪音特征分析及衰減方法*

范寶倉(cāng) 陳文貴 王海昆 李慶收

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451)

在海底電纜(OBC)多分量地震資料的處理中，陸檢Z分量中除面波干擾外，還存在一種難消除的橫波側(cè)漏干擾噪音，這種橫波噪音具有矢量性、振幅強(qiáng)、頻帶窄、相速度低的特點(diǎn)，并且在十字交叉排列的共檢波點(diǎn)道集上表現(xiàn)為三維錐形特征。針對(duì)這種橫波噪音特征，結(jié)合地震采集施工特點(diǎn)，提出在十字交叉域共檢波點(diǎn)道集上的三維小波變換錐形濾波去噪方法。該方法通過(guò)小波變換，采用局部模擬噪聲，僅針對(duì)干繞波存在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，回避了傳統(tǒng)方法如F-K濾波等所帶來(lái)的有效信息丟失問(wèn)題，而且進(jìn)行自適應(yīng)的減法運(yùn)算消除干擾，增強(qiáng)了去噪的保真度，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的針對(duì)性去噪處理。該方法在渤海某區(qū)塊實(shí)際資料的處理應(yīng)用中取得了很好的噪音衰減效果，極大地提高了資料的信噪比。

海底電纜；Z分量；橫波噪音；特征分析；十字交叉排列；小波域；錐形濾波

目前海底電纜(OBC)多分量地震資料(水檢P分量，陸檢X、Y和Z分量)的處理流程已趨于成熟，其中用于壓制鬼波的水、陸檢合并(即P和Z分量合并)是必不可少的步驟[1]，但在渤海地區(qū)實(shí)際資料處理中，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)陸檢資料(以下均指Z分量)的信噪比相對(duì)水檢而言普遍偏低。該地區(qū)陸檢資料干擾噪音中地滾波能量強(qiáng)、特征明顯，易于壓制，但陸檢單炮上還存在一種不規(guī)則的噪音(圖1)，在處理中很容易被當(dāng)成隨機(jī)噪音而忽視它的影響。由于這種噪音在近道處與有效信號(hào)的能量和頻譜相近而很難區(qū)分，所以采用常規(guī)的壓制方法容易損傷有效信號(hào)；但如果為了保護(hù)有效信號(hào)而采取保守的去噪方式，往往又制約陸檢資料的信噪比提升，從而影響水、陸檢合并效果，并且很難再?gòu)暮罄m(xù)的處理中解決所帶來(lái)的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者通過(guò)分析該噪音的來(lái)源、產(chǎn)生機(jī)理、特征以及傳統(tǒng)去噪方法存在的問(wèn)題，結(jié)合地震采集施工特點(diǎn)，提出在十字交叉域共檢波點(diǎn)道集上的三維小波變換錐形濾波方法去除噪音，并在渤海某區(qū)塊實(shí)際資料處理中取得了很好的噪音衰減效果，極大地提高了資料的信噪比。

圖1 渤海某測(cè)線地滾波壓制后的水、陸檢單炮Fig .1 SP gather after ground roll noise attenuation for a seismic line in Bohai sea

1 噪音特征分析

1.1 噪音來(lái)源

將圖1中的資料轉(zhuǎn)換為共檢波點(diǎn)道集(圖2)，陸檢所示的噪音則表現(xiàn)為規(guī)則的干擾，其近道處能量和頻譜與有效信號(hào)相近而很難區(qū)分，視速度明顯低于有效信號(hào)的視速度，而且對(duì)比發(fā)現(xiàn)該噪音形態(tài)特征與陸檢X、Y分量的資料極其相似。另外，從圖1、2中可以看出該噪音干擾只存在于陸檢，因此推測(cè)該噪音有可能是陸檢的X、Y分量的信息側(cè)漏帶來(lái)的，即陸檢橫波噪音。通過(guò)對(duì)該噪音的頻率成分進(jìn)行分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)噪音頻率主要集中于60 Hz以下，且表現(xiàn)為低速的線性或近雙曲的特征，其振幅和頻譜與有效波很相近，同樣表明該噪音為陸檢橫波噪音。

圖2 渤海某測(cè)線地滾波壓制后的水、陸檢共檢波點(diǎn)道集Fig .2 Common receiver gather after ground roll noise attenuation for a seismic line in Bohai sea

圖3 渤海某測(cè)線陸檢共檢波點(diǎn)道集頻率掃描Fig .3 Frequency scanning on common receiver gather for a seismic line in Bohai sea

1.2 噪音產(chǎn)生機(jī)理

海底電纜為四分量采集(圖4)，水檢P分量的檢波器為壓力檢波器，沒(méi)有方向性；陸檢為速度檢波器，具有方向性，包括Z、X、Y分量，其中X、Y分量平行于地面接收轉(zhuǎn)換波，而Z分量垂直于地面接收縱波資料[2]，且每個(gè)四分量檢波器單元都封裝在一個(gè)具有一定質(zhì)量的扁平金屬外殼中[3]。

實(shí)際采集中，由于海底并非完全水平等原因，檢波器通常會(huì)與海底耦合不理想，即檢波器與海底往往存在一定的角度，這樣陸檢Z分量就有可能接收到轉(zhuǎn)換波資料，也可以直接理解為側(cè)漏的橫波信息，所以在陸檢Z分量上就會(huì)存在橫波干擾噪音。另外，單炮資料是由不同檢波器接收的，由于檢波器之間存在較大耦合差異，導(dǎo)致噪音干擾表現(xiàn)不明顯，而共檢波點(diǎn)道集是來(lái)自于同一個(gè)檢波器，耦合情況基本相同，所以在共檢波點(diǎn)上表現(xiàn)為比較規(guī)律的特征。

1.3 噪音在三維空間上的特征

在地震資料處理中，對(duì)于同一位置的檢波點(diǎn)，由所有與之相關(guān)的炮點(diǎn)記錄組成并按照炮點(diǎn)位置依次正交排列的道集稱為一個(gè)共檢波點(diǎn)十字交叉正交排列道集(圖5a)，因此可以通過(guò)選取一組十字交叉排列數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步了解該噪音在三維空間上的特征。從十字交叉排列數(shù)據(jù)的時(shí)間切片(圖5b)上可以看到，橫波干擾在近偏移距處比較強(qiáng)，在每個(gè)切片上呈圓形，由淺到深圓不斷變大，形成三維矢量錐形體特征。而且結(jié)合圖3的分析可知，該噪音還具有類似于面波的低相速度特征，且主要集中在某一頻段內(nèi)。

圖4 海底電纜四分量采集示意圖Fig .4 Diagram of OBC 4C receiver gather

圖5 十字交叉排列道集示意圖及時(shí)間切片F(xiàn)ig .5 Diagram of regular cross-spreading system and time slices

2 噪音衰減方法

2.1 常規(guī)去噪方法存在的不足

針對(duì)上述橫波噪音，顯然僅僅在共炮點(diǎn)道集上進(jìn)行隨機(jī)噪音衰減是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而常規(guī)去除該噪音的方法是在共檢波點(diǎn)道集上利用二維拉冬域去噪或F-K濾波去噪。若去噪?yún)?shù)應(yīng)用較保守，去噪后在共檢波點(diǎn)道集往往會(huì)有較多的殘余噪音，而且殘余噪音主要由于去噪方法的限制而集中在近偏移距附近(圖6a)；若去噪?yún)?shù)應(yīng)用較激進(jìn)，雖然道集上表現(xiàn)良好(圖6b),但疊加剖面上會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯損失了部分有效波(圖6c)；因此，這2種常規(guī)方法的去噪效果都不理想，均會(huì)影響后續(xù)的疊加及水、陸檢合并的效果。

圖6 渤海某測(cè)線常規(guī)方法的噪音衰減效果Fig .6 Noise attenuation with conventional method for a seismic line in Bohai sea

2.2 十字交叉域小波變換三維錐形濾波法及去噪效果

在海底電纜多分量地震采集作業(yè)中，目前絕大部分采用較規(guī)則的密集施工方式，即炮線和檢波點(diǎn)線是正交或平行的，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)較密集。因此對(duì)于抽取共檢波點(diǎn)十字交叉排列道集相對(duì)較容易，且具有分布相對(duì)較均勻的特點(diǎn)，從而避免了因地震記錄的稀疏問(wèn)題帶來(lái)的假頻影響[4-5]。分析可知，該橫波噪音在十字交叉排列三維空間上表現(xiàn)出明顯的規(guī)律特征，并能夠與有效波區(qū)別，因此可以采用在正交十字排列的共檢波點(diǎn)道集上進(jìn)行小波域三維錐形濾波去噪處理，這主要是由于小波域處理較傳統(tǒng)的傅里葉變換具有一定優(yōu)勢(shì)，它是采用局部模擬噪聲，僅針對(duì)干繞波存在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，回避了F-K濾波、最小二乘濾波等傳統(tǒng)方法所帶來(lái)的有效信息丟失問(wèn)題[6-9]。此外，小波變換可以通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)函數(shù)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分，即自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)[5],更為高效保真地壓制噪音。

本文提出的十字交叉域小波變換三維錐形濾波法去噪處理過(guò)程包括5個(gè)步驟：①抽取十字交叉排列的共檢波點(diǎn)道集(圖5)；②根據(jù)頻率速度分析提取橫波干擾噪音的特征(圖7)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的小波濾波器；③通過(guò)高精度小波變換將原始數(shù)據(jù)分解為多個(gè)小波子帶[6](圖8a)；④根據(jù)噪音的主要存在區(qū)域在相應(yīng)的子帶內(nèi)進(jìn)行特征提取，建立噪音模型[7](圖8b、c)，并設(shè)計(jì)濾波器減掉噪音干擾[4、8-11]；⑤通過(guò)小波域數(shù)據(jù)反變換回時(shí)間域，完成去噪過(guò)程[4]。

圖7 原始共檢波點(diǎn)道集與對(duì)應(yīng)的頻率-視速度Fig .7 Common receiver gather and frequency-apparent velocity panel

圖8 小波變換的子帶劃分及噪音模型Fig .8 Sub-band division and noise models in wavelet domain

渤海某區(qū)塊為海底電纜多分量地震采集區(qū)塊，其陸檢Z分量上存在明顯的橫波側(cè)漏干擾噪音(圖1、2)，圖9～11為該區(qū)塊某測(cè)線十字交叉排列的共檢波點(diǎn)小波變換三維錐形濾波方法應(yīng)用后的道集質(zhì)控圖，圖12為該測(cè)線十字交叉排列的共檢波點(diǎn)三維錐形濾波方法應(yīng)用后的疊加質(zhì)控圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是共炮點(diǎn)道集質(zhì)控(圖9)，還是共檢波點(diǎn)道集質(zhì)控(圖10)和三維質(zhì)控(圖11)，橫波干擾噪音均得到了有效壓制；去噪前后的疊加剖面對(duì)比表明有效信號(hào)基本沒(méi)有損失，去噪效果較理想(圖12)。

圖13為該區(qū)塊某測(cè)線陸檢橫波噪音采用常規(guī)F-K濾波法和十字交叉排列三維錐形濾波法去噪后對(duì)水、陸檢合并的疊加效果對(duì)比及相應(yīng)的自相關(guān)質(zhì)控對(duì)比。很顯然，十字交叉排列三維錐形濾波法去噪效果更好，疊加剖面的信噪比更高，而自相關(guān)質(zhì)控對(duì)比也說(shuō)明了水陸檢合并的鬼波壓制效果更好，亦更有利于后續(xù)的水、陸檢合并處理。

圖9 本文新方法對(duì)渤海某測(cè)線橫波噪音衰減前后的共炮點(diǎn)道集Fig .9 Common shot gather before and after noise attenuation for a seismic line in Bohai sea with the suggested method

圖11 本文新方法對(duì)渤海某測(cè)線橫波噪音衰減前后三維立體顯示Fig .11 3D display before and after noise attenuation for a seismic line in Bohai sea with the suggested method

圖12 本文新方法對(duì)渤海某測(cè)線橫波噪音衰減前后疊加剖面Fig .12 Stack section before and after noise attenuation for a seismic line in Bohai sea with the suggested method

圖13 渤海某測(cè)線不同去噪方法的水陸檢合并效果對(duì)比Fig .13 Dual-sensor summation with different noise attenuation methods for a seismic line in Bohai sea

3 結(jié)論

1) 海底電纜陸檢Z分量中的橫波噪音主要是由于檢波器與海底的耦合不理想造成的橫波側(cè)漏，具有矢量性、振幅強(qiáng)、頻帶窄、相速度低的特點(diǎn)，在共炮點(diǎn)道集上表現(xiàn)為隨機(jī)噪音，而在十字交叉排列的共檢波點(diǎn)道集上表現(xiàn)為三維錐體特征。

2) 針對(duì)這種橫波噪音特征，結(jié)合地震采集施工特點(diǎn)，提出在十字交叉域共檢波點(diǎn)道集上的三維小波變換錐形濾波去噪方法。該方法通過(guò)小波變換，采用局部模擬噪聲，僅針對(duì)干繞波存在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，回避了傳統(tǒng)方法如F-K濾波、最小二乘濾波等所帶來(lái)的有效信息丟失問(wèn)題，而且進(jìn)行自適應(yīng)的減法運(yùn)算消除干擾，增強(qiáng)了去噪的保真度，實(shí)現(xiàn)了真正意義的針對(duì)性去噪處理。該方法在渤海地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的噪音衰減效果，疊加剖面的信噪比更高，也更利于后續(xù)的水、陸檢合并處理。

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(編輯：張喜林)

Characteristic analysis and attenuation of OBC geophoneZcomponent shear wave noise

FAN Baocang CHEN Wengui WANG Haikun LI Qingshou

(COSLGeophysicalDivision,Tianjin300451,China)

Besides surface wave interference, the geophoneZcomponent noise from the shear wave leakage is difficult to be attenuated in OBC multi-components seismic data processing. This noise has the characteristics of vector, strong amplitude, narrow frequency, low phase velocity, and 3D cone-shaped in cross-spread receiver gather. Considering the characteristics of this noise and seismic acquisition, a new attenuation method of 3D cone-shaped filter using wavelet transform in cross-spread receiver gather is introduced. This method is based on wavelet transform and local analog noise, only used in the area which includesSwave interference, and can avoid the effective information loss caused by conventional methods such as F-K filtering. Furthermore the adaptive subtraction attenuation can enhance the fidelity of de-noising, realizing the true sense of the targeted de-noising. The data processing and application in a block of the Bohai sea show the effect of noise attenuation, which greatly improves the SNR of the data.

OBC;Zcomponent; shear wave interference; characteristic analysis; cross-spread; wavelet domain; cone-shaped filter

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水高精度地震勘探系統(tǒng)成套化研制(編號(hào)：2012AA09A211)”、中國(guó)海洋石油總公司“十二五”科技重大項(xiàng)目“海上開(kāi)發(fā)地震技術(shù)集成及應(yīng)用研究(編號(hào)：CNOOC-KJ125 ZDXM 06 LTD-10-KFSC-14)”部分研究成果。

范寶倉(cāng)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于西南石油學(xué)院應(yīng)用地球物理專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事地震資料處理工作。地址：天津市濱海新區(qū)中心北路1889號(hào)514信箱(郵編：300451)。E-mail：fanbc@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0031-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.005

P631.4

A

范寶倉(cāng),陳文貴,王海昆，等.海底電纜Z分量橫波噪音特征分析及衰減方法[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(3)：31-39.

FAN Baocang,CHEN Wengui,WANG Haikun,et al.Characteristic analysis and attenuation of OBC geophoneZcomponent shear wave noise[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):31-39.